【摘 要】
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近年来随着我国国防工业不断发展,含能材料造成的环境污染问题也日益严重。传统含能材料在整个生命周期内都会产生大量有毒、组成复杂且不易分解的污染物,如果不能快速或正确处置这些污染物,都会对环境造成污染,甚至会损害人体健康。寻找高能量密度材料（HEDMs）不仅能够提高含能材料的性能,对于国防工业的发展具有重要的意义,而且高能量密度材料无论是在生产还是使用过程中都减少了污染物的产生,对于降低环境污染具有重
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近年来随着我国国防工业不断发展,含能材料造成的环境污染问题也日益严重。传统含能材料在整个生命周期内都会产生大量有毒、组成复杂且不易分解的污染物,如果不能快速或正确处置这些污染物,都会对环境造成污染,甚至会损害人体健康。寻找高能量密度材料（HEDMs）不仅能够提高含能材料的性能,对于国防工业的发展具有重要的意义,而且高能量密度材料无论是在生产还是使用过程中都减少了污染物的产生,对于降低环境污染具有重要的作用。富氮和碳氧含能材料均有较高的生成焓,性能要优于传统的含能材料,主要原因是分子中含有大量的氮氮键和碳氧键。氮氮键和碳氧键的化学键能分别是794k J/mol和745 k J/mol,要高于其他常见的化学键键能。纯聚合氮含能材料虽然具有较高的能量密度,但是常温常压下的不稳定性以及合成条件高等特点,限制了其应用和发展。鉴于此,金属氮化物作为高能量密度材料越来越受到重视。为了探究金属氮化合物和碳氧化合物作为高能量密度材料的潜力,本文以ZnN6和CO为例进行研究。Zn的价电子分布是3d104s~2,在高压下表现出特殊的电子性质;CO和N2是等电子体,并且CO和N2具有相似的晶体结构、相图、非分子相的转变。CO和N2在低压下有很强的相似性,但是在高压下有显著的差异。本文主要基于密度泛函理论并通过CALYPSO结构搜索软件对ZnN6和CO进行晶体设计,并且通过VASP软件对设计得到的晶体进行了详细的计算和研究,探究其作为高能量密度材料的潜力,计算结果如下:（1）高能量密度材料ZnN6晶体性能研究。基于第一性原理和密度泛函理论,并且通过CALYPSO程序分别对ZnN6在0-200 GPa压力范围内的可能存在的稳定晶体结构进行了研究。设计了一种可以在常温常压下稳定存在的I41md-ZnN6晶体,该结构中氮原子聚合成网状结构,能量密度为4.7 k J/g,具有作为高能量密度材料的潜力。同时该结构具有较好的动力学稳定性和热力学稳定性,带隙为3.26 e V,具有半导体性质。最后提出了合成I41md-ZnN6晶体的理论路径,对于实验合成提供了理论指导。（2）高能量密度材料固态CO晶体性能研究。基于第一性原理和密度泛函理论,并且通过CALYPSO程序分别对CO在100-5000 GPa压力范围内的可能存在的稳定晶体结构进行了研究。设计了三种可以在常温常压下稳定存在的CO晶体,空间对称群分别是I4m2、Pna21、C2/c。I4m2-CO晶体分为上下两层,C原子和O原子相互连接分别形成环形结构和网状结构。Pna21-CO晶体中C原子和O原子相互连接形成之字形链,而在C2/c晶体中C原子和O原子相互连接构成六元环。三个结构在常温常压下都具有良好的热力学稳定性和动力学稳定性。计算得到的能量密度分别为10.49、13.29、16.59 kJ/g,质量密度分别为3.78、4.2、5.2 g/cm~3,表明设计的三个晶体都具有作为高能量密度材料的潜力。分别对I4m2-CO、Pna21-CO、C2/c-CO的电子性质进行计算,其带隙分别为2.4、2.2、3.5 e V,表明三个晶体全部为半导体。
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