HMX晶体分子动力学仿真精度提升方法及单晶结构制备方法

摘要

本发明提供了一种HMX晶体分子动力学仿真精度提升方法及单晶结构制备方法，该方法采用R因子为0.035的HMX单晶结构作为输入结构，对HMX晶体进行分子动力学仿真。所述的HMX单晶结构的获取过程包括：首先，采用溶剂挥发法对HMX晶体进行重结晶制备，得到白色HMX晶体；然后，选取单晶进行X射线衍射实验，得到HMX单晶结构。本发明的方法结合溶剂挥发制备法和高精度单晶X射线衍射表征手段得到R因子低于现有报道的HMX单晶结构。与Eiland表征得到的HMX单晶结构和常用的OCHTETl2单晶结构相比，将得到的HMX单晶结构作为输入文件计算得到的HMX晶体密度的计算误差分别从3.8％、2.27％降低至1.16％，计算精度大幅提升。

说明书

技术领域

本发明属于含能材料设计领域，涉及HMX晶体分子动力学处理，具体涉及一种HMX晶体分子动力学仿真精度提升方法及单晶结构制备方法。

背景技术

奥克托今(HMX)具有高密度、高爆速、高爆压、良好的热稳定性和化学稳定性等优点，是当前已使用的能量水平最高、综合性能最好的单质猛炸药。随着现代全球快速攻击技术发展，要求弹药小型化，能够在有限空间内携带更多的武器弹药，显著提升攻击效能，以达到“一击毙命”的作战效果，必须提高弹药毁伤的有效能量载荷，如何通过设计提升HMX性能将极具军事意义和推广前景。现阶段基于HMX的含能材料设计最常用的手段之一是分子动力学。

单晶的结构作为分子动力学仿真设计的输入，对其仿真精度影响较大，现阶段HMX分子动力学模拟中采用的仅有的2个单晶结构是1955年Eiland P F研究得到的单晶结构(Phillip Frank Eiland and Ray Pepinsky.The crystal structure ofcyclotetramethene tetranitramine,1955.)和1970年研究得到的CCDC数据中的OCHTETl2结构(Choi C S,Boutin H P,A study of the crystal structure ofcyclotetramethene tetranitramine by neutron diffraction,Acta Crys,1970,B26:1235-1240.)，这两个单晶结构的R因子分别为0.108和0.059，R因子代表表征得到的HMX单晶结构与真实晶体结构的差异，R因子越小，表征得到的HMX单晶结构与真实晶体结构越接近。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种HMX晶体分子动力学仿真精度提升方法及单晶结构制备方法，解决现有技术中HMX晶体分子动力学仿真精度有待进一步提高的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种HMX晶体分子动力学仿真精度提升方法，该方法采用R因子为0.035的HMX单晶结构作为输入结构，对HMX晶体进行分子动力学仿真。

本发明还具有如下技术特征：

所述的HMX单晶结构的获取过程包括：首先，采用溶剂挥发法对HMX晶体进行重结晶制备，得到白色HMX晶体；然后，选取单晶进行X射线衍射实验，得到HMX单晶结构。

所述的采用溶剂挥发法对HMX晶体进行重结晶制备的具体过程为：取HMX置于500mL烧杯中，量取200mL丙酮，置于30℃的水浴锅内，拌棒至炸药全部溶解，将炸药溶液用定性滤纸过滤，去除固体杂质，用塑料膜封口并在塑料膜上用针扎20个小孔，298K条件下自然挥发溶剂，待溶液中出现炸药晶体时，过滤，干燥，得到白色HMX晶体。

所述的选取单晶进行X射线衍射实验的具体过程为：用Mo Kα射线(λ＝0.071073nm)，石墨单色器，在298K温度下，以ω扫描方式扫描，扫描范围：1.89°≤θ≤25.09°，-7≤h≤6，-15≤k≤14，-23≤l≤23，得到HMX单晶结构。

本发明还保护一种HMX晶体分子动力学仿真精度提升方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一，采用溶剂挥发法对HMX晶体进行重结晶制备：

