含DNTN的CMDB推进剂的能量特性的计算及其组分的相容性

根据最小自由能法,采用NASA-CEA软件,计算了含2,3-二羟甲基-2,3-二硝基~(-1),4-丁二醇四硝酸酯(DNTN)的复合改性双基(CMDB)推进剂能量特性。采用差示扫描量热法研究了DNTN和CMDB推进剂组分的相互作用。结果表明,DNTN替代硝化棉(NC)+硝化甘油(NG)/黑索今(RDX)/Al推进剂配方中的RDX,使体系的理论比冲最大,达2666.5 N·s·kg~(-1),特征速度逐渐增大,氧系数逐渐提高。DNTN全部替代NC+NG/高氯酸铵(AP)/Al推进剂配方中的AP,使理论比冲最大,达2669.1 N·s·kg~(-1),燃气平均分子量降低,燃温升高,表明CMDB推进剂体系中的DNTN有良好的应用潜力。DNTN与NC/NG、RDX、奥克托金(HMX)、六硝基六氮杂异戊兹烷(CL-20)、吉纳(DINA)和炭黑(C.B)之间没有明显的相互作用,与邻苯二甲酸铅(φ-Pb)和1,3-二甲基~(-1),3-二苯基脲(C2)之间相互作用明显。     

新型含能化合物3,5-二硝基吡唑-4-硝酸酯的合成与表征

以4-氯吡唑(4-CP)为原料,经过硝硫混酸硝化制得4-氯-3,5-二硝基吡唑(4-CDNP),再以硝酸银为亲核试剂进行亲核取代反应得到一种新型的含能化合物3,5-二硝基吡唑-4-硝酸酯(DNPN),并采用红外光谱、核磁共振、元素分析对产物结构进行了表征,计算了其爆轰性能,考察了硝硫混酸组成、硝化温度对硝化反应的影响,得到较佳的合成条件:硝硫混酸组成为V(98%硝酸):V(98%硫酸)=1∶4,反应温度为100℃,反应时间为5 h,产率为65.1%。4-CDNP与硝酸银的反应很快,在40℃下反应1h产率就可达到35.6%。DNPN的爆速为8.78 km·s~(-1),爆压35.12 GPa,优于TNT。     

两种3,6-二硝基环己烷硝酸酯类含能化合物的合成、单晶及热性能

以乙二醛(40%)和硝基甲烷为起始原料,通过缩合成环、硝化两步反应生成了两种硝酸酯类含能化合物1,4-二羟基-2,5-二硝酸酯-3,6-二硝基环己烷(2)和1,2,4,5-四硝酸酯-3,6-二硝基环己烷(3),总收率分别为7.79%和7.52%,采用红外光谱、核磁共振光谱及元素分析等表征了其结构。培养了化合物2的单晶,对其结构进行了测定,发现化合物2的单晶属于单斜晶体,晶体空间群为P2(1)/n;采用TG-DTG和DSC研究了化合物2和3的热性能,其热分解温度分别为241.1℃和192.0℃;采用密度泛函理论的B3LYP方法对化合物2和3的爆速和爆压进行了预估,分别为9079 m·s-1和37.75 GPa,9616 m·s-1和43.26 GPa。     

新型熔铸炸药5-甲基硝酸酯-1,5-二硝基噁嗪烷：合成、晶体结构与性能

为系统研究氮氧杂六元环含能化合物,以硝基甲烷、叔丁胺与甲醛溶液为起始原料,经缩合环化构建噁嗪环骨架,硝化获得新型熔铸炸药5-甲基硝酸酯-1,5-二硝基噁嗪烷(TNOP),总收率为46.2%。并采用红外光谱、¹H NMR、¹³C NMR及元素分析等进行了结构表征,培养了TNOP单晶,晶体结构为正交晶系,空间群为Pbca,Z=8,晶体密度1.722 g·cm^-3;采用DSC与TG-DTG法研究了TNOP的热行为;其熔点为110.8℃、分解点为203.5℃;研究了TNOP的爆轰与安全性能,其理论爆速8112 m·s^-1、计算爆压29.23 GPa、固相生成焓-346.6 kJ·mol^-1、撞击感度ISTNOP>50 J。研究结果表明,TNOP结构独特,利用N—NO2、C—NO2以及—ONO2等含能基团协同调控其能量,具有合成工艺便捷、能量较高、熔点较低、不敏感的特点,可作为潜在的熔铸炸药应用于武器装备中。     

