几种呋咱类含能化合物的合成、热行为及理论爆轰性能预估

用双氧水、钨酸钠及甲磺酸氧化3,4-二氨基呋咱(DAF)合成了3-氨基-4-硝基呋咱;用100%硝酸硝化DAF得到3,4-二硝胺基呋咱;用NaNO_2、H_2SO_4及NaN_3DAF重氮、取代DAF得到3-氨基-4-叠氮基呋咱;用30%的双氧水、钨酸钠及甲磺酸氧化3-氨基-4-叠氮基呋咱,得到3-叠氮基-4-硝基呋咱及3,3′-二叠氮基-4,4′-氧化偶氮呋咱。用TG-DSC研究了这些化合物的热行为。采用B3LYP/6-31G*方法预估了化合物的理论密度、标准生成、爆速、爆压。结果表明,氧化偶氮基的引入增强了呋咱类化合物的热稳定性;叠氮基的引入提高了化合物的生成焓。3-氨基-4-硝基呋咱中氨基转化为叠氮基,生成焓由183.26kJ/mol增至571.40 kJ/mol;硝胺基的引入显著提高了含能化合物的密度、爆速和爆压。     

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。     

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。     

含呋咱衍生物富燃料推进剂的能量性能

采用最小自由能法,研究了含呋咱衍生物的Al/Mg/HTPB/AP富燃料推进剂的能量性能,结果表明,随着呋咱衍生物含量的增加,富燃料推进剂比冲明显增加,其中含质量分数为25%的DAAzF(4,4'-二氨基-3,3'-偶氮呋咱)的富燃料推进剂比冲可达7 522.9 N·s·kg-1,比相同质量含量下含CL-20富燃料推进剂比冲高260N·s·kg-1.含呋咱衍生物富燃料推进剂气相平均相对分子质量((-M)g)约为29,补燃室火焰温度(Tc)约为2 200K,且二者随着呋咱衍生物含量增加而略有增加.     

1,3,4-噁二唑联呋咱含能化合物的设计及构效关系理论研究

在4种1,3,4-噁二唑联呋咱分子骨架上引入三硝基甲基、氟代偕二硝基、硝基及硝氨基等含能基团,设计了5类共10种含能化合物;采用密度泛函方法B3LPY/6-31G(d, p)基组,研究了化合物的物化性能、爆轰性能(密度、生成焓、氧平衡、爆速、爆压)与安全性能(静电势分布和键解离能)间的构效关系。结果表明,三硝基甲基及氟代偕二硝基可大大改善呋咱衍生物的爆轰性能,而联四芳环的1,3,4-噁二唑联呋咱的共轭母体骨架可有效提高致爆基团中C—NO_2的键离解能,是设计高能不敏感含能化合物的有效方法;其中,3,3′-二(5-三硝基甲基-1,3,4-噁二唑)-4,4′-偶氮呋咱(E-1)密度为1.969g/cm~3,爆速达9130m/s,爆压为38.82GPa,最弱键(C—NO_2)键离解能为131.57kJ/mol,表现出优异的综合性能。     

新型呋咱(氧化呋咱)类炸药爆轰参数的理论计算

以3,4-二(氨基呋咱基)氧化呋咱(BAFF)为结构单元设计了一类新型呋咱(氧化呋咱)类炸药分子.运用预测炸药分解产物的BW法则、计算爆速的Rothsteine方法和计算C-J压力的库珀方法等对该类炸药的爆炸参数进行了理论计算,并与HMX等炸药的爆炸参数进行了比较.结果表明,该类炸药的密度大,爆速和爆压介于TATB和HMX之间,是一类新型高能量密度材料化合物.由于该类炸药分子中含呋咱环具有芳香性,预测其分子的稳定性良好.     

呋咱含能化合物的合成及其衍生物反应研究进展

阐述了二肟脱水和氧化呋咱还原2种构建呋咱环的主要方法,以及氨基取代呋咱衍生物、硝基取代呋咱衍生物和氰基取代呋咱衍生物的反应;列举了几种典型的呋咱含能化合物如二硝基呋咱(DNF)、二氨基偶氮呋咱(DAAF)、3,4–双(4′–硝基呋咱–3′–基)氧化呋咱(DNTF)、呋咱醚类化合物(FOF–1,FOF–2,FOF–13)和稠环类呋咱含能化合物(MNOTO、4,5,9,10–四硝基–1,4,5,8–四氮杂氢化萘(2,3,–6,7)并双呋咱)的合成方法及性能。     

