一种纳米含能材料反应特性的模拟计算方法技术

本发明专利技术涉及一种纳米含能材料反应特性的模拟计算方法，属于含能材料反应特性的模拟计算研究。该方法采用LAMMPS程序包，建立不同尺寸的正交超胞双层模型体系；用NVE微正则系综结合Nos

【技术实现步骤摘要】
一种纳米含能材料反应特性的模拟计算方法


[0001]本专利技术涉及含能材料反应特性的模拟计算研究，具体涉及一种纳米含能材料反应特性的模拟计算方法。

技术介绍

[0002]二元金属含能材料是一类重要的反应性材料，在热或机械引发后进行自维持的放热反应。这类材料的优点是，反应物和产物都属于凝聚态，这不但有助于在厌氧条件下储存，也避免了不理想的气体产生。因此，二元金属含能材料在国防和商业应用中引起了广泛的关注，如热引发剂、炸药的无铅引物、焊接和医疗应用的热源等。一般的双金属含能材料由Ni/Al、Ti/Al、Pd/Al、Li/Al和Pt/Al等材料的核壳结构和纳米层叠结构组成。然而，如铝基含能材料，反应时放出大量的热且反应扩散长度小，所以具有较快的反应速率，利用实验研究揭示其机理仍是一个挑战。此外，反应过程非常复杂，涉及凝聚相化学、固相和液相的质量和热输运以及相变，采用计算方法时应用分子动力学针对某一种影响因素对其进行研究的比较常见，因此，分子动力学(MD)模拟成为研究这些材料性能的理想工具。例如，Witbeck等人利用MD模拟研究了空位缺陷浓度对Ni/Al反应性纳米压层燃烧性能的影响。Witbeck等人通过分子动力学方法研究了晶界结构对Ni/Al纳米压层燃烧过程中的原子扩散和溶解的作用。Fourmont等人利用分子动力学方法分析了非晶态Ni
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Al混合层的作用，研究了温度和化学计量比对B2
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NiAl金属间化合物形成的影响。以上都是基于MD对含能材料反应特性的某一单独行为进行的模拟计算。然而基于尺寸效应和界面接触面积对其反应行为的影响却很少被关注。