1,4-二氨基-3,5-二硝基吡唑的合成

以吡唑为原料,经卤化、硝化反应合成出重要前体4-氯-3,5-二硝基吡唑(CDNP),然后胺化得到目标物1,4-二氨基-3,5-二硝基吡唑(DADNP),收率58.0%。采用红外、质谱、核磁及元素分析表征了DADNP的结构。用差示扫描量热法研究了DADNP的热行为。研究了影响胺化和硝化反应的因素。结果表明,较佳的胺化反应条件为:胺化试剂为2,4,6-三甲基苯磺酰羟胺(MSH),室温,n(ADNP-NH~+_4)∶n(MSH)=1∶1.5,反应时间12 h。最佳硝化反应条件为:V(硫酸)∶V(硝酸)=2∶1,反应温度110~115℃,反应时间4 h,收率72.0%。DADNP的熔点为192℃,分解峰温度为247℃。     

1-甲基-3,4-二硝基吡唑合成与表征

以3-硝基吡唑为原料,通过硝化、甲基化得到1-甲基-3,4-二硝基吡唑(MDNP),优化了合成工艺,得到较优的甲基化反应的工艺条件:反应温度90℃;反应时间6.5h;3,4-二硝基吡唑、碳酸二甲酯与无水碳酸钾的摩尔比为1∶10.5∶1.5,目标产物总得率55.6%。采用熔点测定、元素分析、红外光谱、核磁共振等对目标产物进行了结构表征,利用DSC研究了其热分解性能。结果表明,热分解温度为298℃,熔点为20℃,在常温下为液体单质炸药,热稳定性好。     

2-偕二硝甲基-5-硝基四唑羟胺盐的合成与性能

用2-偕二硝甲基-5-硝基四唑(HDNMNT)为原料,与羟胺中和反应,合成了2-偕二硝甲基-5-硝基四唑羟胺盐(HADNMNT),收率为98.4%。用FTIR,1H NMR,13C NMR,15N NMR和元素分析表征了其结构。用DSC研究了HADNMNT的热稳定性。用密度泛函理论及K-J方程计算了HADNMNT的爆速和爆压。在标准状态下(压强为6.86 MPa,膨胀比为70/1),采用最小自由能原理计算了HADNMNT单元推进剂的理论比冲。结果表明,升温速率为10℃·min-1的HADNMNT的DSC曲线的峰温为145.3℃。它的爆速、爆压和比冲分别为9.240 km·s-1,39.54 GPa和2639.8 N·s·kg-1。     

含2-偕二硝甲基-5-硝基四唑羟胺盐的推进剂能量特性计算

采用最小自由能法,在标准状态下(膨胀比为70/1),计算了含2-偕二硝甲基-5-硝基四唑羟胺盐(HADNMNT)的丁羟复合推进剂和改性双基推进剂的能量特性。理论计算可知,HADNMNT单元推进剂的密度比冲为4936.4 N·s·dm-3,高于黑索今(RDX),低于奥克托今(HMX)和六硝基氮杂异伍兹烷(CL-20);利用HADNMNT完全取代高氯酸铵(AP)后,丁羟复合推进剂的比冲提高了428.7 N·s·kg-1;绘制了HADNMNT与RDX、Al组成的丁羟复合推进剂的等比冲三角图,直观的反映了比冲与配方的关系,HTPB、HADNMNT、RDX及Al的含量分别为10%、60%~62%、14%~16%以及14%~15%时,获得推进剂的最高理论比冲为2778.9 N·s·kg-1。利用HADNMNT完全取代RDX后,改性双基推进剂的比冲为2522.9 N·s·kg-1:通过添加Al并调节HADNMNT与Al在改性双基推进剂中的含量,获得推进剂的优化配方为:NC 25%,NG 33%,HADNMNT 11%,Al 20%,DINA 3.5%,其他助剂7.5%,其理论比冲为2598.5 N·s·kg-1。     

