高能晶体分解起爆机理的从头算分子动力学模拟

Energetic crystals are a type of special matter that have higher energy and can release a large number of enregy easily. They have been applied widely in the field of national denfense and national economy. The decomposition and initiation mechanisms and the structure-property relationships under different conditions should be understood to utilize energy release of energetic crystals effectively and to prevent unexpected accidents from taking place during their synthesis, production, machining, transportation, reserve, etc. Typical energetic crystals of nitro, azido, azole, and cage series will be selected in this project to study their structure-property relationships at different temperatures and to simulate the decomposition and initiation process at the decomposition temperature by ab initio molecular dyanamics method. The effects of different pressures on the structure and properties of these crystals are investigated. We also discuss their decomposition and initiation mechanisms under the decomposition pressure. These typical crystals under both high temperature and pressure will be studied to disclose their decomposition and initiation mechanisms and to explain the essence of explosion phenomena. In addition, we will simulate the crystals under different shock wave intenses to uncover their structural variations and decomposition and initiation mechanisms. The effects of different external conditions on their decomposition and initiation are compared and related with the sensitivity. Our above systematic studies are helpful for guiding molecular and crystal designs, synthesis, and safety use of energetic matter.

高能晶体是一类本身具有较高能量并较易释放出大量能量的特殊物质,在国防和国民经济许多领域均有广泛应用。为了有效地利用高能晶体爆炸所提供的能量，以及防止高能晶体在合成、生产、加工、运输和储存等环节上的偶然事故，必须深刻认识高能晶体的分解起爆机理以及在不同条件下的结构-性能关系。本项目选择硝基类、叠氮类、唑类和笼形类典型高能晶体为研究对象，通过从头算分子动力学模拟，研究它们在不同温度下的结构-性能关系及其处在分解温度下的分解起爆过程；探讨它们在不同压力下结构和性能的变化及其处在分解压力下的分解起爆机理；揭示它们在高温高压耦合（即同时考虑温度和压力）下的分解起爆机理以及爆炸的本质；对它们进行不同强度冲击波加载下的计算模拟，揭示结构变化和分解起爆的机理；比较不同外界条件对它们分解起爆机理的影响并关联感度特性。通过上述系统研究，借以指导品优高能物质的分子和晶体设计、合成制备以及安全使用。

为了有效地利用高能晶体爆炸所提供的能量，以及防止高能晶体在合成、生产、加工、运输和储存等环节上的偶然事故，必须深刻认识高能晶体的分解起爆机理以及在不同条件下的结构-性能关系。本项目采用密度泛函理论和从头算分子动力学方法，模拟了高温下2,4,6,8,10,12-六硝基-2,4,6,8,10,12-六氮杂异伍兹烷（CL-20）、3,6-二叠氮基-1,2,4,5-四嗪、氧化呋咱、4,10-二硝基-2,6,8,12-四氧杂-4,10-二氮杂异伍兹烷（TEX）和八硝基立方烷晶体的分解过程。CL-20和TEX的起始分解反应为氢转移，3,6-二叠氮基-1,2,4,5-四嗪的为N-N2键断裂，氧化呋咱的为环N-O断裂，而八硝基立方烷的则为C-NO2键断裂；总结了后续分解的途径和主要产物的形成机理。研究了在不同压力下7-氨基-6-硝基苯并二氧化呋咱、1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯（TATB）、CL-20、5-硝基-2,4-二氢-1,2,4-三唑-3-酮（NTO）、1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯、环三亚甲基三硝胺（RDX）、氧化呋咱、TEX、2,6-二硝基-3,5-二氨基吡嗪-1-氧、2,4,6-三氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧、1,7-二氨基-1,7-二硝亚胺基-2,4,6-三硝基-2,4,6-三氮杂庚烷、7-氨基-6-硝基苯并二氧化呋咱和3,3´-二硝氨基-4,4´-氧化偶氮呋咱（DNAAF）晶体的结构和性质。施加外界压力会降低他们的晶格常数、分子结构参数和带隙，但增加光吸收活性和力学稳定性；探讨了它们可能的初始分解机理。模拟了高温高压耦合下TATB、环四亚甲基四硝胺（HMX）、CL-20、RDX、NTO、DNAAF和季戊四醇四硝酸酯（PETN）高能晶体的分解过程，揭示了其分解起爆机理。在不同温度下，压力对他们分解起促进或抑制作用，但取决于压力和温度协同影响。对冲击波加载下HMX、TATB、PETN以及二甲基亚砜掺杂HMX晶体进行了模拟研究，考察了其晶体、分子和电子结构的变化，揭示了分解起爆机理。冲击加载下TATB、HMX和PETN晶体的感度依次增大，即其稳定性逐渐降低；二甲基亚砜掺杂HMX晶体比其完美晶体更容易分解。该研究结果有助于从分子和电子微观层次上理解极端条件下高能晶体结构和起始分解机理，可用于指导品优高能物质的分子和晶体设计、合成制备以及安全使用。