新型高能量密度材料DNTF的热分解特性

通过DSC、TG研究了DNTF及DNTF与催化剂体系的热分解,分析了不同压力条件下DNTF的分解特性及分解规律。结果表明,在压力升高时,DNTF的熔融吸热峰温几乎不变,但其主要放热分解峰温在2MPa以后向高温方向移动,分解反应变得较为剧烈,与常压相比,分解放热明显增加,且随着压力增加,主分解峰后的二次分解渐渐明显。在压力作用下,分解气相产物加强了对凝聚相产物的催化作用,出现了二次分解。计算了分解过程的动力学参数,DNTF在常压与2MPa压力下分解动力学参数变化很大,常压下Ea=58．8kJ／mol,1nA=1．08s^-1;2MPa下Ea=205．1kJ／mol,1nA=33．64s^-1;说明高压下的分解规律发生了变化。讨论了压力及催化剂对DNTF热分解过程的影响。     

两种密度DNTF装药的驱动性能及其产物状态方程

为研究装药密度对3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)驱动性能的影响,采用不同的凝固工艺制备了两种密度的DNTF装药试样,并开展了Φ25mm圆筒试验,获得了圆筒壁膨胀位移与时间的关系,计算了爆轰产物在特定相对比容下的比动能及装药的格尼系数,并依据圆筒试验数据拟合了两种装药密度下DNTF爆炸产物的JWL状态方程。结果表明,常温常压凝固工艺条件下,DNTF装药密度仅为1.58g/cm³;在80℃、0.6MPa工艺条件下,装药密度升至1.80g/cm³,较常温常压下提高了13.9%;在装药密度为1.58g/cm³下,DNTF的格尼系数为2.97mm/μs,爆轰产物相对比容为7.0时的比动能为1.471kJ/g;在装药密度为1.80g/cm³下,DNTF的格尼系数增至3.03mm/μs,爆轰产物比动能增至1.716kJ/g,分别较常温常压下提高了2%和16.7%。表明DNTF装药密度的提升不仅能够显著提升单位体积装药的驱动性能,也有利于单位质量装药驱动性能的进一步增强。     

DNTF-CMDB推进剂的燃烧机理（英文）

采用燃烧火焰单幅照相技术、微热电偶测温和扫描电镜-能谱仪研究了DNTF-CMDB推进剂的火焰结构、燃烧波温度分布、熄火表面形貌及元素分布。结果表明,含10%DNTF改性双基推进剂的火焰结构为预混火焰,其燃烧波结构与双基推进剂类似。含50%DNTF改性双基推进剂的火焰结构为扩散火焰,其燃烧波结构与AP-HTPB复合推进剂类似。燃烧表面炭物质的减少是推进剂压强指数升高的主要原因。     

3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱的晶体结构

从丙酮-水混合溶剂中培养得到了3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)单晶,用X-射线单晶分析、元素分析以及红外光谱分析对DNTF的分子结构进行了表征。结果表明,DNTF的分子式为C6NO8,分子量为312．14,晶体属于正交晶系,P222空间群;晶体学参数如下：a=1．0746(7)nm,b=1．5099(10)nm,c=0．6596(4)nm;V=1．0702(1)nm^3;Z=4;Dc=1．937g／cm^3;μ=0．182mm^-1;F(000)=624。最终的偏差因子R1=0．038。     

DNTF-CMDB推进剂的力学性能

采用单轴抗拉实验研究了添加3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)的改性双基推进剂的力学性能,获得了不同温度下(-40℃、20℃和50℃)DF系列推进剂的抗拉强度和断裂延伸率;用动态热机械方法获得的低温黏弹系数Cg1和Cg2,计算了DF系列推进剂的低温脆化参数。结果表明,DNTF对NC有一定的增塑作用,并能降低低温脆化参数、提高韧性。高低温和常温下断裂延伸率与组合量G(m(NG)∶m(NC)和m(DNTF)∶m(NC)的组合量)之间存在相关性,当DNTF的质量分数为20%时3个温度段的断裂延伸率和低温抗拉强度都达到最大值,而低温脆化参数有最低值。常温和高温的抗拉强度主要取决于NC与NG的质量比。DF系列推进剂的低温脆化参数与低温抗拉强度有关。     

