RDX晶体结构与性能研究进展(1).pdf

2 0 1 2 年1 2 月R D x 晶体结构与性能研究进展赵国政等 d o i l O ．3 ％9 ／j ．i s 叽．1 ∞1 8 3 s 2 ．加1 2 ．嘶．0 0 3 l m X 晶体结构与性能研究进展’ 赵国政①陆明①芮久后⑦ ①南京理工大学化工学院 江苏南京，2 1 0 0 9 4 ②北京理工大学机电工程学院 北京，1 0 0 0 8 1 [ 摘要] 单质炸药的性能不仅受炸药分子结构的影响，而且与炸药晶体结构密切相关。综述了R D x 晶体结构 与性能方面的研究进展。R D x 晶胞为斜方晶系，P b c a 点群，a 1 3 ．1 8 2 A ，6 1 1 ．5 7 4 ，c 1 0 ．7 0 9 A ．z 8 ，“ 卢 7 9 0 ．0 。。当平均颗粒直径在1 67 ～3 3 7 ．9 “m 范围时．R D x 颗粒度对撞击感度影响较大．颗粒越大撞击感度越 高。证实了R D x 的晶体结构对其性能具有重要影响。因此．R D x 在应用过程中应充分考虑其晶体结构。 [ 关键词] R D x 晶胞动力学模拟性能综述 [ 分类号] T J5 5T Q 5 “ 引言 黑索今学名三亚甲基三硝胺，简称R D x ，是典 型的氮杂环硝胺类单体猛炸药”⋯。黑索今为白色 粉状结晶。熔点2 0 2 2 0 4 ℃，熔化时分解，晶体密度 1 ．8 2g ／c m 3 。黑索今作为二次世界大战发展起来的 最主要的单质炸药，具有威力大、猛度高、化学稳定 性好等特点，己经被广泛用于军用武器装备和民用 爆破器材，其作为爆炸化合物的爆炸性能之好，是其 它常用炸药如梯恩梯、特屈儿、太安等所不可比拟 的”1 。近年来，一些特殊品质黑索今作为高能氧化 剂或作为塑料粘结炸药 P B x 中的基炸药．在发射 药、推进剂和混合炸药中应用广泛一J 。黑索今在民 用爆破中的应用也深入到各个领域，大量应用到工 业雷管、工业导爆索、起爆具、导爆管、震源药柱、石 油射孔弹等爆破器材。 研究表明，炸药的感度不仅与分子结构特性相 关，还受晶体内部物理微结构、粒度分布、晶体形貌 等影响。R D x 晶体的力学性能在含能材料的设计、 合成、装配、运输过程中起重要作用，并对安全性 能、爆轰性能有重要的影响”1 。为研究R D x 晶体结 构与宏观性能的关系，本文对R D x 晶体结构与性能 的进展情况进行了综述。 1 R D x 晶体结构研究 c h o i 和蹦n c e 旧。用单晶衍射仪测得了R D x 的 单晶结构 图1 。测得R D x 晶胞为斜方晶系，P b c a 点群 点对称操作和平移对称操作的对称要素全部 可能的组合，即R D x 晶体结构内部的原子与离子问 的对称关系 ，口 1 3 ．1 8 2 A ，6 1 1 ．5 7 4A ，c 1 0 ．7 0 9 A ，z 8 ，“ 卢 7 9 0 ．O 。。P 1 ．8 l g ／c m 3 ．晶胞体 积为1 6 3 3 ．8 5 5 7 ”，晶胞所有碳原子均为四价，N N O 处于同一平面上。 璐鹫 a b a 分子构型； b 单晶结构 图1R D x 的分子构型及单晶结构 P e l e r 等”1 研究了晶胞中R D x 分子间相互作用 的情况。研究发现，晶体分子间相互作用能量小于 一3 k J ／m o l 。M u u i k e n 和c h e l p g 原子电荷不足以模 拟分子间静电相互作用。 s o r e s c u 等”1 运用等温等压系综 N 胛 一分子 动力学 M D 模拟及等温等压系综 N ” 一蒙特卡 罗 M C 方法研究了a R D x 在4 ．2 3 0 0 ．OK 范围 内， 1 5 0 0 1 0 5 P a 下的晶体参数 表1 。3 0 0 ．o K ，l 1 0 5 P a 下，N w M c 模拟n - R D x 晶胞参数计 算值与实验值比较，偏差小于4 ％。3 0 0 ．o K ，0P a 下，N 阡一M c 模拟d R D x 晶胞参数计算值几乎与 实验值一致，晶胞中的分子没有扭曲或平移，热膨胀 收疆日期2 0 1 2 们- 1 3 基盒项目国家科研专项基金项目 4 ㈣6 0 4 0 2 0 2 作者简介赵国政 1 9 8 5 一 ．男．