多氮杂环含能离子盐的合成与性能

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开发高能钝感及环境友好的新型高能密度材料(HEDM)是现代军事的迫切需求。然而,高能量与低感度通常是一对矛盾体,因此,迫切需要合成高能低感含能化合物,提高炸药的安全性,同时保持其高能特性,寻求解决这一矛盾。近年来,越来越多的研究表明,富氮杂环含能离子盐能有效解决这一矛盾,成为研究热点。因为,含能离子盐具有更低的蒸气压、较高的生成焓及更好的热稳定性。另外,含能离子盐的阴、阳离子部分都可单独修饰,以满足不同的使用需求。硝基唑类化合物含有大量的C-N、N-N及N-O键使其具有正的生成焓、较高的密度及较好的氧平衡,基于唑类化合物的含能离子盐成为近年来含能化合物研究的重要方向。本论文设计并合成了C-N桥连的含能化合物3,4-二硝基-1-(1H-四唑-5-基)-1H-吡唑-5-胺(HANTP)及其10种富氮含能离子盐,并用1H NMR、13C NMR、IR以及元素分析对它们进行了全面表征。利用X-射线单晶衍射确证了3,4-二硝基-1-(1H-四唑-5-基)-1H-吡唑-5-胺(2.7)及其铵盐(2.9)和胍盐(2.12)的结构。这11种含能化合物具有较好的热稳定性,介于171~270℃。测试密度介于1.61~1.85 g cm-3。利用Gaussian软件结合等键反应计算了化合物(2.7,2.9~2.18)的生成焓,介于729.1~1275.2 kJ mol-1之间。分别测试了它们的撞击感度和摩擦感度,成盐后感度有所改善,部分表现为钝感。用EXPLO5(v6.01)计算的爆速为8229~9295 m s-1,爆压为25.4~38.3 GPa。其中,羟胺盐(2.10)具有较高的密度(ρ=1.84g cm-3),较好的热稳定性(Td=171℃),低感度(IS=35J,FS=216N)及良好的爆轰性能(vD=9295 m s-1,P=38.3 GPa),综合性能与HMX相当,具有很好的应用前景。本论文设计并合成了基于3,4-二硝基-1-(1H-四唑-5-基)-1H-吡唑-5-胺(HANTP)的绿色起爆药KANTP(3.2)和NaANTP(3.3)。利用X-射线单晶衍射证实了它们的结构,其中,KANTP属于层状的2D MOF结构,NaANTP属于链状的1D MOF结构。两种有机-金属盐的分解温度为253和269℃、密度为1.98和1.93 g cm-3、氮含量为45.15%和47.91%、撞击感度为4和7J、摩擦感度为144和160N、爆速为8380和8430 m s-1、爆压为31.4和32.0 GPa。综合考虑它们的性能,KANTP性能优于常用的起爆药叠氮化铅,属于高能绿色起爆药,可作为叠氮化铅的替代品。此外,我们还设计合成了两个高密度单质炸药(E)-1,2-双(3,4-二硝基-1H-吡唑-5-基)二氮烯(4.1)及7,8-二硝基-4-酮-4,6-二氢吡唑并[5,1-d][1,2,3,5]四嗪2-氧化物的钠盐(4.2)。利用X-射线单晶衍射证实了它们的结构。使用DSC测定分解温度为245和280℃。利用密度仪测试密度分别为1.88和1.95 g cm-3。测试了它们的感度,撞击感度为40和7J,摩擦感度为360和160N,为后续合成含能离子盐,寻找高能钝感含能化合物做准备。
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