2-偕二硝甲基-5-硝基四唑的合成与性能

以5-硝基四唑钠盐二水合物为原料,经取代反应和硝化-水解反应两步合成出了2-偕二硝甲基-5-硝基四唑（HDNMNT）,总收率51．89％,采用核磁共振谱、红外光谱和元素分析对其结构进行了表征。为了研究HDNMNT的性能,运用量子化学方法预估了HDNMNT的理论密度、固相生成焓和爆轰性能,并利用差示扫描量热法（ DSC）研究了其热稳定性。结果表明： HDNMNT理论密度高达1．88 g· cm-3,固相标准生成焓为273．0 kJ· mol-1,爆轰性能与 RDX 相当：爆速为8．732 km· s-1,爆压为35．4 GPa,但是热分解温度仅为120℃,热稳定性较差。     

1,1'-二羟基-5,5'-联四唑二羟胺盐和CMDB推进剂组份的相容性

采用差示扫描量热法(DSC)和真空安定性试验(VST)法研究了1,1'-二羟基-5,5'-联四唑二羟胺盐(HATO)与复合改性双基(CMDB)推进剂组份:硝化棉(NC)、NC/硝化甘油(NG)吸收药、吉纳(DINA)、黑索今(RDX)、奥克托今(HMX)、3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮铅盐(NTO-Pb)及铝粉(Al粉)的相容性。DSC结果表明,HATO与NC、NC/NG、DINA及RDX不相容,与HMX、NTO-Pb、Al粉相容。VST结果表明,HATO与NC/NG、DINA不相容,与RDX中等反应,与NC相容。     

双(2,2,2-三硝基乙基)胺的晶体形貌预测及控制

按照文献方法制备了双(2,2,2-三硝基乙基)胺(BTNA),并通过元素分析、红外和差示扫描量热分析对其结构进行了表征。利用Materials Studio软件中Growth Morphology方法模拟了BTNA的晶体形态和结晶习性,分析了重要晶面的结构与溶剂的关系。结果表明,在极性溶剂中(111)晶面将成为形态学上最重要的晶面,(002)、(102)及(020)的显露面将有所增加,(200)、(021)晶面的重要性降低。而在非极性或弱极性溶剂中,弱极性晶面的重要性增加。采用弱极性溶剂二氯甲烷对BTNA进行了重结晶,扫描电镜结果表明重结晶后的晶体比直接水中制备的晶体的形貌规则化、长径比变小。实验结果与理论预测吻合。     

粗AP形貌缺陷对丁羟推进剂燃烧和力学性能的影响

为了探索粗高氯酸铵(AP)晶体表面缺陷对丁羟推进剂(HTPB)燃烧和力学性能的影响,用扫描电镜(SEM)观察了40~60目(Ⅰ型)、100~140目(Ⅲ型)两种粗AP的晶体形貌,分析了粗AP形貌缺陷对HTPB推进剂燃速、压强指数以及力学性能的影响。结果表明,粗AP晶体形貌对HTPB推进剂低压强段(3~12MPa)的燃速和压强指数影响较小,对HTPB推进剂高压强段(12~20 MPa)燃速和压强指数影响显著。当粗AP晶体表面形貌存在缺陷时,高压强段燃速从11.27~13.93 mm·s~(-1)变化范围扩大到11.28~16.35 mm·s~(-1),其压强指数也从0.40提高至0.70。结果显示,粗AP形貌缺陷对HTPB推进剂力学性能影响较小。     