技术实现思路

[0003]本专利技术主要针对纳米含能材料的反应特性，以尺寸效应和界面接触面积的二维角度进行计算模拟，把复杂的相化学、固相和液相的质量和热输运以及相变等过程直观展现出来，为纳米含能材料的进一步研究提供依据。因此，本专利技术的目的是提供一种纳米含能材料反应特性的模拟计算方法，以尺寸效应和界面接触面积的二维角度进行计算模拟。分子动力学(MD)计算采用LAMMPS程序包，建立不同尺寸的正交超胞双层模型体系，考虑初始温度以及弛豫过程的影响，对纳米含能材料以二维角度进行模拟计算。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0005]一种纳米含能材料反应特性的模拟计算方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1、按照镶嵌原子势函数采用LAMMPS程序包进行分子动力学计算；
[0007]步骤2、建立双层模型体系；
[0008]步骤3、用NVE微正则系综结合Nos
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Hoover恒温器技术对纳米颗粒双层模型体系进行模拟，观察不同尺寸的纳米颗粒的相变过程，通过测量局部原子排列区分固体和液相，
得到径向分布函数，径向分布函数作为界面层间熔化的判断标准；
[0009]步骤4、用公式拟合温度
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时间数据，得到不同模型纳米颗粒的有效反应时间，解释界面接触面积对绝热温度的影响；
[0010]步骤5、建立纳米颗粒在不同初始温度下的热稳定性和能量反应特性模型。
[0011]进一步，所述双层模型体系为双层、V型或W型，但不仅限于这些模型，不同模型的区别在于接触面积不同。
[0012]进一步，所述径向分布函数作为界面层间熔化的判断标准，径向分布函数是反映系统微观结构特性的一个重要物理量，描述在某个粒子周围距离r的地方出现另一个粒子的局域数密度与平均密度之比。径向分布函数的图像峰高而尖，说明材料为固态；如果第一峰宽而低，说明材料为液态。
[0013]进一步，所述热稳定性和能量反应特性模型是根据弛豫后绝热反应开始后的温度演变过程建立，是绝热反应开始后的温度随时间的演变曲线，以纳秒(ns)为单位。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0015]1、基于尺寸效应和界面接触面积的二维角度对合金化反应进行研究，可以更全面的展示纳米颗粒初始构型的界面扩散阻挡层厚度和接触面积对反应特性的影响。
[0016]2、NVE微正则系综结合Nos
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Hoover恒温器技术能把含能材料相化学、固相和液相的质量和热输运以及相变过程充分展现出来。
附图说明
[0017]图1为Al/Cu纳米颗粒的初始构型：(a)双层，(b)V型，(c)W型，其中，下部分为Al原子，上部分为Cu原子。
[0018]图2为Al/Cu纳米颗粒的初始构型的数据模型文件。
[0019]图3为三种不同尺寸的双层纳米颗粒绝热反应的温度演变图。
[0020]图4为Al
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Al、Cu
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Cu和Al
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Cu对在温度曲线转折点处的径向分布函数g(r)图。
[0021]图5为径向分布函数获得算法图。
[0022]图6为均方根位移文件。
[0023]图7为表2中反应时间内关键物理量的提取。
[0024]图8为三种不同体系下具有不同初始温度的Al/Cu纳米颗粒绝热反应的温度演变曲线。
具体实施方式
[0025]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0026]实施例1
[0027]本实施例通过研究Al
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Cu纳米颗粒的反应特性说明一种纳米含能材料反应特性的模拟计算方法，步骤如下。
[0028]步骤1：采用LAMMPS程序包进行分子动力学计算，其中镶嵌原子势函数如下式(1)
所示：
[0029][0030]式(1)中，E为镶嵌原子势，N是系统中原子的数量，F
i
(ρ
i
)为i处原子的嵌入能量，ρ
i
为i处原子的背景电子密度，表示除i处原子以外的其他所有原子在i处叠加的电子密度之和，表示i处原子和j处原子间的对势；r
ij
为两原子之间的距离。
[0031]步骤2：建立三个不同尺寸的正交超胞Al/Cu双层模型体系，分别记为NP1，NP2和NP3，见表1。其初始构型双层及V型和W型模型分别如图1(a)、图1(b)、图1(c)所示，数据模型文件如图2所示。
[0032]表1不同尺寸的Al/Cu双层粒子的组态
[0033][0034]步骤3：用NVE微正则系综结合Nos
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Hoover恒温器技术对Al/Cu系统进行模拟，初始温度为700K，弛豫200ps，模拟时间步长1.0fs。这一过程用以模拟绝热条件下的结构变化和能量特性(如图3所示)，得到Al/Cu系统径向分布函数，为了对比不同界面形态的情况，同样的过程，对Al
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Al、Cu
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Cu系统进行模拟，得到Al
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Al、Cu
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米含能材料反应特性的模拟计算方法，其特征在于，该计算方法包括以下步骤：步骤1、按照镶嵌原子势函数采用LAMMPS程序包进行分子动力学计算；步骤2、建立双层模型体系；步骤3、用NVE微正则系综结合Nos
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Hoover恒温器技术对纳米颗粒双层模型体系进行模拟，观察不同尺寸的纳米颗粒的相变过程，通过测量局部原子排列区分固体和液相，得到径向分布函数，径向分布函数作为界面层间熔化的判断标准；步骤4、用公式拟合温度
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时间数据，得到不同模型纳米颗粒的有效反应时间，解释界面接触面积对绝热温度的影响；步骤5、建立纳米颗粒在不同初始温度下的热稳定性和能量反应特性模...

【专利技术属性】
技术研发人员：王二萍，初元红，孙彩霞，王文静，张金平，张洋洋，付留原，
申请(专利权)人：黄河科技学院，
类型：发明
国别省市：