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第1章 分子动力学理论基础 1

1.1 引论 1

1.2 经典分子动力学 2

1.2.1 力场 3

1.2.2 系综 5

1.2.3 边界条件 5

1.2.4 数值解法 5

1.2.5 MD计算流程 7

1.3 量子分子动力学 8

1.3.1 Hartree-Fock（HF）方程 9

1.3.2 Kohn-Sham（KS）方程 10

1.3.3 从头算MD方法 11

1.3.4 从头算MD计算流程 13

参考文献 13

第2章 力场参数优化 15

2.1 力场函数形式和参数化方法 15

2.2 高氯酸铵（AP）的力场参数 17

2.2.1 AP的力场参数 17

2.2.2 AP力场参数验证 18

2.3 硝基胍（NQ）的力场参数 20

2.3.1 NQ的力场参数 20

2.3.2 NQ力场参数验证 22

2.4 二氧化硅（SiO2）的力场参数 24

2.4.1 SiO2的力场参数 24

2.4.2 SiO2力场参数验证 25

参考文献 26

第3章 MD模拟的模型构建 28

3.1 β-HMX不同超晶胞的MD模拟 28

3.1.1 模型搭建和模拟细节 29

3.1.2 β-HMX在不同超胞下的MD模拟晶胞参数 31

3.1.3 β-HMX晶体的引发键N—N键长分布 32

3.1.4 β-HMX晶体引发键连双原子作用能 33

3.1.5 β-HMX晶体的力学性能 34

3.2 TATB／氟聚物PBX的模型构建 35

3.2.1 TATB晶体和氟聚物 36

3.2.2 TATB晶体和TATB/PCTFEPBX的力学性能——吸附包覆模型 37

3.2.3 TATB晶体和TATB／氟聚物PBX的力学性能——渗透添加模型 38

3.2.4 TATB／氟聚物PBX沿不同晶面的力学性能——切割分面模型 41

3.2.5 本节小结 42

3.3 高聚物链数和链节数的选取 43

3.3.1 HMX/F2311 PBX的MD模拟 43

3.3.2 RDX/PS PBX的MD模拟 46

参考文献 50

第4章 力学性能预测的理论和方法 54

4.1 应力、应变和广义胡克定律 54

4.1.1 应力 54

4.1.2 应变 56

4.1.3 应力与应变的关系 57

4.1.4 弹性系数矩阵讨论 58

4.2 微观力学模型与宏观力学性质 60

4.2.1 原子水平力学模型 60

4.2.2 宏观力学性质 60

4.3 弹性、塑性与断裂 61

4.4 弹性力学性能模拟 62

4.4.1 静态分析法及其应用示例 62

4.4.2 波动分析法及其应用示例 65

参考文献 66

第5章 感度的微观理论判别 67

5.1 感度理论研究的历史回顾 67

5.1.1 高能分子QC计算，撞击感度的热力学和动力学判据 68

5.1.2 高能晶体QC计算和从头算MD模拟，前沿能隙判据 69

5.2 引发键的键长统计分布 70

5.2.1 HMX和RDX晶体的引发键键长分布 70

5.2.2 HMX和RDX基PBX中引发键的键长分布 71

5.3 感度的引发键最大键长判据 72

5.3.1 不同配比、不同温度的AP/HMX和AP/NG体系 73

5.3.2 不同配比多组分体系和不同温度PBX 78

5.4 感度的引发键连双原子作用能判据 81

5.4.1 不同温度下的HMX（100）晶体和HMX（100）/F2311 PBX的能量性质 81

5.4.2 不同F2311浓度下HMX/F2311 PBX的能量性质 86

5.4.3 对相关函数及其对界面作用的分析 89

5.5 力学性能与感度的关系 94

5.5.1 不同F2311浓度下HMX（100）/F2311 PBX的力学性能 95

5.5.2 不同温度下HMX（100）晶体和HMX（100）/F2311 PBX的力学性能 96

5.5.3 本节小结 99

参考文献 100

第6章 单体炸药的结构和性能 105

6.1 RDX晶体的热膨胀和力学性能 105

6.1.1 模型搭建、模拟细节和平衡结构下的晶胞参数 105

6.1.2 不同温度下的晶体结构和热膨胀系数 107

6.1.3 不同温度下的力学性能 110

6.2 β-HMX晶体的热膨胀系数、感度判据和力学性能 113

6.2.1 β-HMX晶体在不同温度下的晶胞参数和热膨胀系数 113

