钍的非金属化合物力学及热学性质的第一性原理研究

发布时间：2020-06-14 21:52

【摘要】：近年来,钍的化合物由于被认为是第四代反应堆的潜在核燃料而备受关注。清楚地了解钍化合物在核燃料循环的各个阶段中的物理性质和化学性质,对于开发和利用钍燃料是至关重要的。在本论文中,我们选取了两种钍化物(ThBC和ThP),采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了它们的物理性质。对于ThBC体系,我们着重研究了它的力学和热力学性质;对于Th-P体系,我们系统研究了它在高压下的结构相变和物理性质。通过基于密度泛函理论的第一性原理计算,我们对ThBC的力学和热力学性质进行了研究。我们系统地分析了ThBC的平衡几何结构、弹性刚度常数、力学模量、泊松比、弹性波速和德拜温度。结果表明ThBC具有延展性。定向的杨氏模量E、体积模量B和几个力学各向异性因子说明了ThBC的力学各向异性。在拉伸应变下,ThBC沿[111]方向易滑移,理想强度为5.7 GPa。在切应变下,ThBC中沿(111)面的[1-10]方向易发生断裂。声子计算结果揭示了ThBC的热力学稳定性,这与实验观察结果一致。在准简谐波近似下,我们计算了ThBC的亥姆霍兹自由能,熵和热容。利用结构搜索和第一性原理计算,我们研究了在压强下Th-P体系的稳定结构并建立了相图。除了实验上已知的三种结构,即ThP、Th_3P_4和Th_(12)P,我们在不同压强下发现了多达十种稳定的钍磷化物,包括七种富磷结构(ThP_9、ThP_5、Th_2P_7、ThP_3、ThP_2、Th_3P_5和Th_2P_3)和三种富钍结构(Th_3P_2、Th_9P_2 and Th_(12)P)。焓-压图说明ThP在22.43 GPa从Fm-3m相转变为Pm-3m相。在富磷化合物的晶体结构中,P原子之间的结合呈现出多种形式。这些结构的复杂程度与P含量之间密切相关。在25 GPa下,我们发现Th_4P_3的新结构与Th_3P_4的实验结构互为反结构。然而,Th原子的含量决定了富钍化合物的晶体结构中多面体的复杂性。综上所述,ThBC和Th-P体系的理论研究为后续的Th-P体系物理性质和其他钍非金属化合物的系统研究奠定了坚实的理论基础。
【学位授予单位】：烟台大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O614.42;TL243
【图文】：

晶体结构

2C 的晶体结构。绿色大球、绿色小球、棕色小球分别代表 Th、B 的晶体结构属于上面提到的第一类[10]。如图 1.1 所示，硼格与金属原子层交替排布，单胞中 B 原子构成的六元环构与电子方面的性质密切相关。ThB2C 的二维金属元素网(sp2) C(sp) B(sp2)结构单元组成的。在晶体结构中，相说明 B-C 双键的特点[17]。而 B-C 双键可以用一般的(Th2+解释。然而，这种形式的电荷与两个 B(sp2)原子共面是不电子的(B2C)2-重复单元与丙二烯是等电子的，因此可以采替，其中 B 配位的平面之间是互相垂直的。因此，可以由基于类丙二烯的(B2C)2-的部分构成的。种角度来看 ThB2C 的 B-C 网格，它是将分离的无线锯齿，它们之间由 C 原子来连接。因为 Th 具有+4 价的氧化更好地描述 ThBC 中 B-C-B 重复单元中 B(sp2)原子的共

晶体结构,锯齿链

绿色大球、绿色小球、棕色小球分别代表代子。h3B2C3的晶体结构都属于上文中的第二类，晶体金属原子构成一个三棱柱，沿通过正方形侧面的一个方向压缩，形成无限二维平面。B 原子位于是由相互分离的无限锯齿链形成的，锯齿链的支立了 Th-B-C 三元体系的等温截面，并通过分析硼 Th3B2C3的晶体结构可以在形式上看成 ThBC 和B2C3=2ThBC+ThC。在 Th3B2C3中，B-B 的平均为 1.55 ，而在 ThBC 中，B-B 的平均键长也是4 。从这一角度也可以看出，Th3B2C3和 ThBC晶体结构是一种新的独一无二的结构类型，碳原

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