张凯华-开题报告.ppt

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1、纳米硅橡胶与含能材料间的纳米硅橡胶与含能材料间的相互作用相互作用 报报报报 告告告告 人人人人:张凯华张凯华张凯华张凯华 导导导导 师师师师:董晓董晓董晓董晓 报告内容报告内容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研究意义研究意义硅橡胶是一种直链状的高分子量的聚有机硅氧烷，其硅橡胶是一种直链状的高分子量的聚有机硅氧烷，其结构通式结构通式为为:通式中，通式中，n代表链段数，代表链段数，R是烷基或羟基，是烷基或羟基，R通常是甲基通常是甲基。特点特点特点特点：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

2、定化学性质稳定 机械强度较高等机械强度较高等 研究意义研究意义不同纳米材料对硅橡胶的改性复合使其具有更高的性不同纳米材料对硅橡胶的改性复合使其具有更高的性能能，如利用纳米，如利用纳米SiO2 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，形成性能各异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

3、应用研究所需要的基本条件。的复合材料，构成各种应用研究所需要的基本条件。因此，纳米硅橡胶的这种结构特点决定了它极易与其因此，纳米硅橡胶的这种结构特点决定了它极易与其因此，纳米硅橡胶的这种结构特点决定了它极易与其因此，纳米硅橡胶的这种结构特点决定了它极易与其它材料相融合。它材料相融合。它材料相融合。它材料相融合。研究意义研究意义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。的有机分子。特点特点特点特点：发生化学反应时，发生化学反应时，反应迅速，放出大反应迅速，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

4、含能材料有 TNTTNT、HMXHMX、RDXRDX、TATBTATB、CL-20CL-20、TNAZTNAZ、MATBMATB等等研究意义研究意义为了提高含能材料的性能或为实现某一特殊性能，通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。复合的方式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，如多种多样，如：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，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）为了降低某些高能炸药的感度，需要加入惰性

5、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；3 3）另外，还有一种特殊途径：通过选择多孔性骨架另外，还有一种特殊途径：通过选择多孔性骨架另外，还有一种特殊途径：通过选择多孔性骨架另外，还有一种特殊途径：通过选择多孔性骨架为主体，然后向骨架中引入客体的方式制备含能复合为主体，然后向骨架中引入客体的方式制备含能复合为主体，然后向骨架中引入客体的方式制备含能复合为主体，然后向骨架中引入客体的方式制备含能复合材料材料材料材料。研究意义研究意义

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能量密度，但结构有序度差度，但结构有序度差。因此，不但存在两种材料关联的可能性，而因此，不但存在两种材料关联的可能性，而因此，不但存在两种材料关联的可能性，而因此，不但存在两种材料关联的可能性，而且它们的复合将有可能产生综合性能优良的且它们的复合将有可能产生综合性能优良的且它们的复合将有可能产生综合性能优良的且它们的复合将有可能产生综合性能优良的复合材料。复合材料。复合材料。

7、复合材料。研究方法的选择研究方法的选择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计算算与与模模拟拟研究方法的选择研究方法的选择计算研究的意义计算研究的意义1.1.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)的能量和结的能量和结构构(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)、反应路径以及动力学和机理、反应路径以及动力学和机理、分子中的电荷分布分子中的电荷

8、分布(反反应点应点)、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可以研究合成路径、反应产物以及爆轰引发的机理等。发的机理等。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 ，降低研究成本等。降低研究成本等。研究方法的选择研究方法的选择对对含能材料的含能材料的计计算研究涉及的算研究涉及的时间时间和空和空间间尺度涵盖了从尺度涵盖了从 ps ms，nm mm没有一种没有一种计计算方法能适用于算方法能适用于这样这

9、样广泛的尺度范广泛的尺度范围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选题依据选题依据分子力分子力场场（force field）非反应力场非反应力场（non-reactive FF）反应力场反应力场（ReaxFF）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 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压适合描述高温高压下凝聚态化合物体下凝聚态化合物体系系利用量子化学计算、利用量子化学计算、ReaxFFReaxFF和

