含3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)推进剂的能量特性

利用国军标方法及CAD系统软件,在标准条件(pe/pc=70∶1)下,计算了含3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)的各类推进剂的能量特性,结果表明DNTF的单元推进剂比冲为2696.4N.s.kg-1,比CL-20单元推进剂的理论比冲还高31.1N.s.kg-1;用DNTF取代丁羟推进剂、改性双基推进剂以及GAP推进剂中的RDX或AP可以提高相应推进剂的理论比冲和特征速度。由于DNTF不含氯元素,且摩擦感度比RDX低得多,因此将DNTF引入推进剂中对提高推进剂的综合性能是有益的。

3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)的密度泛函理论研究(英文)

运用密度泛函理论(DFT)B 3LYP/6-31+G(d)方法对3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱进行了结构优化,得到其稳定构型。通过对其优化构型及自然原子电荷分析,证明O 14原子对DNTF的结构和性质的影响最大。IR振动光谱和NM R化学位移的计算值和理论值吻合得较好。化合物前线轨道组成分析表明,最高占据轨道(HOM O)主要由C(7)s,C(2)s,C(3)s,C(6)s,C(6)p,O(14)p和C(2)p构成,最低未占据轨道(LUM O)主要由C(7)s,C(16)s,C(7)p和N(11)p构成。

7H-三呋咱并[3,4-b:3',4'-f:3″,4″-d]氮杂环庚三烯及新型含能衍生物合成及性能的理论计算

以3,4-双(3'-硝基呋咱-4'-基)氧化呋咱(DNTF)为原料,经亲核取代、环化、还原反应得到7H-三呋咱并[3,4-b:3',4'-f:3″,4″-d]氮杂环庚三烯(HTFAZ);利用HTFAZ的反应活性,自主设计合成了两种新型含能化合物7-(2,4,6-三硝基苯基)-三呋咱并[3,4-b:3',4'-f:3″,4″-d]氮杂环庚三烯(化合物1)和7-(2,4,6-三硝基-3,5-二氨基苯基)-三呋咱并[3,4-b:3',4'-f:3″,4″-d]氮杂环庚三烯(化合物2),并采用红外、核磁(1H NMR、13C NMR)、元素分析等进行了结构表征;采用DSC方法研究了化合物1和化合物2的热性能;采用Kamlet-Jacobs方程预估了两种化合物的爆轰性能。结果表明,改进HTFAZ的合成路线后,HTFAZ的收率达到63. 2%;化合物1和化合物2的热分解温度分别为371. 7℃和296. 3℃,表现出良好的热稳定性;化合物1的密度为1. 90 g/cm^3,理论爆速为8033 m/s,理论爆压为30. 11 GPa,其爆轰性能优于TNT,密度和热稳定性高于TNT和RDX。

3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱的结晶热力学

在大气压力及298.15～338.15K 下采用激光动态法测定了3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱（DNTF）在不同体积比的乙酸-水混合溶剂中的溶解度,用Apelblat和（CNIBS）/Redlich-Kister经验模型对溶解度数据进行拟合,根据溶解度实验数据估算了DNTF的标准溶解焓、标准溶解熵、标准吉布斯自由能、固-液表面张力以及表面熵因子.通过测定DNTF在乙酸-水混合溶剂中的超溶解度,得到DNTF的冷却结晶介稳区,探讨了溶剂组成和温度对溶解度的影响.结果表明,用Apelblat模型和（CNIBS）/Redlich-Kister模型计算的溶解度值与实验值的平均相对误差分别为1.698%和3.001%;DNTF在乙酸-水溶液中的溶解度随温度的升高和乙酸含量的增加而增大;介稳区宽度随温度的增加而变宽,随乙酸含量的增大而变窄.

