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含能材料的热解被认为是爆炸过程中非常关键的一个环节,特别是炸药分子的最弱键的键离解能在最初的反应过程中起着很大的作用,研究炸药分子的键离解能有助于设计和合成新型的能够满足实际需要的炸药和推进剂。
密度泛函理论(DFT)是计算热力学反应的一个非常有效的方法。与量子化学从头计算法相比,最大的优势就在于它能够处理一些比较复杂的系统。首先,本文选择由臭氧、硝基甲烷、氰、黑索金(RDX)、二甲硝胺五种物质组成的体系,通过计算它们各自的偶极矩以及最弱键的键离解能,对分别由四种交换/相关函数和五种基组组合而成的多种密度泛函计算方法的精度和可靠性进行了比较。结果表明:当计算炸药分子的偶极矩和引发键离解能时,B3P86混合泛函与6-31G**基函数组合而成的密度泛函方法计算得到的结果最可靠、最准确。
其次,采用上述研究确定的最佳算法(B3P86/6-31G**),对多种多硝基芳香族炸药的撞击感度进行了理论研究。结果表明,利用引发键C-NO2的离解能可以很好的解释分子的撞击感度。影响上述炸药撞击感度的因素主要有硝基和氨基。在其它取代基的数目以及这些取代基在苯环上的位置相同时,上述炸药的撞击感度随硝基取代基数目的增加而增大,随氨基数目的增加而减小。此外,介于200cm-1-500cm-1频率区间内的振动模式个数与实验撞击感度值之间也存在一定的关联关系。
硝酸酯类化合物在国防和医学方面用途广泛,可以用作炸药和推进剂。最后,采用B3LYP方法,在6-31G*基组水平上,优化了硝酸丙酯单体的平衡几何构型,计算了分子中各键的离解能,结果表明该分子中最弱的键为O-NO2,次弱键为C-O。同时研究了热解机理,探索性的预测了断裂O-NO2及C-O后的产物,并采用量子化学从头计算法、半经验方法和密度泛函理论方法分别计算了硝酸丙酯的生成热,由半经验方法中的PM3得到的数值和实验结果符合较好。