本论文以ReaxFF反应力场为核心，涉及ReaxFF反应力场的开发，及其在高能材料，能源材料，建筑材料等若干材料科学中的应用问题。ReaxFF是新一代的分子力场，除传统力场的基本性质之外，可以模拟体系中的化学反应。本工作主要包括ReaxFF力场长程作用力的修正、煤油添加剂的热解和燃烧机理研究、沥青煤的热解膨胀机理研究、多元金属氧化物的结构解析及表面氨氧化催化反应机理、混凝土老化开裂机理五个部分。与量子化学方法或传统分子模拟方法不同，这些工作用分子动力学模拟，对材料使用及处理过程中的温度、压力和凝聚相环境的条件综合考虑，从一个统计热力学的角度考虑凝聚相及表面催化过程中的反应机理问题。论文主要得到了如下的结果和结论：1.针对ReaxFF反应力场低估长程vdW相互作用的缺点，首次引入基于低梯度模型的修正项（Low-Gradient，lg）对ReaxFF反应力场的色散作用进行修正。通过该修正，使得基于第一性原理（DFT）发展的反应力场能够合理描述长程相互作用。运用该力场能够准确预测含能材料分子晶体的晶格参数、升华焓和状态函数，并且成功预测了至的相变过程。同时，通过比较ReaxFF和ReaxFF-lg计算所得反应能量，发现lg长程作用力修正项对于反应的能量影响较小，不影响ReaxFF反应势能面的描述，确定了ReaxFF-lg的可扩展性。2.运用ReaxFF-RD方法，研究了煤油添加剂分子1，6-二环丙烯-2，4-己炔的热解和燃烧机理。通过对单分子模型和凝聚态模型的分别研究，确立了添加剂分子的热解和燃烧过程是从单分子的热解和燃烧开始的，同时对过程中产生的分子进行了分析，理解燃料添加剂分子的热解和燃烧的复杂过程。同时，根据过渡态理论确定了燃料添加剂凝聚态中热解和燃烧过程的活化能和活化熵，确立了在热解和燃烧过程中，多分子之间的反应是一种重要的反应。对于未知的化学反应过程，显示了运用ReaxFF-RD方法，可以从第一性原理出发确定凝聚相中的化学反应微观过程。3.发展ReaxFF-MC-RD方法，解析实验手段难以解析的材料结构。首次用计算方法解析了多元金属氧化物MoVTeNbO催化剂的M2相结构，确定了M2相中的金属在各位点分布，分析了Nb在M2相形成过程中的作用及对其他位点的V分布进行了解释。运用该结构，通过探测H原子与M2相表面各位点的相互作用，研究了M2相表面丙烯的氨氧化活化过程的初期反应机理，并提出了丙烯的活化模型。4.从第一性原理出发，开发了适用于水泥中钙矾石体系的ReaxFF反应力场模型，并进行钙矾石晶体的力学性质研究，确定了钙矾石体系a/b，c两个方向的力学失效机理。通过不同含水量的钙矾石研究，运用2pt方法对不同含水量的钙矾石进行了自由能分析，并由此确定了钙矾石中水的化学势，从而从原子尺度研究了钙矾石的老化开裂机理，确定了氢键在钙矾石遇水膨胀中的作用。5.扩展ReaxFF反应力场至煤体系中，并运用该反应力场研究了煤的热解机理，着重考虑了在煤膨胀过程中的自由体积效应对热解机理的影响。通过建立不同密度的煤模型，对膨胀过程进行模拟，通过对反应机理分析，得出煤的膨胀机理。研究发现：在反应初期，煤块中生成H2，CH4和NH3等挥发性气体，体相中SP2碳数目增加，焦炭逐步生成；而挥发性气体的生成造成内部压力升高，促使煤块开始膨胀；随着膨胀的进行，煤块中的自由体积逐渐增多，对煤的热解机理产生影响，在气泡附近的煤由于有更多的自由体积，支链裂解生成更多的不饱和小分子气体，如C2H，C2H2，C3H3，CO等，这些分子的增多促进了气泡的膨胀，加速了热解的进行。6.除ReaxFF反应力场外，博士期间其他方面的工作有沸石中氨分子的升温脱附研究。从第一性原理出发，研究氨与沸石的相互作用，运用RI-MP2/TZVPP的方法详细研究了氨与B酸沸石团簇的相互作用方式，在第一性原理计算的基础上开发了适用于氨-沸石体系的分子力场。运用该力场对氨分子在沸石体系中的脱附过程进行研究，从氨分子在孔道中的微观结构的角度对沸石的酸性表征进行了描述。