环张力调控的自燃离子液体设计合成及高能推进剂应用

Hypergolic ionic liquids as green propellants have become the emerging topic of aerospace power. Currently, hypergolic ionic liquids show good properties in terms of stabilities and ignition. However, focused on energetic properties, hypergolic ionic liquids are relatively weak. Due to the energy density problem, the project is proposed to utilize the ring strains (including angle strain and conformational strain) for the ionic liquid preparation. The target ionic liquids designed with strain rings (including anions and cations), are characterized by property measurements and molecular valence-bond analyses. With the relationship of structures and properties, hypergolic ionic liquids can achieve the balance of high energy and stability. By using high-speed imaging technologies, in-situ spectroscopies, and molecular simulations, the effects of ionic liquid structures on the ignition under the oxidizing conditions are analyzed, and the mechanism of hypergolic reactions for ionic liquids with ring strains is revealed. The project will provide the theoretical foundation for energetic and green propellants, and support the space launch missions with the higher requirements.

自燃离子液体作为新型绿色推进剂，成为航天动力研究的新方向。目前，在稳定性和点火性能方面，自燃离子液体显示了优良性能，但是在核心的能量密度方面，自燃离子液体还存在明显不足。针对能量密度问题，本项目拟以环张力（包括角张力和扭转张力）为基础，设计合成阴、阳离子均具有张力结构的新型离子液体，对所得离子液体通过宏观物化性质表征和分子价键分析，利用结构-性质调节规律，实现自燃离子液体能量-稳定性的有机统一；通过超高速影像技术和原位光谱手段，并借助分子动力学模拟，解析氧化氛围下离子液体结构（包括阴离子和阳离子）对点火性能的影响，揭示环张力离子液体自燃点火反应的机理，为发展新型高能、绿色推进剂提供理论基础，同时支撑更高要求的航天发射任务。

自燃离子液体作为新型绿色推进剂，成为航天动力研究的新方向。目前，在稳定性和点火性能方面，自燃离子液体显示了优良性能，但是在核心的能量密度方面，自燃离子液体还存在明显不足。针对能量密度问题，本项目以环张力为基础，设计合成阴、阳离子均具有张力结构的新型离子液体，主要的创新性成果如下：（1）分别以环丙基环丁烷和联环丁烷为母体设计了多种甲基取代基衍生物，系统研究了取代基数量和位置对环丙基环丁烷衍生物和联环丁烷衍生物的影响规律。研究表明甲基取代基的位置对环丙基环丁烷的生成焓和比冲具有同样的影响规律，比冲的大小取决于生成焓。此外还对联环丁烷的构型进行模拟与计算并对其合成进行了深入的探索。（2）设计合成了12种具有较高的能量的N-单张力环咪唑类自燃离子液体，生成焓为0.8-1.9 kJ∙g-1，比冲为157.4-171.9 s。1-甲基环丙基-3-甲基咪唑二氰胺盐能量最高，生成焓达1.9 kJ∙g-1，比冲可达171.9 s。Guassian计算结果表明，1-甲基环丙基-3-甲基咪唑二氰铵盐比无张力环结构1-丁基-3-甲基咪唑二氰胺盐生成焓明显提高，验证了张力环结构的加入能够显著提高自燃离子液体能量。（3）设计合成了5种N, N'-双张力环咪唑类自燃离子液体，实现了离子液体能量进一步提高。5种自燃离子液体生成焓为1.5-2.0 kJ∙g-1，比冲为166.6-173.9 s，其能量较单张力环自燃离子液体大幅提高。其中，1,3-二甲基环丙基咪唑二氰胺盐生成焓最高为2.0 kJ∙g-1，比冲可达173.9 s。在阴离子相同的情况下，1,3-二甲基环丙基咪唑类离子液体比无张力环结构1,3-二丁基咪唑类离子液体的生成焓实现了大幅提高。（4）设计合成了多三元环季铵自燃离子液体，均能与发烟硝酸发生自燃现象，氰基硼氢类离子液体同相应的二氰胺类离子液体相比，具有更短的点火延迟时间。张力环结构的引入可提高离子液体生成焓，三元环结构紧凑的堆积可提高离子液体密度，从而张力环基自燃离子液体表现出更高的密度比冲。