2019-05-14 19:21:01
研究人员发现了高爆TATB的意外相变

劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)科学家与内华达州拉斯维加斯大学(UNLV)合作,发现了一种先前未知的TATB压力诱导相变,可以帮助预测爆炸性能和爆炸物的安全性。这项研究发表在5月13日的应用物理快报在线版上,并作为封面和精选文章突出显示。

1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯(TATB)是一种不敏感的高爆炸药的行业标准,当安全性(不敏感性)至关重要时,它是最佳选择。在具有相当的爆炸能量释放的类似材料中,TATB非常难以启动冲击并且具有低摩擦灵敏度。这种异常行为的原因隐藏在TATB的高压结构演变中。在LLNL世界上最强大的机器上运行的爆炸物引爆的超级计算机模拟依赖于知道爆炸物晶体结构中原子的确切位置。准确了解压力下的原子排列是预测炸药爆炸性能和安全性的基石。

该团队利用金刚石砧座进行了实验,将TATB单晶压缩至超过25 GPa(250,000倍大气压)的压力。根据所有先前的实验和理论研究,认为TATB的晶体结构中的原子排列在压力下保持相同。项目团队挑战了该领域的共识,旨在澄清TATB的高压结构行为。

主要的实验挑战是TATB的极低对称晶体结构,使得金刚石砧座细胞的常规X射线衍射技术不可行。相反,实验团队在压力下使用单晶X射线衍射,这是第一次在低对称有机材料如TATB的情况下。

“压缩TATB中的相变问题已经争论了几十年。我们确信我们的方法最终会解决这个问题 - 但找到答案要比我们预期的要困难得多,”Oliver Tschauner说道。 UNLV地球科学系。

令人惊讶的是,实验结果揭示了先前未知的向4GPa以上的更高对称性单斜晶相的转变。实验结果使团队能够确定高压晶体结构的基本特征(晶格参数和晶胞体积)以及相变之上的状态方程(密度作为压力的函数)。但是,该团队此时并未停止

“虽然实验结果使我们能够对TATB状态方程进行重要修正,但我们决心更进一步,了解相变的性质和高压相的确切结构,”Elissaios Stavrou解释说。 ,LLNL材料科学部的一名工作人员。

为了帮助解开高压阶段,LLNL理论家采用了进化结构搜索算法(USPEX),有助于探索TATB的高压结构。理论结果不仅证实了实验结果,而且澄清了高压相的确切结构。

“材料的几乎所有东西都可以从它的晶体结构中获得,”LLNL材料科学部博士后科学家,研究的主要作者布拉德斯蒂尔说。 “在本文中,我们展示了我们可以预测晶体结构,即使对于大型/复杂的高能材料,如TATB。所用的方法在材料科学领域有许多潜在的应用。”

根据USPEX结果,该团队确定相变涉及在环境压力阶段中TATB分子的类石墨层的压力诱导的面内位移。

LLNL材料科学部的工作人员Matthew Kroonblawd进一步解释说:“TATB很难建模,但我们能够使用我们专门为这些复杂分子材料开发的通用计算工具来关联新旧阶段。这个新阶段解决了自20世纪70年代以来持续存在的猜想。“

该团队计划使用相同的最先进的实验和理论技术组合来发现其他能量材料中可能的相变。然而,本研究中使用的方法不仅限于高能材料,而且大大扩展了团队在可变热力学条件下揭示晶体结构和化学计量的能力。

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