【摘 要】
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含能材料在民用和军事的诸多领域里着很广泛的应用。作为国家重要的战略能源,合成高能量密度化合物（HEDCs）一直是国内外研究的重点。本论文通过理论计算和模拟,对笼型和共晶炸药的分子设计及分子间相互作用和分解机理进行系统研究。其主要内容包括以下六个部分:1、氮杂双环[3.1.1]庚烷衍生物的分子设计以双环[3.1.1]庚烷为基本骨架,通过用氮原子取代双环[3.1.1]庚烷的叔碳原子,构建了两个氮杂双环
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含能材料在民用和军事的诸多领域里着很广泛的应用。作为国家重要的战略能源,合成高能量密度化合物（HEDCs）一直是国内外研究的重点。本论文通过理论计算和模拟,对笼型和共晶炸药的分子设计及分子间相互作用和分解机理进行系统研究。其主要内容包括以下六个部分:1、氮杂双环[3.1.1]庚烷衍生物的分子设计以双环[3.1.1]庚烷为基本骨架,通过用氮原子取代双环[3.1.1]庚烷的叔碳原子,构建了两个氮杂双环[3.1.1]庚烷分子:A和B;向A和B中引入一个或两个N-O基团,设计出三个氮杂双环[3.1.1]庚烷氮氧化物:A1、B1和B2;将B2分子中不同数量的H原子用硝基取代而得到氮杂双环[3.1.1]庚烷衍生物。采用密度泛函理论（DFT）方法,系统地研究了它们的几何构型、生成热、爆轰性能和撞击感度。根据爆轰性能和撞击感度相结合的标准,得到B2-3NO2是HEDCs的潜在候选物。2、笼型7-硝基-1,4,7-三氮杂双环[2.2.1]庚烷衍生物的分子设计设计了一个新的7-硝基-1,4,7-三氮杂双环[2.2.1]庚烷骨架,然后将-C（R2）-、-N（R）-和-O-等（R分别为H、NO2和NH2）高能基团作为分子内连接桥而得到新的笼型化合物A、B、C、D、E和F系列;通过向A、B和D的分子结构中引入-N（R）-键得到三种新的笼型化合物G、H和I系列。运用DFT方法,系统地研究了它们的几何构型、前线轨道能级差、生成热、爆轰性能和撞击感度。根据爆轰性能和撞击感度相结合的标准,A2、B3、C2和G3可作为潜在的HEDCs候选物。3、笼型RDX和HMX衍生物的分子设计和分子间相互作用基于1,3,5-三硝基-1,3,5-三氮杂环己烷（RDX）和1,3,5,7-四硝基-1,3,5,7-四氮杂环辛烷（HMX）分子骨架,通过将不同数量的-N（NO2）-和-N（NH2）-引入到RDX和HMX分子间,设计出一系列笼型化合物。采用DFT方法,系统地研究了它们的几何构型、前线轨道能级差、静电势、生成热、爆轰性能和撞击感度,筛选出TR2、TR3、TH2和TH4可被视为HEDCs的潜在候选物;通过约化密度梯度分析和电子密度差分析研究了分子间的相互作用,得到其对炸药撞击感度的影响。4、双环和笼型RDX衍生物的分子设计、分子间相互作用和热解机理将-N（NO2）-CH2-N（NO2）-、-N（NO2）-和-O-基团引入到RDX分子中设计了七个新的双环和笼型RDX衍生物。运用DFT方法,系统地研究了它们的几何构型、前线轨道能级差、静电势、生成热、爆轰性能和撞击感度,所有目标化合物可被视为HEDCs的潜在候选物;通过计算分子间的相互作用能、电子密度拓扑分析、约化密度梯度分析和电子密度差分析,发现R3最稳定;对性能最佳的R3晶体进行从头算分子动力学（AIMD）模拟,研究了在2500 K高温下的化学过程,发现有4个初始反应机理和2个后续分解反应,经过一系列开环和重组反应,逐渐断裂生成小分子。5、共晶炸药DAF:ADNP的性能、分子间相互作用和热解机理采用DFT方法,对共晶炸药DAF（3,4-二氨基呋喃）:ADNP（4-氨基-3,5-二硝基吡唑）的密度、爆轰性能和撞击感度进行了研究。与纯晶体相比,DAF:ADNP共晶的爆轰性能略有下降,但撞击感度却大大降低。通过理论方法研究了共晶中的分子间相互作用,表明共晶中的π-π堆积和较强的H···N作用显著地改善了分子间的相互作用,降低了共晶的撞击感度。采用密度泛函紧束缚分子动力学（DFTB-MD）方法,模拟了DAF:ADNP共晶在不同温度（2400-3000 K）下的分解过程,得到DAF和ADNP有四种不同的引发机理,并且通过一阶反应速率模型拟合得到动力学参数。6、CL-20基共晶炸药的性能、分子间相互作用和分解机理基于DFT计算,比较研究了CL-20（2,4,6,8,10-六硝基-2,4,6,8,10-六氮杂异伍兹烷）:DNP（2,4-二硝基-2,4-二氮杂戊烷）和CL-20:DNG（2,4-二硝基-2,4-二氮杂庚烷）共晶的性能和分子间相互作用。CL-20:DNP和CL-20:DNG共晶的爆轰性能比纯CL-20晶体略有下降,但撞击感度却大大降低。共晶中较强的氢键和vd W相互作用显著地改善了分子间的相互作用,降低了共晶的撞击感度。采用DFTB-MD方法,模拟了两个共晶在不同温度（1000、2000和3000 K）下和高温耦合高压（2000 K和1-5 GPa）的分解过程,得到CL-20、DNP和DNG分子的主要初始分解路径,后续分解机理及分解产物。
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