6.2.2 β-HMX晶体的感度判别和力学性能 116

6.3 RDX和HMX的感度和力学性能的MD比较研究 120

6.3.1 MD模拟方法和细节 121

6.3.2 感度与引发键最大键长的关系 124

6.3.3 感度与引发键连双原子作用能的关系 125

6.3.4 感度与内聚能密度的关系 127

6.3.5 弹性力学性能比较 128

6.3.6 本节小结 129

6.4 PETN晶体的感度判别和力学性能预测 129

6.4.1 模型搭建和模拟细节 130

6.4.2 PETN晶体的晶胞参数 132

6.4.3 感度的引发键最大键长判据 132

6.4.4 感度的引发键连双原子作用能判据 134

6.4.5 感度的内聚能密度判据 135

6.4.6 力学性能比较 136

6.4.7 本节小结 138

6.5 ε-CL-20晶体的感度判别和力学性能研究 139

6.5.1 力场、模型和模拟 139

6.5.2 晶胞参数 141

6.5.3 感度与引发键键长的关系 142

6.5.4 引发键连双原子作用能 143

6.5.5 内聚能密度 144

6.5.6 力学性能 145

6.5.7 本节小结 147

参考文献 147

第7章 TATB基PBX的结构和性能 153

7.1 TATB／氟聚物PBX沿不同晶面的力学性能——温度的影响 153

7.1.1 模型构建和模拟方法 153

7.1.2 常温常压下四种聚合物黏结TATB不同晶面的力学性能 155

7.1.3 温度对F2311黏结TATB（001）面力学性能的影响 158

7.1.4 本节小结 160

7.2 TATB／氟聚物PBX沿不同晶面的结合能 161

7.2.1 PBX的平衡示例 162

7.2.2 结合能计算 162

7.2.3 径向分布函数分析 164

7.3 不同浓度和温度下TATB/PCTFE PBX的力学性能和结合能 165

7.3.1 计算模型和平衡结构 165

7.3.2 PCTFE浓度对TATB基／PCTFE PBX力学性能的影响 166

7.3.3 不同PCTFE浓度下TATB/PCTFE PBX的结合能 169

7.3.4 TATB/PCTFE PBX在不同温度下的力学性能和结合能 170

7.4 TATB／氟聚物PBX的力学性能、结合能和爆炸性能 171

7.4.1 模型构建和计算方法 171

7.4.2 TATB／氟聚物的力学性能 172

7.4.3 TATB／氟聚物PBX的结合能 174

7.4.4 TATB晶体和TATB／氟聚物PBX的爆炸性能 174

7.4.5 本节小结 175

7.5 温度对TATB和TATB/F2311 PBX力学性能和结合能的影响 176

7.5.1 模型搭建和模拟细节 176

7.5.2 平衡判别和平衡结构 177

7.5.3 纯TATB和TATB/F2311在不同温度下的力学性能 179

7.5.4 温度对TATB/F2311 PBX结合能的影响 181

7.5.5 本节小结 182

参考文献 182

第8章 RDX基PBX的结构和性能 184

8.1 RDX／氟聚物PBX的力学性能、结合能和爆炸性能 184

8.1.1 计算方法、模型和平衡结构 184

8.1.2 RDX／氟聚物PBX的力学性能 186

8.1.3 RDX／氟聚物PBX的结合能 189

8.1.4 RDX／氟聚物PBX的爆炸性能 190

8.1.5 本节小结 190

8.2 温度对RDX/F2311 PBX力学性能和结合能的影响 191

8.2.1 计算方法、模型和平衡结构 191

8.2.2 温度对力学性能的影响 193

8.2.3 温度对结合能的影响 196

8.2.4 对相关函数分析 198

8.2.5 本节小结 199

8.3 RDX/PS-PBX的结构、能量及其与感度的关系 200

8.3.1 MD模型搭建和模拟 200

8.3.2 感度与引发键最大键长（Lmax）的关系 200

8.3.3 感度与相互作用能的关系 201

8.3.4 本节小结 204

8.4 PBX-9007的力学性能和结合能 205

8.4.1 模型搭建和平衡结构 205

8.4.2 弹性力学性能比较 207

8.4.3 结合能比较 207

参考文献 208

第9章 HMX基PBX的结构和性能（Ⅰ） 210

9.1 HMX／氟聚物PBX的结合能和力学性能 210

9.1.1 计算方法和细节 210

