高氮砌块型炸药的激光诱导反应及稳定化机理

Conventional explosives are mainly composed of C, H,O,N elements, the density and energy are hard to be further improved because of their molecular structures and crystal stacking styles. It is an imperative and challenging issue to design and synthesize novel explosives which break through the energy limitations of conventional explosives. Full-nitrogen compounds, a series of high energy compounds, their detonation performances are expected to be enhanced several times than conventional C, H,O,N based explosives. However, it is very difficult to be developed due to the shortage of the knowledges about the stability of molecular structure and spacial stacking. To break through this bottleneck, our research group will take nitrogen-rich building blocks (the number of adjoining-nitrogen atoms ≥ 3) as examples, including triazoles, tetrazines and their polycycles series-wound or fused rings shunt-wound derivatives, to explore the mechanisms of stabilization and initiation in terms of bond dissociation energy, resonance energy and strain energy, and investigate the polarization under the condition of electromagnetic fields and high pressures in terms of the first-principles, hyperhomodesmotic equations theoretical methods and laser-induced reaction methods, both at the level of molecular scale and crystal scale. This work will provide insight into the stabilization of full-nitrogen compounds and lay some foundations for the synthesis of novel full-nitrogen compounds.

传统炸药分子主要由C、H、O、N四种元素组成，受其分子结构和晶胞堆积方式的限制，炸药密度和能量的提高潜力已很小，设计、合成突破传统炸药局限性的新型高能炸药，是当前炸药研究中紧迫且具有挑战性的重大课题。全氮化合物可在现有炸药的基础上，将爆轰能量提高数倍。但是，当前对全氮结构的分子稳定性和分子空间堆积的稳定性认识不足，全氮炸药的研究举步维艰。为突破其瓶颈，本项目选择接近全氮的高氮砌块型炸药（相邻氮原子数≥3）为对象，采用第一性原理、超等键反应设计方法，分别从分子层面研究其键离解能、共振能和张力能，筛选结构稳定的高能多单砌块型化合物，从晶体层面研究分子在电磁场、高压下的极化性，获得最可几的晶胞堆积方式，采用激光诱导反应研究几种唑类、嗪类及其多环串联或稠环并联的高氮砌块型化合物的反应机理，从理论和实验的角度多尺度揭示该类炸药的稳定化和起爆机制，为全氮炸药的合成奠定理论基础。

探索高能、钝感、绿色含能材料的设计、合成及其应用是一项承前启后、继往开来的工作。高氮和全氮化合物就是理想的高能和绿色含能材料。但高氮和全氮化合物往往结构不稳定，感度高，难以实验合成。本研究用第一性原理及超等键反应设计，计算偶氮三唑类、硝基四唑类及偏四嗪类等高氮砌块型化合物，以期得到其感度水平的理论评价方法，理论研究高氮砌块型炸药的不同反应通道的活化能及反应机理；对高氮砌块型化合物进行激光诱导反应实验，选择和控制分解反应通道，理论研究一些全氮化合物稳定化的瓶颈问题。.因此，本研究中提出了“键非键耦合分子刚柔度法”，炸药分子在不同形式的外界能量作用下发生变形，其可变形能力的大小用分子刚柔度表示。分别用共振能、张力能和大pai-pai分离能的大小分别描述芳香性、非芳香型环形或笼型、大pai-pai互联型炸药分子的刚柔度；用动态极化率描述对于同分异构体、等电子体及结构相似炸药分子的刚柔度；X-NO2 (X=C, N, O)的键旋转能垒可以描述含不同硝基类型的炸药分子的刚柔度；在晶体中的空间自由体积亦可描述分子的刚柔度。分子刚柔度法可以衡量和炸药分子的感度，也能用于其它有机化合物的性能研究。.利用光谱技术系统研究了炸药晶体的电子能级和振动能级特征，结合现有激光器的特征波长，进行了激光共振激发炸药晶体实验。本项目通过自建共振激光激发试验装置，研究了炸药晶体在激光辐照下的反应特性。结果指出：在紫外激光辐照下，低平均能量密的连续紫外激光辐照即可以引起炸药晶体分解，高峰值功率密度的脉冲紫外激光诱导炸药辐照区发生局域微起爆；在可见或近红外激光辐照下，低平均能量密的连续可见激光辐照不会引起炸药晶体分解，高峰值功率密度的脉冲近红外激光诱导炸药辐照区出光面发生局域微起爆；在共振吸收的远红外激光辐照下，远红外激光加热炸药晶体效果显著，瞬间引起炸药气化，甚至爆燃。.建立的理论模型及炸药激光诱导的实验方法，对新型炸药的设计、合成及性能研究奠定了基础。