取HMX置于500mL烧杯中，量取200mL丙酮，置于30℃的水浴锅内，拌棒至炸药全部溶解，将炸药溶液用定性滤纸过滤，去除固体杂质，用塑料膜封口并在塑料膜上用针扎20个小孔，298K条件下自然挥发溶剂，待溶液中出现炸药晶体时，过滤，干燥，得到白色HMX晶体；

步骤二、选取单晶进行X射线衍射实验：

用Mo Kα射线(λ＝0.071073nm)，石墨单色器，在298K温度下，以ω扫描方式扫描，扫描范围：1.89°≤θ≤25.09°，-7≤h≤6，-15≤k≤14，-23≤l≤23，得到HMX单晶结构；

步骤三、以获得的HMX单晶结构作为输入结构，搭建晶胞模型，利用分子动力学软件的Discover模块，在COMPASS力场下进行优化，使能量极小化，消除内应力，优化后各结构在NPT系综和温度298K、压力1×10

步骤四、对获取的晶胞平衡构型进行分析，获得晶体密度ρ和力学性能参数。

所述的HMX单晶结构的R因子为0.035。

所述的分子动力学软件采用Materials Studio软件。

本发明还保护一种HMX单晶结构制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，采用溶剂挥发法对HMX晶体进行重结晶制备：

取HMX置于500mL烧杯中，量取200mL丙酮，置于30℃的水浴锅内，拌棒至炸药全部溶解，将炸药溶液用定性滤纸过滤，去除固体杂质，用塑料膜封口并在塑料膜上用针扎20个小孔，298K条件下自然挥发溶剂，待溶液中出现炸药晶体时，过滤，干燥，得到白色HMX晶体；

步骤二、选取单晶进行X射线衍射实验：

用Mo Kα射线(λ＝0.071073nm)，石墨单色器，在298K温度下，以ω扫描方式扫描，扫描范围：1.89°≤θ≤25.09°，-7≤h≤6，-15≤k≤14，-23≤l≤23，得到HMX单晶结构。

所述的HMX单晶结构的R因子为0.035。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(Ⅰ)本发明的方法结合溶剂挥发制备法和高精度单晶X射线衍射表征手段得到R因子低于现有报道的HMX单晶结构。与Eiland表征得到的HMX单晶结构和常用的OCHTETl2单晶结构相比，将得到的HMX单晶结构作为输入文件计算得到的HMX晶体密度的计算误差分别从3.8％、2.27％降低至1.16％，计算精度大幅提升。

(Ⅱ)本发明的方法利用溶剂挥发法制备HMX单晶，结合高精度单晶X射线衍射表征手段得到低R因子的HMX单晶结构，将其作为输入结构，建立HMX超胞并对其进行分子动力学模拟，得到平衡构型的结构参数和密度计算精度大幅提升，并具有普适性。

附图说明

图1为制备和表征得到的HMX单晶结构。

图2为实施例1建立的HMX(4×2×4)超晶胞模型.

图3为实施例2建立的HMX(4×4×4)超晶胞模型。

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细说明。

具体实施方式

现阶段HMX基火炸药仿真精度较低，主要原因之一就是：应用的HMX单晶结构年代久远，局限于当时的表征手段，得到的晶体结构R因子较大，从设计源头就给HMX基火炸药分子动力学仿真引入了误差。因此，有必要从降低晶体结构R因子角度，形成一种HMX晶体分子动力学仿真精度提升方法。

需要说明的是，本发明中的分子动力学软件采用Accelrys公司开发的MaterialsStudio软件。软件中的Discover模块，COMPASS力场、NPT系综、压力1Anderson和Parrinello方法、atom-based和Ewald加和方法均为软件中的已知技术。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例给出一种HMX晶体分子动力学仿真精度提升方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一，采用溶剂挥发法对HMX晶体进行重结晶制备：

取0.2g HMX置于500mL烧杯中，量取200mL丙酮，置于30℃的水浴锅内，拌棒至炸药全部溶解，将炸药溶液用定性滤纸过滤，去除固体杂质，用塑料膜封口并在塑料膜上用针扎20个小孔，298K条件下自然挥发溶剂，待溶液中出现炸药晶体时，过滤，干燥，得到白色HMX晶体；

