论文部分内容阅读
钝感高能炸药（IHE）是目前最具影响力的高能材料，是对武器威力和安全的重要保障。为揭示钝感高能炸药的结构-性能关系，本文运用量子化学中从头算（ab initio）和密度泛函理论（DFT），首先对目前公认的或有发展前景的若干钝感高能炸药的气相分子，如TATB（三氨基三硝基苯）、ANTA（氨基硝基三唑）异构体、DADNE（二氨基二硝基乙烯）、TNTPC（三硝基三聚氰）和LLM-105（2，6-二胺-3，5-二硝基吡嗪-1-氧化物）等，进行了较高水平的计算研究；接着又以目前公认并在核武器中专用的钝感高能炸药TATB为目标化合物，以目前综合性能最好的炸药β-HMX（环四甲撑四硝胺）为参比，研究了它们的晶体结构和性质；此外，由于炸药的加工、贮存与武器寿命和性能优劣密切相关，故本文还作了TATB晶体表面对水和氮的氧化物的吸附研究；基于高聚物粘结炸药（PBX）配方设计的需要，本文在最后还作了TATB与氟聚合物的表面相互作用模拟研究。现将研究结果和结论概述如下： 1．在HF／6-311G**、MP2／6-311G**和DFT-B3LYP／6-311G**水平下，研究了ANTA的1H-、2H-和4H-异构体的性质以及它们在极性溶剂中的稳定状况；首次在300～1000K温度范围内研究了1H-ANTA和2H-ANTA相互转换的动力学过程。结果表明：在气态低温下以2H-ANTA最稳定；在高温及极性溶剂中以1H-ANTA最稳定；800K时，2H-ANTA（?）1H-ANTA反应达到平衡。 2．对三种DADNE同分异构体进行了HF／6-31G**和DFT-B3LYP／6-31G**水平的几何全优化以及MP2／6-31G**／／HF／6-31G**水平的总能量计算。求得标题物的红外光谱与实验一致：求得标题物在200～1200K温度范围内的热力学性质(H°m、C°p，m和S°m)。发现1，1-二氨基2，2-二硝基乙烯为最稳定的异构体；其分子体积最小，预示在其同分异构体中爆轰性能最好。 3．在B3LYP／6-31G**水平下研究了结构可类比的TATB、TNTPC和LLM-105三种化合物的分子结构和性能。求得它们的全优化分子构型、IR光谱和200～800K温度范围内的热力学函数。通过多种结构参数的分析比较确认TATB最稳定和钝感，LLM-105具有发展前景，TNTPC可能较难合成。 4．首次对β-HMX和TATB晶体实现了DFT-B3LYP／6-31G**水平的周期性理论计算，求得它们精确的能带结构和电子结构，探讨了结构-性能关系。求得它们的升华热与实验值良好符合。分析原子间距和Mülliken集居，解释了TATB晶体沿c轴膨胀以及受热循环后长大的各向异性和不可复原性等实验现象；还通过对点电荷静电势的研究，阐明了β-HMX晶体易于在分子间相邻硝基处引发分解和起爆，而TATB则很稳定等实验事实。 5．在DFT-B3LYP／6-31G**水平下，首次计算研究了H2O和NO在TATB表面的摘要博士论文吸附现象。经基组叠加误差（BSSE）校正，求得1谈JB的表面能以及HZO和NO分子在1丫口，B（0 01）面的吸附能;重点讨论了吸附前后1丫汀B能带和电子结构的变化。结果表明，水和一氧化氮的存在对TAI，B的贮存有一定的影响。 6.在DFT-B3LYP/6一21G*水平下，首次计算研究了TArB表面与F23:，（偏氟乙烯一三氟氯乙烯1:l共聚物）和F2314（偏氟乙烯一三氟氯乙烯1:4共聚物）的相互作用，探讨了F23，，和F23};对TAI…B表面能带和电子结构的影响。求得表面吸附的聚合物链段与1鸿JB之间的相互作用能和吸附能。发现T入rB对F23，，的吸附能力大于它对F23、4的吸附能力;解释了在实验中发现的难以理解的新现象。这里为以TArB为基的PBX的配方设计提供了新的途径和成功例证。 总之，本文以TATB为核心的系列钝感高能炸药为研究对象，运用先进的量子化学计算方法，通过对它们的分子和晶体的结构和静态、动态性质的深入研究，阐明或预示了广泛的己知实验或未知信息。本文所得结果丰富了钝感高能炸药的研究和应用，属于量子炸药化学研究领域的最新成果。