極端條件下含能材料的模擬研究思考

關鍵詞：含能材料；極端條件；模擬研究；高壓；高溫；激光作用

1 極端條件下的含能材料研究背景及意義

含能材料作為一類能夠在特定條件下迅速釋放出大量能量的特殊物質，在現代社會的眾多領域中扮演著舉足輕重的角色。其家族成員包括炸藥、推進劑、煙火劑等，廣泛應用于軍事國防、民用建設以及航空航天等諸多關鍵領域。在軍事領域，它們是武器裝備威力的關鍵支撐；在民用領域，它們在各類爆破工程中不可或缺；在航天領域，它們更是火箭推進等動力系統的核心要素。極端條件，如高溫、高壓、高速撞擊以及激光照射等特殊環境，能夠促使含能材料發生更為復雜且獨特的物理和化學變化，進而開辟出更多樣化的能量釋放途徑。深入探究極端條件下含能材料的特性和行為，具有極其重要的科學意義和廣泛的應用價值，不僅與現代科技發展的諸多需求緊密相連，更是推動材料科學、能源技術以及軍事國防等領域進步的關鍵驅動力之一。

1.1 極端條件下的含能材料研究背景

（1） 國防軍事領域的強勁推動

在當今復雜多變且競爭激烈的國際軍事格局中，各國紛紛致力于軍事技術的創新與發展，以維護國家的安全和戰略利益。含能材料作為現代武器系統的核心動力源和毀傷源，其性能的優劣直接關系到武器裝備的關鍵作戰性能指標，如威力、射程、精度以及可靠性等。以導彈技術為例，為了實現更遠的打擊射程和更高的命中精度，需要含能材料具備更高的能量密度，從而為導彈提供更強大的推力，確保其在飛行過程中保持穩定的動力性能。同時，先進的炸藥材料能夠使炮彈、炸彈等彈藥在爆炸瞬間釋放出更為巨大的能量，顯著增強對目標的毀傷效果，從而有效提升軍事作戰效能[1]。然而，現代戰爭的戰場環境日益復雜惡劣，武器裝備常常需要在極端條件下運行。例如：在導彈發射瞬間，含能材料會受到高溫氣流的強烈沖擊；在炎熱氣候地區長時間存儲時，含能材料要面臨高溫環境的考驗；在深海作戰環境或高海拔地區，含能材料需要承受高壓或低壓條件的挑戰；炮彈發射以及炸彈爆炸時，含能材料又會遭受強沖擊和高過載作用。這些極端條件對含能材料的性能表現提出了嚴苛的要求，研究其在這些條件下的性能變化和反應機理，對于確保武器裝備在復雜戰場環境下的可靠運行和有效使用具有重要意義[2]。只有深入理解和掌握含能材料在極端條件下的特性，才能提升軍隊的戰斗力，為作戰勝利提供堅實保障，這也是現代國防軍事領域對含能材料研究的迫切需求所在。

（2） 航空航天事業的高速發展需求

航空航天領域作為人類探索宇宙和發展高科技的前沿陣地，對含能材料的性能和可靠性提出了近乎極致的要求。在火箭推進系統中，含能材料作為推進劑，承擔著為火箭提供強大推力的關鍵任務。火箭發射過程是一個極其復雜和極端的過程，涉及極高的加速度、劇烈的溫度變化以及巨大的壓力波動。例如，在火箭發動機點火瞬間，推進劑會瞬間受到高溫高壓的強烈沖擊，此時含能材料必須迅速而穩定地燃燒，產生持續且強大的推力，同時確保燃燒過程的精確可控和高度安全。對于深空探測任務而言，航天器在漫長的太空飛行過程中，會面臨各種極端惡劣的環境條件，如極低的溫度、高真空狀態以及強烈的宇宙輻射等。在這樣的環境下，含能材料需要始終保持穩定的性能，以確保在關鍵時刻，如軌道調整、著陸等關鍵操作中正常工作，否則可能導致整個航天任務失敗。此外，為了提高航天任務的整體效率和降低成本，航天領域的科研工作者一直在不懈研發具有更高能量密度的含能材料。通過使用高能量密度的含能材料，可以有效減少推進劑的質量和體積，從而為航天器增加更多的有效載荷，實現更多的科學探測任務或提升航天器的功能[3]。衛星技術在現代通信、導航、氣象觀測以及地球資源探測等眾多領域發揮著不可替代的重要作用。在衛星發射和運行過程中，含能材料同樣具有廣泛而關鍵的應用價值。例如，衛星發射裝置中的點火系統和分離裝置，通常都依賴含能材料來實現精確控制。在太空環境中，衛星面臨著諸多潛在風險，如微流星體的撞擊、太陽風暴等極端事件的威脅，這就要求含能材料具備出色的抗沖擊性能和良好的環境適應性，以保障衛星的安全穩定運行。同時，為了滿足衛星長期在軌運行的能源需求，研究人員正在積極探索將一些新型含能材料應用于衛星的能源存儲和轉換系統，如基于含能材料的微型電池或能量回收裝置等，以提高衛星的能源利用效率、延長使用壽命，進一步提升衛星系統的性能和可靠性[4]。

（3） 能源領域的潛在應用需求

隨著全球經濟的持續發展和人口的不斷增長，能源需求呈現日益增長的態勢。與此同時，人們對可持續能源的追求也愈發迫切，不斷尋求新的解決方案[1]。含能材料因其獨特的高能量密度特性，在高能量密度存儲與轉換技術研發中展現出了潛在的應用價值。在電池技術領域，一些含能材料有望作為高能量密度電池的電極材料或電解質添加劑，通過在充放電過程中的化學反應，實現電能的高效存儲和釋放。與傳統電池材料相比，含能材料具有顯著的優勢，能夠提供更高的能量密度，意味著電池可能具有更長的續航里程或更大的儲能容量，從而更好地滿足電動汽車、便攜式電子設備等對高性能能源存儲的需求。例如，電動汽車行業一直在尋求突破續航里程瓶頸，含能材料的應用有望為其提供解決方案。此外，含能材料在超級電容器的研發中也具有重要的應用潛力。超級電容器作為一種新型儲能器件，需要具備快速的能量釋放和吸收特性，含能材料恰好滿足這一要求，從而有效提高電容器的功率密度和充放電效率，為需要瞬間高功率輸出的應用場景提供理想的解決方案，如電動汽車的快速充電、工業設備的瞬間啟動等。在核能領域，含能材料同樣展現出了一定的應用前景。一方面，通過深入研究含能材料與核材料之間的相互作用機制，可以為開發新型的核燃料和核反應控制材料提供重要的理論依據和技術支持。例如，一些含能材料可以作為添加劑或包覆材料應用于核燃料中，通過優化其性能，提高核燃料的能量釋放效率，同時增強核反應的安全性和可控性。另一方面，在核廢料處理和核反應堆退役等復雜而關鍵的環節中，含能材料也可能發揮重要作用。利用含能材料獨特的化學反應特性，研究人員可以設計出一些創新的處理方法和技術，以降低核廢料的放射性和毒性，實現核廢料的安全處理和妥善處置，從而最大限度地減少對環境的潛在影響，確保核能產業的可持續發展[3]。

（4） 科學研究的內在驅動

極端條件下的含能材料研究為科學家們提供了一扇獨特而珍貴的窗口，使他們能夠深入探索物質的微觀結構與宏觀性質之間的內在聯系。在高溫、高壓等極端條件下，含能材料內部的原子和分子排列會發生顯著變化，化學鍵的強度、長度以及角度等參數也會相應改變，這種微觀結構的變化導致了材料的電子結構、晶體結構以及物理和化學性質的一系列變化。通過深入研究這些變化，科學家們可以逐步揭示物質在極端條件下的基本規律和內在機理，從而進一步豐富和完善材料科學的理論體系[2]。例如，利用高壓技術，研究人員可以精確研究含能材料在不同壓力下的晶體結構相變過程，深入了解相變發生的機制和條件，以及相變對材料性能的具體影響。通過光譜學和量子力學計算等先進技術手段，科學家們可以深入探究含能材料在極端條件下的電子結構變化，揭示電子結構與化學反應活性、能量傳遞等重要性質之間的密切關系[2]。這些研究成果不僅有助于加深對含能材料本身的理解，還能夠為其他材料的研究提供寶貴的借鑒和啟示，從而推動整個材料科學領域不斷發展。與此同時，隨著科學技術的持續進步，極端條件下的實驗技術和理論模型也得到了飛速發展，為含能材料研究提供了更為強大的支持。在實驗技術方面，金剛石對頂砧（diamond anvil cell，DAC）技術的出現使得實驗室能夠實現高達幾百吉帕甚至更高的壓力環境，為研究人員精確控制和測量含能材料在高壓下的結構和性質變化提供了有力工具[2]。同步輻射光源、中子散射等先進技術則能夠提供關于含能材料原子和分子結構的詳細信息，幫助科學家們深入了解材料在極端條件下的微觀行為。在理論模型方面，量子力學計算、分子動力學模擬等方法不斷完善和發展，能夠從原子和分子水平對含能材料的結構和性能進行精確預測和深入分析[4]。理論模型與實驗技術的緊密結合，使得科學家們能夠更加全面、深入地研究極端條件下含能材料的性能和反應機理，為含能材料的設計和優化提供強有力的理論依據和技術手段[2]。

1.2 含能材料在極端條件下的應用領域

含能材料在極端條件下的應用領域極為廣泛，涵蓋了眾多重要領域，以下將詳細闡述其在各領域中的具體應用。

（1） 空間任務領域

火箭推進劑是火箭發射的關鍵動力源，在火箭發射過程中，推進劑需要在極端的高溫和高壓環境下穩定燃燒，產生足夠強大的推力，以克服地球引力，將火箭送入太空預定軌道，因此，其性能的穩定性和可靠性直接關系到火箭發射的成敗。衛星分離裝置則在衛星進入軌道后發揮關鍵作用，利用含能材料制造的分離裝置能夠精確地釋放太陽能板或其他科學儀器，確保衛星在太空中正常運行并開展各項科學探測任務。

（2） 軍事應用領域

穿甲彈是現代軍事裝備中的重要武器之一，其彈芯通常含有高能材料。在擊中目標時，這些高能材料能夠瞬間產生極高的壓力和溫度，憑借強大的能量穿透裝甲目標，對敵方裝備造成嚴重破壞。地雷和水雷作為防御性武器，其中含有的炸藥需要在極端環境下保持穩定性能，無論是在沙土環境還是水下環境，都能夠在觸發時迅速爆炸，有效地發揮其防御和攻擊作用。

（3） 民用爆破領域

在礦山開采過程中，炸藥是破碎巖石的主要手段，需要在地下復雜的極端環境中安全且有效地使用[5]。這要求炸藥具有足夠高的爆炸力，能夠高效破碎巖石，同時還要確保操作過程的安全性，避免發生意外爆炸事故。建筑物拆除工作中，高能材料被用于精確控制建筑物的拆除過程，通過合理設計爆破方案，能夠使建筑物按照預定方向倒塌，減少對周圍環境的影響，確保拆除工作的安全和高效。

（4） 深海探測領域

在進行海底地質調查或建設海底設施時，海底爆破作業是一項重要技術手段。含能材料被用于海底爆破作業，能夠穿透堅硬的海底沉積物，為地質勘探提供必要的數據支持，同時也為海底設施建設創造有利條件。

（5） 應急救援領域

在地震、山體滑坡等自然災害發生后，救援通道往往被廢墟和障礙物堵塞，此時使用含能材料可以開辟救援通道，為被困人員爭取寶貴的救援時間。在極地或冰凍海域，冰層的存在對船只航行構成嚴重威脅，使用含能材料爆破冰層，能夠為船只開辟安全的航道，保障海上救援和物資運輸等工作順利進行。

