典型含能離子鹽中的氫鍵及其對結(jié)構(gòu)與性能影響的理論研究.pdf

1、含能離子鹽具有能量高、感度低以及環(huán)境友好等優(yōu)點，有望取代現(xiàn)有常用的單質(zhì)炸藥。但是，含能離子鹽的結(jié)構(gòu)-性能間關(guān)系尚不清晰，有待于深入研究。本文以含能離子鹽晶體中的氫鍵為切入點，采用量子化學(xué)、從頭算分子動力學(xué)及晶體結(jié)構(gòu)分析方法研究含能離子鹽晶體中氫鍵對結(jié)構(gòu)與性能的影響機(jī)制。
　　首先，二羥基聯(lián)四唑羥胺鹽(TKX-50)是近年合成出來的一種含能離子鹽，它具有高能量、高密度、低的撞擊感度、低毒性和易合成的優(yōu)點，有望成為下一代含能材料。與普

2、遍應(yīng)用的CHON含能材料不同的是，TKX-50具有強(qiáng)的分子間氫鍵(HBs)。通過從頭算分子動力學(xué)模擬剪切應(yīng)變及熱分解實驗研究強(qiáng)氫鍵對TKX-50穩(wěn)定性影響的雙面效應(yīng)。也就是說，一方面，TKX-50中陰陽離子間的強(qiáng)氫鍵作用形成于(010)面方向，從而形成了較強(qiáng)的層內(nèi)作用，而相鄰層間僅通過兩種最弱的氫鍵連接，這一特性有利于外界動能轉(zhuǎn)換成層間滑移，并降低撞擊感度；另一方面，TKX-50晶體中廣泛的氫鍵為H轉(zhuǎn)移(包括質(zhì)子轉(zhuǎn)移)準(zhǔn)備了條件，可加速

3、后期的熱分解。因此，氫鍵一方面有利于降低撞擊感度，另一方面又導(dǎo)致熱穩(wěn)定性降低。
　　此外，我們對羥胺鹽的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)用羥胺陽離子成鹽可增加含能離子鹽的堆積系數(shù)和堆積密度。分析表明，羥胺陽離子與陰離子間的分子間強(qiáng)氫鍵作用是增加含能離子鹽密度的主要原因。這種強(qiáng)氫鍵作用通常存在于羥胺類離子鹽中，卻罕見于其它離子鹽中，在中性含能分子晶體中基本不存在。與其它陽離子相比，羥胺陽離子通過強(qiáng)氫鍵作用得到高的堆積系數(shù)和相對高的晶體堆

4、積密度，彌補(bǔ)了羥胺陽離子相對較低分子密度的不足。此外，與普通炸藥中的氫鍵作用比較分析，我們發(fā)現(xiàn)最強(qiáng)氫鍵越短，堆積系數(shù)越大，這表明最強(qiáng)氫鍵作用可作為堆積系數(shù)的簡單指標(biāo)。因此，我們認(rèn)為增強(qiáng)分子間氫鍵是增加晶體緊密度的主要方法。
　　總之，在含能離子鹽中，強(qiáng)氫鍵是普遍存在的，本文研究了TKX-50晶體中強(qiáng)氫鍵的雙面作用。在TKX-50晶體的研究基礎(chǔ)上，分析了羥胺類離子鹽晶體以及不同陽離子的離子鹽晶體的氫鍵作用特點、堆積模式，研究得到結(jié)構(gòu)