偶氮四唑非金属盐类含能材料的合成与性能研究

以5-氨基四唑(5-AT)为起始物,经两步反应得到了数种偶氮四唑非金属盐类高氮含能化合物,包括偶氮四唑的胍盐(GZT)、氨基胍盐(AGZT)、二氨基胍盐(DAGZT)及三氨基胍盐(TAGZT)等;对合成产物和偶氮四唑肼盐(HZT)、铵盐(AZT)的基本理化性能和爆炸性能进行了研究。研究表明:此类高氮含能材料生成焓高、产气量大、热稳定性较好、分解放热量大,有望作为新型气体发生剂、低特征信号推进剂、低烟或无烟烟火以及高性能炸药的重要组成。     

二(5-胺基-1,2,3,4-四唑)二肼盐的热分解行为

为详细了解二(5-胺基-1,2,3,4-四唑)二肼盐(Hy_2BTA)的热分解行为,采用热重-差示扫描量热-傅里叶红外光谱-质谱(TG-DSC-FTIR-MS)联用的方法,测定了该化合物在不同升温速率下的热分解曲线、分解气体产物的种类及其含量变化。结果表明:随着温度升高,Hy_2BTA的热分解包括2个吸热过程和2个连续地放热过程,分别对应于Hy_2BTA分子第一个离子键断裂脱除NH_2NH_2;第二个离子键断裂脱除NH_2NH_2的过程中,四唑环开始以断裂—N—N—键的方式释放N_2;四唑环及剩余骨架裂解产生N_2、HN_3、NH_3和HCN;剩余骨架分解产生HN_3、N_2和NH_3,裂解产物聚合成含氮高聚物。利用Kissinger方法计算4个过程的表观活化能分别为115.12,193.75,334.16 kJ·mol~(-1)和243.40 kJ·mol~(-1)。     

偶氮四唑非金属盐的研究进展

综述了国内外关于偶氮四唑铵盐(AZT)、偶氮四唑胍盐(GZT)和偶氮四唑三氨基胍盐(TAGZT)等偶氮四唑非金属盐的合成、性能及在推进剂、发射药和气体发生剂中的应用研究进展。TAGZT等偶氮四唑非金属盐具有降低推进剂燃温、提高推进剂燃速、成气量大和爆轰性能良好等优点,预计在高能炸药、固体推进剂、发射药和气体发生剂中有良好的应用前景,GZT成气量大,降温作用明显,在气体发生剂和发射药中已展示良好的应用。     

偶氮四唑二胍的合成优化与性能表征

以5-氨基四唑(5-AT)为原料,经过氧化和合成两步反应制得偶氮四唑二胍(GZT)。研究了反应温度、反应时间、原料配比和NaOH溶液的浓度对合成该物质的影响,表明该法制备GZT的优化反应条件为:5-AT的用量为0.10 mol时,NaOH溶液的浓度为1.5 mol.L-1,5-AT与KMnO4的摩尔比为3∶3,在80℃下反应60 min。放大实验平均产率在80%以上。并通过元素分析、红外光谱分析、核磁、热重-差热分析,对产物的物性、组成和结构进行了表征。     

1-甲基-2,4,5-三硝基咪唑（MTNI）的热分解动力学及机理研究

用热重-微商热重分析(TG-DTG)、热重与傅立叶变换红外联用技术(TG-FITR)、热重与质谱联用(TG-MS)和热裂解快速扫描付里变换红外技术(RCFT-IR)法研究了1-甲基-2,4,5-三硝基咪唑(MTNI)热分解过程和热分解反应动力学,根据实验结果,提出了MTNI的热分解机理:MTNI的放热分解过程分两个阶段,第一阶段是—NO2基发生明显变化,生成NO;第二阶段是芳环断裂分解,释放出H2O、CO、CO2、NO2等气体。     