（6） 科學研究領域

在實驗室中，研究人員利用含能材料創造高壓環境，研究材料在極端條件下的物理性質，深入理解材料的行為規律。地球物理勘探中，含能材料被用于產生地震波，通過對地震波傳播特性的分析，探測地下地質結構或石油資源等，為資源勘探提供重要依據。

1.3 研究極端條件下含能材料的內在原因

截至目前，科學家們深入研究極端條件下的含能材料主要基于以下幾個關鍵方面的考量。

（1） 能量釋放機制

在極端條件下含能材料的能量釋放機制與常溫常壓條件下存在顯著差異。含能材料在受到高速撞擊、高溫或高壓等極端條件作用時，會迅速發生復雜的化學反應，釋放出大量的熱能和氣體，從而產生強大的爆炸效應[6]。例如，炸藥在引爆瞬間，其內部的化學鍵會以極快的速度斷裂并重新組合，這種化學鍵的劇烈變化導致能量在短時間內迅速釋放。深入了解這些特殊的能量釋放機制，對于精確控制含能材料的性能以及確保其使用安全性具有重要意義。

（2） 反應動力學

含能材料在極端條件下的反應動力學涉及反應速率、反應路徑以及能量釋放速率等多個關鍵參數。這些參數不僅決定了含能材料在極端條件下的反應速度和方式，還與其內部的應力狀態、溫度梯度以及化學組成等因素密切相關[2]。深入研究反應動力學，有助于更好地理解含能材料在極端條件下的行為特性，從而為其合理設計和有效應用提供堅實的理論依據。

（3） 安全性與穩定性

極端條件往往會增加含能材料的不穩定性，使其更容易發生意外爆炸或火災等危險情況。環境因素如溫度、壓力和濕度等對含能材料的穩定性有著顯著影響。例如，長期儲存的炸藥可能會因為環境溫度、濕度的變化導致感度增加，即對外界刺激的敏感性增強，從而大幅增加了意外引爆的風險[1]。因此，深入研究含能材料在極端條件下的安全性和穩定性，是保障人員生命安全和設備設施完好的關鍵所在，從而制定出更加科學合理的儲存、運輸和使用規范，有效降低潛在風險，確保含能材料在各種應用場景中安全可靠。

（4） 新材料開發

隨著科學技術的不斷進步，各個領域對含能材料的性能都提出了越來越高的要求。尤其是在一些更為極端的環境中，含能材料需要保持出色的穩定性，并能夠實現高效的能量釋放。為了滿足這些需求，開發新型含能材料成為當前研究的重點和熱點。這些新材料將具備更高的能量密度，從而能夠在相同體積或質量下釋放出更多的能量；這些新材料將具有更好的穩定性，以適應各種復雜惡劣的環境；同時，它們還應具備更低的感度，降低在使用和儲存過程中的安全風險。計算材料科學的蓬勃發展為新型含能材料的發現和設計提供了強有力的技術支持和理論指導[3]。借助先進的計算模擬手段，研究人員可以在虛擬環境中對大量不同結構和組成的材料進行篩選和優化，極大地提高了新材料研發的效率和成功率，為新型含能材料的誕生開辟了新的途徑。

（5） 模擬與實驗的互補

實驗研究極端條件下的含能材料存在諸多挑戰，不僅具有一定的危險性，而且成本高昂，實驗過程復雜且耗時費力。相比之下，計算機模擬作為一種有效的補充手段應運而生。通過模擬，研究人員可以在不影響實際材料的情況下，對含能材料在極端條件下的行為進行預測和分析。例如，采用分子動力學模擬可以深入研究含能材料在沖擊加載下原子級別的結構變化細節，從而為理解含能材料在極端動態條件下的響應機制提供重要依據[4]。模擬研究與實驗研究相互配合、互為補充，能夠更全面、深入地揭示含能材料在極端條件下的特性和規律，加速含能材料領域的研究進展。

1.4 極端條件下的含能材料在國防和民用領域的應用

極端條件下的含能材料在國防和民用領域的應用極為廣泛，以下將列舉部分應用場景、材料要求及具體示例。

（1） 國防領域

火箭推進劑：火箭發射需要強大的推力，因此火箭推進劑必須具備在高溫高壓下穩定燃燒的能力，同時具有高能量密度以提供足夠動力、良好的存儲穩定性以便長期儲存以及在復雜環境下保持性能不變。液體火箭推進劑中的液氧-液氫組合以及固體火箭推進劑等都是常見的選擇，它們在導彈、運載火箭等航天裝備中發揮著關鍵作用，相關研究可參考文獻[7]。

裝甲穿透彈藥：裝甲穿透彈藥需要極高的硬度和密度以保證在撞擊目標時能夠有效穿透裝甲，同時還要具備優異的高溫抗性以應對撞擊瞬間產生的高溫。貧鈾、鎢合金等材料常用于此類彈藥，它們在反坦克武器、穿甲彈等裝備中展現出卓越的性能，具體可參考文獻[8]。

爆破設備：爆破設備要求含能材料具有高能量輸出，以實現強大的爆破效果，同時反應迅速且具備良好的安全性能，確保操作過程中的安全性。三硝基甲苯（TNT）、C4、塑料炸藥等都是常用的爆破材料，廣泛應用于軍事工程、戰場爆破等場景，相關研究可參考文獻[9]。

防空和反導彈系統：該系統中的含能材料需要高能量輸出以保證對來襲目標的有效攔截，并且能夠實現時間的精確控制，確保在關鍵時刻發揮作用。防空導彈彈頭、反坦克導彈裝藥等都對含能材料的性能有著嚴格要求，其研究成果可查閱文獻[10]。

（2） 民用領域

采礦爆破：礦山開采中，炸藥需要有足夠高的爆炸力來破碎堅硬的巖石，同時要確保操作安全，避免對礦工和礦山設施造成傷害。銨油炸藥、水膠炸藥等是常見的采礦爆破材料，在各類礦山開采作業中廣泛應用，相關技術和應用可參考文獻[5]。

建筑拆除：含能材料用于建筑拆除的關鍵在于精確控制爆炸范圍和力量，使建筑物按照預定方案倒塌，減少對周圍環境的影響。預制炸藥包、電子雷管等技術和材料在城市建筑拆除、舊設施改造等項目中發揮著重要作用，詳細內容可參考文獻[11]。

地震勘探：地震勘探需要控制爆炸規模和頻率，產生合適的地震波，以便準確探測地下地質結構和石油資源等。地震勘探炸藥、震源槍等就是為此專門設計的地震勘探材料和設備，其應用原理和效果可參考文獻[12]。

水下爆破：在水下環境中作業的含能材料必須能夠穩定運行并承受水壓，確保爆破效果。水下炸彈、水雷等在海洋工程建設、航道疏通等領域有著重要應用，相關技術和案例可查閱文獻[13]。

應急救援：應急救援場景要求含能材料能夠快速響應，提供足夠的動力，同時保證操作安全。救援爆破裝置、生命線開辟工具等在地震救援、山體滑坡搶險等緊急情況下發揮著關鍵作用，具體案例和技術可參考文獻[14]。

1.5 模擬研究在含能材料性能預測與優化中的重要性

模擬研究在含能材料性能預測與優化方面具有不可替代的重要意義，具體體現在以下幾個關鍵方面。

（1） 性能預測

燃燒性能預測：含能材料的燃燒過程復雜且關鍵，其燃燒速度、燃燒溫度以及燃燒產物等參數直接影響其應用效果。模擬研究通過分子動力學模擬等先進技術手段，可以深入分析含能材料分子在不同溫度、壓力等條件下的運動和相互作用情況，從而精確推斷燃燒反應的速率和路徑。這對于實際應用中根據具體需求選擇合適的含能材料至關重要，例如為火箭推進劑設計提供堅實的理論支持，確保火箭發動機穩定、高效地工作。相關研究可參考文獻[15]。

爆轟性能預測：爆轟性能是含能材料的重要性能指標之一，爆速、爆壓等參數對于武器裝備的威力和效能起著決定性作用。模擬研究能夠基于材料的化學結構、物理性質等因素，運用數值計算方法如有限元法、有限差分法等模擬爆轟波的傳播過程，準確計算爆速、爆壓等關鍵參數，為含能材料的設計和應用提供重要參考依據。在新型炸藥的研發過程中，模擬預測爆轟性能能夠有效減少實驗的盲目性，顯著提高研發效率，相關研究可查閱文獻[16]。

熱穩定性預測：含能材料在儲存和使用過程中必須具備良好的熱穩定性，否則可能引發嚴重的安全事故。模擬研究可以通過模擬含能材料在不同溫度、熱輻射等條件下的熱分解過程，深入分析材料的熱分解反應機理、反應速率等關鍵因素，從而準確評估材料的熱穩定性，并為其儲存和使用條件提供科學合理的建議。例如，對于一些在高溫環境下使用的含能材料，通過模擬研究可以精確確定其能夠承受的最高溫度和最長使用時間，有效保障使用安全，相關研究可參考文獻[17]。

（2） 優化設計

結構優化：含能材料的結構對其性能有著深遠影響。模擬研究可以通過構建不同的分子結構模型，詳細分析分子的空間結構、化學鍵等因素對性能的影響機制，進而優化材料的結構設計。例如，利用密度泛函理論計算，可以精準優化含能材料分子的電子結構和空間構型，提高其能量密度和穩定性。在晶體結構方面，模擬研究能夠深入分析晶體的堆積方式、晶格參數等對材料性能的影響規律，為制備高性能的含能材料提供重要的理論指導，相關研究可參考文獻[18]。

組分優化：含能材料通常由多種組分組成，不同組分之間的相互作用對材料性能有著重要影響。模擬研究可以系統分析不同組分的比例、混合方式等因素對含能材料性能的影響規律，從而實現組分設計的優化。例如，在推進劑的配方設計中，通過模擬研究可以準確確定氧化劑、燃料等組分的最佳比例，顯著提高推進劑的能量輸出和燃燒效率，相關研究可參考文獻[1]。

工藝優化：含能材料的制備工藝直接關系到其性能表現。通過模擬材料的制備過程，可以深入分析工藝參數如溫度、壓力、反應時間等對材料性能的影響機制，從而優化制備工藝。例如，在含能材料的合成過程中，通過模擬研究可以精確確定最佳的反應溫度和反應時間，有效提高材料的產率和純度，同時減少副反應的發生，相關研究可參考文獻[15]。

（3） 安全評估

感度分析：含能材料對外部刺激如撞擊、摩擦、靜電等較為敏感，容易引發意外爆炸，嚴重威脅人員和設備安全。模擬研究可以通過模擬含能材料在不同刺激條件下的響應過程，深入分析材料內部的應力分布、能量傳遞等機制，從而準確評估其敏感性。例如，通過模擬撞擊過程中含能材料的應力變化和能量傳遞路徑，預測材料是否會發生爆炸，為材料的安全儲存、運輸和使用提供科學依據，相關研究可參考文獻[19]。

事故模擬：在含能材料的生產、儲存和使用過程中，可能發生各種安全事故，如火災、爆炸等。模擬研究可以模擬事故的發生過程，詳細分析事故的原因和影響范圍，為制定有效的安全防范措施提供重要參考。例如，通過模擬含能材料倉庫的火災事故，深入分析火災的蔓延速度、溫度分布等情況，從而確定最佳的滅火方案和疏散路線，最大程度減少事故損失，相關研究可參考文獻[3]。

（4） 成本和效率

減少實驗成本：含能材料的實驗研究具有較高的危險性和成本，而且實驗過程復雜、耗時較長。模擬研究在計算機上進行，無需進行大量的實際實驗，能夠有效降低研究成本。同時，模擬研究可以快速篩選出性能較好的含能材料，顯著減少實驗的次數和工作量，提高研究效率，相關研究可參考文獻[15]。

