张凯华开题报告PPT课件.ppt

1、1 1研究意义和研究现状研究意义和研究现状研究内容和方案研究内容和方案研究进度及预期研究成果研究进度及预期研究成果目前进展目前进展2 2硅橡胶是一种直链状的高分子量的聚有机硅氧烷，硅橡胶是一种直链状的高分子量的聚有机硅氧烷，其结构通式其结构通式为为: : 通式中，通式中，n n代表链段数，代表链段数，R R 是烷基或羟基，是烷基或羟基，R R通常是甲基通常是甲基。：吸附性能高：吸附性能高 热稳定性好热稳定性好 化学性质稳定化学性质稳定 机械强度较高等机械强度较高等 3 3不同纳米材料对硅橡胶的改性复合使其具有更高的不同纳米材料对硅橡胶的改性复合使其具有更高的性能性能，如利用纳米，如利用纳米Si

2、OSiO2 2 可以可以增强硅橡胶的拉伸强度、增强硅橡胶的拉伸强度、撕裂强度、扯断伸长率等力学性能撕裂强度、扯断伸长率等力学性能。纳米硅橡胶具有纳米级的开放孔道，孔道表面亲纳米硅橡胶具有纳米级的开放孔道，孔道表面亲/ /疏疏水性质的灵活控制，不但可以方便的修饰孔道表面，水性质的灵活控制，不但可以方便的修饰孔道表面，也使其可以容纳不同种类的客体分子，形成性能各也使其可以容纳不同种类的客体分子，形成性能各异的复合材料，构成各种应用研究所需要的基本条异的复合材料，构成各种应用研究所需要的基本条件。件。4 4含能材料通常是指包含有硝基、叠氮基团等含能材料通常是指包含有硝基、叠氮基团等的有机分子。的有机

3、分子。发生化学反应时，反应迅速，放出大发生化学反应时，反应迅速，放出大量热，且在高温下形成气体产物量热，且在高温下形成气体产物 。当前主要的含能材料有当前主要的含能材料有 TNTTNT、HMXHMX、RDXRDX、TATBTATB、CL-20CL-20、TNAZTNAZ、MATBMATB等等5 5为了提高含能材料的性能或为实现某一特殊性能，为了提高含能材料的性能或为实现某一特殊性能，通常需要将含能材料与其它材料进行复合。复合的通常需要将含能材料与其它材料进行复合。复合的方式多种多样，如方式多种多样，如：1 1）为了改善和提高超细含能材料的实际使用效果，为了改善和提高超细含能材料的实际使用效果，

4、可以通过对纳米含能材料颗粒进行包覆制备核可以通过对纳米含能材料颗粒进行包覆制备核- -壳型壳型复合材料；复合材料；2 2）为了降低某些高能炸药的感度，需要加入惰性组为了降低某些高能炸药的感度，需要加入惰性组分，可通过采用溶胶分，可通过采用溶胶- -凝胶法制备既含有高能炸药，凝胶法制备既含有高能炸药，又具有网络状惰性骨架的含能复合材料；又具有网络状惰性骨架的含能复合材料；6 6纳米硅橡胶与含能材料存在结构上的关联。纳米硅橡胶与含能材料存在结构上的关联。如如纳米纳米硅橡胶一般并不含有能量，但结构高硅橡胶一般并不含有能量，但结构高度有序；而含能材料通常具有较高的能量密度有序；而含能材料通常具有较高的

5、能量密度，但结构有序度差度，但结构有序度差。7 7能够揭示能够揭示含能材料含能材料性能的微性能的微观本质观本质 实验研究成本昂贵实验研究成本昂贵研究周期长研究周期长环境友好性差环境友好性差计算与模拟计算与模拟8 81.1.通过对含能材料的计算模拟可以得到如下性质通过对含能材料的计算模拟可以得到如下性质: : 生成热、键能和反应能、分子生成热、键能和反应能、分子( (或晶体或晶体) ) 的能量和结构的能量和结构( (热化学稳定性热化学稳定性) )、过渡态的能量和结构、过渡态的能量和结构( (活化能活化能) )、反应、反应路径以及动力学和机理、路径以及动力学和机理、 分子中的电荷分布分子中的电荷分

