摘要
硝基金刚烷类化合物是一类高能量高密度化合物（HEDC），具有较大的应用前景。氟原子具有较大的电负性，在硝基金刚烷类化合物中引入氟原子或通过氮原子取代骨架上碳原子，能够使化合物具备较高的晶体密度、爆轰性能和稳定性。本论文采用密度泛函理论（DFT）方法对设计的一系列含氟或硝基氮杂金刚烷的晶体密度、爆轰性能和稳定性进行系统研究，筛选出满足HEDC定量标准的含氟或硝基氮杂金刚烷含能化合物，为实验研究提供理论依据。论文主要内容如下： 1.采用DFT方法的三种泛函（B3LYP、M06-2X和B3PW91）结合六种基组（3-21G、6-31G、6-31G*、6-31G**、6-311G*和6-31+G**），对15种已有实验密度的金刚烷类化合物进行研究，得到理论密度，与实验晶体密度相比较，发现三种泛函结合除3-21G以外的其它基组的平均绝对偏差均较小（0.04～0.07g·cm-3），且存在良好的线性关系（相关系数均大于0.98，标准偏差均小于0.05）。综合考虑计算所需时间和资源，建议使用M06-2X/6-31G*方法预测金刚烷类化合物的晶体密度，既快速又较准确。 2.在六硝基金刚烷（HNA）中引入含氟基团（-CF3、-NF2、-SF5和-C(NO2)2NF2等），构建24种氟化HNA，运用M06-2X/6-31G*方法研究其晶体密度、爆轰性能和稳定性，发现C-NO2的键解离能最小，可能是该类化合物的热解引发键。氟化改性能够有效的提高化合物晶体密度、爆轰性能和稳定性，且含氟基团对晶体密度、爆轰性能和稳定性的贡献表现出良好的基团加和性。 3.用氮原子取代HNA骨架上的仲碳原子，再用含氟基团取代，设计出26种含氟多硝基氮杂金刚烷，运用M06-2X/6-31G*方法对其晶体密度、爆轰性能和稳定性进行系统研究。发现HNA经过氮杂硝化，其能量有显著提高。进一步FG取代后，发现-F、-NF2、-SF5、-C(NO2)2F和-C(NO2)2NF2基对爆轰性能影响较大，爆速和爆压进一步提升。 4.预测HNA和9-CF3-HNA的晶体结构，运用从头算分子动力学方法，研究HNA与9-CF3-HNA的热解过程，探索含氟基团对HNA的热解的影响，发现氟化增大HNA热解的难度，提高了化合物的稳定性，对热解引发键不产生影响。
NETL