十氢十硼酸双四乙基铵的热行为及其与推进剂主要组分的相容性

用DSC和TG-DTG研究了十氢十硼酸双四乙基铵([(C2H5)4N]2B10H10,BHN)的热行为,并分别用DSC法和真空安定性法考察了BHN与推进剂主要组分六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)、3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)、N-脒基脲二硝酰胺盐(FOX-12)、奥克托今(HMX)、端羟基叠氮聚醚(GAP)、黑索今(RDX)、高氯酸铵(AP)、3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮铅(NTO-Pb)、端羟基聚丁二烯(HTPB)、癸二酸二异辛酯(DOS)、2,4-甲苯二异氰酸酯(TDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、己二酸酮(AD-Cu)、Al粉和Mg粉的相容性。结果表明,BHN的热分解存在一个主放热峰,10℃.min-1时的分解峰温为305.8℃,其与CL-20、HMX、GAP、RDX、AP、NTO-Pb、HTPB、DOS、IPDI、AD-Cu、Al粉和Mg粉等均相容,可与上述材料混合应用于火炸药的制备,但与TDI混合有中等反应现象。     

DAATO_(3.5)与CMDB推进剂组分的相互作用及相容性

采用差示扫描量热法(DSC)和真空安定性实验(VST),对N-氧化3'3-偶氮双(6-氨基-1,2,4,5-四嗪)(DAATO_(3.5))与复合改性双基(CMDB)推进剂常用单组分之间的相互作用和相容性进行了研究。采用70℃推进剂固化实验,考察了DAATO_(3.5)与CMDB推进剂药浆多组分混合体系的相容性。DSC研究结果表明,DAATO_(3.5)与硝化棉(NC)、硝化甘油(NG)、奥克托今(HMX)、3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)、铝粉(Al)、吉纳(DINA)、炭黑(C.B)和1,3-二甲基-1,3-二苯基脲(C2)之间没有明显的相互作用,相容性较好。DAATO_(3.5)与黑索今(RDX)和六硝基六氮杂异戊兹烷(CL-20)存在较为明显的相互作用;与间苯二酚(Res)之间存在强烈的相互作用,Res对DAATO_(3.5)的峰温没有影响但会显著改变DAATO_(3.5)的分解峰型;高氯酸铵(AP)对DAATO_(3.5)的分解峰温没有明显的影响;DAATO_(3.5)可使AP的起始分解温度从310℃降至275℃,并使AP的低温分解峰和高温分解峰合并成一个分解单峰,分解峰温较AP的高温分解峰温下降52.9℃。VST实验结果表明,DAATO_(3.5)与AP相容,与RDX属于中等反应,与Res不相容。推进剂固化实验结果表明,DAATO_(3.5)与CMDB推进剂多组分混合体系在70℃实际工艺条件下可以安全固化,形成的含DAATO_(3.5)的CMDB推进剂均匀致密,表明DAATO_(3.5)可应用于CMDB推进剂中。     

丁羟推进剂用改性硼酸酯键合剂的合成与应用

针对丁羟四组元(高氯酸铵/黑索今/Al/端羟基聚丁二烯,AP/RDX/Al/HTPB)复合固体推进剂存在的力学性能差的问题,选用己二酸和1,4-丁二醇为原料,合成了低分子量聚己二酸丁二醇酯(PBA),以二乙醇胺与丙烯酸甲酯反应合成了N,N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯,并用FT-IR、GPC、~1HNMR、GC-MS表征了其结构。以N,N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯为外连单体,以PBA为互联单体,硼酸三正丁酯为原料合成了改性硼酸酯键合剂(BEBA)。将BEBA作为丁羟四组元推进剂的键合剂进行装药试验,结果表明:当固化参数为1.01,交联参数为0.22,BEBA与JH03(另一种键合剂)复配比例为0.08/0.04时,丁羟四组元推进剂的高(70℃)、常(20℃)、低(-40℃)温力学性能最佳。     

