本發(fā)明屬于分子模擬計(jì)算領(lǐng)域，特別是一種CL-20/DNB共晶基復(fù)合物的模擬方法。

背景技術(shù)：

在含能材料領(lǐng)域，能量高、感度低的炸藥一直是研究者的追求，其重要的解決途徑是采用高能頓感的含能材料。而現(xiàn)有的單質(zhì)含能材料在能量和安全性方面存在著突出的矛盾，嚴(yán)重制約其發(fā)展應(yīng)用。于是，研究者嘗試了很多途徑對(duì)現(xiàn)有的單質(zhì)含能材料進(jìn)行了改性研究，現(xiàn)在常見的方法有重結(jié)晶、高聚物包覆和復(fù)合以及共晶改性等方法。

近幾年，研究者們嘗試通過制備含CL-20共晶的方法來降低其感度以提高應(yīng)用范圍，其中除了CL-20/HMX共晶外，典型的還有CL-20/TNT共晶，不僅具有CL-20組分的高能量性質(zhì)，而且兼具TNT組分的鈍感、低成本特點(diǎn)。為進(jìn)一步改善CL-20的安全性，王玉平等選擇比TNT更廉價(jià)、鈍感的1,3-二硝基苯(DNB)，制備出摩爾比1:1的CL-20/DNB共晶含能材料，其能量與上述CL-20/TNT共晶材料相當(dāng)，但較之更加鈍感，表明CL-20/DNB將是含CL-20含能材料配方中潛在的優(yōu)異目標(biāo)物。

因共晶基高聚物復(fù)合材料(PBXs)具有安全性高、力學(xué)性能好和易于加工成型等優(yōu)勢(shì)，故添加少量高聚物可能有助于共晶含能材料的實(shí)際使用。孫婷等人向CL-20/DNB共晶含能材料中添加少量高聚物粘結(jié)劑構(gòu)成共晶基高聚物復(fù)合材料PBXs，通過分子動(dòng)力學(xué)模擬研究PBXs的力學(xué)性能等性能，結(jié)果表明添加少量高聚物有助于共晶含能材料的實(shí)際使用。但，其對(duì)CL-20/DNB共晶(001)晶面的研究不夠具體透徹。而且目前對(duì)CL-20/DNB共晶的CL-20和DNB分子層交替堆積的平行結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層切割模擬研究的方法未見報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種簡(jiǎn)單安全、效果好、成本低的CL-20/DNB共晶基復(fù)合物的模擬方法。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是：一種CL-20/DNB共晶基復(fù)合物的模擬方法，包括如下步驟：

步驟1，用材料工作站打開CL-20/DNB共晶的晶體信息文件，把文件中所有的N-O單鍵改為虛雙鍵，苯環(huán)改為諧振式的虛雙鍵苯環(huán)；

步驟2，建立超包模型，沿(001)晶面在不同高度處切割超包模型，得到切割模型；

步驟3，建立PEG分子鏈，控制粘結(jié)劑PEG的含量為4.4％，將構(gòu)建好的PEG分子鏈逐步壓縮并進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，直至PEG分子鏈的密度達(dá)到理論值；

步驟4，在步驟2所得切割模型的上部設(shè)置真空層，并用壓縮后的PEG分子鏈填充該真空層，建立與該切割模型對(duì)應(yīng)的高聚物粘結(jié)復(fù)合物模型；

步驟5，對(duì)切割模型和與該切割模型對(duì)應(yīng)的高聚物粘結(jié)復(fù)合物模型進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬。

優(yōu)選地，所述材料工作站采用軟件Materials Studio，晶體信息文件是以X-ray衍射晶體數(shù)據(jù)為依據(jù)的CL-20/DNB共晶的cif文件。

優(yōu)選地，所述的建立超包模型，沿(001)晶面在不同高度處切割超包模型，得到切割模型，具體為：建立3a×2b×1c超包模型，其中a、b、c為CL-20/DNB共晶的晶包參數(shù)，然后點(diǎn)擊MS任務(wù)欄中的Build，選擇Surfaces，再選其中的Cleave Surface；在Position部分，設(shè)置top的Angstrom值，點(diǎn)擊Cleave建立切割模型。

