溶液中黑索金生长形态控制的理论研究

发布时间：2020-07-07 04:26

【摘要】：本论文运用密度泛函理论和分子动力学方法,采用Gaussian和Material studios软件作为模拟工具,将黑索金(RDX)结晶实验和"计算实验"相结合,建立起RDX在溶液中生长的理论模型,并利用模型来解释实验结果,从而为RDX形态控制技术提供理论依据与实验指导。对RDX晶胞和分子结构的几何优化表明,COMPASS力场是模拟RDX晶体最优力场。借助BFDH和AE晶习预测模型,RDX晶体真空下的生长形态主要是由(111)、(020)、(002)、(200)和(210)面组成,其中(111)面是形态学上最重要的生长面。对晶面结构的分析表明,(111)面的形态结构较为光滑,而(200)和(210)面的形态结构相对粗糙。(210)、(002)、(200)和(111)晶面都有强极性的硝基基团显露,而(020)面只有非极性的亚甲基基团显露。从晶面极性的角度,(210)、(002)和(200)以及(111)面可以划为极性晶面,其中(210)面的极性最强,而(020)面则是非极性晶面。PBC分析表明(210)、(002)、(200)、(111)和(020)面都含有两个以上互相交缠的PBC键链,都是形态上的平坦面。采用密度泛函理论并借助SMD溶剂化模型研究了 RDX在环己酮、丙酮、二甲基甲酰胺和二甲亚砜等溶剂中的溶剂化效应。与气相下相比,RDX分子引发键(N-N02)的键长在溶剂相中有着较大的改变,而键角和二面角受溶剂化效应的影响较小,RDX分子仍然保持AAE构型。自然布局分析表明溶剂化作用会使RDX分子的硝基带有更多的负电势,而正电势则主要集中在亚甲基基团上。对RDX分子结构参数(N-N02键解离能、静电势平衡参数和硝基电荷)的计算表明溶剂化作用对RDX感度有着重要影响,而且在一定程度上有助于降低RDX感度,但这种影响有上限。对RDX溶剂化自由能的计算表明,RDX在丙酮和二甲基甲酰胺溶剂中有较大的溶剂化自由能,而在环己酮和二甲亚砜溶剂中则相对较小。预测了从环己酮和二甲亚砜溶剂结晶的RDX品质要高于从二甲基甲酰胺和二甲亚砜溶剂。理论预测得到了实验结果的支持。根据实际的溶液环境构建了 RDX生长界面模型,包含由晶体内部结构所决定的RDX晶面相和大量溶剂分子组成的溶液相,并借助分子动力学模拟方法研究了溶剂相与RDX界面之间的相互作用。计算结果表明溶剂与(002)、(210)、(200)和(111)等极性面的吸附作用要强于其与非极性(020)面的吸附作用,其中(210)面有最大面吸附能。溶液相与RDX界面之间的吸附作用主要是由弱的C-H…O氢键作用、范德华作用以及静电作用组成,其中范德华作用占据主导。通过分子静电势的表面定量分析解释了静电作用对丙酮—RDX界面吸附体系的贡献要大于对环己酮—RDX界面吸附体系,因为丙酮分子与RDX分子发生静电作用的倾向比环己酮分子更为强烈。从晶体生长的动力学和热力学原理出发,结合晶体生长的外部条件将晶面的修正附着能与其生长速率具体关联,建立起可用于描述RDX溶液生长的晶习预测模型。借助分子动力学方法预测了 RDX在不同溶液环境中的生长形态,并且通过与实验比较来验证模型的可靠性。预测结果表明RDX在环己酮溶剂中生长时,所有的习性面都会保留,其中(210)和(111)面的形态重要性将会是最大的,而(020)、(002)和(200)面的形态重要性则会减小,而且(020)面重要性的降低是最明显的。当从丙酮溶剂中生长时,(210)面成为形态上最重要的生长面,(111)、(002)和(200)面继续显露,而(020)面则会消失。理论预测的结果与实验得到的RDX生长习性是相符的。溶剂扩散系数的研究显示晶面的修正附着能与扩散系数之间可能存在着一定的对应关系。溶剂扩散系数越大,晶面的修正附着能就越小,对RDX晶体生长的影响就越强。丙酮溶剂对RDX各个晶面的扩散系数要大于环己酮溶剂,因此丙酮溶剂作用要强于环己酮作用,导致RDX在这两种溶剂中表现出不同的结晶形貌,从而进一步验证了预测模型的准确性。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ560.1
【图文】：