3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱冷却结晶动力学

采用间歇结晶器对3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)在V(乙酸)∶V(水)=7∶3的混合溶液中的冷却结晶动力学进行研究。以粒数衡算方程为基础,利用最小二乘法对实验数据进行多元线性回归,确定DNTF冷却结晶的成核和生长速率方程。结果表明,DNTF晶体的生长、成核速率相对于过饱和度的指数分别为3.83和1.3,说明增加系统的过饱和度能同时增加晶体的成核和生长速率,但生长速率增加更快;晶体成核速率对于悬浮粒子密度的指数高达2.14,说明随晶浆悬浮粒子密度的增加,晶体成核速率会显著上升而生长速率不变,这将不利于晶体的长大。

3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱结晶工艺

利用动态激光法测定了3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)在V(乙酸)∶V(水)=7∶3的混合溶剂中的溶解度及超溶解度,并用Apelblat方程对溶解度数据进行拟合。通过正交试验考察影响结晶产品的四个主要因素(起始温度、搅拌速率、降温速率和晶种量),并得到最优结晶工艺条件为:起始温度85℃,搅拌速率400 r·min^(-1),降温速率0.25℃·min^(-1),晶种量应为所加DNTF固体质量的5%。最优结晶工艺条件下结晶产品收率可达91.7%,纯度高达99.72%,晶体密度为1.876 g·cm^(-3),用2 kg落锤测得特性落高H50为36.38 cm,用电子显微镜观察晶体的形貌规则且统一,用XRD粉末衍射仪对产品进行表征,结果显示结晶产品没有转晶,用百特激光粒度仪对产品粒度分布进行表征,结果显示产品粒度分布较窄且粒度均一。

3,4-双(4'-硝基呋咱-3'-基)氧化呋咱合成、表征与性能研究

采用丙二腈为原料,经亚硝化、重排、肟化、脱水环化、分子间缩合环化以及氧化等反应合成含能化合物3,4-双(4'-硝基呋咱-3'-基)氧化呋咱(DNTF),总收率为43%,并采用红外光谱、核磁共振光谱、INADEQUATE谱、质谱和元素分析等进行了结构表征.开展了DNTF物化与爆轰性能研究,其密度1.937 g/cm3,熔点109～110℃,爆速8930 m/s(ρ=1.870 g/cm3),摩擦感度44%～60%(90°摆角),撞击感度80%～96%(10 kg,25 cm),特性落高H50为38.9 cm(5 kg),爆发点315～340℃,爆热5789 J/g(ρ=1.83 g/cm3),威力168.4%TNT当量,真空安定性(5 g样品,100℃,40 h)放气量1.09 mL.采用DSC法和TG-DTG法测定了DNTF的热稳定性,利用真空安定法研究了DNTF同1,3,5-三硝基-1,3,5-三氮杂环己烷(RDX),1,3,5,7-四硝基-1,3,5,7-四氮杂环辛烷(HMX),2,4,6-三硝基甲苯(TNT)及推进剂含能组分的相容性,结果表明:DNTF具有较好的热稳定性,其分解温度为253.56℃;良好的相容性,可与常用含能材料(RDX,HMX,TNT)相容.DNTF能量较高、熔点较低、机械感度适中,安定性好,可作为新一代熔铸混合炸药的液相载体.

DNAN降低DNTF冲击波感度研究

通过冲击波感度、红外光谱、X射线衍射和扫描电镜等试验,研究了3,4-二硝基氧化呋咱(DNTF)、二硝基茴香醚(DNAN)以及不同比例DNTF/DNAN共熔物冲击波感度的变化情况,从其红外谱图、晶面间距和晶体形貌的变化规律分析了DNAN降低DNTF冲击波感度的机理。研究结果表明,加入DNAN能够有效降低DNTF的冲击波感度,DNAN质量为20%左右综合性能较好,降低冲击波感度的同时,不产生晶体缺陷。