10、和分子动力学方法在微观的电子分子动力学方法在微观的电子和原子尺度上进行研究和原子尺度上进行研究研究现状研究现状翟云翟云龙龙和董和董晓晓（待（待发发表）通表）通过过ReaxFF MD 研究了研究了TNAZ/JUPSES共熔物的相共熔物的相图图和和热热力学性能，力学性能，计计算算结结果与果与实验值实验值符合得符合得较较好。好。Kimberly Chenoweth and Goddard 等（等（2005）使用）使用ReaxFF来模来模拟拟聚二甲基硅氧聚二甲基硅氧烷烷（PDMS）的）的热热分解分解过过程，通程，通过过增加一系列增加一系列QM数据到数据到ReaxFF中中来描述来描述PDMS中的中的Si

11、-C、Si=C以及以及含含Si-C的的键键角角的的相相对对能，能，生成生成了了一个适合描述一个适合描述PDMS分解的分解的ReaxFF，用，用这这个力个力场场来研究温度和来研究温度和压压力力对对PDMS稳稳定性的影响。另外定性的影响。另外，还还研究了几种添加研究了几种添加剂剂如水、如水、SiO2、O3和和NO对对PDMS稳稳定性的影响。所有的定性的影响。所有的结结果与有效的果与有效的实验实验数据相一数据相一 致，致，证实证实了了ReaxFF为为研究聚合物的研究聚合物的稳稳定性提供了有定性提供了有用的用的计计算工具。算工具。研究现状研究现状Philip T.Shemella 等等(2011)使用

12、大使用大规规模的原子模模的原子模拟拟，描述了一个以描述了一个以PDMS为为基基础础的非晶的非晶态态的混合材料在原的混合材料在原子水平上的分子运子水平上的分子运动动。模。模拟结拟结果表明，局部特性有助果表明，局部特性有助于增于增强强以局部以局部结结构和静构和静电环电环境境为为特点的分子运特点的分子运动动，在，在此基此基础础上，由合适的上，由合适的扩扩散性散性质组质组成的分子可以用来成的分子可以用来设设计计并提高材料的性能。并提高材料的性能。Zhang and Goddard 等等(2009)通通过过ReaxFF MD 研究研究了了TATB和和HMX的的热热分解。在分解。在TATB和和HMX的的热

13、热分分解中有碳解中有碳团团簇形成，而二者生成的碳簇形成，而二者生成的碳团团簇差簇差别别很大，很大，TATB会快速会快速产产生大的碳生大的碳团团簇，而簇，而HMX的的热热分解几分解几乎只乎只产产生小的含碳生小的含碳产产物，研究表明了运用物，研究表明了运用ReaxFF的的分子分子动动力学模力学模拟拟可以从微可以从微观观上上给给出含能材料出含能材料热热分解的分解的机制。机制。研究现状研究现状Van Duin和和Goddard等（等（2005）还还用用ReaxFF研究了研究了其他系其他系统统的反的反应过应过程：有机反程：有机反应应；含能材料（；含能材料（EMs）的反的反应应，比如像在极端条件下，比如像

14、在极端条件下RDX以及以及HMX的反的反应应；临时临时爆炸装置的分解，比如爆炸装置的分解，比如TATP（三丙（三丙酮酮三三过过氧化氧化物）；聚合物的物）；聚合物的热热分解，比如硅分解，比如硅树树脂；金属与金属氧脂；金属与金属氧化物界面摩擦的研究；催化碳化物界面摩擦的研究；催化碳纳纳米管的形成；米管的形成；镁纳镁纳米米簇中簇中氢氢气的气的储储存；存；Si/SiO2的氧化作用；硅晶体中裂的氧化作用；硅晶体中裂痕痕扩扩展；金属展；金属Pt表面表面H2的分解；非均相催化的分解；非均相催化剂剂BiMoOx上丙上丙烯烯的的选择选择性氧化；燃料性氧化；燃料电电池里的催化作池里的催化作用和离子用和离子转转移等