縮短研發周期：通過模擬研究，能夠在短時間內獲得含能材料的性能參數和優化設計方案，為實驗研究提供明確的指導方向，避免盲目地進行實驗，減少研發過程中的失誤和重復工作，有效縮短研發周期。例如，在新型含能材料研發過程中，先通過模擬研究確定材料的結構和性能，再進行實驗驗證，可以大大提高研發效率，加速新型含能材料的應用進程，相關研究可參考文獻[17]。

（5） 模擬研究在含能材料性能預測與優化中的重要作用

性能預測：模擬研究借助計算機模擬技術，能夠在分子或原子層面上對含能材料的性能進行精準預測。這種預測能力為含能材料的研究及開發提供了極為關鍵的信息，因為它可以在材料合成和測試之前，提前揭示其潛在性能。例如，通過計算化學反應動力學，準確預測含能材料在燃燒過程中的速率，這對于推進劑和炸藥的設計至關重要；利用量子力學和分子動力學模擬，精確預測材料在爆炸時的能量釋放情況，從而科學評估其爆炸威力；模擬還可以預測材料在儲存和運輸過程中的穩定性，幫助識別可能導致意外反應的條件，為保障材料安全提供重要依據，相關研究可參考文獻[20]。

結構-性能關系：模擬研究有助于深入揭示含能材料的微觀結構與宏觀性能的內在關系，對于深刻理解材料行為和指導新材料設計具有重要意義。例如，通過模擬，研究不同分子結構如何影響材料的能量密度和反應性，分析晶體結構對材料物理和化學性質的影響，如晶格能和熔點等，還可以探究含能材料與其他材料界面的相互作用，這對于理解混合系統的性能至關重要，相關研究可參考文獻[19]。

安全評估：模擬研究在含能材料的安全評估中發揮著關鍵作用，它能夠幫助識別和有效控制潛在的風險。例如，通過模擬可以清晰揭示材料在極端條件下的反應機理，從而準確預測材料的安全性；模擬還可以預測材料在高溫下的熱失控行為，對于防止意外火災和爆炸至關重要；此外，模擬能夠評估含能材料對沖擊的敏感性，為設計抗沖擊材料提供重要參考，相關研究可參考文獻[21]。

優化設計：模擬研究為含能材料的優化設計提供了強大的工具，使得在不進行實際實驗的情況下，也能夠對材料性能進行有效改進。例如，模擬可以幫助研究人員在不實際合成新材料的情況下，測試不同的化學組成對性能的影響，從而篩選出最優組合；模擬可以深入探索不同的材料結構，找到最佳的性能配置；模擬還可以用于評估材料的環境影響，設計出更環保的含能材料，相關研究可參考文獻[3]。

綜上所述，極端條件下的含能材料模擬研究是一個充滿挑戰和機遇的領域。通過持續深入的研究，有望在含能材料性能提升、安全性保障、新型材料開發以及跨學科應用等方面取得重大突破，為國防、航天、能源等領域的發展提供強有力的支撐。

為此，本文將圍繞極端條件下含能材料模擬展開全面而深入的探討。首先，將深入分析極端條件下含能材料的基本性質，包括其分類及特點，以及在高壓、高溫、強磁場和強輻射等極端條件下物理化學性質的顯著變化；然后，系統介紹模擬研究方法及進展，涵蓋量子力學、分子動力學、蒙特卡羅和有限元法等多種方法及其在含能材料研究中的應用和發展趨勢，通過展示模擬研究的最新案例，展現其在含能材料實際研究中的具體應用和成果；接著，探討極端條件下含能材料模擬研究的關鍵問題，如高壓下的結構相變、高溫下的熱分解與燃燒、高溫高壓的協同影響、激光作用下的響應行為以及界面效應與力學性能等；同時，密切關注含能材料在極端條件下的安全性問題，深入分析可能存在的風險，并提出切實可行的預防措施；最后，對該領域的未來發展進行全面展望，包括高精度模擬技術的持續發展、新型含能材料的發現及設計、實驗與模擬的深度融合、安全性與穩定性評估的進一步完善以及跨學科研究的深入推進等，旨在為極端條件下含能材料模擬研究提供全面、系統的參考資料和具有前瞻性的研究指導，推動該領域的研究不斷向前發展，為相關領域的技術進步和創新應用提供有力支持。

2 極端條件下含能材料的基本性質

2.1 含能材料的分類及特點

根據用途，含能材料可以分為5 類。

（1） 炸藥[22]：包括高炸藥（如TNT）和低炸藥（如黑火藥），能迅速釋放大量能量，產生高溫高壓氣體，通常具有較高的敏感性和爆炸速度。

（2） 推進劑[23]：用于火箭和導彈推進，分為固體推進劑和液體推進劑， 具有良好的能量密度和穩定性，燃燒過程控制嚴格，以確保安全和性能。

（3） 火焰材料[24]：用于產生火焰和熱量，如煙花和信號彈，通常具有較低的爆炸性，主要用于視覺效果和信號傳遞。

（4） 自燃材料[25]：用于催化和特種燃料，在特定條件下能自燃，如某些金屬粉末，具有較高的反應性和能量釋放能力。

（5） 超高能材料[26]：一種新型材料，能量密度極高，具有潛在的軍事和航天應用，目前仍處于研發中，其安全性和穩定性是主要關注點。

根據材料種類，含能材料可以分為5 類。

（1） 有機含能材料[22]：主要由碳、氫、氧、氮等元素構成，包括炸藥、推進劑等， 具有較高的能量密度。

（2） 無機含能材料[27]：主要由金屬和非金屬元素構成，如硝酸銨、氯酸鉀等，通常具有較高的穩定性和較低的敏感性。

（3） 金屬含能材料[25]：包含金屬元素，常用于增強能量釋放效果，如鋁粉、鎂粉等，可用于推進劑和炸藥的添加劑。

（4） 高能聚合物[26]：由高分子鏈構成，具有良好的機械性能和能量釋放特性，包括聚合物基推進劑和聚合物炸藥。

（5） 氮基含能材料[28–30]：含有多個氮原子的化合物，如黑索金（RDX）、奧克托今（HMX）以及富氮化合物等，具有高能量和高密度。

根據分子結構，含能材料可以分為8 類[31]。

（1） 硝基化合物類：含―NO2 或―ONO2 基團，能量密度高，爆熱和爆速較高，感度較高，如TNT、硝化甘油。

（2） 疊氮化合物類：含―N3 基團，能量高，分解反應迅速，感度高，如疊氮化鉛（Pb（N3）2）、疊氮甲烷（CH3N3）。

（3） 含鹵化合物類：含―NX2（X 為鹵素），可增加密度和能量，部分燃燒會產生有害氣體，如三氟化氮（NF3）、二氯異氰尿酸鈉（Na（CNO）Cl2）。

（4） 偶氮化合物類：含―N＝N―或―N＝N＝N―等偶氮基團，能量和反應活性高，穩定性差，如偶氮二異丁腈（AIBN）、偶氮二甲酰胺（ADC）。

（5） 過氧化物類：含―O―O―或―O―O―O―等過氧基團，能量高、氧化性強、穩定性差，如過氧化氫（H2O2）、過氧化苯甲酰（BPO）。

（6） 炔基化合物類：含碳碳三鍵（―C≡C―），反應活性和能量高，穩定性較差，如乙炔（C2H2）、丁炔二酸二甲酯（DMAD）。

（7） 硝胺類：含硝胺基團，能量密度高、穩定性好，爆轟性能良好，如RDX、HMX、六硝基六氮雜異伍茲烷（CL-20）。

（8） 雜環類：含雜環，具有獨特的化學和物理性質，能量和穩定性較高，如三唑類化合物、呋咱類化合物等。

2.2 極端條件下的物理化學性質

在極端條件下，含能材料的物理化學性質會發生顯著且復雜的變化，這些變化對于理解含能材料的性能、安全性以及在特定應用場景中的行為具有重要意義。以下將從高壓、高溫、強磁場和強輻射4 種極端條件分別進行詳細描述。

2.2.1 高壓條件

（1） 晶體結構變化

A. 分子間相互作用改變

在高壓環境下，含能材料分子間的距離顯著減小，分子間的范德華力等相互作用增強。以硝基甲烷為例，隨著壓力的增加，分子間的排列更加緊密，原本較弱的分子間相互作用變得不可忽視，從而影響分子的振動模式和轉動自由度。分子間距離的壓縮可能導致分子間的電荷轉移或重新分布，進而影響整個晶體的電子結構。例如，在某些含能晶體中，高壓下相鄰分子的電子云發生一定程度的重疊，改變了分子的局部電荷密度，可能對化學鍵的性質產生微妙的影響[2]。

B. 晶格參數和對稱性變化

高壓通常會導致晶體的晶格參數發生改變。晶格常數可能會減小，晶胞體積也隨之壓縮。對于具有特定晶體結構的含能材料，如立方晶系的RDX，高壓下晶胞的邊長會縮短。

晶體的對稱性也可能發生變化。一些原本具有較高對稱性的晶體結構，在高壓下可能會降低對稱性，出現結構相變。例如，某些含能材料在常壓下屬于正交晶系，在高壓下可能轉變為單斜晶系或更低對稱性的結構。這種對稱性的改變會影響晶體的物理性質，如光學性質、熱導率等[15]。

C. 化學鍵的變化

高壓會使化學鍵的鍵長縮短，鍵能增加。對于含能材料中的共價鍵，如C―N、N―O 等鍵，鍵長的縮短會增強原子間的相互作用，使化學鍵更加穩定。然而，這種穩定性的增加是相對的，在一定程度上也可能影響含能材料的反應活性。分子內和分子間的化學鍵角度也可能發生變化。例如，在一些含氮雜環的含能材料中，高壓下環內的鍵角可能會發生微小的改變，這會影響分子的幾何構型和電子云分布，進而對其物理化學性質產生影響[19]。

（2） 狀態方程改變

A. 體積-壓力關系

含能材料的體積隨著壓力的增加而減小，但其壓縮率并非線性變化。在較低壓力下，體積變化可能相對較大；隨著壓力升高，材料的壓縮變得越來越困難，壓縮率逐漸減小。例如，對于TNT 等含能材料，通過實驗測量和理論計算可以得到其體積與壓力的關系曲線，該曲線呈現出非線性特征。狀態方程中的參數，如體彈模量、壓縮系數等，會隨著壓力的變化而改變。體彈模量在高壓下通常會增大，表明材料抵抗體積壓縮的能力增強；而壓縮系數則減小，反映了材料體積對壓力變化的敏感度降低[3]。

B. 密度-壓力關系

高壓導致含能材料的密度增加。由于分子間距離的減小和晶體結構的壓縮，單位體積內的分子數增多，因此密度增大。這種密度的增大對于含能材料的能量密度有重要影響，因為能量密度與質量及體積相關，密度的增加可能會提高含能材料的能量釋放潛力。不同含能材料的密度-壓力曲線有所差異，這取決于其分子結構和晶體結構的特點。例如，CL-20 在高壓下的密度增加幅度可能與RDX 不同，這是其分子結構和堆積方式不同導致的[1]。

（3） 能量密度增大

A. 分子間相互作用能的變化

高壓下分子間相互作用增強，導致分子間的勢能增加。含能材料中分子間的靜電相互作用、范德華力等在高壓下都發生了變化，使得分子間的結合更加緊密，儲存了更多的勢能。這種勢能的增加可以看作能量密度增大的一個方面。當含能材料發生化學反應或爆炸時，這些額外儲存的勢能會釋放出來，為反應提供更多的能量[21]。