DNTF-CMDB推进剂的化学安定性

采用甲基紫法和维也里法研究了DNTF含量、NC与NG的质量比、增塑剂和安定剂的种类及其含量对DNTF-CMDB推进剂化学安定性的影响。结果表明,随着DNTF含量的增加,推进剂的维也里变色时间缩短,甲基紫变色时间增加。NC与NG的质量比对推进剂的化学安定性影响较小。用三乙二醇二硝酸酯(TEGDN)替代增塑剂NG有利于增加推进剂的化学安定性。在N,N′-二甲基-N,N′-二苯脲(C2)、2-硝基二苯胺(2-NDPA)、N-甲基-4-硝基苯胺(MNA)3种安定剂中含C2推进剂的维也里变色时间最长,含MNA推进剂的甲基紫变色时间最长。

DNP/DNTF低共熔物的二元相图及熔融动力学

为获得3,4-二硝基吡唑(DNP)/3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)二元混合体系的相图,深入了解其低共熔物的熔融过程,采用差示扫描量热法(DSC)研究了不同比例的DNP/DNTF混合体系的液化及熔融过程,建立了液化温度Tl与组成x的T-x相图、熔融焓ΔH与组成x的H-x相图;研究了不同升温速率5,10,15,20℃·min^(-1),不同添加剂奥克托今(HMX)、高氯酸铵(AP)和硝基胍(NQ)对低共熔物熔融过程的影响;通过Kissinger方程和Šatava-Šesták方程计算得到了低共熔物熔融过程的动力学参数活化能Ea、指前因子A和最概然机理函数。结果表明,从T-x相图得到的DNP/DNTF低共熔物的质量百分比为70.38/29.62,低共熔温度为76.38℃;由H⁃x相图得到的低共熔物组成为70.57/29.43。随升温速率的升高,熔融反应的开始温度和峰温延迟;HMX和NQ的加入使低共熔物的熔点明显后移,AP的加入对熔点影响不大。DNP/DNTF低共熔物的熔融动力学参数Ea和A为19.13 kJ·mol^(-1)和109.74 s^(-1),最概然机理函数的积分形式为:G(α)=(1-α)^(-1)-1。

DFTNAN/DNTF二元相图及低共熔物熔融动力学研究

通过测定3,5-二氟-2,4,6-三硝基苯甲醚(DFTNAN)/3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)二元混合体系熔融过程的差示扫描量热(DSC)特征量数据,建立了T-X和H-X二元相图,并获得了该混合体系低共熔物的组成和熔点。然后,研究了低共熔物以及熔点为80℃时混合物的黏度、机械感度和理论爆炸性能。分析了不同的升温速率和添加剂对低共熔物熔融过程的影响,并通过Satava-Sesták、Coats-Redfern和通用积分方程获得了低共熔物熔融过程的动力学参数E_(a)、A和最概然机理函数。结果表明,由T-X相图和H-X相图计算得到的DFTNAN/DNTF低共熔物的组成m(DFTNAN)m(DNTF)分别为62.9437.06和62.8837.12,低共熔温度为63.84℃。调节DFTNAN和DNTF的比例,可使混合体系既达到熔铸工艺要求的工艺温度(≥80℃),又能保持较高的能量水平和较低的感度。随着升温速率的提高,熔融反应起始温度和峰温发生相应的延后;添加HMX或RDX后,熔融起始温度发生较明显的后移;DFTNAN/DNTF低共熔物的熔融动力学参数E_(a)和lg A分别为32.95 kJ/mol和2.81,最概然机理函数为f(α)=(1-α)^(2/3)。

