含能材料理论设计中的几个问题（英）

理论方法在新型含能材料的设计和研发中起到非常重要的作用。本研究介绍了含能材料理论设计中所遇到的问题,如从微观上估算含能化合物的密度、生成热、稳定性及爆轰性能等。并讨论了含能聚合物界观参数的计算方法:1) 基于优化的分子结构,求得含能金属配合物分子周围的电子云包覆体积,然后由公式求得包覆密度作为其晶体密度近似值; 2) 含能化合物的生成热根据原子化方案,进行数值计算; 3) 以五种小分子氮氢化合物和六种四嗪化合物的热分解机理为例,阐述采用将从头算分子动力学(ab initio MD)和从头算分子轨道理论(ab intio MO)结合起来研究含能化合物热分解机理的可靠性; 4) 含能材料的爆轰性能, 基于各个元素的Lennard-Jones势参数等,由反应物及产物的VLW状态方程,进行数值求解; 5) 采用DPD方法可用于研究含能聚合物的界面性质。上述性能的计算可为新型含能材料的探寻提供有价值的信息。      

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。     

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。     

高能量密度材料分子设计--基于量子化学计算爆速和爆压

基于量子化学方法全优化分子几何构型,求得分子平均摩尔体积(V)和化合物的理论密度(ρ)以及生成热(△Hf),进而可按Kamlet方程估算炸药的爆速(D)和爆压(p).以氮杂环和有机笼状化合物为例,证实了该理论方法的可靠性.发现随环增大和羰基的引入,氮杂环类的ρ、D和p值增加.对于系列多硝基金刚烷,含相等硝基数(n)的同分异构体的ρ、D和P值相差不大;随硝基数n的增加,其ρ、D和p明显增大;当n≥7时,可能成为高能量密度化合物.     

高能量密度材料分子设计——基于量子化学计算爆速和爆压

基于量子化学方法全优化分子几何构型，求得分子平均摩尔体积(V^-)和化合物的理论密度(ρ)以及生成热(△Hf)，进而可按Kamlet方程估算炸药的爆速(D)和爆压(p)。以氮杂环和有机笼状化合物为例，证实了该理论方法的可靠性。发现随环增大和羰基的引入，氮杂环类的ρ、D和p值增加。对于系列多硝基金刚烷，含相等硝基数(n)的同分异构体的ρ、D和P值相差不大；随硝基数n的增加，其ρ、D和p明显增大；当n≥7时，可能成为高能量密度化合物。     

对称的吡嗪并环脲硝基衍生物结构和性能的量子化学研究（英）

运用密度泛函理论DFT-B3LYP/6-31G**方法得到了对称的吡嗪并环脲硝基衍生物的分子几何构型和电子结构。用量子化学方法计算了理论密度和生成热,用Kamlet-Jacobs方程计算了爆速和爆压,对这些硝基衍生物的结构-性能关系进行了研究。结果表明,分子中硝基的数量、位置、环境和分子结构的对称性是影响对称吡嗪并环脲硝基衍生物热稳定性和爆轰性能的一些主要因素。1,3,5,7-四硝基-5,7-二氢二咪唑[4,5-b:4',5'-e]吡嗪-2,6(1H,3H)-二酮的理论密度为2.03 g·cm-3,生成热为265.63 k J·mol-1,爆速为9.08 km·s-1,爆压为39.22 GPa。1,3,5,7-四硝基-2,6-二氧杂-1,2,3,5,6,7-六氢二咪唑[4,5-b:4',5'-e]吡嗪-4-氧化物的结构是不稳定的。这些计算结果为新型高能量密度材料的设计和合成提供了基础研究数据。     

主编寄语

正新型含能材料的设计与合成是含能材料研究创新的源头,而合成兼具高能量和低感度的含能材料仍是该领域长期追求的目标。在过去的201 9年里,全世界的含能材料科学家们围绕新型含能材料的分子设计与合成、新概念含能材料(全氮五唑含能材料、分子钙钛矿含能材料、自组装含能材料等)、含能共晶材料、含能有机框架材料、聚合氮和金属氮等诸多热点领域进行了大量的研究工作,取得了显著的创新成果。总体上来看,含能材料合成科学正从传统的"经验指导实验"逐渐向"理论预测-实验验证"的材料研发新模式转     

对称的吡嗪并环脲硝基衍生物结构和性能的量子化学研究(英文)