博士．研究方向含能材料的制备与应用。E 州n - l 小“呷o z h e n 毋9 1 2 6 ⋯ 通信作者陆明 1 ％3 一 ，男，教授．蹲导，研究方向含能材料及精细化工。E m 矧l u m ⋯g l n a i lq 峭te d uc ”；】洲l ‘惮h e m 1 6 3 ㈨n 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a l e a l s第4 l 卷第6 期 表lN P I L M D 模拟a - R D x 在4 ．2 K 和 3 0 0 ．O K 时的晶胞参数 系数与实验值相符合。 B o y d 等”’采用分子动力学 M D 一蒙特卡罗 M c 模拟了R D x 晶胞中点缺陷的生成、扩散及附 聚 表2 。结果表明恒温恒压下，R D x 保持稳定， 振动频率、晶格能、晶格参数和热膨胀系数的计算值 与实验值完全一致。 表2R D x 晶胞参数的理论计算值与实验值比较 一 “h ，c ，州 秽、， g e m 一3 。 。 。 C h o i ㈧ 1 ．8 1 Z h e n g 【州1 ．8 3 B o v d 【9 】 1 ．8 5 A g m w a l 等引采用s R T A M B E R 力场，动力学 模拟了R D x 的晶体结构。模拟发现，室温条件下， 预测的R D x 晶体密度比实际值低1 0 ％，晶格参数 和热力学熔点偏差在5 ％以内，椅式构象、键长和键 角能与实验值很好地吻合。研究表明，s R T ．一 A M B E R 力场能模拟合理的结果。 z h e n g 等””运用分子动力学研究了过热晶体 ∞R D x 的熔化机理及R D x 晶体结构的变化 图2 。 实验发现，在4 8 0 ～4 9 0K 温度范围内，发生固一固 相变。键长和键角变化较小，密度、键角弯曲和二面 角发生剧烈变化，并伴随着分子的平移和转向。熔 化过程中，d R D x 的构象由A A E 转变为E E E 。Ⅱ- R D x 晶体从5 0 0 K 冷却到3 0 0 K 时．发生不可逆的相 变。 喀瓣 t “JL o a 4 8 0 K ； b 4 9 0 K 图2不同温度下n R D x 的分子构型 宗和厚等‘“1 利用微焦点c T 技术研究了R D x 单晶体和松装大量R D x 晶体的微细结构，得到了 炸药晶体内部孔隙的定位定量和密度分布等信息 图3 。研究表明，经过特定工艺处理过的高品质 与其原料相比，在各个缺陷大小范围内数量减少， 晶体密度及其它性能的重要因素。 ≮ ～l o o 一、慧j 嚣∥一，。e ．，p r ．～- ，∥ j ．- 譬。0 签。鸣瓤j 露～t～一 躐笺。i ．‘G G 0 t o 等Ⅲ3 运用红外光谱、x 一粉末衍射及密度泛 函方法研究了7 - R D x 高压下的晶体结构 图4 。 研究发现，4 ．8 G P a 时，y ．R D x 晶胞参数o 1 2 ．7 l A ， 6 1 1 ．0 4 A ，c 9 ．6 6 0A 。室温下在压强高于4c P a 时，y R D x 可以稳定存在，并具有与a R D x 相同的 P b c a 点群，y ．R D x 与口．R D x 具有相同的构象，但 N N o 的扭曲角度有所改变。理论计算与实验比 较发现，A A E 或A E E 是7 一R D x 最可能的结构。 o 0 O0 。、7 ． o 一 、 ，囊≯一浮。 0 、’7 0 ’ 。 ～ ／～u ， 8 ￡从E ； b CA E E 图4 ，一R D x 的预测结构 c o n r o y 等”4o 运用密度泛函第一性原理研究了 a ．R D x 的晶胞参数、体积模量及物态方程。oP a 下，晶胞参数计算值与实验值仅有2 ％一4 ％的偏 差。原子的能量变化、带隙等物理量表现出了良好 的各向异性。 2R D x 晶体结构与性能研究 朱伟等”“研究了R D x 晶体及其为基的含氟高 聚物P B x 的结构和性能。在不同温度下采用C O M P A S S 力场，对R D X 晶体进行N ”一M D 模拟，研究 其热膨胀系数和力学性能随温度变化的规律。结果 发现，R D x 晶体的热膨胀系数和模量均随温度升高 而下降，说明温度升高，R D x 晶体弹性增强、刚性减 弱。 