6、布( (反应点反应点) )、取代效应、振动频率等。、取代效应、振动频率等。2.2.对这些性质的预测，在含能材料中具有很多实用价对这些性质的预测，在含能材料中具有很多实用价值，值， 如如: : 可以研究合成路径、反应产物以及爆轰引发可以研究合成路径、反应产物以及爆轰引发的机理等。的机理等。 3.3.减少实验次数，缩短研究周期，提高研究效率减少实验次数，缩短研究周期，提高研究效率 ，降，降低研究成本等。低研究成本等。9 9对含能材料的计算研究涉及的时间和空间尺度涵盖了从对含能材料的计算研究涉及的时间和空间尺度涵盖了从 ps ms ps ms，nm mmnm mm没有一种计算方法能适用于这样广泛的尺

7、度范围没有一种计算方法能适用于这样广泛的尺度范围多尺度方法多尺度方法利用不同模拟方法从多个尺度进行研究利用不同模拟方法从多个尺度进行研究1010分子力场分子力场（force force fieldfield）非反应力场非反应力场（non-non-reactive FFreactive FF）反应力场反应力场（ReaxFFReaxFF）如如CHARMMCHARMM、AMBERAMBER、GROMACSGROMACS势函数势函数不能描述键的生不能描述键的生成与断裂成与断裂键级键级（bond orderbond order）能描述键的生成能描述键的生成与断裂与断裂适合描述高温高适合描述高温高压下凝聚

8、态化合压下凝聚态化合物体系物体系利用量子化学计算、利用量子化学计算、ReaxFFReaxFF和分子动力学方法在微观的电和分子动力学方法在微观的电子和原子尺度上进行研究子和原子尺度上进行研究1111翟云龙和董晓（待发表）通过翟云龙和董晓（待发表）通过ReaxFF MD ReaxFF MD 研究了研究了TNAZ/JUPSESTNAZ/JUPSES共熔物的相图和热力学性能，计算结共熔物的相图和热力学性能，计算结果与实验值符合得较好。果与实验值符合得较好。Kimberly Chenoweth and Goddard Kimberly Chenoweth and Goddard 等（等（20052005

9、）使）使用用ReaxFFReaxFF来模拟聚二甲基硅氧烷（来模拟聚二甲基硅氧烷（PDMSPDMS）的热分解）的热分解过程，通过增加一系列过程，通过增加一系列QMQM数据到数据到ReaxFFReaxFF中中来描述来描述PDMSPDMS中的中的Si-CSi-C、Si=CSi=C以及以及含含Si-CSi-C的键角的键角的的相对能，相对能，生成生成了了一个适合描述一个适合描述PDMSPDMS分解的分解的ReaxFFReaxFF，用这个力，用这个力场来研究温度和压力对场来研究温度和压力对PDMSPDMS稳定性的影响。另外稳定性的影响。另外，还研究了几种添加剂如水、还研究了几种添加剂如水、SiOSiO2

10、2、O O3 3和和NONO对对PDMSPDMS稳稳定性的影响。所有的结果与有效的实验数据相一定性的影响。所有的结果与有效的实验数据相一 致，证实了致，证实了ReaxFFReaxFF为研究聚合物的稳定性提供了有为研究聚合物的稳定性提供了有用的计算工具。用的计算工具。1212Philip T. Shemella Philip T. Shemella 等等 (2011) (2011) 使用大规模的原子模使用大规模的原子模拟，描述了一个以拟，描述了一个以PDMSPDMS为基础的非晶态的混合材料为基础的非晶态的混合材料在原子水平上的分子运动。模拟结果表明，局部特在原子水平上的分子运动。模拟结果表明，局

