CN106446583A - 一种高能离子盐高压行为的预测方法 - Google Patents

一种高能离子盐高压行为的预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高能离子盐高压行为的预测方法，通过色散校正的密度泛函理论结合分子力学方法和分子动力学方法（DFT‑D/MM/MD）等模拟计算高能离子盐在不同压力下的结构与性能，实现对高能离子盐的高压行为的预测。本发明提供了一种针对全新的材料在极端条件下的结构和性能的预测方法，计算简便快速、容易实现，既可以预测高压行为，也可以验证与解析实验结果，为进一步设计新型高能离子盐提供帮助，降低了实验危险性，减少环境污染，节省人力物力。

Description

一种高能离子盐高压行为的预测方法
技术领域
本发明涉及一种高能离子盐高压行为的预测方法，属于含能材料和量子化学交叉领域。
背景技术
随着国际竞争的日趋加剧，对含能材料的性能也提出了更高的要求，高能离子盐应运而生。例如二硝酰胺铵(ADN，NH4N(NO2)2)其密度为1.801g/cm3(质量分数99％)，分解温度为187.74℃，氧平衡高达25.8％，生成热为-143KJ/mol，爆速约为8100m/s，比冲为2600N·s/kg3。它具有高能量，低感度，而且无氯，特征信号低的特性，被认为是最有可能替代高氯酸铵(AP)的物质，具备很大的应用前景。
高能离子盐大多为有机化合物，且作为含能材料，其在制备、运输、储存或使用过程中有可能会经历高压，而压力对含能材料的结构和性能有较大影响，如诱导其发生相变、构象变化、分解或聚合等，从而改变其感度和安全性。因此，为了提高在运输和使用等过程中的安全性，避免偶然事故的发生，加快含能离子盐的应用脚步，研究含能离子盐的高压行为很重要。
然而，含能材料的高压行为需要复杂昂贵的仪器，并且在实验操作和检测过程中存在较大的危险，导致目前绝大部分高能离子盐的高压行为仍未知。随着计算机技术的发展，运用分子模拟和量子化学的方法可以较方便直观地研究含能材料在不同条件下的结构和性能，为实验提供许多有用的基础信息，有助于降低实验操作的费用和危险性，提高实验的安全性和效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种高能离子盐高压行为的预测方法，通过色散校正的密度泛函理论结合平面波方法及BFGS准牛顿方法等模拟计算了高能离子盐在不同压力下的结构与性能，实现对高能离子盐的高压行为的预测。
为解决上述技术问题，本发明提供一种高能离子盐高压行为的预测方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)模型构建
对于已合成的高能离子盐，基于其分子坐标，借助Materials Studio图形界面构建高能离子盐的晶体单胞；对于未合成的高能离子盐，利用GaussView构建其几何图形，再用Gaussian软件优化结构，再用Materials Studio中的Polymorph软件预测晶体单胞结构，设置计算参数，选择计算方法；
(2)结构模拟
利用Materials Studio中的CASTEP，先在常压下对晶体单胞进行弛豫，基于弛豫后的单胞，模拟在不同压力下的高能离子盐的晶体结构和分子结构；
(3)性质计算
基于高压下模拟得到的结构，运用Materials Studio中的CASTEP软件计算高能离子盐在不同压力下的态密度、能带结构、能隙和光学性质，运用DMOL3计算热力学性质，建立超晶胞，运用Forcite软件中的分子动力学方法计算力学性质；
(4)结果分析
基于步骤(2)、(3)中得到的结果，利用CASTEP软件计算其态密度图、能带图、能隙值、光学性质和力学性质，分析压力对其电子结构、感度、稳定性、光吸收系数的影响；在Forcite中运用MD方法计算其力学性质，分析压力对弹性模量、弹性常数的影响；在DMOL3软件下优化后，利用DMOL3计算热力学性质，分析压力对其热力学函数的影响，最终确定高能离子盐的高压行为。
