工程6（2020）1006研究含能材料与交叉学科一种特殊的二维层状结构的高能量高稳定性稠环含能材料冯永安a，b，邓木聪b，宋四维b，陈思彤b，张清华b，张伟，JeanShreevea，a爱达荷大学化学系，莫斯科，ID 83844-2343，美国b中国工程物理研究院化学材料研究所，中国绵阳621900阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2019年2019年11月29日修订2020年1月8日接受在线预订2020年关键词：含能材料稠合杂环2D层状结构高能量稳定性灵敏度A B S T R A C T在过去的几十年中，具有良好机械灵敏度的高性能高能材料的产生一直是一个在这里，我们报告了一个有前途的稠环含能材料与一个不寻常的二维（2D）结构，4-硝基-7-叠氮基-吡唑-[3，4-d]-1，2，3-三嗪-2-氧化物（NAPTO），其独特的2D结构已被单晶X射线衍射证实。实验研究表明，该含能化合物具有很高的能量（爆速D= 9.12km·s-1，爆压P= 35.1GPa）、很好的感度（撞击感度IS=18J，摩擦感度FS=325N，静电放电感度EDS=0.32J）和很高的热分解温度（203.2 °C），具有高能量和低机械感度的双重优点。据我们所知，NAPTO是第一个具有二维层状晶体堆叠的熔融环含能材料采用分子模拟方法研究了超平二维层状结构对外界刺激的稳定机制，理论计算结果表明，超平二维层状结构通过将作用在材料上的机械能转化为层间滑动和压缩，比其他结构更能有效地缓冲外界的机械刺激.我们的研究揭示了熔融环2D层状结构在制造先进高能材料方面的巨大潜力©2020 THE COUNTORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。 这是一篇CCBY-NC-ND许可（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍含能材料（Energetic Materials，EMs）是一类能快速释放大量化学能的特殊能源材料，自1863年诺贝尔首次发现硝基甘油以来，它为人类文明进步和社会发展做出了巨大贡献[1，2]。在过去的几十年中，已经合成了许多基于各种主链的EM，例如烷烃、环烷烃、芳烃、应变笼杂环和氮杂环（图1（a））[3然而，具有非常巨大能量的EM通常遇到对外部刺激（例如，冲击、摩擦、静电火花和热），因此缺乏像2，4，6-三硝基甲苯（TNT）或1，3，5-三氨基-2，4，6-三硝基苯（TATB）那样的安全性。这使得大多数EM在军事和民用领域的生产、处理和使用都很*通讯作者。电子 邮件地 址：qinghuazhang@caep.cn （ Q. Zhang） ， jshreeve@uidaho.edu（J.M. Shreeve）。[21].新报道的2，4，6-三氨基-5-硝基嘧啶-1，3-二氧化物（ICM-102）可能是一种良好的钝感高能炸药，但其与水分子的强烈相互作用阻碍了其进一步应用（ICM-102的脱水温度高达178 ℃）[22]。最近，科学家们将注意力转向了稠环含能化合物，因为这些物质具有共轭结构和良好的分子稳定性;这些化合物的例子包括2，9-二硝基二三唑并[1，5-d：5 ′，1 ′-f]-1，2，3，4-四嗪（DNDTT）、1，2，9，10-四硝基二吡唑并[1，5-d：5 ′，1 ′-f]-1，2，3，4-四嗪（TNDPT）和3，6-二硝基吡唑并[4，3-c]吡唑-1，4-二胺（DNPPDA）（图1（a））[23-31]。这些化合物大多具有良好的热稳定性和优异的能量性能，但它们对机械刺激的不稳定性尚未完全解决。寻找具有良好安全性的强大EM仍然是一个重大挑战。二维（2D）层状结构通常被认为是有效https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.01.0132095-8099/©2020 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/engY. Feng等人 /工程6（2020）1006-10121007Fig. 1. (a)基于不同主链的各种高性能EM;（b）具有2D分层结构的稠环EM，如本工作中所报告的PETN：季戊四醇四硝酸酯; RDX：环三亚甲基三硝胺; HMX：环四亚甲基四硝胺; HNB：六硝基苯; ONC：八硝基立方烷; CL-20：六硝基-六氮杂异伍兹烷;DNT：1，5-二（硝氨基）四唑; DNPPDA：3，6-二硝基吡唑并[4，3-c]吡唑-1，4-二胺; TNDPT：1，2，9，10-四硝基二吡唑并[1，5-d：DNDTT：2，9-二硝基二三唑并[1，5-d：50，10，-f]-1，2，3，4-四嗪。