多硝甲基氧化偶氮呋咱含能衍生物爆轰与安全性能理论研究

为了考察多硝甲基氧化偶氮呋咱含能衍生物的爆轰与安全性能,基于密度泛函理论的B3LYP方法,在6-31G**基组水平上,对比研究了硝基氧化偶氮、三硝甲基氧化偶氮及氟二硝甲基氧化偶氮三种含能基团对呋咱、偶氮呋咱、氧化偶氮呋咱及呋咱醚的几何构型、静电势分布、密度、生成焓、氧平衡、爆速、爆压、键离解能以及撞击感度的影响。结果表明,三硝甲基氧化偶氮基团与氟二硝甲基氧化偶氮基团均可大幅提高呋咱衍生物的密度和氧平衡,氟二硝甲基氧化偶氮基团还可大幅提高呋咱衍生物的爆速和爆压,且具有良好的热稳定性和撞击感度特性。基于12种呋咱含能衍生物理论计算结果,筛选出一种高能量密度化合物:3,3′-双(氟二硝甲基氧化偶氮基)-4,4′-氧化偶氮呋咱,其密度为2.019g·cm~(-3)、爆速为9.735km·s~(-1)、爆压为44.90GPa、特性落高为36cm。     

TNAZ/DNTF最低共熔物的熔铸性能

为寻求可替代TNT用于熔铸炸药的液相载体,研究绘制了1,3,3-三硝基氮杂环丁烷(TNAZ)与3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)混合物的二元相图,并表征了最低共熔物的热安定性、感度、能量性能、渗油性等。结果表明:当TNAZ与DNTF质量比为60/40时为最低共熔物,其共熔点为79.0℃;最低共熔物热分解温度高、热安定性好,机械感度适中,静电火花感度优于B炸药;70℃恒温放置6h不渗油,是一种具有潜力的可替代TNT的熔铸炸药。     

3, 3′-二（3-氨基呋咱基氧化呋咱-4-基）-4, 4′-偶氮呋咱的合成与表征

含呋咱(氧化呋咱)环的含能化合物具有许多优异的炸药性能: 标准生成焓高,富含氮氧,能量密度优异,分子稳定性好,熔点较低,是炸药界研究热点之一.3,4-二(氨基呋咱基)氧化呋咱(BAFF)爆速较高,热稳定性良好,机械感度低,是一种新型高能低感炸药.本课题组以其为基本结构单元通过偶氮、氧化偶氮等设计出了系列BAFF衍生物.本文首次报道了该类衍生物之一--3,3′-二(3-氨基呋咱基氧化呋咱-4-基)-4,4′-偶氮呋咱(BAFFaF)的合成与表征.     

高能量密度材料3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱性能及应用研究

3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)是一种新型高能量密度材料,通过对其理化、爆轰性能研究,证明其各项性能优于奥克托今(HMX)而接近六硝基六氮杂异全兹烷(CL-20).DNTF能量高、熔点低、热安定性良好、感度适中,适于在推进剂、战斗部装药及爆炸网络中应用.另外,DNTF能与梯恩梯(TNT)形成低共熔物,可以调配成不同熔点、不同能量要求的液相载体,为熔铸炸药的发展开辟了新领域.     

新型熔铸炸药3,3′-双（二硝甲基-ONN-氧化偶氮基）三呋咱（BDNAF）的合成与性能

利用3,4-双(3'-氨基呋咱-4'-基)呋咱(BATF)和2,2-二甲基-5-硝基-5-亚硝基-1,3-二氧环己烷(DMNNDO)为原料,经氧化偶联、水解、溴化、还原和硝化五步反应首次合成新型含能化合物3,3'-双(二硝甲基-ONN-氧化偶氮基)三呋咱(BDNAF),通过红外(IR)、核磁(NMR)和元素分析(EA)对中间体和目标化合物进行结构表征.利用差示扫描量热法(DSC)研究了中间体3,3'-双(单硝甲基-ONN-氧化偶氮基)三呋咱(BNAAF)和目标化合物BDNAF的热行为;采用Gaussian 09程序和Explo 5(v.6.04)预估了BNAAF和BDNAF的物化及爆轰性能.结果表明:BNAAF没有熔点,热分解峰温为106.4℃,理论密度为1.82 g·cm-3,爆速为8298 m·s-1,爆压为29.0 GPa;BDNAF的熔点为95.4℃,第一分解峰温为170.5℃,理论密度为1.91 g·cm-3,爆速为9005 m·s-1,爆压为35.9 GPa,可作为一种新型熔铸炸药.     