2,6-二氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧化物晶体形貌的MD模拟

为探讨溶剂对炸药晶体形貌的影响机制和溶剂的选择依据,采用附着能(AE)模型预测2,6-二氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧化物(ANPyO)在真空的晶体形貌,确定其主要生长晶面;并运用分子动力学(MD)模拟研究ANPyO晶面与溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的相互作用及其本质,进而通过修正的AE模型预测其在DMF中的晶体形貌。结果表明:ANPyO在真空中的晶体形状接近椭圆,主要生长晶面为(110)、(100)、(11-2)及(10-1)面。溶剂与晶面间存在较强相互作用,径向分布函数分析表明相互作用能主要包括范德华作用,库仑作用和氢键。在溶剂DMF中,晶面的修正附着能绝对值顺序为(110)(11-2)(10-1)(100),ANPyO晶体形貌接近片状,与已有实验结果一致。此外,DMF分子在ANPyO晶面的扩散系数研究结果表明,扩散系数与修正附着能绝对值成线性关系,晶体生长形貌亦受溶剂扩散能力的影响。     

3,6-二（3 ′-氨基呋咱-4-基）-1,4-二氧杂-2,5-二氮杂环己-2,5-二烯的晶体结构（英）

制备并表征了化合物3,6-二(3'-氨基呋咱-4-基)-1,4-二氧杂-2,5-二氮杂环己-2,5-二烯(BADDD) .其晶体结构参数为:Mr=252.17,三斜晶系,P-1空间群,a=0.48616 (10) nm,b=0.5237 (2) nm,c=0.97076 (19) nm,α=102.25(3)°,β=93.631(17)°,γ=101.88 (2)°,V=0.23489 (12) nm3,Z=1,Dc=1.783g·cm-3,λ (MoKα)=0.071073 nm,μ(MoKα)=0.153 mm-1,F(000)=128,T=294 (2) k,R1=0.0351 and wR2=0.0875.BADDD分子由两个氨基呋咱环和一个由两个O原子,两个N原子和两个C原子组成的六元杂环构成.分子具有中心对称性.     

1,1′-二羟基-5,5′-联四唑铷盐的合成、晶体结构及性能

以1,1′-二羟基-5,5′-联四唑(BTO)为起始原料合成新型含能材料——1,1′-二羟基-5,5′-联四唑铷(BTORb)。用X-射线单晶衍射仪测定其晶体结构,结果表明Rb~+与BTO形成8配位结构,不同片层的BTO与Rb~+交替排列相互连接,构成三维网状结构。用差示扫描量热分析技术(DSC)和热重分析技术(TG-DTG)研究其热分解行为,其热分解温度起始于292℃,表明其热稳定性良好。用Kissinger法和Ozawa法计算其非等温反应动力学参数,得到其热分解Arrhenius方程为lnk=13.51-186.3×10~3/RT。计算得到其标准生成焓Δ_fH_(298)~θ为274.91 k J·mol~(-1)。计算其热爆炸临界温度T_b为356.7℃,表明其热安定性较好。800 g落锤下,BTORb的撞击感度H_(50)为34.8 cm,70°摆角、1.23 MPa条件下,其摩擦感度爆炸百分数为36%,静电火花感度50%发火能量为0.34 J。     

3,3'-二硝胺基-4,4'-偶氮呋咱二胍盐的合成、晶体结构及性能

以二氨基呋咱(DAF)为原料,经氧化、硝化、复分解反应,合成出3,3'-二硝胺基-4,4'-偶氮呋咱二胍盐(G2DNAAF),总收率为64%。采用核磁共振谱、红外光谱、元素分析和X-射线单晶衍射分析对其结构进行了表征。结果表明:G2DNAAF属于单斜晶系,空间群P2(1)/n,a=5.226(2),b=12.686(5),c=11.944(5),α=90°,β=92.896(7)°,γ=90°,V=790.8(5)3,Z=2,D-1c=1.698 g·cm-3,μ=0.148 mm,F(000)=416。差示扫描量热分析表明G2DNAAF的热分解峰温为259.0℃。Gaussian 09和KamletJacbos公式计算结果表明,G2DNAAF的固相生成焓为588.27 kJ·mol-1,爆速为7.839 km·s-1,爆压为26.81 GPa。