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呋咱类高氮化合物分子设计、合成及应用研究认领

被引量： 3

作者：

张君启

学位授予单位：

国防科学技术大学

摘要：

固体推进剂的高能化是推进剂研究的永恒主题。而推进剂的高能化取决于高能量密度材料的研发和应用。呋咱类高氮化合物具有标准生成焓高、晶体密度大、热稳定性好、安全钝感等特点,而且其合成相对简单、产率高及原料相对便宜,应用于推进剂中将有望大幅度提高推进剂的能量性能,具有广泛的应用前景。目前,我国的相关研究处于起步阶段,主要问题在于缺乏呋咱类高氮化合物理论性能的预测方法,缺乏对呋咱类高氮化合物分子结构与推进剂能性能构效关系的深刻认识。因此,需要系统研究呋咱类高氮化合物的合成方法和性质,明确该类化合物的性质对推进剂能量性能和一次燃烧性能的影响规律,实现对高能量密度化合物分子设计、合成及应用研究提供科学的理论指导。本文以提高富燃料推进剂的能量性能和一次燃烧性能为背景,以认识呋咱类高氮高能量密度化合物分子的性质与推进剂能量性能的构效关系为核心,系统研究了呋咱类高氮化合物的分子构型、电子结构、热力学性能等性能。建立了描述高能量密度化合物分子特征的分子编码方法;采用人工神经网络方法,实现了高能量密度化合物晶体生成焓的计算和预测。合成了6种呋咱类高氮化合物,考察了分子结构对呋咱类高氮化合物安全性能的影响。采用虚拟均匀设计和逐步线性回归分析方法,构建了呋咱类高氮化合物分子性质与推进剂能量性能之间的定量构效关系。明确了含呋咱类高氮化合物富燃料推进剂能量性能和一次燃烧性能的影响因素和作用机制。量子化学计算结果表明,呋咱环为近平面共轭环,但共轭性较弱。呋咱环为缺电子基团,因此呋咱类高氮化合物发生氧化反应时,氧化性进攻基团将首先攻击分子中的富电子取代基,而非进攻呋咱环生成氧化呋咱。环中N-O键集居数最小,是呋咱环的弱键,受激时将最先断裂。呋咱类高氮化合物热力学性能的理论计算结果显示,300K以下时,温度与呋咱类高氮化合物的热力学性能呈线性增加。随着温度升高,标准摩尔焓对温度的变化率增大,标准摩尔熵和标准摩尔定压热容对温度的变化率减小。建立了描述高能量密度化合物分子结构的分子编码方法。在此基础上,基于人工神经网络技术,开发了“高能量密度化合物晶体生成焓计算软件”。70种高氮化合物晶体生成焓计算结果的平均相对误差仅为0.36%。以DAF为原料,合成制备了6种呋咱类高氮化合物,其中一种为未见报道的稠环呋咱类高氮化合物——DNMz F。表征了呋咱类高氮化合物、与AP的二元混合物及含呋咱类高氮化合物药浆的安全性能。发现高氮化合物的安全性能与电子结构分析结果一致;二元混合物的感度要高于呋咱类高氮化合物单质感度,其感度与混合物氧平衡紧密相关;推进剂模拟药浆的感度则大大低于二元混合物的感度。采用虚拟均匀设计实验和逐步回归方法,得到了高氮高能化合物性质(分子组成、含量、氧平衡和标准生成焓)与其推进剂理论比冲之间的定量构效关系。结果显示,应用于富燃料和火箭推进剂时,二个构效关系的平均相对误差分别为-1.92%和-2.79%,表明该构效关系可快速、准确地预估含高氮化合物推进剂的能量性能。在此基础上,研究了高氮高能化合物性质对火箭推进剂和富燃料推进剂比冲的影响规律。以含能添加剂取代AP后,富燃料推进剂的比冲提高,推进剂/空气体系的平均燃烧温度和气态燃烧产物平均分子量增大。含能添加剂的含量相同时,加含能添加剂富燃料推进剂的比冲顺序为:Mz F>DAF>DAAz F>RDX>DNAF。随着含能添加剂含量增加,推进剂/空气体系平均燃烧温度和推进剂比冲均呈现升高的趋势。含能添加剂分子中的C原子数和O原子数是影响富燃料推进剂比冲的最显著影响因素。以含能添加剂取代Al-Mg合金后,推进剂比冲和推进剂/空气体系的平均燃烧温度降低、气态燃烧产物平均分子量增大。随着推进剂中含能添加剂含量增加,推进剂比冲和推进剂/空气体系的平均燃烧温度降低,该体系的气态燃烧产物平均分子量升高。含能添加剂的取代Al-Mg合金量相同时,含不同含能添加剂的推进剂比冲顺序为:Mz F>DAF>DAAz F>RDX>DNAF。用DNAF和RDX取代AP可以提高富燃料推进剂的一次燃速和燃速压强指数。高取代量下,DAF、Mz F及DAAz F使富燃料推进剂一次燃速下降。随推进剂氧平衡和一次燃烧温度的升高,富燃料推进剂的一次燃速提高。

摘要译文

关键词：

呋咱; 高能量密度化合物; 富燃料推进剂; 分子设计; 合成; 构效关系; 能量性能; 一次燃烧性能

学位年度：

2014

学位类型：

博士

学科专业：

航空宇航科学与技术

导师：

张炜

中图分类号：

V512[固体推进剂]

学科分类号：

080501[材料学];0825[航空宇航科学与技术]

D O I：

10.7666/d.D01107959