步骤二、选取单晶进行X射线衍射实验：

选取尺寸0.36×0.29×0.16mm单晶进行X射线衍射实验；用Mo Kα射线(λ＝0.071073nm)，石墨单色器，在298K温度下，以ω扫描方式扫描，扫描范围：1.89°≤θ≤25.09°，-7≤h≤6，-15≤k≤14，-23≤l≤23，得到HMX单晶结构，如图1所示。

步骤三、以获得的HMX单晶结构作为输入结构，搭建晶胞模型，如图2所示，利用分子动力学软件的Discover模块，在COMPASS力场下进行优化，使能量极小化，消除内应力，优化后各结构在NPT系综和温度298K、压力1×10

步骤四、对获取的晶胞平衡构型进行分析，获得晶体密度ρ和力学性能参数。

计算数据显示：与Eiland表征得到的HMX单晶结构和常用的OCHTETl2单晶结构相比，将本实施例的HMX单晶结构作为输入文件，HMX晶体密度的计算误差分别从3.8％、2.27％降低至1.16％，同时力学性能参数体积模量(K)、剪切模量(G)、柯西压以及K/G值的计算精度也明显提升。

表1HMX(4×2×4)超晶胞模型计算结果与现有水平、实测值对比

实施例2：

本实施例给出一种HMX晶体分子动力学仿真精度提升方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一，采用溶剂挥发法对HMX晶体进行重结晶制备：

取0.2gHMX置于500mL烧杯中，量取200mL丙酮，置于30℃的水浴锅内，拌棒至炸药全部溶解，将炸药溶液用定性滤纸过滤，去除固体杂质，用塑料膜封口并在塑料膜上用针扎20个小孔，298K条件下自然挥发溶剂，待溶液中出现炸药晶体时，过滤，干燥，得到白色HMX晶体；

步骤二、选取单晶进行X射线衍射实验：

选取尺寸0.36×0.29×0.16mm单晶进行X射线衍射实验；用Mo Kα射线(λ＝0.071073nm)，石墨单色器，在298K温度下，以ω扫描方式扫描，扫描范围：1.89°≤θ≤25.09°，-7≤h≤6，-15≤k≤14，-23≤l≤23，共收集衍射点7835个，其中独立衍射点2851个，选取I＞2σ(I)的2451个点用于结构的测定和修正，得到HMX单晶结构，如图1所示。

步骤三、以获得的HMX单晶结构作为输入结构，搭建晶胞模型，如图3所示，利用分子动力学软件的Discover模块，在COMPASS力场下进行优化，使能量极小化，消除内应力，优化后各结构在NPT系综和温度298K、压力1×10

步骤四、对获取的晶胞平衡构型进行分析，获得晶体密度ρ和力学性能参数。

计算数据显示：与Eiland表征得到的HMX单晶结构和常用的OCHTETl2单晶结构相比，将本实施例的HMX单晶结构作为输入文件，HMX晶体密度的计算误差分别从2.43％、2.27％降低至1.16％，同时力学性能参数体积模量(K)、剪切模量(G)、柯西压以及K/G值的计算精度也明显提升。

表2HMX(4×4×4)超晶胞模型计算结果与现有水平、实测值对比

实施例3：

本实施例给出一种HMX单晶结构制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，采用溶剂挥发法对HMX晶体进行重结晶制备：

取0.2g HMX置于500mL烧杯中，量取200mL丙酮，置于30℃的水浴锅内，拌棒至炸药全部溶解，将炸药溶液用定性滤纸过滤，去除固体杂质，用塑料膜封口并在塑料膜上用针扎20个小孔，298K条件下自然挥发溶剂，待溶液中出现炸药晶体时，过滤，干燥，得到白色HMX晶体；

步骤二、选取单晶进行X射线衍射实验：

选取尺寸0.36×0.29×0.16mm单晶进行X射线衍射实验；用Mo Kα射线(λ＝0.071073nm)，石墨单色器，在298K温度下，以ω扫描方式扫描，扫描范围：1.89°≤θ≤25.09°，-7≤h≤6，-15≤k≤14，-23≤l≤23，得到HMX单晶结构，如图1所示。