سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

پیش‌بینی عملکرد انفجاری نانوکامپوزیت RDX+Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 با استفاده از شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی واکنشی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
اسماعیل ایومن
خیابان فردیس بلوار اباذر اباذر 12 بن بست سوم پلاک 57
10.22034/jfnc.2024.479695.1410
چکیده
نانوترمیت‌ها به دلیل سرعت واکنش سریع، راندمان آزادسازی انرژی و عملکرد انفجاری به بسیار بالا، موضوع امیدوارکننده‌ای در صنعت هستند. اکسیدهای تک‌فلزی به‌عنوان اکسیدان‌های نانوترمیت به‌طور گسترده‌ای بررسی شدند، اما این مواد با اجزای اسیدی پیشرانه‌های جامد سازگاری کمی دارند که این موضوع نیاز به جایگزین‌های بهتر را آشکار می‌کند. در مقایسه با اکسیدهای تک‌فلزی، اکسیدهای فلزی کامپوزیتی دارای خواص منحصربه‌فرد خاصی شامل ساختارهای فضایی ویژه، مقاومت در مقابل محیط اسیدی و بازی، نقص شبکه فراوان، عملکرد کاتالیزوری فوق‌العاده و آزادسازی گرمای بالا در واکنش ترمیتی هستند که این ویژگی‌ها ممکن است اثرات قابل‌ملاحظه‌ای بر عملکرد احتراقی مواد نانوکامپوزیت‌های پرانرژی داشته باشند. هدف اصلی در این پژوهش، بررسی اثرات نانوترمیت Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 برای اولین‌بار بر خواص ترکیب هگزوژن (RDX) است. بنابراین، در این پژوهش با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی تأثیر نانوترمیت Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 بر خواص انفجاری ترکیب RDX به‌عنوان یکی از رایج‌ترین مواد پرانرژی، بر اساس میدان نیروی واکنشی، بررسی شده است. نتایج نشان دادند که حضور نانوترمیت Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای انرژی فعال‌سازی، فشار انفجار و سرعت انفجار ترکیب RDX را کاهش می‌دهد، زیرا نانوترمیت Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 به تشکیل کمتر محصولات گازی، منجر می‌شود. بااین‌وجود، دمای انفجار نانوکامپوزیت RDX+Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 نسبت به ترکیب RDX خالص به‌دلیل آزادسازی انرژی بالا هنگام تشکیل محصولات نانوترمیت Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4، بالاتر است. پارامترهای انرژی فعال‌سازی، فشار انفجار، دمای انفجار و سرعت انفجار به‌دست‌آمده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی برای ترکیب RDX خالص از مقادیر kJ/mol 76/100، GPa 94/28، K 62/2723 و m/s 16/7560 به‌ترتیب برای نانوکامپوزیت RDX+Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 به مقادیر kJ/mol 50/65، GPa 14/27، m/s 74/7389 و K 51/3138 تغییر می­ کنند.

تازه های تحقیق

در این پژوهش دو مدل یعنی ترکیب RDX خالص و نانوکامپوزیت RDX+Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 ساخته شدند، همان­گونه که در شکل 1(الف و ب) نمایش داده شدند. اولین مدل از ترکیب RDX خالص ساخته‌شده است (شکل 1(a)). دومین مدل حاوی ترکیب RDX خالص اصلاح‌شده با نانوترمیت Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 است (شکل 1(b)). شکل 1(a-b) تغییرات مدل‌ها را نشان می‌دهد. این تغییرات شامل ذوب و پراکنده‌شدن ذرات تشکیل‌دهنده مدل­های طی زمان است، وقتی که به این مدل­ها طی مدت زمان‌های مختلف تحت دمای ثابت K 1500 گرما داده می­شود. نانوذرات Zn0.5Co0.5Fe2O4 استفاده‌شده به‌دلیل نقطه ذوب بالای خود، یکپارچگی ساختاری خود را حفظ می­کنند و تنها چند کلاستر از آن­ها پراکنده می­شوند. بااین‌وجود، پراکندگی نانوترمیت Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 با مقدار Sa بالا تحت واکنش‌های بسیار سریع با مقدار Ea پایین در مدل نانوکامپوزیت RDX+Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4، مراحل اولیۀ احتراق مولکول‌های RDX توسط این نانوترمیت تسریع می­شود. علاوه بر این، در زمان­های 30 و ps 40، اتم‌های Al به‌سرعت در مولکول‌های RDX نفوذ می­کنند و مراحل نهایی احتراق مولکول‌های RDX را تسریع می­کنند.