B. 化學鍵能的變化及其對能量密度的影響

如前所述，高壓使化學鍵的鍵長縮短、鍵能增加。雖然單個化學鍵鍵能的增加相對較小，但是對于整個含能材料分子來說，所有化學鍵鍵能的總和變化是可觀的[22]。這意味著在高壓下，含能材料分子需要更多的能量來打破化學鍵，從而在一定程度上提高了其能量儲存能力。當含能材料發生爆炸或分解反應時，這些更強的化學鍵在斷裂時會釋放出更多的能量，進而提高含能材料的能量密度。例如，高壓下硝基化合物的硝基基團的化學鍵性質發生改變，使得爆炸時釋放的能量比常壓下更高[19]。

（4） 理論計算與實驗驗證

通過量子化學計算和分子動力學模擬等理論方法，可以預測高壓下含能材料能量密度的變化趨勢。例如，采用密度泛函理論（density functional theory，DFT）計算含能材料在不同壓力下的電子結構和能量狀態，得到能量密度與壓力的關系曲線。實驗方面，利用高壓實驗裝置，如DAC 等，直接測量含能材料在高壓下的物理化學性質，包括密度、狀態方程等參數，進而通過計算得到能量密度。實驗結果與理論計算相互驗證，進一步揭示了高壓下含能材料能量密度增加的機制[2]。

2.2.2 高溫條件

（1） 熱分解加速

A. 反應動力學變化

高溫顯著提高了含能材料的熱分解反應速率。根據阿侖尼烏斯方程，反應速率常數與溫度呈指數關系，溫度升高會使反應速率常數大幅增加。例如，對于常見的含能材料HMX，常溫下其熱分解速率較低，但當溫度升高到一定程度時，分解速率會迅速加快。

熱分解反應的活化能在高溫下可能發生變化。一方面，高溫可能使一些反應路徑的活化能降低，使原本難以發生的反應變得更容易進行；另一方面，隨著溫度升高，反應體系的復雜性增加，可能出現新的反應路徑和中間體，導致整體的熱分解動力學行為更加復雜[17]。

B. 分解產物的變化

高溫下含能材料的熱分解產物會發生改變。隨著溫度的升高，分解產物可能更加多樣化，并且生成更多的小分子氣體產物，如NO2、CO2、H2O 等。例如，硝化甘油在不同溫度下的熱分解產物分布不同，高溫時會產生更多的氣體產物，這些氣體產物的迅速膨脹是含能材料爆炸能量釋放的重要因素之一。

高溫還可能導致分解產物的進一步反應。一些初級分解產物在高溫下具有較高的活性，會繼續發生二次反應或相互反應，生成更復雜的產物。例如，含能材料分解產生的自由基在高溫下可能相互結合或與其他分子反應，形成新的化合物[15]。

C. 熱分解機理的轉變

在常溫下，含能材料的熱分解可能主要通過一種或幾種特定的機理進行，如化學鍵的均裂或異裂；但在高溫下熱分解機理可能發生轉變。例如，某些含能材料在低溫時以分子內的某一化學鍵斷裂為主導的分解機理，在高溫下可能會轉變為涉及分子間相互作用和協同反應的更復雜的機理。

高溫還可能引發含能材料的熱失控反應。當熱量產生速率大于散熱速率時，溫度會持續升高，導致熱分解反應加速，甚至引發爆炸。這是高溫下含能材料安全性面臨的重要問題之一[3]。

（2） 化學反應性增強

A. 與氧氣的反應

高溫下含能材料與空氣中氧氣的反應加劇。含能材料中的一些可燃成分，如碳、氫等，在高溫下更容易與氧氣發生氧化反應。例如，含能材料中的有機基團在高溫有氧環境下會迅速燃燒，釋放出大量的熱量和氣體產物。氧化反應速率隨著溫度的升高而加快，并且可能引發連鎖反應。一旦氧化反應開始，釋放的熱量會進一步提高含能材料的溫度，使反應更加劇烈。同時，氧化反應生成的氧化物可能影響含能材料的后續分解反應和能量釋放過程[32]。

B. 與其他物質的相互作用

在高溫下，含能材料還可能與其他添加劑、雜質或周圍的材料發生相互作用。例如，在含能材料的制備過程中，可能會添加一些穩定劑或催化劑，這些添加劑在高溫下可能與含能材料發生化學反應，改變含能材料的性能。含能材料與雜質的相互作用不容忽視。雜質可能會作為催化劑或引發劑，加速含能材料的熱分解或其他化學反應。例如，含能材料中微量的金屬離子雜質在高溫下可能催化分解反應，降低含能材料的穩定性。

此外，高溫下含能材料與周圍材料的熱傳導和熱輻射相互作用也會增強。如果含能材料與導熱性良好的材料接觸，熱量會更快地傳遞，可能導致含能材料局部溫度升高，加速化學反應。而熱輻射在高溫下也會更加顯著，影響含能材料與周圍環境的能量交換[3]。

2.2.3 強磁場條件

（1） 電子結構改變

A. 電子軌道變化

強磁場會對含能材料中電子的軌道運動產生影響。根據量子力學原理，電子在磁場中受到洛倫茲力作用，使軌道發生偏轉和量子化。例如，對于含能材料中的π 電子體系，強磁場會改變其電子云的分布和軌道形狀。電子軌道的變化會影響電子的能量狀態。在磁場作用下，電子的能級發生分裂，形成不同的塞曼能級。這種能級分裂會改變電子的躍遷概率和光譜特性，進而影響含能材料的光學、電學等性質[19]。

B. 自旋狀態變化

電子的自旋在強磁場下也會受到影響。含能材料中的未成對電子具有自旋磁矩，在磁場中會發生取向變化。例如，一些含氮自由基的含能材料，其電子自旋狀態在強磁場下會發生改變，可能導致分子的磁性和化學反應性發生變化。

自旋-軌道耦合作用在強磁場下也會增強。這種耦合作用影響電子的躍遷和能量轉移過程，對于含能材料的光吸收、光發射等過程具有重要意義。例如，在強磁場下，含能材料的熒光光譜可能發生位移和強度變化，這是由于自旋-軌道耦合作用改變了電子的激發態和弛豫過程[33]。

C. 電荷分布與化學鍵性質變化

強磁場引起的電子結構變化會導致電荷分布改變。電子云在磁場作用下會重新分布，使得分子中的電荷密度發生變化。這種電荷分布的改變會影響分子內和分子間的靜電相互作用，進而對化學鍵的性質產生影響。例如，在含能材料分子中，強磁場可能改變化學鍵的極性，影響化學鍵的鍵長、鍵能等參數。對于一些具有共軛結構的含能材料，磁場對電荷分布的影響更為顯著，可能改變其共軛體系的電子傳輸性質和化學反應活性[19]。

（2） 能量吸收和釋放變化

A. 磁場對能量吸收過程的影響

含能材料在吸收外界能量（如光、熱等）時，強磁場會影響其吸收效率和吸收方式。在光吸收過程中，磁場可以改變電子的躍遷選擇規則，使含能材料對不同波長的光的吸收能力發生變化。例如，某些含能材料在強磁場下的吸收光譜出現紅移或藍移現象，即吸收峰向長波或短波方向移動。對于熱吸收過程，磁場可能影響含能材料的熱傳導和熱容量。由于磁場對電子和分子運動的作用，熱傳導過程中熱量的傳遞方式可能發生改變，熱容量也可能有所不同。這會影響含能材料在加熱過程中的溫度分布和能量積累速度[15]。

B. 磁場對能量釋放過程的影響

在含能材料發生反應甚至爆炸而釋放能量時，強磁場可能影響能量的釋放方式和速率。例如，對于一些基于電爆炸原理的含能材料裝置，強磁場可以改變電流分布和電子運動軌跡，從而影響電爆炸過程中的能量釋放特性。磁場還可能對含能材料爆炸產生的沖擊波傳播和能量分布產生影響。沖擊波在磁場中傳播時，會與磁場相互作用，導致沖擊波的形態、速度和能量分布發生改變。這對于理解含能材料的爆炸威力和作用范圍具有重要意義[15， 34]。

C. 磁致能量變化的理論解釋與實驗研究

理論上，通過量子力學和電磁學的相關理論可以對強磁場下含能材料的能量吸收和釋放變化進行解釋。例如，利用微擾理論計算磁場對電子能級和躍遷概率的影響，進而分析光吸收和發射過程的變化。實驗上，采用磁共振技術（如核磁共振、電子順磁共振等）可以研究含能材料在強磁場下的電子結構和自旋狀態變化。同時，通過測量含能材料在不同磁場強度下的光吸收、熱傳導等物理量，以及觀察其在爆炸或反應過程中的能量釋放特性變化，可以進一步驗證理論模型、理解磁場對含能材料能量變化過程的影響機制[15， 18]。

2.2.4 強輻射條件

（1） 分子損傷

A. 化學鍵斷裂及自由基的產生

強輻射（如高能射線、紫外線等）具有較高的能量，能夠使含能材料分子中的化學鍵斷裂。例如，γ 射線等高能輻射可以直接打斷含能材料分子中的C―N、N―O 等化學鍵，產生自由基和離子等活性中間體。自由基的產生會引發一系列連鎖反應。含能材料分子中的自由基具有較高的反應活性，可以與其他分子或自由基發生反應，進一步破壞含能材料的分子結構。例如，硝基自由基可以與相鄰的分子發生反應，導致硝基的脫落或分子的分解，降低含能材料的穩定性和性能[35]。

B. 晶體結構破壞

對于晶狀含能材料，強輻射還可能破壞其晶體結構。輻射能量可以使晶體中的晶格缺陷增多，甚至導致晶格坍塌。例如，在長時間的輻射作用下，含能材料晶體的X 射線衍射（X-ray diffraction，XRD）譜會發生變化，衍射峰變寬或消失，表明晶體的有序結構受到破壞。晶體結構的破壞會影響含能材料的物理性質，如密度、硬度、熱導率等，同時，也會對其化學性質產生影響，使得含能材料更容易發生分解反應或與其他物質發生化學反應[36]。

C. 性能下降與失效機制

分子損傷和晶體結構破壞最終會導致含能材料性能下降甚至失效，如爆炸性能受到影響，爆速、爆壓等參數可能降低。輻射導致的化學鍵斷裂和結構破壞會使含能材料爆炸時能量釋放不完全或不均勻。對于一些在特殊環境下使用的含能材料，如太空環境中的含能材料，強輻射的影響更為顯著。輻射可能使含能材料在儲存和使用過程中逐漸失效，從而影響相關設備或系統的正常運行[37]。

（2） 相態變化

A. 熔化與蒸發過程

含能材料在高溫下會經歷熔化過程。隨著溫度升高，當達到其熔點時，含能材料從固態轉變為液態。在熔化過程中，分子間的作用力逐漸減弱，分子運動的自由度增加。例如，TNT 的熔點相對較低，在一定溫度下會熔化，其液態下的流動性和擴散性增強。當溫度繼續升高到沸點以上時，含能材料會發生蒸發變為氣態。在蒸發過程中，分子需要克服液體的表面張力和分子間的吸引力進入氣相。一些揮發性較強的含能材料，如硝化甘油，在高溫下容易蒸發，其氣態分子在空氣中的擴散速度較快[5]。

B. 相態轉變對物理化學性質的影響

相態的變化會顯著影響含能材料的密度。固態時密度相對較大，液態時密度有所減小，氣態時密度則變得非常小。這種密度的變化會影響含能材料的能量傳遞和爆炸性能。例如，在炸藥的爆炸過程中，與固態相比，液態或氣態含能材料的能量釋放更加迅速和均勻，因為分子的擴散速度更快，能夠更有效地與周圍介質相互作用。

相態轉變還會影響含能材料的比熱容、熱導率等熱物理性質。液態含能材料的比熱容通常比固態大，意味著在吸收相同熱量時，液態含能材料的溫度升高幅度相對較小。不同相態下的熱導率也有所不同，固態時，熱導率較高，有利于熱量在材料內部傳導，液態和氣態時，熱導率則相對較低[3]。

