含能材料一般都具有高能量、高密度、在短時間內(nèi)能釋放出大量能量等特性，在國防和商業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。含能材料的晶體結(jié)構(gòu)一般能保持分子結(jié)合鍵的穩(wěn)定，直到外界施以足夠的刺激導(dǎo)致其開始熱分解，它們的宏觀行為變化最終是由其微觀性質(zhì)如晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、原子間相互作用力等決定的。因此研究含能材料微觀特性對進(jìn)一步了解其爆炸行為具有很重要的意義。目前的分子模擬理論方法可以預(yù)測含能材料的某些特性（如撞擊感度、反應(yīng)熱、爆炸熱、結(jié)晶形貌等），還可以觀察到原子水平上和飛秒時間尺度的快速化學(xué)反應(yīng)過程，與實驗相比，在時間成本、物質(zhì)成本和安全性上都具有顯著的優(yōu)勢。
全書共分為6章。第1章主要介紹了含能材料和分子模擬的基礎(chǔ)知識，重點對分子動力學(xué)方法在含能材料中的應(yīng)用進(jìn)行了論述。第2章介紹了分子模擬中的分子力場方法、晶體生長預(yù)測模型和電子結(jié)構(gòu)分析方法。第3章系統(tǒng)論述了反應(yīng)分子動力學(xué)模擬方法在典型含能材料熱分解過程影響等方面的研究應(yīng)用。含能材料的反應(yīng)機(jī)理等相關(guān)問題與其在生產(chǎn)、儲存、運輸、起爆等過程中的安全性有著密切的聯(lián)系，應(yīng)用分子動力學(xué)模擬方法研究含能材料在爆炸熱分解過程中的反應(yīng)機(jī)理不僅使我們對含能材料本身的特性有更深刻的理解，而且還可以從原子分子水平上設(shè)計和改進(jìn)含能材料。第4章系統(tǒng)論述了分子動力學(xué)方法在含能材料結(jié)晶形貌預(yù)測等方面的研究應(yīng)用。炸藥技術(shù)研究的發(fā)展趨勢是鈍感化和高能化，因此在滿足各類武器對炸藥能量性能、爆轟性能等要求的基礎(chǔ)上，改變炸藥的物理性能從而調(diào)控其安全性能是解決炸藥高能與安全可靠性矛盾的關(guān)鍵。其中，炸藥的晶體形貌在很大程度上影響著其安定性能、流散性和能量輸出。應(yīng)用分子動力學(xué)模擬方法對結(jié)晶過程進(jìn)行模擬，可以為實驗篩選合適的溶劑和添加劑。第5章介紹了分子動力學(xué)模擬方法在高聚物黏結(jié)炸藥配方設(shè)計中的研究應(yīng)用工作。高聚物黏結(jié)炸藥（PBX）較單質(zhì)炸藥而言，具有更多優(yōu)良的綜合性能，如較高的能量密度、優(yōu)良的力學(xué)性能和較高的安全性能等。應(yīng)用分子動力學(xué)模擬方法研究PBX的結(jié)構(gòu)與性能，可為其配方設(shè)計提供信息、規(guī)律和指導(dǎo)。第6章介紹了分子模擬方法在典型耐熱含能材料的結(jié)構(gòu)及性能等方面的研究應(yīng)用。
本書在撰寫過程中得到了課題組成員的大力支持與幫助，書中也借鑒了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者們的科學(xué)研究成果，在此一并表示誠摯的謝意。另外，感謝中北大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院各位領(lǐng)導(dǎo)以及曹端林教授課題組的大力支持；感謝周濤、何磊、任圓圓、陳瑤、賈方碩、李天浩、郭國琦、董羚、賈翔宇、米方琦、寧瑞星等研究生為本書內(nèi)容做出的貢獻(xiàn)。感謝化學(xué)工業(yè)出版社對本書出版給予的大力支持。此外，本書的研究工作先后獲得了國家自然科學(xué)基金（11447219）、山西省自然科學(xué)青年基金（201801D221035）、山西省自然科學(xué)面上基金（20210302123055）等項目的經(jīng)費資助，研究中所取得的成果均已反映在書中，特此致謝！