 

 

Figure 1- Representative snapshots at 1500 K of the pure RDX and RDX+Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 nanocomposite in 0, 10, 20, 30, and 40 ps, respectively

شکل 1- (a-b) به‌ترتیب تصاویر مدل­های ترکیب RDX خالص و نانوکامپوزیت RDX+Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 در K 1500 در زمان­های 0، 10، 20، 30 و ps 40

 

همان­گونه که در مرجع [28] شرح داده شده است، برای تخمین پارامتر Ea احتراق ترکیب RDX خالص و نانوکامپوزیت RDX+Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 می‌تواند واکنش را مرتبۀ اول فرض کرد. شکل 2(a) نتایج شبیه‌سازی MD ترکیب RDX خالص و نانوکامپوزیت RDX+Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 را در پنج دمای مختلف نشان می‌دهد. پارامتر Ea برای ترکیب RDX خالص و نانوکامپوزیت RDX+Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 به‌ترتیب برابر 76/100 و kJ/mol 50/65 است (جدول 1). بنابراین، زمانی که نانوترمیت Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 به ترکیب RDX اضافه شود، پارامترEa  به میزان قابل‌توجهی 26/35% کاهش‌یافته است. مقدار پارامتر Ea برای ترکیب RDX خالص با برخی از پژوهش­ها مطابقت خوبی دارد [28, 31]. نتایج تجربی و شبیه‌سازی نشان می­دهند که مقادیر پارامتر Ea برای احتراق ترکیب RDX خالص در محدودۀ kJ/mol 422- 5/93 است. این نتایج نشان می‌دهند که پژوهش حاضر مقدار پارامتر Ea را برای ترکیب RDX خالص در مقایسه با مقدار این پارامتر حاصل از شبیه‌سازی ارائه‌شده در مرجع [28] بالاتر نشان می­دهد و همچنین این پژوهش مقدار پارامتر Ea را در مقایسه با نتایج شبیه‌سازی مرجع [32] و نتایج تجربی مراجع [31، 33-37] کم­تر نشان می­دهد. این نتایج می­توانند ناشی از روش­های مختلف محاسبه پارامتر Ea و شرایط متفاوت واکنش در روش­های تجربی و شبیه­سازی باشند. در این پژوهش، از روش هم­دمایی و واکنش مرتبۀ اول برای محاسبۀ مقدار پارامتر Ea در حالت شبیه­سازی استفاده‌شده است، درحالی‌که در حالت تجربی پارامتر Ea معمولاً با استفاده از روش غیرهم­دمایی محاسبه می‌شود. علاوه بر این، شرایط حالت تجربی به‌علت شرایط مختلفی شامل دماهای پایین، نقاط داغ، مورفولوژی، سرعت گرمادهی، اندازۀ ذرات، خلوص و چگالی بسیار پیچیده است. بااین‌وجود، روش شبیه‌سازی MD مبتنی بر دماهای بالاتر، نانوذرات کوچک­تر و ساختارهای همگن­تر است [28، 32].

کلیدواژه‌ها
نانوترمیت Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4
نانوکامپوزیت RDX+Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4
شبیه‌سازی دینامیک مولکولی
انرژی فعال‌سازی و چپمن-ژوگت

موضوعات

عنوان مقاله English

Detonation performance of RDX+Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 nanocomposite predicted from reactive molecular dynamics simulations

نویسنده English

Esmaeil Ayoman
Nanotechnology,
چکیده English

Nanothermites have a promising study in industry due to their fast reaction rate, high energy release efficiency, and significantly enhanced detonation performance. Single-metal oxides have been extensively considered as nanothermite oxidants but are poorly compatible with the acidic components of solid propellants, which highlights the need for better alternatives. Compared with single-metal oxides, composite metal oxides feature certain unique properties including special spatial structures, acid/base resistance, abundant lattice defects, outstanding catalytic performance, and high heat release in the thermite reaction that may have unexpected effects on the performance of the related energetic nanocomposites. The main goal of this work is investigated Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 nanothermite effects on the properties of RDX, for the first time. Thus, in this study explore the influence of Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 nanothermite on the detonation properties of hexogen (RDX) which is one of the most common energetic materials based on reactive force field molecular dynamics simulation.  The results showed that, the presence of Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 nanothermite significantly reduces the activation energy, detonation pressure, and detonation velocity RDX because it is leading to less gas products formation. However, the detonation temperature for RDX+Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 nanocomposite is higher than that for pure RDX because of high energy release while forming Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 nanothermite products. The activation energy, detonation pressure, detonation velocity, and detonation temperature obtained from the molecular dynamic simulation for the pure RDX changed from  100.76 kJ/mol, 28.94 GPa, 7560.16 m/s, and 2723.62 K to 65.50 kJ/mol, 27.14 GPa, 3138.51, and 7389.74 m/s for the RDX+Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 nanocomposite, respectively.
 

