Undersøgelse viser, hvorfor almindeligt eksplosivt PETN nogle gange svigter

Abstrakt:

Pentaerythritol tetranitrat (PETN) er et meget brugt højsprængstof kendt for sin følsomhed over for eksterne stimuli, hvilket fører til lejlighedsvise svigt i detonation. At forstå de underliggende mekanismer bag disse fejl er afgørende for at forbedre pålideligheden af ​​PETN-baserede sprængstoffer. I denne undersøgelse anvender vi atomistiske simuleringer til at undersøge fejladfærden af ​​PETN under forskellige forhold. Vi afslører, at fejlen i PETN er tæt forbundet med dannelsen af ​​metastabile reaktionsmellemprodukter, nemlig nitroform- og nitromethan-mellemprodukterne, der fungerer som flaskehalse i nedbrydningsvejen. Disse mellemprodukter hindrer den hurtige omdannelse af PETN til detonationsprodukter, hvilket resulterer i ufuldstændige eller mislykkede detonationer. Vores resultater giver indsigt i mekanismerne på molekylært niveau, der styrer fejlen i PETN og baner vejen for rationelle designstrategier for at forbedre pålideligheden og sikkerheden af ​​PETN-baserede sprængstoffer.

Introduktion:

Højeksplosiver er energiske materialer, der undergår hurtige kemiske reaktioner ved initiering, og frigiver en betydelig mængde energi i form af varme, tryk og chokbølger. Pentaerythritoltetranitrat (PETN) er et meget brugt højsprængstof på grund af dets høje energiindhold, termiske stabilitet og ufølsomhed over for mekaniske stød. PETN er dog kendt for at udvise lejlighedsvise svigt i detonation, hvilket kan føre til sikkerhedsrisici og reduceret effektivitet. At forstå de underliggende mekanismer bag disse fejl er af største vigtighed for at forbedre pålideligheden og sikkerheden af ​​PETN-baserede sprængstoffer.

Metode:

I denne undersøgelse anvender vi state-of-the-art atomistiske simuleringer baseret på tæthedsfunktionel teori (DFT) til at undersøge fejladfærden af ​​PETN på molekylært niveau. Vi konstruerer atomistiske modeller af PETN og dets nedbrydningsprodukter og simulerer deres reaktioner under forskellige forhold, herunder temperatur, tryk og tilstedeværelsen af ​​defekter. Simuleringerne giver detaljeret indsigt i reaktionsveje, energibarrierer og reaktionsmellemprodukter involveret i nedbrydningen af ​​PETN.

Resultater og diskussion:

Vores simuleringer afslører, at PETNs manglende detonering primært skyldes dannelsen af ​​metastabile reaktionsmellemprodukter, nemlig nitroform- og nitromethan-mellemprodukter. Disse mellemprodukter dannes under de indledende stadier af PETN-nedbrydning og fungerer som flaskehalse i reaktionsvejen. Tilstedeværelsen af ​​disse mellemprodukter hindrer den hurtige omdannelse af PETN til detonationsprodukter, hvilket resulterer i ufuldstændige eller mislykkede detonationer.

Yderligere analyse af reaktionsvejene viser, at dannelsen af ​​nitroform- og nitromethan-mellemprodukterne er påvirket af flere faktorer, herunder temperaturen, trykket og tilstedeværelsen af ​​defekter i PETN-krystallen. Højere temperaturer og tryk fremmer dannelsen af ​​disse mellemprodukter, mens defekter fungerer som kernedannelsessteder for deres dannelse.

Konklusioner:

Som konklusion giver vores atomistiske simuleringer en detaljeret forståelse af fejladfærden af ​​det højeksplosive PETN. Dannelsen af ​​metastabile reaktionsmellemprodukter, nemlig nitroform- og nitromethan-mellemprodukter, er identificeret som den primære årsag til PETN-fejl. Disse resultater baner vejen for rationelle designstrategier for at minimere eller eliminere dannelsen af ​​disse mellemprodukter og derved forbedre pålideligheden og sikkerheden af ​​PETN-baserede sprængstoffer. Yderligere eksperimentelle undersøgelser er nødvendige for at validere simuleringsresultaterne og udforske de praktiske implikationer af disse resultater.