飞秒激光烧蚀含能材料的分子动力学模拟

doi:10.3866/PKU.WHXB201604293

摘要/Abstract

摘要：

为了得到飞秒激光侵蚀(FLA)1, 3二硝基甲苯(简称DNB，分子式：C₆H₄N₂O₄)，六硝基六氮杂异伍兹烷(简称CL20，分子式：C₆H₆N₁₂O₁₂)和CL20/DNB共晶系统的物理和化学响应过程，本文采用ReaxFF/lg反应力场对其过程进行模拟。计算结果表明，CL20/DNB系统的温度和压力在飞秒激光加载过程中出现阶跃，激光加载过程后系统有一个冷却过程，然后系统的温度和压力逐渐升高达到最大值并维持平衡。研究发现，在此过程中CL20和CL20/DNB系统触发反应均为CL20分子中的N―NO₂断裂。CL20系统的分解速率大于CL20/DNB共晶系统，这可能是因为共晶系统在反应初期具有大量的DNB分子以及分解产物中含有比较稳定的苯环减少了CL20及其产物之间的有效碰撞。

关键词: 飞秒激光, CL20/DNB共晶, ReaxFF/lg, 反应机理, 分子动力学

Abstract:

To understand the physical and chemical responses of energetic materials, such as 1, 3-dinitrobenzene (DNB, C₆H₄N₂O₄), hexanitrohexaazaisowurtzitane (CL20, C₆H₆N₁₂O₁₂), and CL20/DNB co-crystal, to femtosecond laser ablation (FLA), their molecular reaction dynamics have been investigated using the ReaxFF/ lg force field. The computational results indicate that the temperature and pressure of the CL20/DNB system jump during FLA. In particular, the temperature and pressure gradually reach their maxima following an initial cooling process. N―NO₂ bond breaking of the CL20 molecule triggers the reactions for both the CL20 and CL20/ DNB systems. However, the CL20 system prevails the CL20/DNB co-crystal in the decomposition rate simply because coexistence of DNB molecules in the mixture and generated decomposition products containing benzene rings greatly reduce the effective collision probability between CL20 and the products.

Key words: Femtosecond laser, CL20/DNB co-crystal, ReaxFF/lg, Reaction mechanism, Molecular dynamics

杨镇,刘海,何远航. 飞秒激光烧蚀含能材料的分子动力学模拟[J]. 物理化学学报, 2016, 32(8), 1977-1982. doi: 10.3866/PKU.WHXB201604293

Zhen YANG,Hai LIU,Yuan-Hang HE. Molecular Dynamics Simulations of Femtosecond Laser Ablation of Energetic Materials[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32(8), 1977-1982. doi: 10.3866/PKU.WHXB201604293