进一步地，计算软件为Materials Studio中的CASTEP、DMOL3、Forcite和Polymorph，所述计算方法为经过色散校正的密度泛函理论，并结合分子力学方法和分子动力学方法。
进一步地，所述CASTEP和DMOL3中的方法是GGA-PBE，所述Forcite和Polymorph中运用的是Compass力场，所述色散校正的方法是TS或G06。
进一步地，上述步骤(2)中，采用的是逐步升压法，所施加的压力在3个方向是相等的。
进一步地，上述步骤(2)中，采用的赝势是模守恒，并通过平面波展开波函数。
进一步地，上述步骤(3)中，在自洽场计算中，电子波函数是用密度混合最小方法求得，晶体的结构是采用BFGS准牛顿方法进行弛豫的。
进一步地，上述步骤(4)中，判断高能离子晶体是否稳定的标准是伯恩稳定性标准。
进一步地，上述步骤(4)中，采用origin软件用来描绘态密度图、能带图和吸收光谱。
进一步地，上述步骤(4)中，光吸收系数是通过Kramers-Kronig关系式计算得到的。
本发明所达到的有益效果：提供了一种简便的高能离子盐高压行为的预测方法。本发明方法计算快速、结果准确、容易实现。不仅可以预测高压行为，也可以验证与解析实验结果，还可以更加深入的探究压力对高能离子盐的结构和性能的影响，阐明结构-性能关系，为进一步设计新型高能离子盐提供帮助。此外，本发明提供了一种预测材料在极端条件下的结构和性能的全新方法，周期短，成本低，降低了实验危险性，减少环境污染，节省人力物力。
附图说明
图1为ADN的晶胞图；
图2为ADN的单离子团图；
图3为不同压力下ADN晶体的态密度；
图4为不同压力下AND晶体带隙的计算值。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实例基于色散校正的密度泛函理论预测了性能优异的新型高能离子盐AND的高压行为，模拟了其在高压下的结构，计算了其在高压的性质，分析了压力对其结构和性能的影响，得出了其在高压下的分解起爆机理和聚合机理。
本发明方法所采用的计算模拟软件为Materials Studio中的CASTEP和DMOL3软件包。基于密度泛函理论，CASTEP和DMOL3不仅能模拟在不同条件下的晶体结构和分子结构，还能观察化学键的断裂和形成，也能计算在不同条件下的光学性质、热力学性质和力学性质。
本发明方法采用色散校正的密度泛函理论(DFT-D)结合平面波方法及MM和MD方法等研究高能离子盐在常压或高压下的晶体结构、分子结构。基于这些结构进一步计算其态密度、能带、能隙、光学吸收系数、热力学函数、弹性模量和弹性常数等其它性能，得到其在高压下的分解、聚合或相转变机理，总结压力对其结构和性能(如感度)的影响，建立一种高能离子盐高压行为的预测方法。
具体实施方法分为以下4步：
(1)模型构建
基于分子坐标，借助Materials Studio图形界面构建ADN的晶体单胞；设置计算参数：平面波能量阈值为830.0eV，k点网格为2×1×3，系统的总能量收敛精度为2.0×10-5eV，作用在每个原子上的最大力收敛精度为原子位移的收敛精度为最大应变收敛精度为0.1GPa。选择GGA(PBE-G06)为计算方法。
(2)结构模拟
利用Materials Studio中的CASTEP，先在常压下对ADN的晶体单胞进行弛豫，得到其晶胞参数为：6.914、11.787、5.614。基于弛豫后的单胞，模拟在不同压力下的ADN的晶体结构和分子结构(见图1和图2)。
(3)性质计算
基于高压下模拟得到的结构，计算ADN在不同压力下的态密度、能带结构、能隙和光学性质等，图3为不同压力下ADN晶体的态密度。
(4)结果分析