新型含能材料呋咱类化合物的研究进展

介绍了几种呋咱类含能化合物3,4–二氨基呋咱(DAF)、3,3′–二氨基–4,4′–氧化偶氮呋咱(DAAF)、3,3′–二氨基–4,4′–偶氮呋咱(DAAzF)、3,4–二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)、3–硝基呋咱–4–甲醚(NFME)、(3 E,4 E)–二肟甲基氧化呋咱(DPX1)的合成方法和性能。通过与其他含能材料的性能对比,可知呋咱类化合物是一类性能优良、具有广阔应用前景、可应用于推进剂的含能材料。     

两种新型2-偕二硝甲基-5-硝基四唑含能离子盐的合成、表征及性能预估

以氨基-1,2,4-三唑和2-偕二硝甲基-5-硝基四唑(HDNMNT)为原料,通过中和反应合成出两种新型含能离子盐——2-偕二硝甲基-5-硝基四唑3-氨基-1,2,4-三唑盐(3-ATDNMNT)和2-偕二硝甲基-5-硝基四唑4-氨基-1,2,4-三唑盐(4-ATDNMNT),收率分别为95.4%和96.7%;利用FT-IR、1 H NMR、13C NMR、15 N NMR及元素分析等方法对其结构进行表征;采用量子化学方法计算了3-ATDNMNT和4-ATDNMNT的爆轰性能;在标准状态下(膨胀比为70∶1),利用最小自由能原理,分别计算了两种离子盐在丁羟复合推进剂中的能量性能。结果表明,3-ATDNMNT的爆速和爆压分别为8.587km/s和33.58GPa,4-ATDNMNT的爆速和爆压分别为8.693km/s和34.31GPa。以3-ATDNMNT部分取代丁羟复合推进剂中的AP后,丁羟复合推进剂的理论比冲可达2 635.7N·s/kg。以4-ATDNMNT部分取代丁羟复合推进剂中的AP后,当HTPB、Al、AP及4-ATDNMNT各组分质量分数分别为10%、5%、15%及70%时,获得该丁羟复合推进剂的最高理论比冲为2 677.2N·s/kg。     

4-氨基-4″-硝基-[3,3′,4′,3″]-三呋咱(ANTF)的合成及工艺研究

以3,4-双(3′-氨基呋咱基-4′-)氧化呋咱(BAFF)为原料,经SnCl2·2H2O/CH3OH体系还原,得到中间体3,4-双(3′-氨基呋咱基-4′-)呋咱(BAFF-1),再通过Caro′s acid氧化制得4-氨基-4″-硝基-[3,3′,4′,3″]-三呋咱(ANTF),用IR、NMR、MS和元素分析对其结构进行了表征。考察了BAFF-1与H2O2摩尔比、反应时间、反应温度和过氧化氢含量对收率的影响,得到最佳合成工艺条件为n(BAFF-1)∶n(35%H2O2)∶n(浓H2SO4)为1∶8∶40,反应时间为4h,反应温度为30℃,收率为45.6%。用Kamlet公式计算密度为1.782g/cm3时ANTF的爆速、爆压分别为8.20km/s、29.64GPa,有望成为一种可替代TNT的新型熔铸炸药。     

Energetic Characteristics of HMX‐Based Explosives Containing LiH

The high energy density compound octahydro‐1,3,5,7‐tetranitro‐1,3,5,7‐tetrazocine (HMX) and the strong exothermic compound LiH represent an excellent principal explosive and an active fuel, respectively. Herein, the energetic characteristics of HMX‐based explosives are explored by adding LiH as fuel additive. The detonation parameters of HMX‐based explosives containing LiH were tested with free‐field explosion experiments and compared with those of traditional TNT, HMX, and aluminized explosives. The results show that the explosives exhibit higher energy and present preferable explosion effect when LiH is added as an explosive ingredient. The improvement of impulse is more than 32.8 % at 2 m. The shock wave peak overpressure increases by almost 40 % at a distance of 3 m from detonation center specially for the explosive containing both LiH and Al additives. Elemental H and Li are expected to release tremendous energy to effectively improve the explosives instant damage power, but the detonation duration is shorter than that of Al‐containing mixed explosives, which may limit the advantage over Al in the impulse. Li₂CO₃ powder is the solid product of HMX/LiH, which explains the LiH oxidation during the explosion. The exothermic processes in the formation are the reason for the increased energy of HMX/LiH explosives. These results can provide guidance to a potential energetic system formed by HMX and LiH.     

