一种CL-20/DNB共晶基复合物的模拟方法与流程

本发明属于分子模拟计算领域，特别是一种CL-20/DNB共晶基复合物的模拟方法。

背景技术：

在含能材料领域，能量高、感度低的炸药一直是研究者的追求，其重要的解决途径是采用高能顿感的含能材料。而现有的单质含能材料在能量和安全性方面存在着突出的矛盾，严重制约其发展应用。于是，研究者尝试了很多途径对现有的单质含能材料进行了改性研究，现在常见的方法有重结晶、高聚物包覆和复合以及共晶改性等方法。

近几年，研究者们尝试通过制备含CL-20共晶的方法来降低其感度以提高应用范围，其中除了CL-20/HMX共晶外，典型的还有CL-20/TNT共晶，不仅具有CL-20组分的高能量性质，而且兼具TNT组分的钝感、低成本特点。为进一步改善CL-20的安全性，王玉平等选择比TNT更廉价、钝感的1,3-二硝基苯(DNB)，制备出摩尔比1:1的CL-20/DNB共晶含能材料，其能量与上述CL-20/TNT共晶材料相当，但较之更加钝感，表明CL-20/DNB将是含CL-20含能材料配方中潜在的优异目标物。

因共晶基高聚物复合材料(PBXs)具有安全性高、力学性能好和易于加工成型等优势，故添加少量高聚物可能有助于共晶含能材料的实际使用。孙婷等人向CL-20/DNB共晶含能材料中添加少量高聚物粘结剂构成共晶基高聚物复合材料PBXs，通过分子动力学模拟研究PBXs的力学性能等性能，结果表明添加少量高聚物有助于共晶含能材料的实际使用。但，其对CL-20/DNB共晶(001)晶面的研究不够具体透彻。而且目前对CL-20/DNB共晶的CL-20和DNB分子层交替堆积的平行结构进行分层切割模拟研究的方法未见报道。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种简单安全、效果好、成本低的CL-20/DNB共晶基复合物的模拟方法。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种CL-20/DNB共晶基复合物的模拟方法，包括如下步骤：

步骤1，用材料工作站打开CL-20/DNB共晶的晶体信息文件，把文件中所有的N-O单键改为虚双键，苯环改为谐振式的虚双键苯环；

步骤2，建立超包模型，沿(001)晶面在不同高度处切割超包模型，得到切割模型；

步骤3，建立PEG分子链，控制粘结剂PEG的含量为4.4％，将构建好的PEG分子链逐步压缩并进行分子动力学模拟，直至PEG分子链的密度达到理论值；

步骤4，在步骤2所得切割模型的上部设置真空层，并用压缩后的PEG分子链填充该真空层，建立与该切割模型对应的高聚物粘结复合物模型；

步骤5，对切割模型和与该切割模型对应的高聚物粘结复合物模型进行分子动力学模拟。

优选地，所述材料工作站采用软件Materials Studio，晶体信息文件是以X-ray衍射晶体数据为依据的CL-20/DNB共晶的cif文件。

优选地，所述的建立超包模型，沿(001)晶面在不同高度处切割超包模型，得到切割模型，具体为：建立3a×2b×1c超包模型，其中a、b、c为CL-20/DNB共晶的晶包参数，然后点击MS任务栏中的Build，选择Surfaces，再选其中的Cleave Surface；在Position部分，设置top的Angstrom值，点击Cleave建立切割模型。

优选地，所述对切割模型和与该切割模型对应的高聚物粘结复合物模型进行分子动力学模拟，具体为：在MS的Discover模块，对切割模型和与该切割模型对应的高聚物粘结复合物模型进行2ns的分子动力学模拟，其中的后1ns用于收集轨迹，并对收集的轨迹数据进行分析。

优选地，所述top的Angstrom值分别设置为和

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)对于具有平行结构的共晶材料CL-20/DNB，变换不同切割位置，研究同一晶面的不同切割模型的界面性能，更深入细致；(2)切割模型使用Materials Studio建立，方法简单，可视化效果好；(3)不同切割位置的共晶基高聚物粘结复合物的模拟研究，本方法简单安全、效果好、成本低。

附图说明

图1是四种切割模型及对应PBXs模型建立的流程示意图。

图2是超包模型及PBXs模型的结构示意图，其中(a)是CL-20/DNB共晶(3×2×1)超胞结构图，(b)是(001)_III/PEG结构图。

图3是切割位置为的切割模型(001)_I结构图。

图4是切割位置为的切割模型(001)II结构图。

图5是切割位置为的切割模型(001)_III结构图。

图6是切割位置为的切割模型(001)_IV结构图。

具体实施方式

下面结合附图和附表对本发明作进一步描述。

本发明CL-20/DNB共晶基复合物的模拟方法，包括如下步骤：

步骤1，用材料工作站打开CL-20/DNB共晶的晶体信息文件，把文件中所有的N-O单键改为虚双键，苯环改为谐振式的虚双键苯环；所述材料工作站采用软件Materials Studio，晶体信息文件是以X-ray衍射晶体数据为依据的CL-20/DNB共晶的cif文件。