夏露等”“模拟了R D x 的晶体和无定形结构的 力学性能 表3 ，运用c 0 M P A s s 力场对R D x 作低 温的N 盯一M D 模拟，采用静态力学分析方法进行 0 0 0帅如蚰 0 0 0蚰帅帅 0 0 O如如蛐凹弛卵 7 5 8 0 0 O 4 7 8卯曲卵跎∞g ，3 2 3 3 2 万方数据 2 0 1 2 年1 2 月R D x 晶体结构与性能研究进展赵国政等 力学性能分析。模拟所得晶体和无定形R D x 的弹 性系数相差较大，所得拉伸模量、体积模量和剪切模 量中，R D x 的差别较小。说明R D x 晶体和无定形 力学性能的差别与它们的结构有关。 表3R D x 的弹性系数和弹性力学性能 捌擎淞比体紫佃掣 李洪珍等”“研究了R D x 的晶体内部空隙、颗 粒度和形貌对包括冲击波感度和撞击感度在内的冲 击感度的影响规律。研究表明，R D x 颗粒大小对撞 击感度影响较大，在1 6 ．7 3 3 7 ．9 “m 范围内，随 着颗粒度的增大，撞击感度增加；晶体表观密度对 撞击感度几乎无影响。 花成等“1 运用O M s 、A F M 、s A x s 、s F M 和c T 扫 描等方法，研究了R D x 晶体缺陷及对其配方冲击 波感度的影响。研究表明，R D x 晶体的缺陷数量和 尺寸对P B x 冲击波感度影响较大，冲击波感度随晶 体缺陷尺寸的增大、数量的增多而增高。 李伟明等”“采用溶剂一非溶剂法重结晶 R D x ，研究了不同的制备方法和工艺条件得到的不 同晶体形貌的R D x 与撞击感度之间的关系。研究 发现，加水速率减小有利于R D x 形成大小规则、球 形度较高、晶面光滑的晶体。 3 结论与展望 综述了R D x 晶体结构与性能的研究进展，包括 动力学模拟研究R D x 晶体的组成、结构和力学性能 等信息及其相互间的规律性联系。报道了R D x 晶 体尺寸、晶体表面状态与形状以及晶体内部缺陷大 小和数目对浇注炸药冲击转爆轰的影响，内部缺陷 对R D x 晶体力学性能的影响更为明显。R D x 晶体 的结构、内部缺陷、粗糙度等与体系的起爆和安全性 能有重要联系。 ．。 通过对R D x 晶体结构和静态、动态性质的深入 研究，幸富了高能炸药R D x 的研究和应用。随着国 防和国民经济对含能材料的要求更加迫切，应继续 把深入研究R D x 晶体结构与探讨各种陛能结合起 来，将M D 微观模拟研究向介观和宏观尺度推进，多 种理论方法综合运用，以得到多尺度、多层次的结构 与性能信息，进而为研究R D x 晶体的起爆机理奠定 基础；对模拟预测R D x 的力学性能具有重要的参考 价值。 参考文献 [ 1 ] z h e o gx i a n x u ，z h a oJ u n ，T a nD u o w a “g ，e tdH i g h P r e s s u r eV i b r a t i o n a lS P e c l r o s c o P yo fH e x a h y d r o 一1 ，3 ，5 T n i t r o _ 1 ，3 ，5 - T a z i n e R D x [ J ]P r o p e l l l 8 n f sE x - P 1 0 s ．P y r o t e c h ，2 叭1 ，3 6 1 2 2 2 7 ． [ 2 ]J o s 8 p hMD ．．J a n 百ds ．K ．，s a t p u t eR ．s ．，e ta 1 ． S t u d j e so nA d 姐n c e dR D ∥T A T BB a s e db wV 1 1 l “幽b l e s h e e tE 1 p l o s i v e s “t h } r r P BB i n d e r [ J ] ．P r o p e l Ⅱn n t sE x ． p l o sP y r o t e c h ．，2 0 0 9 ，3 4 4 3 2 6 3 3 0 ． [ 3 ] 孙业斌，惠君明，曹欣茂．军用混台炸药[ M ] ．北京 兵器工业出版社，1 9 9 5 5 6 - 6 9 ． [ 4 ] E l b e mA ．，J n “g o v aM ．，z e m a ns ．