DNTF与TNT凝固行为的差异性分析

为了解3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)装药缺陷的形成原因,对比研究了DNTF和TNT的凝固行为。测试了DNTF和TNT的体积收缩率。用工业CT和扫描电镜观测了DNTF和TNT的凝固缺陷分布。用DSC和热导率测定仪测试了DNTF和TNT的热性能参数。用凝固速率测试装置获得了描述DNTF和TNT凝固过程的温度-时间曲线。结果表明,DNTF和TNT的体积收缩率分别为11.6%和12.7%。DNTF的缺陷分布较为分散,而TNT的缺陷分布较为集中。DNTF和TNT的凝固点、凝固热、比热容和热导率分别为110.2℃、100.2 J·g^(-1)、0.943 J·g^(-1)·℃^(-1)、0.197 W·m^(-1)·℃^(-1)和80.9℃、104.6 J·g^(-1)、1.278 J·g^(-1)·℃^(-1)、0.224 W·m^(-1)·℃^(-1)。DNTF的凝固速率高于TNT。随着凝固层厚度的增加,轴向上各层间发生凝固的间隔时间出现快速缩短的趋势。DNTF凝固过程具有体积凝固的特点,而TNT的凝固过程具有逐层凝固的特点。

DNTF-CMDB推进剂性能的实验研究

为研究DNTF-CMDB推进剂的性能，按照国军标方法测试了其能量、比容、燃烧性能、安全性能、力学性能和内弹道性能，并与HMX-CMDB推进剂的相关性能进行了比较。结果表明，DNTF-CMDB推进剂的比容较大、爆热和密度较小，其密度、爆热和比容分别为1．684g／cm^3、4586J／g和739L／kg；DNTF-CMDB推进剂可以实现平台燃烧，20～50℃的燃速温度敏感系数较大；对热刺激较为敏感，但机械感度较低；20℃和50℃时压缩率较高，分别为43．8％和46．4％，－40℃时抗压强度为175 MPa。50 mm发动机试验测得比冲约为2162．7 N ·s／kg（10 MPa）。

DNTF含量对改性双基推进剂动态力学性能的影响

采用动态力学分析(DMA)研究了不同含量3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)对DNTF-CMDB(DF)推进剂动态力学性能的影响,获得了DF系列推进剂的多频动态力学性能特征量。结果表明,DF推进剂的动态力学过程除了α转变外,有两个β转变峰,其中β1转变峰是DNTF的作用。DNTF的含量对DF系列推进剂高低温动态力学性能有较大影响;α转变的损耗角正切tanδ的峰温Tα及α和β转变的自由体积膨胀系数αf均与NG/NC和DNTF/NC含量比的组合合量相关;当DNTF含量为20%时,推进剂具有最佳的高低温力学性能。

DNTF/RDX-CMDB推进剂低温力学性能

用单轴抗拉实验、动态力学分析仪和简支梁抗冲实验研究了不同3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)/RDX配比对DNTF/RDX改性双基(CMDB)推进剂(DNTF/RDX-CMDB,DFR推进剂)力学性能的影响。获得了-40℃下DFR推进剂的抗拉强度(σm)、断裂延伸率(εm)及抗冲强度(aK)。根据"时间-温度"等效原理的WLF方程获得了DFR推进剂β松弛阶段的动态特征量黏弹系数(Cg1)。分析了组分含量对各力学性能的影响和σm、εm的变化规律。结果表明:低温下的σm、εm和aK均与增塑剂含量间存在相关性。增塑剂含量减小,粘弹系数增加,NC分子侧基的"自由体积"下降,导致抗拉强度、断裂延伸率等力学性能降低。

DNTF/RDX-CMDB推进剂动态力学性能

采用动态力学分析仪(DMA)研究了3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)与黑索今(RDX)不同配比对DNTF/RDX-CMDB(DFR)系列推进剂动态力学性能的影响,获得了DFR系列推进剂的动态力学特征量。结果表明:DNTF与RDX不同配比对DFR系列推进剂高低温动态力学性能具有较大影响;DFR系列推进剂的动态力学过程除高温段的主转变(α转变)外,低温段有2个次级转变(β转变,记为β1和β2),且认为β1'转变峰是DNTF的作用结果,RDX的加入不影响DNTF与硝化甘油(NG)、硝化棉(NC)侧基的相互作用;含有DNTF的样品整个次级转变损耗峰强度比不含DNTF的样品(即RDX-CMDB)大,低温下抵抗外力的能力增加,塑性或韧性提高。