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日前，石河子大學(xué)理學(xué)院副教授張吉東與北京理工大學(xué)物理學(xué)院郭偉特別研究員、姚裕貴教授合作在含能材料爆轟機理研究方面取得重要進展。相關(guān)研究成果發(fā)表于 Journal of Physical Chemistry Letters 14, 7141-7148 （2023），文章題目為“Deep Potential Molecular Dynamics Study of Chapman-Jouguet Detonation Events of Energetic Materials”。

圖1. 基于深度學(xué)習(xí)勢的含能材料Chapman-Jouguet爆轟分解反應(yīng)的分子動力學(xué)研究

含能材料在國防軍事和航空航天等領(lǐng)域中有著獨特的作用，而爆轟特性作為含能材料最重要的特征之一，是相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點。爆轟過程的時間尺度極短，發(fā)生反應(yīng)的環(huán)境極端，加之固有的危險性，給實驗研究帶來極大的挑戰(zhàn)性。含能材料爆轟可以通過經(jīng)典的Chapman?Jouguet (C-J) 和Zeldovich–von Neumann–D?ring (ZND)爆轟理論來解釋，但是經(jīng)典理論無法對爆轟中的細節(jié)及反應(yīng)機理進行描述。分子動力學(xué)是研究含能材料爆轟機理的主要手段，開發(fā)兼顧經(jīng)典分子動力學(xué)的高效率和從頭算分子動力學(xué)高精度的力場具有非常的難度。

圖2. (a) 訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中構(gòu)型的體積、能量及分子數(shù)。NNP_Shock勢在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的構(gòu)型上預(yù)測的能量(b)和原子力(c)與DFT計算得到的值進行比較。(d) 使用DPMD（使用NNP-Shock勢）和AIMD計算的ε-CL-20的RDF。

本工作基于深度勢能模型、同步學(xué)習(xí)策略，結(jié)合密度泛函理論計算的8萬多個樣本，成功訓(xùn)練出可對含能材料沖擊過程進行模擬的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢。測試顯示該勢對整個訓(xùn)練集中的構(gòu)型的能量和原子受力的預(yù)測與DFT計算結(jié)果符合很好，該勢能準確預(yù)測含能材料CL-20的晶體結(jié)構(gòu)，可準確復(fù)現(xiàn)AIMD模擬的徑向分布函數(shù)RDF（圖2），在NVE模擬中表現(xiàn)出遠低于ReaxFF反應(yīng)力場的能量漂移，且計算效率優(yōu)于ReaxFF力場，達到AIMD的1百萬倍。基于該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機器學(xué)習(xí)勢，研究人員結(jié)合多尺度沖擊模擬技術(shù)（MSST）對兩種CL-20晶體結(jié)構(gòu)研究了沖擊爆轟全過程及機理，得到了與實驗符合非常好的爆速、爆壓等爆轟關(guān)鍵參數(shù)，并成功獲得了雨貢紐曲線及爆轟產(chǎn)物（圖3），為含能材料爆轟機理的準確研究提供了一種新的方案。

圖3. (a) ε-CL-20在不同沖擊波速度下隨時間變化的相對體積(V/V0)、溫度和壓力。(b) 計算得到的ε-CL-20Hugoniot曲線。(c) 在理想爆轟速度沖擊波下，ε-CL-20系統(tǒng)中CL-20分子和初始分解產(chǎn)物隨時間的演變。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c01392

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張吉東/郭偉/姚裕貴：含能材料Chapman-Jouguet爆轟反應(yīng)的深勢分子動力學(xué)研究

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