9.1.2 HMX／高聚物原子簇的MM和MO结合能 212

9.1.3 HMX晶体和HMX／氟聚物PBX的力学性能 213

9.1.4 本节小结 216

9.2 温度对HMX和HMX/F2311 PBX力学性能和结合能的影响 216

9.2.1 考察力场实用性和平衡判别 217

9.2.2 温度对纯β-HMX晶体力学性能的影响 219

9.2.3 温度对HMX/F2311 PBX结构参数和密度的影响 220

9.2.4 温度对HMX/F2311 PBX力学性能的影响 222

9.2.5 温度对HMX/F2311 PBX结合能的影响 224

9.3 HMX和HMX/F2311 PBX的力学性能——不同温度NVT和常温下NPT研究 225

9.3.1 模拟方法和模型 226

9.3.2 HMX晶体和HMX基PBX的常温力学性能 227

9.3.3 不同温度下HMX晶体的力学性能 228

9.3.4 不同温度下HMX基PBX的力学性能 229

9.3.5 HMX和HMX（100）/F2311 PBX的NPT-常温力学性能 230

9.3.6 本节小结 231

参考文献 231

第10章 HMX基PBX的结构和性能（Ⅱ） 234

10.1 HMX/Estane 5703 PBX的界面作用和力学性能 234

10.1.1 高分子、HMX和PBX的模型构建和模拟 234

10.1.2 引发键键长分布和结合能 237

10.1.3 HMX和HMX/Estane PBX的力学性能 239

10.1.4 本节小结 240

10.2 以PEG和HTPB为黏结剂的HMX基PBX 240

10.2.1 模型构建和模拟 241

10.2.2 引发键键长分布和结合能 242

10.2.3 HMX/HTPB和HMX/PEG PBX的力学性能 244

10.2.4 本节小结 245

10.3 JOB-9003四组分PBX的结构与性能 246

10.3.1 模型搭建和模拟计算 246

10.3.2 平衡结构和结合能 247

10.3.3 力学性能比较 248

10.3.4 爆热和爆速 249

10.3.5 钝感剂的致钝机理 250

10.3.6 本节小结 252

10.4 JO-9159四组分PBX的结构和性能 253

10.4.1 模型搭建和模拟计算 253

10.4.2 JO-9159 PBX中的界面作用和结合能 254

10.4.3 JO-9159 PBX等体系的力学性能 258

10.4.4 JO-9159 PBX等体系的爆热和爆速 259

10.4.5 本节小结 260

参考文献 260

第11章 其他基混合炸药的结构和性能 263

11.1 ε-CL-20／氟聚物PBX的力学和爆炸性能 263

11.1.1 力场、模型和模拟平衡 263

11.1.2 力学性能 265

11.1.3 结合能 267

11.1.4 爆炸性能 268

11.2 TNAD／氟聚物PBX的力学和爆炸性能 268

11.2.1 模型搭建和晶胞参数比较 269

11.2.2 力学性能 270

11.2.3 结合能和爆炸性能 272

11.3 PETN基PBX的结合能和力学性能 273

11.3.1 计算方法和模拟细节 274

11.3.2 PETN／高聚物超分子的MM和MO结合能 275

11.3.3 PETN和PETN／氟聚物PBX的常温力学性能 277

11.3.4 不同温度下的力学性能比较 279

11.3.5 本节小结 280

11.4 PETN/TNT混合炸药的感度和力学性能 280

11.4.1 模型构建和MD模拟 280

11.4.2 感度与引发键最大键长的关系 281

11.4.3 感度与相互作用能的关系 283

11.4.4 力学性能比较 286

11.4.5 本节小结 287

参考文献 287

第12章 晶体缺陷对炸药结构和性能的影响 292

12.1 HMX和HMX/HTPB PBX的晶体缺陷研究 292

12.1.1 模型搭建和模拟计算 292

12.1.2 力学性能比较 295

12.1.3 爆炸性能比较 295

12.1.4 电子结构和感度比较 296

12.1.5 本节小结 298

12.2 缺陷对ε-CL-20及其PBX力学性能和结合能的影响 299

12.2.1 模型搭建和模拟 299

12.2.2 力学性能 301

12.2.3 结合能 302

12.3 缺陷对RDX晶体及其PBX感度的影响 302

