新型“类石墨烯”单质炸药的构筑及能量与安全性能研究

Insensitive high explosives (IHEs) have been an unremitting pursue goal of world military powers. Up to now, the only IHE material approved by United States Department of Energy is 2,4,6-trinitrobenzene-1,3,5-triamine (TATB). Based on the extensive knowledge that the insensitiveness of TATB is caused by its inherent graphene-analogous layered structure, this project aims to develop new graphene-analogous IHEs materials by virtue of a new strategy of energetic supramolecular synthons. In this strategy, we will first identify and extract the intermolecular interactions (namely supramolecular synthon) of the present existing high explosives with layered structures, and then will try to design and synthesize a series of new high explosives with graphene-analogous layered structure through reasonable combination of high-enthalpy molecular skeleton and explosive group. Further studies on their energy, safety and stability properties will be emphasized to search for new IHEs materials with higher energy than TATB and high safety comparable to TATB. The successful implementation of this project can enrich and refine the supramolecular synthon design strategy of developing high-performing single-compound explosives, which will thereby provide theoretical and experimental basis for the development of new IHEs materials.

钝感高能炸药（Insensitive High Explosive，IHEs）一直是世界各军事强国不懈追求的目标，目前唯一被美国能源部批准并被广泛使用的IHEs只有三氨基三硝基苯（TATB）。在深刻认识TATB钝感特性是来源于其特殊“类石墨烯”层状堆积结构的基础上，本项目创新性地提出用含能超分子合成子的思路来构建新型“类石墨烯”的IHEs材料。首先通过分析和识别现有的十几种层状堆积单质炸药分子间相互作用（即超分子合成子），经过与高生成焓富氮杂环骨架和致爆基团的合理组合，从分子水平和晶体堆积两个层面出发设计和合成新型“类石墨烯”层状堆积结构的单质炸药分子，并开展其能量与安全性研究，最终获得能量超过TATB、感度与TATB相当的新型IHEs材料。本项目的顺利开展将极大地丰富和完善基于含能超分子合成子的新型单质炸药合成策略，对当前新型IHEs材料的发展具有重要意义。

能量与安全是炸药领域两个重要的性能指标，但是通常情况下，炸药的能量和安全性是一对负相关指标，即炸药能量（如爆速、爆压等）升高的同时，其安全性（如机械感度等）会降低。然而 “类石墨烯”层状晶体结构的单质炸药通常展现出良好的安全性能平衡，因此设计合成具有“类石墨烯”层状晶体结构的新型单质炸药认为是发展低感高能炸药的一种有效途径。本项目主要围绕新型“类石墨烯”单质炸药的设计、合成及能量与安全性能研究等方面开展工作。本项目系统揭示了“类石墨烯”单质炸药的自组装机理，明确提出了“点-线-面”逐渐自组装过程，并发展了基于“超分子合成子配对”、“共平面构型搜索”和“机器学习自动分类”等设计理论与方法。运用这些方法，我们也成功合成制备了代号为ICM-102、HGI-1、DANAP和ICM-104的四种“类石墨烯”单质炸药分子，其中ICM-102的计算的爆轰性能优于TATB，而机械感度和静电感度与TATB相当。总之，本项目研究形成了较为系统的“类石墨烯”单质炸药设计理论与方法，为接下来新型“类石墨烯”单质炸药的研制提供重要理论支撑。