HMX晶体分子动力学仿真精度提升方法及单晶结构制备方法与流程

hmx晶体分子动力学仿真精度提升方法及单晶结构制备方法
技术领域
1.本发明属于含能材料设计领域，涉及hmx晶体分子动力学处理，具体涉及一种hmx晶体分子动力学仿真精度提升方法及单晶结构制备方法。


背景技术：

2.奥克托今(hmx)具有高密度、高爆速、高爆压、良好的热稳定性和化学稳定性等优点，是当前已使用的能量水平最高、综合性能最好的单质猛炸药。随着现代全球快速攻击技术发展，要求弹药小型化，能够在有限空间内携带更多的武器弹药，显著提升攻击效能，以达到“一击毙命”的作战效果，必须提高弹药毁伤的有效能量载荷，如何通过设计提升hmx性能将极具军事意义和推广前景。现阶段基于hmx的含能材料设计最常用的手段之一是分子动力学。
3.单晶的结构作为分子动力学仿真设计的输入，对其仿真精度影响较大，现阶段hmx分子动力学模拟中采用的仅有的2个单晶结构是1955年eiland p f研究得到的单晶结构(phillip frank eiland and ray pepinsky.the crystal structure of cyclotetramethene tetranitramine,1955.)和1970年研究得到的ccdc数据中的ochtetl2结构(choi c s,boutin h p,a study of the crystal structure of cyclotetramethene tetranitramine by neutron diffraction,acta crys,1970,b26:1235
‑
1240.)，这两个单晶结构的r因子分别为0.108和0.059，r因子代表表征得到的hmx单晶结构与真实晶体结构的差异，r因子越小，表征得到的hmx单晶结构与真实晶体结构越接近。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种hmx晶体分子动力学仿真精度提升方法及单晶结构制备方法，解决现有技术中hmx晶体分子动力学仿真精度有待进一步提高的技术问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
6.一种hmx晶体分子动力学仿真精度提升方法，该方法采用r因子为0.035的hmx单晶结构作为输入结构，对hmx晶体进行分子动力学仿真。
7.本发明还具有如下技术特征：
8.所述的hmx单晶结构的获取过程包括：首先，采用溶剂挥发法对hmx晶体进行重结晶制备，得到白色hmx晶体；然后，选取单晶进行x射线衍射实验，得到hmx单晶结构。
9.所述的采用溶剂挥发法对hmx晶体进行重结晶制备的具体过程为：取hmx置于500ml烧杯中，量取200ml丙酮，置于30℃的水浴锅内，拌棒至炸药全部溶解，将炸药溶液用定性滤纸过滤，去除固体杂质，用塑料膜封口并在塑料膜上用针扎20个小孔，298k条件下自然挥发溶剂，待溶液中出现炸药晶体时，过滤，干燥，得到白色hmx晶体。
10.所述的选取单晶进行x射线衍射实验的具体过程为：用mo kα射线(λ＝
0.071073nm)，石墨单色器，在298k温度下，以ω扫描方式扫描，扫描范围：1.89
°
≤θ≤25.09
°
，
‑
7≤h≤6，
‑
15≤k≤14，
‑
23≤l≤23，得到hmx单晶结构。
11.本发明还保护一种hmx晶体分子动力学仿真精度提升方法，该方法具体包括以下步骤：
12.步骤一，采用溶剂挥发法对hmx晶体进行重结晶制备：
13.取hmx置于500ml烧杯中，量取200ml丙酮，置于30℃的水浴锅内，拌棒至炸药全部溶解，将炸药溶液用定性滤纸过滤，去除固体杂质，用塑料膜封口并在塑料膜上用针扎20个小孔，298k条件下自然挥发溶剂，待溶液中出现炸药晶体时，过滤，干燥，得到白色hmx晶体；
14.步骤二、选取单晶进行x射线衍射实验：
15.用mo kα射线(λ＝0.071073nm)，石墨单色器，在298k温度下，以ω扫描方式扫描，扫描范围：1.89
°
≤θ≤25.09
°
，
‑
7≤h≤6，
‑
15≤k≤14，
‑
23≤l≤23，得到hmx单晶结构；
16.步骤三、以获得的hmx单晶结构作为输入结构，搭建晶胞模型，利用分子动力学软件的discover模块，在compass力场下进行优化，使能量极小化，消除内应力，优化后各结构在npt系综和温度298k、压力1
