Abstrakt:
Pentaerytritoltetranitrat (PETN) är ett allmänt använt högexplosivt ämne känt för sin känslighet för yttre stimuli, vilket leder till tillfälliga misslyckanden vid detonation. Att förstå de underliggande mekanismerna bakom dessa misslyckanden är avgörande för att förbättra tillförlitligheten hos PETN-baserade sprängämnen. I denna studie använder vi atomistiska simuleringar för att undersöka felbeteendet hos PETN under olika förhållanden. Vi avslöjar att misslyckandet med PETN är intimt kopplat till bildandet av metastabila reaktionsintermediärer, nämligen nitroform- och nitrometanintermediärerna, som fungerar som flaskhalsar i nedbrytningsvägen. Dessa mellanprodukter hindrar den snabba omvandlingen av PETN till detonationsprodukter, vilket resulterar i ofullständiga eller misslyckade detonationer. Våra resultat ger insikter i mekanismerna på molekylär nivå som styr PETNs misslyckande och banar väg för rationella designstrategier för att förbättra tillförlitligheten och säkerheten hos PETN-baserade sprängämnen.
Introduktion:
Höga explosiva ämnen är energirika material som genomgår snabba kemiska reaktioner vid initiering och frigör en betydande mängd energi i form av värme, tryck och stötvågor. Pentaerytritoltetranitrat (PETN) är ett mycket använt högexplosivt ämne på grund av dess höga energiinnehåll, termiska stabilitet och okänslighet för mekaniska stötar. PETN är dock känt för att uppvisa tillfälliga misslyckanden vid detonation, vilket kan leda till säkerhetsrisker och minskad effektivitet. Att förstå de underliggande mekanismerna bakom dessa misslyckanden är av yttersta vikt för att förbättra tillförlitligheten och säkerheten för PETN-baserade sprängämnen.
Metodik:
I denna studie använder vi state-of-the-art atomistiska simuleringar baserade på densitetsfunktionella teorin (DFT) för att undersöka felbeteendet hos PETN på molekylär nivå. Vi konstruerar atomistiska modeller av PETN och dess nedbrytningsprodukter och simulerar deras reaktioner under olika förhållanden, inklusive temperatur, tryck och förekomst av defekter. Simuleringarna ger detaljerade insikter om reaktionsvägar, energibarriärer och reaktionsintermediärer som är involverade i nedbrytningen av PETN.
Resultat och diskussion:
Våra simuleringar avslöjar att PETNs misslyckande att detonera främst beror på bildandet av metastabila reaktionsintermediärer, nämligen nitroformen och nitrometanintermediärerna. Dessa mellanprodukter bildas under de inledande stadierna av PETN-nedbrytning och fungerar som flaskhalsar i reaktionsvägen. Närvaron av dessa mellanprodukter hindrar den snabba omvandlingen av PETN till detonationsprodukter, vilket resulterar i ofullständiga eller misslyckade detonationer.
Ytterligare analys av reaktionsvägarna visar att bildningen av nitroform- och nitrometanmellanprodukterna påverkas av flera faktorer, inklusive temperatur, tryck och närvaron av defekter i PETN-kristallen. Högre temperaturer och tryck främjar bildningen av dessa mellanprodukter, medan defekter fungerar som kärnbildningsställen för deras bildning.
Slutsatser:
Sammanfattningsvis ger våra atomistiska simuleringar en detaljerad förståelse av felbeteendet hos det högexplosiva PETN. Bildandet av metastabila reaktionsintermediärer, nämligen nitroform- och nitrometanintermediärerna, identifieras som den primära orsaken till PETN-fel. Dessa fynd banar väg för rationella designstrategier för att minimera eller eliminera bildandet av dessa mellanprodukter, och därigenom förbättra tillförlitligheten och säkerheten hos PETN-baserade sprängämnen. Ytterligare experimentella undersökningar är nödvändiga för att validera simuleringsresultaten och utforska de praktiska konsekvenserna av dessa fynd.
