温度和压力对HMX /石墨烯的影响通过ReaxFF分子动力学模拟
发源地Yun并且
李张- 公安部门、山西警察学院、太原,中国
研究精力充沛的材料在高温下的热分解反应可以提供详细的和机械的信息,这对理解高能材料的反应是至关重要的,设计混合炸药,和实现改进安全。在这部作品中,温度和压力对石墨烯的影响(Gr)的使用ReaxFF HMX晶体进行了分子动力学模拟。完美的热分解过程HMX晶体,HMX晶体(001),(010)和(100)晶面,HMX / Gr混合系统研究了在高温和压力。在混合系统中,不同配置的HMX Gr表面吸附分子经理论计算方法。与大气压力的压力从31 GPa, 3, 5,和3配置的HMX Gr表面吸附被确定为(001)/ Gr (010) / Gr,分别和(100)/ Gr系统。时间曲线演化的片段,中间体,热解产物进行了分析。速率常数HMX热分解的被发现Gr的影响。特别是,热分解反应强烈抑制(010)/ Gr系统。这个结果表明Gr促进各向异性热影响,产生的空间位阻2官能团和Gr和HMX分子之间的相互作用。Gr也影响均裂n不的最初反应通路2债券乳沟,C = O,噢,C-OC债券Gr表面参与硝基自由基和HONO的形成。
介绍
能源材料(EMs),如炸药,烟火,推进剂,发挥重要的作用在许多领域包括航空和国防工业(油炸et al ., 2001)。因为他们的高密度、能源和紧张,EMs广泛应用于应用程序从工程爆破、汽车安全气囊、和石油开发武器和火箭推进剂(辛格2005年)。作为纯粹的EMs高度敏感,他们通常与粘结剂混合,添加剂,和退敏剂改善热分解机理、拉伸力学性能和灵敏度。考虑到石墨烯的优良性能(Gr) (艾伦et al ., 2010),如一个大的比表面积、高的热导率,和高导电性,石墨烯材料(本研究),如Gr、氧化石墨烯(去),并降低石墨烯氧化物(rGO)和EM / GBM混合物得到了相当大的关注陈et al ., 2006)。最近,本已经被提议作为添加剂和脱敏剂取代石墨和其他化合物1,3,5-triamino-2, 4, 6-trinitrobenzene (TATB)的(林et al ., 2017)和hexanitrohexaazaisowurtzitane (HNIW或CL-20)的(刘et al ., 2014;Yu et al ., 2014)高聚物粘结炸药(兼有)。
各种研究(刘et al ., 2014;Yu et al ., 2014)重点阐明起源的“绿带运动”的机械灵敏度和热稳定性/ CL-20混合物。由于其比表面积高的地区,本研究发现提供一个大的缓冲区空间当EM / GBM混合物遇到机械冲击和影响。热分解过程也已经研究了在低温下。由于Gr的良好导热性,可以快速从Gr转移到热流PBX表面,从而促进PBX的分解,降低其热稳定性。在高温下,表面含氧官能团分解,释放哦自由基和转移的一些热流PBX,也促进了PBX分解。相比之下,因为大多数表面含氧组rGO减少,PBX热稳定性不受rGO粉的影响。
1、3、5,7-tetranitro-1, 3, 5, 7-tetrazocane (HMX)和复合材料,活化能明显增加了额外的去HMX晶体。此外,HMX炸药的热稳定性增加(李et al ., 2013)的阻燃效应所引起的金属盐制备过程中使用(史和李,2011年)。走表的减感作用的效果优于富勒烯和碳纳米管(碳纳米管)。妞妞et al . (2017)准备HMX / rGO /石墨混合物通过一个原位化学还原涂层的方法。结果显示,床单和石墨可以作为co-desensitizers在HMX炸药。这些以前的研究表明,热的反应在高温和压力强烈依赖于制备方法和条件。特别是,去HMX和CL-20有相反的对热稳定性的影响。然而,Gr的热分解机理和进入新兴市场/ GBM混合物在极端条件下不是很好理解,因为缺乏实验数据。
