钝感高能炸药三氨基三硝基苯高温高压下热力学性质的分子动力学模拟研究

热力学性质是钝感高能炸药1, 3, 5-三氨基-2, 4, 6-三硝基苯(TATB)爆轰性质和安全性评估分析的重要参数. 由于结构的复杂性, TATB炸药尚缺乏系统的实验和理论计算结果. 结合全原子力场和分子动力学的方法, 本文系统研究了不同温度和压力条件下TATB的力学性质和热力学参数, 得到了弹性模量、德拜温度等随温度、压力的变化情况, 并与实验进行了对比分析. 结果表明: 在 0-50 GPa外部压力下, TATB晶体保持力学稳定, 弹性常数和弹性模量随压力升高而增大, 各向异性程度随压力升高而减小, 泊松比和延展性则受压力的影响较小; 随温度的升高, TATB的力学稳定性逐渐下降, 有发生力学失稳的可能, 各弹性常数随温度升高而逐渐减小, 各向异性程度也随之减小; TATB 的声速和德拜温度同样随着压力升高而增大, 平均声速从0 GPa下的1833 m/s, 增加到10 GPa 下的3143 m/s, 德拜温度由0 GPa下的254 K增加到10 GPa的587 K. TATB 热膨胀系数的计算表明, 在200-500 K 温度常压情况下, 其体热膨胀系数为35.9×10^-5 K^-1, 与实验数据符合较好.     

高压下硫化钙的弹性和热力学性质的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法结合准谐德拜模型研究NaCl结构的CaS在高压下的弹性和热力学性质.计算得到的零温零压下的晶格常数、体弹模量与实验值符合得很好.弹性常数和弹性模量随着压强的增大而增大.压强对体弹模量和热膨胀系数的影响大于温度的影响.热容随压强的升高而降低,在高温下热容接近于Dulong-Petit极限.通过求解Gibbs自由能计算得到B1结构和B2结构CaS的相变压为36.61 GPa.     

高压下钨弹性和热力学性质的第一性原理研究

本文利用密度泛函理论研究了高压下bcc结构钨的弹性和热力学性质,计算得到钨的晶格常数、体弹模量以及其对压强的一阶偏导与实验值符合较好;在常压下弹性常数计算值与实验值符合较好的基础上,预测了其高压数据.针对钨的固相结构稳定性问题,根据力学稳定判断标准得到0~600 GPa范围内bcc结构是力学稳定的.此外,通过体模量和剪切模量的计算得到bcc结构钨在压力低于600 GPa时的力学性能表现为韧性.最后,基于准简谐德拜模型,成功预测了钨的热膨胀系数、等压热容、等容热容和熵随着压强和温度的变化关系,为钨及其合金的进一步设计及应用提供参考.     

高压下钨弹性和热力学性质的第一性原理研究

本文利用密度泛函理论研究了高压下bcc结构钨的弹性和热力学性质,计算得到钨的晶格常数、体弹模量以及其对压强的一阶偏导与实验值符合较好;在常压下弹性常数计算值与实验值符合较好的基础上,预测了其高压数据.针对钨的固相结构稳定性问题,根据力学稳定判断标准得到0~600 GPa范围内bcc结构是力学稳定的.此外,通过体模量和剪切模量的计算得到bcc结构钨在压力低于600 GPa时的力学性能表现为韧性.最后,基于准简谐德拜模型,成功预测了钨的热膨胀系数、等压热容、等容热容和熵随着压强和温度的变化关系,为钨及其合金的进一步设计及应用提供参考.     

压力下MoS_2的结构相变以及热动力学性质的第一原理研究

采用基于密度泛函理论的第一原理方法研究了层状MoS2在压力下的热动力学性质和相变机制.计算表明MoS2的2Hc结构在17.5GPa会相变到2 Ha结构,与此前理论结果20GPa基本一致.对比分析了两个结构在压力下的弹性常数、体模量、波速、德拜温度、线性体模量、热膨胀系数和定容热容等热动力学性质.研究表明MoS2的2 Hc和2 Ha结构在0~60GPa都满足力学稳定性条件,说明相变不是由于力学稳定性丧失导致,并且两个高压相在压力下呈现出较强的弹性各向异性,在0~50GPa内其a轴抗压缩均能力强于c轴.在相变机制上,Mulliken布居分析表明,随着压力增加,S原子向Mo原子转移电子以及Mo原子内s电子向d电子转移对MoS2从2 Hc结构相变到2 Ha结构起到重要作用.     

