DCBNT的合成与性能及CBNT的结晶研究

摘要

近年来，含能离子盐由于具有较高的生成焓、较低的蒸气压、较低的挥发性和低毒性，成为高能材料领域的研究热点。5，5’-二硝铵基-3，3’-联-1，2，4-三唑碳酰肼盐一种新型的含能离子盐，简称为CBNT。CBNT的测量密度和计算爆速分别为1.95g·cm-3和9399m·s-1，可作为替代HMX和RDX的安全材料的候选材料，具有广阔的应用前景。本工作针对目前尚无CBNT的晶体结构、热力学参数等的报道，对其在多种溶剂中进行了单晶培养，并在已有CBNT的基础上，改变了合成思路，合成了一种新型含能三唑离子盐-5，5’-二硝铵基-3，3’-联-1，2，4-三唑双碳酰肼盐（DCBNT），并对此新盐的热力学参数（溶解度、溶解焓、溶解熵等）、爆炸参数和性能等进行了测试，为其进一步应用提供了理论和实验基础。本文具体工作如下： （1）基于CBNT的分子结构，从阴阳离子配比的思路出发，设计合成了一种新型的含能三唑离子盐-DCBNT，并通过单晶X射线衍射、元素分析、红外、和核磁等表征方式进行了分析表征。结果被证明具有可信性。 （2）对新合成的DCBNT进行了TG-DSC分析，在探索DCBNT的热分解规律的同时进行了DCBNT在5、10、15、20°C/min下的非等温动力学分析。结果发现DCBNT的主要分解峰温度在232°C附近，比CBNT（222°C）的主要分解峰温度高，说明DCBNT的热稳定性优于CBNT。 （3）对新合成的DCBNT的爆炸参数和爆炸性能进行了测试。结果表明，DCBNT的爆速和爆压分别为9234.87m/s和31.71GPa，撞击感度>40J，摩擦感度为216N，说明DCBNT具有较低的感度，可以认为其属于低感高能炸药。 （4）采用动态法利用CrystalSCAN多通道结晶设备测试了DCBNT在290K至360K温度范围内，在常见纯溶剂中的溶解度和混合溶剂中的溶解度。研究发现，在290K至360K温度范围内，DCBNT在所有溶解性较好的溶剂中的溶解度都随温度升高而增大。另外，DCBNT在纯溶剂和混合溶剂中的溶解度数据通过Apelblat模型、Yaws模型和Polynomial模型进行关联，三种模型的拟合结果基本一致；通过Apelblat方程得到的参数得出了吉布斯自由能、溶解焓、溶解熵等溶解过程的热力学参数值，结果表明，DCBNT在所有这些溶剂中的溶解过程都是吸热的，焓是标准吉布斯自由能的主要贡献因素。 （5）通过溶剂筛选方法研究了不同条件下CBNT在11种纯溶剂中的结晶，其中有两种晶体CBNT·2H2O和H2BNT·2DMSO分别在H2O和DMSO中被发现。另外在BL/H2O和DMF/H2O（体积比为1∶1）混合溶剂中制备出了H2BNT·2H2O和[NH2(CH3)2+]2[BNT2-]·2H2O晶体。通过单晶X射线衍射证实了四种新晶体的晶体结构。同时对于晶体中存在的相互作用进行了简要分析，并且分析了这些晶体结构出现的可能机制。另外还通过Hirsfield表面和分子静电势的理论模拟进一步分析了这些新晶体的分子相互作用，以解释这些晶体结构的演变。

目录

声明

1 引言

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 含能离子盐的研究现状

1.3 炸药结晶研究现状

1.4 课题研究内容

2 DCBNT的合成及性能研究

2.1 DCBNT的合成方法

2.2 实验试剂、药品及仪器

2.3 测试表征方法

2.4 结果讨论与分析

2.4.1 晶体分析方法及结果

2.4.2 晶体结构

2.4.3 DCBNT的热稳定性分析

2.4.4 非等温动力学分析

2.4.5 安全性能

2.5 本章小结

3 DCBNT的热力学研究

3.1 热力学基本理论

3.1.1 相平衡理论

3.1.2 溶解度

3.2 DCBNT的溶解度测试实验

3.2.1 实验试剂、药品

3.2.2 实验装置

3.2.3 溶解度测试实验

3.3 结果与讨论

3.3.1 DCBNT在纯溶剂中的溶解度

3.3.2 DCBNT在二元混合溶剂中的溶解度

3.3.3 DCBNT热力学性质

3.4 本章小结

4 CBNT的结晶研究

4.1 结晶学基本理论

4.1.1 晶体成核与生长

4.1.2 结晶设备与工艺

4.1.3 结晶影响因素

4.1.4 结晶行为

4.2 CBNT的结晶实验

4.2.1 实验药品、试剂及仪器

4.2.2 晶体制备实验

4.2.3 表征方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 固态形式筛选

4.3.2 X-射线衍射分析

4.3.3 热稳定性分析

4.3.4 晶体结构分析

4.3.5 氢键分析

4.3.6 Hirshfeld面

4.3.7 四个晶体的结构形成的可能机制

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 论文创新点

5.3 展望

参考文献

攻读硕士期间所取得的研究成果

致谢