15、。移等。研究内容研究内容本本课题课题以以纳纳米硅橡胶和含能材料之米硅橡胶和含能材料之间间的相互作用的相互作用为为主主要研究要研究对对象。在象。在DFT水平上，通水平上，通过过量子化学量子化学计计算，算，获获得得hydroxy-terminated siloxane(端端羟羟基硅氧基硅氧烷烷)晶体晶体及含有及含有C、H、O、N、Si原子的小分子的原子的小分子的势势能曲能曲线图线图及状及状态态方程。在方程。在这这些数据的基些数据的基础础上上优优化适于化适于HMX、RDX、TNT以及硅橡胶的以及硅橡胶的ReaxFF参数，并通参数，并通过过ReaxFF MD 研究含有研究含有hydroxy-termi

16、nated siloxane 及及 HMX/RDX/TNT的复合材料的复合材料对热对热与冲与冲击击的反的反应应。研究方案研究方案1.含有含有C、H、O、N、Si的小分子的量子化学的小分子的量子化学计计算：算：在在DFT水平上（水平上（B3lyp/6-311+g*）对对分子几何分子几何结结构构进进行行优优化化及及频频率分析率分析，分析分子的，分析分子的热热力学性能，力学性能，给给出出势势能曲面在不同能曲面在不同键长键长、键键角角、二面角的二面角的扫扫描以及可能描以及可能的的过过渡渡态态。2.在在DFT水平上（水平上（B3lyp/6-311+g*）对对hydroxy-terminated silo

17、xane在不同晶格上在不同晶格上进进行行计计算。算。3.由步由步骤骤1和和2中所中所获获得的数据得的数据优优化化ReaxFF参数。参数。4.利用步利用步骤骤3中所中所获获得的得的ReaxFF参数参数进进行分子行分子动动力学力学模模拟拟，研究，研究纳纳米硅橡胶米硅橡胶/(HMX、RDX、TNT)复合系复合系统统的的热热力学性能以及力学性能以及对热对热、冲、冲击击的的响响应应。技术路线技术路线1.由由Gaussian 09软软件作量子化学件作量子化学计计算；算；2.通通过过由董由董晓晓老老师编师编写的写的软软件件拟拟合反合反应应力力场场参数；参数；3.由由LAMMPS软软件作分子件作分子动动力学模

18、力学模拟拟；4.通通过过由董由董晓晓老老师编师编写的写的软软件研究体系的件研究体系的热热力学性能力学性能和和动动力学性能；力学性能；研究进度研究进度20112011年年年年3 3月月月月-2011-2011年年年年7 7月月月月 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。20112011年年年年8 8月月月月-2012-2012年年年年1 1月月月月 利用利用Gaussian 09等软件对等软件对一些含有一些含有C、H、O、N、Si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。20122

19、012年年年年2 2月月月月-2012-2012年年年年4 4月月月月 由由LAMMPS软软件件作分子动力学模拟作分子动力学模拟，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。20122012年年年年5-65-6月月月月 论文撰写及答辩论文撰写及答辩。Expected Results and Contribution1.在高性能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和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含能材料间的相互作用。2.获获得完整的含有得完整的含有

20、C、H、O、N、Si的反的反应应力力场场模型。模型。3.通通过过自自编软编软件研究体系的件研究体系的热热力学性能、力学性能、动动力学性能。力学性能。目前进展目前进展主要对几个含有主要对几个含有C、H、O、N、Si的小分子进行了量子的小分子进行了量子化学计算化学计算如如C6H15NOSi、C8H21NOSi2、C13H23NOSi目前进展目前进展C6H15NOSi分子中分子中Si1-C4、Si1-C5的的势势能曲能曲线图线图C-Si从1.2-4.1键的可伸缩性强，平衡键长为1.75目前进展目前进展C6H15NOSi分子中分子中C8-C9、N3-C8的的势势能曲能曲线图线图C-C从0.8-3.7键

21、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1.25目前进展目前进展C8H21NOSi2 分子中分子中Si1-C5、Si1-C6的的势势能曲能曲线图线图C-Si从1.2-4.1键的可伸缩性强，平衡键长为1.85目前进展目前进展C8H21NOSi2 分子中分子中Si2-C8、Si2-C10的的势势能曲能曲线图线图C-Si从1.2-4.1键的可伸缩性强，平衡键长为1.9目前进展目前进展C8H21NOSi2 分子中分子中Si2-N4、N4-C11的的势势能曲能曲线图线图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1.25目前进展目前进展C8H21NOSi2 分子中分子中Si1-O3的的势势能曲能曲线图线图