高压下纳米锗的状态方程与相变

采用同步辐射能量色散X射线衍射技术和金刚石对顶砧高压装置，对晶粒尺寸分别为13，49，100nm的Ge进行了原位高压X射线衍射实验，最高压力为35GPa. 所得的体弹性模量分别为112，92，88GPa. 可以看出 随着晶粒尺寸的减小，其体弹性模量逐渐升高. 同时由立方金刚石结构转变为四方白锡结构的相变压力亦随之提高，其值分别为16.4，12.4，11.5GPa. 建立了一个描述晶粒尺寸与体弹性模量关系的模型，并用理论公式计算了相变压力随晶粒尺寸的变化. 尽管在数值上存在一定的误差，但理论计算结果成功预示了随着晶粒尺寸的减小，体弹性模量和相变压力增加的趋势，与实验结果相一致.     

ZrV2结构、弹性和热力学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法研究ZrV₂的晶体结构和弹性,利用准谐Debye模型计算在不同温度(T=0~1200 K)和不同压强(P=0~20 GPa)下ZrV₂的热力学性质,包括弹性模量与压强,热熔与温度,以及热膨胀系数与温度和压力的关系.结果表明:计算的ZrV₂晶格常数与实验值符合较好,晶体材料的弹性常数随着压力增加而增加;在一定温度下,相对体积、热熔随着压强的增加而减小,德拜温度、弹性模量随着压强的增加而增加,且高压下温度对ZrV₂热膨胀系数的影响小于压强的影响.     

压力作用下Mg_2X(X=Si,Ge)相热力学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了压力作用下Mg_2Si和Mg_2Ge的结构、弹性和热力学性质。计算结果表明:0GPa压力作用下两者的晶格参数与实验值以及其他理论值吻合较好,且相对晶格常数a/a_0和晶胞体积V/V_0均随压力的增大而减小;在0~25GPa压力作用下,Mg_2Si和Mg_2Ge相体模量B、剪切模量G、杨氏模量E均随压力的增大而增大,材料的刚度和塑性均增强,当压力达到15GPa时,材料由脆性转变为延性。最后借助准谐德拜模型和Gibbs软件,研究了温度与压力对Mg_2Si和Mg_2Ge的德拜温度、体模量、热容和热膨胀系数的影响。     

稀土硼化物LaB6晶体材料的弹性性质和力学性能

利用密度泛函理论和Birch-Murnaghan物态方程,系统分析了LaB6晶体材料的弹性常数参数、体弹性模量、剪切弹性模量及其他力学性能。结果表明:LaB6晶体具有较大的弹性常数参数C11,说明在此主轴应力方向上具有较大的弹性常数;同时它还具有较大的体弹性模量,并且体弹性模量具有各向同性,剪切弹性模量具有各向异性;LaB6晶体的杨氏模量为227.85 GPa,泊松比为0.26,体剪弹性模量比值达到1.44,表明其脆性较强,不易发生弹性形变;LaB6晶体的硬度达到11.56 GPa,平均弹性波速达4.87 km/s。LaB6的带隙宽度为0.20 eV,呈金属性,内部电子具有较强的局域性,La和B之间具有较强的共价键成分。     

钒基固溶体储氢材料弹性性质第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,计算了（59Cr-41Ti）_100－xV_x（x=5,15,30,60,80,100）六种钒基储氢合金的晶格常数、弹性性质和电子态密度,计算结果与实验值符合较好.发现当x=60时的钒基合金具有较好弹性性质,杨氏模量为14930 GPa,切变模量为5442 GPa及体弹模量为19396 GPa.结合实验循环性能分析认为在吸放氢过程中合金已经发生塑性变形,弹性 关键词： 钒基固溶体 储氢合金材料 密度泛函理论 弹性性质     

