高氮含能化合物的研究方法與發(fā)展前景簡析*

文　麗*

濰坊科技學院，山東　濰坊　262700

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高氮含能化合物的研究方法與發(fā)展前景簡析*

文麗*

濰坊科技學院，山東濰坊262700

多氮化合物是理想的高能量密度材料，對多氮含能化合物的研究方法及主要性質(zhì)和研究現(xiàn)狀進行闡述，展望21世紀初期多能材料的發(fā)展趨勢。

高氮含能；從頭算方法；密度泛函理論

多氮化合物指分子結(jié)構(gòu)中含有多個氮原子直接相連的化合物，疊氮化合物、高氮化合物是常見的多氮化合物，全部由氮元素組成的多氮化合物為氮簇化合物。為適應高新科技的發(fā)展，高氮含能化合物近年來發(fā)展迅速。多氮化合物具有高氮低碳氫含量、高生成熱且易于實現(xiàn)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張力特點造成了不穩(wěn)定性，使得此類化合物的合成具有很大的難度。目前世界各國都在積極開展相關(guān)的研究工作，國內(nèi)也有多所大學及科研機構(gòu)從實驗和理論上對多氮含能化合物進行相關(guān)的研究。

一、理論基礎與研究方法

量子力學中在非相對論近似條件下，微觀粒子的運動規(guī)律滿足Schr?dinger方程，粒子的運動狀態(tài)用波函數(shù)Ψ來描述。其中定態(tài)Schr?dinger方程表述如下：

(一)從頭算方法

從頭算方法是全電子的非經(jīng)驗計算方法，根據(jù)非相對論近似、Born-Oppenheimer近似和軌道近似三個基本物理模型的近似，利用數(shù)學上的變分以及微擾近似方法，不借助任何經(jīng)驗參數(shù)求解多原子分子體系Schr?dinger方程的一種理論方法。

Born-Oppenheimer近似：原子核的質(zhì)量遠大于電子質(zhì)量，運動中當原子核位置發(fā)生微小變化時，電子能迅速調(diào)整自己的運動使之與原子核的運動相適應，基于這一性質(zhì)，可以建立簡單化的分子動力學模型，在解薛定諤方程時將電子與原子核分開處理。

軌道近似：在非相對論近似及Born-Oppenheimer近似基礎上，為簡化計算利于求解，引入軌道近似。該近似是在核庫侖場中，將每個電子均視為與其他電子對該電子作用的平均勢相疊加而成的勢場中運動，將庫侖排斥作用平均化，從而單個電子的運動特性只取決于其他電子的平均密度分布而與后者的瞬時位置無關(guān)。

對各種不同的化學體系從頭算方法采用基本相同的方法進行計算，對體系不作過多的簡化。

(二)密度泛函理論

另一種量子力學方法：密度泛函理論(Density functional theory，DFT)也是研究多電子體系電子結(jié)構(gòu)的方法，主要目標是用電子密度取代波函數(shù)作為研究的基本量，它是基于Kohn和Hohenberg提出的兩個數(shù)學定理以及推出的一組方程發(fā)展起來的，常用來研究分子和凝聚態(tài)的性質(zhì)。

第一個定理：由Schr?dinger方程得到的基態(tài)能量只是電子密度的泛函。通過減少自由變量的數(shù)目，降低物理量的振動程度，加大收斂速度，結(jié)合分子動力學模擬方法，利用最優(yōu)化理論獲得電子密度分布。這個定理中未說這是個什么樣的泛函，在第二定理中對這個泛函的性質(zhì)做了定義：在以基態(tài)密度為變量的基礎上將體系能量最小化，可以得到基態(tài)能量。

通過計算機模擬，利用從頭算法和密度泛函理論，可以對擬合成分子的一些基本性能(如電子性質(zhì)、幾何結(jié)構(gòu)、生成洽、反應熱和分解能壘等)做出較準確地預測。這些信息有助于了解擬合成材料的性質(zhì)，有助于判斷新分子的穩(wěn)定性、應用前景以及是否值得進行合成實驗。

二、高氮含能化合物的應用及發(fā)展

現(xiàn)代武器的發(fā)展，提高能量是很重要的一個方面，同時要求降低彈藥對外界刺激的敏感性，因為高氮化合物的特性，且分解產(chǎn)物為氮氣，因此多氮化合物被稱為“綠色含能材料”。

氮化合物中能級最低的狀態(tài)是N2，能級較高狀態(tài)是疊氮化合物，高氮和多氮化合物是能級更高的狀態(tài)。多氮化合物的能量來源于鍵能，N-N單鍵的鍵能是9.5kj/mol,N=N鍵能是418.0kj/mol,n=n鍵能是954.0kj/mol。疊氮化合物、氮雜環(huán)有機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世紀初，以GAP、B-GAP和BAMO為代表的疊氮化合物是實現(xiàn)高能低特征信號推進劑的主要品種。氮雜環(huán)有機化合物中氨基取代的多硝基芳香族化合物，具有密度高、熱穩(wěn)定性和鈍感好等特點，鑒于此，可探索此類化合物在炸藥、推進劑和發(fā)射藥中的應用。

三、結(jié)論

(一)21世紀初利用在含能粘結(jié)劑、含能增塑劑和高能氧化劑等方面取得的突破，研究合成新型含能材料；多關(guān)注含氟氧化劑,原子簇類、納米材料以及低溫固體推進劑等的研究動向。

(二)由于合成步驟多，原子利用率低，提純難度大等原因，合成研究多停留在實驗室階段，在后期研究中應該注重理論實驗和實際應用相結(jié)合，設計和生產(chǎn)出新型多樣含氮化合物，并能大規(guī)模具體應用。

文麗，女，碩士研究生，濰坊科技學院，講師，主要研究方向：物理課程與教學、原子與分子物理。

TQ560.1A

1006-0049-(2016)16-0034-01

*項目：濰坊科技學院校級課題(W14K026)。