بخشی از مقاله
خلاصه
در این تحقیق، ابتدا ماده 5،3،1 تری آمینو 6،4،2 تری نیترو بنزن - TATB - ، با نانو ساختارهای قفس بورنیترید - - B12N12 و فولرن - C24 - ، واکنش داده شد و مشتقات مختلف TATB با نانو ساختارها به وجود امد این عملیات در محیط نرم افزار طراحی گردید، سپس محاسبات بهینه سازی هندسی و محاسبات مربوط به تعیین پارامترهای ترموشیمی بر روی تک تک اجزاء واکنش های شبیه سازی شده در گستره دمایی 400-300 درجه کلوین در فواصل دمایی °10-°10 انجام پذیرفت.
سپس آنتالپی H ، ظرفیت گرمایی ویژه CV، انرژی آزاد گیبس* و آنتروپی 6 مربوط به واکنش تشکیل نانوساختارها این ترکیبات به دست آورده شده و در جدول و نمودار مقادیر آنها با هم مقایسه گردید از طرفی برخی خواص شیمیایی نظیر انرژی های تراز هومو - HOMO - ، لومو - LUMO - ، گپ انرژی - - HLG و سختی شیمیایی - - - ترکیبات به دست آورده شده، و با هم مقایسه گردید.
.1 مقدمه
در سالهای اخیر مواد پرانرژی جدیدی مورد توجه قرارگرفتهاند که به دلیل داشتن خواص ویژه، کاربردهای فراوانی در زمینه نظامی یافتهاند. درحال حاضر محققان بسیاری در سراسر جهان بر روی مواد پرانرژی با چگالی بالا مطالعه و تحقیق میکنند. این مواد پرانرژی در تولید محصولهای پیروتکنیک با دودکمتر، مولدهای گاز و پیشرانهها کاربرد زیادی داشته و نسبت به گرما و شوک نیز حساسیت کمتری از خود نشان میدهند.
مزایای دیگر این ترکیبها نسبت به مواد پرانرژی مرسوم، سبز بودن آنها میباشد. به همین دلیل خطرات زیست محیطی این ترکیبها کمتر بوده و عملکرد بهتری از خود نشان میدهند.[2] مواد پرانرژی فسیلی که معمولا مورد استفاده هستند دارای محتوای کربن بالا می باشند که در طی فرآیند سوختن مقادیر فراوانی از گازهای کربن دیاکسید، کربنمنواکسید و ذرات کربن نسوخته مانند دوده تولید می نمایند که آلاینده محیط زیست هستند و آلودگی و مشکلات زیادی را به وجود میآورند. ترکیبات غنی از نیتروژن در سیستمهای پیشرانه، سیستمهای اطفاء حریق و سیستمهای کیسه هوای خودروها و همچنین بهعنوان سوخت موشکها و سیستمهای نظامی بهطور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است.[3] در این تحقیق بررسی نظری واکنش های تشکیل مشتقات تابا با نانوساختارهای مختلف در دماهای مختلف به روش تئوری تابعی چگالی مورد مطالعه قرار گرفته است.
پیشرانه ها و مواد منفجره ترکیباتی از مواد بسیار پرانرژی، برای ایجاد محصولات گازی شکل با دمای بالا هستند.[4] پیشرانه ها برای تولید نیروهای دافعه و مواد منفجره برای ایجاد نیروهای مخرب ضمن پدیده ی احتراق استفاده می شوند. هنگامی که پیشرانه ها و مواد منفجره در داخل یک محفظه واکنش می دهند، محصولات گازی تولید شده در داخل محفظه، فشار زیاد ایجاد شده که در نهایت به نیروی دافعه برای پیشرانش یا نیروی تخریب تبدیل می شود.
ولی فرآیند های آزاد سازی گرما در آنها متفاوت است. برای مواد منفجره در محفظه بسته یا باز نیاز به فشار بالا است. زمانیکه دیواره پوسته یک محفظه بسته به وسیله فشار ایجاد شده متلاشی می شود، تعداد زیادی از ترکش های مربوط به دیواره پوسته به علت سرعت افزایش فشار بالا که برای تخریب ناگهانی دیواره پوسته کافی است، به وجود می آید.
این فرآیند ایجاد ترکش در انفجار بمب ها استفاده می شود. هنگامی که مواد منفجره در حفرات ایجاد شده در صخره ها قرار می گیرند براثر انفجار و فشار حاصله از آن تکه های کوچک و بلوک های متعددی از صخره ایجاد می گردد، این نوع تخریب در فرایند انفجار معادن کاربرد دارد.[7] هنگامی که ماده ای پر انرژی در محفظه ای بسته به آرامی تحت واکنش سوختن قرارمی گیرد، برخلاف انتظار موج انفجاری حاصل نمی شود و امواج مربوط به دفلگریشن ایجاد می گردد و دیواره پوسته تا زمانی که فشار ایجاد شده در حد نیروی لازم شکسته شدن نباشد، منفجر نمی شود.