花球形DNTF的制备和性能表征

为提高3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)的机械安全性,采用溶剂-非溶剂法对原料DNTF进行形貌调控并进行性能表征;通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线粉末衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、差示扫描量热仪(DSC)和BAM感度测试仪对DNTF的形貌、结构、热分解性能和安全性能进行了研究。结果表明,在非溶剂温度为20℃、搅拌速率为300r/min、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)质量浓度为2.5～3.5g/L时得到形貌规整、粒径分布均匀的花球形P-DNTF,其表观活化能相比于原料DNTF提高约28kJ/mol,热稳定性有所提高;P-DNTF的撞击能量和摩擦能量较原料DNTF分别提高2.5J和88N,表明经形貌调控后的花球形P-DNTF的机械感度降低,安全性能提高。     

3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱炸药的安全贮存寿命预估研究

采用安定性试验标准物质黑索今验证了通过动态真空安定性试验(DVST)设备准确测定分解气体的压力来研究火炸药分解的可行性,并采用DVST装置,借鉴火药的热加速老化寿命评估方法研究了3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)炸药的安全贮存寿命.结果显示,5.0g真空安定性标准物质黑索今100℃加热48h后的DVST放气量为0.292 mL,处于真空安定性试验的误差范围内((0.24±0.07)mL).热加速老化试验推测DNTF炸药在40℃下的安全贮存寿命为85a,25℃下安全贮存寿命为838a.     

3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)的密度泛函理论研究

运用密度泛函理论（DFT）B3LYP／631＋G（d）方法对3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱进行了结构优化,得到其稳定构型。通过对其优化构型及自然原子电荷分析,证明014原子对DNTF的结构和性质的影响最大。IR振动光谱和NMR化学位移的计算值和理论值吻合得较好。化合物前线轨道组成分析表明,最高占据轨道（HOMO）主要由C（7）5,C（2js,C（3）s,C（6）s,C（6）p,0（14）p和C（2）p构成,最低未占据轨道（LUMO）主要由C（7）s,C（16）s,C（7）p和N（11）p构成。     

DNTF-CMDB推进剂的化学安定性

采用甲基紫法和维也里法研究了DNTF含量、NC与NG的质量比、增塑剂和安定剂的种类及其含量对DNTF-CMDB推进剂化学安定性的影响。结果表明,随着DNTF含量的增加,推进剂的维也里变色时间缩短,甲基紫变色时间增加。NC与NG的质量比对推进剂的化学安定性影响较小。用三乙二醇二硝酸酯(TEGDN)替代增塑剂NG有利于增加推进剂的化学安定性。在N,N′-二甲基-N,N′-二苯脲(C2)、2-硝基二苯胺(2-NDPA)、N-甲基-4-硝基苯胺(MNA)3种安定剂中含C2推进剂的维也里变色时间最长,含MNA推进剂的甲基紫变色时间最长。     

DNTF-CMDB推进剂燃烧性能的调节

为了降低DNTF-CMDB推进剂的压强指数,研究了催化剂、NC与NG配比、增塑剂及内弹道稳定剂对其燃烧性能的影响.结果表明,芳香类铅盐与脂肪类铜盐复配能显著降低DNTF-CMDB推进剂的压强指数;降低配方中NG的含量可降低推进剂的压强指数;与NG相比,用TEGEN作增塑剂时推进剂具有更小的压强指数;与三氧化二铝相比,氧化镁作为内弹道稳定剂时降低推进剂的压强指数效果更好.     