由于筆者水平和學(xué)識有限，本書難免存在不妥之處，敬請各位讀者批評指正。
著者
2024年12月
第1章緒論1
1.1含能材料1
1.2分子模擬方法1
1.2.1分子力學(xué)方法2
1.2.2分子動力學(xué)模擬2
1.2.3蒙特卡羅模擬2
1.2.4從頭算分子動力學(xué)3
1.3分子動力學(xué)模擬在含能材料中的應(yīng)用3
1.3.1分子動力學(xué)模擬在熱分解中的應(yīng)用3
1.3.2分子動力學(xué)模擬在晶體形貌中的應(yīng)用4
參考文獻(xiàn)5
第2章分子模擬8
2.1分子力場方法8
2.1.1經(jīng)典力場8
2.1.2反應(yīng)性力場10
2.2晶體生長預(yù)測模型11
2.2.1BFDH模型11
2.2.2Gibbs-Wulff晶體生長定律11
2.2.3周期性鍵鏈（PBC）理論11
2.2.4附著能（AE）模型12
2.2.5占據(jù)率模型14
2.2.6螺旋生長模型14
2.2.7Equilibrium模型15
2.2.8蒙特卡羅模擬15
2.2.9各生長預(yù)測模型的分析比較15
2.3電子結(jié)構(gòu)分析方法16
2.3.1Hirshfeld表面和指紋圖16
2.3.2約化密度梯度函數(shù)分析方法16
2.3.3分子表面靜電勢17
2.3.4鍵解離能計算17
2.3.5前線分子軌道17
2.3.6紅外振動光譜17
2.3.7態(tài)密度18
參考文獻(xiàn)18
第3章含能材料熱分解反應(yīng)分子動力學(xué)模擬22
3.1引言22
3.2高溫下RDX熱分解反應(yīng)分子動力學(xué)模擬22
3.2.1模擬細(xì)節(jié)與計算方法22
3.2.2模擬結(jié)果與分析23
3.2.3小結(jié)28
3.3高溫下TNT熱分解反應(yīng)分子動力學(xué)模擬28
3.3.1模擬細(xì)節(jié)與計算方法28
3.3.2模擬結(jié)果與分析28
3.3.3小結(jié)31
3.4高溫下HMX熱分解反應(yīng)分子動力學(xué)模擬32
3.4.1模擬細(xì)節(jié)與計算方法33
3.4.2模擬結(jié)果與分析33
3.4.3小結(jié)37
3.5高溫下HMX/Poly-NIMMO基混合炸藥分解機(jī)制38
3.5.1模擬細(xì)節(jié)與計算方法38
3.5.2模擬結(jié)果與分析39
3.5.3小結(jié)54
3.6高溫下HMX/HTPB基混合炸藥分解機(jī)理56
3.6.1模擬細(xì)節(jié)與計算方法56
3.6.2模擬結(jié)果與分析58
3.6.3小結(jié)72
3.7高溫下HMX/CL-20基混合炸藥分解機(jī)理73
3.7.1模擬細(xì)節(jié)與計算方法73
3.7.2模擬結(jié)果與分析75
3.7.3小結(jié)90
3.8高溫下HMX/DNAN基混合炸藥分解機(jī)理90
3.8.1模擬細(xì)節(jié)與計算方法90
3.8.2模擬結(jié)果與分析91
3.8.3小結(jié)106
參考文獻(xiàn)107
第4章含能材料結(jié)晶形貌的理論預(yù)測113
4.1引言113
4.2TKX-50晶體形貌預(yù)測113
4.2.1模擬細(xì)節(jié)與計算方法114
4.2.2TKX-50分子結(jié)構(gòu)的溶劑效應(yīng)研究115
4.2.3真空中TKX-50晶體生長形態(tài)預(yù)測120
4.2.4單溶劑中TKX-50晶體生長形態(tài)預(yù)測125
4.2.5FA/H2O混合溶劑中TKX-50晶體生長形態(tài)預(yù)測133