分子构型,晶胞,力场,模型

图２．１邋（ａ）邋ＲＤＸ晶胞模型和（ｂ）邋ＲＤＸ分子构型逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋（ａ）邋Ｔｈｅ邋ｕｎｉｔ邋ｃｅｌｌ邋ｏｆ邋ＲＤＸ邋ｃｒｙｓｔａｌ邋ａｎｄ邋（ｂ）邋ＲＤＸ邋ｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋ｓｔｒｕｃＵｉｒｅ逡逑２．３结果与讨论逡逑２．３．１力场优化逡逑２．３N１邋ＲＤＸ晶胞优化逡逑表２．２列出了邋ＣＯＭＰＡＳＳ、ＰＣＦＦ和ＣＶＦＦ力场优化的ＲＤＸ晶胞参数和晶格能值，逡逑并与实验值进行比较。逡逑从表２．２可知，对于ＲＤＸ晶胞参数，ＰＣＦＦ力场的优化值与实验值之间的偏差最大，逡逑其中最大的偏差达到了邋２６．８％；与ＰＣＦＦ力场的优化结果相比，ＣＶＦＦ力场优化值的偏逡逑差相对较小，但参数６的偏差超过了邋１６％；而在这Ｈ个为场中，ＣＯＭＰＡＳＳ力场的优偏差是最小的，尽管对晶胞密度／）的偏差有５．５％。为了进一步比较，引入均方根误差逡逑

晶体生长形态,模型预测,面积比

逦Ｃｈａｉｉ－ＡＥＥ逡逑（化邋ａｉｉ’－ＡＡＥ逡逑图２．２在ＰＣＦＦ、ＣＶＦＦ和ＣＯＭＰＡＳＳ力场下优化的ＲＤＸ分子构型示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｔｈｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍｓ邋ｏｆ邋ＲＤＸ邋ｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋ｃｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ邋ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ邋ｂｙ邋ＰＣＦＦ＂，ＣＶＦＦ邋ａｎｄ逡逑ＣＯＭＰＡ％邋ｆｏｒｃｅ邋ｆｉｅｌｄｓ逡逑２３．２真空下ＲＤＸ晶体的生长形态逡逑２．３．２．１邋ＢＦＤＨ邋模型预须！Ｊ逡逑图２．３是采用ＢＦＤＨ模型预测的真空下ＲＤＸ晶体生长形貌。从图中可Ｗ看到，ＲＤＸ逡逑晶体形貌是由（１１１），（２００），（０２０），（００２）和（２１０）面姐成，形状是菱柱体，长宽逡逑比（ａｓｐｅｃｔｒａｔｉｏ）是邋１．３２。逡逑感＃逡逑图２．３邋ＢＦＤＨ模型预测的真空下ＲＤＸ晶体生长形态逡逑Ｆｉｇ．邋２．３邋Ｔｈｅ邋ＲＤＸ邋ｃｒｙｓｔａｌ邋ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ邋ｉｎ邋ｖａｃｕｕｍ邋ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ邋ｂｙ邋ＢＦＤＨ邋ｍｏｄｅｌ逡逑表２．４是即ＤＨ模型计算的ＲＤＸ晶习参数。从表中可知，（１１１）面是最大的显露逡逑面，面积比超过了邋７０％，具有最大的形态重要性；（２００）面是第二大显露面，面积比是逡逑１２．９％；邋（０２０）和（００２）面的显露面积相对较小，面积比分别是７．２％和３．２％；邋（２１０）逡逑２２逡逑

形貌,模型预测,晶体生长,形貌

１逡逑２．３．２．２ＡＥ模型预测逡逑采用ＡＥ模型预测的真空下ＲＤＸ晶体生长形貌，见图２．４。从图中可见，ＲＤＸ晶逡逑体显露的重要晶面是（１１１）、（０２０）、（００２）、（２００）和（２１０）面，长宽比是１．巧。－逡逑⑥壚逡逑图２．４邋ＡＥ模型预测的真空下ＲＤＸ晶体生长形貌逡逑Ｆｉｇ．邋２．４邋Ｔｈｅ邋ＲＤＸ邋ｃｒｙｓｔａｌ邋ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ邋ｉｎ邋ｖａｃｕｕｍ邋ｐｒｅｄｉｃ化ｄ邋ｂｙ邋ＡＥ邋ｍｏｄｅｌ逡逑表２．４给出了邋ＡＥ模型计算的ＲＤＸ晶体形貌参数。从表２．４可知，（１１１）面有最大逡逑的显露面积比，达到了邋７２％；邋（０２０）面是第二大显露面，面积比是１０．７％；邋（００２）和（２００）逡逑面的显露面积比较接近，面积比分别是８．５％和６．４％；邋（２１０）面的显露面积比是最小的，逡逑只有２．４％。（１１１）面的附着能是最小的，为－１０３．＾ｋｃａｌ’ｍｏｒｉ，而（２１０）面的附着能是逡逑最大的，为－ｌＷ．２６ｋｃａｌ－ｍ0ｒｉ邋（－代表放热）。ＲＤＸ晶面的附着能主要是由范德华作用能逡逑和静电作用能组成，其中范德华作用能的贡献更大。由于晶面附着能与其生长速率成长逡逑比

【参考文献】