多叠氮基嗪异构化反应的密度泛函理论研究

用密度泛函理论(DFT),对3,6-二叠氮基-1,2,4,5-四嗪(DiAT)和2,4,6-三叠氮基-1,3,5-三嗪(TAT)的叠氮→四唑异构化反应(关环反应)进行了研究。在B3LYP/6-311G**水平下优化了反应通道上各驻点(反应物、过渡态、产物)的几何构型,计算了各物种的总能量,并对总能量进行零点能校正。设计等键反应计算了各物种的生成焓,分析叠氮基向四唑环的转化对化合物分子构型、生成焓的影响。研究表明:3,6-二叠氮基-1,2,4,5-四嗪(DiAT)经两步环化反应生成四唑异构体,其反应能垒分别为100.5,117.4 kJ.mol-1。2,4,6-三叠氮基-1,3,5-三嗪(TAT)经三步环化反应生成四唑异构体,其反应能垒分别为101.8,99.7,108.7 kJ.mol-1。叠氮基环化为四唑环时,分子生成焓增大。从热力学上判断,TAT关环反应比DiAT关环反应更难进行。用自洽反应场(SCRF)方法对叠氮→四唑异构化反应进行溶剂化效应的计算,分析了二甲亚砜对分子性质的影响。     

5,5′-(2-三氟甲基)-咪唑-4,5-二(1H-四唑)及其含能离子盐的合成与表征

以二氨基马来腈为原料,经过与三氟乙酸酐缩合、环化,与叠氮化纳再次缩合,合成得到了新型含能化合物5,5'-(2-三氟甲基)-咪唑-4,5-二(1H-四唑),收率61.3%;基于该化合物的酸性,设计合成了2种含能离子盐5,5'-(2-三氟甲基)-咪唑-4,5-二(1H-四唑)的羟胺盐和胍盐。利用红外光谱、核磁共振和元素分析对中间体及产物结构进行了表征。探讨了生成5,5'-(2-三氟甲基)-咪唑-4,5-二(1H-四唑)过程中影响四唑环化反应的关键因素,确定的最佳反应条件为:反应介质为水,n(2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑)∶n(Na N3)=1∶2.4,反应温度98℃,反应时间4 h。收率最高达86.3%。通过DSC-TG研究了5,5'-(2-三氟甲基)-咪唑-4,5-二(1H-四唑)的热分解性能,热分解曲线表明化合物直到223.65℃才开始分解,整个分解过程经历了两个主要的放热分解阶段和热失重阶段,最大放热峰温度为285.78℃,说明该化合物结构比较稳定。     

AP对HATO热分解影响的机制

为详细了解高氯酸铵(AP)对5,5'-联四唑-1,1'-二氧二羟铵(HATO)热分解影响的机制,采用热重-质谱-傅里叶红外光谱(TG-MS-FTIR)联用技术、差示扫描量热法(DSC)、傅里叶红外光谱(FTIR)方法,对HATO和HATO/AP共混物的热分解特性、气体产物以及凝聚相变化进行了研究。结果表明,HATO具有两个连续热分解阶段,HATO/AP共混物则有3个热分解阶段;HATO、AP共混后,HATO使得AP熔融峰消失,AP可使HATO的热分解初始温度提前,热分解时间延长且不影响分解完全性;HATO热分解气体产物有CO_2、N_2O、HCN、NH_3、NO、N_2、H_2O,而HATO/AP共混物热分解产生气体主要有N_2、CO_2、N_2O、HCN、NH_3、H_2O、HCN、NO、HCl、NOCl;另外,采用等转化率法计算HATO和HATO/AP共混物四唑环基团的活化能分别为53.38 kJ·mol~(-1)和60.69 kJ·mol~(-1);通过对比HATO和HATO/AP共混物热分解特性以及凝聚相特征基团的变化,阐释了AP使HATO热分解温度提前的机理很可能是:AP的铵根离子与HATO之间发生了质子转移;推测AP导致HATO热分解时间延长的原因为:HATO/AP共混物产生的NH_3与热分解中间体1,1'-二羟基-5,5-联四唑(BTO)反应生成5,5'-联四唑-1,1'-二氧铵盐(ABTOX)。     

1,1′-DM-5,5′-AT和2,2′-DM-5,5′-AT热分解机理的量子化学研究

采用量子化学从头算方法全优化计算了1,1′-二甲基-5,5′-偶氮四唑(1,1′-DM-5,5′-AT)和2,2′-二甲基-5,5′-偶氮四唑(2,2′-DM-5,5′-AT)热分解反应位能曲线,探讨了它们的热分解机理.研究发现热分解按开环和脱氮两步完成,推测的机理可由取代四唑的热分解实验和理论研究所支持.计算得到1,1′-DM-5,5′-AT两步反应的活化能分别为243.5、64.01 kJ/mol;2,2′-DM-5,5′-AT两步反应的活化能分别为152.3、44.67 kJ/mol. 二者的热分解活化能都表明开环反应是速度控制步骤.前者的两步反应的活化能均大于后者的活化能.从动力学性质显示前者比后者有更好的稳定性.     