優(yōu)選地，所述對(duì)切割模型和與該切割模型對(duì)應(yīng)的高聚物粘結(jié)復(fù)合物模型進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，具體為：在MS的Discover模塊，對(duì)切割模型和與該切割模型對(duì)應(yīng)的高聚物粘結(jié)復(fù)合物模型進(jìn)行2ns的分子動(dòng)力學(xué)模擬，其中的后1ns用于收集軌跡，并對(duì)收集的軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

優(yōu)選地，所述top的Angstrom值分別設(shè)置為和

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：(1)對(duì)于具有平行結(jié)構(gòu)的共晶材料CL-20/DNB，變換不同切割位置，研究同一晶面的不同切割模型的界面性能，更深入細(xì)致；(2)切割模型使用Materials Studio建立，方法簡(jiǎn)單，可視化效果好；(3)不同切割位置的共晶基高聚物粘結(jié)復(fù)合物的模擬研究，本方法簡(jiǎn)單安全、效果好、成本低。

附圖說明

圖1是四種切割模型及對(duì)應(yīng)PBXs模型建立的流程示意圖。

圖2是超包模型及PBXs模型的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)是CL-20/DNB共晶(3×2×1)超胞結(jié)構(gòu)圖，(b)是(001)_III/PEG結(jié)構(gòu)圖。

圖3是切割位置為的切割模型(001)_I結(jié)構(gòu)圖。

圖4是切割位置為的切割模型(001)II結(jié)構(gòu)圖。

圖5是切割位置為的切割模型(001)_III結(jié)構(gòu)圖。

圖6是切割位置為的切割模型(001)_IV結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和附表對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

本發(fā)明CL-20/DNB共晶基復(fù)合物的模擬方法，包括如下步驟：

步驟1，用材料工作站打開CL-20/DNB共晶的晶體信息文件，把文件中所有的N-O單鍵改為虛雙鍵，苯環(huán)改為諧振式的虛雙鍵苯環(huán)；所述材料工作站采用軟件Materials Studio，晶體信息文件是以X-ray衍射晶體數(shù)據(jù)為依據(jù)的CL-20/DNB共晶的cif文件。

步驟2，建立超包模型，沿(001)晶面在不同高度處切割超包模型，得到切割模型；具體為：建立3a×2b×1c超包模型，其中a、b、c為CL-20/DNB共晶的晶包參數(shù)，然后點(diǎn)擊MS任務(wù)欄中的Build，選擇Surfaces，再選其中的Cleave Surface；在Position部分，設(shè)置top的Angstrom值，所述top的Angstrom值分別設(shè)置為和點(diǎn)擊Cleave建立切割模型。

步驟3，建立PEG分子鏈，控制粘結(jié)劑PEG的含量為4.4％，將構(gòu)建好的PEG分子鏈逐步壓縮并進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，直至PEG分子鏈的密度達(dá)到理論值；

步驟4，在步驟2所得切割模型的上部設(shè)置真空層，并用壓縮后的PEG分子鏈填充該真空層，建立與該切割模型對(duì)應(yīng)的高聚物粘結(jié)復(fù)合物模型；

步驟5，對(duì)切割模型和與該切割模型對(duì)應(yīng)的高聚物粘結(jié)復(fù)合物模型進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，具體為：在MS的Discover模塊，對(duì)切割模型和與該切割模型對(duì)應(yīng)的高聚物粘結(jié)復(fù)合物模型進(jìn)行2ns的分子動(dòng)力學(xué)模擬，其中的后1ns用于收集軌跡，并對(duì)收集的軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

結(jié)合圖1，本發(fā)明CL-20/DNB共晶基高聚物粘結(jié)復(fù)合物的模擬方法，復(fù)合材料為CL-20/DNB共晶基的PEG(聚乙二醇)粘結(jié)復(fù)合物，包括如下步驟：使用Materials Studio建立CL-20/DNB超包(3×2×1)模型，然后沿著CL-20/DNB(001)晶面切割，并建立切割模型。由于CL-20/DNB共晶中CL-20和DNB分子層都與(001)晶面平行，為了研究更細(xì)致，本方法中選擇四種不同切割位置，建立四種不同的切割模型。四種對(duì)應(yīng)的CL-20/DNB共晶基PBXs模型，均是將已經(jīng)優(yōu)化和平衡到理論密度的PEG分子鏈添加到切割模型上分別建立的。接著，對(duì)四種切割模型和四種PBXs模型分別跑2ns的平衡，后1ns用于收集軌跡并分析。