3，3＇-二（3-氨基呋咱基氧化呋咱-4-基）-4，4＇-偶氮呋咱的合成与表征

含呋咱（氧化呋咱）环的含能化合物具有许多优异的炸药性能：标准生成焓高，富含氮氧，能量密度优异，分子稳定性好，熔点较低，是炸药界研究热点之一。3，4-二（氨基呋咱基）氧化呋咱（BAFF）爆速较高，热稳定性良好，机械感度低，是一种新型高能低感炸药。本课题组以其为基本结构单元通过偶氮、氧化偶氮等设计出了系列BAFF衍生物。本文首次报道了该类衍生物之一——3，3＇-二（3-氨基呋咱基氧化呋咱-4-基）-4，4＇-偶氮呋咱（BAFFaF）的合成与表征。     

一种新的炸药感度判据:键!非键耦合分子刚柔度

评述了4种炸药感度判据,包括最易跃迁法(最小能隙)、最小键级、最弱键离解能、X—NO2(XC,N or O)中硝基的Mulliken电荷。首次提出了基于炸药分子整体稳定性的名为"键非键耦合分子刚柔度"的新的感度判据。比较了11种典型炸药[1,3,5-三硝基苯(TNB)、2,4,6-三硝基甲苯(TNT)、1,3,3-三硝基氮杂环丁烷(TNAZ)、1,3,5-三硝基-1,3,5-三氮杂环己烷(RDX)、1,3,5-三硝基-2-氧-1,3,5-三氮杂环己烷(K6)、2,4,6,8,10,12-六硝基-2,4,6,8,10,12-六氮杂异伍兹烷(CL-20)、2-苦基-1,2,3-三唑(P CTA)、4-硝基-2-苦基-1,2,3-三唑(NPCTA)、2,6-二氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧化物(LLM-105)、4,6-二硝基苯并氧化呋咱(DNBF)、5,7-二氨基-4,6-二硝基苯并氧化呋咱(DADNBF)]的撞击感度与判据之间的相关性。结果表明,在这5种感度判据中,"键!非键耦合分子刚柔度"评价方法的相关性最高。判据组合能提高预测感度的能力。张力能是炸药分子中键!非键耦合能的一种形式,它不仅能够用于衡量炸药的感度,尤其是不含硝基炸药的感度,同时还能用来量度炸药的储能水平,这对新型炸药的设计和评价具有重要意义。     

二唑类熔铸炸药载体的分子设计

熔点是界定炸药能否成为熔铸炸药载体的一个重要指标。为了获取炸药分子结构与熔点之间的关系,考察了硝基二唑类化合物分子结构与熔点之间的关系。归纳、总结了熔点与炸药分子的母体结构、取代基团数量与配置的变化关系。得到了二唑类含能化合物的结构与熔点之间的规律性。以吡唑环为基本结构单元,设计了7种低熔点炸药,其中5种炸药预测的熔点低于120℃。结果表明,1-氨基-3,4,5-三硝基吡唑和1-甲基-3,5-二硝基吡唑基-4-甲硝胺两种吡唑类含能化合物预测熔点分别为112.7℃和86.5℃,其爆轰性能均优于TNT。     

