硝基类含能材料撞击感度的研究

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感度是指含能材料受到外界能量冲击时发生爆炸的难易程度,其大小将直接影响炸药的存储、运输及应用,是含能材料的一项重要参数。人们根据不同能量冲击形式将感度分为热感度、机械感度、冲击波感度等。其中最常用来表示撞击感度(机械感度的一种)的物理量为H-(50),它表示用质量为2.5kg的落锤仪对炸药进行试验,在达到50%爆炸几率时的落高。本文主要通过两种方法对硝基类含能材料的撞击感度进行研究:(1)基于分子电拓扑结构理论,将分子结构划分为若干结构单元,用结构单元的数量预测感度;(2)根据量子化学理论,利用Gaussian程序计算出的量子化学描述符作为自变量,预测含能材料的感度。首先我们在现有5种分子结构描述符(氧平衡OB100,活性指数F,活泼氢,α-CH,α-OH,对称性)的基础上,提出并引入了4种分子结构描述符(分子内氢键,同位碳原子上基团数,邻位碳原子上基团数,间位碳原子上基团数)。根据9种描述符,采用逐步回归和支持向量回归方法,对156个硝基炸药分子的撞击感度进行了建模与研究,应用8个检验样本对所建模型进行了进一步的检验。结果表明:仅氧平衡OB100、活性指数F、分子内氢键以及α‐CH被逐步回归选为自变量,可见分子内氢键对感度的影响较大。其次我们又选用35个样本,并结合最低未占用轨道能(Elumo)及其他自变量对感度进行了建模、预测,结果显示分子内氢键与感度具有较强的相关性。随后我们利用35个样本中含有分子内氢键的15个分子结构,对分子内氢键的定义式作了尝试性改进和研究。相关量子化学参数由DFT理论,在B3LYP/6-31+G*的基组水平下,由Gaussian程序计算得到。结果表明,在三个关于分子内氢键的描述符中,由定义式ND=∑QOQH/ROH所建模型误差最小,其中QO与QH为氧原子与氢原子的RO-H净电荷,RO-H为形成氢键的氧原子与氢原子之间的距离。最后我们发现,用于研究含能材料感度的分子电拓扑结构理论与方法同样可以用于预测化学分子的玻璃化转变温度的研究中,且所建模型误差比文献报道值小。首先,我们根据电拓扑结构指数理论将多酚类分子的分子结构划分为若干结构单元,用结构单元的数量及相对分子质量作为自变量预测其玻璃化转变温度;其次我们计算出各分子结构的活性指数F(邢郁明提出的用于研究含能材料感度的描述符),并用Hyperchem程序计算出各轨道能,结合其他参数,用逐步回归选取自变量并建模。结果表明,分子结构中的OH基团数对玻璃化转变温度影响最大,其次是活性指数F及最高占用轨道能EHOMO,且所得误差比文献报道要小,可见F也可用于多酚类化合物玻璃化转变温度的建模与预测研究。
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