链接本文: https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201604293

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2016/V32/I8/1977

参考文献

1	Maxwell I. ; Chung S. ; Mazur E Medical Laser Appl. 2005, 20, 193.
2	Zhao L. H. ; Wei Z. Y. ; Zhang J Physics 2002, 31, 729.
2	赵玲慧; 魏志义; 张杰. 物理, 2002, 31, 729.
3	Chen G. F J. Phys. A: Math. Gen. 2001, 34, 757.
4	He F. ; Cheng Y Chin. J. Lasers 2007, 34, 595.
4	何飞; 程亚. 中国激光, 2007, 34, 595.
5	Mishra S. ; Yadava V Opt. Laser Eng 2015, 73, 89.
6	Wang W. T. ; Zhang N. ; Wang M.W. ; He Y. H. ; Yang J. J. ; Zhu X. N Acta Phys. Sin. 2013, 62, 170601.
6	王文亭; 张楠; 王明伟; 何远航; 杨建军; 朱晓农. 物理学报, 2013, 62, 170601.
7	Zhang N. ; Zhao Y. B. ; Zhu X. N Opt. Express 2004, 12, 3590.
8	Wang W. T. ; Hu B. ; Wang M W. Acta Phys. Sin. 2013, 62, 060601.
8	王文亭; 胡冰; 王明伟. 物理学报, 2013, 62, 060601.
9	Roos, E. V.; Benterou, J. J.; Lee, R. S.; Roeske, F.; Stuart, B. C.Femtosecond Laser Interaction with Energetic Materials. InProceedings of SPIE. Phipps, C. R. Ed.; International Societyfor Optics and Photonics: Taos, NM, 2002; p 415.
10	Roeske F. ; Benterou J. ; Lee R. ; Roos E Propell. Explos. Pyrot 2003, 28, 53.
11	Chen H. M. ; Lu B. ; Li C. G. ; Liu H. T Initiat. Pyrot. 2005, 5, 42.
11	陈明华; 卢斌; 李成国; 刘海涛. 火工品, 2005, 5, 42.
12	Yang J. J Laser Opt. Prog. 2004, 41, 42.
12	杨建军. 激光与光电子学进展, 2004, 41, 42.
13	Chen M. H. ; Gao M. ; Zhang G. A. ; Wang H. J. ; Wang X Electron-Optic Technol. Appl. 2006, 21, 4.
13	陈明华; 高敏; 张国安; 汪海军; 王宪. 光电技术应用, 2006, 21, 4.
14	Chen M. H. ; Lu B. ; Li D. Y. ; Zhan Z. B Laser Infr. 2007, 37, 214.
14	陈明华; 卢斌; 李东阳; 战志波. 激光与红外, 2007, 37, 214.
15	Yang Z. ; He Y. H Acta Phys.-Chim. Sin. 2016, 32, 921.
15	杨镇; 何远航. 物理化学学报, 2016, 32, 921.
16	Chenoweth K. ; Cheung S. ; van Duin A. C. T. ; Goddard W. A. ; Kober E. M J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 7192.
17	van Duin A. C. T. ; Zeiri Y. ; Dubnikova F. ; Kosloff R. ; Goddard W. A J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 11053.
18	Cheng T. ; Jaramillo-Botero A. ; Goddard W. A. ; Sun H J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 9434.
19	Furman D. ; Kosloff R. ; Dubnikova F. ; Zybin S. V. ; Goddard W. A. ; Rom N. ; Hirshberg B. ; Zeiri Y J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 4192.
20	Ye C. C. ; An Q. ; Goddard W. A. ; Cheng T. ; Liu W. G. ; Zybin S. V. ; Ju X. H J. Mater. Chem. A 2015, 3, 1972.
21	Guo D. Z. ; An Q. ; Zybin S. V. ; Goddard W. A. ; Huang F. ; Tang B J. Mater. Chem. A 2005, 3, 5409.
22	Zhang L. Z. ; van Duin A. C. T. ; Zybin S. V. ; Dasgupta S. ; Goddard W. A J. Phys. Chem. A 2009, 113, 10619.
23	Ge N. N. ; Wei Y. K. ; Song Z. F. ; Chen X. R. ; Ji G. F. ; Zhao F. ; Wei D. Q J. Phys. Chem. B 2014, 118, 8691.
24	http://lammps.sandia.gov/ (accessed March 5, 2016).
25	Wang Y. P. ; Yang Z.W. ; Li H. Z. ; Zhang Q. ; Wang J. H. ; Liu Y. C Propellants, Explos., Pyrotech. 2014, 39, 590.
26	Wojcik G. ; Mossakowska I. ; Holband J. ; Bartkowiak W Acta Crystallogr., Sect. B: Struct. Sci 2002, 58, 998.
27	Geetha M. ; Nair U. R. ; Sarwade D. B. ; Gore G. M. ; Asthana S. N. ; Singh H J. Therm. Anal. Calorim. 2003, 73, 913.
28	Wu C. J. ; Fried L. E. ; Yang L. H. ; Goldman N. ; Bastea S Nat. Chem. 2009, 1, 57.
29	Nair U. R. ; Sivabalan R. ; Gore G. M. ; Geetha M. ; Asthana S.N. ; Singh H Combust., Explo. Shock Waves 2005, 41, 121.
30	Turcotte R. ; Vachon M. ; Kwok Q. S. M. ; Wang R. P. ; Jone D.E. G Themochim. Acta 2005, 433, 105.

