含氮雜環(huán)含能材料的理論研究.pdf

1、為了尋找新型高效含能材料，本文從呋咱、咪唑、四唑等含氮雜環(huán)和硝基、氨基、疊氮基、硝酸酯等高能取代基入手，在已合成的含能材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行分子設(shè)計(jì)，研究了不同結(jié)構(gòu)、不同取代基的含能材料的爆轟性能和熱穩(wěn)定性。
　　使用密度泛函理論的 B3LYP方法和 G2(MP2)方法，對一種大環(huán)呋咱化合物、一系列咪唑類化合物和一系列呋咱-四唑類化合物的分子結(jié)構(gòu)、能量、紅外光譜及振動模式、自然鍵軌道分布和鍵裂解能進(jìn)行了計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用等鍵反應(yīng)法、

2、密度修正、升華熱估算和 K-J方程，對這些含氮雜環(huán)化合物的生成焓、密度、爆速、爆壓進(jìn)行了預(yù)測，對熱穩(wěn)定性進(jìn)行了評估，對各含氮雜環(huán)、取代基、橋接基團(tuán)對含能材料爆轟性能和熱穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了分析。三類物質(zhì)的研究結(jié)果分別揭示了多種含氮雜環(huán)和取代基的性質(zhì)及其相互影響。
　　第一部分的研究表明，呋咱類含能材料DATF在形成大環(huán)后，密度、生成焓都明顯增加，其爆轟性能也得到了提升，超過了 PETN。大環(huán)呋咱化合物的最弱鍵是呋咱環(huán)內(nèi)的N-O單鍵，

3、該鍵可能是化合物熱解時首先斷裂的鍵。
　　第二部分關(guān)于一系列咪唑類含能材料的研究表明，硝基咪唑類含能材料DNTNDI的爆轟性能與HMX相近。硝基和硝酸酯取代基能夠增強(qiáng)咪唑類含能材料的爆轟性能，但強(qiáng)電負(fù)性的取代基的誘導(dǎo)效應(yīng)會降低咪唑類含能材料的穩(wěn)定性。咪唑上的 N原子與硝基、氨基和疊氮基連接鍵的裂解能最小。對于硝酸酯取代的目標(biāo)化合物，二氧雜環(huán)內(nèi)的C-O鍵的裂解能最小。
　　第三部分對一系列呋咱-四唑類含能材料的研究表明，呋咱環(huán)

4、和四唑環(huán)與高能取代基和橋接基團(tuán)結(jié)合時，能成為爆轟性能和熱穩(wěn)定性俱優(yōu)的高效含能材料。引入疊氮基能夠明顯增加咪唑和四唑類含能材料的生成焓。橋接基團(tuán)-O-能夠提高呋咱-四唑類含能材料的密度，而-N=N-能夠提高爆熱。硝酸酯和硝基分別是最有利于增加 bis(1H-tetrazol-5-yl)furazan類和 bis(1H-tetrazol)類化合物爆轟性能的取代基。在35種呋咱-四唑類含能材料中，17種化合物的爆轟性能超過了RDX，8種化合物

5、的爆速超過了 HMX，其中5種的爆壓超過了 HMX。另一方面，熱穩(wěn)定性的分析表明，取代基-C(NO2)3能再最大程度上增加呋咱-四唑類含能材料的熱穩(wěn)定性，而-NO2取代物的熱穩(wěn)定性則低于-N3,-ONO2,-C(NO2)3的取代物和不取代的呋咱-四唑類化合物，但仍高于RDX和HMX的熱穩(wěn)定性。在取代過的呋咱-四唑類含能材料中，取代基與四唑環(huán)連接處的鍵裂解能最小。
　　總之，經(jīng)過對三類含氮雜環(huán)含能材料的理論研究，本文找出了若干有潛力