×
10
‑4gpa下进行分子动力学模拟，温度和压力的控制分别采用anderson和parrinello方法，范德华和静电作用分别用atom
‑
based和ewald加和方法，截断半径取0.95nm，模拟总时间为2ns，步长为1fs；
17.步骤四、对获取的晶胞平衡构型进行分析，获得晶体密度ρ和力学性能参数。
18.所述的hmx单晶结构的r因子为0.035。
19.所述的分子动力学软件采用materials studio软件。
20.本发明还保护一种hmx单晶结构制备方法，该方法包括以下步骤：
21.步骤一，采用溶剂挥发法对hmx晶体进行重结晶制备：
22.取hmx置于500ml烧杯中，量取200ml丙酮，置于30℃的水浴锅内，拌棒至炸药全部溶解，将炸药溶液用定性滤纸过滤，去除固体杂质，用塑料膜封口并在塑料膜上用针扎20个小孔，298k条件下自然挥发溶剂，待溶液中出现炸药晶体时，过滤，干燥，得到白色hmx晶体；
23.步骤二、选取单晶进行x射线衍射实验：
24.用mo kα射线(λ＝0.071073nm)，石墨单色器，在298k温度下，以ω扫描方式扫描，扫描范围：1.89
°
≤θ≤25.09
°
，
‑
7≤h≤6，
‑
15≤k≤14，
‑
23≤l≤23，得到hmx单晶结构。
25.所述的hmx单晶结构的r因子为0.035。
26.本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
27.(ⅰ)本发明的方法结合溶剂挥发制备法和高精度单晶x射线衍射表征手段得到r因子低于现有报道的hmx单晶结构。与eiland表征得到的hmx单晶结构和常用的ochtetl2单晶结构相比，将得到的hmx单晶结构作为输入文件计算得到的hmx晶体密度的计算误差分别从3.8％、2.27％降低至1.16％，计算精度大幅提升。
28.(ⅱ)本发明的方法利用溶剂挥发法制备hmx单晶，结合高精度单晶x射线衍射表征手段得到低r因子的hmx单晶结构，将其作为输入结构，建立hmx超胞并对其进行分子动力学模拟，得到平衡构型的结构参数和密度计算精度大幅提升，并具有普适性。
附图说明
29.图1为制备和表征得到的hmx单晶结构。
30.图2为实施例1建立的hmx(4
×2×
4)超晶胞模型.
31.图3为实施例2建立的hmx(4
×4×
4)超晶胞模型。
32.以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细说明。
具体实施方式
33.现阶段hmx基火炸药仿真精度较低，主要原因之一就是：应用的hmx单晶结构年代久远，局限于当时的表征手段，得到的晶体结构r因子较大，从设计源头就给hmx基火炸药分子动力学仿真引入了误差。因此，有必要从降低晶体结构r因子角度，形成一种hmx晶体分子动力学仿真精度提升方法。
34.需要说明的是，本发明中的分子动力学软件采用accelrys公司开发的materials studio软件。软件中的discover模块，compass力场、npt系综、压力1anderson和parrinello方法、atom
‑
based和ewald加和方法均为软件中的已知技术。
35.以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
36.实施例1：
37.本实施例给出一种hmx晶体分子动力学仿真精度提升方法，该方法具体包括以下步骤：
38.步骤一，采用溶剂挥发法对hmx晶体进行重结晶制备：
39.取0.2g hmx置于500ml烧杯中，量取200ml丙酮，置于30℃的水浴锅内，拌棒至炸药全部溶解，将炸药溶液用定性滤纸过滤，去除固体杂质，用塑料膜封口并在塑料膜上用针扎20个小孔，298k条件下自然挥发溶剂，待溶液中出现炸药晶体时，过滤，干燥，得到白色hmx晶体；
40.步骤二、选取单晶进行x射线衍射实验：
41.选取尺寸0.36
×
0.29
×
0.16mm单晶进行x射线衍射实验；用mo kα射线(λ＝0.071073nm)，石墨单色器，在298k温度下，以ω扫描方式扫描，扫描范围：1.89
°
≤θ≤25.09
°
，
‑
7≤h≤6，
‑
15≤k≤14，
‑
23≤l≤23，得到hmx单晶结构，如图1所示。