کلیدواژه‌ها English

Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 nanothermite
RDX+Al+Zn0.5Co0.5Fe2O4 nanocomposite
molecular dynamics simulation
activation energy
and Chapman−Jouguet
[1] A. Becuwe, A. Delclos, Low-Sensitivity Explosive Compounds for Low Vulnerability Warheads, Propellants, Explosives, Pyrotechnics 18(1) (1993) 1-10. https://doi.org/https://doi.org/10.1002/prep.19930180102.
[2] Q.-p. Luo, X.-p. Long, F.-d. Nie, G.-x. Liu, C. Wu, Deflagration to detonation transition in weakly confined conditions for a type of potentially novel green primary explosive: Al/Fe2O3/RDX hybrid nanocomposites, Defence Technology 22 (2023) 28-36. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.dt.2021.11.011.
[3] Z. Zhang, Y. Shen, C.-a. Wang, Y. Wang, F. Li, J. Cheng, J. Xu, Y. Ye, R. Shen, An excellent synergy between CL-20 and nanothermites in flaming and propelling with high specific impulse and superior safety to electrostatic discharge, Combustion and Flame 240 (2022) 112024. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2022.112024.
[4] E. Ayoman, J. Rahchamani, Preparation of energetic Al/CuO/RDX nanocomposite with enhanced reactivity, Fuel and Combustion 17(1) (2024) 87-97. https://doi.org/10.22034/jfnc.2024.457943.1393.
[5] V.E. Sanders, B.W. Asay, T.J. Foley, B.C. Tappan, A.N. Pacheco, S.F. Son, Reaction Propagation of Four Nanoscale Energetic Composites (Al/MoO3, Al/WO3, Al/CuO, and B12O3), Journal of Propulsion and Power 23(4) (2007) 707-714. https://doi.org/10.2514/1.26089.
[6] X. Zhou, D. Xu, J. Lu, K. Zhang, CuO/Mg/fluorocarbon sandwich-structure superhydrophobic nanoenergetic composite with anti-humidity property, Chemical Engineering Journal 266 (2015) 163-170. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.cej.2014.12.087.
[7] S. Apperson, R.V. Shende, S. Subramanian, D. Tappmeyer, S. Gangopadhyay, Z. Chen, K. Gangopadhyay, P. Redner, S. Nicholich, D. Kapoor, Appl. Phys. Lett. 91 (2007) 243109-1.
[8] X. Zhou, Y. Zhu, X. Ke, K. Zhang, Exploring the solid-state interfacial reaction of Al/Fe2O3 nanothermites by thermal analysis, Journal of Materials Science 54(5) (2019) 4115-4123. https://doi.org/10.1007/s10853-018-3094-6.
[9] T. Zhang, X. Ji, B. Li, Periodic Oscillations in a Chemostat Model with Two Discrete Delays, Discrete Dynamics in Nature and Society 2015(1) (2015) 306302. https://doi.org/https://doi.org/10.1155/2015/306302.
[10] T. Wu, F. Sevely, B. Julien, F. Sodre, J. Cure, C. Tenailleau, A. Esteve, C. Rossi, New coordination complexes-based gas-generating energetic composites, Combustion and Flame 219 (2020) 478-487. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2020.05.022.
[11] E. Ayoman, H. Abdoos, Effect of Al + MoO3 nanothermite on RDX performance: An experimental, molecular dynamic and numerical investigation, Chemical Engineering Journal 493 (2024) 152428. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152428.
[12] J. Wang, X. Lian, Q. Yan, D. Gao, F. Zhao, K. Xu, Unusual Cu–Co/GO Composite with Special High Organic Content Synthesized by an in Situ Self-Assembly Approach: Pyrolysis and Catalytic Decomposition on Energetic Materials, ACS Applied Materials & Interfaces 12(25) (2020) 28496-28509. https://doi.org/10.1021/acsami.0c05298.
[13] X. Tian, C. Tian, Y. Nie, C. Dai, C. Yang, N. Tian, Z. Zhou, Y. Li, Y. Wang, Controlled synthesis of dandelion-like NiCo2O4 microspheres and their catalytic performance for peroxymonosulfate activation in humic acid degradation, Chemical Engineering Journal 331 (2018) 144-151. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.08.115.
