全氟磺酸MCM-41分子筛催化合成CL-20

为解决N_2O_5/HNO_3硝化四乙酰基六氮杂异伍兹烷(TAIW)合成六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)收率低以及催化剂难回收的问题,将全氟(1-甲基-乙烷)磺酸接枝到纯硅MCM-41介孔分子筛上,制备全氟磺酸MCM-41分子筛催化剂(SA-MCM-41),并用于N_2O_5/HNO_3硝化TAIW合成CL-20的反应。结果表明,负载了全氟磺酸的MCM-41仍具有MCM-41的典型晶体结构,平均孔径3.13nm,比表面积887.25m~2·g~(-1)。当催化剂用量0.5g,反应温度65~75℃,时间5h时,CL-20收率93.9%,纯度98.4%。该催化剂稳定性好,易与体系分离,重复使用5次,催化性能无明显降低。     

高温下含缺陷CL-20初始化学反应的分子动力学模拟

为研究晶体缺陷对六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)初始化学反应影响规律,采用分子动力学方法和ReaxFF-lg反应性力场,对1500～3500 K高温下含空位缺陷CL-20的初始反应路径、热分解产物和反应动力学进行了研究.结果表明,1500～3500 K时,含空位缺陷CL-20的初始分解路径与完美晶体基本相同,首先N—NO2键断裂生成NO2.空位缺陷增大了CL-20开环反应频次、增加了NO2的生成量.比较完美晶体CL-20可见,空位缺陷可降低CL-20活化能,加速CL-20的热分解进程.2000 K和3000 K时含16.7％空位CL-20反应速率常数分别是完美CL-20的1.7倍和1.4倍.空位缺陷其周围的CL-20分子更容易发生热分解反应,导致CL-20的感度提高.     

量气法研究CL-20热分解动力学

采用一种新型的热稳定性量气测试系统"拉瓦"装置,在接近真空的密闭条件下对CL-20的全分解过程进行恒温实时监测。实验结果表明,CL-20全分解放出的气体量为628.5 mL.g-1;在170~200℃范围内,分解深度为0%~50%范围内时,其反应机理函数符合成核和生长(n=1.5)的Avrami-Erofeyev方程;表观活化能和指前因子分别为Ea=174.1 kJ.mol-1,ln(A/s-1)=42.34。     

CL-20基含铝炸药水下爆炸实验研究与数值模拟（英）

为了研究含铝粉与不含铝粉的六硝基六氮杂异伍兹烷（CL-20）基高聚物粘结炸药（PBXs）的水下爆炸过程,制备了含铝量分别为0和15%的两种炸药,设计了一个水下爆炸实验装置,得到了炸药的冲击波压力历程、气泡周期和气泡脉动图。计算了两种炸药的冲击波能量、气泡能量和水下爆炸总能量。采用AUTODYN软件模拟了水下爆炸过程。结果表明,当铝含量从0增大到15%时,水下爆炸总能量由1.4倍TNT当量增加到1.7倍TNT当量。气泡脉动过程中,时间从49.5 ms到49.8 ms时,含铝炸药气泡内产生火光。含铝炸药与非含铝炸药超压分别为15.16 MPa与15.51 MPa,气泡二次压力分别为2.25 MPa与2.35 MPa,气泡周期分别为50.20 ms与46.76 ms,气泡最大半径分别为67.87 cm与60.27 cm;仿真得到含铝炸药与非含铝炸药参数超压分别为14.90 MPa与15.14 MPa,气泡二次压力分别为2.16 MPa与2.27 MPa,气泡周期分别为49.32 ms与45.90 ms,气泡最大半径分别为66.32 cm与58.89 cm。实验与仿真结果吻合良好。     

α-CL-20和CL-20/H2O2中溶剂分子的扩散特性及其对共晶分解影响的分子动力学模拟

为了研究H₂O和H₂O₂溶剂分子对含能共晶热稳定性的影响机制,采用分子动力学(MD)模拟方法对α-CL-20和CL-20/H₂O(2正交、单斜)中溶剂分子的扩散行为及其热解机理进行了研究。结果表明,H₂O和H₂O₂都会随着温度的升高从晶胞中扩散出来,其中H₂O分子扩散得更快;温度低于500 K时单斜晶型CL-20/H₂O₂晶格框架具有阻碍溶剂分子H₂O₂扩散的作用,而温度高于500 K时,这种阻碍作用将不复存在。热分解过程中,α-CL-20释能最慢,且其中CL-20的分解也是最慢的;温度低于1500 K时,溶剂分子对含能组分热解呈现出一定的稳定化作用,但此作用随着温度的升高而消失。此外,溶剂的存在能明显增加晶格能。     