上述步驟中，四種切割模型的切割位置分別是操作過程為，打開Materials Studio，Build中選擇Surfaces，再選中Cleave Surface；在Position部分，top的Angstrom值分別填入建立切割模型；切割模型及其對(duì)應(yīng)的PBXs模型分別命名為(001)_I、(001)_II、(001)_III、(001)_IV、(001)_I/PEG、(001)_II/PEG、(001)_III/PEG和(001)_IV/PEG。

實(shí)施實(shí)1

切割模型及對(duì)應(yīng)PBXs模型的建立

第一步：用Materials Studio打開CL-20/DNB共晶的cif文件，把所有的N-O單鍵改為虛雙鍵，苯環(huán)改為諧振式的虛雙線苯環(huán)；

第二步：建立3a×2b×1c超包模型，然后點(diǎn)擊MS任務(wù)欄中的Build，選擇Surfaces，再選其中的Cleave Surface；在Position部分，top的Angstrom值填入點(diǎn)擊Cleave建立切割模型；

第三步：建立PEG(聚乙二醇)的分子鏈，選擇30個(gè)鏈節(jié)，控制粘結(jié)劑PEG的含量為4.4％。

將構(gòu)建好的PEG分子鏈置于周期箱中，逐步進(jìn)行壓縮和MD模擬，直至接近PEG的理論密度。在切割模型的上部留出合適高度的真空層，放入PEG分子鏈，這樣就建立了相應(yīng)的PBXs模型；

第四步：在MS的Discover模塊，對(duì)切割模型和其PBXs模型進(jìn)行2ns的MD模擬，后1ns用于收集軌跡，并分析；

圖2是超包模型及PBXs模型的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)是CL-20/DNB共晶(3×2×1)超胞結(jié)構(gòu)圖，(b)是(001)_III/PEG結(jié)構(gòu)圖。圖3為切割位置為的切割模型(001)_I，切割模型與原超包結(jié)構(gòu)相同。表1是四種PBXs模型中，PEG與共晶界面層的結(jié)合能。從表1可以得到PEG分子鏈與共晶的結(jié)合能為959.6KJ/mol，單位接觸面積的結(jié)合能為1.25KJ/mol；

表1

注：E″_bind＝E_bind/S，結(jié)合能單位為KJ/mol，標(biāo)準(zhǔn)偏差列于括號(hào)中。

另外，表2是四種PBXs模型中，界面層炸藥分子的擴(kuò)散系數(shù)。從表2可知，PBXs模型界面層中，接觸面整層炸藥分子的平均擴(kuò)散系數(shù)大于切割模型，其中界面層中的DNB分子的平均擴(kuò)散系數(shù)增大，CL-20分子減小。已知共晶中CL-20分子更為敏感，而CL-20分子的平均擴(kuò)散系數(shù)減小，說明添加少量高聚物有助于減小共晶炸藥的感度。

表2

實(shí)施例2

切割模型及對(duì)應(yīng)PBXs模型的建立

第一步：用Materials Studio打開CL-20/DNB共晶的cif文件，把所有的N-O單鍵改為虛雙鍵，苯環(huán)改為諧振式的虛雙線苯環(huán)；

第二步：建立3a×2b×1c超包模型，然后點(diǎn)擊MS任務(wù)欄中的Build，選擇Surfaces，再選其中的Cleave Surface；在Position部分，top的Angstrom值填入點(diǎn)擊Cleave建立切割模型；

第三步：建立PEG(聚乙二醇)的分子鏈，選擇30個(gè)鏈節(jié)，控制粘結(jié)劑PEG的含量為4.4％。

將構(gòu)建好的PEG分子鏈置于周期箱中，逐步進(jìn)行壓縮和MD模擬，直至接近PEG的理論密度。在切割模型的上部留出合適高度的真空層，放入PEG分子鏈，這樣就建立了相應(yīng)的PBXs模型；

第四步：在MS的Discover模塊，對(duì)切割模型和其PBXs模型進(jìn)行2ns的MD模擬， 后1ns用于收集軌跡，并分析；

圖4為切割位置為的切割模型(001)_II，切割模型與原超包結(jié)構(gòu)相同。附表1可以得到PEG分子鏈與共晶的結(jié)合能為920.6KJ/mol，單位接觸面積的結(jié)合能為1.20KJ/mol；另外，從附表2可知，PBXs模型界面層中，接觸面整層炸藥分子的平均擴(kuò)散系數(shù)大于切割模型，其中界面層只有DNB分子且平均擴(kuò)散系數(shù)增大。已知共晶中CL-20分子更為敏感，而CL-20分子處于內(nèi)層，其擴(kuò)散系數(shù)變化不會(huì)太大，說明添加少量高聚物有助于減小共晶炸藥的感度。