理论方法,如量子力学和分子动力学模拟,已应用于研究EM / GBM混合物的热分解机理,明确“绿带运动”的影响除了EMs的敏感性。调查机制功能化石墨烯表(投篮)分散在液体硝基甲烷(NM),刘et al (2012)执行从头开始分子动力学模拟。结果表明,纳米分子的热分解大大地加速投篮的存在,导致水的形成,氮气和二氧化碳。不同的反应途径,如质子或氧气交换,被确定,投篮被发现在热分解过程中作为催化剂。Zhang et al . (2019)确定的热稳定性,4,4′-Azo-1, 2, 4-triazole (ATRZ),并使用ReaxFF GO-ATRZ -lg力场的分子动力学模拟。因为强大的空间效应,GO-ATRZ是16.1焦每摩尔的活化能高于纯ATRZ,表明可以提高ATRZ的热稳定性。因此,可以结合ATRZ退敏剂。1、1-diamino-2 2-dinitroethene (FOX-7)——去复合材料(苏et al ., 2019),这是一个理想的原型系统,交互界面使用dispersion-corrected密度泛函方法研究了。结果显示,界面电荷转移从FOX-7和氢键导致相对强劲FOX-7之间的相互作用。
EM / GBM混合物的热过程在高温和压力,这是更复杂的比纯EMs,都伴随着释放大量的能量。此外,实验验证的中间体和最初反应通路在混合系统在极端条件下具有挑战性。复杂的分解过程的EM / GBM混合物包括各种单分子和双分子的反应。Gr是最简单的类型的“绿带运动”,阐明Gr与EMs混合物的作用可以提供一个基础理解减少敏感性和复杂的爆轰反应。ReaxFF -lg分子动力学模拟(限制型心肌病),首次提出的刘et al (2011),已被用于研究HMX的反应(吴et al ., 2020),2、4、6-triamino-5-nitropyrimidine-1 3-dioxide (icm - 102) (杨et al ., 2020),TATB (汉密尔顿et al ., 2019),CL-20 (王et al ., 2019),CL-20 /三硝基甲苯(TNT) (任et al ., 2019)。此外,这些结果与量子力学计算和实验结果。
在目前的工作,限制型心肌病是用于研究的分子构型HMX Gr表面吸附分子以及热分解HMX / Gr系统在高温下。这项工作关注完美HMX晶体的热行为,HMX晶体不同晶面和HMX / Gr混合物。深入了解Gr在复杂的化学炸药的影响机制和各种因素影响的降解途径是必不可少的准备、储存、运输和使用的混合炸药。
模型建立和计算方法
一个完美的HMX晶体结构从实验获得的x射线数据(崔和Boutin, 1970)。休克HMX的敏感性是不同的在不同的方向(Menikoff et al ., 2005)。此外,压缩β-HMX使用钻石砧细胞显示,单个晶体的晶格参数各向异性(钩子et al ., 2006)。此外,COMPASS-based分子动力学模拟表明,HMX和粘结剂之间的相互作用是不同的,这取决于HMX晶体平面(肖et al ., 2005)。
调查的影响HMX晶体平面和Gr对HMX热分解/ Gr混合物,我们建立了一系列的模型。沿着x, y, z方向,一个4×2×3完美HMX超晶胞和一个8×8×1石墨超晶胞是受雇于HMX和石墨的单位细胞扩张。(001),(010)和(100)结构被裂开获得完美的HMX超晶胞沿(001),(010)和(100)晶面。因此,每个晶面HMX分子的总数是48(1344原子)。完美的初始晶格参数HMX (P-HMX),(001),(010)和(100)晶面的HMX (p - 001, p - 010, p - 100,分别),和Gr混合物(001),(010)和(100)晶面的HMX (g - 001 g - 010和g - 100)中列出表1。
表1。初始vortex计算系统。