DNTF及其低共熔物对PBX可压性的影响

研究了二硝基呋咱基氧化呋咱（DNTF）、TNT、三硝基氮杂环丁烷（TNAZ）及其DNTF—TNT和DNTFTNAZ低共熔物作为添加剂,对压装PBX炸药可压性的影响。结果表明,低熔点单质炸药及其低共熔物混合物添加剂能够提高PBX的可压性;在DNTF、TNT、TNAZ3种炸药中,熔点越低,作为添加剂对PBX的可压性提高得越多;低共熔物混合物添加剂对PBX可压性的影响不仅与其熔点有关,而且与构成低共熔物混合物炸药的品种有关,其中DNTF与TNAZ形成的低共熔混合物比DNTF与TNT形成的低共熔混合物能够更好地改善PBX的压制成型性;作为增塑添加剂,适宜的质量分数为2％～3％。     

苦基呋咱醚化合物的合成及表征

为了得到综合性能优良的高能量密度材料,通过将羟基硝基呋咱转化为相应的醇钠盐,分别与苦基氯（PcCl）和2,4-二氯-1,3,5-三硝基苯（DCPc）缩合得到苦基-（3-硝基呋咱基-4）醚（FOP）和双（3-硝基呋咱基-4）苦基醚（DFOP）,采用红外光谱、核磁共振、质谱及元素分析方法对其结构进行了表征。确定了最佳合成条件,FOP合成条件为：PcCl与硝基呋咱醇钠的摩尔比1．0：1．1,反应温度80℃,反应时间16h,以原料PcCl计产品收率达到31％以上;DFOP合成条件为：DCPc与硝基呋咱醇钠的摩尔比1．0：2．7,反应温度80℃,反应时间2h,以原料DCPc计产品收率达到42％以上。     

7H-三呋咱并[3,4-b∶3',4'-f∶3",4"-d]氮杂环庚三烯及新型含能衍生物合成及性能的理论计算

以3,4-双(3'-硝基呋咱-4'-基)氧化呋咱(DNTF)为原料,经亲核取代、环化、还原反应得到7H-三呋咱并[3,4-b:3',4'-f:3″,4″-d]氮杂环庚三烯(HTFAZ);利用HTFAZ的反应活性,自主设计合成了两种新型含能化合物7-(2,4,6-三硝基苯基)-三呋咱并[3,4-b:3',4'-f:3″,4″-d]氮杂环庚三烯(化合物1)和7-(2,4,6-三硝基-3,5-二氨基苯基)-三呋咱并[3,4-b:3',4'-f:3″,4″-d]氮杂环庚三烯(化合物2),并采用红外、核磁(1H NMR、13C NMR)、元素分析等进行了结构表征;采用DSC方法研究了化合物1和化合物2的热性能;采用Kamlet-Jacobs方程预估了两种化合物的爆轰性能。结果表明,改进HTFAZ的合成路线后,HTFAZ的收率达到63. 2%;化合物1和化合物2的热分解温度分别为371. 7℃和296. 3℃,表现出良好的热稳定性;化合物1的密度为1. 90 g/cm~3,理论爆速为8033 m/s,理论爆压为30. 11 GPa,其爆轰性能优于TNT,密度和热稳定性高于TNT和RDX。     

3,4-二氨基呋咱基氧化呋咱合成的反应动力学模型

以3-氨基-4-酰胺肟基呋咱为原料合成了3,4-二氨基呋咱基氧化呋咱,考察了反应体系中反应物浓度、温度和反应时间对反应速率的影响。通过ChemCAD速率回归计算程序对实验数据进行回归计算,并将速率方程进行线性化处理,得到反应级数、反应活化能和频率因子,建立了3,4-二氨基呋咱基氧化呋咱合成反应的动力学模型,计算值与实验值的相对误差均小于1%,说明动力学方程及动力学参数与3,4-二氨基呋咱基氧化呋咱的反应动力学行为相吻合。从反应动力学模型得出,降低反应温度、提高起始原料AAOF浓度、降低硫酸浓度、采用分批加入硫酸的间歇操作方式都可抑制副反应的发生,提高目标产物的转化速率和选择性。     