运用密度泛函理论DFT-B3LYP/6-31G**方法得到了对称的吡嗪并环脲硝基衍生物的分子几何构型和电子结构。用量子化学方法计算了理论密度和生成热,用Kamlet-Jacobs方程计算了爆速和爆压,对这些硝基衍生物的结构-性能关系进行了研究。结果表明,分子中硝基的数量、位置、环境和分子结构的对称性是影响对称吡嗪并环脲硝基衍生物热稳定性和爆轰性能的一些主要因素。1,3,5,7-四硝基-5,7-二氢二咪唑[4,5-b:4',5'-e]吡嗪-2,6(1H,3H)-二酮的理论密度为2.03 g·cm-3,生成热为265.63 k J·mol-1,爆速为9.08 km·s-1,爆压为39.22 GPa。1,3,5,7-四硝基-2,6-二氧杂-1,2,3,5,6,7-六氢二咪唑[4,5-b:4',5'-e]吡嗪-4-氧化物的结构是不稳定的。这些计算结果为新型高能量密度材料的设计和合成提供了基础研究数据。     

硝基脲类含能材料的合成及性能研究进展

系统综述了国内外关于硝基脲类含能材料的合成和性能研究进展。重点介绍了硝基五元环脲类尤其是甘脲类含能材料的合成与性能。认为,硝基脲类含能材料具有较好的热稳定性、较高的密度和能量水平,但双硝基脲类化合物的水解稳定性差限制了其应用。指出,甘脲类含能材料和七、八元环硝基脲类含能材料研究相对较少。可考虑设计良好的氮杂环骨架分子,骨架分子中引入硝仿基(—C(NO2)3)、硝基(—NO2)、氨基(—NH2)和硝氨基(N—NO2)等含能基团来合成新型化合物,以提高硝基脲类化合物的实际应用价值。提出了设计与合成新型硝基脲类含能材料的研究方向,附参考文献52篇。     

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。     

两种多硝基偶氮苯类含能化合物的合成及其性能

为了研制新型耐热含能材料,合成了2,2′,4,4′,6,6′六氯3,3′,5,5′四硝基偶氮苯(HCTNAB)和4,4′二氯2,2′,3,3′,5,5′六硝基6,6′二甲氧基偶氮苯(DCHNDOCAB)两种新型的多硝偶氮苯化合物,通过元素分析、FTIR、X射线单晶衍射等表征了合成产物结构,应用DSC和TG DTG研究了其热稳定性,其中HCTNAB分解温度为266.8℃,DCHNDOCAB分解温度为269℃。基于Gaussian09程序、在6311++G^**基组水平上用B3LYP法对DCHNDOCAB分子结构进行优化和性能预估。研究发现:HCTNAB的是一种重要的含氯含能中间体;计算得DCHNDOCAB的爆速达到7117m s^-1,爆压为21.0GPa,有望成为一种新型的偶氮类耐热炸药。     

5-氨基四唑硝仿盐的理论计算

采用量子化学方法研究了5-氨基四唑硝仿盐的结构和性能,计算了5-氨基四唑硝仿盐的密度、生成热、爆速、爆压等,其预测密度为1.93 g·cm-3,估算爆速和爆压分别为9.47 km·s-1和38.82 GPa,爆轰性能高于TNT, RDX和HMX。      

环脲硝胺类含能化合物的合成及性能研究进展

综述了环脲硝胺系列含能化合物的合成研究现状,指出该类化合物的合成方法主要有两种,即脲缩合-硝化法和小分子缩合-硝化法;与其他含能化合物相比,N-二硝基取代的环脲硝胺类化合物密度大,爆速高,水解稳定性差,初步讨论了形成这些特点的原因,揭示了这类化合物在含能材料领域具有不可忽视的作用与地位。     

含能材料燃烧转爆轰研究进展

介绍了国内外在含能材料燃烧转爆轰(DDT)的研究方法、影响因素、机理成因等方面的主要研究成果,目前,DDT的研究方法主要有实验和数值模拟;DDT的影响因素主要有装填密度、约束条件、点火方法和强度、材料自身的物理化学特性等,DDT机理研究主要有"冲击波成长说"和"局部热爆炸说"。今后,应结合新型高能火炸药的安全性研究,开展其DDT规律研究,在DDT数值模拟方面,应建立全面考虑含能材料反应引起的边界问题、含能材料理化特性、几何效应等的三维数学模型。     

含能材料感度判别理论研究——从分子、晶体到复合材料

近30多年来,通过量子化学计算和分子动力学模拟,国内外已提出过许多关于含能材料撞击感度的微观理论判据。本文主要介绍我们研究小组从高能分子、高能晶体到高能复合材料的热解机理和感度判别的相关工作,其中关于高能晶体和复合材料的感度判别的一些结果和判据是首次报道。     

溶胶-凝胶法制备纳米含能复合材料的研究进展

本文综述了溶胶-凝胶法制备纳米含能复合材料的研究进展.详细介绍了制备纳米含能复合材料的四种途径,包括含能成分复合、溶液结晶法、粉末添加法、含能骨架合成.还阐述了这些纳米含能复合材料的热分解性能、晶体结构特征、机械性能、燃烧性能和爆轰性能等主要性能以及应用前景.     

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.