因为HMX细胞结构从中子衍射数据,β-HMX单位细胞结构的空间群是P21/C。HMX超晶胞结构的周期性边界条件的完美晶体相同的传统分子动力学。HMX结构和HMX / Gr混合结构在不同的水晶飞机,这是建立在HMX超晶胞结构和石墨超晶胞结构,属于P1空间群。
在本文中,基于规模匹配的原则,HMX的空间结构和石墨烯具有不同晶体的飞机。可以看出表1轴和轴的值b的结构是20。以HMX / Gr沿(001)面建模过程作为一个例子,切割完美的HMX超晶胞结构后,(001)晶格参数的二维结构为26.16×22.10。石墨烯晶格参数的单位细胞2.46×2.46×6.8,然后是晶格参数成为19.68×19.68×6.8后扩大8次,8次,和一个时间轴,b轴,和c-axis分别。目前,石墨超晶胞结构匹配HMX超晶胞的大小结构与不同的水晶飞机。因此,由128个碳原子形成的石墨烯结构在本文中被选中作为模拟对象。
图1概述了流程用于建立p - 001和g - 001模型。例如,p - 001模型,其中包含96 HMX分子,是由结合两个(001)平面结构。p - 010和p - 100模型建立了使用相同的方法。HMX / Gr模型使用HMX晶体平面结构包含96 HMX分子和Gr分子之一。Gr分子,从8×8×1获得石墨超晶胞,被两个HMX晶体平面结构。HMX / Gr模型,Gr和HMX的质量分数是94.9%和5.1,分别。
图1。过程建立了g - 001 (h)和p - 001 1) vortex。(一)和(D)单位细胞β-HMX和石墨,(B)和(E)4×2×3β-HMX超晶胞和8×8×1石墨超晶胞,(C)劈理的完美β-HMX沿着(001)晶面,晶(F)和(G)(001)晶面的结构和石墨烯,(H)g - 001的最终结构(我)p - 001的最终结构。红色虚线,包括(一),(B),(C),(F),(H),代表了p - 001模型的建立过程。蓝色虚线显示了g - 001模型的建立过程。
在这部作品中,能量最小化HMX和HMX / Gr模型没有放松的晶格参数进行释放从七vortex内部结构性压力。结构优化过程的方法是内存有限Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (L-BFGS)算法。最大数量的最小化和收敛性判据是1000和4.184步(焦每摩尔)/ A,分别。
随后,一个两步组成的限制型心肌病25 ps isothermal-isobaric不扩散核武器条约》(NPT)分子动力学模拟(0.25 fs时间步),25 ps isothermal-isochoric (NVT)分子动力学模拟(0.25 fs时间步)被用来放松的七个结构在室温下的压力从大气压力与Nose-Hoover 31 GPa链恒温器(50 fs阻尼常数)和NHCP各向异性气压调节器(500 fs阻尼常数),代表一个各向异性Parrinello-Rahman-Hoover气道)不扩散核武器条约》整体算法加上Martyna-Tuckerman-Tobias-Klein (MTTK)算法来控制限制型心肌病的压力波动。
最后,基于NVT系综,计算总100 ps限制型心肌病调查在3000 K热分解,时间步长为0.1 fs。通过分析HMX和Gr分子的行为限制型心肌病的发展期间,Gr在混合炸药的影响可以被阐明。
结果与讨论
验证ReaxFF -lg力场
分子动力学模拟,需要确认力场计算系统的适用性。许多研究研究的适用性ReaxFF力场HMX和其他EMs。人们已经发现,HMX的状态方程(刘et al ., 2011不同加载条件(下)和反应过程汉密尔顿et al ., 2019;任et al ., 2019;王et al ., 2019;吴et al ., 2020;杨et al ., 2020)所描述的这个力场。然而,ReaxFF力场混合系统的适用性由HMX和Gr尚未报道。
