一种高能量密度材料及其设计方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种新型高能量密度材料2,7‑二硝基‑4N,9N‑二氧‑联([1,2,4]三唑)[1,5‑b:1′,5′‑e][1,2,4,5]四嗪及其设计方法和应用，属于含能材料和量子化学交叉领域。选择合适的平面状含能母体，用硝基或N‑氧基取代氢原子，在含能母体化合物、硝基的数量和N‑氧基的数量之间建立一个良好的平衡，使其兼具高能量和低感度，可作为黑索金、奥克托今和八硝基立方烷的替代物。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于含能材料和量子化学交叉领域，具体涉及一种高能量密度材料及其设计方法和应用。
技术介绍
随着国际竞争的日趋加剧，对含能材料的性能也提出了更高的要求，高能量密度材料应运而生。对于一种理想的有价值的高能量密度材料，其应同时具备高能量和低感度两个优点。但基于能量和感度的矛盾特性，符合此要求的含能材料很少。而含能材料通常是由含能母体化合物（如四唑和四嗪环）和富含能量的官能团（如硝基、硝氨基和叠氮基）。因此，为了能获得能量水平高且感度低综合性能优异的新型含能材料，有必要分析母体化合物和含能官能团的结构特点，以有效地利用它们的优点而摈弃缺点。若母体化合物对称性或平面性差，则热稳定性可能不佳，基于此母体得到的含能材料很可能感度很高，价值不高。且如果母体化合物的能量太低，则需要引入更多的含能官能团才能达到预期的能量水平要求，而过多的官能团必然会增加感度，损害含能化合物的使用安全性，降低其使用价值。因此，对母体的化合物的要求是既有一定的能量水平，结构上要尽量对称或平面，而对官能团的要求是既能一定程度上提高爆轰性能，而又不明显降低温度性。总之，在寻找新的含能材料的时候，要运用更先进的设计策略，合理地在母体化合物和官能团的种类和数量之间达到一个平衡，才更有可能得到综合性能优异，具有研究价值和使用前景的新型含能化合物。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的是提供一种能量水平高而感度低的综合性能优异的新型高能量密度材料，作为实验合成的目标物。本专利技术的第二个目的是提供一种新的先进含能材料的设计策略：在母体化合物、硝基的数量和N-氧基的数量之间建立了一个良好的平衡。本专利技术的高能量密度材料，为2,7-二硝基-4N,9N-二氧-联([1,2,4]三唑)[1,5-b:1′,5′-e][1,2,4,5]四嗪，命名为DNDOBTT，分子结构式如下：本专利技术的DNDOBTT是一个不含任何氢原子的平面共轭体系。其密度为2.05g/cm3，爆速D为9.6km/s，爆压P为44.2GPa，是高能炸药，可作为单质炸药的候选物。本专利技术的DNDOBTT，其最弱键的离解能为175.2kJ/mol，单分子自由空间为59Å3，撞击感度为73cm，是钝感高能炸药，可作为黑索金、奥克托今和八硝基立方烷的替代物。含能材料的实验合成不仅昂贵和危险，而且对环境和人类有伤害。因此，在实验操作前最好能寻到到合适的目标物。通过理论计算设计并筛选出综合性能优异目标物，有助于降低合成费用和危险性，提高安全性和效率。本专利技术所述高能量密度材料DNDOBTT的设计方法，具体步骤如下：（1）分子设计：首先，选择合适的含能母体即([1,2,4]三唑)[1,5-b:1′,5′-e][1,2,4,5]四嗪；然后，用两个硝基取代C-H键上的两个氢原子；最后，用N-氧基取代N-H，得到目标物质DNDOBTT；（2）结构优化：先后借助Chemdraw、Chem3D和GaussView构建模型，再运用高斯软件，采用B3LYP交换关联函数结构6-311G(d,p)基组优化DNDOBTT结构，是一个大的平面共轭分子；（3）含能性质计算：首先运用等键反应和赫斯定律计算DNDOBTT生成热，运用Politzer法计算其密度；再运用Kamlet-Jacobs公式计算其爆轰性能；（4）热稳定性和感度计算：首先对DNDOBTT进行NBO分析，选出较弱化学键；再在B3LYP/6-311G(d,p)水平上计算DNDOBTT的较弱键的键离解能；再运用Politzer法计算其单分子的自由空间和撞击感度。附图说明图1是本专利技术的几何结构图；图2是本专利技术DNDOBTT与黑索金、奥克托今和八硝基立方烷等几种著名含能材料的爆轰性能比较图；图3是本专利技术DNDOBTT的键级（BO）和键离解能（BDE）；图4是本专利技术DNDOBTT与黑索金、奥克托今和八硝基立方烷等几种著名含能材料的最弱键的BDE比较图。具体实施方式下面结合附图和实施案例对本专利技术进一步说明。在母体化合物、硝基的数量和N-氧基的数量之间建立了一个良好的平衡的设计策略，设计了一种新型高能量密度材料。用密度泛函理论优化了其结构，计算了其生成热、密度、爆热、爆速、爆压、键离解能、单分子自由空间和撞击感度。