几种呋咱含能衍生物的性能研究

研究了包括3, 3′二硝基4, 4′氧化偶氮呋咱(DNOAF)、N,N′二(硝基呋咱基)草酰胺DNFOA和5, 5′二(叠氮甲基) 3, 3′联异呋咱(DABIF)的一系列二呋咱化合物的性能。其中,DABIF和DNFOA的特性落高分别为(68±3)cm和82cm(H50, 5kg落锤),可望作为不敏感炸药应用。根据Kamlet方程计算得到DNFOA的理论爆速D=8560m·s-1,爆压pCJ=33. 6GPa,DNOAF的理论爆速D=9390m·s-1,爆压pCJ=40. 5GPa。按照以20%呋咱含能化合物代替某NEPE推进剂,计算表明,DNOAF基推进剂的比冲为269. 1s-1,高于HMX基NEPE推进剂的比冲268. 6s-1,可知DNOAF爆轰性能优良。     

三呋咱并氧杂环庚三烯（TFO）合成研究

呋咱醚类含能化合物因其具有熔点低、能量高、塑性强的优点,目前已成为含能材料研究领域的热点之一。本文自行设计了呋咱环醚含能化合物三呋咱并氧杂环庚三烯(TFO)分子结构和合成方法,以3,4-双(3’-硝基呋咱-4’-基)呋咱(BNTF)为原料,在无水乙腈中进行分子内硝基醚化反应,首次合成了呋咱环醚含能化合物TFO(Scheme 1),收率为55.2%,纯度     

高能三唑铜配合物Cu(DNABT)(NH3)2-x(NH2NO2)x的结构和性能理论研究

基于N,N′-二硝氨基-3,3′-二硝基联三唑(DNABT)二齿含能配体和金属元素铜,采用含能小配体NH3和NH2NO2对结构和性能进行调控,设计了三种新型含能富氮金属配合物:Cu(DNABT)(NH3)2-x(NH2NO2)x(x=0,1,2)。采用密度泛函理论等方法对其分子、电子和晶体结构,及生成热、密度、爆速爆压和撞击感度等性质进行了计算模拟。结果表明,Cu与小配体之间的配位键是结构中比较弱而容易诱发分解的部分。小配体的类别和数量对配合物的结构和不同性能都有显著影响,且对各种性能的影响不同。三种配合物具有高密度(2.07~2.13 g·cm^-3)、优良的能量性质(爆速:8.44~9.12 km·s^-1,爆压:34.2~40.0 GPa)和可接受的感度(7~22 cm),x=1时,配合物的能量水平优于黑索今且感度与其接近,是潜在的高能量密度化合物。     

含DAAzF的HMX基低感高能炸药研究

采用钝感炸药3,3′-二氨基-4,4′-偶氮呋咱(DAAzF)作为添加剂,设计了含DAAzF的奥克托今(HMX)基压装低感高能炸药配方,研究了配方的机械感度、冲击波感度、热安定性和爆轰性能.结果表明,细颗粒DAAzF能降低HMX的机械感度.在HMX基炸药中加入5%的DAAzF,可以得到一类爆速8650m·s-1以上、撞击感度低至0%且热性能好的压装型低感高能炸药.     

［1，2，5］噁二唑［3，4-b］吡嗪-5，6-（1H，3H）-二酮及其含能盐的合成及性能

以3,4?二氨基呋咱和草酸为原料经酰胺缩合反应一步法直接合成了[1,2,5]噁二唑[3,4?b]吡嗪?5,6?(1H,3H)?二酮(1),并进一步与碱反应合成了该化合物的离子盐2~5。通过红外、核磁共振氢谱和碳谱对化合物1~5进行了结构表征;并通过X?射线单晶衍射对化合物1和5的单晶结构进一步表征;利用差示扫描量热法(DSC)研究了化合物1~5的热行为,化合物1~5的热分解温度在210.5~313.5℃之间;采用Gaussian 09程序和Explo 5(v.6.01)评估了化合物1~5的爆轰性能,计算爆速在7327~8555 m·s^-1之间,爆压在20.5~30.6 GPa范围内;利用BAM感度测试仪进行感度测试,化合物1的撞击感度为27 J,摩擦感度为280 N,其胺盐、肼盐、羟胺盐的撞击感度均大于40 J,摩擦感度均为360 N,钠盐的撞击感度为7 J,摩擦感度为120 N。其中肼盐和羟胺盐有望作为新型的高能低感含能材料。     

硝基二唑炸药爆炸参数的经验计算(Ⅰ)