步骤2，建立超包模型，沿(001)晶面在不同高度处切割超包模型，得到切割模型；具体为：建立3a×2b×1c超包模型，其中a、b、c为CL-20/DNB共晶的晶包参数，然后点击MS任务栏中的Build，选择Surfaces，再选其中的Cleave Surface；在Position部分，设置top的Angstrom值，所述top的Angstrom值分别设置为和点击Cleave建立切割模型。

步骤3，建立PEG分子链，控制粘结剂PEG的含量为4.4％，将构建好的PEG分子链逐步压缩并进行分子动力学模拟，直至PEG分子链的密度达到理论值；

步骤4，在步骤2所得切割模型的上部设置真空层，并用压缩后的PEG分子链填充该真空层，建立与该切割模型对应的高聚物粘结复合物模型；

步骤5，对切割模型和与该切割模型对应的高聚物粘结复合物模型进行分子动力学模拟，具体为：在MS的Discover模块，对切割模型和与该切割模型对应的高聚物粘结复合物模型进行2ns的分子动力学模拟，其中的后1ns用于收集轨迹，并对收集的轨迹数据进行分析。

结合图1，本发明CL-20/DNB共晶基高聚物粘结复合物的模拟方法，复合材料为CL-20/DNB共晶基的PEG(聚乙二醇)粘结复合物，包括如下步骤：使用Materials Studio建立CL-20/DNB超包(3×2×1)模型，然后沿着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分子层都与(001)晶面平行，为了研究更细致，本方法中选择四种不同切割位置，建立四种不同的切割模型。四种对应的CL-20/DNB共晶基PBXs模型，均是将已经优化和平衡到理论密度的PEG分子链添加到切割模型上分别建立的。接着，对四种切割模型和四种PBXs模型分别跑2ns的平衡，后1ns用于收集轨迹并分析。

上述步骤中，四种切割模型的切割位置分别是操作过程为，打开Materials Studio，Build中选择Surfaces，再选中Cleave Surface；在Position部分，top的Angstrom值分别填入建立切割模型；切割模型及其对应的PBXs模型分别命名为(001)_I、(001)_II、(001)_III、(001)_IV、(001)_I/PEG、(001)_II/PEG、(001)_III/PEG和(001)_IV/PEG。

实施实1

切割模型及对应PBXs模型的建立

第一步：用Materials Studio打开CL-20/DNB共晶的cif文件，把所有的N-O单键改为虚双键，苯环改为谐振式的虚双线苯环；

第二步：建立3a×2b×1c超包模型，然后点击MS任务栏中的Build，选择Surfaces，再选其中的Cleave Surface；在Position部分，top的Angstrom值填入点击Cleave建立切割模型；

第三步：建立PEG(聚乙二醇)的分子链，选择30个链节，控制粘结剂PEG的含量为4.4％。

将构建好的PEG分子链置于周期箱中，逐步进行压缩和MD模拟，直至接近PEG的理论密度。在切割模型的上部留出合适高度的真空层，放入PEG分子链，这样就建立了相应的PBXs模型；

第四步：在MS的Discover模块，对切割模型和其PBXs模型进行2ns的MD模拟，后1ns用于收集轨迹，并分析；

图2是超包模型及PBXs模型的结构示意图，其中(a)是CL-20/DNB共晶(3×2×1)超胞结构图，(b)是(001)_III/PEG结构图。图3为切割位置为的切割模型(001)_I，切割模型与原超包结构相同。表1是四种PBXs模型中，PEG与共晶界面层的结合能。从表1可以得到PEG分子链与共晶的结合能为959.6KJ/mol，单位接触面积的结合能为1.25KJ/mol；

表1

注：E″_bind＝E_bind/S，结合能单位为KJ/mol，标准偏差列于括号中。

另外，表2是四种PBXs模型中，界面层炸药分子的扩散系数。从表2可知，PBXs模型界面层中，接触面整层炸药分子的平均扩散系数大于切割模型，其中界面层中的DNB分子的平均扩散系数增大，CL-20分子减小。已知共晶中CL-20分子更为敏感，而CL-20分子的平均扩散系数减小，说明添加少量高聚物有助于减小共晶炸药的感度。

