高氮含能化合物的分子設(shè)計與性能預(yù)測.pdf

1、高氮含能化合物作為新一代高能量密度材料(HEDM)，具有許多潛在的應(yīng)用，如氣體發(fā)生劑、推進劑、無煙煙火燃料和高能鈍感炸藥等。近年來，高氮含能化合物已成為研究熱點，主要歸因于它們的高密度、高正生成熱、高爆轟性能和良好的熱穩(wěn)定性。從理論上研究它們結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，對高能量密度化合物(HEDC)的分子設(shè)計有重要意義。
　　本論文運用密度泛函理論方法(DFT)，對不同類型多系列高氮含能化合物的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、生成熱、密度、熱穩(wěn)定性和爆

2、轟性能等進行計算研究;運用高級理論方法Gn和CBS-n對57種含氮分子（包括含氮甲基取代分子、氨基取代分子和雜環(huán)分子）的生成熱進行預(yù)測;根據(jù)能量和穩(wěn)定性相結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)，篩選出潛在的HEDC候選物。其主要內(nèi)容包括三部分:
　　1.通過原子化反應(yīng)法，運用Hartree-Fock(HF)、DFT、高級理論方法Gn(G2、G2(MP2)、G3)和CBS-n(CBS-4M、CBS-Q、CBS-QB3)對57種含氮分子生成熱進行了研究。除CBS

3、-4M方法外，其它高級理論方法計算的生成熱與實驗值基本吻合。6種高級理論方法適合用來預(yù)測標(biāo)題化合物的生成熱，其中G2方法具有最高的計算精確度。CBS-Q方法比G2或G2(MP2)方法更加適合預(yù)測那些含-NO2基化合物的生成熱，其結(jié)果更加接近實驗值，但含-NH2、-NH-或-CN基化合物的情況卻相反。6種高級理論方法似乎更加適合用來預(yù)測芳香族含氮化合物的生成熱。CBS-Q或G2(MP2)方法在預(yù)測標(biāo)題化合物的生成熱方面表現(xiàn)出計算效率高以及

4、精度高的優(yōu)點，使其成為預(yù)測該類化合物生成熱的最佳選擇。
　　2.運用HF、MP2、DFT和半經(jīng)驗方法，計算研究了系列單環(huán)1，2，4，5-四嗪衍生物的生成熱、熱穩(wěn)定性和爆轟性能。首先，通過設(shè)計等鍵反應(yīng)，運用不同方法計算了5種1，2，4，5-四嗪衍生物的生成熱，通過與實驗生成熱比較來考察不同方法計算結(jié)果的可靠性。其次，在6-311G**基組水平上，運用DFT-B3P86方法預(yù)測了17種1，2,4，5-四嗪衍生物的生成熱。然后，基于鍵離

5、解能的計算結(jié)果，比較和判定1，2，4，5-四嗪衍生物的熱穩(wěn)定性。最后，結(jié)合生成熱和分子體積的計算結(jié)果預(yù)測了它們的爆速和爆壓?？紤]鍵離解能和爆轟性能得出，3種1，2，4，5-四嗪衍生物可作為潛在的HEDC候選物。
　　3.對新型高氮含能化合物(偶氮-1，2,4，5-四嗪類、稠環(huán)1，2，4，5-四嗪類(TETZ和TTZ)、偶氮-三唑類、雙環(huán)四唑基三唑類(ATT)和氮橋連（1，2，4，5-四嗪、呋咱、1H-四唑）多雜環(huán)類衍生物）的生成熱

6、、熱穩(wěn)定性和爆轟性能進行了理論研究。首先，通過設(shè)計的等鍵反應(yīng)預(yù)測標(biāo)題化合物的生成熱。然后，利用鍵離解能的計算結(jié)果比較和判定標(biāo)題化合物的熱穩(wěn)定性。最后，在計算的生成熱和密度基礎(chǔ)上預(yù)測它們的爆速和爆壓。綜合爆轟性能和熱穩(wěn)定性得出，3種偶氮-1，2，4，5-四嗪、4種TTZ、3種C，C'-偶氮-三唑、5種N，N'-偶氮-三唑、7種ATT衍生物和6種氮橋連多雜環(huán)類化合物可作為潛在的HEDC候選物。
　　總之，本論文通過理論方法系統(tǒng)地研究了