42.步骤三、以获得的hmx单晶结构作为输入结构，搭建晶胞模型，如图2所示，利用分子动力学软件的discover模块，在compass力场下进行优化，使能量极小化，消除内应力，优化后各结构在npt系综和温度298k、压力1
×
10
‑4gpa下进行分子动力学模拟，温度和压力的控制分别采用anderson和parrinello方法，范德华(vdw)和静电作用(coulomb)分别用atom
‑
based和ewald加和方法，截断半径取0.95nm，模拟总时间为2ns，步长为1fs；
43.步骤四、对获取的晶胞平衡构型进行分析，获得晶体密度ρ和力学性能参数。
44.计算数据显示：与eiland表征得到的hmx单晶结构和常用的ochtetl2单晶结构相比，将本实施例的hmx单晶结构作为输入文件，hmx晶体密度的计算误差分别从3.8％、2.27％降低至1.16％，同时力学性能参数体积模量(k)、剪切模量(g)、柯西压以及k/g值的计算精度也明显提升。
45.表1hmx(4
×2×
4)超晶胞模型计算结果与现有水平、实测值对比
[0046][0047][0048]
实施例2：
[0049]
本实施例给出一种hmx晶体分子动力学仿真精度提升方法，该方法具体包括以下步骤：
[0050]
步骤一，采用溶剂挥发法对hmx晶体进行重结晶制备：
[0051]
取0.2ghmx置于500ml烧杯中，量取200ml丙酮，置于30℃的水浴锅内，拌棒至炸药全部溶解，将炸药溶液用定性滤纸过滤，去除固体杂质，用塑料膜封口并在塑料膜上用针扎20个小孔，298k条件下自然挥发溶剂，待溶液中出现炸药晶体时，过滤，干燥，得到白色hmx晶体；
[0052]
步骤二、选取单晶进行x射线衍射实验：
[0053]
选取尺寸0.36
×
0.29
×
0.16mm单晶进行x射线衍射实验；用mo kα射线(λ＝0.071073nm)，石墨单色器，在298k温度下，以ω扫描方式扫描，扫描范围：1.89
°
≤θ≤25.09
°
，
‑
7≤h≤6，
‑
15≤k≤14，
‑
23≤l≤23，共收集衍射点7835个，其中独立衍射点2851个，选取i＞2σ(i)的2451个点用于结构的测定和修正，得到hmx单晶结构，如图1所示。
[0054]
步骤三、以获得的hmx单晶结构作为输入结构，搭建晶胞模型，如图3所示，利用分子动力学软件的discover模块，在compass力场下进行优化，使能量极小化，消除内应力，优化后各结构在npt系综和温度298k、压力1
×
10
‑4gpa下进行分子动力学模拟，温度和压力的控制分别采用anderson和parrinello方法，范德华(vdw)和静电作用(coulomb)分别用atom
‑
based和ewald加和方法，截断半径取0.95nm，模拟总时间为2ns，步长为1fs；
[0055]
步骤四、对获取的晶胞平衡构型进行分析，获得晶体密度ρ和力学性能参数。
[0056]
计算数据显示：与eiland表征得到的hmx单晶结构和常用的ochtetl2单晶结构相比，将本实施例的hmx单晶结构作为输入文件，hmx晶体密度的计算误差分别从2.43％、2.27％降低至1.16％，同时力学性能参数体积模量(k)、剪切模量(g)、柯西压以及k/g值的计算精度也明显提升。
[0057]
表2hmx(4
×4×
4)超晶胞模型计算结果与现有水平、实测值对比
[0058][0059]
实施例3：
[0060]
本实施例给出一种hmx单晶结构制备方法，该方法包括以下步骤：
[0061]
步骤一，采用溶剂挥发法对hmx晶体进行重结晶制备：
[0062]
取0.2g hmx置于500ml烧杯中，量取200ml丙酮，置于30℃的水浴锅内，拌棒至炸药全部溶解，将炸药溶液用定性滤纸过滤，去除固体杂质，用塑料膜封口并在塑料膜上用针扎20个小孔，298k条件下自然挥发溶剂，待溶液中出现炸药晶体时，过滤，干燥，得到白色hmx晶体；
[0063]
步骤二、选取单晶进行x射线衍射实验：
[0064]
选取尺寸0.36
×
0.29
×
0.16mm单晶进行x射线衍射实验；用mo kα射线(λ＝0.071073nm)，石墨单色器，在298k温度下，以ω扫描方式扫描，扫描范围：1.89
°
≤θ≤25.09
°
，
‑
7≤h≤6，
‑
15≤k≤14，
‑
23≤l≤23，得到hmx单晶结构，如图1所示。