，e ta 1 ．E 1 p 1 0 s i v e S t r e n 昏ha n dI m P a c ts e n s i t i v i t y0 fS e v e r a lP B X sB a s e do n A t 【f a c I i v ec y c l i cN i I r 姗i n e s [ J ] ．P m p d u 出I i s 酞p 1 0 5 ． P y r o t e c h ．，2 0 1 2 ，3 7 3 3 2 9 - 3 3 4 ． [ 5 ] 李明，陈天娜，黄明．R D x 晶体的破碎与细观断裂 c ] ／／含能材料与钝感弹药技术学术研讨会论文集． 四川绵阳2 0 1 0 ． [ 6 ]c h o ic ．s ．，P r i n c e ．E ，T h ec 哪t a ls t “c t u r eo fc y e l o t d - 王l l e l h 山n e 一矗H l t r a m i n e CJ ] 。A c t ＆．c r y 耻．，1 9 7 2 ，B 2 8 2 8 5 7 _ 2 8 6 2 [ 7 ] P e t e rP ．，M 8Y ．G ．N o n c o v a l e n tI n t e 兀n 0 1 e c l l l a rE n e r g e t i c s R D xc r y 鞋d [ J ] ．I n tj ．Q u a n t u 札c h e m ．，2 0 0 4 ， 1 0 0 5 7 3 3 7 3 9 ． [ 8 ]s o r e s c uD ．c ．，R i c eB ．M ．，1 1 l o m P 3 0 nDLI n t e 册。一 l e ∽1 a r P 0 t e n { i 出f o r 让l eH e x a h y d r 0 - 1 ，3 ，5 一t n i t ∞一l ，3 ，5 - s t d a z i n ec r y s t a l R D x Ac r y s t a lP a c k j “g ，M o n t e c d oa n dM o l e c u l a rD ”a m i c ss t u d y [ J 卜J P h y s ． c h e mB ，1 9 9 7 ，1 叭 5 7 9 8 8 0 8 ． [ 9 ] ．B 0 y ds ．，G r a v e u eM ．，P o l i t z e rP ．N o n r e a c t i v eM 0 l e c u l a r D y n a m i c sF 0 r c eF i e l d If o rC r y 8 t a l l i n eH e x a h y d r o l ，3 ，5 - I 而n i t r o _ I ，3 ，5t i a z i m CJ ] ．J ．c h e m ．P h y s ．，2 0 0 6 ，1 2 4 1 0 1 0 4 5 0 8 - 1 0 4 5 1 2 [ 1 0 ] A g r 丑w a lP ．M ．，R i c eB ．M ．，z h e n g LQ ，e ta 1 ．M o - l e c u l a rD y n a m i e sS i m l l l a t i o n s0 fH e x a h y d r 0 一l ，3 ，5 - t 打n i t r o l ，3 ，5 一s t d a z i n e R D x u 8 i “gac o m b i n e ds o r e s c u ． R l c e _ T h o m p s o nA M B E RF o 觥F i e l d [ J ] ．J ．P h y s ． C h e m ．B ，2 0 0 6 ，1 1 0 5 1 2 6 1 8 5 - 2 6 1 8 8 ． [ 1 1 ]z h e “gu a l l q i “g ，T h o m p s o nD ．L ．M o l ∞l l l 删D y n a m i c s s in l l l l m i o n so fM e l t i “go fP e 出c tc r y s t a l l i n eH e n h y d m ． 