机械刺激这使得许多层状材料（例如，石墨、MoS2和h-BN）在关键工程应用中是良好的固体润滑剂[32此外，理论研究表明，二维层状结构可以通过层间的滑动和压缩，将作用于爆炸材料的机械能转化为分子间的相互作用能，从而避免高能炸药可能的分解或爆炸[37显然，2D结构对于EM的设计是优选的。钝感炸药TATB就是一个很好的例子。然而，TATB的能量密度相对较低;例如，TATB的爆炸能量约为广泛使用的环四亚甲基四硝胺（HMX）的65%[42]。因此，通过合理设计高能熔融化合物，利用二维结构的“能量转换器”功能，可以有效地稳定功能强大的熔融环电磁场，从而获得许多具有高能量、良好热稳定性和优异机械灵敏度的不幸的是，至今还没有报道具有二维层状结构的熔融环EM。本文报道了第一个具有二维层状结构的稠环含能化合物：4-硝基-7-叠氮基-吡唑-[3，4-d]-1，2，3-三嗪-2-氧化物（NAPTO）的设计、合成和表征X射线单晶衍射表明，其晶体结构中的二维平面是通过氢键和实验结果表明，所合成的NAPTO不仅具有与HMX相当的高爆轰能，而且具有与TNT相当的机械感度和良好的热稳定性，从而证明了二维熔融结构在构建具有良好机械感度的高性能EM方面的优势。2. 结果和讨论2.1. NAPTO的设计与合成尽管熔融环EM受到能量材料专家的严格审查，但设计具有2D分层结构的这种物质仍然存在巨大挑战。最近，我们小组报道了一种能量与HMX相当的起爆药，即6-硝基-7-叠氮基-吡唑[3，4-d]-1，2，3-三嗪-2-氧化物（ICM-103）[43]。它对环境的极高敏感性机械刺激可部分归因于其混合p-p堆叠模式通过对ICM- 103分子结构的分析，发现ICM-103中的硝基（NO2）和叠氮基（N3）分别带部分负电荷和部分正电荷，而N？O和如果NO2和NH基团彼此交换位置，则由于形成了两组分子间相互作用（HB和偶极-偶极相互作用）的“十字形”构型，可以构建二维层状结构，就像TATB一样（图11）。 2），导致良好的机械灵敏度。此外，NAPTO中的NO2和N3将位于母环的不同侧，这将增加分子的稳定性这一想法后来在理论上得到了证实，理论计算表明，这种新设计的NAPTO具有长期追求的二维结构（附录A）。因此，使用比ICM-103更复杂的方法合成NAPTO（图3）。4-氨基-3-氰基吡唑（图3中的化合物1）首先根据报道的方法合成[44，45]。以二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂，二甲胺盐酸盐为催化剂，叠氮化钠和4-氨基-3-氰基吡唑反应合成了化合物2，产率67%。化合物2用发烟HNO 3和98%H2SO4的混合液在0-5 ℃下处理2 h，然后升温至50 ℃处理4 h，得到澄清的橙红色溶液。用乙酸乙酯萃取稀溶液，然后通过缓慢蒸发从乙酸乙酯中获得NAPTO的棕色晶体（附录A中的第S2节）。2.2. 晶体结构通过红外光谱（IR）、核磁共振（NMR）和元素分析对NAPTO的结构进行了全面表征（附录A中的第S2节）。单晶X射线衍射证实了NAPTO的准确结构。详细的晶体学数据和细化见附录A第S3节。NAPTO的结晶在斜方晶系空间群Pnma与四个分子每个晶胞。NAPTO中所有参与的原子，包括H原子和NO2，N3，图二. NAPTO的设计和·············1008Y. Feng et 其他/工程 沪公网安备31010502000112号图3.第三章。NAPTO的合成DMA：二甲胺。而N？O基团精确地位于一个平面上，表现出完全平面的分子构型，其平面性超过已知的稠环EM。在晶体结构中，每个分子通过HB O 1-H9-N9和N4-H9-N9分别与两个相邻分子连接，距离分别为1.93和2.57 nm，形成无限延伸的一维（1D）链（图1）。 4）。相邻的链通过硝基（NO2）的O原子和三偶氮基（N 3）的N原子之间的偶极-偶极相互作用进一步自组装成2D平面，键长为2.781 π（图11）。 4）。NO2基团由于其强吸电子特性而具有部分负电荷上一页见图4。 (a)NAPTO的晶体结构和超平坦分子构型(b)NAPTO晶体层中的分子间相互作用;（c）基于p-p研究表明，N3基团具有部分正电荷[11]，这使得N3基团能够强烈地吸引带负电荷的NO2基团，形成强烈的偶极-偶极相互作用。随后，2D平面沿着[010]方向逐层p -堆叠成类石墨超分子结构（图11）。 4）。因此，NAPTO表现出逐层p-p堆叠，即超平的2D层状结构，与已报道的晶体相比，EM(HMX、八硝基立方烷(ONC)，六硝基六氮杂-异伍兹烷（CL-20）、六硝基苯（HNB））和稠合EM（DNDTT、TNDPT、DNPPDA）。测得NAPTO的层间距为2.855 μ m，表明p-p此外，NAPTO具有高的晶体密度（1.852g cm-3），这与NAPTO的晶体密度一致。帐篷的预测密度（> 1.80 g·cm-3，附录A第S1节），满足烈性炸药的要求（≥1.78 g·cm-3）[40，41]。2.3. 