基于(2)、(3)中得到的结果，分析压力对ADN的晶体结构和分子结构的影响，发现：AND晶体在a，c方向的结构比b方向硬；分析其在高压下结构中的最弱化学键为：H4-N4键；分析其在高压下的起爆机理或聚合机理为：400GPa时，ADN通过阳离子的N-H键断裂而分解，并在两个相邻离子对之间形成N-O键而聚合；分析压力对高能离子盐的态密度、能带结构和能隙的影响(图4为不同压力下AND晶体带隙的计算值)，发现：能带和态密度分析表明随着压力的增加ADN越来越敏感，在400-500GPa的压力范围下会转为金属相；分析压力对其感度的影响，发现：随着压力升高，AND越来越敏感；分析压力对其光学吸收系数的影响等，发现：当压力从100GPa增加到500GPa时，ADN光学能力变强及拓宽了吸收区域，在远红外光和紫外光区域的光吸收活性增强，随着压力的增加，ADN对紫外光、可见光和红外光的吸收能力增强。最终确定ADN的高压行为。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高能离子盐高压行为的预测方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)模型构建
对于已合成的高能离子盐，基于其分子坐标，借助Materials Studio图形界面构建高能离子盐的晶体单胞；对于未合成的高能离子盐，利用GaussView构建其几何图形，再用Gaussian软件优化结构，再用Materials Studio中的Polymorph软件预测晶体单胞结构，设置计算参数，选择计算方法；
(2)结构模拟
利用Materials Studio中的CASTEP，先在常压下对晶体单胞进行弛豫，基于弛豫后的单胞，模拟在不同压力下的高能离子盐的晶体结构和分子结构；
(3)性质计算
基于高压下模拟得到的结构，运用Materials Studio中的CASTEP软件计算高能离子盐在不同压力下的态密度、能带结构、能隙和光学性质，运用DMOL3计算热力学性质，建立超晶胞，运用Forcite软件中的分子动力学方法计算力学性质；
(4)结果分析
基于步骤(2)、(3)中得到的结果，利用CASTEP软件计算其态密度图、能带图、能隙值、光学性质和力学性质，分析压力对其电子结构、感度、稳定性、光吸收系数的影响；在Forcite中运用MD方法计算其力学性质，分析压力对弹性模量、弹性常数的影响；在DMOL3软件下优化后，利用DMOL3计算热力学性质，分析压力对其热力学函数的影响，最终确定高能离子盐的高压行为。
2.根据权利要求1所述的一种高能离子盐高压行为的预测方法，其特征是，计算软件为Materials Studio中的CASTEP、DMOL3、Forcite和Polymorph，所述计算方法为经过色散校正的密度泛函理论，并结合分子力学方法和分子动力学方法。
3.根据权利要求2所述的一种高能离子盐高压行为的预测方法，其特征是，所述CASTEP和DMOL3中的方法是GGA-PBE，所述Forcite和Polymorph中运用的是Compass力场，所述色散校正的方法是TS或G06。
4.根据权利要求1所述的一种高能离子盐高压行为的预测方法，其特征是，上述步骤(2)中，采用的是逐步升压法，所施加的压力在3个方向是相等的。
5.根据权利要求1所述的一种高能离子盐高压行为的预测方法，其特征是，上述步骤(2)中，采用的赝势是模守恒，并通过平面波展开波函数。
6.根据权利要求1所述的一种高能离子盐高压行为的预测方法，其特征是，上述步骤(3)中，在自洽场计算中，电子波函数是用密度混合最小方法求得，晶体的结构是采用BFGS准牛顿方法进行弛豫的。
7.根据权利要求1所述的一种高能离子盐高压行为的预测方法，其特征是，上述步骤(4)中，判断高能离子晶体是否稳定的标准是伯恩稳定性标准。
8.根据权利要求1所述的一种高能离子盐高压行为的预测方法，其特征是，上述步骤(4)中，采用origin软件用来描绘态密度图、能带图和吸收光谱。
9.根据权利要求1所述的一种高能离子盐高压行为的预测方法，其特征是，上述步骤(4)中，光吸收系数是通过Kramers-Kronig关系式计算得到的。
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