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含铝含能材料在民用和军事中有着重要的应用,但其燃烧机理尚未得到很好的表征,阻碍了纳米铝含能材料的进一步发展。本文首先基于第一性原理方法开发了适用于含铝含能材料体系的CHONAl元素的含低梯度修正的反应力场（ReaxFF-lg）。利用该力场,对纳米铝/炸药复合体系、纳米氢化铝/炸药复合体系进行了反应分子动力学模拟研究。研究了初始反应机理、能量释放规律和产物生成规律。此外,还研究了氢化铝的晶相转变受锂掺杂影响的规律,以及基于量子力学计算的状态方程的聚丙烯酰胺粗粒化分子力场的开发。主要内容包括以下几个部分:（一）含CHONAl元素的ReaxFF-lg反应力场开发针对ReaxFF-lg反应力场缺少Al-X（X=C,H,O,N）相互作用无法模拟含铝复合含能材料的不足,拟合了含铝团簇的键离解势能面、键角弯曲势能面、含铝晶体的密度、平衡键长、体积-能量曲线,以及界面吸附能等化学信息,得到了一套适用于CHONAl元素含能材料的ReaxFF-lg反应力场。通过与实验值和量子力学方法所得结果进行比对,该反应力场具有较高的精确度,能正确模拟气相含铝团簇的形成和分解、含铝晶体的密度和可压缩性、氧化铝表面气态分子吸附等过程。（二）纳米铝复合含能材料的结构性能研究利用新开发的ReaxFF-lg反应力场,通过反应分子动力学模拟研究了三硝基甲苯（TNT）,黑索金（RDX）,奥克托今（HMX）和六硝基六氮杂异伍兹烷（CL-20）四种炸药在Al纳米颗粒上的热分解。对体系的结构、碎片和能量演化进行分析后发现:含铝炸药的热分解过程主要经历3个阶段,分别为“吸附期”（0～20 ps）、“扩散期”（20～80 ps）和“形成期”（80～210 ps）。这些阶段依次为Al与周围炸药分子之间的化学吸附（R-NO2-Al键合）、炸药分子的分解和O和Al原子在纳米颗粒中的双向扩散,以及最终产物的形成。第一阶段,Al纳米颗粒使RDX、HMX、CL-20的分解活化能分别降低了1.90 k J g-1、1.95 k J g-1和1.18 k J g-1,使TNT的分解能垒由2.99 k J g-1降低到0.29 k J g-1。第二阶段是释放能量的主要阶段。与纯RDX、HMX和CL-20相比,复合物在第二阶段的能量释放量增加了4.73～4.96 k J g-1。第三阶段生成H2O的数量增加了25.27%～27.81%,CO2的数量减少了47.73%～68.01%。通过结构和温度分布演化进一步证实了这三个阶段。含纳米铝颗粒的HMX和CL-20生成CO2的起始温度均有所降低,与纳米铝复合RDX实验结果一致。（三）纳米氢化铝复合含能材料的结构性能研究采用反应分子动力学方法,基于ReaxFF-lg反应力场,研究纳米Al H3/TNT和纳米Al H3/CL-20复合材料的热分解机理和性能。复合材料的结合能和弛豫密度表明,Al H3/TNT的相容性优于Al H3/CL-20。热解模拟结果表明,Al H3/TNT(1.14 k J g-1)和Al H3/CL-20(0.72 k J g-1)的势垒分别小于纯TNT(1.99 k J g-1)和纯CL-20(1.01 k J g-1)。这说明Al H3纳米颗粒促进TNT和CL-20分解。通过对TNT和CL-20分子在Al H3表面R-NO2断裂的密度泛函理论（DFT）水平的计算,证实了其加速效果。不同升温速率模拟对比表明燃烧过程对升温速率的依赖性较小。在能量释放方面,Al H3/TNT和Al H3/CL-20比纯TNT和CL-20分别多释放1.07 k J g-1和1.97 k J g-1的能量,产生的总气体产物分别多33.8%和14.0%。因此,纳米Al H3可以提高TNT和CL-20的爆轰性能和比冲。这与Al H3对硝基甲烷（NM）和高氯酸铵（AP）/端羟基聚丁二烯（HTPB）推进剂的影响一致。因此,纳米Al H3/TNT和纳米Al H3/CL-20复合材料有望成为新型高能炸药的候选材料。（四）氢化铝的晶相转变性质研究为了解决氢化铝γ→α相变的早期理论预测与实验结果之间的矛盾,建立了锂掺杂Al H3的模型并进行了理论研究。热力学计算表明,纯Al H3的γ→α相变吸热,在298～380 K时,吉布斯自由能的变化范围为1.74～1.99 k J mol-1。这与实验中γ-到α-相变发生在380 K的事实相反。而掺杂了Li的Al H3的γ→α相变焓和吉布斯自由能的变化为负,与实验相符。Li的掺杂降低了γ→α转变的活化能,并在两者之间引入了更多的亚稳态。随着掺杂量增大,焓变和吉布斯自由能变（ΔHγ→α和ΔGγ→α）均减小。实验所得ΔHγ→α值(-2.83 k J mol-1)介于Li掺杂量为1/23和1/11的Al23Li H70和Al11Li H34之间,即-0.87和-5.62 k J mol-1之间)。热容CP（T）随着锂掺杂量的增加而增加。Al23Li H70的CP（T）与实验结果一致。从以上热力学表征和制备Al H3的实验条件来看,Li Al H4与Al Cl3反应得到的产物,应该是Li掺杂的Al H3。锂掺杂Al H3经纯化后,可以变得更加稳定。（五）聚丙烯酰胺粗粒化分子力场开发基于量子力学计算所得状态方程的拟合,开发了一种新的聚丙烯酰胺（PAM）聚合物粗粒化（CG）分子力场。与OPLS原子力场相比,该力场具有更高的精度和更高的计算效率。非键相互作用的状态方程来自于PAM晶体的冷压缩（Cold-compression）状态方程,而分子内相互作用则来自于单分子形变获得的状态方程。利用水分子与PAM吸附体系的冷压缩和单分子状态方程,也开发了Water-PAM相互作用参数,用于水凝胶体系。新的粗粒PAM力场再现了PAM晶体、孤立的PAM链和Water-PAM体系的状态方程,同时成功地预测了PAM熔体和水凝胶的密度、比热容、导热系数和熔点等实验观测量。