此外，溫度也會改變含能材料的原子堆積方式，形成固固相變，最終影響含能材料的物理性能。當然，相態變化對含能材料的化學反應性也有影響。液態和氣態含能材料分子間的接觸更加充分，反應活性通常比固態時更高，更容易與其他物質發生化學反應。

（3） 能量傳遞和激發

A. 輻射能量的吸收與轉移

含能材料可以吸收輻射能量，輻射的光子或粒子與含能材料分子相互作用，將能量傳遞給分子。

例如，紫外線輻射被含能材料分子吸收后，電子會從基態躍遷到激發態，實現能量吸收。吸收的能量在分子內和分子間轉移，能量可以通過分子內的振動、轉動等方式在分子內部傳遞，也可以通過分子間的相互作用（如氫鍵、范德華力等）在分子間傳遞。這種能量轉移過程會影響含能材料的局部溫度分布和化學反應活性。

對于晶狀含能材料，能量轉移還可能涉及晶格振動和電子-聲子耦合等機制。輻射能量激發的電子可以與晶格振動相互作用，將能量傳遞給晶格，導致晶格溫度升高。在強輻射條件下這種電子-聲子耦合可能對含能材料的熱穩定性和熱分解過程產生重要影響。

B. 激發態分子的性質與反應活性

處于激發態的含能材料分子具有更高的能量和反應活性。激發態分子的電子結構和化學鍵性質與基態分子不同，可能導致分子的幾何構型、電荷分布等發生變化。例如，激發態的硝基化合物分子中，硝基的電子云密度可能會發生改變，使得硝基的反應活性增強。激發態分子更容易發生化學反應。它們可以與周圍的分子發生碰撞，進行能量轉移或化學反應。例如，激發態的含能材料分子可能與空氣中的氧氣發生反應，生成氧化產物，或者與其他含能材料分子相互作用，引發連鎖反應。激發態分子的壽命通常較短，它們會通過各種方式回到基態，釋放出吸收的能量。該過程可能伴隨著光發射、熱釋放或化學反應等。例如，激發態的含能材料分子可以通過熒光或磷光發射釋放能量，也可以通過熱分解反應將能量轉化為化學能。

C. 輻射對含能材料光學性質的影響

強輻射可以改變含能材料的光學性質。輻射能量的吸收和激發會導致含能材料的吸收光譜、發射光譜等發生變化。例如，紫外線輻射可能使含能材料的吸收邊向長波方向移動，即紅移，意味著含能材料對更長波長的光具有吸收能力。輻射還可能引起含能材料的熒光增強或猝滅。激發態分子的熒光發射強度和壽命會受到輻射的影響。例如，在某些情況下，輻射可以促進激發態分子的熒光發射，使熒光強度增強；而在另一些情況下，輻射可能導致熒光猝滅，即熒光強度減弱或消失。

含能材料的光學性質變化可以用于輻射檢測和監測。通過測量含能材料在輻射前后的光學性質變化，判斷含能材料是否受到輻射以及輻射的強度和類型。例如，利用含能材料的熒光變化可以設計輻射傳感器，用于檢測環境中的輻射水平。

3 模擬研究方法及進展

含能材料模擬研究已經有很長的歷史，目前，已經有非常成熟的方法，下面將介紹這些方法。

3.1 量子力學方法

3.1.1 理論基礎

量子力學從微觀角度出發，以薛定諤方程等基本原理為基礎，精確地描述了含能材料分子中電子的運動狀態和相互作用。通過求解這些方程，可以得到分子的電子結構、能級、軌道等信息，這些信息對于理解含能材料的化學性質、反應活性、穩定性等至關重要。例如，通過量子力學計算可以確定含能材料分子中化學鍵的強度、電子的分布等，從而預測分子的反應活性位點和可能的反應路徑。

3.1.2 常用技術

（1） Hartree-Fock 方法

Hartree-Fock 方法將多電子體系的波函數用單電子波函數的乘積近似表示，每個電子在其他電子所產生的平均勢場中運動。其優點是計算相對簡單，能夠在一定程度上考慮電子之間的平均相互作用，對于一些簡單的分子體系可以給出較為合理的結果。例如，對于小分子含能材料的初步電子結構計算，Hartree-Fock 方法可以提供基礎信息。但是，該方法忽略了電子間的關聯效應，對于電子之間相互作用較強的含能材料體系來說是一個重要的缺陷，可能導致計算結果不準確。例如，在一些含能材料的激發態計算中，Hartree-Fock 方法往往無法準確描述電子的激發過程[38]。

（2） DFT

DFT 將體系的能量表示為電子密度的函數，避免了直接求解復雜的多電子波函數，大大降低了計算難度。它通過引入各種交換關聯泛函來近似描述電子間的相互作用，在計算效率與準確性之間取得了較好的平衡。DFT 可以準確地預測含能材料分子的幾何結構、電子結構、能量等性質。例如，通過DFT 計算可以研究含能材料分子的前線軌道能級、電荷分布等，從而分析其反應活性和穩定性。常用的交換關聯泛函有局域密度近似（local-density approximation，LDA）、廣義梯度近似（generalized gradientapproximation，GGA）等，不同的泛函對于不同的含能材料體系可能具有不同的適用性[18]。

3.1.3 研究進展

近年來，量子力學方法在含能材料研究中的應用不斷發展。一方面，隨著計算機硬件性能的不斷提升，能夠處理的含能材料體系規模越來越大，計算精度也不斷提高。例如，對于一些復雜的含能材料大分子或團簇體系，可以通過高性能計算機進行精確的量子力學計算。另一方面，新的量子力學計算方法和技術不斷涌現。例如，多尺度量子力學方法將量子力學與其他模擬方法相結合，如量子力學/分子力學（quantum mechanics/molecular mechanics，QM/MM）方法在研究含能材料的界面反應、與周圍環境的相互作用等方面具有很大的優勢，可以在保證計算精度的前提下擴大模擬體系的規模和復雜度[15]。

3.1.4 量子力學方法在含能材料結構優化中的應用

以新型含能材料聚合氮為代表的全氮化合物為例，在極高的壓力和溫度下，氮分子間的距離被縮短，致使雙原子分子離解，原子重排而形成帶有雙鍵或單鍵的聚合氮。由于分子鍵能的差異，如果在環境條件下穩定并分離出聚合氮，則外部刺激會引發從單鍵材料向雙原子氮的逆向轉化，能量水平達10 倍以上 TNT 當量[39]。與傳統的 C、H、O、N 含能材料相比，聚合氮的理論爆速在14 km/s 以上，爆炸產物主要為氮氣，不會對環境造成污染，而且用在軍事上也不易被檢測到，具有低信號的優點。因此，聚合氮是最渴望獲得應用的新一代含能材料 。科學家們正持續深入研究，以提高其能量密度和穩定性。通過DFT 計算，可深入分析聚合氮的分子結構。2020 年，預測出由 N10 分子組成的芳香族多氮晶體，其能量優于先前提出的 N8 和 N6 分子晶體，并且在環境條件下具有穩定性[40–42]。這種在環境壓力下穩定的多氮環狀結構預測可能為尋找全氮芳香分子晶體開辟新的領域，有助于指導新的聚合氮合成。

近年來，量子蒙特卡羅方法被應用于含能材料的電子結構計算。該方法結合了量子力學和蒙特卡羅方法的優點，能更準確計算電子結構，尤其適用于具有強電子關聯效應的含能材料體系。例如，在對新型含能材料的研究中，采用量子蒙特卡羅方法準確計算出電子分布和能級情況，揭示了其特殊的化學反應活性位點，為進一步優化材料性能提供了理論依據[43–44]。

3.2 分子動力學方法

3.2.1 理論基礎

基于牛頓力學定律，將含能材料體系中的每個分子看作一個粒子，通過跟蹤粒子的位置、速度、加速度等隨時間的變化，來研究體系的宏觀性質和微觀行為。分子之間的相互作用通過力場描述，力場函數通常包含化學鍵的伸縮、彎曲、扭轉等能量項以及非鍵相互作用（如范德華力、庫侖力等）能量項[45]。

3.2.2 常用技術

（1） 經典分子動力學

經典分子動力學使用經驗性的力場來描述分子間的相互作用，這些力場參數通常是通過擬合大量實驗數據得到的。例如，用Lennard-Jones 勢函數描述非鍵相互作用，用簡單的諧波勢函數描述化學鍵伸縮等。經典分子動力學方法的計算效率高，可以模擬較大規模的含能材料體系和較長時間尺度的過程，如模擬含能材料在不同溫度、壓力條件下的結構變化、熱傳導、擴散等過程，研究含能材料的熱穩定性、力學性能等[45]。

（2） 從頭算分子動力學

從頭算分子動力學（ab initio molecular dynamics，AIMD）基于量子力學的第一性原理計算分子間的相互作用力，不依賴經驗力場，因此具有較高的準確性。它可以更準確地描述分子間化學鍵的形成和斷裂過程以及電子結構變化。然而，AIMD 的計算成本非常高，只能模擬較小規模的體系和較短時間尺度的過程。AIMD 通常與經典分子動力學方法結合使用，例如在研究含能材料的反應機理時，先使用 AIMD 方法研究反應的初始階段，然后使用經典分子動力學方法模擬后續的反應過程[36]。

（3） 深度勢能分子動力學

深度勢能分子動力學是一種結合了機器學習和分子動力學的方法，通過大量的第一性原理計算數據訓練深度神經網絡，得到能夠準確描述含能材料體系中原子間相互作用的勢函數，這種勢函數可以在保持較高精度的同時，大幅提高計算效率。深度勢能分子動力學方法在處理復雜的含能材料體系時具有很大的優勢，可以快速準確地模擬含能材料的結構演化、反應過程等[46]。

3.2.3 研究進展

在含能材料的熱分解研究方面，分子動力學模擬可以揭示熱分解過程中的微觀機制，如化學鍵的斷裂順序、中間產物的生成和演化等。通過模擬不同溫度、壓力條件下的熱分解過程，可以預測含能材料的熱穩定性和分解速率，為含能材料的設計和應用提供理論指導。在沖擊響應研究中，分子動力學模擬可以模擬含能材料在沖擊作用下的結構變化、應力分布、能量傳遞等過程，幫助理解含能材料的沖擊敏感性和爆轟性能。例如，通過分子動力學模擬研究含能材料在沖擊作用下的相變、缺陷形成等過程，對于提高含能材料的安全性和可靠性具有重要意義[15]。

3.2.4 分子動力學方法在含能材料沖擊響應研究中的應用

采用分子動力學方法可以模擬沖擊作用下含能材料原子級結構變化、應力分布和能量傳遞過程。結果表明，材料中某些化學鍵（如N―N 鍵、C―N 鍵以及硝酸酯鍵等）在沖擊時易斷裂，導致能量釋放不均，影響爆轟性能。基于此，添加穩定劑（如高分子黏結劑）后重新模擬，能量釋放將更均勻，爆轟性能顯著提高。經實際沖擊實驗驗證，爆轟速度得到提高，爆轟壓力也有所增加[47–50]。

新開發的極化力場模型可用于含能材料模擬研究。該模型能更準確地描述分子間相互作用，尤其適用于極性分子的含能材料體系。在對含能材料熱分解研究中，使用該模型模擬的分解溫度和速率[51–52]與實驗結果更接近，誤差很小，說明該新力場模型具有更高的準確性，能更好地預測含能材料性能。

3.3 蒙特卡羅方法

3.3.1 理論基礎

蒙特卡羅方法是一種基于隨機抽樣的數值計算方法，通過對含能材料體系的隨機抽樣和統計分析，研究體系的性質和行為。它利用隨機數生成器產生大量的隨機樣本，根據樣本的統計結果估計體系的各種性質[53]。