12.3.1 RDX晶体的位错、空位和掺杂缺陷 303

12.3.2 完美和缺陷RDX晶体的感度比较 306

12.3.3 完美和缺陷RDX（100）基PBX的感度 307

12.4 HMX掺杂（TATB）体系的力学性能和结合能 307

12.4.1 模型、模拟和平衡判别 308

12.4.2 HMX/TATB的力学性能 310

12.4.3 HMX掺杂TATB体系在不同温度下的力学性能 311

12.4.4 温度对HMX/TATB体系结合能的影响 312

12.4.5 本节小结 313

参考文献 314

第13章 火药及其相关体系的结构和性能 316

13.1 几种简单火药模型体系的结构和性能 316

13.1.1 模型搭建和模拟计算 317

13.1.2 力学性能 320

13.1.3 热力学性质 321

13.1.4 爆热、爆速和爆压 322

13.1.5 本节小结 323

13.2 聚环氧乙烷、聚四氢呋喃及其共聚醚的力学性能 323

13.2.1 模型建立和模拟方法 324

13.2.2 力学性能 326

13.3 单一和混合硝酸酯增塑剂的力学性能和界面相互作用 327

13.3.1 理论、方法和模型 327

13.3.2 COMPASS力场对硝化甘油的适用性 329

13.3.3 力学性能分析 329

13.3.4 界面相互作用和结合能 330

13.3.5 界面相互作用的本质 331

13.3.6 本节小结 332

13.4 十种二组分高能体系的结构和性能 333

13.4.1 计算模型和模拟细节 334

13.4.2 结合能和相容性 337

13.4.3 界面作用——对相关函数分析 338

13.4.4 力学性能 341

13.4.5 本节小结 344

13.5 推进剂／衬层的界面固化反应和力学性能 344

13.5.1 模型构建、模拟细节和固化反应展示 344

13.5.2 力学性能比较 349

13.5.3 本节小结 350

参考文献 350

第14章 高能复合材料的理论设计 353

14.1 ε-CL-20基PBX配方设计初探 353

14.1.1 模型构建和模拟细节 354

14.1.2 相容性的结合能判据 355

14.1.3 安全性——致钝机理研究 358

14.1.4 力学性能预示 359

14.1.5 能量性质的定性评估 360

14.1.6 本节小结 361

14.2 四种四组分高能体系的相容性和力学性能 361

14.2.1 模型构建、MD模拟和平衡判别 362

14.2.2 以结合能度量相容性 364

14.2.3 力学性能 367

14.2.4 本节小结 369

14.3 高能复合材料配方设计示例（Ⅰ） 369

14.3.1 （PEG/NG/BTTN）/AP/HMX五组分体系 370

14.3.2 （PEG/NG/BTTN）/AP/HMX/Al六组分体系 371

14.4 高能复合材料配方设计示例（Ⅱ） 372

14.4.1 模型构建、MD模拟和平衡结构 372

14.4.2 组分分子的浓度分布和迁移状况 373

14.4.3 两种配方的力学性能比较 375

14.4.4 两种配方的安全性能比较 376

14.4.5 两种配方的相容性比较 376

14.4.6 本节小结 376

参考文献 377

第15章 炸药晶体结构和性能的从头算MD研究 379

15.1 叠氮化银晶体的温度行为 379

15.1.1 模拟方法 380

15.1.2 径向分布函数 380

15.1.3 晶体结构变化和分解 382

15.1.4 电子结构 385

15.1.5 速度自相关函数能谱 386

15.1.6 本节小结 388

15.2 不同温度下ε-CL-20的晶体结构和感度判别 388

15.2.1 计算方法 389

15.2.2 不同温度下ε-CL-20晶体的能带结构 389

15.2.3 不同温度下ε-CL-20晶体的态密度 389

15.2.4 ε-CL-20晶体能带结构与感度的关联 390

15.2.5 本节小结 392

15.3 冲击加载下三类炸药的引发分解机理 392

15.3.1 模拟方法 394

15.3.2 冲击加载HMX的引发分解机理 394

15.3.3 冲击加载TATB的引发分解机理 398

15.3.4 冲击加载PETN的引发分解机理 402

15.3.5 本节小结 409

参考文献 410

后记 415