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摘要为了减少硝基个数，降低其敏感性，本研究尝试将氮氧键引入CL-20分子来优化其分子结构。运用密度泛函理论（DFT）方法，对其二取代（A系列）、四取代（B系列）和751取代（C系列）衍生物的生成热（HOF）、爆速、爆压以及感度等性质进行计算研究。综合爆轰性能和感度性质，最后筛选出五种四取代的B系列候选物和751取代的C1分子，可作为潜在的高能密度化合物候选物，其中两种分子（B3和B6）的爆速约为10.0 km/s，爆压约为46.3 GPa。我们的预测结果可为设计和合成新型CL-20衍生物的提供参考。27319
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关键词 751硝基751氮杂异伍兹烷 密度泛函理论 氮氧化物 爆速和爆压 感度
毕业论文设计说明书外文摘要
Title Theoretical Prediction of Energetic Nitrogen-rich Compounds
Abstract
To decrease the number of nitro groups and the sensitivity, we try to introduce the N-oxides into CL-20. DFT-B3LYP/6-31G* method was used to study the heats of formation, electronic structure, and detonation properties of di-substituted (A series), tetra-substituted (B series), and hexa-substituted (C series) CL-20 derivatives. According to detonation properties and sensitivity, five compounds were selected as potential candidates of high-energy density compounds. Among them, the detonation velocities of B3 and B6 are about 10.0 km/s and their detonation pressures are about 46.3 GPa. Our results can be helpful for designing and synthesizing the new CL-20 derivatives.
Keywords HNIW DFT N-oxides Detonation velocity and detonation pressure Sensitivity
目 次
1 绪论 1
2 计算方法 4
2.1 生成热 6
2.2 爆速和爆压 8
2.3 感度表征量ΔV和h50 9
3 结果与讨论 11
3.1生成热 11
3.2爆轰性能 14
3.3感度 16
结论 17
致谢 18
参考文献 19
1 绪论
对于传统意义上的火炸药而言，高能和低感很难兼得。在早期应用阶段，使用者更注重火炸药拥有更多的单位能量；然而，其安全性同样不可忽视，因为在当今的实际应用中，钝感炸药更为实用[1~3]。就目前而言，许多高能量密度化合物（High Energy Density Compound，HEDCs）的稳定性仍然需要改进，为此寻找具有优良综合爆轰性能和更低感度的化合物——或者称为高能低感化合物——是当前含能材料研究者的重要工作方向之一[4~6]。
751硝基751氮杂异伍兹烷（2,4,6,8,10,12-hexanitrohexaazaisowurtzitane，简写为HNIW）简称为CL-20，该名得自其最早合成者——美国海军武器中心。CL-20最早合成于20世纪80年代[7]，但其具体合成步骤直到1998年才得以公开[8]。CL-20为一种笼形化合物，拥有多种晶型，在常温常压下可分离出的晶型有四种，分别用α、β、γ和ε来指代；其中ε型晶型密度最大(密度值可达2.04 g/cm3)，热稳定性也最好，据报道，目前得以应用于火炸药中的均为ε型CL-20[9]。CL-20因其高能量、高密度的特性以及卓越的爆轰性能，迄今也是得以应用的能量最高的单质炸药，故其获得了“突破性的第四代含能材料”，以及“最强大的非核炸药”的评价[10]。
图1.1 CL-20分子示意图
各国对CL-20以及其相关衍生物的研究均十分重视。近年来，国外广泛开展将CL-20应用于火炸药方面的研究，并取得了一定的进展，例如，研发出PBXW216、LX219和PAX212等多种型号的产品[11]。相应地，国内也已成功完成了CL-20的合成工作。就国内而言，自1990年左右开始着手进行CL-20的合成研究，其后北京理工大学的CL-20 合成课题组于1994年首次完成研究，成功制得了已知的在常温常压条件下的4种晶型(即前述的α、β、γ及ε)的CL-20[12]。其中，ε型的分子结构对称性最高，在热力学上性质最稳定，同时ε型的密度也最大，最有希望付诸实用[13]。后续的研究则发现了CL-20合成的三步法：第一步为N-取代的751氮杂异伍兹烷衍生物的合成；第二步为衍生物取代基的转化；第三步为对应转化物的硝化反应[14]。后经十多年的后续研究以及持续不断地优化工艺，据报道，现已建立了完整的CL-20中试生产线, 产品质量达到北约（NATO）相关标准[10]。