CL-20基共晶及共晶组分的声子谱和热力学性质的第一性原理研究
发布时间：2021-09-19 02:45
尽管对含能材料爆炸现象的认识历史悠久,但从微观的角度来理解爆轰的初始反应机理还十分有限。外界刺激的机械能转化为分子激发的特定路径,无论是从能量跃迁的角度还是从晶格振动的角度都是非常重要的研究课题。声子谱是晶格振动的基础,可从晶格动力学方面研究含能材料的热力学性质、能量流动方向,揭示初始热分解机制、爆轰性能和感度的微观物理机制。本论文正是基于声子谱与材料理化性质间的本质关系,以CL-20/MTNP和CL-20/1,4-DNI共晶为研究对象,通过分析共晶和共晶组分的理论声子谱,探究共晶炸药的微观物理机制,为其化学分解前的能量传递过程提供重要信息。基于此,本论文运用DFT-PBE方法结合TS色散校正计算了不同晶型（β-、γ-、ε-）CL-20、CL-20/MTNP共晶和CL-20/1,4-DNI共晶的声子谱,主要研究内容如下:1.不同晶型CL-20的声子谱和热力学性质研究:分别计算了共晶组分（β-、γ-、ε-CL-20）的声子谱、拉曼活性振动频率、恒容热容、熵、焓等,为不同晶型CL-20的相关研究提供理论数据。通过分析声子态密度确定了声子模式存储和传递能量的方式,提出热能流动方向,预测了引发...
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CL-20基共晶的发展史
西南科技大学硕士学位论文2表1-1几种含能–含能CL-20基共晶的性能对比H50/(cm)ρ/(g/cm3)v/(m/s)P/(GPa)ε-CL-2024(4J)2.035938544.9CL-20/TNT(1:1)991.846846633.8CL-20/HMX(2:1)552.0018485--CL-20/BTF(1:1)--1.918868939.1CL-20/DNB(1:1)551.877881736.48CL-20/DNG(1:1)--1.576~1.757500~8100--CL-20/DNP(2:1)--1.69~1.898200~9000--CL-20/MNO(2:1)--1.947----CL-20/MTNP(1:1)6J1.932934740.5CL-20/DNDAP33.11.871887036.4C-20/1,4-DNI(1:1)10J1.922924239.011.2CL-20晶体及其共晶的结构与性能研究现状结构决定性能，其中微尺度下包括炸药的分子结构、晶体结构、电子结构、能带结构和振动结构等。而性能方面可以从含能材料分子的爆轰性能、热力学性质、感度、分解机理、分子间相互作用与相容性以及极端条件下的理化性质等研究。图1-2是以聚合物粘结炸药（PBX）微观到宏观结构作为含能材料多尺度结构研究的一个例子[11,12]。图1-2聚合物粘结炸药（PBX）从微观到宏观结构的结构示意图[12]。1.2.1CL-20晶体及其共晶的结构研究现状CL-20是一种笼形多硝胺化合物，基本结构由刚性的杂异伍兹烷笼子组成，而硝基与六个氮原子相连。这些硝基相较于五元环（FMR）和六元环（SMR）
要发生在非常早期的阶段，这取决于温度，即温度越高，反应速率越快。WangFuping[39]等人利用Reaxff反应力场分子动力学计算研究ε-CL-20单分子和超晶胞在高温下的热分解过程，CL-20超晶胞的初始热解反应路径与单分子的初始热解反应路径相同，但由于非键相互作用，使得生成NO2·自由基的总量较少，且生成的HNO3碎片会继续分解成H2O和N2O5等碎片。同样地，CL-20基共晶的感度、热分解动力学研究方法与单体CL-20一致。RenChunxing[40]等人运用ReaxFF反应力场分子动力学揭示了关于CL-20/TNT共晶获得的CL-20/TNT热解的化学过程，如图1-3。在1000K下，共晶中的CL-20分子的N–NO2键首先断裂，在不同温度条件下在热分解的初始阶段起主导作用，并且不论温度如何，所有CL-20分子都在BTF分子之前完全分解。图1-3在1000K下CL-20/TNT共晶和β-CL-20晶体热解过程比较[40]1.3声子谱与材料结构与性能关系1.3.1晶格振动与声子晶体中，原子偏离其平衡位置发生微小振动称为晶格振动。晶格振动与晶体的热力学性质、电学性质、光学性质、超导电性、磁性以及结构相变等物理性质有密切关系，因此晶格振动的研究是固体宏观性质和微观过程的重要基矗尽管晶体中的原子在平衡位置具有周期性，但由于原子数目非常大且相邻原子间存在相互作用，因此，在简谐近似下，通过正则变化可以将晶格振动分解为一组独立的无相互作用的振动模式的线性叠加。按照量子力学的观点，每一个振动模式都有对应的频率ω和波失q，具有确定的能量hω和准动量hq，被称为声子。即声子是晶格振动的元激发，可以量子化地描述晶格振动的能量和动量。对于含N个原子的晶体，有三个声学支声子和（3N-3）个光学支声子。其中，声学支声子的特点是相邻原子振动方向相同，角频率较低，可以用超声来激发。而光学支?