[1]	徐涵煜, 宋雪旦, 张青, 于畅, 邱介山. 理论研究Cu@C₂N催化剂表面上水分子对电催化CO₂还原反应机理的影响[J]. 物理化学学报, 2024, 40(1): 2303040 - .
[2]	高凤雨, 刘恒恒, 姚小龙, Sani Zaharaddeen, 唐晓龙, 罗宁, 易红宏, 赵顺征, 于庆君, 周远松. 球形表面富锰Mn_xCo_3−xO_4−ƞ尖晶石型催化剂选择性催化还原NO_x研究[J]. 物理化学学报, 2023, 39(9): 2212003 -0 .
[3]	马骋, 窦翔宇, 刘泽宇, 廖培龙, 朱志扬, 刘卡尔顿, 黄建滨. 一种新型CO₂/原油助混剂CAA8-X的应用与助混机理[J]. 物理化学学报, 2022, 38(8): 2012019 - .
[4]	俞宏伟, 李实, 李金龙, 朱韶华, 孙成珍. 气驱油油气混相过程的界面传质特性及其分子机制[J]. 物理化学学报, 2022, 38(5): 2006061 - .
[5]	卢浩然, 魏雅清, 龙闰. 纳米孔缺陷导致单层黑磷电荷局域极大抑制非辐射电子-空穴复合的时域模拟[J]. 物理化学学报, 2022, 38(5): 2006064 - .
[6]	曹冲, 张裴, 曹立冬, 刘铭鑫, 宋玉莹, 陈鹏, 黄啟良, 韩布兴. 液滴在超疏水植物叶面的沉积：实验和分子动力学模拟[J]. 物理化学学报, 2022, 38(12): 2207006 - .
[7]	李莹, 来雪琦, 曲津朋, 赖勤志, 伊廷锋. 钠离子电池用高性能锑基负极材料的调控策略研究进展[J]. 物理化学学报, 2022, 38(11): 2204049 - .
[8]	李孟婷, 郑星群, 李莉, 魏子栋. 碱性介质中氢氧化和析氢反应机理研究现状[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 2007054 - .
[9]	陈鹏, 周莹, 董帆. 二维光催化材料电子结构和性能调控策略研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(8): 2010010 - .
[10]	刘东, 陈圣韬, 李仁杰, 彭天右. 用于光催化能量转换的Z-型异质结的研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(6): 2010017 - .
[11]	陈文琼, 关永吉, 张姣, 裴俊捷, 张晓萍, 邓友全. 外电场作用下离子液体振动光谱变化的分子动力学模拟研究[J]. 物理化学学报, 2021, 37(10): 2001004 - .
[12]	孙成珍, 周润峰, 白博峰. 基于静电效应的石墨烯纳米孔选择性渗透特性[J]. 物理化学学报, 2020, 36(11): 1911044 - .
[13]	胡媛媛,王从洋. 双金属促进的均相碳氢键活化反应[J]. 物理化学学报, 2019, 35(9): 913 -922 .
[14]	单春晖,白若鹏,蓝宇. 过渡金属参与C―H键切断模式的理论研究进展[J]. 物理化学学报, 2019, 35(9): 940 -953 .
[15]	张涛,仇运广,罗启超,程曦,赵丽芬,严昕,彭浡,蒋华良,阳怀宇. 钙离子和镁离子浓度变化对磷脂酰乙醇胺-磷脂酰甘油双分子层膜的影响[J]. 物理化学学报, 2019, 35(8): 840 -849 .