全氮材料基礎性能理論研究: Ⅰ.晶體密度預測

劉英哲, 來蔚鵬, 尉 濤, 葛忠學, 徐 濤, 駱艷嬌, 尹世偉

(1. 西安近代化學研究所氟氮化工資源高效開發與利用國家重點實驗室, 陜西 西安 710065;2. 陜西師范大學, 陜西 西安 710062)

1 引 言

全氮材料具有能量高、無污染的優點,是潛在的新型高能量密度材料[1-5]。然而,全氮材料的合成尚處于實驗室探索階段,難以獲得其實際樣品,如何獲取全氮材料在世界范圍內仍然是一個巨大的挑戰。因此,對于全氮材料的能量性質,特別是爆轟性能,只能通過理論方法進行預測。

晶體密度是決定全氮材料爆轟性能的重要參數,其預測方法主要有兩類: 一是基于分子體積的半經驗方法[6-10]; 一是基于晶體體積的分子力學方法[11-12]。前者缺乏實驗數據難以獲得準確的經驗參數,且忽略了分子間相互作用對晶體堆積結構的影響,在原理上不夠精確。后者缺乏完全適用于全氮結構的力場參數,無法準確描述全氮分子間的相互作用,致使晶體結構預測存在較大偏差。

目前,國際上關于全氮材料晶體密度預測研究中,最有代表性和被廣泛引用的報道來自于——英國QinetiQ公司[13]和瑞典國防研究院FOI[14]。二者均采用分子力學方法預測了5種籠形全氮結構的晶體密度(見圖1),但預測結果卻存在較大差異。例如,對于N4(Td)結構,QinetiQ預測的晶體密度為1.752 g·cm-3,而FOI的預測結果為2.3 g·cm-3。

圖1典型籠形全氮分子結構示意圖

Fig.1Schematic diagram of typical all-nitrogen molecular structures with cage type

為了準確預測全氮材料的晶體密度,本研究基于量子化學計算方法,建立了適用于全氮結構的力場參數。與傳統分子力場相比,該力場具有“特異性”,即每個全氮結構均具有一套獨立的參數,尤其是范德華參數; 而在傳統分子力場中,通常是一類分子采用一套相同的參數。……