硼系含能材料的合成及其对推进剂性能的影响研究
发布时间：2021-02-24 16:20
如今,人们对含硼推进剂的研究不断深入,这得益于非金属离子型含能材料研究的兴起,原本只出现在起爆药和混合含能材料中的F、B、Mg、Al和Gu等金属元素也被引入单质含能材料骨架中。将硼元素与富氮杂环通过化学键相结合是一种可以显著提高含能化合物的燃烧性能的方法,在确保推进剂具有高热值的同时,可以有效地解决硼在燃烧过程中产生的氧化物覆盖在硼颗粒表面而影响反应进行的问题,这也是含硼推进剂可能的发展方向,更对含能有机硼化合物的深入研究具备重要意义。本文以双氰胺和盐酸肼为原料,经缩合环化、重排、氧化反应得到5-氨基-3-硝基-1,2,4-三唑。以二乙二醇二甲醚作为高温反应溶剂,在145℃下与硼氢化钾反应48h,得到目标产物四（5-氨基-3-硝基-1,2,4-三唑基）硼酸钾盐。通过红外光谱仪（FT-IR）、熔点分析仪、元素分析、X射线光电子能谱分析（XPS）和能量色散X射线光谱仪（EDS）等手段对中间体和目标产物进行表征,并对合成工艺条件进行优化。此外,采用差示扫描量热仪探究了目标产物与推进剂主要组分的相容性。结果显示,四（5-氨基-3-硝基-1,2,4-三唑基）硼酸钾盐与白炭黑、TPB之间没有明显的...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CL-20分子结构
中北大学学位论文5表1.1固体氧化剂的基本性能Table1.1Basicpropertiesofsolidoxidants1.2.2含硼含能化合物研究进展硼原子具有较高的热值,硝基是典型的含能基团,硼氮键化合物的理论计算研究早已引起学者们的关注,硼氮化合物也被大量合成。2013年ThomasM.Klaptke[47]等合成报道了一系列的聚硝基唑硼酸盐并给出了合成路线，其结构式如图所示：图1.2聚硝基唑硼酸盐分子结构Figure1.2Molecularstructureofpolynitroazoleborate合成过程为在较高温度下，相应的唑环与硼氢化物反应，生成目标化合物。研究发现反应时间和目标产物受反应温度和投料比,加入浓度的影响，较高的稀释度会使反应条件恶化，但是对于更高的唑基取代，不管是升高反应温度还是增加投料比，都未能实现更高的取代，原因可能是活化第三第四个氢化物所需要较高的温度或者相应的唑环较低的分解温度导致。序号氧化剂分子式熔点/℃生成热(kJ/mol)密度（g/cm3）氧平衡%1ANNH4NO3170-3651.72202APNH4CIO4130-2961.95343HPN2H5CIO4170-1781.94244HP2N2H6(CIO4)2170-2932.20415NPNO2CIO4120372.22666RDXC3H6N6O6204711.82-21.67HMXC4H8N8O8278751.96-21.68ADNNH4N(NO2)290-1501.8225.89HNFN2H5C(NO2)3295-721.9013.1
中北大学学位论文6在烟火应用中，将硝酸钡与镁结合使用产生亚稳态的BaCI，它是发光物质，可提高燃烧速度并改善色彩性能[48]。但由于未含有任何能量特性，不利与烟火技术的发展。2014年ThomasM.Klaptke[49]等合成报道了一种性能优良的含能硼酯－三（2-（3-硝基-1,2,4-三唑基乙基）硼酸盐，其结构式如图：图1.3三（2-（3-硝基-1,2,4-三唑基乙基）硼酸盐分子结构Figure1.3Molecularstructureoftris(2-(3-nitro-1,2,4-triazolylethyl)borate在含有氢氧化钠的溶液中，3-硝基-1,2,4-三唑与2-氯乙醇通过烷基化反应，生成3-硝基-1-（2-羟乙基）-1,2,4三唑，继续与三氯化硼反应得到目标产物，产率为40％。其在空气中可以稳定的存在，不发生水解，对撞击不敏感但对摩擦敏感，其爆轰性能参数未见报道。2015年MartinRahm[50]首次报道了一种高能量密度含能材料-（二硝基酰胺基）硼烷，通过二硝基酰胺酸与氨-硼烷反应合成了氨-二（二硝酰胺基）硼烷。氨-单（二硝基酰胺基）硼烷是一种完全氧平衡的高能量密度材料（HEDM)，虽然实际应用来说热性能不稳定，但它预测的固体火箭推进剂的比冲值是333秒，与季戊四醇四硝酸酯（PETN）相当，并且显着超过三硝基甲苯（TNT）。1.2.3含能离子盐的研究进展随着离子液体的探究不断发展，引出了含能离子盐的概念并广泛应用于含能材料分子设计中[51-52]。这类分子中包含N-N、C-N化学键，从而导致较高的生成焓，生成焓的高低直接决定着推进剂的整体能量水平。富氮杂环化合物主要包括三唑、四唑和呋咱等五元氮杂环和六元氮杂环，如三嗪、四嗪为基的化合物等。本文综述了以富氮
