新型高能炸药结构与性能的探索研究

It is a current aim to seek novel high energetic explosives with explosive power close to or higher than that of CL-20 and accepted remaining properties. However, it is usually difficult to achieve this aim by conventional means, due to the intrinsic energy-safety, even the energy limitation of traditional CHON explosives. In this project, we will study three new systems including CHNOF, high-energetic ionic salts and high-energetic cocrystals, thereby develop the design theory and the calculation methods for predicting related structures and detonation performances. In order to make clear the evolution mechanism of the new explosives undergoing heat and mechanical force, we will build atom-atom potential functions available for these explosives. At the same time, some designed explosives will be synthesized to bring into reality. Our project will obtain a program package to filter high-energetic materials in a high-flux way (including the design methods), a law about the effect of component and structure on the energy and stability, and the micro-mechanism when suffering from heat or mechanical force. Also, we will make an effort to obtain the new types of explosives which possess energy close to or higher than that of CL-20 and can be stablized at common conditions. Our research is helpful to develop the design theory, calculation and synthesis methods of explosives.

合成能量接近或高于CL-20且其它性能可以接受的新型高能炸药是炸药研究追求的新目标。但是，由于传统CHNO单质炸药固有的能量与安全性间的矛盾、甚至存在能量极限问题，难以通过传统方法实现这一目标。本项目以新型CHNOF的单质炸药、高能离子盐和高能共晶体系为研究对象，发展新型炸药的设计理论、结构与爆轰性能的计算方法，完善新型炸药分子势函数以开展热力条件下的演化机制研究，并开展这三类体系的合成探索。本项目将获得高能炸药快速筛选程序集（含设计方法），高能炸药的组成和结构对其能量和稳定性的影响规律及热力作用下的微观演化机制，并力求获得能量接近或超过CL-20且常态下稳定的新型高能炸药，以实现新的突破。本研究将对炸药的分子设计理论、计算方法及合成制备的发展具有积极的意义。

本项目以CHNOF单质炸药、高能离子盐和高能共晶为研究对象，开展了计算机模拟与实验相结合的研究。在炸药组成、结构与性能的计算方面：发现O--H，O--N，O--O是炸药晶体最主要的分子间作用，N、O含量高的炸药密度高且能量高；阐述了炸药中分子间氢键能够提升堆积密度的微观机理；开发了国内首个炸药关键性能高通量计算分析软件，将炸药的设计与筛选速度提升2个量级。在炸药稳定性的影响规律方面：发展出基于DFTB和ReaxFF的MD模拟研究炸药化学稳定性的方法；发现晶体中层状π-π堆积能有效地缓冲外部的物理刺激并降低撞击感度；提出通过增强分子间作用和它们的各向异性来构建低感高能共晶的策略；发现了一种可逆氢转移机制，可在一定程度上消耗外界刺激的能量，抑制热点形成，降低炸药感度。合成40多种CHON类新炸药：发展的联1,3,4-噁二唑新炸药（ICM-101，密度1.99 g/cm3）的爆轰性能、热稳定性均与CL-20相当，该成果是国际含能材料领域发表在Nature Communications上的首篇研究性论文；发展的N-偕二硝基-硝基四唑新炸药，密度1.97 g/cm3，是目前CHNO四唑类含能材料中的最高分子密度。合成近20种CHONF类新炸药：发现F基引入可提高晶体密度，获得一种密度达1.94 g/cm3的F偕二硝基取代呋咱；含F炸药化学稳定性好，F的引入可使偕二硝基近平面化，实现低感。合成100多种新型含能离子盐：获得2种性能与CL-20相当含能离子盐1-(2H-四唑-5-基)-5-硝氨四唑二肼盐（爆速9822 m/s）和三硝基甲基联环三唑羟氨盐（密度1.97 g/cm3，爆速9468 m/s）；发展出三元含能阴离子型含能盐的一锅法合成技术。本项目发展了炸药组成、结构和性能间关系的计算模拟技术，拓展了新型炸药的合成技术，为在含能材料领域开展计算与实验深度结合的研究模式打下了基础。