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凝聚态含能材料在极限条件下（如点火与起爆、爆轰形成与传播）的物理化学行为具有丰富的科学内涵,跨越多个时间和空间尺度。起爆到爆轰转瞬即逝,如何定量描述其化学反应和复杂的状态变化是当前含能材料领域研究的热点和难点之一。无论采用实验手段,或是应用冲击动力学和爆轰学的经典理论时,关于化学反应动力学、微观物理化学状态以及热-力-化学耦合机制等信息尚显不足。通过开展分子动力学模拟,有助于深入了解含能材料起爆机理和爆轰过程中的复杂变化,对含能材料的设计、制造、生产以及应用起到了理论支撑与推动作用,有力地推动宏观和微观研究的结合发展,丰富爆轰学的内容,基于以第一性原理为基础的反应分子动力学方法,本文开展了共晶在热和机械载荷下的物理化学变化机理研究,建立跨尺度模型探究含能材料在爆轰过程中反应区内部和CJ条件下的宏观状态变化和微观演变机理,并应用该方法预测硅元素对含能材料爆轰性能的影响。本文主要研究成果有:运用ReaxFF-RD方法,研究了具有低感度高爆轰性能的TNT/CL-20共晶含能材料的热解机理。结合恒温热浴（NVT）和热膨胀（NVE）模拟方法,比较分析了TNT/CL-20共晶与TNT、CL-20纯晶,以及TNT/CL-20共晶和TNT-CL-20物理混合物在热分解过程中能量变化历程与产物演变分布的差异,研究不同的分子结构以及不同的分子排布结构对反应动力学的影响。结果表明,共晶含能材料热分解过程从CL-20单分子分解开始;具有三明治层结构的共晶晶体中CL-20和TNT分子在分解过程中相互影响:初始分解时TNT分子层对CL-20起到隔离作用,减慢了次分解产物的生成速率,但在快速分解阶段CL-20激发了TNT的活性,加快整个体系的分解进程。另外,分解过程中,TNT吸引周围次分解产物生成体积较大结构稳定的富碳团簇。团簇缓慢分解,从而减慢了能量释放速率和减少气态小分子产物生成。建立“压缩剪切（CS-RD）”分子动力学模型模拟摩擦和撞击试验,以最易滑移体系的温度变化速率和主要碎片产生速率为依据,比较TNT/CL-20共晶、TNT和CL-20纯晶摩擦和撞击的分解难易程度。结果表明:以游离的NO2分子数目为判定依据,共晶TNT/CL-20比CL-20的摩擦反应难易程度低30%,撞击反应难易程度（5 GPa外界压力下）低54%;以温度升高速率为判定依据,共晶TNT/CL-20比纯晶CL-20的摩擦反应难易程度低31%;撞击反应难易程度（5 GPa外界压力下）低22%。根据CJ理论,开发分子动力学模型,在不假定爆轰产物种类与数量基础上,从分子原子视角定位含能材料的爆轰波雨果尼奥曲线和CJ点,获取CJ状态的参数和产物分布情况。采用“线性膨胀”方法模拟爆轰波后膨胀区的化学变化。结果表明,在CJ状态下,RDX、PETN和HMX三种含能材料系统内部元素绝大部分以气体小分子形态存在,也有较少的碳和氧元素聚集在小团簇中。在外界压力迅速减小的膨胀区,这些碳氧小团簇迅速分解,释放大量的CO和CO2产物。利用CJ模型研究了硅元素对含能材料爆轰特性的影响。结果表明:将Si元素合成到PETN中后CJ温度显著升高,原因是分解生成硅化合物时释放更多的能量;CJ压力和爆速明显降低,是因为爆轰状态下部分碳、氢、氧、硅元素结合成较大的凝聚态团簇,生成的较少的气体产物。根据ZND模型,开发量化爆轰波在含能材料内部传播过程以及提取反应物到产物转化历程的分子动力学方法。该方法通过定位爆轰波反应区内任意能量释放率的雨果尼奥曲线,结合冲击波瑞利线定位反应区内部的状态参数以追溯爆轰波传播路径,根据温度压力和能量释放量获取任意爆轰波传播时刻的化学产物分布。结果表明:在爆轰波前沿的压力作用下,少量含能材料分子分解生成活性粒子;随着反应进行能量释放,大部分元素迅速地脱离凝聚态形成较小的分子,最后转变为稳定的气态爆轰产物。爆轰波压强和含能材料种类对爆轰过程有着重要的影响。