含能材料一般都具有高能量、高密度、在短时间内能释放出大量能量等特性，在国防和商业领域有着广泛的应用。含能材料的晶体结构一般能保持分子结合键的稳定，直到外界施以足够的刺激导致其开始热分解，它们的宏观行为变化最终是由其微观性质如晶体结构、电子结构、原子间相互作用力等决定的。因此研究含能材料微观特性对进一步了解其爆炸行为具有很重要的意义。目前的分子模拟理论方法可以预测含能材料的某些特性（如撞击感度、反应热、爆炸热、结晶形貌等），还可以观察到原子水平上和飞秒时间尺度的快速化学反应过程，与实验相比，在时间成本、物质成本和安全性上都具有显著的优势。
全书共分为6章。第1章主要介绍了含能材料和分子模拟的基础知识，重点对分子动力学方法在含能材料中的应用进行了论述。第2章介绍了分子模拟中的分子力场方法、晶体生长预测模型和电子结构分析方法。第3章系统论述了反应分子动力学模拟方法在典型含能材料热分解过程影响等方面的研究应用。含能材料的反应机理等相关问题与其在生产、储存、运输、起爆等过程中的安全性有着密切的联系，应用分子动力学模拟方法研究含能材料在爆炸热分解过程中的反应机理不仅使我们对含能材料本身的特性有更深刻的理解，而且还可以从原子分子水平上设计和改进含能材料。第4章系统论述了分子动力学方法在含能材料结晶形貌预测等方面的研究应用。炸药技术研究的发展趋势是钝感化和高能化，因此在满足各类武器对炸药能量性能、爆轰性能等要求的基础上，改变炸药的物理性能从而调控其安全性能是解决炸药高能与安全可靠性矛盾的关键。其中，炸药的晶体形貌在很大程度上影响着其安定性能、流散性和能量输出。应用分子动力学模拟方法对结晶过程进行模拟，可以为实验筛选合适的溶剂和添加剂。第5章介绍了分子动力学模拟方法在高聚物黏结炸药配方设计中的研究应用工作。高聚物黏结炸药（PBX）较单质炸药而言，具有更多优良的综合性能，如较高的能量密度、优良的力学性能和较高的安全性能等。应用分子动力学模拟方法研究PBX的结构与性能，可为其配方设计提供信息、规律和指导。第6章介绍了分子模拟方法在典型耐热含能材料的结构及性能等方面的研究应用。
本书在撰写过程中得到了课题组成员的大力支持与帮助，书中也借鉴了国内外相关领域学者们的科学研究成果，在此一并表示诚挚的谢意。另外，感谢中北大学化学与化工学院各位领导以及曹端林教授课题组的大力支持；感谢周涛、何磊、任圆圆、陈瑶、贾方硕、李天浩、郭国琦、董羚、贾翔宇、米方琦、宁瑞星等研究生为本书内容做出的贡献。感谢化学工业出版社对本书出版给予的大力支持。此外，本书的研究工作先后获得了国家自然科学基金（11447219）、山西省自然科学青年基金（201801D221035）、山西省自然科学面上基金（20210302123055）等项目的经费资助，研究中所取得的成果均已反映在书中，特此致谢！
由于笔者水平和学识有限，本书难免存在不妥之处，敬请各位读者批评指正。
著者
2024年12月
第1章绪论1
1.1含能材料1
1.2分子模拟方法1
1.2.1分子力学方法2
1.2.2分子动力学模拟2
1.2.3蒙特卡罗模拟2
1.2.4从头算分子动力学3
1.3分子动力学模拟在含能材料中的应用3
1.3.1分子动力学模拟在热分解中的应用3
1.3.2分子动力学模拟在晶体形貌中的应用4
参考文献5
第2章分子模拟8
2.1分子力场方法8
2.1.1经典力场8
2.1.2反应性力场10
2.2晶体生长预测模型11
2.2.1BFDH模型11
2.2.2Gibbs-Wulff晶体生长定律11
2.2.3周期性键链（PBC）理论11
2.2.4附着能（AE）模型12
2.2.5占据率模型14
2.2.6螺旋生长模型14
2.2.7Equilibrium模型15
2.2.8蒙特卡罗模拟15
2.2.9各生长预测模型的分析比较15
2.3电子结构分析方法16
2.3.1Hirshfeld表面和指纹图16
2.3.2约化密度梯度函数分析方法16
2.3.3分子表面静电势17
2.3.4键解离能计算17
2.3.5前线分子轨道17
2.3.6红外振动光谱17
2.3.7态密度18
参考文献18
第3章含能材料热分解反应分子动力学模拟22
3.1引言22
3.2高温下RDX热分解反应分子动力学模拟22
3.2.1模拟细节与计算方法22
3.2.2模拟结果与分析23
3.2.3小结28
3.3高温下TNT热分解反应分子动力学模拟28
3.3.1模拟细节与计算方法28
3.3.2模拟结果与分析28
