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.     

高聚物黏结炸药的分子模拟进展

回顾了近年来在高聚物黏结炸药(PBX)原子和分子尺度数值模拟方面取得的进展,主要研究领域包括以下6个方面:炸药分子力场、热力学参数计算、耗散/输运性能、相图/相变动力学、动力学响应行为和热点形成机制。针对当前研究现状,介绍了各领域的代表性工作和主要研究成果。目前对PBX炸药的结构和静力学性能已有较充分的认识,但对炸药的动力学响应行为和细观起爆机制尚缺少系统的科学认识,存在一系列挑战性问题,如结构缺陷在爆轰反应后期的形态和表征,以及初始缺陷对爆轰波波形畸变的影响机制。需要将理论计算与实验相结合,以解决爆轰物理领域中的难点问题。     

GaP相变及热力学性质的理论研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了闪锌矿和氯化钠结构的GaP的相变及热力学性质.对两种结构的能量体积曲线做公切线,得到了从闪锌矿到氯化钠结构的相变压力约为26.2GPa,与实验结果一致.通过准谐德拜模型得到了不同温度下体积和热膨胀系数与压强的关系,以及不同压强下热容与温度的关系.     

金属铍热力学性质的理论研究

使用第一性原理方法结合平均场模型研究了压力从0到150GPa、温度从0到1500K，金属铍六角密排结构(hcp)的热力学性质，包括铍的常态性质，等温高压物态方程，以及常压下平衡体积、体弹模量随温度的变化，Hugoniot曲线等.0K物态方程由广义梯度近似下的密度泛函理论计算，粒子热运动的贡献由平均场模型计算.由于铍的Debye温度比较高，计算自由能时考虑了零点振动能修正.计算结果与已有的静力学和冲击波实验数据符合得非常好. 关键词： 热力学性质 物态方程 第一原理计算     

高压下TiN的结构转变、弹性和热力学性质的第一性原理计算

 利用基于密度泛函的第一性原理,计算了高压下TiN的结构转变、弹性和热力学性质。计算结果表明：在压力作用下,TiN经历了从NaCl型结构到CsCl型结构的转变,转变压力为348 GPa;TiN的弹性系数随着压力的增加呈线性增加规律。此外,还给出了德拜温度和热容量这两个重要热力学量与温度和（或）压力的依赖关系。     

金属铜的晶体结构与热力学性质的第一性原理计算

基于第一性原理,利用密度泛函理论(DFT)和密度泛函的微扰理论(DFPT),以及广义梯度近似(GGA),研究了过渡金属Cu的晶体结构、能量、电子能带和态密度、声子的能带结构和态密度,以及其在298.15 K下的热容,体积模量,格林艾森参数和体胀系数等热力学函数并与实验值作了对比.通过分析Cu的晶格几何与能量之间的关系,讨论了金属Cu的固-液相变与晶格声子振动能量之间可能的内在联系,首次提出直接得到Cu熔化温度T_m的静力学方法,研究了熔化温度与压强的关系.计算结果与实验值符合较好,明显优于分子动力学模拟的结果.     

LiH的热力学性质及分子内部运动对体系热力学性质的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了LiH在零温零压下的晶格常数、体弹模量,计算结果与实验值和其他理论计算值符合得较好.通过准谐德拜模型计算了LiH在压强为0-80GPa、温度为0-2000K范围内,体积膨胀率、热涨系数、德拜温度及定容热容随压强和温度的变化关系.最后,以代数方法（AM）和势能变分法(PVM)为基础,运用统计热力学理论计算了LiH分子内部运动对体系热力学性质的影响.     

金属铜的晶格结构与热力学性质的第一性原理计算

基于第一性原理,利用密度泛函理论(DFT)和密度泛函的微扰理论(DFPT),以及广义梯度近似(GGA),研究了过渡金属Cu的晶体结构、能量、电子能带和态密度、声子的能带结构和态密度,以及其在298.15K下的热容,体积模量,格林艾森参数和体胀系数等热力学函数并与实验值作了对比.通过分析Cu的晶格几何与能量之间的关系,讨论了金属Cu的固-液相变与晶格声子振动能量之间可能的内在联系,首次提出直接得到Cu熔化温度Tm的静力学方法,研究了熔化温度与压强的关系.计算结果与实验值符合较好,明显优于分子动力学模拟的结果.     

第一性原理研究Ir的热力学和弹性性质

基于准谐近似理论,运用第一性原理投影缀加波方法研究了Ir的热力学和弹性性质,得到Ir的声子谱、状态方程、热容、熵、焓和线膨胀系数,以及弹性常数、弹性模量、剪切模量和杨氏模量随温度的变化关系.结果表明,计算的Ir声子谱和有限的实验测量结果一致;考虑电子对体系自由能贡献后计算的热容、熵、焓和线膨胀系数与实验值符合较好;在2600 K时,Ir的电子定压热容占总定压热容的17％,因此在高温时电子对Ir定压热容的贡献是不能忽略的;理论预测的Ir室温下的弹性常数、弹性模量、剪切模量、杨氏模量和实验值测量值基本吻合,并随温度的增加而逐渐减小.     