的适用性验证ReaxFF-lg力场对HMX / Gr混合物,限制型心肌病ps不扩散核武器条约》(25 + 25 ps NVT)进行七HMX系统在300 K和大气压力。的晶格参数和密度决定P-HMX单位细胞进行了总结表2并与实验结果或与其他理论方法。密度获得使用限制型心肌病是1.808克/厘米3,这是在良好的协议与前一个实验的结果(崔和Boutin, 1970;Menikoff et al ., 2005;肖et al ., 2005;钩子et al ., 2006;彭et al ., 2014;他et al ., 2015年)和DFT-D2计算(彭et al ., 2014)。
表2。晶格参数P-HMX单位细胞获得使用各种实验和理论方法。
验证ReaxFF——的适用性lg力场石墨烯分子之间的反应和HMX分子(支持信息补充数据S1-S5相比),两个系统模型由单分子HMX (补充图S1A)和单分子HMX和石墨烯(补充数据S1B-K建立了),然后n不的最初反应通路2键断裂形成硝基激进分子的HMX的两个模型计算了结构优化的方法和势能面扫描方法。结果(补充数据S2-S5)表明,石墨烯并不影响HMX的最初反应通路。
不同的晶格参数建立由限制型心肌病HMX晶体飞机和HMX / Gr混合物进行了总结表3。的密度通常影响热分解过程的主要因素,大约是1.8克/厘米3对所有的系统调查。所示表3,将轴b轴,α,β,γ值略有改变,而c-axis价值突然改变,表明c-axis很容易压缩。
表3。不同的HMX晶体的晶格参数飞机和HMX / Gr混合物。
值得注意的是,HMX之间的交互和Gr在HMX / Gr混合物可以表达的结合能,这是与兼容性和稳定性呈正相关。换句话说,一个更大的结合能预计为混合炸药与更大的兼容性和稳定性。结合能可以计算为:
在E绑定之间的结合能HMX和Gr, E交互之间的相互作用能是HMX和Gr, E总的势能HMX / Gr系统,和EHMX和EGrHMX和Gr的潜在能量,可以通过删除Gr和HMX HMX / Gr系统。比较的影响石墨烯的结合能HMX / Gr系统,每个碳原子在石墨烯的结合能获得除以126个碳原子的Gr。基于限制型心肌病的结果,g - 010和g - 100预测最大的和最小的结合能表4,分别。three-mixture模型的结合能也计算了经典分子动力学模拟,它是基于COMPASS力场(支持信息补充表S1)。结果显示ReaxFF力场的顺序相同的结果。他et al。(2015)调查了HMX之间的相互作用与不同晶面方向和端羟基聚丁二烯(HTPB),这是一个典型的粘结剂兼有。他们建议和HMX晶体之间的形成能引发下降的顺序(010)˃(001)˃(100)。这些结果表明,强烈的相互作用,如氢键、可以形成Gr或引发和HMX晶体之间,特别是在(010)晶面。
表4。规范化的结合能(焦每摩尔)HMX / Gr / Gr的碳原子。
HMX分子进化
高温分解的固体HMX晶体产生许多小碎片和产品,演示了使用限制型心肌病(刘et al ., 2011)和实验(妞妞et al ., 2017)。图2显示的数量的衰变HMX分子在HMX热分解/ Gr混合物在3000 K。调查系统,观察同样的趋势在最初的阶段(0 - 0.3 ps)。在模拟时间延长(0.31 - -1.8 ps), HMX分子逐渐消失了通过一些最初的反应途径有不同的速率常数。
图2。衰变的HMX分子与模拟在3000 K。
基于一阶相变的成核理论和原子间相互作用模型通过蒙特卡罗模拟(洛杉矶et al ., 2015),Gr的融化温度为4510 K,这是高于石墨。特别是,化学键的断裂和形成使用的调查从头开始分子动力学计算(AIMD)表明Gr不能融化当系统升温至4500 K,导致quasi-2D液态(甘兹et al ., 2017)。因此,在当前的研究中,Gr并不在HMX热分解的反应在3000 K / Gr系统。然而,这是证实Gr和HMX晶体面临影响HMX在各种分子的分解过程计算系统。
第一阶段,提出了关键影响热分解过程的速率常数可以使用数量计算的进化HMX分子使用一阶速率方程(王et al ., 2019):