3,4-双(3-氯偕二硝基呋咱-4-氧基)呋咱的合成及晶体结构研究

以3,4-双(3-氰基呋咱-4-氧基)呋咱为原料,经氰基加成、重氮化和硝化3步反应合成了标题化合物,产率24.0%,并采用红外光谱、核磁共振和元素分析等方法进行了结构表征。初步探讨了反应温度以及N2O5用量对标题化合物收率的影响,确定了较优反应条件。首次培养了标题化合物单晶,X-射线单晶衍射分析结果表明:其晶体结构属单斜晶系,空间群为P2(1)/c,a=1.534 5(4)nm,b=0.630 34(15)nm,c=1.967 7(5)nm,β=110.297(4)°,V=1.785 1(8)nm3,Z=4,Dc=1.917 g/cm3,μ=0.463 mm-1,F(000)=1 024,R1=0.053 0,wR2=0.161 8。     

3，4-二硝基呋咱基氧化呋咱在N-甲基-2-吡咯烷酮和二甲基亚砜中的溶解行为

在常压、298.15K条件下,用RD496-2000微热量仪分别测量3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)在N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和二甲基亚砜(DMSO)中的溶解焓,得到DNTF在不同溶剂中的微分溶解热和积分溶解热,建立了热量与溶质的量之间的关系式.对于DNTF,在NMP中描述溶解过程的动力学方程为dα/dt=10~(-3.81)(1-α)~(1.19);在DMSO中,描述溶解过程的动力学方程为dα/dt=10~(-3.91)(1-α)~(0.88.)     

3,3’-二硝基-4,4’-偶氮氧化呋咱的合成及性能

以丙二酸单酰肼单钾盐为原材料,经硝化和哑硝化反应“一锅法”合成了4-氨基-3-叠氮羰基氧化呋咱(AN-FO),然后通过ANFO合成出3,3 ’-二氨基-4,4’-偶氮氧化呋咱(DAAFO),DAAFO在双氧水/浓硫酸溶液中氧化为DNAFO.用元素分析、IR、MS和DSC-TG对其结构进行了表征.结果表明,丙二酸单肼单钾...     

3,3′-二硝基氧化偶氮呋咱的合成及性能

以3，4－二氨基呋咱为起始原料合成无氢含能化合物3，3′－二硝基氧化偶氮呋咱（DNOAF），利用IR、NMR、MS和元素分析鉴定了其结构。通过计算得出，DNOAF的标准生成焓为640kJ/mol，爆速D＝9390m/s，爆压Pcj＝40．5GPa。按照以20％DNOAF取代NEPE推进剂中的HMX计算，复合推进剂的比冲为269．2s^－1（以HNIW取代则为268．7s^－1）。     

二硝基芳杂环并哒嗪化合物结构和性能的理论计算

设计了3种二硝基芳杂环并哒嗪化合物:4,7-二硝基呋咱并[3,4-d]哒嗪(DNFP)、4,7-二硝基氧化呋咱并[3,4-d]哒嗪(DNFOP)和5,8-二硝基哒嗪并[4,5-e][1,2,3,4]-四嗪1,3-二氧化物(DNPTDO)。采用密度泛函理论的B3LYP方法在6-31G**基组水平上对3种化合物的构型进行了全优化,计算了Wiberg键级、键离解能(BDE)和静电势参数、理论密度和固相生成焓,用Kamlet-Jacobs公式和最小自由能法计算了爆速、爆压和能量特性。结果表明,DNFP的键离解能为216.13kJ/mol,密度为1.903g/cm3,爆速为8 811m/s,爆压为36.27GPa,未达到高能量密度化合物的标准;DNFOP和DNPTDO的键离解能分别为80.37和208.59kJ/mol,密度分别为1.939和1.942g/cm3,爆速分别为9 151和9 235m/s,爆压分别为39.54和40.30GPa。DNFP、DNFOP和DNPTDO的理论比冲分别比RDX高97.6、120.6和140.6N·s/kg。     

3-氨基-4-(叔丁基氧化偶氮基)呋咱的合成与表征

以3,4-二氨基呋咱(DAF)为起始原料,苯为反应介质,经Caro’s酸氧化得到3-氨基-4-亚硝基呋咱,然后与N,N-二溴-叔丁基胺缩合得到标题化合物,总收率37.6%,并采用红外光谱、核磁共振、元素分析及质谱等进行了结构表征。优化了反应条件,确定适宜的反应条件为:氯化亚铜作为催化剂,反应时间16 h,温度15～25℃,收率73.5%。