11、部特性有助于增强以局部结构和静电环境为特点的分子性有助于增强以局部结构和静电环境为特点的分子运动，在此基础上，由合适的扩散性质组成的分子运动，在此基础上，由合适的扩散性质组成的分子可以用来设计并提高材料的性能。可以用来设计并提高材料的性能。Zhang and Goddard Zhang and Goddard 等等(2009)(2009)通过通过ReaxFF MD ReaxFF MD 研研究了究了TATBTATB和和HMXHMX的热分解。在的热分解。在TATBTATB和和HMXHMX的热分的热分解中有碳团簇形成，而二者生成的碳团簇差别很大解中有碳团簇形成，而二者生成的碳团簇差别很大，TATBT

12、ATB会快速产生大的碳团簇，而会快速产生大的碳团簇，而HMXHMX的热分解几的热分解几乎只产生小的含碳产物，研究表明了运用乎只产生小的含碳产物，研究表明了运用ReaxFFReaxFF的的分子动力学模拟可以从微观上给出含能材料热分解分子动力学模拟可以从微观上给出含能材料热分解的机制。的机制。1313Van DuinVan Duin和和GoddardGoddard等（等（20052005）还用）还用ReaxFFReaxFF研究研究了其他系统的反应过程：有机反应；含能材料（了其他系统的反应过程：有机反应；含能材料（EMsEMs）的反应，比如像在极端条件下）的反应，比如像在极端条件下RDXRDX以及以

13、及HMXHMX的反的反应；临时爆炸装置的分解，比如应；临时爆炸装置的分解，比如TATPTATP（三丙酮三过（三丙酮三过氧化物）；聚合物的热分解，比如硅树脂；金属与金氧化物）；聚合物的热分解，比如硅树脂；金属与金属氧化物界面摩擦的研究；催化碳纳米管的形成；属氧化物界面摩擦的研究；催化碳纳米管的形成；镁纳米簇中氢气的储存；镁纳米簇中氢气的储存；Si/SiOSi/SiO2 2的氧化作用；硅晶的氧化作用；硅晶体中裂痕扩展；金属体中裂痕扩展；金属PtPt表面表面H H2 2的分解；非均相催化的分解；非均相催化剂剂BiMoOxBiMoOx上丙烯的选择性氧化；燃料电池里的催化上丙烯的选择性氧化；燃料电池里的

14、催化作用和离子转移等。作用和离子转移等。1414本课题以纳米硅橡胶和含能材料之间的相互作用为本课题以纳米硅橡胶和含能材料之间的相互作用为主要研究对象。在主要研究对象。在DFTDFT水平上，通过量子化学计算，水平上，通过量子化学计算，获得获得hydroxy-terminated siloxane (hydroxy-terminated siloxane (端羟基硅氧烷端羟基硅氧烷) )晶体及含有晶体及含有C C、H H、O O、N N、SiSi原子的小分子的势能曲原子的小分子的势能曲线图及状态方程。在这些数据的基础上优化适于线图及状态方程。在这些数据的基础上优化适于HMXHMX、RDXRDX、T

15、NTTNT以及硅橡胶的以及硅橡胶的ReaxFFReaxFF参数，并通参数，并通过过ReaxFF MD ReaxFF MD 研究含有研究含有hydroxy-terminated hydroxy-terminated siloxane siloxane 及及 HMX/RDX/TNT HMX/RDX/TNT的复合材料对热与冲击的复合材料对热与冲击的反应。的反应。16161. 1. 含有含有C C、H H、O O、N N、SiSi的小分子的量子化学计算：的小分子的量子化学计算：在在DFTDFT水平上（水平上（B3lyp/6-311+gB3lyp/6-311+g* * *）对分子几何结）对分子几何结构进

16、行优化构进行优化及频率分析及频率分析，分析分子的热力学性能，分析分子的热力学性能，给出势能曲面在不同键长、键角给出势能曲面在不同键长、键角、二面角的扫描以二面角的扫描以及可能的过渡态。及可能的过渡态。2. 2. 在在DFTDFT水平上（水平上（B3lyp/6-311+gB3lyp/6-311+g* * *）对）对hydroxy-hydroxy-terminated siloxaneterminated siloxane在不同晶格上进行计算。在不同晶格上进行计算。3. 3. 由步骤由步骤1 1和和2 2中所获得的数据优化中所获得的数据优化ReaxFFReaxFF参数。参数。4. 4. 利用步骤利

