高氮含能化合物的研究方法與發(fā)展前景簡(jiǎn)析*

文　麗*

濰坊科技學(xué)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(jiǎn)析*

文麗*

濰坊科技學(xué)院，山東濰坊262700

多氮化合物是理想的高能量密度材料，對(duì)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(jìn)行闡述，展望21世紀(jì)初期多能材料的發(fā)展趨勢(shì)。

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(gè)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(yīng)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?xì)浜?、高生成熱且易于?shí)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(diǎn)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(guó)都在積極開展相關(guān)的研究工作，國(guó)內(nèi)也有多所大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)從實(shí)驗(yàn)和理論上對(duì)多氮含能化合物進(jìn)行相關(guān)的研究。

一、理論基礎(chǔ)與研究方法

量子力學(xué)中在非相對(duì)論近似條件下，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律滿足Schr?dinger方程，粒子的運(yùn)動(dòng)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(yàn)計(jì)算方法，根據(jù)非相對(duì)論近似、Born-Oppenheimer近似和軌道近似三個(gè)基本物理模型的近似，利用數(shù)學(xué)上的變分以及微擾近似方法，不借助任何經(jīng)驗(yàn)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(yuǎn)大于電子質(zhì)量，運(yùn)動(dòng)中當(dāng)原子核位置發(fā)生微小變化時(shí)，電子能迅速調(diào)整自己的運(yùn)動(dòng)使之與原子核的運(yùn)動(dòng)相適應(yīng)，基于這一性質(zhì)，可以建立簡(jiǎn)單化的分子動(dòng)力學(xué)模型，在解薛定諤方程時(shí)將電子與原子核分開處理。

軌道近似：在非相對(duì)論近似及Born-Oppenheimer近似基礎(chǔ)上，為簡(jiǎn)化計(jì)算利于求解，引入軌道近似。該近似是在核庫侖場(chǎng)中，將每個(gè)電子均視為與其他電子對(duì)該電子作用的平均勢(shì)相疊加而成的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，將庫侖排斥作用平均化，從而單個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)特性只取決于其他電子的平均密度分布而與后者的瞬時(shí)位置無關(guān)。

對(duì)各種不同的化學(xué)體系從頭算方法采用基本相同的方法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)體系不作過多的簡(jiǎn)化。

(二)密度泛函理論

另一種量子力學(xué)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(biāo)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(gè)數(shù)學(xué)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(gè)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(dòng)程度，加大收斂速度，結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，利用最優(yōu)化理論獲得電子密度分布。這個(gè)定理中未說這是個(gè)什么樣的泛函，在第二定理中對(duì)這個(gè)泛函的性質(zhì)做了定義：在以基態(tài)密度為變量的基礎(chǔ)上將體系能量最小化，可以得到基態(tài)能量。

通過計(jì)算機(jī)模擬，利用從頭算法和密度泛函理論，可以對(duì)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(yīng)熱和分解能壘等)做出較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)。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(yīng)用前景以及是否值得進(jìn)行合成實(shí)驗(yàn)。

二、高氮含能化合物的應(yīng)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(gè)方面，同時(shí)要求降低彈藥對(duì)外界刺激的敏感性，因?yàn)楦叩衔锏奶匦裕曳纸猱a(chǎn)物為氮?dú)?，因此多氮化合物被稱為“綠色含能材料”。

氮化合物中能級(jí)最低的狀態(tài)是N2，能級(jí)較高狀態(tài)是疊氮化合物，高氮和多氮化合物是能級(jí)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(jī)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(jì)初，以GAP、B-GAP和BAMO為代表的疊氮化合物是實(shí)現(xiàn)高能低特征信號(hào)推進(jìn)劑的主要品種。氮雜環(huán)有機(jī)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(diǎn)，鑒于此，可探索此類化合物在炸藥、推進(jìn)劑和發(fā)射藥中的應(yīng)用。

三、結(jié)論

(一)21世紀(jì)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(jìn)劑等的研究動(dòng)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(shí)驗(yàn)室階段，在后期研究中應(yīng)該注重理論實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出新型多樣含氮化合物，并能大規(guī)模具體應(yīng)用。

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

TQ560.1A

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

*項(xiàng)目：濰坊科技學(xué)院校級(jí)課題(W14K026)。