与传统的含能化合物相比,富氮含能化合物不仅具有优越的爆轰性能,而且具有高摩尔生成焓、易于实现氧平衡、分解产物为清洁的氮气等优点,是理想的高能量密度材料。本文以硝基胍类含能衍生物为研究对象,设计并合成了一系列以硝基胍为基本单元结构的富氮含能化合物,并对它们进行结构表征和性能研究。设计了一系列富氮高能量密度化合物,并通过量子化学方法的密度泛函理论,在B3LYP/6-31G(d,p)基组下计算,研究了这些含能化合物的结构与性能之间的关系。综合考虑密度、爆轰性能和稳定性,筛选出1,2-二硝基胍、1-氨基-2-硝基胍和2,4,6,8-四硝基-3,7-二硝亚氨基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷是性能优异、稳定性较好的含能化合物。其中1,2-二硝基胍和1-氨基-2-硝基胍还可以作为合成一系列富氮含能离子化合物的重要前驱体。以1,2-二硝基胍去质子化的含能阴离子为基,配合不同的富氮含能阳离子,通过酸碱中和反应和复分解反应合成了一系列含能离子化合物,并研究了相关性能。其中,化合物1,2,3-三氨基胍1,2-二硝基胍盐的属于正交晶系,空间点群Pna21；化合物4-氨基-1,2,4-三唑1,2-二硝基胍盐属于单斜晶系,空间点群P21/c;这些化合物在50～700℃温度范围内完全分解,放热峰的峰温介于150～258℃之间；化合物3,6-二胍基-1,2,4,5-四嗪1,2-二硝基胍盐的临界爆炸温度(535.3 K)最高,具有较好的稳定性；化合物3,6-二肼基-1,2,4,5-四嗪1,2-二硝基胍盐的爆轰性能(8.88 km/s,32.8 GPa)最好。以1-氨基-2-硝基胍质子化的含能阳离子为基,配合不同的含能阴离子,通过酸碱中和反应以及复分解反应合成了一系列富氮含能离子化合物,并进行表征和性能研究。其中,化合物1-氨基-2--硝基胍硝酸盐属于三斜晶系,空间点群P-1；这些化合物的热分解过程在50～700℃温度范围内完全分解；它们均存在一个尖锐的主放热峰,峰温介于122～271℃之间；化合物1-氨基-2-硝基胍2,4,5-三硝基咪唑盐和1-氨基-2-硝基胍3,5-二硝基三唑盐存在熔点,分别为142.6和93.8℃;化合物1-氨基-2-硝基胍3,5-二硝基-1,2,4-三唑盐的临界爆炸温度最高(436.0 K),具有较好的稳定性；化合物1-氨基-2-硝基胍硝酸盐的爆轰性能最好：氧平衡为0,爆压(43.1 GPa)和爆速(9.78 km/s)均超过HMX,是一种潜在的高能量密度化合物的候选物。通过加成、缩合、酰化和硝化等基本有机单元反应制备了三种含能化合物7-亚氨基-3-硝亚氨基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷盐酸盐、3,7-二硝亚氨基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷和2,6-二硝基-3,7-二硝亚氨基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷,并研究了反应机理和相关性能。结果表明：化合物7-亚氨基-3-硝亚氨基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷盐酸盐属于正交晶系,空间点群Pna21;这三种化合物均在50～700℃温度范围内完全分解且没有熔点,只存在尖锐的放热峰,放热峰的峰温介于142～320℃之间；它们的临界爆炸温度分别为588.5,600.3和471.3 K,具适中的热稳定性；计算得到化合物3,7-二硝亚氨基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷的爆轰性能与RDX相当,化合物2,6-二硝基-3,7-二硝亚氨基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷的爆轰性能超过HMX,都是潜在的高能量密度化合物的候选物。以3,7-二硝亚氨基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷为反应底物,利用亲核试剂羟胺-O-磺酸和碘甲烷研究了五元氮杂环上的胺化反应和甲基化反应；以3,7-二硝亚氨基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷为反应底物,在碱性条件下分别与溴丙酮和溴乙酸甲酯发生亲核取代反应,合成了三种重要的含能中间体：2,6-二甲基-3,7-二硝亚氨基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷、2,6-二氧代丙基-3,7-二硝亚氨基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷和2,6-二甲氧羰基-3,7-二硝亚氨基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷,并得到其单晶结构：2,6-二氧代丙基-3,7-二硝亚氨基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷属于单斜晶系,空间点群为P21/c;2,6-二甲氧羰基-3,7-二硝亚氨基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷属于单斜晶系,空间点群为C2/c。此外,还研究了这两种含能中间体硝化反应。