第一性原理研究Ir的热力学和弹性性质

基于准谐近似理论,运用第一性原理投影缀加波方法研究了Ir的热力学和弹性性质,得到Ir的声子谱、状态方程、热容、熵、焓和线膨胀系数,以及弹性常数、弹性模量、剪切模量和杨氏模量随温度的变化关系. 结果表明,计算的Ir声子谱和有限的实验测量结果一致;考虑电子对体系自由能贡献后计算的热容、熵、焓和线膨胀系数与实验值符合较好;在2600K时,Ir的电子定压热容占总定压热容的17%,因此在高温时电子对Ir定压热容的贡献是不能忽略的;理论预测的Ir室温下的弹性常数、弹性模量、剪切模量、杨氏模量和实验值测量值基本吻合,并随温度的增加而逐渐减小.     

LiNH2 的晶格动力学、介电性质和热力学性质第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法,在局域密度近似下采用线性响应的密度泛函微扰理论计算了LiNH₂的晶格动力学、介电性质和热力学性质,得到了布里渊区高对称方向上的声子色散曲线和相应的声子态密度,分析了 LiNH₂的红外和拉曼活性声子频率,同时给出它的介电张量和玻恩有效电荷张量. 研究表明,LiNH₂存在小的各向异性,计算所得结果与实验值和其他理论值符合较好.最后,利用得到的声子态密度进一步预测了LiNH₂的热力学性质 关键词： 密度泛函理论 晶格动力学 热力学性质 第一性原理计算     

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.     

NO分子宏观气体热力学性质的理论研究

采用量子统计系综理论,研究了基态NO分子宏观气体摩尔熵、摩尔内能、摩尔热容等热力学性质.首先应用课题组前期建立的变分代数法(variational algebraic method, VAM)计算获得了基态NO分子的完全振动能级,得到的VAM振动能级作为振动部分,结合欧拉-麦克劳林渐进展开公式的转动贡献,应用于经典的热力学与统计物理公式中,从而计算得到了1000-5000 K温度范围内NO宏观气体的摩尔内能、摩尔熵和摩尔热容.将不同方法计算得到的摩尔热容结果分别与实验值进行比较,结果表明基于VAM完全振动能级获得的结果优于其他方法获得的理论结果.振动部分采用谐振子模型对无限能级求和计算热力学性质的方法有一定的局限性,应当使用有限的完全振动能级进行统计求和.     

PYX基高聚物粘结炸药界面相互作用及力学性能的分子动力学模拟

本文采用分子动力学(MD)方法,模拟计算了聚氨酯(Estane 5703),三元乙丙橡胶(EPDM),氟聚物(F2311)三种高聚物分子分别与2,6-双(苦氨基)-3,5-二硝基吡啶(PYX)(011)晶面构建的高聚物粘结炸药(PBXs)体系的结合能,内聚能密度,径向分布函数以及力学性能.结果表明,Estane 5703与PYX(011)晶面之间相互作用最强;不同粘结剂与晶体之间的内聚能密度大小顺序为PYX/F2311> PYX/Estane 5703> PYX/EPDM;径向分布函数分析可知PYX(011)晶面与高聚物分子间的相互作用主要为静电相互作用;添加3种粘结剂后PBX体系的拉伸强度和断裂强度都得到了改善,而除了F2311外,加入另外两种粘结剂后,提高了PBX体系的抗剪切应变能力.     

Ti-O共掺杂石墨烯的电子结构和光学性质的理论研究

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了本征石墨烯和不同掺杂浓度下Ti-O共掺杂石墨烯的电子结构和光学性质,并讨论了其内部的微观机制.研究结果表明:本征石墨烯是一种零带隙材料,狄拉克点在费米能级面上,其在紫外光区的光吸收强度较强.Ti-O共掺杂石墨烯可以很好的打开石墨烯的带隙和提高石墨烯的光催化强度,Ti18-O18@G模型费米能级附近的态密度主要由C-p轨道、Ti-d轨道和O-p轨道杂化而成.Ti18-O18@G模型在可见光区的吸收谱强度最大,主要归因于其内部晶格畸变、带隙被打开和杂质能带的出现,这些因素可以促进电子空穴对的产生和分离,从而使石墨烯在可见光区的光催化能力得到增强.本研究结果可为开发高催化活性的石墨烯提供理论依据.     

(CdSe)n(n=1,2)团簇性质及CdSe分子热力学性质的理论计算

用密度泛函B3LYP方法、有效核势(ECP)基组LanL2DZ对(CaSe)n(n=1,2)团簇进行了理论研究,得到(CaSe)n(n=1,2)分子体系可能存在的状态及各电子状态的平衡几何Re、谐振频率、偶极矩和离解能De、不同温度、压力下的热力学函数值;设用总能量中的电子和振动能量近似代表CdSe分子处于固态时的能量,用总熵中的电子和振动熵近似代表CdSe分子处于固态时的熵,进而计算了Cd与Se反应的△Hθ、△Sθ、△G,并由此计算出不同温度的反应平衡常数Kp结果表明:在298～1400K温度范围内,Cd与Se反应的自由能值均为负,且随着温度的升高,△Gθ值负的越多,表明在这个温度范围内反应能自发发生,而且自发趋势随温度的升高逐渐增大;平衡常数逐渐减小,即反应进行程度随温度的升高逐渐减小;CdSe分子材料的导电性随压力增大而增强.