本文關(guān)鍵詞：氫分子晶體力學(xué)性能的計算機模擬研究

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【摘要】：隨著地球上不可再生能源的不斷快速消減,核能源的開發(fā)利用成為各國支撐社會穩(wěn)定發(fā)展和經(jīng)濟長期增長的重要戰(zhàn)略性目標(biāo)之一。核能源主要分為核裂變和核聚變,世界上現(xiàn)行的可實現(xiàn)能源穩(wěn)定輸出的是核裂變反應(yīng)堆,而核裂變具有不安全和不環(huán)保因素。所以當(dāng)下核聚變研究成為世界主要國家大力投入的研究熱點。其中激光核聚變是核聚變研究中重要的一個分支,它是用極高能量的激光束照射在微小的氘氚靶丸上,在高溫高壓的環(huán)境下靶丸中的氘氚燃料發(fā)生聚變反應(yīng)。其中靶丸的設(shè)計合理與否涉及到聚變反應(yīng)能否成功發(fā)生及能量輸出量。對于氫分子晶體力學(xué)性能的研究,對合理設(shè)計和生長靶丸晶體有寶貴的借鑒和指導(dǎo)作用。本文采用從頭算法軟件包VASP,系統(tǒng)研究分析了氫分子晶體穩(wěn)定存在的晶體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)。研究結(jié)果如下:1.采用VASP軟件包計算分析了氫分子晶體晶胞內(nèi)不同的氫分子軸向相對排布位置。結(jié)果表明:面心立方結(jié)構(gòu)氫分子晶體內(nèi)最穩(wěn)定的氫分子軸向相對位置是Pa3結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的晶胞內(nèi)氫分子軸向都按照面心立方結(jié)構(gòu)晶體的晶胞體對角線排布,但是軸向是朝著不同方向的體對角線排布,而且不同位置不同軸線朝向的氫分子的相對位置是嚴(yán)格限定的。六角密堆結(jié)構(gòu)氫分子晶體內(nèi)最穩(wěn)定的氫分子軸向分布是混合結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的晶胞內(nèi)氫分子的軸向是完全無序的。2.采用VASP軟件包計算分析了六角密堆結(jié)構(gòu)和面心立方結(jié)構(gòu)氫分子晶體內(nèi)氫分子平均結(jié)合能。計算結(jié)果表明:面心立方結(jié)構(gòu)氫分子晶體的平均結(jié)合能比六角密堆結(jié)構(gòu)氫分子晶體的平均結(jié)合能高出17.65%,這說明面心立方結(jié)構(gòu)氫分子晶體穩(wěn)定性更高。3.我們在計算氫分子晶體晶胞內(nèi)不同軸向氫分子相對位置時,研究分析了零點能修正對其的影響。最終研究發(fā)現(xiàn)在計算單個氫分子能量時,零點能這一因素不應(yīng)被忽略。我們認(rèn)為這是由于氫元素在所有元素中質(zhì)量最輕,氫的零點振動現(xiàn)象較其他元素都更加明顯的緣故。但是,對于氫分子晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,零點能校正并沒有明顯的影響。4.由于氫分子晶體是分子晶體,所以范德華作用對于晶體內(nèi)部分子間相互作用非常重要。所以我們采用VASP軟件包中可用的范德華修正方法分別測試研究面心立方結(jié)構(gòu)和六角密堆結(jié)構(gòu)氫分子晶體的晶格常數(shù),發(fā)現(xiàn)VASP軟件包中現(xiàn)行可用的范德華修正方法都高估了氫分子晶體內(nèi)部分子之間作用力,從而導(dǎo)致優(yōu)化出更小的晶格常數(shù)。這說明現(xiàn)行可用的范德華修正方法都不適合用來描述氫分子晶體內(nèi)分子間相互作用。5.我們采用從頭算方法分別計算得出了六角密堆結(jié)構(gòu)和面心立方結(jié)構(gòu)氫分子晶體的彈性常數(shù)。分析所計算出來的彈性常數(shù),這兩種體系都符合應(yīng)變能理論對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求,說明這兩種結(jié)構(gòu)的氫分子晶體都是穩(wěn)定存在的。這與實驗中主要觀察到這兩種晶體結(jié)構(gòu)的氫分子晶體的結(jié)果相一致。6.根據(jù)之前計算出的彈性常數(shù),我們分別求解了面心立方結(jié)構(gòu)和六角密堆結(jié)構(gòu)氫分子晶體的三個力學(xué)模量:楊氏模量,剪切模量以及體彈模量。對比這兩種不同結(jié)構(gòu)晶體的這三種力學(xué)模量,我們發(fā)現(xiàn)面心立方結(jié)構(gòu)氫分子晶體的抗擠壓能力、抗剪切能力和抗形變能力都要比六角密堆結(jié)構(gòu)氫分子晶體更強。也說明了在氫分子晶體這兩種不同的晶體結(jié)構(gòu)中,面心立方結(jié)構(gòu)氫分子晶體穩(wěn)定性更高,這與我們之前從結(jié)合能角度得出的結(jié)論一致,也與他人通過實驗方法得出的結(jié)論一致。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O733

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本文編號：1152834