氮—硝基含能材料电子结构和性能的研究

论文摘要

含有氮-硝基基团的含能材料,常见的是硝胺类炸药,由于具有能量较高、综合性好、原料来源广泛、制造工艺日趋成熟等优点,越来越多被应用在军事上,用于发射药和固体推进剂中以提高火药力和比冲。在各类型多系列含能材料中,氮杂环硝胺类化合物一直是研究的重点。在其发展过程中,最重要的就是作为氮杂环硝胺代表的HMX和RDX。炸药分子稳定性的理论研究是一个重要而困难的问题,人们提出了多种研究方法。近年来利用原子和分子结构理论在分子的电子层结构层次上进行研究越来越受到重视。本文采用密度泛函理论（DFT）B3LYP方法,利用Gaussian03软件包,结合Chem3D等软件,在6-31G基组下对奥克托今（HMX）和黑索今（RDX）晶体结构进行计算研究。从而分析得到键长、键角、共价键、净电荷、键集居数、总能量,前沿能隙等分子内部信息。同时对很少关注的DAX进行计算研究,探索DAX、RDX和HMX这一系氮杂硝胺系列之间的内部规律。另外对DNDC和NPI这两个同属于六元环的氮杂硝胺类（这里称之为RDX类）的炸药分子进行计算研究。分析其稳定性和相互作用的影响,对其性能的研究提出一些理论的解决方法。N-N键在影响氮杂环硝胺类含能分子的含能分子的爆破感度和稳定性方面起主要作用,也即在氮-硝基含能材料的爆破度和稳定性上面起着主要作用。在氮杂环硝胺系列中,揭示了DAX虽为四元环,但是能够稳定存在,并且在此系列中DAX、RDX和HMX中基本呈现了随环的增大,分子的稳定性降低的规律。在六元环氮杂硝胺中,也即RDX类中,从结构上而言,RDX、DNDC以及NPI分子都是稳定构型,但是DNDC和NPI分子中各原子带的净电荷所呈现的几何形状和分子自身几何构型在对称性方面低于RDX分子,于是在分子稳定性即钝感上弱于RDX。与此同时,在这三个分子内各类键相比,N-N键的键级最小,而且N-N键的键级排列顺序为:RDX分子内最大,NPI分子次之,DNDC的最小。于是,在稳定性上也是RDX分子内最大,NPI分子次之,DNDC的最小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 氮-硝基含能材料概述
• 1.2 含能材料的发展现状与趋势
• 1.3 最具代表性的氮杂环硝胺含能材料的物理化学常识
• 1.3.1 黑索今（RDX）
• 1.3.2 奥克托今（HMX）
• 1.4 氮-硝基含能材料的研究方法
• 1.5 理论研究氮-硝基含能材料的意义
• 1.6 前人的相关研究
• 1.7 本论文研究的内容
• 第2章 计算理论
• 2.1 理论概述
• 2.2 第一性原理计算法
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn定理
• 2.2.2 Kohn-Sham方程
• 2.3 半经验计算方法
• 2.4 力场方法
• 第3章 氮杂环硝胺中DAX、RDX和 HMX的模型与计算
• 3.1 DAX的模型与计算
• 3.1.1 DAX的计算模型
• 3.1.2 计算结果
• 3.2 RDX的模型与计算
• 3.2.1 RDX的计算模型
• 3.2.2 计算结果
• 3.3 HMX的计算模型与计算结果
• 3.3.1 HMX的计算模型
• 3.3.2 计算结果
• 3.4 计算结果讨论
• 3.4.1 结构参数
• 3.4.2 净电荷
• 3.4.3 键集居数
• 3.4.4 总能量和前沿能隙
• 第4章 氮杂环硝胺系列中六元环的计算模型及计算
• 4.1 NPI的模型与计算
• 4.1.1 NPI的计算模型
• 4.1.2 计算结果
• 4.2 DNDC的模型与计算
• 4.2.1 DNDC的计算模型
• 4.2.2 计算结果
• 4.3 共价键键级
• 4.4 总能量和能隙
• 4.5 结果讨论
• 4.5.1 结构参数
• 4.5.2 净电荷
• 4.5.3 共价键
• 4.5.4 总能量和能隙
• 第5章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文