表2

实施例2

切割模型及对应PBXs模型的建立

第一步：用Materials Studio打开CL-20/DNB共晶的cif文件，把所有的N-O单键改为虚双键，苯环改为谐振式的虚双线苯环；

第二步：建立3a×2b×1c超包模型，然后点击MS任务栏中的Build，选择Surfaces，再选其中的Cleave Surface；在Position部分，top的Angstrom值填入点击Cleave建立切割模型；

第三步：建立PEG(聚乙二醇)的分子链，选择30个链节，控制粘结剂PEG的含量为4.4％。

将构建好的PEG分子链置于周期箱中，逐步进行压缩和MD模拟，直至接近PEG的理论密度。在切割模型的上部留出合适高度的真空层，放入PEG分子链，这样就建立了相应的PBXs模型；

第四步：在MS的Discover模块，对切割模型和其PBXs模型进行2ns的MD模拟， 后1ns用于收集轨迹，并分析；

图4为切割位置为的切割模型(001)_II，切割模型与原超包结构相同。附表1可以得到PEG分子链与共晶的结合能为920.6KJ/mol，单位接触面积的结合能为1.20KJ/mol；另外，从附表2可知，PBXs模型界面层中，接触面整层炸药分子的平均扩散系数大于切割模型，其中界面层只有DNB分子且平均扩散系数增大。已知共晶中CL-20分子更为敏感，而CL-20分子处于内层，其扩散系数变化不会太大，说明添加少量高聚物有助于减小共晶炸药的感度。

实施例3

切割模型及对应PBXs模型的建立

第一步：用Materials Studio打开CL-20/DNB共晶的cif文件，把所有的N-O单键改为虚双键，苯环改为谐振式的虚双线苯环；

第二步：建立3a×2b×1c超包模型，然后点击MS任务栏中的Build，选择Surfaces，再选其中的Cleave Surface；在Position部分，top的Angstrom值填入点击Cleave建立切割模型；

第三步：建立PEG(聚乙二醇)的分子链，选择30个链节，控制粘结剂PEG的含量为4.4％。

将构建好的PEG分子链置于周期箱中，逐步进行压缩和MD模拟，直至接近PEG的理论密度。在切割模型的上部留出合适高度的真空层，放入PEG分子链，这样就建立了相应的PBXs模型；

第四步：在MS的Discover模块，对切割模型和其PBXs模型进行2ns的MD模拟，后1ns用于收集轨迹，并分析；

图5为切割位置为的切割模型(001)_III，切割模型与原超包结构相同。附表1可以得到PEG分子链与共晶的结合能为1057.4KJ/mol，单位接触面积的结合能为1.38KJ/mol；另外，PBXs模型界面层中，接触面整层炸药分子的平均扩散系数小于切割模型，其中界面层只含有CL-20分子。已知共晶中CL-20分子更为敏感，而CL-20分子的平均扩散系数减小，说明添加少量高聚物有助于减小共晶炸药的感度。且四种PBXs模型中，(001)_III/PEG中PEG分子链对CL-20分子的阻碍作用最好，结论与结合能表格相同。

实施例4

切割模型及对应PBXs模型的建立

第一步：用Materials Studio打开CL-20/DNB共晶的cif文件，把所有的N-O单键改为虚双键，苯环改为谐振式的虚双线苯环；

第二步：建立3a×2b×1c超包模型，然后点击MS任务栏中的Build，选择Surfaces，再选其中的Cleave Surface；在Position部分，top的Angstrom值填入点击Cleave建立切割模型；

第三步：建立PEG(聚乙二醇)的分子链，选择30个链节，控制粘结剂PEG的含量为4.4％。

将构建好的PEG分子链置于周期箱中，逐步进行压缩和MD模拟，直至接近PEG的理论密度。在切割模型的上部留出合适高度的真空层，放入PEG分子链，这样就建立了相应的PBXs模型；

第四步：在MS的Discover模块，对切割模型和其PBXs模型进行2ns的MD模拟，后1ns用于收集轨迹，并分析；

图6为切割位置为的切割模型(001)_IV，切割模型与原超包结构相同。附表1可以得到PEG分子链与共晶的结合能为923.5KJ/mol，单位接触面积的结合能为1.21KJ/mol；另外，PBXs模型界面层中，接触面整层炸药分子的平均扩散系数大于切割模型，其中界面层只含有CL-20分子，CL-20分子的平均扩散系数增大，说明此种PBXs结构不稳定；对比结合能表格可知，此种结构的PBXs在制备过程中也不易形成。

本发明对于具有平行结构的共晶材料CL-20/DNB，变换不同切割位置，更深入细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，方法简单安全、可视化效果好，且省去大量成本。