高能单元推进剂TKX–50能量特性计算研究

在比较高能量密度化合物奥克托今(HMX)、六硝基六氮杂异伍兹烷(CL–20)和1,1′–二羟基–5,5′–联四唑二羟胺盐(TKX–50)性质的基础上,采用最小自由能法,计算不同压强下3种化合物作为单元推进剂的性能。在标准条件(pc:p a=70︰1)下计算了分别以CL–20和TKX–50替代HMX后所得推进剂配方CL–20–CMDB和TKX–50–CMDB的性能。结果表明,TKX–50具有较高的爆轰性能,在1～10 MPa下TKX–50具有较低的燃温、较高的特征速度和高于HMX的比冲,其燃烧产物平均相对分子质量较低;用于复合改性双基推进剂配方中,不仅提高了比冲,而且有效降低了火箭发动机排气羽流中的二次烟。     

Effects of Copolymerization Ratio of BAMO/NMMO and catalyst on sensitivity and burning rate of HMX propellant

Three different copolymerization ratios of BAMO/NMMO copolymers were studied for the requirement of not only a high specific impulse but also an insensitive munition characteristics for HMX composite propellant. These molar ratios of BAMO/NMMO were 8/2, 7/3, 6/4. Although the heat of DSC measured was relatively largest in B/N(7/3) propellant, there was no difference in the thermal decomposition characteristics. The exothermic reactions of azide binder and of HMX occurred in the same temperature region. The faster burning rate was obtained by the more BAMO ratio in the binder. The shock sensitivity was the lowest in B/N(7/3) HMX composite propellant. This unexpected stability might be caused by the physical effect of the molecular structure of B/N(7/3) which might contribute to the sudden dumping of the impact shock. Although the detonation velocity, because faster as BAMO ratio, increased like as the burning rate, the detonation pressure was the lowest in B/N(7/3) propellant. The mixture of catocene and copper chromite augmented the burning rate 1.6 times with decreasing temperature sensitivity.     

2,4,6,8-四硝基-2,4,6,8-四氮杂三环[3.3.0.0~(3,7)]辛烷的理论研究

为了研发新型高能量密度化合物,设计了一种笼型奥克托金——2,4,6,8-四硝基-2,4,6,8-四氮杂三环[3.3.0.0~(3,7)]辛烷(cage-HMX)。基于密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,在6-31G**基组水平上,研究了cageHMX-I~cage-HMX-IV的几何构型、张力能、静电势分布、密度、生成焓、氧平衡、爆速、爆压、单元比冲以及撞击感度。结果表明,cage-HMX-I是4种构型中较为稳定的构型;cage-HMX的张力能大于CL-20;与HMX相比,cageHMX具有较高的密度(1.92~1.93g/cm~3)、爆速(9.341~9.478km/s)、爆压(40.97~42.30GPa)、单元比冲(277.1~281.4s)和撞击感度(4.3~5.0J),是一种潜在的高能量密度材料。     

HMX/ANPZO共晶炸药的制备及表征

运用分子动力学方法,计算了1,3,5,7-四硝基-1,3,5,7-四氮环杂辛烷(HMX)分子、2,6-二氨基-3,5-二硝基-吡嗪-1-氧(ANPZO)分子以及HMX/ANPZO共晶分子的分子间作用力、结合能和内聚能密度。通过气相扩散法制备了HMX/ANPZO共晶炸药,用红外光谱(IR)、差示扫描量热(DSC)和X射线衍射(XRD)表征了其结构,并测试了其机械感度。结果表明,HMX/ANPZO共晶分子间的相互作用力大于HMX分子间以及ANPZO分子间的相互作用力。与HMX和ANPZO相比,HMX/ANPZO共晶炸药的晶体结构和热分解特性变化较大,特性落高为59cm,与HMX相比提高了96.7%;理论爆速达9 060m/s。     

TATB/HMX共晶炸药的制备及性能研究

采用溶剂/非溶剂法,在超声辅助的情况下,制备了TATB/HMX共晶炸药;探究了TATB/HMX共晶技术的影响因素;计算了TATB/HMX共晶炸药的理论密度和理论爆速;采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和差示扫描热量法(DSC)对其进行表征和热分析,并测试了其撞击感度。结果表明,制备TATB/HMX共晶的最佳工艺条件为:以[Emim]Ac/DMSO为复合溶剂,TATB和HMX投料比(摩尔比)为3∶7,温度为80℃,搅拌速率为500r/min;与原料相比,TATB/HMX共晶分子在结构上发生改变;TATB/HMX共晶炸药颗粒大小约为2μm,形貌为六边形晶体;共晶炸药的热安定性优于原料HMX,其特性落高比原料HMX高74cm,撞击感度明显降低;理论密度为1.891g/cm~3,理论爆速为8.758km/s,表明其爆炸性能良好。     

