高压下叠氮化铵和硝酸铵的第一性原理分子动力学研究

发布时间：2018-06-13 03:37

本文选题：高压 + 第一性原理分子动力学　；参考：《吉林大学》2016年博士论文

【摘要】：含能材料即含能化合物,在民用爆破、航空航天和国防军事工程等方面有着广泛的应用。常用的含能材料有:2,4,6-三硝基甲苯(TNT)、环三次甲基三硝铵(黑索金)和高氯酸铵(NH4Cl O4)等。但这些含能材料在生产或应用过程中会对环境产生严重的污染,因此对环境友好型含能材料的研究是重要且急迫的。另外,随着科技的进步和工业的发展,传统含能材料逐渐无法满足某些领域的需求,人们开始寻找新型高含能材料,如全氮物质、高活性储能材料和金属氢等。对全氮物质的研究源于30年前理论上预测固态分子氮(N2)在100 GPa转化为立方结构的单原子氮,即聚合氮。直到2004年实验上才在温度高于2000 K压力高于110 GPa条件下用N2合成聚合氮(cg-N),遗憾的是cg-N仅稳定存在于42 GPa以上,至今实验上也没有合成稳定到常温常压的聚合氮。叠氮化铵(NH4N3)中的叠氮根(N3-)被认为可以有效降低聚合氮的合成条件,同时H元素的钝化作用,有可能将形成的聚合氮稳定到常温常压。本文采用第一性原理分子动力学(MD)对叠氮化铵进行了详细地研究,在室温高压下发现了三种室温高压新结构:P2/c、P21/c和P21。通过计算零温焓差曲线判断,Pmna结构在1.5 GPa左右转变为P2/c结构,并一直稳定到77 GPa。鉴于实验上在300K和70 GPa压力范围内一直没有得到聚合氮,我们推测高温是合成聚合氮的一个必要条件,所以进行了高温高压MD模拟。在60 GPa和2200 K条件下的超胞中,出现了多达15个N原子的聚合氮链,比在N2分子固体中发生聚合反应(100 GPa以上)所需压力明显降低。在90 GPa和1600 K条件下得到的超胞中,存在三条周期性的聚合氮链状结构和大量五元环结构(N5),在随后的退火模拟过程中,形成了更加复杂的周期性聚合氮链。将退火后的结构逐渐降到常压,虽然周期性长链发生断裂,但H元素的钝化作用使得多达12个N原子的长链得以保存到常温常压。同时,由于N5在整个模拟过程中能够稳定存在,可以推测这种N5结构有可能成为实用的高能材料。另外,通过分析反应H原子跳跃的δ函数,发现H元素的存在不仅能提高聚合氮的稳定性,而且将促进聚合氮的形成。本文对叠氮化铵的研究结果,将有助于打开聚合氮实际应用的大门。硝酸铵(NH_4NO_3)具有较高的含氮量、稳定的氧化性,而且生成物不会对环境造成污染再次引起科研工作者的广泛关注。目前,尽管有大量的实验和理论研究了硝酸铵的高压行为,但是其在高压下的相变与晶体结构依然存在争议。2011年,Davidson等人通过拉曼散射和X光同步辐射(XRD)研究发现,在非静水压条件下,硝酸铵在20 GPa发生等结构相变(相IV→IV’),但在静水压条件下,即使压力增加到35 GPa,也没有相变的发生。我们采用第一性原理MD模拟对硝酸铵在高压下的晶体结构及相变机制进行了系统的研究。本文确定了实验上提出的硝酸铵亚稳相第IV’相的存在并给出了晶体结构,在更高压力下还发现了一个新相(相X),详细地讨论了各个结构中的NH4+随着MD模拟时间的变化,结合“H原子云”随着压力的变化,给出了硝酸铵在高压下的相变机制。通过NVT系综的MD模拟,我们发现晶格畸变在相IV’的形成和稳定上起到非常重要的作用,而非静水压有利于产生这一畸变,从而解释了实验上只有在非静水压条件下才可以实现相IV到相IV’的转变。最后我们给出了硝酸铵在压力区间5-60 GPa和温度区间250-400 K的相图。
[Abstract]:In this paper , it is very important and urgent to study the formation of nitrogen ( N3 - N ) with high temperature under the conditions of 60 GPa and 1600 K . The phase transition mechanism of ammonium nitrate under high pressure has been studied by Raman scattering and X - ray synchrotron radiation ( XRD ) .
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O469

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