在哪里N(t),N0HMX分子在仿真时间的数量吗t和t0,分别。图3显示了速率常数,k1的衰变HMX分子。这些结果表明,晶体平面和Gr HMX分解,影响较小的速率常数观察p - 001, p - 100 g - 001 g - 010,比P-HMX g - 100。此外,HMX / Gr混合物的速率常数小于对HMX和相同的晶面。(010)晶面的热分解加速HMX在p - 010分子,而速率常数突然降低时Gr同样增加了HMX晶体平面。的速率常数的差异(001),(010)和(100)晶面和相应的HMX / Gr混合物是0.68,5.17,和0.69 ps−1,分别。因此,Gr被发现有一个相当大的对HMX / Gr混合物脱敏作用,特别是在(010)晶面。
图3。的衰变速率常数HMX分子在3000 K。
实验和理论研究表明,表现出各向异性的HMX冲击载荷作用下的响应。Menikoff et al . (2005)测量了HMX的波资料,这是一种弹塑性材料,计算了非线性和瞬态波行为使用rate-dependent弹塑性模型。报道有效屈服强度值(011)和(010)晶面是0.18和0.31的绩点,分别。通用电气et al . (2014)执行的AIMD HMX结合多尺度的模拟冲击技术在不同晶格向量。沿着一个冲击波传播的比较,b和c晶格向量显示最小的晶格向量b滑动率,表明HMX冲击载荷作用下的各向异性主要是由于晶格向量b。有趣的是,我们目前的结果表明,Gr也热载荷作用下各向异性反应反应取决于HMX晶体平面的方向。
关键的中间片段
分解途径、中间体和产品单分子和晶体结构分析了不同载荷下使用DFT计算(刘易斯et al ., 2000 a;刘易斯et al ., 2000 b;莱曼et al ., 2002;Zhang et al ., 2003;Cobos 2005;伊斯兰教法和Kuklja, 2010),AIMD模拟(Manaa et al ., 2002;通用电气et al ., 2012;通用电气et al ., 2014)和限制型心肌病(周和黄,2011年)。对于HMX,最初的通路均裂n不2债券产生一个没有2激进,H原子的迁移从亚甲基形成HONO,四个碳氮键断裂形成CH2N2O2异构化的不2与随后的碳氮键断裂释放N2O2碎片,碳氢键离解。理论模拟(洛杉矶et al ., 2015;甘兹et al ., 2017)表明Gr不是反应在温度低于4510 K, HMX / Gr系统在这项研究中,所有的中间片段被认为起源于HMX分子。
的进化仿真时间的片段数量是常用的在不同条件下研究EMs的机制。我们计算七模型使用的碎片在3000 K键序为0.3。没有2HONO N2O2,HNO3,没有被发现的主要中间体在HMX热分解和HMX / Gr系统,这是符合其他计算(Manaa et al ., 2002;周和黄,2011年;通用电气et al ., 2012和实验结果肖和沃克,1977年;behren Bulusu, 1991)。没有时间的演进2激进的碎片在3000 K了图4对HMX晶体飞机和HMX / Gr系统。的最大数量2碎片/ HMX分子观察P-HMX, p - 001, p - 010, p - 100 g - 001 g - 010和g - 100是1.67,1.48,1.59,1.54,1.25,0.93,和1.12摩尔。
图4。进化的2激进的碎片在3000 K。
花没有2观察P-HMX片段作为基准,最大数量的没有2碎片在其他六个计算系统更低。这些值之间的差异P-HMX和p - 001, p - 010, p - 100 g - 001 g - 010和g - 100是0.19,0.06,0.13,0.42,0.74,和0.55摩尔。Gr的增加没有明显的差异造成的2激进的随时间演化曲线。图5显示了g - 001 g - 010和g - 100模型认为在XZ平面(即。沿(010)方向)。在HMX / Gr系统中,g - 010的位阻是最大的,因为没有2官能团。由于位阻的没有2官能团和Gr和HMX之间的相互作用,Gr的存在可以抑制HMX的初始分解反应通路,方向性和选择性沿着(010)晶面效应。
