本发明专利技术涉及一种基于分子动力学的纳米铝热剂反应过程的模拟方法，属于含能材料领域。该模拟方法包括步骤：基于分子动力学模拟软件建立纳米铝热剂反应的初始模型；选取能够准确描述纳米铝热剂反应的原子间相互作用力的反应力场势函数；对系统进行弛豫以达到某一温度下的动力学平衡；对平衡的纳米铝热剂模型进行绝热条件下的热诱导自持续反应模拟；根据模拟得到的各项数据获到整个纳米铝热剂反应爆炸过程的详细情况。本发明专利技术能够采用分子动力学模拟出纳米铝热剂反应爆炸过程中的微观分子结构变化，并可视化观察反应爆炸原子结构过程。并可视化观察反应爆炸原子结构过程。并可视化观察反应爆炸原子结构过程。
【技术实现步骤摘要】
一种基于分子动力学的纳米铝热剂反应过程的模拟方法
[0001]本专利技术属于含能材料领域，具体为一种基于分子动力学的纳米铝热剂反应过程的模拟方法。
技术介绍
[0002]纳米铝热剂由于燃料和氧化剂界面紧密接触、扩散距离短，具有反应速率快、能量释放率高、点火延迟时间短、点火温度低等优势，一直是当今含能材料领域的一个研究热点。
[0003]纳米铝热剂的反应起爆过程时间极短，发生在皮秒量级，现有实验手段的时间分辨率目前虽已达到纳米量级，但也只能观察到不同阶段的部分反应产物，且实验成本非常昂贵，难以观察纳米铝热剂的整个反应起爆过程。分子动力学方法已经成为凝聚态物理和材料科学中的重要的研究手段，被用于研究各种各样的实际问题。通过分子动力学方法，可以从原子层次上观察纳米铝热剂在热加载下的整个反应起爆过程，模拟出纳米铝热剂反应爆炸过程中的微观分子结构变化，并可视化观察反应爆炸原子结构过程。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于提出了一种基于分子动力学的纳米铝热剂反应过程的模拟方法，弥补实验无法探测纳米铝热剂完整反应爆炸过程的不足，降低了实验成本。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种基于分子动力学的纳米铝热剂反应过程的模拟方法，该模拟方法包括以下步骤：
[0007]S1，基于分子动力学模拟软件，建立所需要的微观结构的纳米铝热剂初始模型；
[0008]S2，选取能够准确描述纳米铝热剂反应的原子间相互作用力的反应力场势函数ReaxFF，设定分子动力学模拟的参数；
[0009]S3，对初始模型在NVT系综下进行动力学弛豫，以达到某一温度下的动力学平衡；
[0010]S4，对平衡的纳米铝热剂模型进行绝热条件下的热诱导自持续反应模拟，得到纳米铝热剂从氧化还原反应到完全爆炸过程所对应的dump原子轨迹文件、MSD均方根位移文件、包含每一个状态下系统的时间、温度、体积、焓值、势能、动能、总能和压强的输出文件、RDF径向分布函数文件、SPECIES反应产物文件；
[0011]S5，利用开源的可视化软件对dump原子轨迹文件中的数据进行分析，可以得到整个反应到爆炸过程的动态结构信息；通过自编成键分析程序对动态原子结构进行进一步分析，得到反应过程中原子间的成键个数随反应时间的演变；通过爱因斯坦方程和MSD计算得到不同反应阶段的原子扩散速率；整理其他文件数据并绘制曲线，可以得到整个纳米铝热剂反应爆炸过程的详细情况。
[0012]进一步，所述微观结构包括层状结构、核
‑
壳结构。
[0013]进一步，所述步骤S1具体为：
[0014]采用LAMMPS分子动力学模拟软件，根据纳米铝热剂微观结构划定Al和金属氧化物的区域，利用晶格命令建立晶格并填充原子。
[0015]进一步，所述步骤S2的反应力场势函数ReaxFF能量公式为：
[0016]E
system
＝E
bond
+E
over
+E
under
+E
lp
+E
val
+E
vdWaals
+E
Coulomb
[0017]其中，对总能量的贡献E
system
分别为键能E
bond
、过配位能量校正值E
over
、欠配位稳定能E
under
、孤对电子体系能量E
lp
、键角能量E
val
、范德华能量项E
vdWaals
和库伦能量项E
Coulomb
。
[0018]进一步，所述步骤S3具体为：
[0019]纳米铝热剂Al和金属氧化物反应的整个系统在NVT系综下保持在目标温度；每隔固定时间步长设置一个状态点，利用in文件中的fix print命令将每一个状态下系统的时间、温度、体积、焓值、势能、动能、总能和压强实时输出到data文件；将data文件数据导入Origin，画出势能随时间的演变曲线，判断系统是否达到平衡以及最佳的弛豫运行时间；利用in文件中的restart命令，每隔一定时间步长输出一个二进制的重启文件。
[0020]进一步，所述步骤S4具体为：