共晶和共混对CL-20/DNB感度和热解机理影响的MD模拟

为了从分子水平进一步揭示共晶和共混对六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)/1,3-二硝基苯(DNB)含能材料的感度、力学性能和热解机理的影响,采用分子动力学(MD)模拟方法在COMPASS力场条件下对CL-20、DNB、两者的共混物及共晶的感度、结合能和力学性能进行了模拟计算。在Reax FF/lg力场条件下对其热解机理进行了研究。结果表明,共晶和共混均会降低体系的感度,但共晶效果更加明显;与共混物结构相比,共晶结构更加稳定,共晶和共混均可以改变复合体系的力学性能,降低体系的刚度,增加体系的柔性和安全性,但共混会使体系的力学性能劣化。共晶分子间强的作用会促进体系中各组分的热解反应,NO_2、N_2、NO、H_2O、HONO、HON以及CO_2等是共晶和共混体系的主要热解产物。与共混相比,共晶是一种更加有效的含能材料改性方法,可为含能材料的配方设计提供理论指导。     

CL-20/DMMD共晶炸药的制备与表征

通过溶液共晶法制备得六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)与二硝基二氮杂戊烷(DMMD)的共晶炸药CL-20/DMMD.采用X射线单晶衍射(SCXRD)、扫描电镜(SEM)、X射线粉末衍射(PXRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、差式扫描量热法(DSC)对其进行测试及表征.结果表明该晶体为单斜晶系,P21/c空间群,分子间以氢键为主要作用力并形成层状结构.PXRD表明CL-20与DMMD之间有新的晶相生成,FT-IR表明CL-20/DMMD部分衍射峰发生偏移的原因是产生了氢键作用.DSC显示CL-20/DMMD共晶熔点为180.8℃,比CL-20和DMMD的熔点分别提高了21.5℃和120.9℃;其主要热分解峰为240.1℃,比CL-20增加了3.5℃.根据Rothstein和Petersen理论预测爆速和爆压分别是9255 m·s-1和41.08 GPa,较CL-20的爆速9386 m·s-1,爆压45.09 GPa均略微下降,较DMMD的爆速7287 m·s-1,爆压21.79 GPa、奥克托今(HMX)的爆速9048 m·s-1,爆压40.55 GPa、黑索今(RDX)的爆速8945 m·s-1,爆压37.28 GPa、梯恩梯(TNT)的爆速7042 m·s-1,爆压21.44 GPa有所提高.     

CL-20基炸药墨水直写沉积规律

直写技术具有安全、批量、精确图形化的优点,是含能微器件精密、高效装药成型未来发展的趋势。基于六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)基炸药墨水,采用Ansys软件模拟和直写沉积实验相结合的方法,研究了驱动压力、出口直径对挤出速率的影响。采用Matlab软件分析了直写沉积数据,运用插值分析法得到了有效的直写参数,建立了描述直写沉积规律的数学模型。结果表明,制备的CL-20基炸药墨水为非牛顿流体,黏度范围为10~350 Pa·s。当剪切力大于650 Pa时损耗模量逐渐大于储能模量。当驱动压力大于350 kPa时,CL-20基炸药墨水黏度变小,使得挤出速率变化率变大。当出口直径大于0.6 mm时,CL-20基炸药墨水挤出能量损失变小,使得挤出速率变化率变大。建立了直写参数关系式u_1=0.00047×d_1~(0.6516)×p~(1.5291),结果表明,驱动压力对挤出速率的影响大于出口直径对挤出速率的影响。     

离子液体中CL-20的高收率低污染硝解方法

针对工业混酸法制备六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)废酸污染大及N_2O_5/HNO_3法收率低的现状,制备了酸性季铵盐类、己内酰胺类、咪唑类、吡啶类离子液体,将其用于N_2O_5/HNO_3硝解四乙酰基六氮杂异伍兹烷(TAIW)制备CL-20的反应中。考察了离子液体种类、酸度、用量及反应时间对CL-20收率及纯度的影响。结果表明,离子液体酸强度与催化性能呈正相关关系,[Et_3N(CH_2)_4SO_3H][BSO]表现出最佳的催化活性。最佳的反应条件为:反应温度60~80℃,反应时间7 h,m([Et_3N(CH_2)_4SO_3H][BSO])∶m(TAIW)∶m(N_2O_5)∶V(HNO_3)=0.5 g∶3 g∶4 g∶15 mL,CL-20收率94.5%,纯度98.1%。离子液体重复使用5次,催化性能无明显降低。     

