从渐近修正Kohn-Sham轨道计算电子相关化的分子间作用能项

对称性匹配微扰理论(symmetry-adapted perturbation theory, SAPT)能把总作用能分解成有物理意义的各作用能项, 是了解分子间力的基本手段. 本工作的开展是因为目前标准SAPT方法无法计算含能大体系的作用能项. 对于大体系而言, 基于Kohn-Sham轨道的SAPT(SAPT(DFT))具有高的计算效能, 但对作用能项的计算效果却不佳. SAPT(DFT)的缺陷产生于常用交换-关联势的错误渐近特性. 为了消除这些缺陷, 借助于van Leeuwen 和 Baerends(LB)模型势及Fermi-Amaldi (FA)类型势, 把两种渐近修正技术应用于三个供测试的二聚体小体系(He₂, HF₂和(N₂)₂)和一组处于不同分子间距的硝酰胺二聚体体系. 结果显示: 当使用新近发展的依频密度极化率(frequency-dependent density susceptibilities, FDDS)技术用于计算色散能时, FA渐近校正方案非常有效地克服了SAPT(DFT)中的缺陷, 并比LB校正具有更好的精度. 经FA校正的SAPT(DFT)方法能够正确地定量预测所有测试系统结合能的趋势, 并且与标准的SAPT相比, 大大减少了计算代价. 这个方法成功应用于硝酰胺二聚体表明: 此方法在精确计算更大的体系, 如含能体系的分子间力方面很有潜力.     

TATB二聚体分子间作用力及其气相几何构型研究

采用对称性匹配微扰理论(SAPT)定量地求得TATB分子间的静电、交换排斥、诱导和色散等分子间作用能项, 从理论上揭示了TATB分子间作用本质; 在此基础上, 阐明了密度泛函在研究TATB二聚体时的适合性问题. 结果表明: (1)在有分子间氢键的TATB二聚体中, 库仑力足以与交换排斥力相抗衡, 起主导作用. (2)含分子间氢键的气相TATB二聚体的合理几何构型为平面型结构, 此结构的产生与色散力无关, 因此不管泛函是否含有近程色散作用, 均应预测到这种强极性的平面型结构. (3)在无分子间氢键的TATB二聚体中, 库仑力难以与交换排斥力相抗衡, 色散作用起到了关键作用; (4)在这种情况下, 未含有近程色散作用的密度泛函不可能给出合理构型. 恰好相反, 含有近程色散作用的密度泛函PBE0却能正确地预测到具有“平行重叠”结构且呈微弱极性的TATB二聚体, 色散力是导致这种构型产生的根本原因. “平行重叠”TATB二聚体是典型的色散体系, 其色散力占绝对主导地位并极有可能起源于两个TATB分子上π电子的相互作用. (5)对于所有TATB二聚体, 色散力或很显著或起主导作用. 由于密度泛函或未含有近程色散, 或只能部分地把近程色散表达出来, 这样使得当前所有密度泛函不可能精确求得这些二聚体的作用能.     

用直径圆盘试验评价小样品塑料粘结炸药拉伸性能的初步研究

在圆盘试验的力学模型基础上 ,测定了JB90 14等七种TATB基PBX的间接拉伸性能 ,为进一步完善该方法做了初步研究。结果显示 :所有PBX均产生中心开裂现象 ,与该模型预测一致 ;同时该测试方法能有效地反映出JB90 14及其经不同改性后得到的三种PBX的整体力学性能变化趋势。这说明圆盘试验方法适用于PBX。通过比较这七种PBX拉伸性能 ,认为JB90 14及其改性的JB90 14 G1应值得注意。     

硝酰胺二聚体静电能和交换能的理论计算

根据对称性匹配微扰理论, 并运用多个微扰和非微扰方法, 计算了硝酰胺二聚体在不同分子间距(R)时静电能和交换能. 这些具有轨道弛豫的静电能不仅含有第4级单、双、四和三重激发态项, 而且含有CCSD的第5级和更高级的能量项. 同时发现: 第4级的三重激发态能量项比第5级和更高级的能量项之和还重要. 求得的含有分子内电子相关效应的交换能达到了CCSD水平. 用于计算交换能关联校正项的单对交换近似在硝酰胺二聚体的范德华最小距离0.42 nm附近区域才较合理. 在R为0.32～1.42 nm范围, 静电能与R的关系有两种: 一是在小于等于0.47 nm时, (R^－7.64; 二是大于0.47 nm时, (R^－3.97. 交换能具有明显的短程作用特点, 其与R间的关系为指数衰减: 21.061exp(－R/0.318). 最后发现: 在硝酰胺二聚体中, 分子内的电子相关效应对和的影响很显著.     