【参考文献】：
期刊论文
[1]二硝基胍在固体推进剂中的能量性能分析[J]. 李猛,赵凤起,徐司雨,郝海霞,裴庆,姚二岗,姜菡雨. 化学推进剂与高分子材料. 2016(02)
[2]1-氨基-3-硝基-5-（5-氨基-3-硝基-1,2,4-三唑-1-基）-1,2,4-三唑的合成及性能[J]. 易潜洪,黄明,谭碧生,贺云,屈延阳,刘玉存. 含能材料. 2015(11)
[3]新型联四唑类含能材料TKX–50的研究进展[J]. 苗成才,吉应旭,钱露,冯晓晶,刘长波,朱天兵,马会强,张寿忠. 化学推进剂与高分子材料. 2015(05)
[4]含能材料相容性评定方法研究进展[J]. 杨钊飞,赵凤起,李鑫. 四川兵工学报. 2015(03)
[5]含1-氨基-1,2,3-三唑硝酸盐（ATZ-NO3）推进剂能量特性[J]. 杜旭杰,李晓东,邹美帅,杨荣杰,李玉川,庞思平. 北京理工大学学报. 2014(10)
[6]1-氨基-3,5-二硝基-1,2,4-三唑的合成工艺改进及性能[J]. 贺云,范桂娟,张光全,黄明,刘玉存. 含能材料. 2014(02)
[7]5-氨基-3-硝基-1,2,4-三唑的合成及反应性研究进展[J]. 贺云,范桂娟,张光全,黄明,刘玉存. 含能材料. 2012(06)
[8]1,5-二氨基-3-硝基-1,2,4-三唑的合成及晶体结构[J]. 贾思媛,王伯周,郝成刚,张海昊,周群,王锡杰. 火炸药学报. 2012(03)
[9]基于有机阴离子的含能离子盐研究进展[J]. 黄海丰,周智明. 火炸药学报. 2012(03)
[10]1甲-基-3,5二-硝基-1,2,4三-唑的合成及表征[J]. 杨克明,曹端林,李永祥,王建龙,王鼎. 含能材料. 2011(05)
博士论文
[1]含硼富燃料推进剂一次燃烧性能研究[D]. 高东磊.国防科学技术大学 2009
硕士论文
[1]几种含氟类含能化合物的设计及合成研究[D]. 李洋.中北大学 2019
[2]三种高氮杂环含能化合物（BNTF、ANTF、DANBT）的合成研究[D]. 易潜洪.中北大学 2016
[3]球形化高氯酸铵的制备与表征及其热分解性能研究[D]. 李珊.北京理工大学 2015
[4]几种含能化合物在硝酸铵改性中的应用研究[D]. 周亭.南京理工大学 2013
[5]含硼推进剂一次燃烧产物点火燃烧特性研究[D]. 周华.浙江大学 2013
[6]1-甲基-3，5-二硝基-1，2，4-三唑的合成及性能研究[D]. 杨克明.中北大学 2011
本文编号：3049632
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CL-20分子结构
中北大学学位论文5表1.1固体氧化剂的基本性能Table1.1Basicpropertiesofsolidoxidants1.2.2含硼含能化合物研究进展硼原子具有较高的热值,硝基是典型的含能基团,硼氮键化合物的理论计算研究早已引起学者们的关注,硼氮化合物也被大量合成。2013年ThomasM.Klaptke[47]等合成报道了一系列的聚硝基唑硼酸盐并给出了合成路线，其结构式如图所示：图1.2聚硝基唑硼酸盐分子结构Figure1.2Molecularstructureofpolynitroazoleborate合成过程为在较高温度下，相应的唑环与硼氢化物反应，生成目标化合物。研究发现反应时间和目标产物受反应温度和投料比,加入浓度的影响，较高的稀释度会使反应条件恶化，但是对于更高的唑基取代，不管是升高反应温度还是增加投料比，都未能实现更高的取代，原因可能是活化第三第四个氢化物所需要较高的温度或者相应的唑环较低的分解温度导致。序号氧化剂分子式熔点/℃生成热(kJ/mol)密度（g/cm3）氧平衡%1ANNH4NO3170-3651.72202APNH4CIO4130-2961.95343HPN2H5CIO4170-1781.94244HP2N2H6(CIO4)2170-2932.20415NPNO2CIO4120372.22666RDXC3H6N6O6204711.82-21.67HMXC4H8N8O8278751.96-21.68ADNNH4N(NO2)290-1501.8225.89HNFN2H5C(NO2)3295-721.9013.1
