张凯华-开题报告PPT课件

-,1,纳米硅橡胶与含能材料间的相互作用,报告人:张凯华导师:董晓,2,-,报告内容,研究意义和研究现状研究内容和方案研究进度及预期研究成果目前进展,3,-,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，其结构通式为:通式中，n代表链段数，R是烷基或羟基，R通常是甲基。特点：吸附性能高热稳定性好化学性质稳定机械强度较高等,4,-,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能，如利用纳米SiO2可以增强硅橡胶的拉伸强度、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/疏水性质的灵活控制，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它材料相融合。,5,-,研究意义,含能材料通常是指包含有硝基、叠氮基团等的有机分子。特点：发生化学反应时，反应迅速，放出大量热，且在高温下形成气体产物。当前主要的含能材料有TNT、HMX、RDX、TATB、CL-20、TNAZ、MATB等,6,-,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：1）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-壳型复合材料；2）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-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；3）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材料。,7,-,研究意义,纳米硅橡胶与含能材料存在结构上的关联。如纳米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，但结构有序度差。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复合材料。,8,-,研究方法的选择,能够揭示含能材料性能的微观本质,实验研究成本昂贵,研究周期长,环境友好性差,计算与模拟,9,-,研究方法的选择,计算研究的意义1.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(或晶体)的能量和结构(热化学稳定性)、过渡态的能量和结构(活化能)、反应路径以及动力学和机理、分子中的电荷分布(反应点)、取代效应、振动频率等。2.对这些性质的预测，在含能材料中具有很多实用价值，如:可以研究合成路径、反应产物以及爆轰引发的机理等。3.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。,10,-,研究方法的选择,对含能材料的计算研究涉及的时间和空间尺度涵盖了从psms，nmmm没有一种计算方法能适用于这样广泛的尺度范围多尺度方法利用不同模拟方法从多个尺度进行研究,11,-,选题依据,分子力场（forcefield）,非反应力场（non-reactiveFF）,反应力场（ReaxFF）,如CHARMM、AMBER、GROMACS势函数,不能描述键的生成与断裂,键级（bondorder）,能描述键的生成与断裂,适合描述高温高压下凝聚态化合物体系,利用量子化学计算、ReaxFF和分子动力学方法在微观的电子和原子尺度上进行研究,12,-,研究现状,翟云龙和董晓（待发表）通过ReaxFFMD研究了TNAZ/JUPSES共熔物的相图和热力学性能，计算结果与实验值符合得较好。KimberlyChenowethandGoddard等（2005）使用ReaxFF来模拟聚二甲基硅氧烷（PDMS）的热分解过程，通过增加一系列QM数据到ReaxFF中来描述PDMS中的Si-C、Si=C以及含Si-C的键角的相对能，生成了一个适合描述PDMS分解的ReaxFF，用这个力场来研究温度和压力对PDMS稳定性的影响。另外，还研究了几种添加剂如水、SiO2、O3和NO对PDMS稳定性的影响。所有的结果与有效的实验数据相一致，证实了ReaxFF为研究聚合物的稳定性提供了有用的计算工具。,13,-,研究现状,PhilipT.Shemella等(2011)使用大规模的原子模拟，描述了一个以PDMS为基础的非晶态的混合材料在原子水平上的分子运动。模拟结果表明，局部特性有助于增强以局部结构和静电环境为特点的分子运动，在此基础上，由合适的扩散性质组成的分子可以用来设计并提高材料的性能。ZhangandGoddard等(2009)通过ReaxFFMD研究了TATB和HMX的热分解。在TATB和HMX的热分解中有碳团簇形成，而二者生成的碳团簇差别很大，TATB会快速产生大的碳团簇，而HMX的热分解几乎只产生小的含碳产物，研究表明了运用ReaxFF的分子动力学模拟可以从微观上给出含能材料热分解的机制。,14,-,研究现状,VanDuin和Goddard等（2005）还用ReaxFF研究了其他系统的反应过程：有机反应；含能材料（EMs）的反应，比如像在极端条件下RDX以及HMX的反应；临时爆炸装置的分解，比如TATP（三丙酮三过氧化物）；聚合物的热分解，比如硅树脂；金属与金属氧化物界面摩擦的研究；催化碳纳米管的形成；镁纳米簇中氢气的储存；Si/SiO2的氧化作用；硅晶体中裂痕扩展；金属Pt表面H2的分解；非均相催化剂BiMoOx上丙烯的选择性氧化；燃料电池里的催化作用和离子转移等。,15,-,研究内容,本课题以纳米硅橡胶和含能材料之间的相互作用为主要研究对象。在DFT水平上，通过量子化学计算，获得hydroxy-terminatedsiloxane(端羟基硅氧烷)晶体及含有C、H、O、N、Si原子的小分子的势能曲线图及状态方程。在这些数据的基础上优化适于HMX、RDX、TNT以及硅橡胶的ReaxFF参数，并通过ReaxFFMD研究含有hydroxy-terminatedsiloxane及HMX/RDX/TNT的复合材料对热与冲击的反应。,16,-,研究方案,1.含有C、H、O、N、Si的小分子的量子化学计算：在DFT水平上（B3lyp/6-311+g*）对分子几何结构进行优化及频率分析，分析分子的热力学性能，给出势能曲面在不同键长、键角、二面角的扫描以及可能的过渡态。2.在DFT水平上（B3lyp/6-311+g*）对hydroxy-terminatedsiloxane在不同晶格上进行计算。3.由步骤1和2中所获得的数据优化ReaxFF参数。4.利用步骤3中所获得的ReaxFF参数进行分子动力学模拟，研究纳米硅橡胶/(HMX、RDX、TNT)复合系统的热力学性能以及对热、冲击的响应。,17,-,技术路线,1.由Gaussian09软件作量子化学计算；2.通过由董晓老师编写的软件拟合反应力场参数；3.由LAMMPS软件作分子动力学模拟；4.通过由董晓老师编写的软件研究体系的热力学性能和动力学性能；,18,-,研究进度,2011年3月-2011年7月查阅文献，进行课题的前期探索，整理文献综述和开题报告。2011年8月-2012年1月利用Gaussian09等软件对一些含有C、H、O、N、Si的小分子进行量子化学计算，拟合反应力场参数。2012年2月-2012年4月由LAMMPS软件作分子动力学模拟，研究体系的热力学性能和动力学性能。2012年5-6月论文撰写及答辩。,19,-,ExpectedResultsandContribution1.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含能材料间的相互作用。2.获得完整的含有C、H、O、N、Si的反应力场模型。3.通过自编软件研究体系的热力学性能、动力学性能。,20,-,目前进展,主要对几个含有C、H、O、N、Si的小分子进行了量子化学计算如C6H15NOSi、C8H21NOSi2、C13H23NOSi,21,-,目前进展,C6H15NOSi分子中Si1-C4、Si1-C5的势能曲线图C-Si从1.2-4.1键的可伸缩性强，平衡键长为1.75,22,-,目前进展,C6H15NOSi分子中C8-C9、N3-C8的势能曲线图C-C从0.8-3.7键的可伸缩性强，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1.25,23,-,目前进展,C8H21NOSi2分子中Si1-C5、Si1-C6的势能曲线图C-Si从1.2-4.1键的可伸缩性强，平衡键长为1.85,24,-,目前进展,C8H21NOSi2分子中Si2-C8、S