هنگامی که دیواره پوسته طراحی شده به طور ناگهانی متلاشی می شود و تولید ترکش می کند بر اثر اختلاف فشار بین دیواره پوسته و اتمسفر موج شوک ایجاد شده و در اتمسفر پیش می رود.[9] در این حالت مواد پرانرژی به عنوان یک ماده ی منفجره عمل می کند ،حتی اگر تحت عمل دفلگریشن قرار گیرد. هرچند که فشار بالا توسط سوختن مواد پر انرژی و تولید گاز با دمای بالا قابل حصول است ولی گاز با دمای بالا تنها عامل تولید فشار بالا است.
به عنوان مثال هنگامی که جرم مولکولی گاز ایجاد شده پایین باشد، پیشرانه های مرکب نیترامین از ترکیب HMX یا RDX با مواد پلیمری حاصل می شود که از برتری های آن می توان محصولات احتراق با دمای شعله و جرم مولکولی پایین با یک نشر مادون قرمز ضعیف را نام برد. نشر مادون قرمز نتیجه ی حذف CO2 و H2O از محصولات احتراق می باشد. جهت فرمولاسیون این پیشرانه های مرکب، پیشرانه های تک پایه کریستالی نیتر آمینی همچون HMX و RDX با اتصال دهنده های پلیمری مخلوط می شوند. از آنجایی که HMX و RDX در یک تعادل استوکیومتری می باشند، اتصال دهنده های پلیمری جهت تولید محصولات احتراق غنی شده از سوخت با دمای پایین به عنوان ماده خنک کننده فعال می باشند.
این موضوع با پیشرانه های مرکب AP که مواد اتصال دهنده در آن به عنوان سوخت جهت تولید محصولات احتراق با دمای بالا فعال می باشد، مغایرت دارد. همانند اتصال دهنده های پلیمری که در پیشرانه های مرکب AP مورد استفاده قرار می گیرند، برای پیشرانه های مرکب نیترآمینی نیز موادی همچون HTPB، HTPE و GAP استفاده می شود.
با توجه به خواص ویژه ای که مواد نانو ساختار دارند، در این تحقیق تصمیم بر این گرفته شد که تاثیر دو نانو ساختار فولرن و قفس بورو نیترید بر روی خواص ترمودینامیکی و انرژتیک تابا به صورت محاسباتی مورد بررسی قرار گیرد.
.2بخش تجربی
ابتدا ساختار شیمیایی تابا، فولرن 24 کربنه و قفس بورونیترید با کمک نرم افزار های گوس ویو و نانوتیوب مدلر رسم گردید. سپس ساختار ها به محیط نرم افزار اسپارتان انتقال داده شد و محاسبات مربوط به بهینه سازی هندسی، مطالعات مادون قرمز - IR - و محاسبات مربوط به اوربیتال های هومو و لومو بر روی آنها انجام شد. تمامی محاسبات با استفاده از نظریه تابع چگالی و سری پایه B3LYP/631G - d - صورت گرفت.
همه محاسبات در محیط آبی، دمای اتاق و فشار یک اتمسفر انجام شد. در این تحقیق، تعدادی از اطلاعات ساختاری مولکول های دارویی و مشتق فولرنه آنها از جمله گاف انرژی - HLG - ، سختی شیمیایی - - ، الکتروفیلیسیتی - - و ماکزیمم بار الکترونی انتقالی به سیستم - 1max - مورد بررسی قرار گرفت. در شیمی هومو و لومو گونه ای از اوربیتال های مولکولی هستند که اختلاف انرژی میان آنها، گاف انرژی نامیده میشود که معمولا با نماد HLG آن را نمایش میدهند. این پارامتر از معادله شماره 1 به دست میآید. معادله شماره 2 هم نحوه محاسبه سختی شیمیایی را نشان میدهد. الکتروفیلیسیته و ماکزیمم بار الکترونی انتقالی به سیستم هم به ترتیب میتوان به وسیله معادله های 3 و 4 محاسبه نمود.
.3 بحث و نتیجه گیری
-1-3 محاسبه و بررسی مقادیر آنتالپی تشکیل واکنش
با استفاده از برنامه اسپارتان مقادیر آنتالپی برای مواد اولیه و محصولات در فرایند سنتز مورد بررسی محاسبه گردید. برای محاسبه و به دست آوردن تغییرات آنتالپی در واکنش های $+% $% از رابطه زیر استفاده می شود.
حال با توجه به واکنش مقادیر آنتالپی تشکیل به دست آمده از طریق محاسبه نرم افزار گوسین، به صورت زیر میشود:
در روابط نوشته برای محاسبه آنتالپی واکنش های تشکیل مشتقات نانو ساختاری با ماده پر انرژی TATB، حرف N به معنای کلی نانو ساختار است. پس از انجام محاسبات نتایج حاصله در جدول و شکل 1 ارائه شد. همانطور که از داده های ارائه شده کاملا مشخص است. مقدار تغییرات آنتالپی برای هر دو واکنش در تمامی دما ها منفی میباشد. این پدیده نشان میدهد که سنتز این مشتقات تابا گرما زا بوده و برای صورت گرفتن فرآیند سنتز دیگر نیازی به دادن گرما به سیستم نمیباشد.
