二组分含能复合物结构、性质及其去溶剂化的理论研究

来源 :南京理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:q1104
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共结晶技术和主客体包涵策略是开发先进高能量密度材料非常有前景的两种方法。本论文采用分子动力学(MD)和密度泛函理论(DFT)方法,系统研究了不同溶剂对炸药1,3,5,7-四硝基-1,3,5,7-四氮杂环辛烷(HMX)晶体形貌的影响;探究和分析了黑索金(RDX)与不同溶剂形成的超分子复合物,并通过蒙特卡罗模拟预测了其可能的堆积方式;探讨了TNT/苯胺共晶的晶体和分子结构、分子间相互作用以及表面结构和性质;探究了HMX/N,N-二甲基甲酰胺(DMF)共晶的表面性质、热行为、稳定性和去溶剂过程;研究了不同六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)溶剂化物的形成驱动力以及CL-20/DMF共晶的电场辅助去溶剂化过程;比较研究了不同CL-20主客体复合物的晶体结构、电子结构、力学性质、爆轰性能以及主客体之间的相互作用力,以阐明不同插入分子的作用。其主要内容如下:(一)不同溶剂中HMX的晶体习性通过构建HMX/溶剂界面模型,基于分子动力学方法以及修正的附着能模型和占据率模型,分别研究了HMX在丙酮和二甲基亚砜(DMSO)/H2O溶剂体系中的晶体形貌。与修正的附着能模型相比,占据率模型预测的形貌与实验结果更加吻合。基于径向分布函数(RDF)分析,发现HMX与溶剂分子之间广泛存在着弱氢键、范德华力和库仑力,其中氢键占主导地位;并且强氢键对晶体形貌的影响要比其在总结合能中的占比要大。(二)RDX/溶剂共晶超分子复合物的构建和分析使用分子静电势表面预测了RDX与不同溶剂所形成的超分子复合物;通过DFT对其结构进行了研究和分析。分子中原子(AIM)理论和独立梯度模型(IGM)的结果表明,非常规CH···O型氢键是RDX与溶剂之间的主要相互作用。晶体堆积的结果表明,相似的α-RDX/溶剂超分子复合物在结晶过程中趋于具有相同的对称性。所有预测的共晶都具有比RDX低的撞击感度。(三)TNT/苯胺共晶的结构、相互作用以及表面性质使用DFT方法对TNT/苯胺共晶的结构、分子间相互作用以及表面性质进行了研究,并根据原子偶极矩校正的Hirshfeld布居(ADCH)分析了苯胺分子的电荷转移情况。基于约化密度梯度(RDG)方法和ESP穿透图研究表明,层间的π-π相互作用是共晶的主要作用力,并导致苯胺与TNT分子间的电荷转移。根据Bravais-Friedel-Donnay-Harker(BFDH)方法和附着能(AE)模型,预测了TNT/苯胺共晶在真空中的晶习,并利用DFT和MD模拟研究了不同晶面的表面性质,结果表明TNT/苯胺共晶的去溶剂过程最容易在(200)晶面上发生。(四)HMX/DMF共晶的表面性质、热行为、稳定性和去溶剂化过程选择HMX/DMF共晶最重要的晶面建立平板模型,通过分子动力学模拟,系统地研究了其热行为和去溶剂过程。通过分析内能、等容热容、均方位移和扩散系数,评估了其结构变化和相变,预测共晶体系的熔点为423K。结合能和径向分布函数分析发现,HMX与DMF分子之间的相互作用在熔化过程中变弱。随着温度升高,HMX的引发键伸长,整个体系的稳定性降低。(五)CL-20溶剂化物的形成驱动力及其电场辅助去溶剂过程应用DFT和MD方法,比较研究了纯γ-CL-20及其溶剂化物CL-20/DMF、CL-20/1,4-二噁烷(DO)和CL-20/N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)的晶体和分子结构以及分子间相互作用。CL-20与不同溶剂的共结晶会稍微影响CL-20的构象,主要体现在-NO2的弯曲和N-NO2键长上。基于Hirshfeld表面和径向分布函数(RDF)分析,发现OSol与HCL-20之间形成的氢键是促使共晶形成的驱动力,而OCL-20-HSol的相互作用主要有助于改善共晶的稳定性。在电场强度0.2-0.4 V?-1范围内,CL-20/DMF共晶中的DMF分子可实现与溶液中相似的扩散。在电场作用下CL-20/DMF中溶剂可沿着溶剂通道移动到晶体表面,然后离开表面,从而实现电场辅助去溶剂化。(六)CL-20主客体复合物的结构和性质应用DFT方法,比较研究了三种主客体晶体(CL-20/H2O、CL-20/N2O和CL-20/CO2)和无水CL-20晶体的结构、电子、能量、力学和爆轰性质,以评估不同客体小分子的影响。结果表明,H2O、N2O和CO2的插入对CL-20的晶体和分子结构影响很小。但与纯CL-20晶体相比,它们扩大了晶格腔和态密度,并在不同程度减小了主客体晶体的带隙。Hirshfeld表面和径向分布函数分析表明,插入分子主要通过氢键和范德华力与CL-20分子发生相互作用。三个小分子的引入增加了CL-20晶体的体积模量和剪切模量,这表明客体分子的插入有助于增加CL-20晶体的刚度和断裂强度,其中CO2的效果最好。客体分子的插入在不同程度上改善了CL-20的爆轰性能,其中N2O最为有效。
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