含能材料一般都具有高能量、高密度、在短時間內能釋放出大量能量等特性，在國防和商業(yè)領域有著廣泛的應用。含能材料的晶體結構一般能保持分子結合鍵的穩(wěn)定，直到外界施以足夠的刺激導致其開始熱分解，它們的宏觀行為變化最終是由其微觀性質如晶體結構、電子結構、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測含能材料的某些特性（如撞擊感度、反應熱、爆炸熱、結晶形貌等），還可以觀察到原子水平上和飛秒時間尺度的快速化學反應過程，與實驗相比，在時間成本、物質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知識，重點對分子動力學方法在含能材料中的應用進行了論述。第2章介紹了分子模擬中的分子力場方法、晶體生長預測模型和電子結構分析方法。第3章系統(tǒng)論述了反應分子動力學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用。含能材料的反應機理等相關問題與其在生產、儲存、運輸、起爆等過程中的安全性有著密切的聯系，應用分子動力學模擬方法研究含能材料在爆炸熱分解過程中的反應機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計和改進含能材料。第4章系統(tǒng)論述了分子動力學方法在含能材料結晶形貌預測等方面的研究應用。炸藥技術研究的發(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上，改變炸藥的物理性能從而調控其安全性能是解決炸藥高能與安全可靠性矛盾的關鍵。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。應用分子動力學模擬方法對結晶過程進行模擬，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模擬方法在高聚物黏結炸藥配方設計中的研究應用工作。高聚物黏結炸藥（PBX）較單質炸藥而言，具有更多優(yōu)良的綜合性能，如較高的能量密度、優(yōu)良的力學性能和較高的安全性能等。應用分子動力學模擬方法研究PBX的結構與性能，可為其配方設計提供信息、規(guī)律和指導。第6章介紹了分子模擬方法在典型耐熱含能材料的結構及性能等方面的研究應用。
本書在撰寫過程中得到了課題組成員的大力支持與幫助，書中也借鑒了國內外相關領域學者們的科學研究成果，在此一并表示誠摯的謝意。另外，感謝中北大學化學與化工學院各位領導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容做出的貢獻。感謝化學工業(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基金（11447219）、山西省自然科學青年基金（201801D221035）、山西省自然科學面上基金（20210302123055）等項目的經費資助，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分子力學方法2
1.2.2分子動力學模擬2
1.2.3蒙特卡羅模擬2
1.2.4從頭算分子動力學3
1.3分子動力學模擬在含能材料中的應用3
1.3.1分子動力學模擬在熱分解中的應用3
1.3.2分子動力學模擬在晶體形貌中的應用4
參考文獻5
第2章分子模擬8
2.1分子力場方法8
2.1.1經典力場8
2.1.2反應性力場10
2.2晶體生長預測模型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各生長預測模型的分析比較15
2.3電子結構分析方法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18
第3章含能材料熱分解反應分子動力學模擬22
3.1引言22
3.2高溫下RDX熱分解反應分子動力學模擬22
3.2.1模擬細節(jié)與計算方法22
3.2.2模擬結果與分析23
3.2.3小結28
3.3高溫下TNT熱分解反應分子動力學模擬28
3.3.1模擬細節(jié)與計算方法28
3.3.2模擬結果與分析28
3.3.3小結31
3.4高溫下HMX熱分解反應分子動力學模擬32
3.4.1模擬細節(jié)與計算方法33
3.4.2模擬結果與分析33
3.4.3小結37
3.5高溫下HMX/Poly-NIMMO基混合炸藥分解機制38
3.5.1模擬細節(jié)與計算方法38
3.5.2模擬結果與分析39
3.5.3小結54
3.6高溫下HMX/HTPB基混合炸藥分解機理56
3.6.1模擬細節(jié)與計算方法56
3.6.2模擬結果與分析58
3.6.3小結72
3.7高溫下HMX/CL-20基混合炸藥分解機理73
3.7.1模擬細節(jié)與計算方法73
3.7.2模擬結果與分析75
3.7.3小結90
3.8高溫下HMX/DNAN基混合炸藥分解機理90
3.8.1模擬細節(jié)與計算方法90
3.8.2模擬結果與分析91
3.8.3小結106
參考文獻107
第4章含能材料結晶形貌的理論預測113
4.1引言113
4.2TKX-50晶體形貌預測113
4.2.1模擬細節(jié)與計算方法114
4.2.2TKX-50分子結構的溶劑效應研究115
4.2.3真空中TKX-50晶體生長形態(tài)預測120
4.2.4單溶劑中TKX-50晶體生長形態(tài)預測125
4.2.5FA/H2O混合溶劑中TKX-50晶體生長形態(tài)預測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155
4.3HMX晶體形貌預測157
4.3.1模擬細節(jié)與計算方法158
4.3.2真空中HMX晶體形貌的預測158
4.3.3單溶劑中HMX晶體形貌預測163
4.3.4混合溶劑中HMX晶體形貌預測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184
4.4RDX晶體形貌預測185
4.4.1模擬細節(jié)與計算方法185
4.4.2混合溶劑中RDX晶體形貌預測186
4.4.3小結193
4.5BTO晶體形貌預測193
4.5.1模擬細節(jié)與計算方法194
4.5.2模型尺寸對計算的影響196
4.5.3BTO晶體結構分析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晶體形貌預測201
4.5.6小結203
參考文獻204
第5章高聚物黏結炸藥力學性能的分子動力學模擬210
5.1引言210
5.2ε-CL-20/F2311 PBX力學性能和結合能的分子動力學模擬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力學性能和結合能的影響211
5.2.4溫度對PBX力學性能和結合能的影響213
5.2.5小結214
5.3HNS/EP-35 PBX力學性能的分子動力學模擬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力學性能的影響216
5.3.4溫度對PBX力學性能的影響217
5.3.5小結218
5.4PYX基PBX力學性能和結合能的分子動力學模擬218
5.4.1聚合物與PYX分子間相互作用219
5.4.2PYX不同晶面與黏結劑構建的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245
第6章耐熱含能化合物結構與性能的研究248
6.1引言248
6.2四種耐熱含能化合物電子結構的第一性原理研究248
6.2.1計算方法249
6.2.2分子結構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晶胞結構優(yōu)化258
6.3.3約化密度梯度函數(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263
6.4四種耐熱含能化合物熱分解反應分子動力學研究264
6.4.1模擬方法265
6.4.2勢能(PE)演化267
6.4.3反應物分子數量演化269
6.4.4產物分析270
6.4.5反應動力學參數分析271
6.4.6小結277
參考文獻278
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