3,3'-二(偕二硝基甲基)-4,4'-偶氮呋咱的合成与热性能

以3,3'-二氰基-4,4'-偶氮呋咱为原料,经加成、重氮化以及硝化等反应得到3,3'-二(偕二硝基甲基)-4,4'-偶氮呋咱(4)及其钾盐(3),四步反应的收率分别为93.3%、91.2%、24.5%和63.1%。在反应过程中分离得到一种未见报道的呋咱化合物——3,3'-二偕氨肟基-4,4'-联氨呋咱(1),推测在羟氨与氰基发生加成反应的过程中,过量羟氨同时将偶氮基还原为联氨基,从而生成1。通过~1H NMR、~(13)C NMR、IR以及质谱等手段对反应中间体及产物结构进行表征。利用差示扫描量热法-热重法研究1、3和4的热分解过程,结果表明:1的热分解包括一个脱结晶水吸热过程和两个热分解放热过程,热失重率分别为5.1%、53.5%和36.3%,吸热峰温为83.7℃,放热分解峰温分别为241.1℃和336.2℃;3的热分解过程仅有一个明显的分解放热阶段,热失重率为86.6%,峰值温度为258.1℃;4的热分解过程也仅有一个明显的分解放热阶段,热失重率为71.8%,其峰值温度为156.0℃。     

三硝基间苯二酚热分解动力学研究

采用动态热失重分析方法，计算出三硝基间苯二酚在热分解不同阶段的活化能和一级反应指前因子。动力学计算结果表明，三硝基间苯二酚在150～280℃范围内的热分解机理基本一致。     

ADN的热分解性能研究

用气相色谱－质谱联机技术研究了二硝酰胺铵（ＡＤＮ）的热分解行为。结果表明，二硝酰胺铵在１２０℃以上即开始分解，主要分解产物为ＮＨ４ＮＯ３和Ｎ２Ｏ，在更高温度下ＮＨ４ＮＯ３再分解为Ｎ２Ｏ和Ｈ２Ｏ，并发生一些副反应生成ＮＯ、ＮＯ２和Ｈ２Ｏ等。     

质量效应及热历史对硝酸铵热分解特性的影响研究

为了研究质量效应对硝酸铵热分解特性的影响,分别采用小质量的差示扫描量热仪、中质量的微热量热仪和大质量的烤燃箱对其热分解特性进行实验研究;采用差示扫描量热仪和微热量热仪进一步研究了热历史对硝酸铵热分解特性的影响。结果表明：质量效应对硝酸铵的热稳定性有显著影响,随着样品质量的增加,样品分解温度（包括初始分解温度和最高分解温度）会逐渐降低,发生燃烧爆炸的危险程度进一步增加;经过热历史的硝酸铵分解温度会逐渐降低,且随着回归温度的增大,分解温度向低温方向的偏移越来越大。这主要是因为在热历史实验过程中,硝酸铵分解产生了一定量的中间产物,这些中间产物将对硝酸铵二次加热过程中的热分解产生催化作用,导致硝酸铵的分解温度降低。在实际工业生产存储过程中,应尽量避免大质量存放硝酸铵且存放场所防止出现热源。     

溶剂对RDX热分解的影响

用布氏压力计研究不同溶剂对溶液中RDX热分解的影响。影响分为加速、抑帛和无影响三种影响三种情况：在苯、萘、异辛烷中RDX热分解速率与熔融态一臻，这类溶剂对RDX热分解无影响；脂肪族芳香化合物，醚，酯，酮及醇能加速RDX热分解，粘度较大的化合物则抑制RDX热分解。     

一种耐热火药的制备及性能表征

以耐热材料氟橡胶为粘结剂,耐热材料为氧化剂,二醋纤维素为性能改良剂制备出一种高性能耐热火药。采用热重分析仪研究了该火药热失重特性,采用差示扫描量热仪(DSC)、热重/微分热重仪(TG/DTG)研究了该火药热分解性能,通过点火模拟装置、密闭爆发器研究了其点火与燃烧性能。试验结果表明:火药在220℃/48h条件下热失重小于3.0%,具有耐高温的特性;热分解过程分两个阶段,第1个阶段DSC曲线的分解峰温在300℃左右,第2分解峰温在370℃左右。点火时间随着粘结剂含量的增加变长,静态燃烧测试表明该火药具有很好的热稳定性,不存在燃烧曲线的转折。     

