CN110867217B - 一种溶液中含能材料结晶形貌的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种溶液中含能材料结晶形貌的计算方法。该方法采用分子动力学模拟找到溶剂在生长晶面上的吸附位点，通过量子化学方法计算吸附位点处的结合能，并将其替代附着能模型中“平均化”的溶剂‑晶面相互作用能，从而更合理地描述溶剂对溶质生长的抑制作用。基于本发明预测的结晶形貌比原有附着能模型预测结果有了较大改善，与实验数据吻合良好。该方法将为含能材料的结晶形貌控制提供前期的理论预测与科学依据。

Description

一种溶液中含能材料结晶形貌的计算方法

技术领域

本发明涉及一种结晶形貌的计算方法，尤其涉及一种含能材料在溶液中的结晶形貌的计算方法。

背景技术

结晶形貌控制是含能材料领域的一个研究热点与难点。在相同粒度下，球形晶体一般比针形晶体具有更高的装填密度，从而能够输出更高的能量。同时，球形晶体表面相对光滑，不易形成爆轰“热点”，使其比针形晶体具有更低的机械感度与热感度。鉴于绝大部分含能材料在熔融结晶中会发生分解，溶液结晶已经成为了制备含能材料晶体的一种常用手段。然而，溶液结晶受溶剂种类影响很大，在不同的溶剂中一般会得到不同的结晶形貌。为了优选结晶溶剂，往往要进行大量的实验试错，导致步骤复杂、耗时、且成本较高。

采用理论方法对结晶形貌进行预测，能够从微观上深入理解晶体的生长机制，快速筛选出合适的溶剂等结晶条件，为含能材料的结晶形貌控制提供理论指导，从而缩短研究周期、节约研究成本。附着能模型是目前含能材料领域应用最为广泛的一种结晶形貌预测方法，在考虑晶体结构参数的基础上，引入了能量因素来衡量晶面生长速度，计算方法简单，预测结果相对准确。然而，在附着能模型中，采用了溶剂-晶面相互作用能来描述溶剂对晶体生长的抑制作用，溶剂-晶面相互作用能是一种“平均化”的能量作用，并不能体现出对晶体生长抑制最强的作用区域，导致附着能模型的预测结果有时与实验结晶形貌存在一定差异。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种溶液中含能材料结晶形貌的计算方法，采用分子动力学模拟研究了溶剂在生长晶面的微观吸附行为，基于占有率分析找到了溶剂与晶面结合作用最强的区域(即吸附位点)，并以吸附位点处的结合能替代溶剂-晶面相互作用能来描述溶剂对晶体生长的抑制作用，以弥补原有附着能模型的不足，为含能材料的溶液结晶筛选溶剂，为含能材料的结晶形貌控制提供理论指导。

为了克服背景技术中存在的不足，本发明所采用的技术方案如下：

一种溶液中含能材料结晶形貌的计算方法，包括以下步骤：

1)基于分子力场对含能材料晶体结构进行优化，计算真空中各晶面的附着能，搭建稳定生长晶面的模型结构；

2)构建溶剂分子的模拟盒子，将其放置于生长晶面的上方，形成溶剂-晶面模型结构，并在溶剂层上方设置真空层；

3)在NVT系综中进行分子动力学模拟，模拟条件包括模拟温度、时间步长以及模拟时间，时间步长设置为1fs，模拟时间设置为5ns；

4)通过占有率分析确认溶剂在生长晶面上的吸附位点，并提取吸附位点的模型结构；

5)采用量子化学方法分别计算吸附位点处溶剂与晶面和溶质与晶面的结合能；

6)基于附着能模型，利用步骤5)中计算的吸附位点的结合能，计算溶液中含能材料的结晶形貌。

进一步的，所述步骤1)进一步包括：采用Materials Studio软件中的COMPASS力场对含能材料晶体结构进行优化，计算真空中各晶面的附着能。

进一步的，所述步骤4)中，将占有率大于80％的区域定义为吸附位点。

本发明的优点：

本发明通过占有率分析找到了溶剂在生长晶面上的吸附位点，发现了对晶面生长抑制作用最强的区域；通过量子化学方法计算了吸附位点的结合能，计算精度比分子力场方法高；在附着能模型的理论框架内，用吸附位点的结合能取代了“平均化”的溶剂-晶面相互作用能，更加合理地描述了溶剂效应对生长晶面的抑制作用，结晶形貌预测结果更加准确。

