高氮吡嗪类炸药化学反应诱发机理研究

High nitrogen pyrazine-based explosives with the represent of 2, 6-diamino-3, 5-dinitropyrazine-1-oxide (LLM-105) have great potential in military applications. Previous researches related to high nitrogen pyrazine-based explosives have mainly focused on material synthesis. However, there have been scarce micro-scale researches on the reaction kinetics of high nitrogen pyrazine-based explosives. In this project, LLM-105 and its analogues, 2, 6-diamino-3, 5-dinitropyrazine and 3, 5- diamino-2, 6, dinitropyrazine-1-oxide will be studied. Aiming at safety problems under abnormal environment, chemical reaction kinetic process of high nitrogen pyrazine-based explosives subjected to typical stimuli such as shock impact and high temperature will be studied in micro scale, by means of ultrafast time-resolved spectroscopy measurements, combined with quantum chemical calculation and molecular dynamics simulation. The induction condition of chemical reactions under typical stimuli and physical mechanism of the induction process for LLM-105 will be explored. The induction mechanism of chemical reactions for the same explosive under different stimuli and for different explosives under the same stimulus will be compared, in order to understand the effects of the micro structure of explosive and stimulus mode on the induction mechanism of chemical reactions. The aim of this project is to eventually reveal the induction mechanism of chemical reactions for high nitrogen pyrazine-based explosives. The results are expected to have great impact on developing molecular reaction dynamics model of high nitrogen pyrazine-based explosives. Besides, this study will be helpful for understanding on ignition mechanism and safety feature of explosives.

以2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-1-氧化物（LLM-105）为代表的高氮吡嗪类炸药军事应用前景良好。目前相关研究主要集中在合成领域，微细观尺度下的炸药反应动力学研究匮乏。本项目选择LLM-105及其类似物（2, 6-二氨基-3, 5-二硝基吡嗪、3,5-二氨基-2,6-二硝基吡嗪-1-氧化物）作为研究对象，针对异常环境下的安全性问题，借助于超快时间分辨光谱技术，结合量子化学计算、分子动力学模拟，从微细观尺度研究了冲击、高温等典型刺激下高氮吡嗪类炸药的化学反应动力学过程，探索典型刺激下炸药分子化学反应的诱发条件及物理机制，对比分析不同刺激下同种炸药以及相同刺激下不同炸药化学反应诱发机理的异同，认识炸药微细观结构、刺激方式与化学反应诱发机理之间的关系，以期揭示高氮吡嗪类炸药化学反应诱发机理。研究成果对于构建高氮吡嗪类炸药分子反应动力学模型以及提升炸药起爆机理和安全性认识具有重要意义。

本项目针对富氮杂环含能材料，研究了冲击、高温等典型刺激下炸药的化学反应动力学过程，探索典型刺激下炸药分子化学反应的诱发条件及物理机制。目前已发表和录用期刊论文10篇，其中国际期刊8篇、国内期刊2篇。公开发明专利3项，已授权1项。获得的主要结论包括：.1）选用聚甲基丙烯酸甲酯作为爆炸模拟物，揭示了纳秒激光和分离式霍普金森压杆这两种典型冲击方式下的圆孔型缺陷材料的行为差异。纳秒激光加载下，材料没有出现明显的变形和破坏，发生的主要现象是应力波的衍射和反射，得到了点火潜在热点的生成位置。在霍普金森压杆冲击加载下，发生的主要现象是材料的开裂及裂纹的生长，剪切引起的局部温升是导致点火的主要因素。上述差异主要是由于两种加载方式在加载强度、加载时间和加载速率上的巨大差异所造成的。.2）选用典型的富氮杂环含能材料（环三次甲基三硝胺，RDX），研究了典型刺激下RDX单质炸药和RDX混合炸药的反应行为差异，揭示了炸药微结构对于反应过程的影响。通过微细观实验，获得了单质炸药和含铝混合炸药反应过程的机理性认识，阐述了铝粉颗粒添加明显改善炸药燃烧反应特性的主要原因——即铝颗粒与空气中氧气的二次反应。基于快速压缩机平台，发展了产生快速均匀热刺激的加载手段。宏观实验结果表明，混入易燃的硝化棉-硝化甘油材料之后，炸药感度明显降低，炸药粉末颗粒度对点火延迟时间具有明显影响。.3）开展理论与实验研究，从微观角度研究了高氮炸药（三氨基三硝基苯）冲击驱动电子再分布，获得了冲击波作用下电子再分布的两条主要加载路径。开展量化计算，获得了典型含能材料的模型分子——硝基甲苯及异构体的初始反应通道，给出了硝基甲苯及异构体相互转化的反应通道。.上述研究加深了凝聚性炸药化学反应诱发机理的认识。研究成果对于构建炸药分子反应动力学模型以及提升炸药起爆机理和安全性认识具有重要意义。