高压下TiC的弹性、电子结构及热力学性质的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法 并结合准谐徳拜模型研究了NaCl结构的TiC在高压下的弹性性质、电子结构和热力学性质. 计算所得零温零压下的晶格常数、体弹模量及弹性常数与实验值符合得很好. 零温下弹性常数和弹性模量随压强增大而增大. 通过态密度和电荷密度的分析, Ti-C键随压强增大而增强. 运用准谐德拜模型, 成功计算了TiC在高温高压下的体弹模量、熵、热膨胀系数、徳拜温度、 Grüneisen参数和比热容. 结果表明压强对体弹模量、热膨胀系数和徳拜温度的影响大于温度对其的影响. 热容随着压强升高而减小, 在高温高压下, 热容接近Dulong-Petit极限.     

铀的弹性、能带结构和光学常数的第一性原理计算

采用密度泛函理论,赝势平面波方法计算了金属铀a相的晶体结构,弹性常数,体模量,电子能带结构和光学常数(折射率n和消光系数k)等.其中,铀的晶格参数,弹性常数和体模量等与实验及其它第一性原理计算结果十分吻合.计算得到了铀的光学常数,与实验结果作了对比并进行了分析说明.     

氢化铒高温高压下的弹性及热力学性质

利用第一性原理平面波赝势密度泛函理论, 并结合准谐德拜模型, 计算了立方萤石结构ErH2在不同温度和压强下的体积、热膨胀系数、体弹模量和等体热容等弹性性质及热力学性质。在温度高于1 100 K的条件下,计算出的等体热容趋近于Dulong-Petit极限。得到了绝对零度、零压强下ErH2的该结构的晶格常数为0.523 2 nm,与实验值0.523 0 nm非常接近。由不同的原胞体积得出了该体系的单点能与原胞体积的关系的数据;从计算出的高压下的弹性常数,根据立方晶系的力学稳定性条件,推断出立方萤石结构ErH2的相变压力约为20 GPa。     

六面顶压机立方压腔内压强的定量测量及受力分析

将六面顶压机立方压腔内置入电路,采用原位电阻测量确定Bi,Tl,Ba相变的方法,标定了压腔内不同位置的压力(强).通过标定立方压腔顶锤表面的压力并结合计算,分别得到了外部加载与压腔密封边受力以及合成腔体受力的对应关系.实验分析结果表明,随着外部加载的增加,当腔体压力达到5 GPa时,消耗在压腔密封边上的加载急剧上升,消耗在合成腔体的加载趋于不变,从而导致立方压腔压力达到上限.利用实验结果,分析了立方压腔在高压下的受力状态,解释了立方压腔的压力难以超过7 GPa的原因.结合立方压腔的几何结构,通过理论分析,提出了采用高体弹模量的物质作为传压介质,同时采用低体弹模量的物质作为密封边提高立方压腔压力上限的可行方案.通过定量标定叶腊石压腔轴向的压力梯度,给出了压腔内沿对称轴不同位置压力值的计算方法,此方法可为高压实验提供更精确的压力数据.     

高压下ZnSe 纳米带的结构相变及拉曼散射研究

 利用高压原位角散X射线衍射实验研究了ZnSe纳米带的结构稳定性。发现样品在12.6 GPa 附近存在一个从立方闪锌矿型到立方岩盐矿型的结构相变,并且在相变点附近存在较大的体积收缩,相对体积变化率达13%。利用Birch-Murnaghan 状态方程拟合,得到了闪锌矿相的体弹模量约为56 GPa,略低于体材料的体弹模量（约67 GPa）;并得到其立方岩盐矿相的体弹模量约为116 GPa。高压拉曼散射实验结果表明,横光学声子模散射峰在5.5 GPa压力附近发生劈裂,纵光学声子模散射峰在12.8 GPa压力以上逐渐消失。根据角散实验的体弹模量数据,计算得到了闪锌矿相中对应不同声子模式的格林爱森常数。     

