理想的含能材料首先应该具备高能量、高的凝聚态密度、低感度等的含能性质才能实际应用于工业生产。传统的含能材料很难在能量和感度方面做出权衡,为了实现实际工业需求,寻找新的具有理想性质的含能材料是非常紧迫且具有很大挑战性的。高氮杂环类化合物由于其含氮量高,具有正的生成焓,且唑环形成一个共轭体系的特性使得该类高氮杂环备受关注。尤其是四唑,它是目前能够稳定存在的含氮量最高的五元杂环。四唑有两个位置可以被取代,在环上加入一些含能取代基如硝基、氨基会大大提高化合物的含能性质。基于以上的一些背景,本文就四唑类化合物展开研究,选取了四唑类的14种衍生物,研究了它们的一些含能性质,如气相生成焓、密度和感度、爆速和爆压。气相生成焓通过不同精度的方法基于14种衍生物的原子化反应进行计算,不同精度的方法计算所得的四唑衍生物的生成焓变化趋势都是一致的,即氨基在四唑环的C上取代所得衍生物的生成焓降低,而硝基无论在C还是N上取代都会使四唑的生成焓升高,计算结果表明1-氨基-5-硝基四唑具有最高的生成焓。接着本文又设计了一系列等键反应,计算了基于等键反应的各化合物的生成焓,得到与原子化反应一样的趋势,进一步说明了计算结果的准确性。然后本文基于Politzer的QSPR模型预测了14种化合物的密度和感度。该QSPR模型将静电势的不均衡性与密度和感度做关联,将分子间的相互作用由静电势的不均衡性来描述。利用预测密度的QSPR模型计算的参照物的密度与实验值偏差很小,说明了该模型的可靠性；用该模型预测14种化合物的密度得出结论,即C上发生硝基取代得到的化合物以及在C和N两个位置均发生取代得到的化合物的密度都很高;对于感度的预测,将含能化合物根据关联性分两种类型来考虑建立两套QSPR模型,一类是硝铵类化合物,还有一类是硝基芳香类化合物。两套模型计算得出的参考化合物的感度计算值都与实验值能较好的吻合,除了1-硝基-5-氨基四唑,与实验值有很大的偏差,可能的原因是建立预测感度模型时基于的数据库中缺少四唑类化合物,且感度的实验值本身就有不确定性。根据以上的计算,得出在C和N上皆发生取代得到的衍生物的生成焓、密度都较为理想。最后选取四种两取代衍生物及一些传统化合物,根据最大放热原理设计出它们相应的爆炸反应,得到计算爆速和爆压所需要的一些量,再根据经验的Kamlet-Jacobs(K-J)方程,最终求出的参考物质的爆速和爆压皆与实验值相吻合,而这四种衍生物具备可以与传统含能材料相媲美的性能。综合上述的计算分析,以及结构上的分析,本文选取1-氨基-5-硝基四唑(ANTz)作为研究对象。整个分子为一个共轭体系,所有原子在一个平面上,且-NH2的H与-NO2的O形成分子内的氢键,增加了分子的稳定性。接着就分析了该化合物的热分解路径,分三种情况考虑,即直接开环反应、氢转移后的开环反应以及开环后再发生氢转移的热分解反应,相应得出了4条主要的反应通道,由这些反应通道得出结论：从动力学的角度来说,ANTz更容易直接开环分解,而从热力学的角度来说,ANTz易于放出34.9kcal/mol的热量分解成包括N2的三个片段。最后本文基于分子力场预测了ANTz凝聚态的堆积方式。ANTz的分子内力场参数源自第一性计算所得Hessian矩阵,分子间相互作用主要考虑了静电相互作用和库伦相互作用,静电相互作用的计算用了经典的ESP点电荷模型,范德华相互作用用了Lennard-Jones的12-6势,其中的参数来自Dreiding力场默认的原子范德华参数。用Materials Studio中的Polymorph Prediction和上面重新编辑过的力场参数以及默认的Dreiding力场势函数来预测分子的堆积形式得到9种能量较低的聚集态形貌,且大多数聚集态都是以π-π共轭的形式堆积,堆积密度最高达到1.75g/cm3。综上所述,本文采用计算模拟的方法系统的计算了四唑及其衍生物的一系列含能性质,并筛选出一种性能最为优秀的含能化合物1-氨基-5-硝基四唑作为研究对象,对其结构和热分解反应进行了研究,并用分子力场的方法分析了该化合物的聚集态形貌。剩下的工作就是实现该化合物的实际生产,并验证该化合物是否具备上述优良的性能。计算机模拟为这些后续的工作提供了一定的参考性和指导性。