實(shí)施例3

切割模型及對(duì)應(yīng)PBXs模型的建立

第一步：用Materials Studio打開CL-20/DNB共晶的cif文件，把所有的N-O單鍵改為虛雙鍵，苯環(huán)改為諧振式的虛雙線苯環(huán)；

第二步：建立3a×2b×1c超包模型，然后點(diǎn)擊MS任務(wù)欄中的Build，選擇Surfaces，再選其中的Cleave Surface；在Position部分，top的Angstrom值填入點(diǎn)擊Cleave建立切割模型；

第三步：建立PEG(聚乙二醇)的分子鏈，選擇30個(gè)鏈節(jié)，控制粘結(jié)劑PEG的含量為4.4％。

將構(gòu)建好的PEG分子鏈置于周期箱中，逐步進(jìn)行壓縮和MD模擬，直至接近PEG的理論密度。在切割模型的上部留出合適高度的真空層，放入PEG分子鏈，這樣就建立了相應(yīng)的PBXs模型；

第四步：在MS的Discover模塊，對(duì)切割模型和其PBXs模型進(jìn)行2ns的MD模擬，后1ns用于收集軌跡，并分析；

圖5為切割位置為的切割模型(001)_III，切割模型與原超包結(jié)構(gòu)相同。附表1可以得到PEG分子鏈與共晶的結(jié)合能為1057.4KJ/mol，單位接觸面積的結(jié)合能為1.38KJ/mol；另外，PBXs模型界面層中，接觸面整層炸藥分子的平均擴(kuò)散系數(shù)小于切割模型，其中界面層只含有CL-20分子。已知共晶中CL-20分子更為敏感，而CL-20分子的平均擴(kuò)散系數(shù)減小，說明添加少量高聚物有助于減小共晶炸藥的感度。且四種PBXs模型中，(001)_III/PEG中PEG分子鏈對(duì)CL-20分子的阻礙作用最好，結(jié)論與結(jié)合能表格相同。

實(shí)施例4

切割模型及對(duì)應(yīng)PBXs模型的建立

第一步：用Materials Studio打開CL-20/DNB共晶的cif文件，把所有的N-O單鍵改為虛雙鍵，苯環(huán)改為諧振式的虛雙線苯環(huán)；

第二步：建立3a×2b×1c超包模型，然后點(diǎn)擊MS任務(wù)欄中的Build，選擇Surfaces，再選其中的Cleave Surface；在Position部分，top的Angstrom值填入點(diǎn)擊Cleave建立切割模型；

第三步：建立PEG(聚乙二醇)的分子鏈，選擇30個(gè)鏈節(jié)，控制粘結(jié)劑PEG的含量為4.4％。

將構(gòu)建好的PEG分子鏈置于周期箱中，逐步進(jìn)行壓縮和MD模擬，直至接近PEG的理論密度。在切割模型的上部留出合適高度的真空層，放入PEG分子鏈，這樣就建立了相應(yīng)的PBXs模型；

第四步：在MS的Discover模塊，對(duì)切割模型和其PBXs模型進(jìn)行2ns的MD模擬，后1ns用于收集軌跡，并分析；

圖6為切割位置為的切割模型(001)_IV，切割模型與原超包結(jié)構(gòu)相同。附表1可以得到PEG分子鏈與共晶的結(jié)合能為923.5KJ/mol，單位接觸面積的結(jié)合能為1.21KJ/mol；另外，PBXs模型界面層中，接觸面整層炸藥分子的平均擴(kuò)散系數(shù)大于切割模型，其中界面層只含有CL-20分子，CL-20分子的平均擴(kuò)散系數(shù)增大，說明此種PBXs結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定；對(duì)比結(jié)合能表格可知，此種結(jié)構(gòu)的PBXs在制備過程中也不易形成。

本發(fā)明對(duì)于具有平行結(jié)構(gòu)的共晶材料CL-20/DNB，變換不同切割位置，更深入細(xì)致地研究同一晶面的不同切割位置所得模型的界面性能，其切割模型使用材料工作站建立，方法簡(jiǎn)單安全、可視化效果好，且省去大量成本。