纳米炸药结构、性能以及形成机理的理论研究

Nano explosives, a kind of novel energetic materials, have high rate of energy relase, energy controlling, high combustion rate, low sensitivity, etc. They have been appllied widely in the field of national defense and national economy. In order to optimize the preparation methods of nano explosives and to develop nano explosives with excellent performance, it is imperative to understood the effecs of surface, small size, and quantum size on the structure, properties, formation mechanisms, etc. of the nano explosives deeply. Density functional theory, density functional tight binding, classical molecular dynamics (MD), and quantum MD (ab initio MD and semi-empirical quantum MD) methods will be used in this project to study the effects of surface on the structure, molecular vibrational spectra, and thermal decomposition mechanisms of typical nano explosives. We will investigate the effects of small size on their combustion mechanisms. The effects of quantum size on their electronic structure and their formation mechanims in different solvents are also studied. The regular relationships between structure and property for the nano explosives are discussed. Our above systematic studies are helpful for discovering the microcosmic essence for new performance and formation mechanisms of the nano explosives and guiding theoretical designs, synthesis, and safety use of excellent nano explosives.

纳米炸药作为一类新型含能材料，具有能量释放速率高，能量可控，燃烧效率高，敏感度低等优点，在国防和国民经济诸多领域有着广阔的应用前景。为了优化纳米炸药的制备方法和发展综合性能优异的纳米炸药，人们迫切需要深刻认识表面效应、小尺寸效应和量子尺寸效应对纳米炸药结构、性质、形成机理等的影响规律。本项目拟采用密度泛函理论、密度泛函紧束缚、经典分子动力学（MD）和量子MD（包括从头算和半经验量子MD）方法，研究表面效应对典型纳米炸药的结构、能量性质、振动光谱以及热分解机理的影响；模拟小尺寸效应对纳米炸药燃烧反应机理的影响；研究量子尺寸效应对纳米炸药电子结构的影响；模拟不同溶剂中纳米炸药的形成机理。总结纳米炸药结构与性质之间的规律性联系。通过上述系统研究，一方面能阐明纳米炸药新特性和形成机理的微观本质，同时还可用于指导品优纳米炸药的理论设计、合成制备以及安全使用。

纳米炸药作为一类新型含能材料，具有能量释放速率高，能量可控，燃烧效率高，敏感度低等优点，在国防和国民经济诸多领域有着广阔的应用前景。为了优化纳米炸药的制备方法和发展综合性能优异的纳米炸药，人们迫切需要深刻认识表面效应、小尺寸效应和量子尺寸效应对纳米炸药结构、性质、形成机理等的影响规律。本项目拟采用密度泛函理论、密度泛函紧束缚、经典分子动力学（MD）和量子MD（包括从头算和半经验量子MD）方法，研究表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应对纳米炸药颗粒结构和性质的影响；研究不同溶剂中纳米炸药的稳定性和形成机理。炸药纳米颗粒表面分子能量储存显著高于体相，从而导致其纳米颗粒升华焓降低，熔点降低。其纳米颗粒表面不同暴露晶面表现出各向异性。炸药纳米颗粒的电子性质既不同于其气态分子，也不同于固态晶体。其纳米颗粒中价带顶总是局域于颗粒上表面能最高的表面。炸药纳米颗粒中各种振动模式的振动频率受表面影响变化很大，从而导致其振动谱带变宽。这将增加能量向体系中分子传递的几率，促进了炸药分解。因此，炸药纳米颗粒表面分子的高反应性促进了其初始化学分解，进而降低其热稳定性。温度升高加快了纳米炸药颗粒热分解反应。其最终产物主要为CO、CO2、H2O、N2和H2等。炸药纳米颗粒的粒径越小，其分解和燃烧反应越激烈。炸药分子与溶剂分子之间形成的氢键是形成溶剂化物的主要驱动力。在温度影响下，炸药溶剂化物表面层溶剂分子开始解组装，而炸药分子基本保持原状，解离出的溶剂分子在表面游离。温度升高导致溶解分子解组装效应很明显。施加电场的强度越大，炸药溶剂化物的稳定性越弱；其溶剂分子可沿着溶剂通道移动到晶体表面，然后离开晶体表面，从而实现溶剂化物的电场辅助去溶剂化。该研究结果有助于阐明纳米炸药新特性和形成机理的微观本质，同时还可用于指导品优纳米炸药的理论设计、合成制备以及安全使用。