图5。g - 001的模型(一)g - 010(B),和g - 100(C)在XZ平面。
进一步评估的影响晶面和Gr HMX / Gr热分解,HONO的演进,N2O2,HNO3,没有得到,如所示图6。在所有计算系统,更多的渐变HNO观察3,不,和N2O2比HONO碎片。
图6。中间体在3000 K的进化。(一)HONO,(B)N2O2,(C)HNO3,(D)不。
每个中间的速率常数计算使用方程(2)在模拟时间范围对应的衰变最大人口在3000 K所示为零表5。HONO和N2O2的速率常数较高比P-HMX HMX / Gr系统。然而,没有类似的速率常数为所有7个计算系统。此外,没有2速率常数显示复杂的行为。无2p - 010和- 100年速率常数明显高于P-HMX。
表5。速率常数(ps−1在3000 K)的中间体。
HMX晶体飞机和Gr并不影响HMX的初始分解途径分子的任何系统。然而,中间体和速率常数的趋势HMX / Gr系统相对于P-HMX和HMX突然改变与不同的水晶飞机。
片段Gr表面形成
HMX分子的吸附在Gr HMX / Gr系统研究了在室温下的压力从大气压到31 GPa。g - 001 g - 010 g - 100,我们发现3、5和3种不同配置的绑定Gr HMX分子。在大气压力,观察两种构型对Gr HMX分子的吸附,如所示图7。吸附分子的HMX都位于Gr边缘。在g - 001和g - 100,两个氧原子三硝基官能团的分子吸附在Gr的HMX表面,它可以被描述为三个C4H8O6N8O(广告)2分子(图7 a, C)。相比之下,在g - 010,一个氧原子的硝基官能团HMX表面分子吸附在Gr,描述为一个C4H8O7N8O(广告)分子(图7 b)。这种配置的改变表明之间的交互HMX和Gr根据不同晶面。
图7。HMX配置HMX / Gr在大气压力系统。(一)g - 001,(B)g - 010,(C)g - 100。
学习压力的影响的HMX Gr表面分子吸附,HMX / Gr vortex的结构计算在300 K和不同压力使用结构在大气压力和室温为起点。的数量分布HMX Gr表面吸附分子进行了分析。结果表明,轴上的硝基官能团和E-axis单个分子的HMX表面可以吸附Gr。压力范围的GPa日至31日,沿(001)面,HMX Gr表面可以吸附分子与两种不同的配置。在第一个配置中,一个氧原子的硝基官能团吸附在Gr表面,称为C4H8O7N8O(广告)(图8)。在第二个配置中,一个N原子和两个O原子在Gr硝基官能团吸附在表面,称为C4H8O6N7N(广告)O(广告)2(图8 b)。在相同的压力范围内,沿(100)面,HMX分子Gr表面可以吸附通过CN的N原子环,称为C4H8O8N7N(广告)(图8 c)。在第二个配置中,两个分子吸附在Gr的HMX表面通过一个氧原子的硝基官能团,描述为C4H8O7N8O(广告),一个分子表面上方的Gr和其他下面所示图8 d。
图8。在g - 001 HMX配置(A, B)和g - 100(C, D)日至31日GPa的压力范围。
在相同的压力范围内,沿(010)面,四个配置了一个吸附的HMX Gr表面的分子,如所示图9。在第一个配置中,两个氧原子硝基官能团吸附在Gr表面,称为C4H8O6N8O(广告)2(图9)。在第二个配置中,在CN环氮原子吸附在Gr表面,称为C4H8O8N7N(广告)(图9 b)。在第三个配置中,一个氧原子在硝基官能团和N原子CN环Gr表面吸附,描述为C4H8O7N7O(广告)N(广告)(图9 c)。在第四个配置中,四个氧原子从两个硝基Gr表面吸附,描述为C4H8O4N8O(广告)4(图9 d)。与g - 001和g - 100相比,HMX吸附在g - 010高压更为复杂。g - 010,两个硝基官能团HMX分子可以与Gr结合,这是一个重要的因素影响了HMX在极端条件下的稳定性。
