富氮含能化合物的密度与氧平衡提升技术

Energetic materials are known for storing large amounts of the chemical energy that can be rapidly transformed into heat upon external perturbation,which contributed greatly not only to military applications, but also to the solution of many civilian engineering problems whose aim is to expedite laborious processes. Nitrogen-rich compounds have been of particular interest for the development of novel high energy density materials with fast energy release in recent years. As an effort to develop more powerful energetic compounds, nitro, Nitroimino, nitro-NNO-azoxy, as well as germinal dinitromethyl groups, are selected to introduced on nitrogen-rich backbones to further enhance density and oxygen banlance, the structure-function relationship will be summarized, as a result, novel energetic nitrogen-rich compounds with better properties could be obtained.

含能材料作为一类特殊的精细化工产品，广泛用作火药、炸药、火箭推进剂和烟火技术，在国防和国民经济中有着重要作用。富氮含能化合物是近来含能材料领域的研究热点。本项目拟利用硝基、硝氨基、硝基氧化偶氮基团、偕二硝基等含能基团对富氮杂环骨架进行合理修饰，提高其密度和氧平衡，合成能量水平更高的新型富氮含能化合物，总结含能基团和对富氮杂环骨架对密度、生成热、爆速、爆压、安定性等的影响规律和构效关系，实现对富氮含能化合物的有效性能调控。

多氮含能化合物是近年来发展起来的一种新型含能材料，其中硝基唑类化合物最为引人注目。硝基唑类具有高氮含量、高密度、高氧平衡、高生成热，爆轰性能优异，分解产物环境友好等优点，含能MOFs具有高密度、高爆热、机械感度低（较钝感）、爆炸分解产物环境友好等优点，在高能钝感炸药、低特征信号推进剂、气体发生剂等含能材料的各个领域具有潜在的应用前景。本项目主要通过以下手段研究了含能化合物的密度和氧平衡提升技术，取得了以下结果。.1. 以氨基唑类为底物，选用过硫酸氢钾（Oxone）为氧化剂，水为反应溶剂，可高产率的得到3,4,5-三硝基吡唑和5-氨基-3-硝基-1,2,4-三唑等硝基唑类化合物。该方法操作简单、反应温和、绿色无污染，底物适用范围广;.2. 将偕二硝基引入5-硝基四唑、3-硝基-1,2,4-三唑和3-硝基吡唑的唑环N原子上，得到一系列新型N-偕二硝基唑类化合物及其含能盐。N-偕二硝基的引入使硝基唑类的密度和氧平衡大幅度提高。大部分化合物的密度在1.80 g cm-3以上，N-偕二硝基-5-硝基四唑的实测密度达到了1.97 g cm-3，是目前四唑类CHNO含能材料中的最高密度；由于具有较高的氧平衡，部分化合物的比冲远大于AP和ADN的比冲；由于密度和氧平衡的大大改善，该系列含能化合物爆轰性能优异，爆速在7.98 km s-1-9.23 km s-1之间，爆压在24.8 GPa-38.5 GPa之间；所有含能盐的分解温度都大于其中性分子的分解温度，表明成盐有助于改善N-偕二硝基唑类化合物的热安定性，进一步通过BDE和Mulliken电荷和Wiberg键级的计算证实了此结论；.3. 以阳离子金属含能骨架MOF(Cu)为底物，与二硝酰胺阴离子进行交换，得到骨架孔通道中含有二硝酰胺阴离子的交换产物N(NO2)2－ MOF(Cu)。由于金属骨架对二硝酰胺阴离子形成包覆，使得交换产物的热分解温度达到221℃，是目前分解温度最高的二硝酰胺化合物;.4. 以三维阳离子金属含能骨架材料MOF(Cu)、MOF(Zn)和MOF(CuBF4)为底物，与硝仿根（C(NO2)3－）阴离子进行交换。结果表明，含能金属有机骨架由交换前的三维结构转变为交换后的二维结构 MOF(Zn+atrz){Zn(atrz)2[C(NO2)3]2(H2O)2•(atrz)• 2H2O和MOF(Cu+atrz){Cu(