[0021]利用in文件读入最佳弛豫时间的restart重启文件，在NVE系综下进行绝热条件下的热诱导自持续反应模拟；每隔固定时间步长设置一个状态点，利用in文件中的fix print命令将每一个状态下系统的时间、温度、体积、焓值、势能、动能、总能和压强实时输出到data文件；利用in文件中的dump命令，输出每一个状态点下系统中所有原子的坐标和电荷量到dump原子轨迹文件中；利用in文件中的compute msd命令计算均方根位移，将数据保存到MSD均方根位移文件中；利用in文件中的compute rdf命令计算径向分布函数，将数据保存到RDF径向分布函数文件中；利用in文件中的fix reax/c/species命令将反应物种类和数量输出到SPECIES反应产物文件中。
[0022]进一步，所述步骤S5包括以下步骤：
[0023]S51，利用可视化OVITO软件读取LAMMPS分子动力学模拟输出的dump原子轨迹文件，得到整个反应到爆炸过程的动态原子结构演变视频；
[0024]S52，通过自编成键分析程序对动态原子结构进行进一步分析，结果导入Origin软件得到反应过程中原子间的成键个数随反应时间的演变曲线；
[0025]S53，读取data文件的时间和温度数据，导入Origin软件画系统温度随反应时间的曲线，结合成键个数曲线，分析反应阶段；
[0026]S54，读取MSD.txt文件，其中第一列为时间步，第二、三、四、五列分别为x、y、z方向和总的均方位移。由爱因斯坦关系得到体系中各种原子在每个反应阶段的扩散系数：式中，MSD为总均方位移；
[0027]S55，读取各反应阶段间转折时间点的RDF，画出不同时刻原子间的径向分布函数g(r)，得到原子在转折时间的空间分布有序性，判断反应阶段是固
‑
固反应、固
‑
液反应、液
‑
气反应还是气
‑
气反应；
[0028]S56，读取SPECIES反应产物文件，分析得到纳米铝热剂爆炸阶段的热分解气体产物。
[0029]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0030]1、本专利技术采用分子动力学方法模拟纳米铝热剂的反应过程，通过开源的可视化软
件在原子层次上观察纳米铝热剂反应爆炸过程中的微观分子结构变化，弥补了实验无法探测完整反应过程的不足，且极大的降低了实验成本，为设计和制备安全高效的新型纳米含能材料体系提供指导。
[0031]2、本专利技术规避了计算资源消耗巨大的第一性原理分子动力学方法，选取能够准确描述纳米铝热剂体系反本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于分子动力学的纳米铝热剂反应过程的模拟方法，其特征在于，该模拟方法包括以下步骤：S1，基于分子动力学模拟软件，建立所需要的微观结构的纳米铝热剂初始模型；S2，选取能够准确描述纳米铝热剂反应的原子间相互作用力的反应力场势函数ReaxFF，设定分子动力学模拟的参数；S3，对初始模型在NVT系综下进行动力学弛豫，以达到某一温度下的动力学平衡；S4，对平衡的纳米铝热剂模型进行绝热条件下的热诱导自持续反应模拟，得到纳米铝热剂从氧化还原反应到完全爆炸过程所对应的dump原子轨迹文件、MSD均方根位移文件、包含每一个状态下系统的时间、温度、体积、焓值、势能、动能、总能和压强的输出文件、RDF径向分布函数文件、SPECIES反应产物文件；S5，利用开源的可视化软件对dump原子轨迹文件中的数据进行分析，可以得到整个反应到爆炸过程的动态结构信息；通过自编成键分析程序对动态原子结构进行进一步分析，得到反应过程中原子间的成键个数随反应时间的演变；通过爱因斯坦方程和MSD计算得到不同反应阶段的原子扩散速率；整理其他文件数据并绘制曲线，可以得到整个纳米铝热剂反应爆炸过程的详细情况。2.根据权利要求1所述的基于分子动力学的纳米铝热剂反应过程的模拟方法，其特征在于，所述微观结构包括层状结构、核
‑
壳结构。3.根据权利要求1所述的基于分子动力学的纳米铝热剂反应过程的模拟方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：采用LAMMPS分子动力学模拟软件，根据纳米铝热剂微观结构划定Al和金属氧化物的区域，利用晶格命令建立晶格并填充原子。4.根据权利要求1所述的基于分子动力学的纳米铝热剂反应过程的模拟方法，其特征在于，所述步骤S2的反应力场势函数ReaxFF能量公式为：E
system
＝E
bond
+E
over
+E
under
+E
lp
+E
val
+E
vdWaals
+E
Coulomb
其中，对总能量的贡献E
system
分别为键能E
bond
、过配位能量校正值E
over
、欠配位稳定能E
under
、孤对电子体系能量E
lp
、键角能量E
val
、范德华能量项E
vdWaals
和库伦能量项E
Coulomb
。5.根据权利要求1所述的基于分子动力学的纳米铝热剂反应过程的模拟方法，...
【专利技术属性】
技术研发人员：张金平，李慧，王二萍，王孟丹，张洋洋，
申请(专利权)人：黄河科技学院，
类型：发明
国别省市：
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