1 ，3 ，5 ．t i n i t f 0 1 ，3 ，5 _ s - t i a z i n e [ J ] J ．c h e m ．P h y 8 ．， 2 0 0 6 ，1 2 5 8 0 8 4 5 0 5 ∞8 4 5 0 8 ． [ 1 2 】宗和厚，张伟斌，戴斌H M x 和R D x 晶体微细结构 肛T 表征[ J ] 含能材料，2 叭O ，1 8 5 5 1 4 5 1 7 ． [ 1 3 ]G o t o N ．，n 酊i h i s a H ．，H i m s h iY ．，e ea 1 ．c r y s t a ls t 九l c t u r eo ft h eH i 暑h P r e 8 8 u f eP h a s eo fH e x a h y d ∞一l ，3 ，5 一f d n i t r 0 1 ，3 ，5 一t d a d n e 1 一R D x [ J ] ．J ．P h y s ．C h e m ．B ， 2 0 0 6 ．1 1 0 4 7 2 3 6 5 5 ．2 3 6 5 9 ． 下转第1 5 页 万方数据 2 0 1 2 年1 2 月， 缓燃型N L G 桥塞火豸的性能研究谈玲华等 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 和燃烧稳定性研究[ J ] ．爆破器材，2 叭1 ．3 9 2 4 _ 6 ． 张虎，何祖清，周墨，等桥塞工具用复合火药研究 [ J ] 火工品，2 0 1 l 5 1 8 - 2 0 ． 王伯羲，冯增国，杨荣杰．火药燃烧理论[ M ] ．北京 北京理工大学出版社，1 9 9 7 ． N 蛐i n o s u k eK u b o t a ．P r o P e l l 曲姐dE 1 P l 啁i 诂s [ M ] ． W e i n h e i m W Ⅱ正Y - V C HV e d a gG m b H ＆C o ．K G a A ． 2 0 0 7 ． M i nB ，H y L l nH ．S t u d yo nC 0 m b u 8 t i o nC h a r a c t e d s t i c so f H T P B ／A PP r o p e u a n t sc o m a i n i “gz i r c o n i 啪[ J ] J o u m a l o fP r o p u l s i o n ∞dP 0 №r ，2 0 1 2 ，2 8 1 2 1 l 一2 1 3 ． [ 1 0 ] R a s h k o v s k 订s ．AE 髓c Io ft h ec I Ⅱv a t u r eo f l h eB u m i n E S u 出c eo fC o n d e n s e dE n e 鞲e t i cM a t e 五d so nt h eB u m i n g R a t e [ J ] ．c o m b u s t i o nE 1 p 1 0 s i o na n ds h o c kw a v e s ， 2 0 1 1 ，4 7 6 6 8 7 ．6 9 6 ． [ 1 1 ] 陈舒林，李风生．火药设计与制造[ M ] ．北京兵器 工业出版社，1 9 8 7 ． [ 1 2 ] 新疆石油管理局导油工艺研究院、承德江金台石油 、机械有限公司s Y ／T 5 3 5 2 _ 2 0 0 7 丢手可钻封隔器、桥 塞及坐封工具[ s ] ．北京石油工业出版社，2 0 0 8 S t u d yo nt h eP m p e r n e so fS l o w ．b u r I l i n gN L GB r i d g e - p l u gP r o p e U a n t T A Nu n g h u 产，u uc h u a 商n 。．G u oc h a 唧i n 产．P A NR e n m j “g 口 ①D e p a n m en lo f M a t e d a lE n 矛n e e d n g ，N 跚j 她I n s t m eo f ‰h n o l o g y J i a n g s “N 叫i “g ，2 1 1 1 6 7 ②s c h 砌o fc h e m i c a lE 岬q 。