固相硝基甲烷感度及其调控的理论研究

发布时间：2020-06-02 02:50

【摘要】：随着含能材料在民用及军事领域的广泛应用,人们对其高压下基本物性的研究十分重视。尤其从微观结构入手,探究压力对含能材料结构及性质的影响,具有重大的科学意义,有利于进一步理解含能材料在外界压力下几何结构的变化、力学性能的变化以及撞击感度大小的变化,使得我们得以更加深入地认识含能材料在发生爆炸时复杂的反应过程。撞击感度与含能材料的安全性能密切相关,在实际应用中,含能材料高能量密度特点与其安定性特征相互制约,为了寻求具有高能量密度且高安全性能的含能材料,需要对含能材料撞击感度开展调控性研究,并改善其爆轰性能,使人们能够通过改变外界条件得以调节含能材料撞击感度大小,实现对含能材料撞击感度的可操控性操作。基于上述问题,本论文采用第一性原理方法,对结构最为简单的硝基类含能分子晶体,硝基甲烷(NM),在高压下的基本物性进行了一系列研究;通过掺杂引入缺陷,研究了掺杂缺陷对NM撞击感度的影响;并构建表面模型,研究了不同表面下NM的撞击感度。首先,研究了压力对硝基甲烷基本物性的影响。计算研究表明,零压下采用GGA-PBE+G方法得到的NM结构参数与实验值及理论值具有很好的一致性;硝基甲烷分子中甲基在低压范围内有较为明显的转动现象,然而随着压力的增加,甲基转动变得愈发困难;并且,我们发现硝基甲烷晶体的弹性常数以及各力学参数均随着压力的增加而增大,表明NM的力学性能随着压力增大而增强;硝基甲烷的电子结构在加压条件下也受到了影响,其带隙值随着压力的增加而减小,表明NM的撞击感度随着压力增大而增大。其次,研究了空位缺陷、水分子/乙二胺分子掺杂对硝基甲烷几何结构性质、力学性质及撞击感度的影响。结果显示,与体相结构相比,含有空位、水分子/乙二胺分子的硝基甲烷晶体,其带隙值均有所减小,其中,含有乙二胺分子的晶体表现得尤为突出,表明乙二胺对NM具有敏化作用。同时,含空位缺陷的晶体,其力学性能被大大削弱,并且从缺陷形成能看出,体相结构生成缺陷晶体是一个吸热过程。随后,引入原子间隙掺杂,研究了金属原子掺杂对NM几何结构性质、电子结构性质及撞击感度的影响。我们发现金属原子周围的NM分子受到了明显的影响;其中,金属原子(Fe、Co、Ni)、硼原子(B)、氢原子(H)对NM的电子结构影响最大,使得NM晶体内的电子发生了重排,从而在能带结构禁带区域生成了新的电子态,产生了缺陷能级,使得相应的带隙值小于体相结构的带隙值,从而增大了NM的撞击感度。最后,研究了不同表面下硝基甲烷几何结构及撞击感度的各向异性。计算了五个低指数面,包括(100)、(001)、(101)、(110)、(111)。各表面模型能带结构的带隙值大小不等,表明不同表面模型撞击感度大小表现出明显的各向异性。其中,(111)面带隙值最小,为2.687eV,表明NM在该表面的撞击感度最大,计算所得的表面能与NM晶体的撞击感度具有相关性,表面能越大,其撞击感度越大。不同表面模型中电子最容易跃迁的路径不一致的现象,表明含能分子晶体NM的撞击感度对方向具有依赖性。
【图文】：

硝基甲烷,子结构,晶体结构,零压

图 3-1 硝基甲烷晶体结构和分子结构表 3-1 零压下硝基甲烷结构参数的理论值与实验值thods a ( ) b ( ) c ( ) V ( 3) ReferenceA-PBE 5.4176 7.0711 9.6848 371.010 This work (0 KA-CAPZ+OBS 4.6265 5.6115 7.9531 206.476A-PBE+TS 5.2857 6.3824 8.6762 292.694A-PBE+G 5.2114 6.3869 8.4725 282.007A-PBE 5.317 6.754 8.980 322.49 (0 K)[76A-CAPZ 4.91 6.03 8.10 239.82 (0 K)[80A-PW91 5.49 6.76 9.15 339.59A-PBE 5.47 6.73 9.10 334.98A-PW91-OBS 5.05 6.24 8.44 266.43A-PBE-TS 5.21 6.48 8.64 291.97A-PBE-G06 5.19 6.29 8.58 280.01

晶格参数,归一化,压力,硝基甲烷

（a） (b)图 3-2 压力对（a）晶格参数、（b）归一化晶格参数的影响压力对晶格常数的影响如图 3-2（a）所示，表明晶格常数随着压力增加单调递减。GGA-PBE+G 计算所得的晶格参数几乎重现了实验数据[94]，表明该泛函在压力条件下十分适用。随压力变化的晶格常数归一化结果如图 3-2（b）所示，呈现出固相硝基甲烷抗形变能力的各向异性。明显看出，c 轴最难压缩，a 轴和 b 轴抗压缩性存在较小的差异，具体表现为，在 0-3 GPa 范围内，a 轴比 b 轴难压缩，但压力大于 3 GPa 之后，情况恰好相反。不同的压缩性能体现了不同的抗压能力，我们看出 c 轴的抗压缩性最强，这可归因于硝基甲烷在 c 方向上的相互作用比较强，而在 ab 平面内相互作用比较弱[85]，从而导致了硝基甲烷各个方向上化学键强度具有差异性。图3-3显示了固相硝基甲烷分子内键长键角随着压力的变化，从图3-3(a) 中看出，C-N、C-H、N-O 键都随着压力增大单调递减，并且 C-N 最为明显，到 30 GPa 时，C-N减至 1.4396 （3.9%），，C-H1、C-H2、C-H3、N-O1和 N-O2键分别减至 1.0744 (2.4%)、
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ560.1

【参考文献】