【参考文献】：
硕士论文
[1]基于第一性原理的TATB晶体声子谱及结构性能研究[D]. 蒋文灿.中国工程物理研究院 2016
[2]CL-20的热膨胀特性及其降感技术研究[D]. 蒲柳.西南科技大学 2015
本文编号：3400851
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CL-20基共晶的发展史
西南科技大学硕士学位论文2表1-1几种含能–含能CL-20基共晶的性能对比H50/(cm)ρ/(g/cm3)v/(m/s)P/(GPa)ε-CL-2024(4J)2.035938544.9CL-20/TNT(1:1)991.846846633.8CL-20/HMX(2:1)552.0018485--CL-20/BTF(1:1)--1.918868939.1CL-20/DNB(1:1)551.877881736.48CL-20/DNG(1:1)--1.576~1.757500~8100--CL-20/DNP(2:1)--1.69~1.898200~9000--CL-20/MNO(2:1)--1.947----CL-20/MTNP(1:1)6J1.932934740.5CL-20/DNDAP33.11.871887036.4C-20/1,4-DNI(1:1)10J1.922924239.011.2CL-20晶体及其共晶的结构与性能研究现状结构决定性能，其中微尺度下包括炸药的分子结构、晶体结构、电子结构、能带结构和振动结构等。而性能方面可以从含能材料分子的爆轰性能、热力学性质、感度、分解机理、分子间相互作用与相容性以及极端条件下的理化性质等研究。图1-2是以聚合物粘结炸药（PBX）微观到宏观结构作为含能材料多尺度结构研究的一个例子[11,12]。图1-2聚合物粘结炸药（PBX）从微观到宏观结构的结构示意图[12]。1.2.1CL-20晶体及其共晶的结构研究现状CL-20是一种笼形多硝胺化合物，基本结构由刚性的杂异伍兹烷笼子组成，而硝基与六个氮原子相连。这些硝基相较于五元环（FMR）和六元环（SMR）
要发生在非常早期的阶段，这取决于温度，即温度越高，反应速率越快。WangFuping[39]等人利用Reaxff反应力场分子动力学计算研究ε-CL-20单分子和超晶胞在高温下的热分解过程，CL-20超晶胞的初始热解反应路径与单分子的初始热解反应路径相同，但由于非键相互作用，使得生成NO2·自由基的总量较少，且生成的HNO3碎片会继续分解成H2O和N2O5等碎片。同样地，CL-20基共晶的感度、热分解动力学研究方法与单体CL-20一致。RenChunxing[40]等人运用ReaxFF反应力场分子动力学揭示了关于CL-20/TNT共晶获得的CL-20/TNT热解的化学过程，如图1-3。在1000K下，共晶中的CL-20分子的N–NO2键首先断裂，在不同温度条件下在热分解的初始阶段起主导作用，并且不论温度如何，所有CL-20分子都在BTF分子之前完全分解。图1-3在1000K下CL-20/TNT共晶和β-CL-20晶体热解过程比较[40]1.3声子谱与材料结构与性能关系1.3.1晶格振动与声子晶体中，原子偏离其平衡位置发生微小振动称为晶格振动。晶格振动与晶体的热力学性质、电学性质、光学性质、超导电性、磁性以及结构相变等物理性质有密切关系，因此晶格振动的研究是固体宏观性质和微观过程的重要基矗尽管晶体中的原子在平衡位置具有周期性，但由于原子数目非常大且相邻原子间存在相互作用，因此，在简谐近似下，通过正则变化可以将晶格振动分解为一组独立的无相互作用的振动模式的线性叠加。按照量子力学的观点，每一个振动模式都有对应的频率ω和波失q，具有确定的能量hω和准动量hq，被称为声子。即声子是晶格振动的元激发，可以量子化地描述晶格振动的能量和动量。对于含N个原子的晶体，有三个声学支声子和（3N-3）个光学支声子。其中，声学支声子的特点是相邻原子振动方向相同，角频率较低，可以用超声来激发。而光学支?
【参考文献】：
硕士论文
[1]基于第一性原理的TATB晶体声子谱及结构性能研究[D]. 蒋文灿.中国工程物理研究院 2016
[2]CL-20的热膨胀特性及其降感技术研究[D]. 蒲柳.西南科技大学 2015
本文编号：3400851
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