e d “g ，N 删i “gu I I i v e 璐畸o fs c i e n c ea n d ‰h n o l o g y J i a “挚uN a n j i n g ，2 1 0 0 9 4 ③N o 汕S p e c mE n 8 r g yc r o u pc o ．，L t d s h a 锄x jx i ’a n ，7 1 0 0 6 1 [ A B s T R A c T ] 1 1 I eb u 玎i “gb e h a v i o r ，t h e 珊a ld e c o m p 循j d o n 蛐dc o m b u s t j o nc h a m c t e d 8 t i c 8 埘l h i nt l l eb d d g e P l “g3 y 3 t c m o fa n e wb d d g c - P l “gp 。0 P e l l a n tw e r ei n v e s Ⅱg a I e db ym e a n so f8 t l I l o s p h e d cc o m b u s t i o ne 。p e d m e n t s ．D T A 蛐db d d g e - p l “g S y s i c me x p e m e m s ，r e s p e c n 他l y 。n e 肥s u l t ss h o w e dl h a tl h en e wb d d g e p J u gp ‘印e 】b m 髓H b j c e dt bc h 啪c 廿d s t i c 。f s m a Ⅱe rb u m i “gn t ea 1 1 d1 0 w e ra d h e 8 i o n0 fi t 8r e 8 i d u e ．T h ec o m b u s t i o np m p e n i e s0 ft h ep r D P e u 蚰tc 舭b ei m p 。o v e db ya d j 惦t i “gt h ec o m e n to fb i n d e r ，t 1 1 。p 叭i c l eB i z eo f0 x i 出z e r ，o rt h e ∞n t e n t0 fo o o U “ga g e n t ．T h ec o m b u s t i o no ft h ep r o p e l l a r I t 抽b 矗d g ep l 唱8 p 妇ni ss ￡a b 】e ＆丑de Ⅱa b kac o “P k c e 趴ds u c c e s 越口昨r a d o no f 确d g e ．p k gs y s t e m ．w ‘未h t e n s u r e sm e n e wb d d 铲一p l u Sp ∞p 6 岫Ⅱt8p r o 耐s i n gp r o s p e c to fW i d e8 p p U c a t i d 舳i nt hf u t u I e ． [ K E Yw 0 R D s ] b d 咎- p l u gp r o p e u a I I t ，p r o p e r t i e s ．b u m i n gr a l e ，a d h e s i v eo fp m p e u a n tr e s i d u e 上接第1 1 页 [ 1 4 ]c o n r o y M ．w ，o l e y m k I ．I ．，z y b i nsv ．，e tdD e n s 畸 F u n c t i o n a lT h e o r yC a l c I l l a t i o n so fA n i s o t r o p i cC o n s t i t u ． 矗v eR d “o n 8 K p sh 郜p h a q c l o 哺m e 吐珂l e n e 仃i “Ⅱ砌n e [ J ] ．J ．A p p l ．啦s ．，2 0 0 8 ，1 0 4 1 1 1 】3 5 0 1 - 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