3.3.2 常用技術

（1） Metropolis 算法

Metropolis 算法是蒙特卡羅方法中常用的一種抽樣算法，用于在給定的溫度和能量條件下隨機生成含能材料體系的構型，并根據一定的接受準則決定是否接受該構型。接受準則通常基于體系能量變化和玻爾茲曼分布，即如果新構型的能量低于當前構型的能量，則接受新構型，如果新構型的能量高于當前構型的能量，則以一定的概率接受新構型，這個概率與能量差及溫度有關。通過不斷重復這個過程，可以得到含能材料體系在不同條件下的構型分布和熱力學性質。例如，可以使用 Metropolis 算法研究含能材料的相平衡、構象變化等問題[54]。

（2） 重要性抽樣

對于一些復雜的含能材料體系，某些構型的出現概率可能非常低，直接抽樣效率很低。重要性抽樣方法通過對抽樣過程進行加權，增加重要構型的抽樣概率，提高計算效率和準確性。例如，在研究含能材料的反應路徑時，可以使用重要性抽樣方法重點抽樣反應過程中的關鍵中間體和過渡態構型[4]。

3.3.3 研究進展

在含能材料的相平衡研究中，蒙特卡羅方法可以模擬含能材料在不同溫度、壓力和組成條件下的相態變化，確定相圖和相變規律。例如，通過蒙特卡羅模擬可以研究含能材料在固態、液態和氣態之間的相變過程，以及含能材料與其他物質的混合相行為。在結構優化方面，蒙特卡羅方法可以搜索含能材料分子的最優構象和晶體結構。通過隨機生成大量的構象，并根據能量和其他約束條件進行篩選，找到具有最低能量的構象和最穩定的晶體結構[4]。

3.3.4 蒙特卡羅方法在含能材料相平衡研究中的應用

采用蒙特卡羅方法，結合Metropolis 算法和重要性抽樣技術，可以模擬大量構型變化，研究含能材料體系在不同溫壓條件下的相平衡狀態，確定相圖和相變規律。依據模擬結果，在某高溫高壓環境下，準確預測材料相變，據此調整儲存條件，避免因相變導致的性能下降或安全事故[55–56]。

基于機器學習的蒙特卡羅抽樣方法在不斷開發中。該方法通過學習已知含能材料體系的構型分布和熱力學性質，高效抽樣重要構型，從而提高計算效率和準確性，可用于含能材料體系相平衡研究，更快速準確地確定相圖和相變規律[57]。

3.4 有限元方法

3.4.1 理論基礎

有限元方法是將材料體系離散為有限個小單元，通過對每個小單元的力學、熱學等性質進行分析，將這些小單元的結果進行組合，得到整個體系的宏觀性質。有限元方法基于變分原理或加權余量法，將連續的物理問題轉化為離散的代數方程組進行求解[58]。

3.4.2 常用技術

（1） 結構分析

結構分析可用于模擬含能材料在受到外力作用時的應力、應變等力學響應。例如，通過有限元方法分析含能材料在爆炸沖擊下的結構破壞過程，研究含能材料部件在武器裝備中的力學性能和可靠性。在結構分析中，需要建立含能材料的力學模型，包括材料的本構關系、邊界條件等。常用的本構模型有彈性模型、塑性模型、損傷模型等，需要根據含能材料的具體特性選擇合適的本構模型。

（2） 熱傳導分析

熱傳導分析用于研究含能材料在熱作用下的溫度分布和熱傳遞過程，可以模擬含能材料在燃燒、熱分解等過程中的熱傳導行為，分析熱傳遞的機制和影響因素。在熱傳導分析中，需要考慮熱傳導方程、邊界條件和初始條件等。常用的數值求解方法包括有限差分法、有限元法等，需要根據具體問題選擇合適的求解方法[59]。

3.4.3 研究進展

在含能材料的結構設計中，有限元方法可以幫助設計人員優化含能材料的結構形狀和尺寸，提高含能材料的力學性能和能量釋放效率。例如，通過有限元分析優化含能材料的裝藥結構，提高爆炸威力和能量利用率[34]。在熱管理方面，有限元方法可用于研究含能材料的熱穩定性和熱傳導性能，為含能材料的熱防護和熱控制提供理論支持。例如，通過有限元模擬分析含能材料在不同熱環境下的溫度分布和熱應力，設計合理的熱防護結構。

3.4.4 有限元方法在含能材料結構設計中的應用

在新型炸藥研發中，利用有限元方法可以優化裝藥結構。眾所周知，聚能裝藥戰斗部作為戰場上毀傷裝甲目標的有效殺傷力量，如何提高聚能毀傷元的威力一直受到各國武器設計者的高度重視。目前，各國主要通過改變裝藥結構和研制新型毀傷材料兩個方面提高聚能裝藥毀傷威力。在裝藥結構方面，增設隔板或采用多種起爆方式，以增強炸藥對藥型罩的做功能力，提高藥型罩的利用率；在新型毀傷材料方面，利用含能材料，包括爆炸型和燃燒型含能破片、活性射流等，在侵徹目標的同時實現爆炸、燃燒等二次毀傷，極大地提高了殺傷威力[60–63]。

人們還發展出新的多物理場耦合有限元模型，以開展高溫高壓等極端條件下的含能材料模擬研究。該模型同時考慮了力學、熱學、電學等多種物理場相互作用，能夠更準確地模擬結構變化和反應機制。在含能材料的高溫高壓研究中，預測材料能量釋放性能和力學性能，如將含能材料的分解反應等效為金屬柱殼結構的內壓載荷；對充壓金屬柱殼的屈曲行為和激光輻照充壓金屬柱殼結構的屈曲行為進行多種物理場分析，得到了結構的屈曲缺陷，發現激光熱流會使金屬結構在輻照區域發生局部熱軟化，使臨界屈曲載荷發生大幅度降低，結合熱-力耦合模型，總結出了穿孔損傷、裂紋延展以及沿母線開膛破壞的損傷模式，通過溫升響應和應力分布說明了3 種模式的損傷機制，結果表明，內壓載荷使激光輻照金屬充壓柱殼結構的損傷速度遠高于無內壓載荷的損傷速度，該模型在預估激光輻照金屬充壓結構的損傷模式方面具有一定的實用價值[64]。

4 極端條件下含能材料模擬研究的關鍵問題

4.1 高壓下的結構相變

在高壓條件下，含能材料的結構相變是一個關鍵問題。高壓會壓縮含能材料的體積，使分子間的距離減小，分子間的相互作用增強，可能導致晶體結構的變形、相變等現象。例如，在高壓下，含能材料的晶體結構可能從一種晶相轉變為另一種晶相，晶格參數、空間群等都會發生變化。在模擬中，可以通過施加外部壓力場，計算含能材料在不同壓力下的結構變化，確定其相轉變的壓力閾值和相圖。

4.1.1 相變機制

研究高壓如何影響含能材料的分子結構和晶體結構，如高壓可能導致晶體結構的壓縮、扭曲或轉變為不同的晶相；研究相變過程中的化學鍵變化，如鍵長、鍵角的改變以及可能出現的新化學鍵；確定相變的壓力閾值和相變路徑。上述研究對于預測含能材料在不同壓力環境下的性能至關重要。

4.1.2 物理性質變化

研究并預測高壓下含能材料的密度、硬度、彈性模量等物理性質的變化，為材料的設計和應用提供依據；研究相變對含能材料的熱導率、電導率等傳輸性質的影響，對于理解含能材料在極端條件下的能量釋放和傳輸過程具有重要意義。

4.1.3 穩定性和安全性

高壓下含能材料的穩定性是一個關鍵問題。通過模擬評估不同壓力下材料的分解風險和爆炸可能性，為安全存儲和使用提供指導；研究相變對含能材料感度（如撞擊感度、摩擦感度等）的影響，以確保在極端條件下的操作安全。

4.2 高溫下的熱分解與燃燒

高溫是含能材料面臨的另一個極端條件，熱分解和燃燒是重要的研究問題。高溫會加劇含能材料的分子熱運動，導致分子間的相互作用發生變化。例如，一些弱的分子間作用力（如范德華力、氫鍵等）可能被削弱或破壞，使分子的排列方式發生改變。同時，高溫還可能引發分子的熱分解、異構化等化學反應，從而改變材料的化學結構。在模擬中，可以通過設置較高的溫度參數，觀察含能材料的分子結構在不同溫度下的變化情況，分析其結構的穩定性和熱穩定性。例如，對于一些含能聚合物，高溫可能導致聚合物鏈的斷裂、交聯等反應，從而影響材料性能。

4.2.1 熱分解機理

模擬高溫下含能材料的熱分解過程，揭示分解的起始步驟、中間產物和最終產物；研究熱分解過程中的化學鍵斷裂、重組機制以及能量釋放途徑；確定熱分解的溫度范圍和速率，對于預測含能材料的熱穩定性和燃燒性能至關重要。

4.2.2 燃燒特性

模擬含能材料的燃燒過程，包括火焰傳播、燃燒速度、燃燒溫度等參數的計算；研究燃燒過程中的化學反應動力學以及燃燒產物的組成和分布；考慮高溫對燃燒過程的影響，如熱輻射、熱傳導等，以更準確地描述燃燒行為。

4.2.3 安全性和可靠性

高溫下含能材料的安全性是一個重要問題。通過模擬，評估材料在高溫環境下的分解和燃燒風險，為安全設計和使用提供依據；研究熱分解和燃燒對含能材料的力學性能、結構穩定性的影響，確保含能材料在極端條件下的可靠性。

4.3 高溫高壓的協同影響

高溫與高壓的協同作用會使含能材料的結構變化更加復雜。例如，在高溫高壓下，含能材料的分子可能發生重排、聚合等反應，形成新的結構；同時，高溫高壓還可能影響材料的缺陷結構，如空位、位錯等，從而改變材料的物理和化學性質。在模擬中，需要同時考慮溫度和壓力的影響，通過多物理場耦合的模擬方法，研究含能材料在高溫高壓下的結構變化和反應機制。

4.3.1 材料性能的影響

（1） 能量釋放性能

高溫高壓會影響含能材料的能量釋放性能，如燃燒速度、爆炸威力等。在高溫下，含能材料的反應速率加快，能量釋放更加迅速；而高壓則可能抑制材料的燃燒和爆炸反應，使能量釋放更加困難。在模擬中，可以通過建立化學反應動力學模型，計算含能材料在不同溫度和壓力下的反應速率、能量釋放量等參數，評估其能量釋放性能。

（2） 力學性能

高溫高壓會改變含能材料的力學性能，如硬度、強度、彈性模量等。在高溫下，材料的原子熱運動加劇，原子間的鍵合作用減弱，導致材料的硬度和強度降低；而高壓則會使材料的原子間距離減小，鍵合作用增強，提高材料的硬度和強度。在模擬中，可以通過計算材料的應力-應變曲線、彈性模量等參數，研究含能材料在高溫高壓下的力學性能變化。

（3） 感度性能

含能材料的感度（如撞擊感度、摩擦感度等）是衡量其安全性的重要指標。高溫高壓會影響含能材料的感度性能，使其更容易發生爆炸或燃燒。通過模擬含能材料在高溫高壓下的沖擊、摩擦等過程，可以計算其感度參數，評估其安全性。

4.3.2 反應機理的影響

（1） 反應路徑的改變

高溫高壓會改變含能材料的反應路徑，使一些原本不可能發生的反應變成可能。例如，在高溫高壓下，含能材料的分子可能發生解離、重組等反應，形成新的中間產物和最終產物。在模擬中，可以通過建立反應路徑圖，分析含能材料在不同溫度和壓力下的反應路徑變化，揭示其反應機理。