新型石墨插层化合物HfC2结构与性质的第一性原理研究

在高压下,预测一种新型石墨插层化合物HfC₂.采用第一性原理方法对其在0 GPa下的结构和性质进行研究,分别采用GGA-PBESOL、GGA-PW91和LDA方法进行结构优化,得到的晶体学数据基本相同.弹性常数和声子谱计算证实其力学和晶格动力学稳定性,表明HfC₂在0 GPa下能够稳定存在.采用GGA-PBESOL方法计算得到HfC₂的体模量和剪切模量达到265 GPa和118 GPa,Pugh比k<0.57,是一种具有高体模量的韧性材料.HfC₂存在C-C、Hf-C共价作用,且具有金属特性和特殊层状结构,是其具有高体模量和韧性的原因.最后,对HfC₂在0~500 GPa内的键长、体模量、剪切模量、k值等进行研究,探索其力学性质随压力变化的规律.     

斜波压缩下锡的相变动力学特性

利用磁驱动加载装置(CQ-4)和高精度速度测试装置(DPV),开展了斜波加载下锡的动态压缩实验。实验结果表明:锡在加载阶段经历了弹塑性转变和相变等物理过程,相变压力约为7.5 GPa。β–γ相变对应的特征速度随着锡厚度的增加,从676.3 m/s减小到636.8 m/s,对应的压力从7.62 GPa降低到7.11 GPa。结合Hayes多相状态方程和非平衡相变动力学模型,对锡的斜波压缩实验过程进行了模拟,数值计算结果可以较好地描述锡在加载阶段的弹塑性转变和相变等物理过程。讨论了体模量在不同热力学过程中的物理形式,计算结果显示,斜波压缩过程需考虑压力对体模量的修正。分析了相变弛豫时间、体模量等典型物理参数对速度波形的影响,结果表明,相变弛豫时间和各相初始自由能主要影响混合区部分速度波形,γ相的体模量参数只影响相变后的速度波形,β相的体模量参数会影响整体速度波形。     

高压下β-InSe弹性常数、电子结构的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,本文研究了高压对β-InSe弹性常数、机械性能和电子结构的影响.在0～20 GPa范围内,随着压力的增大,β-InSe的晶格常数、晶胞体积逐渐减小,结构参数a/a_0、c/c_0、V/V_0单调减小.在0～12 GPa范围内,弹性模量G、E、B和泊松比v随着压力增大而增大,在16 GPa时大幅减小,G、E、B分别减小了34.9%、53.3%、82.9%.随着压力增大,Se-In和In-In原子之间的电荷密度增大,Se-In原子之间的共价键增强,层间距减小.而且,β-InSe在20 GPa时带隙消失,发生了半导体向半金属的相变.     

二元Ni-Al合金极端条件下的弹性和热力学性能：全电子准谐波近似 cited: 1)

通过在原子尺度上建模来研究Al、NiAl和Ni₃Al合金在极端高温和高压下的点阵常数、弹性常数、弹性模量、泊松比和弹性各向异性因子等性质．计算得到的弹性常数均满足相应的力学稳定条件．由于NiAl和Ni₃Al具有较高的B=G值,在0～30 GPa内都属于延展性材料．通过包含电子热运动对体系吉布斯自由能贡献的全电子准谐近似方法,得到了高温高压下Al、NiAl和Ni₃Al合金的热膨胀系数、体积模量、热容和熵等．计算值与已有的实验值和理论值符合较好     

高压下β-InSe弹性常数、电子结构的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,本文研究了高压对β-InSe弹性常数、机械性能和电子结构的影响.在0～20 GPa范围内,随着压力的增大,β-InSe的晶格常数、晶胞体积逐渐减小,结构参数a/a_0、c/c_0、V/V_0单调减小.在0～12 GPa范围内,弹性模量G、E、B和泊松比v随着压力增大而增大,在16 GPa时大幅减小,G、E、B分别减小了34.9%、53.3%、82.9%.随着压力增大,Se-In和In-In原子之间的电荷密度增大,Se-In原子之间的共价键增强,层间距减小.而且,β-InSe在20 GPa时带隙消失,发生了半导体向半金属的相变.