含能材料的高压行为和光谱学特性的原子模拟

论文摘要

本论文的研究方向是通过经典分子动力学和密度泛函理论方法研究含能材料的高压行为和光谱学特性。含能材料在军事和工业上都占据着重要的地位，在炸药、火药、火箭推进剂以及民用方面的都有广泛的应用。从分子水平了解其在高压下结构和化学键的变化，研究爆炸机理，则可以减少实验次数，缩短研究周期，提高研究效率，降低研究成本。这对炸药性能评定、新型炸药的设计研制及炸药安全性和有效性评估等具有重要指导价值，是该领域的研究前沿。本论文主要对液相／固相硝基甲烷和气相／固相TATB进行了动力学与第一性原理研究，研究涉及到分子结构、电子结构、振动光谱和状态方程等方面，得到的结果如下。 1．用经典分子动力学方法研究了液态硝基甲烷的高温高压性质。选用CHARMM力场参数与Lenard-Jones势描述原子间的相互作用。选取的模拟元胞中包含108个分子，进行了60-100次的NPT和NVT经典分子动力学模拟。模拟结果重新产生了热力学性质，例如冲击波速度和粒子速度基本呈线性关系。但是在稠密的状态下，模拟得到的Hugoniot压强与实验以及用其他不同的势能函数的理论模拟比起来却偏高。这说明，Lenard-Jones势能函数中不再适合描述硝基甲烷高压下的行为。另外，我们通过二体径向相关函数详细分析了液体硝基甲烷在不同压力下的结构性质，发现在高压下液体硝基甲烷具有明显的短程结构，排斥力起主导作用，LJ势能函数不再适用于高压模拟。 2．用密度泛函理论（DFT）与广义梯度近似（GGA），在0-20 GPa的压力范围内，对固体硝基甲烷的结构、弹性、电子和振动性质进行了研究。由于平面波赝势和广义梯度近似不能精确的描述分子间的范德华色散力，与实验比较，常压下的元胞体积明显偏大，然而晶格能、体积模量和晶格模式的振动频率却偏小。对硝基甲烷分子构型和内部振动模式的频率，计算结果与实验十分一致。我们发现，高压下的单位元胞体积和晶格振动频率比常压下更接近实验值。对于压强导致的晶格振动模式和内部振动模式的频率漂移，也与实验基本一致。这些结果说明，在高压下，随着分子间相互作用的增强，第一性原理计算更能精确地描述分子结构和性质。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 含能材料研究背景
• 1.2 含能材料理论研究的意义
• 1.3 论文研究内容
• 第2章 理论基础和计算方法
• 2.1 分子动力学（MD）方法
• 2.1.1 分子动力学方法理论背景
• 2.1.2 牛顿方程的积分算法
• 2.1.3 原子间的相互作用势
• 2.1.4 分子动力学模拟的系综
• 2.2 密度泛函理论
• 2.2.1 绝热近似
• 2.2.2 Hohenberg-Kohn-Sham定理与Kohn-Sham方程
• 2.2.3 交换关联能与交换关联势
• 第3章 高压区液态硝基甲烷的压缩性
• 3.1 引言
• 3.2 相互作用势和计算细节
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 等温压缩
• 3.3.2 液态硝基甲烷的Hugoniot曲线
• 3.3.3 结构性质—径向分布函数
• 3.4 小结
• 第4章 高压下固态硝基结构和振动性质的第一性原理研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法和细节
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 常压下的晶体性质
• 4.3.2 静水压压缩下的结构、弹性和电子性质
• 4.3.3 振动性质
• 4.4 小结
• 第5章 TATB晶体与TATB单分子振动性质的密度泛函理论研究
• 5.1 引言
• 5.2 计算方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 平衡几何构型与带隙
• 5.3.2 振动性质
• 5.4 小结
• 第6章 TATB高压行为的第一性原理研究
• 6.1 引言
• 6.2 计算方法与细节
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 常压下的晶体结构性质
• 6.3.2 静水压压缩下的晶格参数和分子构型参数变化
• 6.4 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果