附图说明

图1为HMX-丙酮界面模型构建流程图

图2为HMX在丙酮溶剂中的预测结晶形貌和实验结晶形貌，其中，(a)为原有附着能模型预测结果；(b)本发明方法预测结果；(c)实验结果

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：HMX在丙酮溶液中结晶形貌的预测，包括以下步骤：

1)采用Materials Studio软件中的COMPASS力场对HMX晶体结构进行优化，计算了真空中各晶面的附着能，获得了(011)、(110)、(020)、(101)、和(10-1)共计5个稳定生长晶面，并搭建了稳定生长晶面的模型结构；

2)通过堆积填充构建了含有1000个丙酮溶剂分子的模拟盒子，将其放置于生长晶面的上方，形成溶剂-晶面模型结构，并在溶剂层上方设置了长度为

的真空层，界面模型结构搭建流程如图1所示；

3)采用Materials Studio软件中的Forcite模块在NVT系综中进行分子动力学模拟，温度设置为300K，时间步长设置为1fs，模拟时间设置为5ns；

4)通过占有率分析确认溶剂在生长晶面上的吸附位点，将占有率大于80％的区域定义为吸附位点，并提取吸附位点的模型结构；

5)采用量子化学方法M06-2X-D3/6-311+G**分别计算了吸附位点处溶剂与晶面和溶质与晶面的结合能，结果如表1所示；

表1 M06-2X-D3/6-311+G**方法计算的结合能

6)在附着能模型的理论框架内，用表1中的吸附位点的结合能代替“平均化”的溶剂-晶面相互作用能，并计算了丙酮溶液中含能材料HMX的结晶形貌，结果如图2所示。

图2(a)为原有附着能模型预测结果；图2(b)为本发明方法预测结果；图2(c)为实验结果，从图2(b)可以看出，采用本发明方法预测的丙酮中HMX结晶形貌比原有附着能模型预测结果有了较大改善，与图2(c)所示的实验结果吻合良好。

Claims (2)

1.一种溶液中含能材料结晶形貌的计算方法，其特征在于：包括：在附着能模型的理论框架下，采用吸附位点处的结合能替代“平均化”的溶剂-晶面相互作用能，计算结晶形貌;

包括以下步骤：

1)基于分子力场对含能材料晶体结构进行优化，计算真空中各晶面的附着能，搭建稳定生长晶面的模型结构；

2)构建溶剂分子的模拟盒子，将其放置于生长晶面的上方，形成溶剂-晶面模型结构，并在溶剂层上方设置真空层；

3)在NVT系综中进行分子动力学模拟，模拟条件包括模拟温度、时间步长以及模拟时间，时间步长设置为1fs，模拟时间设置为5ns；

4)通过占有率分析确认溶剂在生长晶面上的吸附位点，并提取吸附位点的模型结构；将占有率大于80％的区域定义为吸附位点；

5)采用量子化学方法分别计算吸附位点处溶剂与晶面和溶质与晶面的结合能；

6)基于附着能模型，利用步骤5)中计算的吸附位点的结合能，计算溶液中含能材料的结晶形貌。

2.根据权利要求1所述的一种溶液中含能材料结晶形貌的计算方法，其特征在于，所述步骤1)进一步包括：采用Materials Studio软件中的COMPASS力场对含能材料晶体结构进行优化，计算真空中各晶面的附着能。

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