高氮含能化合物的研究方法与发展前景简析*

2016-08-12文丽*

山西青年 2016年16期

关键词：潍坊化合物分子

文　丽*

潍坊科技学院，山东　潍坊　262700

高氮含能化合物的研究方法与发展前景简析*

文丽*

潍坊科技学院，山东潍坊262700

多氮化合物是理想的高能量密度材料，对多氮含能化合物的研究方法及主要性质和研究现状进行阐述，展望21世纪初期多能材料的发展趋势。

高氮含能；从头算方法；密度泛函理论

多氮化合物指分子结构中含有多个氮原子直接相连的化合物，叠氮化合物、高氮化合物是常见的多氮化合物，全部由氮元素组成的多氮化合物为氮簇化合物。为适应高新科技的发展，高氮含能化合物近年来发展迅速。多氮化合物具有高氮低碳氢含量、高生成热且易于实现氧平衡等特征，是理想的高能量密度材料。但由于多氮化合物的高张力特点造成了不稳定性，使得此类化合物的合成具有很大的难度。目前世界各国都在积极开展相关的研究工作，国内也有多所大学及科研机构从实验和理论上对多氮含能化合物进行相关的研究。

一、理论基础与研究方法

量子力学中在非相对论近似条件下，微观粒子的运动规律满足Schrödinger方程，粒子的运动状态用波函数Ψ来描述。其中定态Schrödinger方程表述如下：

(一)从头算方法

从头算方法是全电子的非经验计算方法，根据非相对论近似、Born-Oppenheimer近似和轨道近似三个基本物理模型的近似，利用数学上的变分以及微扰近似方法，不借助任何经验参数求解多原子分子体系Schrödinger方程的一种理论方法。

Born-Oppenheimer近似：原子核的质量远大于电子质量，运动中当原子核位置发生微小变化时，电子能迅速调整自己的运动使之与原子核的运动相适应，基于这一性质，可以建立简单化的分子动力学模型，在解薛定谔方程时将电子与原子核分开处理。

轨道近似：在非相对论近似及Born-Oppenheimer近似基础上，为简化计算利于求解，引入轨道近似。该近似是在核库仑场中，将每个电子均视为与其他电子对该电子作用的平均势相叠加而成的势场中运动，将库仑排斥作用平均化，从而单个电子的运动特性只取决于其他电子的平均密度分布而与后者的瞬时位置无关。

对各种不同的化学体系从头算方法采用基本相同的方法进行计算，对体系不作过多的简化。

(二)密度泛函理论

另一种量子力学方法：密度泛函理论(Density functional theory，DFT)也是研究多电子体系电子结构的方法，主要目标是用电子密度取代波函数作为研究的基本量，它是基于Kohn和Hohenberg提出的两个数学定理以及推出的一组方程发展起来的，常用来研究分子和凝聚态的性质。

第一个定理：由Schrödinger方程得到的基态能量只是电子密度的泛函。通过减少自由变量的数目，降低物理量的振动程度，加大收敛速度，结合分子动力学模拟方法，利用最优化理论获得电子密度分布。这个定理中未说这是个什么样的泛函，在第二定理中对这个泛函的性质做了定义：在以基态密度为变量的基础上将体系能量最小化，可以得到基态能量。

通过计算机模拟，利用从头算法和密度泛函理论，可以对拟合成分子的一些基本性能(如电子性质、几何结构、生成洽、反应热和分解能垒等)做出较准确地预测。这些信息有助于了解拟合成材料的性质，有助于判断新分子的稳定性、应用前景以及是否值得进行合成实验。

二、高氮含能化合物的应用及发展

现代武器的发展，提高能量是很重要的一个方面，同时要求降低弹药对外界刺激的敏感性，因为高氮化合物的特性，且分解产物为氮气，因此多氮化合物被称为“绿色含能材料”。

氮化合物中能级最低的状态是N2，能级较高状态是叠氮化合物，高氮和多氮化合物是能级更高的状态。多氮化合物的能量来源于键能，N-N单键的键能是9.5kj/mol,N=N键能是418.0kj/mol,n=n键能是954.0kj/mol。叠氮化合物、氮杂环有机化合物和咪唑化合物是目前合成的主要高氮含能化合物。

21世纪初，以GAP、B-GAP和BAMO为代表的叠氮化合物是实现高能低特征信号推进剂的主要品种。氮杂环有机化合物中氨基取代的多硝基芳香族化合物，具有密度高、热稳定性和钝感好等特点，鉴于此，可探索此类化合物在炸药、推进剂和发射药中的应用。