铝基MIC氧输运和界面结构对点火反应特性影响的模拟研究

Metastable intermolecular composites (MICs) are a class of important nano-energetic materials, with excellent properties like high volume energy densities and high energy release rates, and with huge application potentials in the both military and civilian fields. Ignition is a basic property of MIC. Currently, improving the ignition performance is one of the main focuses of MICs. Understanding the microscopic ignition mechanism of MICs is fundamental to its performance enhancement. However, due to the complexity of multiple factors, the microscopic ignition mechanism of MICs has not been fully revealed yet. Therefore, employing the oxygen transport and the interface structure as starting points, we will explore the microscopic interface reaction details of the widely used aluminum-based MICs using combined techniques of first-principles and molecular dynamics, to elucidate the main influencing factors and the related physical mechanism. The implementation of the present project will significantly advance our understanding on the ignition mechanism of MICs, and the correlations between the compositions, structures and properties of MICs, providing theoretical guidance for designing novel MICs and enhancing their performances.

亚稳态金属间复合物（MIC）是一种重要的纳米含能材料，具有高体积能量密度和高能量释放速率等优良特性，并在军民领域展现出广阔的应用前景。点火性能是MIC的基本性能，改善点火性能是当前MIC研究的主要方向。明晰MIC的微观点火机理是改善其点火反应特性的根本出发点和有效途径；然而，由于多种影响因素的复杂性， MIC的微观点火机理尚未被充分认识。本项目拟采用第一性原理与分子动力学相结合的方法，以氧输运与界面结构为出发点，探索广泛使用的铝基MIC点火的微观反应过程，揭示影响点火特性的主要因素和物理本质。本项目研究将有助于深刻揭示MIC点火反应的机理，增进关于MIC组成、结构与性能间关系的认知，为指导新型MIC材料的设计、提高其应用性能提供理论支撑。

亚稳态金属间复合物（MIC）是一种重要的纳米含能材料，具有高体积能量密度和高能量释放速率等优良特性，并在军民领域展现出广阔的应用前景。点火性能是MIC的基本性能，改善点火性能是当前MIC研究的主要方向。明晰MIC的微观点火机理是改善其点火反应特性的根本出发点和有效途径；然而，由于多种影响因素的复杂性;MIC的微观点火机理尚未被充分认识。本项目采用反应动力学方法，研究了① Al/Cr2O3界面MIC体系的点火反应机理，② 氧气气氛下铝的微爆机制，③ 纳米铝颗粒与双氧水的燃烧反应机理，④ 铝纳米粒子对典型单质炸药TATB热分解影响机理，⑤ 铝和氧化铝纳米粒子对典型单质炸药RDX热分解影响机理，⑥ 带氧化铝壳的铝纳米粒子在高温含能材料中的分裂机理。研究表明MIC体系升温速率越快，氧化层越厚，点火延滞时间越短，点火温度越高。针对铝/氧气纳米复合含能材料体系，我们发现微爆本质上是一种快速放热所引起铝的快速汽化，巨大的压强导致粒子以极高的速度向外分散。氧气浓度越高，温度越高，在铝粒子中产生的压强越大，微爆越剧烈。针对含铝炸药，从能量释放上看，纳米铝延迟时间与反应势垒，提高了能量释放速率与能量释放总量；从动力学角度看，纳米铝粒子降低表观活化能，且低温下催化效果更为显著；从反应机理来看，纳米铝粒子参与的低势垒反应多作用于反应初期；从爆轰参数的角度看，纳米铝对于爆热与爆温的贡献更大，而对于爆容具有不利的影响。本项目研究有助于深刻揭示铝基纳米复合含能材料的点火反应机理，有助于增进关于铝基纳米含能材料组成、结构与性能间关系的认知，并有助于建立准确的关乎点火特性的构效关系，以指导新型纳米含能材料的设计、提高其应用性能。