以2,4,5-三硝基咪唑(2,4,5-TNI)为"母体"结构单元,用硝基、硝氨基和偶氮基等爆炸基团取代其1位氮上的氢原子获得系列新型多硝基咪唑类炸药分子。运用Brinkley-Wilson(B-W)法则、Rothsteine’s和Kamlet方法等对该类炸药的爆炸参数进行了计算,并与HMX等炸药的爆炸参数进行了比较。结果表明,该类炸药密度大,爆速为7.9-9.2km·s-1,爆压为29.0-42.0GPa,接近RDX甚至HMX,是一类新型高能量密度材料化合物;该类炸药分子中含芳香咪唑环,预计其分子稳定性良好。     

含能材料量子化学计算方法综述

概述了量子化学基础理论,详细综述了含能材料关键参数(密度、生成热、爆热、爆速、爆压和撞击感度)的计算方法,并比较这些方法的特点和适用范围。介绍了CHEET A、EXPLO5等计算软件在含能材料领域的应用。最后,为满足新一代材料高能稳定与绿色环保的综合要求,设计了20种新型高氮含能分子,运用上述量子化学方法估算了其物化和含能性质,并提出了新型含能化合物的设计原则:(1)高氮分子骨架;(2)零氧平衡;(3)基团调节修饰,以期促进含能材料的发展。附参考文献76篇。     

离子液体在含能材料领域的应用进展

近年来离子液体由于其独特的性质而受到广泛关注。本研究从离子液体应用于芳香环硝化、含氢键炸药回收提纯及在推进剂和熔铸炸药的方面进行了综述,认为离子液体在这些方面的绿色环保优势得到了充分体现。一些含能离子液体可应用于自燃推进剂燃料和替代TNT作熔融介质用于熔铸炸药,认为它们表现出很好的应用前景。     

吡唑类化合物结构与性能关系的理论研究

构建了几种吡唑化合物的分子结构,运用密度泛函理论在B3LYP/6-311G(d,p)水平上对设计的吡唑氮杂环化合物性能进行了理论计算。在最稳定几何构型基础上,基于自然键轨道理论,分析了稳定结构的成键情况和吡唑环上的共轭性;用静电势图分析了吡唑化合物的反应性;理论估算了9种化合物的标准气态生成热和Bader密度;最后采用VLW方程计算了这些化合物的爆速、爆压。结果表明:吡唑环上有一定的芳香性特征;理论计算得到部分化合物的总能量和密度与NH2原子个数都有较好的线性关系;大多数化合物的爆速在8.0 km.s-1以上。     

2,6-二氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧化物为基的耐热混合炸药性能

分别制备了以2,6-二氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧化物(ANPyO)为基,加入氟橡胶F2311、氟橡胶F2603及其两种混合物黏结剂和增塑剂组成的三种耐热混合炸药,进行了耐热性、感度、成型性、爆炸能量和破甲威力性能测试。结果表明,三种以ANPyO为基耐热炸药有良好的耐热性能,可以在200～250℃温度条件下使用;成型性能良好;机械感度比较接近,均低于单质ANPyO,撞击和摩擦感度最小值分别为10%和24%;爆速和破甲性能均高于以PYX基的混合炸药,爆速提高约400m.s-1,破甲深度提高约30mm。     

联唑类含能化合物及其含能离子盐研究进展

联唑类含能化合物及其含能离子盐是近年发展起来的一类新型含能材料,具有高氮含量、高生成焓、高爆轰性能和相对钝感等特性,在新型炸药、低特征信号推进剂、气体发生剂、低烟或无烟烟火等领域有着广泛的应用前景。综述了有关联-1,2,4-三唑、联四唑和5-(1,2,4-三唑)四唑等联唑类含能化合物及其含能离子盐的最新合成研究成果,并对部分化合物的物化性能进行了阐述。认为下一步的工作重点为研究富氮阳离子的引入对联唑类含能化合物感度和爆轰性能的影响,合成出综合性能更好的联唑类含能化合物。设计了9种新型联唑类含能化合物,并利用量子化学方法对其性能进行预估。