17、用步骤3 3中所获得的中所获得的ReaxFFReaxFF参数进行分子动力参数进行分子动力学模拟，研究纳米硅橡胶学模拟，研究纳米硅橡胶/(HMX/(HMX、RDXRDX、TNT)TNT)复合复合系统的热力学性能以及对热、冲击的系统的热力学性能以及对热、冲击的响响应。应。17171.1.由由Gaussian 09Gaussian 09软件作量子化学计算；软件作量子化学计算；2.2.通过由董晓老师编写的软件拟合反应力场通过由董晓老师编写的软件拟合反应力场参数；参数；3.3.由由LAMMPSLAMMPS软件作分子动力学模拟；软件作分子动力学模拟；4.4.通过由董晓老师编写的软件研究体系的热通过由董晓老

18、师编写的软件研究体系的热力学性能力学性能和和动力学性能；动力学性能；1818 查阅文献，进行课题的前期探索，整理文献综述和开查阅文献，进行课题的前期探索，整理文献综述和开题报告。题报告。 利用利用Gaussian 09Gaussian 09等软件对等软件对一些含有一些含有C C、H H、O O、N N、SiSi的小分子的小分子进行量子化学计算进行量子化学计算，拟合反应力场参数。，拟合反应力场参数。 由由LAMMPSLAMMPS软件作分子动力学模拟软件作分子动力学模拟，研究体系的热，研究体系的热力学性能和动力学性能。力学性能和动力学性能。 论文撰写及答辩论文撰写及答辩。 19191.1.在高性能

19、工作站和集群机上进行量子化学计算和大在高性能工作站和集群机上进行量子化学计算和大规模分子动力学模拟，获得微观尺度上纳米硅橡胶规模分子动力学模拟，获得微观尺度上纳米硅橡胶和含能材料间的相互作用和含能材料间的相互作用。2.2.获得完整的含有获得完整的含有C C、H H、O O、N N、SiSi的反应力场模型。的反应力场模型。3.3.通过自编软件研究体系的热力学性能、动力学性能。通过自编软件研究体系的热力学性能、动力学性能。2020主要对几个含有主要对几个含有C C、H H、O O、N N、SiSi的小分子进行了量子化的小分子进行了量子化学计算学计算如如C C6 6H H1515NOSi NOSi

20、、C C8 8H H2121NOSiNOSi2 2 、C C1313H H2323NOSiNOSi2121C C6 6H H1515NOSiNOSi分子中分子中Si1-C4Si1-C4、Si1-C5Si1-C5的势能曲线图的势能曲线图C-Si从1.2-4.1键的可伸缩性强，平衡键长为1.752222C C6 6H H1515NOSiNOSi分子中分子中C8-C9C8-C9、N3-C8N3-C8的势能曲线图的势能曲线图C-C从0.8-3.7键的可伸缩性强，平衡键长为1.5C-N从0.8-2.9键的可伸缩性强，平衡键长为1.252323C C8 8H H2121NOSiNOSi2 2 分子中分子中

21、Si1-C5Si1-C5、Si1-C6Si1-C6的势能曲线图的势能曲线图C-Si从1.2-4.1键的可伸缩性强，平衡键长为1.852424C C8 8H H2121NOSiNOSi2 2 分子中分子中Si2-C8Si2-C8、Si2-C10Si2-C10的势能曲线图的势能曲线图C-Si从1.2-4.1键的可伸缩性强，平衡键长为1.92525C C8 8H H2121NOSiNOSi2 2 分子中分子中Si2-N4Si2-N4、N4-C11N4-C11的势能曲线图的势能曲线图N-Si从1.2-4.1键的可伸缩性强，平衡键长为1.75C-N从0.8-2.9键的可伸缩性强，平衡键长为1.252626C C8 8H H2121NOSiNOSi2 2 分子中分子中Si1-O3Si1-O3的势能曲线图的势能曲线图27272828