（2） 反應速率的變化

高溫會加快含能材料的反應速率，而高壓則可能對反應速率產生抑制或促進作用，具體情況取決于反應體系和壓力范圍。通過計算反應速率常數、活化能等參數，可以研究含能材料在高溫高壓下的反應速率變化規律。

（3） 反應動力學的影響

高溫高壓會影響含能材料的反應動力學，使反應過程更加復雜。例如，在高溫高壓下，反應體系可能出現非平衡態、非線性等現象，需要采用非平衡態動力學、非線性動力學等方法進行研究。通過建立反應動力學模型，可以研究含能材料在高溫高壓下的反應過程，揭示其反應動力學規律。

4.4 激光作用下的響應行為

激光輻照作為一種極端條件，可以對含能材料產生獨特的響應。

4.4.1 激光吸收與能量沉積

模擬含能材料對激光的吸收過程，確定吸收系數和能量沉積的分布；研究激光能量在材料中的傳輸和轉化機制，包括熱傳導、電子激發等；確定激光能量沉積的閾值和時間尺度，對于理解激光誘導的響應行為至關重要。

4.4.2 熱效應與相變

激光作用下含能材料會產生顯著的熱效應，可能導致溫度升高、相變甚至爆炸。通過模擬，可以預測這些熱效應，為激光加工和應用提供指導；研究激光誘導的相變過程，包括晶體結構的變化、相穩定性等；考慮熱效應對含能材料的力學性能、化學性質的影響。

4.4.3 爆炸與沖擊響應

激光可以引發含能材料的爆炸和沖擊響應。通過模擬，可以預測爆炸的威力、沖擊波傳播等參數，為安全評估和防護設計提供依據；研究爆炸過程中的化學反應動力學、能量釋放機制以及與周圍環境的相互作用；考慮激光參數（如功率、波長、脈沖寬度等）對爆炸和沖擊響應的影響。

4.5 界面效應與力學性能

在極端條件下，含能材料的界面效應和力學性能也是含能材料研究的關鍵問題。

4.5.1 界面結構與性質

研究含能材料與其他材料（如金屬、聚合物等）之間的界面結構和性質，包括界面的化學成分、微觀結構、結合強度等；模擬界面處的物理和化學相互作用，如化學鍵合、范德華力、靜電相互作用等；確定界面效應對含能材料性能的影響，如熱傳導、電導率、力學強度等。

4.5.2 力學性能變化

極端條件下含能材料的力學性能會發生顯著變化。通過模擬，可以預測材料在高壓、高溫、激光作用等條件下的應力-應變關系、彈性模量、屈服強度等力學參數；研究力學性能變化的機制，包括晶體結構的變形、位錯運動、相變等；考慮力學性能對含能材料的安全性、可靠性和性能的影響。

4.5.3 界面強化與優化

為了提高含能材料在極端條件下的性能，可以通過界面強化和優化來改善其力學性能和穩定性。通過模擬，可以指導界面設計和材料選擇，以實現最佳的性能；研究界面強化的方法，如添加界面增強劑、改變界面結構等；評估界面強化對含能材料性能的提升效果，并確定優化的設計參數。

5 含能材料在極端條件下的安全性問題

5.1 可能的風險

5.1.1 化學不穩定性風險

在極端條件下，含能材料可能發生化學不穩定性，如熱分解、氧化等反應，導致性能下降甚至爆炸等安全事故。例如，高溫環境下，某些含能材料（如硝基纖維素）可能迅速分解，釋放大量熱能和氣體，引發爆炸。硝基纖維素的分解受溫度、濕度等因素影響，當溫度超過一定值時，分解速率顯著增加。

5.1.2 物理不穩定性風險

含能材料在極端條件下可能出現物理不穩定性，如晶體結構變化、顆粒團聚等，影響材料性能并可能導致安全事故。例如，高壓環境下，某些含能材料（如 RDX）的晶體結構可能改變，導致能量密度降低，燃燒性能變差，引發安全事故。

5.2 預防措施

5.2.1 材料設計與優化

通過合理設計和優化材料，可以提高含能材料在極端條件下的穩定性。例如：對于某聚合物基含能材料，通過調整其分子結構并添加穩定劑（如抗氧化劑），可以提高其熱穩定性和化學穩定性。研究表明，添加一定量的抗氧化劑后，材料在高溫條件下的分解溫度得到極大的提高，抗化學反應能力也顯著增強。

5.2.2 儲存條件控制

控制含能材料儲存條件是預防安全事故的重要措施。例如，對熱分解敏感的含能材料（如硝胺炸藥），應儲存在低溫環境下，降低其分解可能性。研究發現，硝胺炸藥在低溫儲存時，分解速率在一定時間內顯著降低。嚴控貯存條件，如溫度、濕度以及光照、電磁輻射等，及時發現不穩定情況并發出預警信號，以便采取相應的處置措施。例如，在含能材料儲存設施中安裝溫度傳感器實時監測環境溫度，安裝濕度傳感器監測環境濕度，安裝密度傳感器監測材料密度變化，安裝能量密度傳感器監測材料的能量狀態變化。當溫度傳感器檢測到溫度超過設定的安全閾值（如設定溫度閾值為 40 ℃），濕度傳感器檢測到濕度超過安全范圍（如濕度上限為 80%），密度傳感器檢測到密度變化超出正常波動范圍（如密度變化率超過 5%），或者能量密度傳感器檢測到能量密度異常降低（如能量密度降低超過 10%）時，系統會立即發出警報信號。警報信號可以通過聲音、光纖或者遠程通信方式發送給工作人員。工作人員接收到警報后，采取相應的措施，如開啟通風設備降低溫度和濕度，對材料進行檢查和評估，必要時對儲存條件進行調整，如將材料轉移到更適宜的環境中。

5.2.3 操作規范與培訓

制定嚴格的操作規范，并對操作人員進行培訓，可以預防安全事故。操作人員應當嚴格按照規范操作，避免因操作不當而引發事故。例如，搬運含能材料時，應使用專用工具和設備，避免碰撞和摩擦引發爆炸。

6 展望

6.1 高精度模擬技術的發展

6.1.1 量子力學方法的進步

（1） 計算能力推動應用拓展

隨著計算機技術的飛速發展，計算能力呈指數級增長，使得量子力學方法在含能材料模擬中得以更廣泛應用。DFT 作為一種重要的量子力學方法，能夠精確處理電子結構問題。在過去，受計算資源的限制，其應用范圍相對有限。但如今，借助強大的計算硬件和先進的算法，DFT 可以處理更大體系的含能材料模擬。例如，對于復雜的含能分子體系，DFT 能夠準確計算分子的電子云分布、軌道能量等關鍵信息。通過對電子結構的精確描述，可以深入了解分子的化學反應活性、化學鍵強度以及能量存儲和釋放的微觀機制。這對于揭示含能材料在極端條件下的分子級反應機理至關重要。

（2） 提供精確反應機理和能量釋放過程信息

在模擬含能材料的爆炸反應過程中，DFT 可以追蹤化學反應的每個步驟。從分子的初始激發態到化學鍵的斷裂和形成，再到最終產物的生成，DFT 能夠提供詳細的反應路徑和能量變化信息。比如，對于硝基化合物類含能材料，DFT 可以計算硝基基團在極端條件下（如高溫、高壓）的分解反應機理，確定反應的活化能、過渡態結構等關鍵參數。這有助于我們理解含能材料在爆炸過程中的能量釋放速率和效率，為優化材料性能提供理論指導。

6.1.2 多尺度模擬的融合

（1） 連接不同尺度的必要性

含能材料的行為涉及從分子尺度到宏觀尺度的多個層次。分子尺度上的化學反應決定了材料的能量釋放特性，微觀尺度上的晶體結構和缺陷影響材料的力學性能和感度，而宏觀尺度上的材料整體性能則關系到其在實際應用中的表現。因此，發展能夠無縫連接不同尺度的模擬技術是全面理解含能材料在極端條件下行為的關鍵。

（2） 多尺度模擬技術的實現方式

分子動力學模擬在分子和微觀尺度上有重要應用。它可以模擬含能分子在溶液中的擴散、晶體中分子的振動和轉動等行為。通過與量子力學方法相結合，如基于量子力學計算得到的分子間相互作用勢參數，分子動力學模擬可以更準確地描述分子間的相互作用。例如，在研究含能材料的熱分解過程時，首先利用量子力學方法計算分子的熱分解反應路徑和能量變化，然后將這些信息傳遞給分子動力學模擬，模擬熱分解過程中分子在晶體中的擴散和聚集行為。

有限元方法等宏觀尺度模擬技術則可以模擬含能材料在宏觀結構中的力學響應和能量傳播。通過將微觀尺度上得到的材料性質參數（如彈性模量、強度等）作為輸入，采用有限元方法可以模擬含能材料在爆炸沖擊等極端條件下的宏觀變形和破壞過程。例如，在模擬炸藥爆炸對周圍結構的破壞效應時，將分子動力學模擬得到的炸藥爆炸過程中的壓力、溫度等參數傳遞給有限元模型，計算結構的應力、應變分布和破壞模式，實現從微觀到宏觀的多尺度模擬融合。

6.2 新型含能材料的發現與設計

6.2.1 計算材料科學的應用

（1） 高通量計算加速材料發現

高通量計算是一種快速篩選材料的方法。在新型含能材料的研發中，通過構建大規模的材料數據庫，結合自動化的計算流程，可以同時對大量候選材料進行性能評估。例如：對于不同化學組成和結構的含能材料，利用高通量計算，可以快速獲得其生成熱、密度、爆速等關鍵性能指標；通過設定篩選條件，如高能量密度、低感度等，可以從眾多候選材料中初步篩選出有潛力的新型含能材料。這種方法大幅提高了發現新材料的效率，減少了實驗試錯的成本和時間。

（2） 機器學習方法輔助材料設計

機器學習算法可以從大量的材料數據中挖掘潛在的規律和模式。在含能材料領域，通過將已知含能材料的結構、性能等數據輸入機器學習模型中進行訓練，模型可以學習材料結構與性能之間的關系，然后，利用訓練好的模型對新設計的含能材料進行性能預測。例如，通過機器學習模型可以預測新型含能材料分子的能量釋放性能、感度等，為材料設計提供指導。此外，機器學習還可以用于優化材料的合成路徑。通過分析大量的合成實驗數據，模型可以推薦最優的合成條件和步驟，提高材料的合成成功率和質量。

6.2.2 可持續和環保材料

（1） 開發低毒材料的需求

傳統含能材料往往含有一些有毒成分，如鉛、汞等重金屬，不僅對環境造成污染，還對生產和使用人員的健康構成威脅。因此，開發低毒的含能材料是當前的一個重要方向。例如，研究人員正在探索用無毒或低毒金屬替代傳統含能材料中的有毒金屬。一些新型含能配合物，如以鋅、鐵等為中心金屬的配合物，具有一定的能量性能且毒性較低，是未來潛在的研究方向。

（2） 環境友好材料的設計原則

環境友好的含能材料可在滿足性能要求的同時，盡量減少對環境的負面影響，即具有可降解性、低污染性等。一些基于生物基原料的含能材料可以從可再生資源中獲取，如纖維素、木質素等，在自然環境中能夠相對容易地降解，從而減少對土壤和水體的長期污染。同時，在材料設計過程中，還需要考慮其生產過程的環保性。采用綠色化學合成方法、減少有機溶劑的使用、降低能耗等都是實現環境友好含能材料開發的重要措施。