图9。配置的HMX在g - 010压力范围的GPa日至31日。(一)C4H8O6N8O(广告)2,(B)C4H8O8N7N(广告),(C)C4H8O7N7O(广告)N(广告),(D)C4H8O4N8O(广告)4。
图10显示了HMX Gr表面吸附分子的数量在每个HMX / Gr系统从大气压到31 GPa压力。在所有压力除了19、21和23 GPa,少HMX表面分子吸附在Gr沿(010)面比(001)和(100)飞机。
图10。吸附分子的HMX Gr与HMX / Gr系统从大气压到31 GPa压力。
在压缩阶段在3000 K,化学过程发生在HMX / Gr系统是更复杂的比纯HMX vortex,和HMX的最初反应通路分子是不同的。此外,产生的碎片在HMX / Gr系统显然依赖于晶体平面。表6展示了主要的碎片形成Gr表面在3500 K和100 ps。使用符号描述的碎片×B(广告)C,一个代表Gr表面碎片的数量,B(广告)代表Gr表面原子成键的类型,和C代表保税B原子的数量。g - 001 g - 010 g - 100, 25岁,34岁和31分解产物片段,分别是Gr表面上生成。
表6。类型和数量的碎片Gr表面形成的。
对g - 001,最常见的片段是O(广告),而对于g - 010和g - 100 O(广告),主要的片段是OC(广告)和HO(广告)。这种变化表明,在高温下,所产生的碎片HMX和Gr表面上的C原子反应形成不同类型的产品,从而降低HMX分子的反应速率常数。因此,通过延长HMX的分解时间分子,Gr的加入可以改善的敏感性HMX炸药。
进一步分析碎片特性吸附在石墨烯的表面,碎片的总量在不同混合系统是由热分解清点,分类的产品没有Gr表面碳原子吸收(表示为C0,喜欢HN(广告),HO(广告),HOO(广告),碳氮氧(广告),CH2O3O(广告)和神经网络(广告),一个碳原子成键的Gr表面(表示为C1,喜欢C13H3O9C(广告)和C10H2O8C(广告),包含两个或两个以上碳原子吸收Gr表面(代表C2, C3O3C(广告)2O(广告),C6H2O5数控(广告)2]。最终的产品,如N2、有限公司2,公司可以在Gr表面吸收,而H2O碎片Gr表面不能被吸收。最大的相对分子量片段Gr表面吸收的g - 001 g - 010和g - 100 C21H7O15N3C(广告)3C26H3O20.N3C(广告)8O(广告)2C12H3O8数控(广告)5分别为N(广告)。
结果表明,不仅吸附石墨烯表面的碎片的数量在g - 010系统是最大的碳集群,这是C26H3O20.N3C(广告)8O(广告)2最大的相对分子量,吸附在石墨烯的表面在g - 010系统。图11吸收不同的片段的比例是在g - 001 Gr, g - 010和g - 100。C0碎片在g - 100的比例大于相同比例的C0碎片在g - 001和g - 010。此外,在g - 001 g - 010和g - 100系统,产品没有碳原子占31.58,52.81和53.57%,分别。
图11。比例的Gr碎片吸收。
图12显示的时间演化O(广告)人口HMX / Gr系统。类似的趋势观察的HMX / Gr系统。O(广告)的数量迅速增加,从0到10.2 ps, 10.3和71.5 ps之间缓慢下降,然后达到一个平衡值为71.6 -100 ps。最大的O(广告)按照以下顺序量减少:g - 010 > > g - 001 g - 100。
图12。进化的O(广告)在3000 K HMX / Gr系统。
