极端条件下新型含能材料特性的分子动力学模拟

极端条件下新型含能材料特性的分子动力学模拟在高温、高压、高应变率（冲击碰撞问题）以及激光侵蚀等极端条件下,含能材料的响应是大量化学反应和物理变化的耦合过程,且此过程受条件影响显著。因此,从实验和理论上研究含能材料在极端条件下的响应过程具有极大的挑战。数值模拟可以从原子尺度揭示极端条件下含能材料的化学反应和物理变化相耦

合的响应过程,从而有效地弥补了当前实验技术手段的不足,并为实验研究提供

理论依据。因此,本文采用ReaxFF反应力场和增加长程修正项的ReaxFF/lg反应力场结合分子动力学方法研究了新型含能材料在极端条件下的物理和化学响应

机理。

研究主要内容和结果如下:（1）通过分子动力学方法研究了高温条件下凝聚相八硝基立方烷（ONC）的热分解机理,得到了ONC的触发反应是笼状骨架结构中C-C键断裂,随后笼状骨架结构逐步破坏形成八硝基环辛烯等,笼状骨架结构的

破坏存在三种不同路径;ONC热分解过程中的化学化反应机理,主要产物及其分

布规律等结论。（2）研究了CL20/DNB共晶、CL20/TNT共晶、CL20以及DNB系统的热感度。得到了CL20/DNB共晶的热感度低于CL20/TNT共晶和CL20的热感度,但高于DNB的热感度。通过分析CL20和CL20/DNB共晶的初始反应路径,从而揭示了共晶有效降低CL20热感度的机理,CL20/DNB共晶和CL20热分解过程中具有相似的主要产物;通过反应动力学分析得到了CL20/DNB共晶和CL20的活化能。

（3）探索了DNB、CL20和CL20/DNB共晶系统在飞秒激光侵蚀过程的物理和化学响应。发现了CL20/DNB共晶系统的温度和压力在飞秒激光加载过程中出现阶跃,激光加载过程后系统有一个冷却过程。在飞秒激光加载后CL20和CL20/DNB 共晶系统触发反应均为CL20分子中的N-NO₂断裂;CL20系统中的

CL20分子分解速率大于CL20/DNB共晶系统,这可能是因为共晶系统在反应初期

具有大量的DNB分子以及分解产物中含有比较稳定的苯环减少了CL20及其产物之间的有效碰撞。（4）采用结合ReaxFF/lg和MSST技术的分子动力学方法研究了CL20/DNB共晶、CL20和DNB系统的冲击起爆机理。

首先,研究了沿x、y和z三个不同方向以不同的冲击波速度冲击压缩

CL20/DNB共晶系统的过程,得到了CL20/DNB共晶的沿y方向的冲击感度明显低

于x和z方向的冲击感度,x和z方向冲击感度相近的结论。然后,通过模拟不同

冲击波速冲击压缩CL20/DNB共晶、CL20和DNB系统的过程,获得了不同系统的热力学参数、势能、总物种数的演化曲线;引发不同系统发生反应的最小冲击波速度、冲击起爆压力;分析了不同系统中的CL20和DNB的衰减过程。综上得到了CL20/DNB共晶技术有效的降低了CL20的冲击感度的结论。（5）研究了

Al-O₂和Al-H₂O系统的初始氧化机理,得到了

Al-O₂系统中,环境温度决定初始氧化过程铝团簇周围是否出现单独Al原子,且存在一个温度阈值;Al-H₂O系统中水分子对铝团簇表面吸附的水分子离解过程具有促进作用等结论。