新型含能材料CL-20动高压加载相变与分解机理研究

CL-20 is the most powerful explosive in the current existing energetic materials. Its synthesis has been considered as a breakthrough in the investigations on the field of high explosive synthesis. There are nine high temperature/high pressure phase transitions among the CL-20 polymorphs. Four transitions were observed to be reversible. The remaining five were found to be unidirectional. The shock-induced phase transitions are lacking in literature. In addition, the reaction products reported by different experiments are not unanimous. The reason is that the reaction products reported by experiments are one part of the whole chemical reaction. The experiments can not detect all the intermediates and the sequence of the crack of chemical bond. The quantum molecular dynamics (QMD) in conjunction with multi-scale shock technique (MSST) is performed to study the phase transition and the chemical processes of CL-20 under shock loadings. The goal of the investigation is to obtain the phase and chemical reaction diagram. The simulation is able to make up the disadvantage of experiments. The results could determine the mechanism of phase transformation and decomposition under shock loadings. We also calculate the energy release of the detonation process. The theoretical investigation could give the design of composite explosive powerful guidelines.

CL-20是人类迄今已知的威力最大的炸药，它的成功合成被誉为含能材料合成史上的一个里程碑。静高压下CL-20相变复杂且存在多个可逆相变，动高压(冲击波)加载下的相变研究在实验和理论上均未见报道。另外，由于含能材料的分解过程时间极短(皮秒量级)，现有的实验手段的时间分辨率(纳秒量级)难以满足其精度要求。实验观察到的结果只是不同阶段的部分反应产物，难以探测CL-20整个分解过程。因此实验测量CL-20的爆轰分解产物和起爆机理结果未能统一。本项目拟通过量子分子动力学结合最新发展的多尺度冲击模拟技术将空间和时间的跨尺度与跨层次特征耦合起来探索解释CL-20冲击响应特性。获得完整的动高压相图和分解反应过程图。有效弥补实验无法探测完整反应过程的不足，明确动高压下的相变动力学机理；探析爆轰过程中CL-20起爆的微观机制和分解机理，计算其精细能量输出。为设计安全高效的新型混合炸药提供理论指导和科学依据。

高能量密度材料在工业及军事领域应用广泛，通常作为武器装备和航天技术中实现发射和摧毁目标的动力源。CL-20是迄今已知威力最大的炸药，它的成功合成被誉为含能材料合成史上的一个里程碑。在自然条件下CL-20的α相、β相、γ相、ε相都能存在，感度依次为：ε<γ<β<α。由于含能材料的整个分解过程时间极短(ps量级)，现有的实验手段的时间分辨率(ns量级)难以探测CL-20整个分解过程和化学键的断裂顺序，实验探测的结果仅仅只是某一阶段的部分反应产物。.利用第一性原理分子动力学结合多尺度冲击技术方法研究冲击波加载下固相CL-20的初始分解机理并成功编写统计软件BondStatistic.exe分析不同时间小分子产物种类及数量。CL-20分子内不光有大量的硝基还有一个六元环、两个五元环组成复杂笼型多环硝胺结构。我们计算并分析了α、β、γ和ε相CL-20分别在9、10和11km/s冲击波加载下的爆轰分解过程。当10km/s冲击波加载到最稳定的ε相时，初始分解反应第一步主要是C-H键的断裂，氢离子从-CH基向相邻的-NO2基转移并且同时伴有五元环C-H-O-N-N的形成。C-H键的分解反应对整个分子影响较小，体积并未发生明显变化。C4-N4键的断裂开启破坏笼型骨架的第一步，打开第一个五元环，第三步是C2-N2键发生断裂打开六元环，第四步是C1-N5键的断裂打开第二个五元环，之后C6-N6键发生断裂（原子符号后的数字为CL-20中原子的编号）。随着笼型多环结构的消失整个ε-CL-20体系被迅速压缩并加速分解。小分子产物主要是CO、N2O、NO、N2、NO2和H2O还有少量的H2和CO2产物，N2、N2O和NO数量最多。.利用分子动力学结合COMPASS力场方法理论预测CL-20在高温高压下的晶格参数和弹性常数等力学性能。室温室压下，四个晶相的弹性常数如下：ε相（C11=17.8、C22=18.3、C33=31.0等，单位：GPa），γ相（C11=13.5、C22=13.9、C33=13.7等），β相（C11=7.4、C22=14.0、C33=5.5等），α相（C11=8.7、C22=7.0、C33=13.8等）。ε相的理论结果和实验非常吻合并为其它相结果的准确性提供佐证。理论预测的结果对于CL-20安全性分析、制备等工程应用具有积极的指导意义。