溶液中黑索金生长形态控制的理论研究

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-NO2)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-NO2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。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 RDX晶形控制研究进展

1．3 结晶原理

1．3．1 晶核形成

1．3．2 晶体生长

1．4 炸药晶体形态及其影响因素

1．4．1 晶体生长形态

1．4．2 炸药晶体形态的影响因素

1．5．分子模拟及其在结晶领域的应用

1．5．1 分子模拟

1．5．2 分子模拟在结晶领域的应用

1．6 本文研究的目的和内容

2．真空下RDX晶体生长形态

2．1 引言

2．2 预测模型和模拟

2．2．1 预测模型

2．2．2 模拟

2．3 结果与讨论

2．3．1 力场优化

2．3．2 真空下RDX晶体的生长形态

2．3．3 RDX晶面结构

2．4 本章小结

3．溶剂效应研究

3．1 前言

3．2 溶剂模型与模拟

3．2．1 溶剂模型

3．2．2 模拟

3．3 结果与讨论

3．3．1 溶剂化效应对RDX分子结构的影响

3．3．2 溶剂化效应对RDX电子结构的影响

3．3．2 溶剂化效应对RDX感度的影响

3．3．4 溶剂效应对RDX晶体影响

3．4 本章小结

4．溶剂分子对RDX晶面吸附研究

4．1 引言

4．2．模型和模拟

4．2．1 模型

4．2．2 模拟

4．3．结果与讨论

4．3．1 体系平衡

4．3．2 吸附能

4．3．3 溶剂分子吸附作用的影响

4．4 本章小结

5．RDX溶液生长的理论研究

5．1．前言

5．2 RDX生长界面模型

5．2．1 模型原理

5．2．2 模型构建

5．2．3 MD模拟

5．3 结果与讨论

5．3．1 COMPASS力场测试

5．3．2 界面吸附

5．3．4 界面吸附对晶体形态的影响

5．4 本章小结

6．溶液生长形貌预测

6．1 前言

6．2 预测模型的提出和计算

6．2．1 晶习预测模型的提出

6．2．1 模拟和计算

6．3 结果与讨论

6．3．1 RDX近界面处的溶剂吸附作用

6．3．2 RDX晶体形貌预测

6．3．3 溶剂对RDX界面扩散的研究

6．3．4 RDX溶液生长形态预测流程

6．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士期间发表的论文和出版著作