HO(广告)的时间演进和OC(广告)的人口在HMX / Gr系统中显示图13。g - 001 g - 010和g - 100在3000 K, HO(广告)碎片的数量波动在4,8日和6日分别而OC(广告)碎片的数量波动在3.5,8.3,和7.0,分别。这些结果表明,何氏(广告)和OC(广告)在模拟量达到平衡时间与顺序O(广告),但没有明显的高峰值观察HO(广告)和OC(广告)。
图13。何鸿燊的进化(广告)(一)和OC(广告)(B)在3000 K HMX / Gr系统。
碎片演化结果表明,初始分解途径在3000 K的HMX / Gr系统涉及与Gr C原子的反应中间体,导致形成的C = O,哦,和C-CO债券之间的C原子和硝基自由基,羟基自由基,有限公司的产品分布比较HMX / Gr系统表明Gr产品的类型和数量最大化沿着(010)晶面。因此,分解反应的HMX / Gr系统高温方向性和选择性,为制定Gr-based提供理论指导和改进安全炸药。
最终产品
最终产品的热分解过程进行了分析使用一个键序截止0.3。各种产品的进化(N2H2啊,公司2和公司)在仿真期间提出了图14。这些结果表明,这些小产品开始出现快速仿真(0-20 ps),然后达到一个高原20.1 -100 ps。这种行为意味着Gr和HMX晶体的飞机不会影响最终产品的动力学参数。
图14。进化的最终产品在3000 K HMX / Gr系统。(一)N2,(B)水,(C)有限公司2,(D)有限公司
结论
在这项工作,限制型心肌病是用于研究在HMX / Gr初始热分解反应混合物与不同的水晶飞机。晶格参数的分析,结合能,速率常数,中间体和产品的演变表明,HMX的热稳定性是强烈依赖于晶体平面和Gr。
特别是,HMX的热稳定性是发现更敏感(010)晶面(001)和(100)飞机,外加Gr大大降低HMX分子的反应速率常数。监测的发展各种中间体,包括没有2自由基,HONO, N2O2,HNO3,在3000 K显示添加的Gr沿着(010)晶面HMX增加这些中间体的最大数量。此外,这些结果表明,均裂n不分裂2的主要途径和HONO消除HMX在HMX / Gr系统分解在早期阶段在高温下。
值得注意的是,新增的Gr沿着(010)晶面抑制没有被发现2激进的形成。在压力从大气压到31 GPa在300 K, HMX分子大多是Gr表面吸附通过氧和氮原子在硝基官能团或HMX环氮原子。基于中间人口分析HMX / Gr系统,Gr的加入没有改变的机制HMX热分解,但产品碎片的数量减少的顺序g - 010 > > g - 001 g - 100。Gr的碳原子很容易形成C = O,哦,和C-CO债券产生O(广告),HO(广告),和OC(广告)碎片,最大的g - 010年观察到的影响。
数据可用性声明
最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/补充材料,进一步的调查可以针对相应的作者。
作者的贡献
XY参与计算的混合系统和生产一些图表和LZ负责整体概念,计算模拟过程,写的手稿。
资金
作者感谢山西下的高校教学改革项目授予No.2020405。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或那些出版商编辑和评论员。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
确认
作者感谢山西下的高校教学改革项目批准号2020405。
补充材料
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关键词:石墨烯、热分解、水晶平面各向异性,吸收
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收到:2022年2月05;接受:2022年4月11日;
发表:2022年6月09年。
编辑:
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