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晶体习性(晶习)对材料的物化性能及成型性能具有重要影响,晶体不同晶面表现出不相同的化学特性,如表面反应,疏水反应等。对于环四亚甲基四硝胺(HMX,C4H8N8O8)炸药化合物,晶体晶习会影响其安全性和装填密度,如棒状形状会降低HMX的安全性和装填密度,而球形颗粒可以明显提高装填密度和安全性能。本论文采用分子力学和分子动力学等理论研究方法,研究HMX在溶液中的晶习,运用“双层模型”预测其在溶剂中生长的晶体习性,采用对比实验研究了在溶剂中的晶习,并与理论预测进行比较。此外,本论文还通过建立的“双层对接模型”预测了HMX在碳酸丙烯酯中的晶习,为了表明新建的模型具有普适意义,预测RDX和己内酰胺在溶液中的晶习,并与文献报道的晶习进行比较:
1)附着能模型预测HMX真空中晶习为面(011)、(11-1)、(100)、(10-2)和(020),各面的面积百分比分别为57.26%、33.73%、1.31%、6.19%和1.51%;对晶面进行PBC分析发现(011)、(11-1)和(020)是平坦面,(100)和(10-2)面是台阶面,采用“双层模型”预测了HMX在碳酸丙烯酯溶剂中的晶习,在PC溶剂中显露的面为(011)和(100)面;为了获得无孪晶和形貌一致的HMX晶体,采用碳酸丙烯酯(PC)对普通HMX进行重结晶,并且研究不同实验条件对晶体晶习的影响;在只加入晶种的条件下,得到的无孪晶的晶体与“双层模型”预测还是有一定的差距。与此同时,通过光学显微镜分析重结晶样品HMX结晶形貌,发现长时间结晶可以使晶体平均粒径达到2000μm;在加入晶种和少量水的情况下,晶体偏向于球形化,通过对HMX晶面结构研究发现:PC溶剂容易与(100)面发生强的弱相互作用致使该晶面无法生长,因此在PC中结晶得到晶体大都含有(100)面。
“双层模型”预测了HMX在丙酮-丁内酯混合溶剂(摩尔比为1:1)中的晶习,并且与文献进行对比,双层模型预测的HMX在混合溶剂中的晶习
2)为了弥补双层模型的不足,论文建立了基于附着能模型和统计学原理,综合考虑溶剂间、溶质间、溶剂与溶质间的相互关系建立了“双层对接模型”,预测了HMX在碳酸丙烯酯溶剂中的晶习,与实验对比发现“双层对接模型”模型能够与实验获得的晶习吻合较好。
3)为了验证模型的普适性,本论文运用“双层对接模型”模型预测了RDX在丙酮和环己酮、己内酰胺在乙醇中的晶习,发现理论预测的晶习与文献结晶的晶习相比,新模型能够成功地预测RDX和己内酰雇这两种有机晶体在溶剂中的晶习,同时也证明了模型的正确性。
总之,提出了运用碳酸丙烯酯重结晶HMX避免孪晶的产生的方法;运用分子力学和分子动力学方法预测了HMX在混合溶剂中的晶习;设计并提出模拟了有机晶体晶习的新模型,有关这部分的研究文献中尚未见报道。对于在有机晶体品质的控制中溶剂选择有着非常重要的意义。