一种新的外测数据随机误差分离方法

主要研究了外测数据随机误差分离问题。利用模型函数逼近趋势项的方法建模较为复杂,小波变换的方法需预先确定小波基和分解层数。基于经验模式分解(EMD)的趋势项消除方法由于EMD分解可能会有模态混叠效应和分解的本征模态函数层数冗余的特性,导致该方法分解的余项不一定能准确逼近趋势项。在此方法基础上提出了基于总体经验模式分解(EEMD)的随机误差分离方法,利用EMD分解的频率特性和能量特性,提出了利用能量比例法来确定用来逼近趋势项的本征模态的层数,进而分离随机误差的方法。理论仿真和实测数据证明了该算法的有效性和实用性。     

ZnAl13Cu7MgSb合金早期时效特征

用X射线衍射仪及TEM研究了含Al较低的ZnAl13Cu7MgSb合金固溶处理后时效早期的相变特征.结果表明,该合金时效早期先发生过饱和β'相的分解(β'→α'+ε+η),然后更富Al的α'发生调幅分解.调幅分解阶段,波长(λ)基本不变.调幅组织的长大满足λ∝t1/3关系.调幅分解是该合金时效强化的主要原因.     

甲基肼热分解的动力学特性及热安全性

为了评估甲基肼液体推进剂在生产、贮存、运输以及使用过程中的热安全,借助差示扫描量热法(DSC)研究了甲基肼的热分解特性和热安全性,分别计算了甲基肼的动力学、热力学和热安全性参数,并获得了半径为1 m的球形甲基肼液体推进剂在不同超临界环境温度下的热爆炸延滞期,基于等转化率法使用AKTS软件进一步计算得到了甲基肼的绝热诱导期以及自加速分解温度。结果表明:甲基肼的热分解过程只有一个较强的放热峰,采用Kissinger法和Ozawa法计算得到甲基肼的活化能值分别为159.13 kJ·mol^-1和158.89 kJ·mol^-1,自加速分解温度为451.53 K,热爆炸临界温度为469.55 K,热力学参数活化熵(ΔS^≠)、活化焓(ΔH^≠)和吉布斯活化自由能(ΔG^≠)分别为73.93 J·mol^-1,155.32 kJ·mol^-1和121.46 kJ·mol^-1;使用AKTS软件计算得到8、24 h和168 h绝热诱导期对应的温度分别为429.55,424.05 K和414.95 K;包装质量分别为5,25,50 kg和100 kg时,甲基肼的自加速分解温度依次为415.15,414.15,413.15 K和412.15 K。研究结果为评价甲基肼在生产、储运和使用过程中的热安全性提供了必要的理论基础。     

AcAn对奥克托今热稳定性的影响研究

1,9-二乙酰氧基-2,4,6,8-四硝基-2,4,6,8-四氮杂壬烷(AcAn)是奥克托今(HMX)制备过程中产生的一种主要杂质,研究AcAn对HMX热稳定性的影响具有重要意义。基于B3LYP/6-311+G**水平全优化了AcAn的几何结构,得到船式和椅式两种稳定结构;在B3P86/6-31G**水平计算了AcAn中N—NO₂键的键离解能（BDE）,研究发现,AcAn两端与乙酰氧基相邻的硝胺N—NO₂键 容易断裂。采用差热分析（DTA）技术研究了AcAn的热分解及其含量对HMX热稳定性的影响,结果表明：HMX和AcAn的相容性差,为4级;HMX安定性最好,AcAn安定性差,AcAn含量为50%时,安定性最差;HMX产品中混有AcAn,使得HMX储存热稳定性变差,使用性能也变差;当AcAn含量高于50%时,HMX产品性能变化最大。根据双等双步法推导AcAn和HMX的最概然机理函数,热分解反应机理函数为化学反应RO(n)机理,积分函数形式为g(a)=1-(1-a)^1-n1-n,微分形式为f(a)=(1-a)ⁿ ,n=2.     

含和不含催化剂的高能RDX-XLDB推进剂热分解特性研究

利用ＤＳＣ研究在不同压力下含和不含催化剂的高能ＲＤＸ－ＸＬＤＢ推进剂的热分解特性,结果表明：在推进剂热分解过程中,含量占６０％的ＲＤＸ分解放热峰占主导地位,是主分解峰,且随着压力升高,峰温向低温移动,主分解峰温越低,燃速越高,含催化剂的推进剂比不含催化剂的主分解峰温低,燃速高。