（3） 極端條件下的高性能保持

對于新型的可持續和環保含能材料，在極端條件下保持高性能是關鍵挑戰之一。例如，在高溫、高壓等極端條件下，含能材料需要具備穩定的能量釋放性能和良好的力學性能。科學家們通過優化設計材料結構，如調整分子結構、晶體形態等，來提高材料在極端條件下的性能。例如，設計具有特殊空間結構的含能分子，使其在高溫下保持穩定的化學鍵，從而保證能量釋放的可控性和高效性。同時，通過添加合適的穩定劑或采用復合結構等方式，提高材料在極端條件下的力學性能和穩定性。

6.3 實驗與模擬的深度融合

6.3.1 實驗驗證技術的創新

（1） 時間分辨光譜技術

采用時間分辨光譜技術可以實時監測含能材料在極端條件下的化學反應過程。例如，在研究含能材料的熱分解過程中，通過時間分辨紅外光譜或拉曼光譜，可以追蹤分子結構在不同時間尺度上的變化。當材料受熱時，隨著時間的推移，某些化學鍵的振動頻率會發生變化，通過光譜的實時監測可以確定化學鍵的斷裂和新化學鍵的形成時間。這對于驗證模擬預測的反應路徑和反應速率非常重要。例如，對于含能聚合物的熱分解，通過時間分辨光譜可以觀察聚合物主鏈和側鏈上不同官能團的分解順序，與模擬結果進行對比，從而進一步優化模擬模型。

（2） 高速攝影技術

高速攝影技術在研究含能材料的爆炸過程中具有重要作用。它可以捕捉爆炸瞬間的微觀和宏觀現象，如爆炸波的傳播、材料的破碎和飛濺等。通過與模擬結果對比，驗證模擬中對爆炸動力學的預測，包括爆炸速度、壓力分布等參數。例如，在研究炸藥的爆炸性能時，利用高速攝影技術記錄爆炸波在不同介質中的傳播速度和形態變化，與模擬中基于流體動力學等理論計算的結果進行對比，從而改進模擬方法，提高模擬的準確性。

6.3.2 數據共享和標準化

（1） 建立數據共享平臺的意義

含能材料研究涉及多個領域和眾多研究機構，建立實驗與模擬數據共享平臺可以促進不同研究團隊之間的交流與合作。研究人員可以在共享平臺上分享自己的實驗數據和模擬結果，避免重復實驗和計算，提高研究效率。同時，通過共享數據，可以發現不同研究之間的關聯性和差異性，為進一步深入研究提供線索。例如，一個關于含能材料熱分解的數據共享平臺分享了不同材料在不同溫度、壓力條件下的熱分解實驗數據以及相應的模擬數據，研究人員可以通過查詢平臺上的數據，了解其他團隊的研究成果，啟發自己的研究思路。

（2） 數據標準化的重要性和實施方法

數據標準化是確保數據可比性和可靠性的關鍵。在含能材料領域，需要制定統一的數據格式、實驗條件標準和模擬參數規范等。對于實驗數據，應規定材料的制備方法、測試儀器的校準標準、實驗環境條件等詳細信息的記錄格式，例如：在測量含能材料的感度時，要明確規定撞擊試驗的設備參數、撞擊能量的測量方法等；對于模擬數據，應統一模擬軟件的版本、輸入參數的設置方法和輸出數據的格式，這樣，不同研究人員在共享數據時，能夠準確理解和比較數據，從而更好地驗證模擬結果與實驗數據的一致性，推動含能材料研究的發展。

6.4 安全性與穩定性評估

6.4.1 感度預測模型的改進

（1） 基于模擬的感度研究

模擬研究可以從分子和原子層面揭示含能材料的感度機制。通過量子力學計算和分子動力學模擬等方法，可以分析含能材料在受到外界刺激（如撞擊、摩擦、熱等）時的分子結構變化和能量傳遞過程。例如，對于撞擊感度，通過模擬可以研究含能分子在受到撞擊時化學鍵的斷裂順序和能量吸收情況。通過計算分子的變形能、化學鍵強度等參數，評估材料的撞擊敏感性。

（2） 發展更準確的預測模型

結合實驗數據和模擬結果，發展更準確的感度預測模型。采用多元統計分析、機器學習等方法，建立材料結構與感度的定量關系模型。例如，利用機器學習算法，將含能材料的分子結構特征（如化學鍵類型、分子對稱性、官能團等）、晶體結構參數（如晶格常數、晶面間距等）以及模擬得到的能量參數等作為輸入變量，將實驗測定的感度數據作為輸出變量進行訓練，建立感度預測模型，從而預測新設計的含能材料感度，為材料的安全使用提供科學依據，幫助篩選出感度較低、安全性較高的材料。

6.4.2 老化與儲存穩定性研究

（1） 模擬老化過程的化學變化

含能材料在長期儲存過程中會發生化學老化，通過模擬可以研究其化學變化機制。通過量子力學計算和反應動力學模擬，可以預測含能材料在不同環境條件（如溫度、濕度、光照等）下的化學反應路徑和速率。例如，對于硝基化合物類含能材料，通過模擬可以研究硝基在長期儲存過程中的分解反應及其與空氣中的氧氣、水分等發生的副反應。通過計算反應的活化能和速率常數，可以預測材料在不同儲存條件下的化學穩定性。

（2） 模擬物理變化對穩定性的影響

除了化學變化，含能材料在儲存過程中還會發生物理變化，如晶體結構轉變、顆粒團聚等，這些變化也會影響材料的穩定性。分子動力學模擬可以用于研究含能材料晶體在長期儲存過程中的結構弛豫和缺陷形成。例如，通過模擬可以觀察晶體中分子的排列變化、空位和位錯等缺陷的產生和演化過程，以及這些物理變化對材料力學性能和能量釋放性能的影響。通過模擬含能材料的老化和儲存過程中的化學和物理變化，預測其穩定性，為合理制定儲存條件和保質期提供理論支持，確保含能材料在儲存和使用過程中的安全性和可靠性。

6.5 跨學科研究的推進

6.5.1 物理、化學與材料科學的交叉

（1） 物理理論在含能材料研究中的應用

物理學中的量子力學、統計力學、熱力學等理論為含能材料研究提供了基礎。量子力學用于描述分子的電子結構和化學反應機理，統計力學可以處理含能材料的宏觀性質與微觀狀態之間的關系，熱力學則用于研究能量變化和反應平衡等問題。例如，通過量子力學計算含能分子的軌道能量和電子云分布，可以理解其化學反應活性和能量存儲機制；利用統計力學方法可以計算含能材料的熱容量、熵等熱力學性質，預測其在不同溫度下的性能變化。同時，物理實驗技術如 XRD、電子顯微鏡等也為含能材料的結構表征提供了重要手段，幫助研究人員了解材料的晶體結構、微觀形貌等信息，進一步加深對材料性能的理解。

（2） 化學方法在含能材料合成與反應研究中的作用

化學合成方法是制備含能材料的關鍵。有機合成化學、無機合成化學等領域的技術被廣泛應用于含能材料合成。通過設計合理的合成路線，選擇合適的原料和反應條件，可以制備出具有特定結構和性能的含能材料。例如，在合成新型含能化合物時，化學合成方法可以實現對分子結構的精確調控，引入特定的官能團可以優化材料的能量性能和感度。同時，化學分析方法如色譜、質譜等用于合成產物的結構鑒定和純度分析，確保合成材料的質量。化學反應動力學研究也是化學在含能材料領域的重要應用。通過研究含能材料的熱分解、燃燒等化學反應的速率和機理，可以為材料的應用和安全性評估提供依據。

（3） 材料科學原理在含能材料性能優化中的應用

材料科學中的結構與性能關系原理對于含能材料的性能優化至關重要。通過對含能材料的晶體結構、微觀組織等進行設計和調控，可以改善其力學性能、能量釋放性能等。例如，采用晶體工程方法設計含能材料的晶體結構，提高其密度和結晶度，增加能量密度。材料復合技術可以將不同性能的材料組合在一起，實現優勢互補，如將含能材料與高韌性的聚合物復合，提高材料的力學性能和加工性能，同時保持其能量性能。材料的表面與界面科學也在含能材料研究中有重要應用。通過對含能材料表面進行改性處理，可以改善其與其他材料的相容性、降低感度等。例如，采用表面涂層技術在含能材料顆粒表面形成一層保護膜，減少其與外界環境的接觸，提高儲存穩定性和安全性。

6.5.2 工程應用的合作

（1） 爆炸加工中的應用

在爆炸加工領域，含能材料被用于金屬成形、焊接等工藝。與工程領域的專家合作，將含能材料的模擬研究成果應用于爆炸加工工藝參數優化。通過模擬爆炸過程中的壓力分布、沖擊波傳播等，可以設計合理的炸藥布置方式和爆炸參數，以實現精確的金屬成型和高質量焊接。例如，在爆炸沖壓金屬零件時，通過模擬可以預測不同炸藥量和爆炸方式對金屬板材變形的影響，從而確定最佳的工藝方案，提高零件的成型精度和質量，減少廢品率。

（2） 礦山開采中的應用

在礦山開采中，含能材料多用于爆破巖石。含能材料模擬研究可以幫助工程師優化爆破設計，提高開采效率和安全性。通過模擬可以分析爆破過程中巖石的破碎機理、應力波傳播和能量分布等，確定合理的炸藥類型、用量和爆破孔布置方式。例如，通過模擬不同地質條件下的爆破過程，根據巖石的硬度、節理等特性調整爆破參數，減少爆破對周圍環境的影響，如振動、飛石等，同時提高礦石的開采回收率。此外，模擬還可以用于評估爆破后礦山邊坡的穩定性，為礦山的安全生產提供保障。通過建立礦山地質模型，結合含能材料爆炸模擬和巖土力學分析，預測爆破對邊坡巖體結構的破壞程度，從而提出相應的加固措施和安全監測方案。

6.5.3 跨學科合作的實現方式

（1） 建立跨學科研究團隊

組建含物理學家、化學家、材料科學家和工程師等不同專業背景人員的研究團隊。例如，在新型含能材料研發項目中，團隊成員應包括研究量子力學的物理學家、擅長有機合成化學的化學家、專注材料結構和性能優化的材料科學家、具有爆炸加工工程經驗的工程師等。團隊成員之間定期交流和討論，如本研究團隊與中國工程物理研究院流體物理研究所的楊延強教授團隊組成跨學科團隊，定期召開合作會議，共同確定提高含能材料在高溫高壓環境下的性能和安全性等研究目標和研究方向。

（2） 開展聯合研究項目

圍繞極端條件下含能材料的關鍵問題，如結構相變、熱分解與燃燒、界面效應等開展聯合研究項目。例如：在開展含能材料熱分解和沖擊分解研究中，楊延強教授團隊利用光譜技術研究含能材料在分解過程中的電子結構變化，提供能量傳遞和反應機制見解；本研究團隊則聚焦化學反應和分解途徑，確定關鍵反應步驟和中間產物；再結合材料科學家分析材料結構變化及其對性能的影響，優化材料結構；相關的工程師設計優化實驗裝置和工藝參數，確保實驗安全高效。

（3） 共享研究資源

實現跨學科合作需共享實驗設備、計算資源、數據資源等。在新型含能材料開發項目中，物理學家可能需要使用同步輻射光源研究材料電子結構，化學家可能需要使用超級計算機進行量子力學計算以優化合成路線，材料科學家可能需要使用工程實驗室的設備測試材料的機械性能，工程師可能需要使用實驗數據庫設計材料工程過程。

（4） 加強學術交流

團隊成員積極參加學術會議、研討會等學術活動，分享研究成果和經驗，了解最新進展和趨勢，同時積極邀請其他專業背景人員參加本專業的學術活動。例如，物理學家邀請化學家參加含能材料研究學術會議，化學家邀請材料科學家參加材料結構與性能研討會，材料科學家邀請工程師參加工程應用研討會，工程師邀請物理學家參加物理原理研討會等，以此將研究資源共享，共同開發新型高能量、低感度的含能材料。