烷基金刚烃是具有重要应用前景的高氧化安定高密度燃料,可为导弹、火箭、战斗机等飞行器提供推进能量。燃料的能量是决定飞行器性能的关键因素,在油箱体积一定的条件下,提高燃料的能量密度可以增加航程和载荷。此外,对于高超声速飞行器等高马赫数飞行的情况,空气流会在飞行器表面产生强烈的空气动力学加热,导致飞行器温度急剧升高,为了减小飞行器负荷需要采取燃料主动冷却的方法对高温部件进行冷却。因此高马赫数飞行对碳氢燃料的氧化安定性提出了更高的要求。金刚烃分子结构对称且紧凑,拥有高密度,而且结构中仅包含两种具有较强反应活性的碳原子,易于定向合成不同烷基取代的烷基金刚烃衍生物,进而实现对燃料性能的调控。本文结合燃料分子构效关系,基于碳骨架重排反应、烷基化反应和格氏反应合成了二甲基金刚烷燃料、多甲基金刚烷燃料、单取代乙基/丙基金刚烷燃料以及C15烷基金刚烃混合燃料。利用AlC13催化二甲基四氢双环戊二烯碳骨架重排反应合成了二甲基金刚烷燃料,二甲基金刚烷收率达到88.7%。通过DFT理论计算出六种二甲基金刚烷异构体的相对电子能和吉布斯自由能,并结合实验探究了重排反应中的甲基迁移过程,即甲基会经历从仲碳到叔碳原子的迁移过程,最终异构为1,3-二甲基金刚烷。通过调控反应条件,合成出烷基取代位置不同的二甲基金刚烷燃料,且烷基取代位置对二甲基金刚烷的燃料性质具有显著影响。合成的二甲基金刚烷燃料密度分别为0.922 g/mL和0.903 g/mL,且具有优异的低温流动性（冰点分别为-75℃和-60℃,-20℃黏度分别为23.4 mm2/s和13.4 mm2/s）,其中甲基位于叔碳原子的1,3-二甲基金刚烷（起始氧化温度为212.4℃）表现出优于JP-10燃料的氧化安定性（起始氧化温度为199.2℃）。利用AlBr3催化1,3-二甲基金刚烷烷基化反应定向合成了 1,3,5-三甲基金刚烷和1,3,5,7-四甲基金刚烷,收率分别为60%和80%,并探究了烷基化反应路径。通过高压差式扫描量热仪和小型快速氧化仪测定了多甲基金刚烷系列的氧化安定性,并阐述了多甲基金刚烷系列燃料分子结构与氧化安定性的构效关系。多甲基金刚烷的氧化安定性与分子结构中碳原子种类及数量相互关联,其中碳原子稳定性服从季碳原子＞伯碳原子＞仲碳原子＞叔碳原子。1,3,5,7-四甲基金刚烷表现出优异的氧化安定性（氧化起始温度为234.0℃,氧化诱导时间为1232.3 min）。更重要的是,将1,3,5,7-四甲基金刚烷添加至JP-10高密度燃料中,可以显著提高高密度燃料的氧化安定性（添加30 wt%1,3,5,7-四甲基金刚烷能够提高37.2%的氧化诱导时间）。通过浓缩格氏试剂和改变溶剂的方法来改进格氏反应,定向合成了 1-乙基金刚烷、2-乙基金刚烷和1-正丙基金刚烷,密度分别为0.940 g/mL、0.957 g/mL、0.932 g/mL。最终三种单取代乙基/丙基金刚烷的收率均大于75%。利用平板点火装置评价了烷基金刚烃的点火和燃烧性能（最低点火温度和点火延迟时间）。由于烷基取代基和金刚烃骨架的贡献,单取代乙基/丙基金刚烷具有比JP-10燃料更优异的燃烧性能,其中单取代乙基/丙基金刚烷最低点火温度均低于300℃,JP-10最低点火温度为370℃。1-乙基金刚烷和1-丙基金刚烷具有比JP-10燃料更高的氧化安定性。通过理论计算烷基金刚烃系列燃料的理论比冲,发现1-乙基金刚烷和2-乙基金刚烷的理论体积比冲均高于JP-10燃料。利用AlCl3催化四氢三环戊二烯碳骨架重排反应合成出以甲基 1,2-四亚甲基金刚烷为主的C15高密度烷基金刚烃混合燃料,并研究其综合燃料性质。该路线的特点是在高温和无溶剂条件下进行且催化剂用量少,烷基金刚烃液相收率最高可达85.6%。合成的C15烷基金刚烃混合燃料密度为0.976 g/mL,热值为40.6 MJ/L,冰点低于-70℃,氧化安定性优于JP-10燃料（起始氧化温度为201.7℃,氧化诱导时间为246.9 min）,最低点火温度为275℃,低于其他合成类烷基金刚烃燃料。最后,阐述和总结了烷基金刚烃分子结构与燃料性质（密度、冰点、黏度、氧化安定性、点火和燃烧性能、比冲）之间的构效关系。