低压长脉冲载荷下β-HMX单晶滑移系的微观物理化学响应

采用基于ReaxFF反应力场的分子动力学方法, 从炸药弹塑性微观机制出发, 研究了在低压长脉冲载荷下β-1,3,5,7-四硝基-1,3,5,7-四氮杂环辛烷(β-HMX)炸药单晶中最有可能的七组滑移系的微观物理化学响应.模拟结果表明沿着垂直于(001)、(101)、(100)、(011)、(111)、(110)、(010)晶面的长脉冲作用方向, 这七组滑移系呈现不同的物理化学响应. 体系的剪切应力、能量、温度以及化学反应与长脉冲作用方向存在明显的依赖性: 对(010)晶面, 体系的剪切应力位垒高, 能量和温度升高得快, 化学反应很快发生, 反应敏感度最高; 对(001)晶面,体系的剪切应力位垒低, 能量和温度变化缓慢, 化学反应很难发生, 因此反应敏感度低. 滑移系的反应敏感度与滑移面两侧的分子间接触程度(即空间位阻)以及接触原子或基团间的反应活性紧密相关. 对空间位阻大且相互接触的原子或基团容易发生反应的方向, 滑移系的反应敏感度就高; 对空间位阻小或相互接触的原子或基团不容易发生反应的方向, 滑移系的反应敏感度就低. 具有较高化学反应敏感度的滑移系被认为与单晶炸药中的“热点”起源有关. 本研究为进一步发展更加合理和可靠的感度评价方法提供了理论支撑.     

用动态力学分析技术评价TATB/氟聚物复合材料界面

在测定四种TATB/氟聚物复合材料的力学损耗基础上 ,利用三相模型和A参数评估这四种复合材料界面。结果表明 :TATB/氟聚物复合材料界面的分子间作用主要是范德华力 ,并且这种力不能有效阻止该界面的滑移。同时 ,还存在着另一种影响界面力学性能的作用机制 ,这种机制与氟聚物的相态相关。因此改变有关相态可能是提高TATB/氟聚物复合材料力学性能的一条有效途径。     

低压长脉冲载荷下β-HMX单晶滑移系的微观物理化学响应

采用基于ReaxFF反应力场的分子动力学方法,从炸药弹塑性微观机制出发,研究了在低压长脉冲载荷下β-1,3,5,7-四硝基-1,3,5,7-四氮杂环辛烷(β-HMX)炸药单晶中最有可能的七组滑移系的微观物理化学响应.模拟结果表明沿着垂直于(001)、(101)、(100)、(011)、(111)、(110)、(010)晶面的长脉冲作用方向,这七组滑移系呈现不同的物理化学响应.体系的剪切应力、能量、温度以及化学反应与长脉冲作用方向存在明显的依赖性:对(010)晶面,体系的剪切应力位垒高,能量和温度升高得快,化学反应很快发生,反应敏感度最高;对(001)晶面,体系的剪切应力位垒低,能量和温度变化缓慢,化学反应很难发生,因此反应敏感度低.滑移系的反应敏感度与滑移面两侧的分子间接触程度(即空间位阻)以及接触原子或基团间的反应活性紧密相关.对空间位阻大且相互接触的原子或基团容易发生反应的方向,滑移系的反应敏感度就高;对空间位阻小或相互接触的原子或基团不容易发生反应的方向,滑移系的反应敏感度就低.具有较高化学反应敏感度的滑移系被认为与单晶炸药中的"热点"起源有关.本研究为进一步发展更加合理和可靠的感度评价方法提供了理论支撑.     

Ab initio Calculation of Intermolecular Dispersion Energy and Induction Energy of Nitramide Dimer

The dispersion energies, induction energies and their exchange counterparts (exchange-dispersion and exchange-induction energies) between two interacting nitramide molecules at several separations are derived based upon symmetry-adapted perturbation theory (SAPT). The results show that (1) the effect of intramonomer electron correlation on dispersion energies and induction energies for nitramide dimer system is remarkable especially in the region near the van der Waals minimum distance (0.42 nm). (2) At smaller separations the dispersion energies and the induction energies are largely quenched by their exchange counterparts, and this case in induction interaction is much more remarkable than in dispersion interaction. (3) Since at shorter distances there exists the strong short-range interaction due to electron transfer which quickly decays and even disappears at larger separations, the two different R-dependency formulae of induction energies were found: one is ca. R^-12.7 at short distances, and the other ca. R^-7.0 at large separations. The latter R-dependency is similar to that (ca.R^-7.2) of dispersion. (4) In the case of strong polar interaction existing in nitramide dimer, the “true“ induction correlation terms of higher order than ^1Eind^(22) may be important.     

Compression behavior and spectroscopic properties of insensitive explosive 1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobenzene from dispersion-corrected density functional theory

Using dispersion corrected density functional theory, we systematically examined the pressure effect on crystal structure, cell volume, and band gap of 1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobenzene(TATB) to understand its extraordinary chemical stability. Analysis of the Mulliken population and the electron density of states implied a possible charge transfer in TATB with increasing pressure. Raman and infrared spectra of TATB under hydrostatic pressure up to 30 GPa were simulated.The observed strong coupling between NH_2 groups and NO_2 groups with increasing pressure, which is considered to have a tendency of energy transfer with these vibrational modes, was analyzed. The pressure-induced frequency shift of selected vibrational modes indicated minor changes of molecular conformation mainly by the rotation of NH_2 groups. Compression behavior and spectroscopic property studies are expected to shed light on the physical and chemical properties of TATB on an atomistic scale.     

氨基硝基苯并二氧化呋咱结构的密度泛函理论研究

在B3LYP/6 31G 水平下用密度泛函理论(DFT)全优化了氨基硝基苯并二氧化呋咱(CL 18)的分子几何构型,进行了电子结构计算。分析了红外振动频率并以0.96加以校正,通过比较,计算值与实测值符合较好。结果表明,CL 18分子骨架为平面构型。从集居数分析发现氧化呋咱环内的NO键最弱,预示该部位易引发分解和起爆。AM1、MINDO/3、MINDO、MINDO d方法不适于CL 18生成热计算,PM3方法较适用。