3.3.3小结31
3.4高温下HMX热分解反应分子动力学模拟32
3.4.1模拟细节与计算方法33
3.4.2模拟结果与分析33
3.4.3小结37
3.5高温下HMX/Poly-NIMMO基混合炸药分解机制38
3.5.1模拟细节与计算方法38
3.5.2模拟结果与分析39
3.5.3小结54
3.6高温下HMX/HTPB基混合炸药分解机理56
3.6.1模拟细节与计算方法56
3.6.2模拟结果与分析58
3.6.3小结72
3.7高温下HMX/CL-20基混合炸药分解机理73
3.7.1模拟细节与计算方法73
3.7.2模拟结果与分析75
3.7.3小结90
3.8高温下HMX/DNAN基混合炸药分解机理90
3.8.1模拟细节与计算方法90
3.8.2模拟结果与分析91
3.8.3小结106
参考文献107
第4章含能材料结晶形貌的理论预测113
4.1引言113
4.2TKX-50晶体形貌预测113
4.2.1模拟细节与计算方法114
4.2.2TKX-50分子结构的溶剂效应研究115
4.2.3真空中TKX-50晶体生长形态预测120
4.2.4单溶剂中TKX-50晶体生长形态预测125
4.2.5FA/H2O混合溶剂中TKX-50晶体生长形态预测133
4.2.6TKX-50溶液生长理论模型比较与分析137
4.2.7TKX-50力场的修正143
4.2.8小结155
4.3HMX晶体形貌预测157
4.3.1模拟细节与计算方法158
4.3.2真空中HMX晶体形貌的预测158
4.3.3单溶剂中HMX晶体形貌预测163
4.3.4混合溶剂中HMX晶体形貌预测171
4.3.5HMX溶液生长理论模型比较与分析177
4.3.6温度对HMX晶体形貌的影响180
4.3.7小结184
4.4RDX晶体形貌预测185
4.4.1模拟细节与计算方法185
4.4.2混合溶剂中RDX晶体形貌预测186
4.4.3小结193
4.5BTO晶体形貌预测193
4.5.1模拟细节与计算方法194
4.5.2模型尺寸对计算的影响196
4.5.3BTO晶体结构分析197
4.5.4BTO在真空中的晶形和晶面分析198
4.5.5甲醇溶剂中BTO晶体形貌预测201
4.5.6小结203
参考文献204
第5章高聚物黏结炸药力学性能的分子动力学模拟210
5.1引言210
5.2ε-CL-20/F2311 PBX力学性能和结合能的分子动力学模拟210
5.2.1计算模型与计算方法211
5.2.2MD模拟211
5.2.3高聚物浓度对PBX力学性能和结合能的影响211
5.2.4温度对PBX力学性能和结合能的影响213
5.2.5小结214
5.3HNS/EP-35 PBX力学性能的分子动力学模拟215
5.3.1计算模型与计算方法215
5.3.2MD模拟216
5.3.3高聚物浓度对PBX力学性能的影响216
5.3.4温度对PBX力学性能的影响217
5.3.5小结218
5.4PYX基PBX力学性能和结合能的分子动力学模拟218
5.4.1聚合物与PYX分子间相互作用219
5.4.2PYX不同晶面与黏结剂构建的PBX体系的MD模拟研究224
5.4.3温度对PYX基PBX体系的影响236
参考文献245
第6章耐热含能化合物结构与性能的研究248
6.1引言248
6.2四种耐热含能化合物电子结构的第一性原理研究248
6.2.1计算方法249
6.2.2分子结构249
6.2.3引发键解离能(BDE)250
6.2.4Mulliken电荷布居分析251
6.2.5前线分子轨道(FMO)252
6.2.6分子静电势(MEP)254
6.2.7红外振动光谱255
6.2.8小结256
6.3四种耐热含能化合物中相互作用的第一性原理研究257
6.3.1计算方法257
6.3.2晶胞结构优化258
6.3.3约化密度梯度函数(RDG)258
6.3.4Hirshfeld表面和指纹图260
6.3.5NO…相互作用262
6.3.6态密度(DOS)263
6.3.7小结263
6.4四种耐热含能化合物热分解反应分子动力学研究264
6.4.1模拟方法265
6.4.2势能(PE)演化267
6.4.3反应物分子数量演化269
6.4.4产物分析270
6.4.5反应动力学参数分析271
6.4.6小结277
参考文献278
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