CL-20/HMX含能共晶THz光谱的理论研究

摘要

近年来，通过共结晶的方式来协调炸药能量与安全性之间的矛盾关系，改善炸药的综合性能已成为含能材料领域的研究热点。然而，在无法得到单晶X射线衍射数据的情况下，要严格表征共晶样品是非常困难的，特别是区分物理混合物和真正的共晶物质，这是由于含能分子在结晶过程中易形成溶剂化物和/或多晶型。因此，寻求有效的共晶炸药表征手段，将是共晶炸药发展和进一步应用必须解决的关键技术问题。
　　由于共晶炸药的形成主要依靠范德华力、氢键、卤键、π-π堆积等弱的分子间相互作用力，而这些相互作用的振转能级跃迁正好位于太赫兹（THz）谱的检测范围。因此，本论文以CL-20/HMX共晶炸药作为模型体系，采用分子动力学模拟与量子力学相结合的方法，对共晶单体和CL-20/HMX共晶THZ光谱进行理论模拟，同时对其特征吸收峰进行对应振动模式分析。研究不同浓度空位缺陷对共晶CL-20/HMXTHZ光谱的影响。本论文的研究结果将为THz光谱在共晶炸药方面的应用提供理论依据和技术支撑，拓宽THz光谱的应用范围，丰富THz光谱的研究方向。
　　具体研究内容和主要结果如下：
　　（1）共晶单体CL-20和 HMX晶体 THz光谱的理论研究：对CL-20和HMX单体的THz谱进行理论模拟，并对其振动归属进行分析。结果显示，和实验测量数据相比，模拟得到的β-HMX及β-、?-和γ-CL-20的THz光谱与实验值吻合很好。不同晶型的CL-20由于晶格堆积以及分子间相互作用种类和强度的差异，而呈现出不同的THz谱。
　　（2）CL-20/HMX共晶THz光谱的理论研究：对CL-20/HMX共晶THz谱进行理论模拟，并分析其振动归属。结果显示，CL-20/HMX共晶和其单体CL-20和HMX相比，出现了5个新的特征吸收峰，分别位于0.23、0.49、1.47、1.73和2.27THz处。除0.23THz处的晶格振动峰外，其它吸收峰主要起源于分子间的C–H···O氢键、O···O和N···O相互作用。其中1.1、1.47和1.73THz为C–H···O氢键，2.27THZ为O···O相互作用以及少量的N···O相互作用。对共晶形成起主要作用的异相分子间C–H···O氢键，主要反映在1.73THz处。
　　（3）空位缺陷对CL-20/HMX共晶THz光谱的影响：建立含不同空位浓度的CL-20/HMX共晶模型及（010）晶面模型，对其THz谱进行理论模拟及解析，探讨空位缺陷对其THz谱的影响。结果表明，空位缺陷导致CL-20/HMX共晶晶体结构松弛，晶体场效应减弱，孔洞表面或附近的分子排列混乱。此外，对不同空位浓度CL-20/HMX共晶及（010）晶面THz光谱的分析发现，随着缺陷浓度的增加，THz光谱已完全不同于完美单晶，主要表现为特征吸收峰变宽，且低频特征吸收峰强度增大。究其原因主要为，空位缺陷破坏了共晶中的分子间C-H…O氢键网络和其它分子间相互作用，晶体场效应减弱。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 太赫兹的概述

1.3 THz光谱技术

1.4 THz光谱的理论分析

1.5 爆炸性物质的THz光谱的研究

1.6 论文选题的目的意义、主要内容及创新点

2 研究方法介绍

2.1 分子动力学模拟

2.2 量子力学计算

3 共晶组分CL-20和HMX的THz光谱

3.1 引言

3.2 研究方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 CL-20/HMX共晶THz光谱模拟及分析

4.1 CL-20/HMX共晶简介

4.2 研究方法

4.3 模拟结果与讨论

4.4 本章小结

5 空位缺陷在CL-20/HMX共晶THz光谱上的响应

5.1 引言

5.2 研究方法

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及研究成果