吡嗪类炸药在外部刺激下的分解机理研究

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含能材料作为能够独立进行化学反应并释放大量能量的物质,在军事与民用领域都有着巨大的应用前景。其中吡嗪类含能材料由于分子内存在富氮杂环结构且具有较大的密度与氧平衡,因此作为一类高能化合物受到研究者的广泛关注。本文基于Reax FF-lg反应力场研究了LLM-105与ANPZ这两种吡嗪类钝感含能材料的分解机理,并分析了温度以及冲击波强度对含能材料初始分解机理的影响;同时讨论了摩尔比为2:1的LLM-105/HMX混合物在恒温条件下的分解路径,揭示了HMX对LLM-105分解机理的相关影响。主要研究结果如下:首先通过分析多种温度条件下的反应路径可知LLM-105与ANPZ这两种含能材料钝感的主要原因是分解初始晶体内部产生了大量分子间氢转移以及二聚反应。这两种反应可以有效的减缓体系的能量释放速率,从而使物质表现出较强的钝感特性。另外基于阿伦尼乌斯方程得到了LLM-105和ANPZ在初始分解与放热阶段的活化能及其指前因子。同时通过氢转移及二聚反应的频次以及活化能大小解释了ANPZ较LLM-105更为钝感的原因。此外LLM-105与ANPZ的分解速率均随着温度的升高而相应增大。同时在低温下,反应初期往往会形成团簇,其结构主要是LLM-105环状结构通过C-O-N-C、C-N-N-C等多样化的连接方式组成。随着温度的升高,强烈的外界刺激会破坏LLM-105与ANPZ的环状结构,同时吸附自由基,使其在后期形成更大的团簇结构。但在不同的温度下,团簇的稳定数量均趋于一致。其次研究了不同冲击波速下LLM-105及ANPZ的分解路径,发现LLM-105与ANPZ在冲击波作用下的初始反应路径均为反应物的聚合反应,且聚合反应程度较恒温更为剧烈。反应初期同样伴随着少量的氢转移反应。其次通过拟和冲击波速及波后粒子速度得到LLM-105与ANPZ冲击分解过程的状态方程分别为us=1.06up+5.92,us=1.86up+4.58,理论爆压分别为29.3 Gpa、32.4 Gpa。进一步得到LLM-105的体积模量和压力导数分别为17.9 Gpa和7.2。结合CO2,、H2O、N2和H2等稳定小分子产物的数量演变曲线表明ANPZ在冲击波作用下较LLM-105更为钝感。但相比于恒温条件,LLM-105及ANPZ的聚合反应程度在冲击作用时均更加剧烈,因而在反应初期产生了更多的团簇分子。最后发现LLM-105/HMX混合体系的初步分解路径为HMX的逐个脱硝基反应,且HMX产生的硝基基团会与LLM-105产生一定的反应,形成C4H4O7N7结构或夺取LLM-105中的H生成亚硝酸分子。同时可以发现HMX的加入明显抑制了LLM-105的分子间氢转移以及LLM-105的多聚反应,使得LLM-105/HMX混合体系更为敏感。而通过阿伦尼乌斯方程得到的LLM-105/HMX初始分解的活化能(Ea1)和指前因子(ln(A1))值分别为25.4 kcal/mol和21.3 s-1;放热阶段的中间分解的Ea2和ln(A2)值分别为23.1kcal/mol和26.3 s-1,表明HMX的加入降低了LLM-105的活化能,促进了LLM-105的分解。与纯LLM-105的分解产物相似,混合模型的稳定小分子产物也是H2O、N2、H2、CO2,且随着温度的升高,所有产物的形成速率都会增加。同时HMX的加入也减弱了LLM-105形成团簇的趋势。
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