CL-20/DNB共晶高温热解的ReaxFF反应分子动力学模拟

基于Reax FF力场,采用反应分子动力学方法(Reactive Molecular Dynamics,RMD)研究了高温条件下(2000,2500 K和3000K)六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)/1,3-二硝基苯(DNB)共晶的初始热解机理以及一些主要产物随时间的分布情况。结果表明:CL-20/DNB共晶热解过程中温度越高,系统达到平衡所需时间越短,生成的产物越多,势能下降也越多。各个温度下CL-20均先于DNB快速分解完毕,随温度升高DNB的热解速率显著加快。CL-20/DNB共晶主要热解产物为NO_2、NO、N_2、H_2O、HNO3、HON、HONO和CO_2等,其中NO_2是由CL-20中N—NO_2键和DNB中C—NO_2键的断裂所生成,这是主要的初始引发反应,其数量迅速达到最大值后通过异构化生成ONO自由基,接着进一步生成N_2、NO、HONO、HON和H_2O等。在2500 K和3000 K条件下模拟后期体系中会有较大的含碳团簇出现,这是富碳炸药爆轰过程中的常见现象。     

三类炸药晶体冲击引发分解机理的从头算分子动力学研究

运用从头算分子动力学和多尺度冲击相结合的方法,对三类典型炸药晶体奥克托今（ HMX）、1,3,5-三氨基2,4,6-三硝基苯（ TATB）和太安（ PETN）实施冲击加载下的模拟研究。结果表明,HMX中的N-O键、TATB中的N-O键以及PETN中的C-O键优先断裂。随着时间推移,他们体系中电子离域性增加;价带和导带间的带隙逐渐减小;接着开始出现金属态并不断变多。在冲击加载下,TATB、HMX和PETN晶体引发断裂化学键所需时间依次减小的顺序,恰与它们冲击波感度依次增大的实验顺序相一致。这表明,它们的结构和引发分解机理与冲击波感度之间有规律性联系。     

CL-20转晶废剂的处理研究

采用烃油及正辛醇对六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)转晶废剂进行预处理,回收CL-20固体,再利用废剂中各溶剂的沸点不同,通过共沸蒸馏分离出乙酸乙酯和氯仿等溶剂。利用高效液相色谱(HPLC)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)对转晶废剂组分和析出的固体进行了表征。结果表明,转晶废剂主要含有氯仿、乙酸乙酯、α-CL-20;用烃油处理废剂回收到的α-CL-20的纯度为99.1%,回收率为79.5%。     

TATB/CL-20复合装药结构的3D打印成型技术

为了提高装药的能量和安全性,设计了3种新型复合装药结构,分别为轴向多层结构、径向多层结构和轴向/径向复合结构。采用具有高能量密度的六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)和高安全性的三氨基三硝基苯(TATB),以缩水叠氮甘油聚醚(GAP)和多异氰酸酯(N-100)为黏结剂体系构成CL-20/GAP/N-100和TATB/GAP/N-100两种炸药体系配方,并通过3D打印技术将TATB和CL-20两种炸药体系构筑成3种不同的新型复合装药结构。研究了含能体系的黏结剂含量和3D打印工艺参数(打印速率以及打印针头口径)对装药微观结构的影响,确定了合适的打印成型工艺,当黏结剂含量为20%时,采用3 mm·s~(-1)的打印速度和口径为0.25 mm的针头进行打印能得到结构稳定的装药。采用GJB772A-1997方法 601.2测试了3种复合装药结构的撞击感度,结果表明,轴向/径向复合多层装药结构(CL-20质量占比90%)的特性落高达到72.00 cm,比同质量的CL-20装药提高了3.14倍。     