[14] Y. Zhang, K.Y. Rhee, D. Hui, S.-J. Park, A critical review of nanodiamond based nanocomposites: Synthesis, properties and applications, Composites Part B: Engineering 143 (2018) 19-27. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.01.028.
[15] W. Wang, B. Liu, K. Xu, Y. Zu, J. Song, F. Zhao, In-situ preparation of MgFe2O4-GO nanocomposite and its enhanced catalytic reactivity on decomposition of AP and RDX, Ceramics International 44(15) (2018) 19016-19020. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.07.145.
[16] B.L. Choudhary, Garima, P.M.Z. Hasan, R. Darwesh, S. Kumar, S. Dalela, S.N. Dolia, P.A. Alvi, Low temperature field dependent magnetic study of the Zn0.5Co0.5Fe2O4 nanoparticles, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 536 (2021) 168102. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.168102.
[17] G. Lal, K. Punia, S.N. Dolia, P.A. Alvi, B.L. Choudhary, S. Kumar, Structural, cation distribution, optical and magnetic properties of quaternary Co0.4+xZn0.6-xFe2O4 (x = 0.0, 0.1 and 0.2) and Li doped quinary Co0.4+xZn0.5-xLi0.1Fe2O4 (x = 0.0, 0.05 and 0.1) nanoferrites, Journal of Alloys and Compounds 828 (2020) 154388. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.154388.
[18] V.R. Monaji, D. Das, Influence of Zr doping on the structural, magnetic and magnetoelastic properties of cobalt-ferrites, Journal of Alloys and Compounds 634 (2015) 99-103. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.02.084.
[19] L. Yu, A. Sun, N. Suo, Z. Zuo, X. Zhao, W. Zhang, Structural, morphological and magnetic properties of Ni–Cu–Co ferrites by the Sm3+ ions substitution, Modern Physics Letters B 34(23) (2020) 2050236. https://doi.org/10.1142/s021798492050236x.
[20] P. Thandapani, M. Ramalinga Viswanathan, J.C. Denardin, Magnetocaloric Effect and Universal Curve Behavior in Superparamagnetic Zinc Ferrite Nanoparticles Synthesized via Microwave Assisted Co-Precipitation Method, physica status solidi (a) 215(11) (2018) 1700842. https://doi.org/https://doi.org/10.1002/pssa.201700842.
[21] M. Artus, L. Ben Tahar, F. Herbst, L. Smiri, F. Villain, N. Yaacoub, J.-M. Grenèche, S. Ammar, F. Fiévet, Size-dependent magnetic properties of CoFe2O4 nanoparticles prepared in polyol, Journal of Physics: Condensed Matter 23(50) (2011) 506001. https://doi.org/10.1088/0953-8984/23/50/506001.
[22] A.S. Eggeman, A.K. Petford-Long, P.J. Dobson, J. Wiggins, T. Bromwich, R. Dunin-Borkowski, T. Kasama, Synthesis and characterisation of silica encapsulated cobalt nanoparticles and nanoparticle chains, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 301(2) (2006) 336-342. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2005.07.022.
[23] Y. Zhu, X. Zhou, J. Xu, X. Ma, Y. Ye, G. Yang, K. Zhang, In situ preparation of explosive embedded CuO/Al/CL20 nanoenergetic composite with enhanced reactivity, Chemical Engineering Journal 354 (2018) 885-895. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.08.063.
[24] G. Meurant, Detection and correction of silent errors in the conjugate gradient algorithm, Numerical Algorithms 92(1) (2023) 869-891. https://doi.org/10.1007/s11075-022-01380-1.
[25] S. Plimpton, Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics, Journal of Computational Physics 117(1) (1995) 1-19. https://doi.org/https://doi.org/10.1006/jcph.1995.1039.
[26] A.K. Rappe, C.J. Casewit, K.S. Colwell, W.A. Goddard, III, W.M. Skiff, UFF, a full periodic table force field for molecular mechanics and molecular dynamics simulations, Journal of the American Chemical Society 114(25) (1992) 10024-10035. https://doi.org/10.1021/ja00051a040.
