一种基于分子动力学的纳米铝热剂反应过程的模拟方法

1.本发明属于含能材料领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.本发明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。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一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：
7.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；
8.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；
9.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；
10.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；
11.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。
12.进一步，所述微观结构包括层状结构、核-壳结构。
13.进一步，所述步骤s1具体为：
14.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。
15.进一步，所述步骤s2的反应力场势函数reaxff能量公式为：
16.e
system
＝e
bond
+e
over
+e
under
+e
lp
+e
val
+e
vdwaals
+e
coulomb
17.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
。
18.进一步，所述步骤s3具体为：
19.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。
20.进一步，所述步骤s4具体为：
21.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。
22.进一步，所述步骤s5包括以下步骤：
23.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；
24.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；
25.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；
26.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；
27.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；
28.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。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
30.1、本发明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。
31.2、本发明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应过程的反应力场势函数reaxff，结合计算成本较低、能够模拟更长时间尺度和更大尺寸的经典分子动力学方法。
附图说明
32.图1为基于分子动力学的纳米铝热剂反应过程的模拟方法的流程图；
33.图2为本发明一典型实施例的al@sio2核-壳结构初始模型图，其中，a为示意图，b为原子图；
34.图3为本发明判断弛豫过程中系统是否达到平衡的势能随时间的演变图；
35.图4为本发明纳米铝热剂绝热反应的部分in文件示意图；
36.图5为本发明实施例1的al@sio2在yz平面的反应快照图；
37.图6为本发明自编成键分析程序主要代码图；
38.图7为本发明实施例1的si-o、al-o和si-si键的个数随时间的演变图；
39.图8为本发明实施例1的系统温度随时间的演变图；
40.图9为本发明实施例1的al
–
al(a)、si-o(b)、al-o(c)、si-si(d)对的径向分布函数g(r)图。
具体实施方式
41.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.实施例1
43.如图1所示，本发明实施例提供了基于分子动力学的纳米铝热剂反应过程的模拟方法，包括以下步骤：
44.s1，基于分子动力学模拟软件，建立所需要的微观结构(本实施例以al/sio2核-壳结构为例)的纳米铝热剂初始模型；
45.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；
46.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；
47.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、包含系统温度和能量等信息的输出文件、rdf径向分布函数文件、species反应产物文件；
48.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。
49.本实施例中，所述步骤s1具体包括：
50.采用lammps软件的建模命令，建立一个由面心立方晶体al球作为核和一定厚度的纳米晶方石英sio2壳组成的核-壳al@sio2纳米颗粒的初始原子结构模型，如图2所示(a为示意图，b为原子图)。放在一个三维正交立方超晶包中心，盒子中设置真空区，三个方向都采用周期性边界条件，使两个纳米铝热剂颗粒表面之间的距离大于以避免纳米颗粒之间的相互作用。设置合适的时间步长，采用reaxff势函数描述原子间的相互作用。
51.本实施例中，所述步骤s1和s2采用reaxff势函数描述原子间的相互作用，具体的能量公式表达式为：
52.e
system
＝e
bond
+e
over
+e
under
+e
lp
+e
val
+e
vdwaals
+e
coulomb
53.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
。
54.本实施例中，所述步骤s3具体包括：
55.纳米铝热剂al@sio2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，如图3所示，势能在t＝30ps和50ps时的相对误差为0.35％，低于结构稳定性准则(20ps内势能的波动小于1.2％)。在t＝50ps时，弛豫结束，即al@sio2纳米颗粒在t＝50ps时达到了平衡状态。以结构稳定性准则(20ps内势能的波动小于1.2％)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。
56.本实施例中，所述步骤s4具体包括：
57.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。相关in文件如图4所示。
58.本实施例中，所述步骤s5包括以下具体子步骤：
59.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，可得到整个反应到爆炸过程的动态原子结构演变视频，部分yz平面的反应快照图如图5所示；
60.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，主要成键分析程序代码如图6所示，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，如图7所示；
61.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，如图8所示，结合成键个数曲线，分析反应阶段；
62.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；
63.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)，如图9所示，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；
64.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。
65.以上所述仅为本发明的一个实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内作做的任何修改，等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

技术特征：
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，其特征在于，所述步骤s3具体为：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。6.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s4具体为：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。7.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s5包括以下步骤：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；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；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；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；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；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。

技术总结
本发明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。


技术研发人员：张金平 李慧 王二萍 王孟丹 张洋洋
受保护的技术使用者：黄河科技学院
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/9/16