中北大学学位论文6在烟火应用中，将硝酸钡与镁结合使用产生亚稳态的BaCI，它是发光物质，可提高燃烧速度并改善色彩性能[48]。但由于未含有任何能量特性，不利与烟火技术的发展。2014年ThomasM.Klaptke[49]等合成报道了一种性能优良的含能硼酯－三（2-（3-硝基-1,2,4-三唑基乙基）硼酸盐，其结构式如图：图1.3三（2-（3-硝基-1,2,4-三唑基乙基）硼酸盐分子结构Figure1.3Molecularstructureoftris(2-(3-nitro-1,2,4-triazolylethyl)borate在含有氢氧化钠的溶液中，3-硝基-1,2,4-三唑与2-氯乙醇通过烷基化反应，生成3-硝基-1-（2-羟乙基）-1,2,4三唑，继续与三氯化硼反应得到目标产物，产率为40％。其在空气中可以稳定的存在，不发生水解，对撞击不敏感但对摩擦敏感，其爆轰性能参数未见报道。2015年MartinRahm[50]首次报道了一种高能量密度含能材料-（二硝基酰胺基）硼烷，通过二硝基酰胺酸与氨-硼烷反应合成了氨-二（二硝酰胺基）硼烷。氨-单（二硝基酰胺基）硼烷是一种完全氧平衡的高能量密度材料（HEDM)，虽然实际应用来说热性能不稳定，但它预测的固体火箭推进剂的比冲值是333秒，与季戊四醇四硝酸酯（PETN）相当，并且显着超过三硝基甲苯（TNT）。1.2.3含能离子盐的研究进展随着离子液体的探究不断发展，引出了含能离子盐的概念并广泛应用于含能材料分子设计中[51-52]。这类分子中包含N-N、C-N化学键，从而导致较高的生成焓，生成焓的高低直接决定着推进剂的整体能量水平。富氮杂环化合物主要包括三唑、四唑和呋咱等五元氮杂环和六元氮杂环，如三嗪、四嗪为基的化合物等。本文综述了以富氮
【参考文献】：
期刊论文
[1]二硝基胍在固体推进剂中的能量性能分析[J]. 李猛,赵凤起,徐司雨,郝海霞,裴庆,姚二岗,姜菡雨. 化学推进剂与高分子材料. 2016(02)
[2]1-氨基-3-硝基-5-（5-氨基-3-硝基-1,2,4-三唑-1-基）-1,2,4-三唑的合成及性能[J]. 易潜洪,黄明,谭碧生,贺云,屈延阳,刘玉存. 含能材料. 2015(11)
[3]新型联四唑类含能材料TKX–50的研究进展[J]. 苗成才,吉应旭,钱露,冯晓晶,刘长波,朱天兵,马会强,张寿忠. 化学推进剂与高分子材料. 2015(05)
[4]含能材料相容性评定方法研究进展[J]. 杨钊飞,赵凤起,李鑫. 四川兵工学报. 2015(03)
[5]含1-氨基-1,2,3-三唑硝酸盐（ATZ-NO3）推进剂能量特性[J]. 杜旭杰,李晓东,邹美帅,杨荣杰,李玉川,庞思平. 北京理工大学学报. 2014(10)
[6]1-氨基-3,5-二硝基-1,2,4-三唑的合成工艺改进及性能[J]. 贺云,范桂娟,张光全,黄明,刘玉存. 含能材料. 2014(02)
[7]5-氨基-3-硝基-1,2,4-三唑的合成及反应性研究进展[J]. 贺云,范桂娟,张光全,黄明,刘玉存. 含能材料. 2012(06)
[8]1,5-二氨基-3-硝基-1,2,4-三唑的合成及晶体结构[J]. 贾思媛,王伯周,郝成刚,张海昊,周群,王锡杰. 火炸药学报. 2012(03)
[9]基于有机阴离子的含能离子盐研究进展[J]. 黄海丰,周智明. 火炸药学报. 2012(03)
[10]1甲-基-3,5二-硝基-1,2,4三-唑的合成及表征[J]. 杨克明,曹端林,李永祥,王建龙,王鼎. 含能材料. 2011(05)
博士论文
[1]含硼富燃料推进剂一次燃烧性能研究[D]. 高东磊.国防科学技术大学 2009
硕士论文
[1]几种含氟类含能化合物的设计及合成研究[D]. 李洋.中北大学 2019
[2]三种高氮杂环含能化合物（BNTF、ANTF、DANBT）的合成研究[D]. 易潜洪.中北大学 2016
[3]球形化高氯酸铵的制备与表征及其热分解性能研究[D]. 李珊.北京理工大学 2015
[4]几种含能化合物在硝酸铵改性中的应用研究[D]. 周亭.南京理工大学 2013
[5]含硼推进剂一次燃烧产物点火燃烧特性研究[D]. 周华.浙江大学 2013
[6]1-甲基-3，5-二硝基-1，2，4-三唑的合成及性能研究[D]. 杨克明.中北大学 2011
本文编号：3049632
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