向高能材料中添加活性金属及其氢化物是一种提高能量释放的有效途径。高活性金属及其氢化物已被广泛应用于推进、航空航天、炸药、燃料等能源领域。铝和氢化铝是目前最被广泛使用的活性金属组分。本文采用反应分子动力学和密度泛函理论,研究了多种典型高能材料包括2,2’,4,4’,6,6’—六硝基芪（HNS）、1,3,5,7-四硝基-1,3,5,7-四氮杂环辛烷（HMX）、1,3,5-三硝基-1,3,5-三氮杂环己烷（RDX）、季戊四醇四硝酸酯（PETN）、硝化甘油（NG）、环氧丙烷以及有机燃料甲醇与铝或氢化铝之间相互作用机制。从原子角度研究铝或氢化铝对高能材料的燃烧过程的影响机制。反应动力学揭示了纳米氢化铝在氧气气氛的燃烧机理和熔融纳米铝液滴与水蒸气的燃烧机理。这些结果为两者在高能领域的应用提供了一定指导意义。论文的主要研究内容如下:（1）反应分子动力学研究了纳米铝颗粒与典型含能材料PETN,RDX,HNS,和NG的相互作用。纳米铝的加入加速了这些含能材料的分解,使这些含能分子以不同于纯体系的的分解方式提前分解。纳米铝降低了这些含能材料分解的活化能,提高了能量释放效率。纳米铝可使得N,H和O原子从碳骨架中置换出来,从而生成更多的N2和H2O,这使得气体的总生成量增加。铝容易与碳骨架结合在一起形成C/Al团簇,纳米铝抑制了CO2的生成。纳米铝表面氧化层一定程度上降低了铝颗粒对含能分子中氧和氮原子的吸引,导致钝化效应。氧化层容易导致含能分子的碳骨架在表面上累积。而且表面钝化的纳米铝颗粒在反应后期更容易团聚,不易生成小型铝簇。纳米铝在含能材料中的氧化遵循扩散氧化理论,其氧化依赖于氧化剂原子和铝原子的相互扩散。粒径、钝化层等都影响纳米铝的氧化。较小粒径的纳米铝呈现出铝原子扩散为主的微爆炸氧化行为,并喷射出小颗粒铝簇。较大粒径铝颗粒的氧化经历表面氧原子扩散为主,中期的双向扩散和熔融后的铝扩散为主的三阶段过程。氧化层的存在会延迟铝颗粒到达熔点的时间。铝颗粒在反应后期的团聚以O/Al和C/Al团簇聚集为主。温度分布表明反应过程中热点集中于铝颗粒存在区域。（2）采用Reax FF-lg反应力场来模拟纳米Al H3和HMX,NG,HNS的相互作用。纳米氢化铝加速了含能分子的热分解,降低了含能分子分解所需要的活化能,增加了分解释放的能量。铝和氧原子的强烈的化学反应改变了含能分子的初始分解方式。氢化铝的加入提高了稳定气态产物的产量,氢的存在促进了H2O和N2的生成。纳米氢化铝的粒径和表面钝化层影响氢化铝的释氢速率。表面钝化层的存在易于含能分子碳类骨架的积聚。小粒径的氢化铝出现微爆炸的反应,极大地提高了反应速率和释氢速率。较大粒径和表面钝化层的氢化铝在反应过程中容易形成氢腔的集聚,氢气难以快速释放。纳米氢化铝在含能分子中的氧化依赖于氧化剂原子和铝的相互扩散,H2的生成加速中间产物的演化。（3）采用反应分子动力学方法,揭示了熔融纳米铝液滴（ANDP）与水蒸气在高温下的反应机理。探索了温度、ANDP粒径和水蒸气浓度对ANDP燃烧的影响。总的来说,ANDP的燃烧过程伴随着氧化相向外扩展生长,氧化相呈树枝和微爆炸状。ANDP与H2O的反应可分为:（1）H2O+Al→O-Al+H2;（2）2H2O+2Al→2H-Al+H2;（3）H2O+Al→OH-Al+H或（H-Al）;（4）H2O+H-Al→OH-Al+H2。ANDP的支化氧化主要是活性铝向O-Al相转化的非均相反应。ANDP的微爆炸导致Al的气相燃烧,使活性Al迅速弹射到水蒸气环境中。微爆炸使H2O分子在路径（1）中分解,增加了H2O的消耗和H2的生成。提高温度、减小颗粒尺寸或增大水汽浓度均可促进ANDP的微爆炸。电荷和温度分布表明,ANDP微爆炸导致了热点、空洞和较大的静电电位差的快速形成。（4）采用反应分子动力学方法研究了不同氧化层厚度、粒径和氧浓度下纯氢化铝和核壳型氢化铝的氧化行为和氧化机理。氢化铝纳米颗粒（AHNP）的初始氧化呈现表面凹凸不平的支流状分布。40 ps的核Al扩散系数(1.42×10-4 cm~2/s)远远大于壳层O原子(4.90×10-5 cm~2/s),表明核壳AHNP的氧化主要是由核铝在静电力的驱动下向氧化层不均匀扩散,氧化过程中形成了不同尺寸的氢气气室。均方位移表明,核铝有向较薄的氧化层扩散的倾向。氧化层抑制了核内Al和H的扩散,导致氧化速率减慢。较小的AHNP表现出微爆炸氧化并伴随大铝团簇的形成,反应过程以铝扩散为主。较大的AHNP的初始反应主要集中在表面,后续的氧化过程依赖于氧化相与Al H3之间的非均相反应。在较低的氧浓度下,AHNP表现出较低的氧化速率和反应放热速率,核心Al原子和环境中的O原子相互扩散,形成均匀的O-Al相。在较高的氧浓度下,活性铝原子向外扩散,形成中空球形结构。（5）反应分子动力学分别模拟环氧丙烷/铝和甲醇/铝的纳米液滴的燃烧过程。整体来说,纳米铝的降低了环氧丙烷和甲醇的点火延迟,减小了甲醇和环氧丙烷燃烧分解所需活化能,加速了甲醇和环氧丙烷的裂解。纳米铝对甲醇和环氧丙烷的氢和氧原子的能力有强烈的结合作用。此外,铝加速了O2的裂解,使体系中O自由基的数量增加;增强了体系生成活性碎片的能力,如H、H2、OH和O。铝颗粒在反应过程中经历由H-Al相至C-Al相,最终转变为O-Al相的过程。铝颗粒在燃烧中期产生微爆炸。复合液滴燃烧后期呈现了一种气相燃烧模式。