均四嗪热分解机理的从头算分子动力学模拟及密度泛涵理论研究

运用从头算分子动力学(AIMD)方法对均四嗪分子的热分解轨迹进行了模拟,用密度泛涵理论在B3LYP/6-311G(d,p)水平下计算了极小点和过渡态的几何结构和能量性质。然后在多种理论水平下(包括B3LYP/6-311 G(2df,2p)、G3MP2B3、G3B3、CCSD(T)/6-311G(d,p)、CCSD(T)/6-311 G(2df,2p))计算了反应物、产物和过渡态的单点能,并运用微正则变分过渡态理论(μVT)计算了均四嗪的热分解反应速率常数,得到较为准确可靠的反应信息。研究结果表明:均四嗪分子的热分解机理为协同的三键断裂,生成1个N2和2个HCN,此机理与均四嗪的光分解机理一致。     

CL-20/HMX共晶与共混物的分子动力学模拟

为比较六硝基六氮杂异戊兹烷(CL-20)/环四亚甲基四硝胺(HMX)的共晶与共混物的性能,分别构建了CL-20∶HMX摩尔比为2∶1的共晶结构及共混物结构。用分子动力学(MD)方法模拟了CL-20/HMX的共晶体系及共混体系的力学性能、结构稳定性及径向分布函数。模拟及计算结果表明:CL-20/HMX共晶工艺能显著改善体系的抗形变能力及延展性。共晶结构的弹性模量要显著大于共混结构。最大键长(L_(max))的排序为:CL-20/HMX共混ε-CL-20β-HMXCL-20/HMX共晶。以范德华力为主的作用力"敏化"了CL-20/HMX共混体系的结构。CL-20/HMX共晶结构的内聚能密度(CED)值要远远大于CL-20/HMX共混结构的CED值。CL-20/HMX共晶体系中存在着长度相对较短CH…O氢键导致其感度较低。     

CL-20/DNB共晶基PBXs相容性、界面作用和力学性能的MD模拟

为提高六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)/1,3-二硝基苯(DNB)共晶炸药的实际使用价值,改善其安全性和力学性能,沿其(0 0 1)晶面分别添加了端羟基聚丁二烯(HTPB)和聚乙二醇(PEG)高聚物粘结剂,构建了两种CL-20/DNB共晶基高聚物粘结炸药(PBX)——CL-20/DNB/HTPB和CL-20/DNB/PEG的模型。在COMPASS力场下,对该共晶炸药及其两种PBX模型进行了295 K-NPT分子动力学(MD)模拟研究。结果表明,CL-20/DNB/PEG的结合能大于CL-20/DNB/HTPB的,预示前者的稳定性和相容性优于后者。以对相关函数g(r)揭示了粘结剂与基炸药之间界面的相互作用。与CL-20/DNB共晶炸药相比,少量粘结剂(HTPB或PEG)的加入,使弹性系数(Cij)、拉伸模量(E)、体积模量(K)和剪切模量(G)减小,而柯西压(C12-C44)和K/G值增大,表明PBX体系刚性减小,延展性增强。CL-20/DNB/HTPB的(C12-C44)和K/G值均大于CL-20/DNB/PEG的,表明前者的延展性好于后者,预示粘结剂HTPB比PEG在改变共晶炸药力学性能进而致钝的效果较好。     

晶体缺陷对CL-20/NQ共晶炸药性能影响的理论研究

为了研究晶体缺陷对六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)/硝基胍(NQ)共晶炸药的稳定性、感度与爆轰性能的影响,建立了"完美"型与含有晶体缺陷(掺杂、空位与位错)的CL-20/NQ共晶炸药模型。采用分子动力学方法,预测了各种模型的性能,得到了不同模型的结合能、引发键键长分布、键连双原子作用能、内聚能密度及爆轰参数并进行了比较。结果表明,与"完美"型晶体相比,缺陷晶体的结合能减小幅度为4.29%～24.33%,表明分子之间的相互作用力减弱,炸药的稳定性降低。缺陷晶体的引发键键长增大幅度为0.78%～6.04%,而键连双原子作用能减小幅度为2.86%～20.03%,内聚能密度减小幅度为2.46%～12.72%,表明炸药的感度升高,安全性变差。由于晶体缺陷的影响,炸药的密度、爆速与爆压减小幅度分别为0.58%～7.57%、0.43%～5.99%、1.19%～15.31%,表明能量密度与威力减小。因此,晶体缺陷会对CL-20/NQ共晶炸药的稳定性、感度与能量特性产生不利影响,其中空位缺陷对炸药性能的影响更为显著。