5,5′-氧化偶氮双(4-硝基-1,2,3-三唑-1-)氧化呋咱的理论研究与性能预估

设计了一种新型富氮类高能量密度化合物5,5′-氧化偶氮双(4-硝基-1,2,3-三唑-1-)氧化呋咱,采用密度泛函理论的B3LYP方法,在6-31G**基组水平上得到该化合物全优化构型;在振动分析的基础上求得体系的振动频率I、R谱;通过键级分析得到热解引发键的键离解能(BDE);预估了该化合物密度、生成焓、爆速、爆压和爆热,并预测了撞击感度。结果表明,该化合物存在11个强吸收峰,校正后热解引发键的BDE为144.77 kJ/mol,热分解活化能为204.93 kJ/mol,稳定性较优;密度1.975 g/cm3、生成焓963.837 kJ/mol、爆速9 015 m/s(K-J)、9 337 m/s(VLW),爆压38.64 GPa(K-J)、50.60 GPa(VLW);撞击感度H50为16.89 cm,稍低于RDX(24 cm)和HMX(26 cm)。     

Effect of Al/O Ratio on the Detonation Performance and Underwater Explosion of HMX‐based Aluminized Explosives

The performance of detonation and underwater explosion (UNDEX) of a six‐formula HMX‐based aluminized explosive was examined by detonation and UNDEX experiments. The detonation pressures, detonation velocities, and detonation heat of HMX‐based aluminized explosive were measured. The reliability between the experimental results and those calculated by an empirical formula and the KHT code was verfied. UNDEX experiments were carried out on the propagation of a shock wave and a bubble pulse of a 1 kg cylindrical HMX‐based aluminized explosive underwater at a depth of 4.7 m. Based on the experimental results of the shock wave, the coefficients of similarity law equation for the peak pressure and attenuation time constant of shock wave were in acceptable agreement. The bubble motion during UNDEX was simulated using MSC.DYTRAN software, and the radius time curves of bubbles were determined. The effect of the aluminum/oxygen ratio on the performance of the detonation and UNDEX for an HMX‐based aluminized explosive was discussed.     

EAK基熔铸分子间炸药的能量和撞击感度

通过水下爆炸试验研究了RDX和HMX对EAK基熔铸分子间炸药水下能量的影响。结果表明,RDX和HMX对EAK基混合炸药起到明显的增能作用,但对含铝和非含铝体系有不同的作用效果。爆速和撞击感度测定表明,EAK—RDX混合炸药爆轰的理想化程度和稳定性及撞击感度随RDX含量的增加而增加。从能量和撞击感度两个方面综合考虑,RDX的较佳加入量应为20％～30％。     

3,4-双(5-氢-1-四唑基)呋咱的合成及理论计算

以3-氨基-4-硝基呋咱(ANF)为原料,与原甲酸三乙酯、叠氮化钠反应,得到3-硝基-4-(5-氢-1-四唑基)呋咱(化合物1),然后低温下经氨水胺化得到3-氨基-4-(5-氢-1-四唑基)呋咱(化合物2),化合物2与原甲酸三乙酯、叠氮化钠反应,最终得到3,4-双(5-氢-1-四唑基)呋咱(化合物3)。采用IR、~1 H NMR、~(13) C NMR及元素分析对3种化合物的结构进行了表征;采用密度泛函理论B3LYP/6-311+G**方法预估了化合物1~3的标准生成焓、密度、爆速、爆压。结果表明,通过控制反应条件,确定了制备化合物2的最佳工艺条件为:化合物1与氨水摩尔比为1∶2,反应时间3h,反应温度-10℃。化合物2的收率为70%。四唑环的引入使化合物1~3都具有较高的正生成焓,其中化合物3最高,达到1 090.07kJ/mol。化合物1的爆速、爆压与RDX相当。除化合物2密度略低于TNT外,化合物1~3各性能均优于TNT。与化合物2和3综合比较,化合物1的性能最佳,密度为1.76g/cm~3,爆速为8 590m/s,爆压为32.3GPa。