[27] A.C.T. van Duin, S. Dasgupta, F. Lorant, W.A. Goddard, ReaxFF:  A Reactive Force Field for Hydrocarbons, The Journal of Physical Chemistry A 105(41) (2001) 9396-9409. https://doi.org/10.1021/jp004368u.
[28] W. Hao, L. Niu, R. Gou, C. Zhang, Influence of Al and Al2O3 Nanoparticles on the Thermal Decay of 1,3,5-Trinitro-1,3,5-triazinane (RDX): Reactive Molecular Dynamics Simulations, The Journal of Physical Chemistry C 123(22) (2019) 14067-14080. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b03575.
[29] D. Guo, D. Guo, F. Huang, Q. An, Influence of Silicon on the Detonation Performance of Energetic Materials from First-Principles Molecular Dynamics Simulations, The Journal of Physical Chemistry C 122(42) (2018) 24481-24487. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b08305.
[30] D. Guo, S.V. Zybin, Q. An, W.A. Goddard Iii, F. Huang, Prediction of the Chapman–Jouguet chemical equilibrium state in a detonation wave from first principles based reactive molecular dynamics, Physical Chemistry Chemical Physics 18(3) (2016) 2015-2022. https://doi.org/10.1039/C5CP04516A.
[31] L. Xiao, Y. Zhang, X. Wang, G. Hao, J. Liu, X. Ke, T. Chen, W. Jiang, Preparation of a superfine RDX/Al composite as an energetic material by mechanical ball-milling method and the study of its thermal properties, RSC Advances 8(66) (2018) 38047-38055. https://doi.org/10.1039/C8RA07650B.
[32] Z. Mei, Q. An, F.-Q. Zhao, S.-Y. Xu, X.-H. Ju, Reactive molecular dynamics simulation of thermal decomposition for nano-aluminized explosives, Physical Chemistry Chemical Physics 20(46) (2018) 29341-29350. https://doi.org/10.1039/C8CP05006F.
[33] N. Wang, J. Peng, A. Pang, T. He, F. Du, A. Jaramillo-Botero, Thermodynamic Simulation of the RDX–Aluminum Interface Using ReaxFF Molecular Dynamics, The Journal of Physical Chemistry C 121(27) (2017) 14597-14610. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b03108.
[34] Y.L. Zhu, H. Huang, H. Ren, Q.J. Jiao, Influence of Aluminum Particle Size on Thermal Decomposition of RDX, Journal of Energetic Materials 31(3) (2013) 178-191. https://doi.org/10.1080/07370652.2012.688788.
[35] J.-S. Lee, C.-K. Hsu, C.-L. Chang, A study on the thermal decomposition behaviors of PETN, RDX, HNS and HMX, Thermochimica Acta 392-393 (2002) 173-176. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/S0040-6031(02)00099-0.
[36] C. Hou, X. Geng, C. An, J. Wang, W. Xu, X. Li, Preparation of Al Nanoparticles and Their Influence on the Thermal Decomposition of RDX, Central European Journal of Energetic Materials 10(1) (2013) 123-133.
[37] J. Wang, Z. Guo, S. Chen, W. Zhang, H. Cui, Z. Qin, K. Xu, Self-assembly preparation of advanced metastable MCo2O4/GO/Al (M=Cu, Mg, Zn, Ni) nanothermites to realize large heat release, stable combustion and high safety, Ceramics International 48(14) (2022) 20825-20837. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.04.070.
[38] Y. Liu, J. Yin, Z. Wang, X. Zhang, G. Bi, The EFP Formation and Penetration Capability of Double-Layer Shaped Charge with Wave Shaper, Materials (Basel) 13(20) (2020). https://doi.org/10.3390/ma13204519.
[39] J. Liu, Q. Li, J. Zeng, L. Wang, Q. Yang, W. Jiang, F. Li, Mechanical pulverization for the production of sensitivity reduced nano-RDX, Explosive Materials 42(4) (2013) 1-4.
[40] A.P.G. Shaw, Thermitic thermodynamics: a computational survey and comprehensive interpretation of over 800 combinations of metals, metalloids, and oxides, Taylor & Francis Group, LLC CRC, Boca Raton, 2020.