与黑索金、奥克托今和八硝基立方烷进行对比来评价其综合性能。具体实施方式如下：（1）分子设计首先，选择合适的含能母体即([1,2,4]三唑)[1,5-b:1′,5′-e][1,2,4,5]四嗪，命名为DOBTT，其是一个平面共轭体系，含氮量和密度较高，热稳定性好且感度低，是一个良好的含能母体化合物。其次，用两个硝基取代C-H键上的两个氢原子，提高密度、氧平衡生成热和爆轰性能，并且避免形成较弱的N-N键。最后用N-氧基取代N-H，既进一步提高了密度、氧平衡和含能性质，又避免形成容易断裂造成感度高的N-NO2键，得到了目标物质DNDOBTT。具体分子式如下：（2）结构优化先后借助Chemdraw、Chem3D和GaussView构建模型，再运用高斯软件，采用B3LYP交换关联函数结构6-311G(d,p)基组优化DNDOBTT结构，发现其是一个大的平面共轭分子，参见图1。（3）含能性质计算首先运用等键反应和赫斯定律计算DNDOBTT生成热，运用Politzer法计算其密度，最后运用Kamlet-Jacobs公式计算其爆轰性能，并与黑索金（RDX）、奥克托今（HMX）和八硝基立方烷（ONC）、1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯（FOX-7）和六硝基六氮杂异伍兹烷（CL-20）的性能进行对比。具体参见图2，包括爆热Q、爆速D和爆压P。经计算，所述DNDOBTT的密度为2.05g/cm3，高于黑索金（1.81g/cm3）、奥克托今（1.90g/cm3）和八硝基立方烷（1.98g/cm3）。爆速D为9.6km/s，爆压P为44.2GPa，高于黑索金（D=8.7km/s，P=34.5GPa）和奥克托今（D=9.1km/s，P=39.0GPa），而与八硝基立方烷（D=9.6km/s，P=43.6GPa）相当，是高能炸药，可作为单质炸药的候选物。（4）热稳定性和感度计算首先对DNDOBTT进行NBO分析，选出较弱化学键；再在B3LYP/6-311G(d,p)水平上计算DNDOBTT的较弱键的键离解能（BDE），并与黑索金、奥克托今和八硝基立方烷的最弱键的BDE值进行对比，参见图3和4。再运用Politzer法计算其单分子的自由空间和撞击感度。经计算，所述DNDOBTT最弱键的离解能为175.2kJ/mol，高于黑索金（153kJ/mol）、奥克托今（166kJ/mol）和八硝基立方烷（167kJ/mol），热稳定性优良。其单分子自由空间为59Å3，低于八硝基立方烷（74Å3），感度低于八硝基立方烷；撞击感度为73cm，优于黑索金（26cm）、奥克托今（29cm）和八硝基立方烷（40cm），是钝感高能炸药，可作为黑索金、奥克托今和八硝基立方烷的替代物。（5）性能评价综合比较DNDOBTT和黑索金、奥克托今和八硝基立方烷的密度、含能性质、热稳定性和感度来评价其综合性能，从而评定其是否适合用作实验合成的目标物质。上述步骤（3）中，密度的计算公式为：式中：M是分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高能量密度材料，其特征在于，为2,7‑二硝基‑4N,9N‑二氧‑联([1,2,4]三唑)[1,5‑b:1′,5′‑e][1,2,4,5]四嗪，将其命名为DNDOBTT，其分子结构式为：。

【技术特征摘要】
1.一种高能量密度材料，其特征在于，为2,7-二硝基-4N,9N-二氧-联([1,2,4]三唑)[1,5-b:1′,5′-e][1,2,4,5]四嗪，将其命名为DNDOBTT，其分子结构式为：。2.根据权利要求1所述的高能量密度材料，其特征在于：是一个不含任何氢原子的平面共轭体系。3.根据权利要求1所述的高能量密度材料，其特征在于：其密度为2.05g/cm3，爆速D为9.6km/s，爆压P为44.2GPa，最弱键的离解能为175.2kJ/mol，单分子自由空间为59Å3，撞击感度为73cm。4.一种权利要求1-3任一项所述的高能量密度材料的设计方法，其特征在于，包括：（1）分子设计：首先，选择合适的含能母体即([1,2,4]三唑)[1,5-b:1′,5′-e][1,2,4,5]四嗪；然后，用两个硝基取代C-H键上的两个氢原子；最后，用N-氧基取代N-H，得到目标物质DNDOBTT；（2）结构优化：先后借助Chemdraw、Chem3D和GaussView构建模型，再运用高斯软件，采用B3LYP交换关联函数结构6-311G(d,p)基组优化DNDOBTT结构，是一个大的平面共轭分子；（3）含能性质计算：首先运用等键反应和赫斯定律计算DNDOBTT的生...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴琼，谈玲华，杭祖圣，卜小海，李川龙，李恺，李启迪，倪钰惠，李杭，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32