双呋咱并吡嗪耐热含能化合物的设计、合成及热性能研究

Heat-resistant energetic material plays an important role in military, space industry and exploration of energy resource. To solve the development limit of current heat-resistant energetic material, we design a series of new heat-resistant energetic materials by incorporating heat-resistant functional groups such as polynitro aromatic group to difurazanopyrazine ring. They have the advantages of furazanopyrazine compound as high energy and high positive heat enthalpy of formation, while the thermal stability is increased. This project intends to predict the electronic structure, density, heat enthalpy of formation and explosive properties of desire compounds by using theoretical chemistry method, explore the relationship between molecular structure and stability, and then select target compounds with excellent properties. Researches on synthesis and selection of proper reaction conditions are performed, and samples are obtained with structure characterization. Finally, study on thermal decomposition kinetics and mechanism of desire compound are carried out to reveal the thermal decomposition properties and mechanism. The successful actualization of this project will be great value for the development of design and synthetic method and improvement of heat stability of new heat-resistant energetic materials.

耐热含能材料在军事、航天工程和能源探索中发挥着重要的作用。为解决现有耐热含能材料的发展瓶颈，以双呋咱并吡嗪环为母体，引入多硝基芳环等多种耐热官能团，设计了一系列新型耐热含能化合物。它们一方面保留了呋咱并吡嗪化合物高能量、高正生成焓的优点，同时又进一步提高了其热稳定性。本课题拟使用理论化学方法，预测目标化合物的电子结构、密度、生成焓和爆轰性能参数，探索分子结构与其稳定性之间的关系，筛选出性能优异的目标化合物。开展合成探索研究，筛选适宜的反应条件，获得样品并进行结构表征。最后对目标分子进行热分解动力学和热分解机理研究，揭示其热分解特性和作用机理。本项目的成功实施，对于新型耐热炸药设计思路、合成方法的发展和热稳定性的提高具有重要的指导意义。

耐热含能材料在航天、军事和石油钻探领域具有广泛的用途。本课题通过分子设计和合成方法研究，探索获得了一系列新型耐热含能化合物，并对其物化性能、理论爆轰性能及热性能进行了研究。首先设计了一系列新型双呋咱并吡嗪含能离子盐，基于密度泛函理论(DFT)和体积基热动力学方法计算了离子盐的密度、生成焓、能量特性、撞击感度和生成热动力学等性能，结果表明上述材料具有优良的爆轰性能和较低的机械感度。分别基于多呋咱（氧化呋咱）并氮杂环庚三烯母体环和双呋咱并吡嗪母体环设计合成了8种耐热含能化合物和7种含能离子盐，完成结构表征并获得了4种化合物的单晶结构，对上述材料的热稳定性、感度及理论爆轰性能进行了研究，结果表明多种化合物具有优良的热稳定性（＞300℃）和极低的机械感度（IS >40 J and FS > 360 N）。采用DSC、TG、TG-FTIR、TG-MS等方法，对比研究了新型耐热化合物TNBP及经典耐热化合物PYX、z-TACOT的热分解动力学参数及分解机理，结果表明TNBP的热稳定性明显优于PYX和z-TACOT。综合上述结果，本工作进一步推动了耐热含能材料领域的发展和创新，同时对于深入认识耐热含能材料的构效机制提供了重要的启示。项目资助发表研究论文26篇，其中SCI收录22篇，待发表4篇。培养硕士研究生2名，博士研究生2名。