呋咱類高氮化合物分子設(shè)計、合成及應(yīng)用研究.pdf

1、固體推進(jìn)劑的高能化是推進(jìn)劑研究的永恒主題。而推進(jìn)劑的高能化取決于高能量密度材料的研發(fā)和應(yīng)用。呋咱類高氮化合物具有標(biāo)準(zhǔn)生成焓高、晶體密度大、熱穩(wěn)定性好、安全鈍感等特點(diǎn)，而且其合成相對簡單、產(chǎn)率高及原料相對便宜，應(yīng)用于推進(jìn)劑中將有望大幅度提高推進(jìn)劑的能量性能，具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　目前，我國的相關(guān)研究處于起步階段，主要問題在于缺乏呋咱類高氮化合物理論性能的預(yù)測方法，缺乏對呋咱類高氮化合物分子結(jié)構(gòu)與推進(jìn)劑能性能構(gòu)效關(guān)系的深刻認(rèn)識。因

2、此，需要系統(tǒng)研究呋咱類高氮化合物的合成方法和性質(zhì)，明確該類化合物的性質(zhì)對推進(jìn)劑能量性能和一次燃燒性能的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對高能量密度化合物分子設(shè)計、合成及應(yīng)用研究提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。
　　本文以提高富燃料推進(jìn)劑的能量性能和一次燃燒性能為背景，以認(rèn)識呋咱類高氮高能量密度化合物分子的性質(zhì)與推進(jìn)劑能量性能的構(gòu)效關(guān)系為核心，系統(tǒng)研究了呋咱類高氮化合物的分子構(gòu)型、電子結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)性能等性能。建立了描述高能量密度化合物分子特征的分子編碼方法；采用

3、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，實(shí)現(xiàn)了高能量密度化合物晶體生成焓的計算和預(yù)測。合成了6種呋咱類高氮化合物，考察了分子結(jié)構(gòu)對呋咱類高氮化合物安全性能的影響。采用虛擬均勻設(shè)計和逐步線性回歸分析方法，構(gòu)建了呋咱類高氮化合物分子性質(zhì)與推進(jìn)劑能量性能之間的定量構(gòu)效關(guān)系。明確了含呋咱類高氮化合物富燃料推進(jìn)劑能量性能和一次燃燒性能的影響因素和作用機(jī)制。
　　量子化學(xué)計算結(jié)果表明，呋咱環(huán)為近平面共軛環(huán)，但共軛性較弱。呋咱環(huán)為缺電子基團(tuán)，因此呋咱類高氮化合物發(fā)生

4、氧化反應(yīng)時，氧化性進(jìn)攻基團(tuán)將首先攻擊分子中的富電子取代基，而非進(jìn)攻呋咱環(huán)生成氧化呋咱。環(huán)中N-O鍵集居數(shù)最小，是呋咱環(huán)的弱鍵，受激時將最先斷裂。
　　呋咱類高氮化合物熱力學(xué)性能的理論計算結(jié)果顯示，300K以下時，溫度與呋咱類高氮化合物的熱力學(xué)性能呈線性增加。隨著溫度升高，標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓對溫度的變化率增大，標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵和標(biāo)準(zhǔn)摩爾定壓熱容對溫度的變化率減小。
　　建立了描述高能量密度化合物分子結(jié)構(gòu)的分子編碼方法。在此基礎(chǔ)上，基于人工神

5、經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開發(fā)了“高能量密度化合物晶體生成焓計算軟件”。70種高氮化合物晶體生成焓計算結(jié)果的平均相對誤差僅為0.36％。
　　以DAF為原料，合成制備了6種呋咱類高氮化合物，其中一種為未見報道的稠環(huán)呋咱類高氮化合物——DNMzF。
　　表征了呋咱類高氮化合物、與AP的二元混合物及含呋咱類高氮化合物藥漿的安全性能。發(fā)現(xiàn)高氮化合物的安全性能與電子結(jié)構(gòu)分析結(jié)果一致；二元混合物的感度要高于呋咱類高氮化合物單質(zhì)感度，其感度與混合物氧

6、平衡緊密相關(guān)；推進(jìn)劑模擬藥漿的感度則大大低于二元混合物的感度。
　　采用虛擬均勻設(shè)計實(shí)驗(yàn)和逐步回歸方法，得到了高氮高能化合物性質(zhì)（分子組成、含量、氧平衡和標(biāo)準(zhǔn)生成焓）與其推進(jìn)劑理論比沖之間的定量構(gòu)效關(guān)系。結(jié)果顯示，應(yīng)用于富燃料和火箭推進(jìn)劑時，二個構(gòu)效關(guān)系的平均相對誤差分別為-1.92%和-2.79%，表明該構(gòu)效關(guān)系可快速、準(zhǔn)確地預(yù)估含高氮化合物推進(jìn)劑的能量性能。在此基礎(chǔ)上，研究了高氮高能化合物性質(zhì)對火箭推進(jìn)劑和富燃料推進(jìn)劑比沖的影

7、響規(guī)律。
　　以含能添加劑取代 AP后，富燃料推進(jìn)劑的比沖提高，推進(jìn)劑/空氣體系的平均燃燒溫度和氣態(tài)燃燒產(chǎn)物平均分子量增大。含能添加劑的含量相同時，加含能添加劑富燃料推進(jìn)劑的比沖順序?yàn)椋篗zF>DAF>DAAzF>RDX>DNAF。隨著含能添加劑含量增加，推進(jìn)劑/空氣體系平均燃燒溫度和推進(jìn)劑比沖均呈現(xiàn)升高的趨勢。含能添加劑分子中的C原子數(shù)和O原子數(shù)是影響富燃料推進(jìn)劑比沖的最顯著影響因素。
　　以含能添加劑取代Al-M g合金

8、后，推進(jìn)劑比沖和推進(jìn)劑/空氣體系的平均燃燒溫度降低、氣態(tài)燃燒產(chǎn)物平均分子量增大。隨著推進(jìn)劑中含能添加劑含量增加，推進(jìn)劑比沖和推進(jìn)劑/空氣體系的平均燃燒溫度降低，該體系的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物平均分子量升高。含能添加劑的取代 Al-Mg合金量相同時，含不同含能添加劑的推進(jìn)劑比沖順序?yàn)椋篗zF>DAF>DAAzF>RDX>DNAF。
　　用DNAF和RDX取代AP可以提高富燃料推進(jìn)劑的一次燃速和燃速壓強(qiáng)指數(shù)。高取代量下，DAF、MzF及DAAz