4.2.6TKX-50溶液生長理論模型比較與分析137
4.2.7TKX-50力場的修正143
4.2.8小結(jié)155
4.3HMX晶體形貌預(yù)測157
4.3.1模擬細(xì)節(jié)與計算方法158
4.3.2真空中HMX晶體形貌的預(yù)測158
4.3.3單溶劑中HMX晶體形貌預(yù)測163
4.3.4混合溶劑中HMX晶體形貌預(yù)測171
4.3.5HMX溶液生長理論模型比較與分析177
4.3.6溫度對HMX晶體形貌的影響180
4.3.7小結(jié)184
4.4RDX晶體形貌預(yù)測185
4.4.1模擬細(xì)節(jié)與計算方法185
4.4.2混合溶劑中RDX晶體形貌預(yù)測186
4.4.3小結(jié)193
4.5BTO晶體形貌預(yù)測193
4.5.1模擬細(xì)節(jié)與計算方法194
4.5.2模型尺寸對計算的影響196
4.5.3BTO晶體結(jié)構(gòu)分析197
4.5.4BTO在真空中的晶形和晶面分析198
4.5.5甲醇溶劑中BTO晶體形貌預(yù)測201
4.5.6小結(jié)203
參考文獻(xiàn)204
第5章高聚物黏結(jié)炸藥力學(xué)性能的分子動力學(xué)模擬210
5.1引言210
5.2ε-CL-20/F2311 PBX力學(xué)性能和結(jié)合能的分子動力學(xué)模擬210
5.2.1計算模型與計算方法211
5.2.2MD模擬211
5.2.3高聚物濃度對PBX力學(xué)性能和結(jié)合能的影響211
5.2.4溫度對PBX力學(xué)性能和結(jié)合能的影響213
5.2.5小結(jié)214
5.3HNS/EP-35 PBX力學(xué)性能的分子動力學(xué)模擬215
5.3.1計算模型與計算方法215
5.3.2MD模擬216
5.3.3高聚物濃度對PBX力學(xué)性能的影響216
5.3.4溫度對PBX力學(xué)性能的影響217
5.3.5小結(jié)218
5.4PYX基PBX力學(xué)性能和結(jié)合能的分子動力學(xué)模擬218
5.4.1聚合物與PYX分子間相互作用219
5.4.2PYX不同晶面與黏結(jié)劑構(gòu)建的PBX體系的MD模擬研究224
5.4.3溫度對PYX基PBX體系的影響236
參考文獻(xiàn)245
第6章耐熱含能化合物結(jié)構(gòu)與性能的研究248
6.1引言248
6.2四種耐熱含能化合物電子結(jié)構(gòu)的第一性原理研究248
6.2.1計算方法249
6.2.2分子結(jié)構(gòu)249
6.2.3引發(fā)鍵解離能(BDE)250
6.2.4Mulliken電荷布居分析251
6.2.5前線分子軌道(FMO)252
6.2.6分子靜電勢(MEP)254
6.2.7紅外振動光譜255
6.2.8小結(jié)256
6.3四種耐熱含能化合物中相互作用的第一性原理研究257
6.3.1計算方法257
6.3.2晶胞結(jié)構(gòu)優(yōu)化258
6.3.3約化密度梯度函數(shù)(RDG)258
6.3.4Hirshfeld表面和指紋圖260
6.3.5NO…相互作用262
6.3.6態(tài)密度(DOS)263
6.3.7小結(jié)263
6.4四種耐熱含能化合物熱分解反應(yīng)分子動力學(xué)研究264
6.4.1模擬方法265
6.4.2勢能(PE)演化267
6.4.3反應(yīng)物分子數(shù)量演化269
6.4.4產(chǎn)物分析270
6.4.5反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)分析271
6.4.6小結(jié)277
參考文獻(xiàn)278
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