能源能量水平是EM最关键的属性，因为它决定了它们的效率。EM的能量特性通常由两个重要的爆轰参数表示，即爆速（D）和爆压（P），根据经典C-J方程，这两个参数主要由密度和生成热决定[46生成热可以通过使用基于高精度理论方法的Gaussian09（修订版D.01）程序套件获得（附录A中的第S4节）。如表1所示，NAPTO的固相形成热为正，计算为3.47 kJ g-1，这显著高于传统EM的那些，TNT（0.24 kJ g-1）、环三亚甲基三硝胺（RDX）（0.34 kJ g-1）和HMX（0.35 kJ g-1）。 NAPTO在296 K时的密度为1.85 g cm-3，比NAPTO的密度高最广泛使用的RDX（1.82 g cm-3）和接近HMX（1.89 g cm-3）。利 用 密 度 和 生 成 热 值 ， 使 用 EXPLO5 （ Version6.02 ， OZMResearch，Czech Republic）程序评估NAPTO的爆轰性能。 正如预期的那样，NAPTO表现出高爆轰性能，并且计算的D和P分别为9.12km s-1和35.1 GPa（表1），其超过了两种最广泛使用的EM，TNT（7.45 km s-1，23.5 GPa）和RDX（8.75 km s-1，34.7 GPa）。特别是NAPTO的D与HMX相当（9.10 km s-1），表明NAPTO具有与HMX相当的高能量。换句话说，NAPTO是用作高性能EM的优秀候选者，其能量与当今使用的最强大的EM相当·······----Y. Feng等人 /工程6（2020）1006-10121009表1几种典型EM和NAPTO的物理化学和能量性质。q（g·cm-3）M：分子量;N：氮含量;XCO2：氧平衡;q：晶体密度;DfHm：生成热; D：计算的爆炸速度; P：计算的爆炸压力; IS：冲击感度; FS：摩擦感度; EDS：静电放电感度;Tdec：分解温度。2.4. 热稳定性除了其高能量之外，NAPTO的稳定性，包括其热稳定性和机械灵敏度，由于其2D层状结构而特别令人感兴趣热稳定性对电磁铁的安全性至关重要，因为它反映了电磁铁在外部热负荷下发生意外燃烧或爆炸的难易程度通常，对于实际应用，180°C以上的耐热性是高度期望的[49]。然而，在大多数情况下，具有大量能量的EM是不稳定的。鉴于NAPTO显示出与HMX相当的高能量密度，而异构体ICM-103具有相对较低的分解温度，我们对NAPTO的热敏特性略有担忧。在此，使用差示扫描量热法（DSC）和热重（TG）分析评估NAPTO的热稳定性（附录A中的第S6）。 如图根据附录A中的S9，NAPTO的热分解起始温度为203.2 °C，峰值温度为214.2 °C，明显高于其异构体ICM-103的热分解温度（160.3 °C），几乎可与两种威力最大的炸药，即RDX（204.5 °C）和CL- 20（195.0 °C）相媲美[30]。这表明NAPTO对于实际应用具有良好的热稳定性。 与ICM-103相比，NAPTO的二维结构可能由于层内强的氢键和偶极-偶极相互作用而对其良好的热稳定性起关键作用。2.5. 对机械刺激的对于EM来说，对于外部刺激（例如冲击、摩擦和静电火花）的稳定性也至关重要。在此，使用Bunde- sanstalt für Materialforschungund -prüfung（BAM）方法，测试了NAPTO的机械灵敏度（附录A中的第S7节）;结果总结见表1。NAPTO的冲击、摩擦和静电火花灵敏度的测量结果如下：18.0 J、325 N和0.32 J。如图5所示，NAPTO的灵敏度远远优于D高于9.0 km s-1 的已报道EM的灵敏度，包括传统炸药（例如，CL-20、ONC、4，4-二硝基氧化呋咱（DNOAF））和新的熔环炸药（例如，DNDTT 、 1 ， 3 ， 4 ， 6- 四 硝 基 -1 ， 4- 二 氢 吡 唑 并 [4 ， 3-c] 吡 唑（TNDPP）、6-氨基-四唑并[1，5-b] 1，2，4，5-四嗪-4，7-N-二氧化物（ATTDO）和TNDPT）。NAPTO的机械灵敏度优于HMX（7.0J、112 N和0.10 J），与TNT（15.0 J、353 N和0.37 J）相当换句话说，NAPTO不仅表现出与HMX相当的优异爆轰能量，而且还具有接近于HMX的优异机械刺激稳定性。图五、NAPTO与8种高性能EM（D≥9.0km·s-1）的撞击感度和摩擦感度比较这就是TNT。考虑到NAPTO（次级炸药）和ICM-103（初级炸药）的能量几乎相等，但它们的机械感度显著不同的（IS = 18.0J和FS =325 N vs IS = 4.0J和FS = 60 N），我们认为这种二维结构在提高炸药的安全性方面具有重要作用。2.6. 稳定机制为了深入了解NAPTO的稳定机制，我们使用分子模拟研究了其超平2D层状结构响应外部机械刺激的性质（附录A中的第S8节）[39]。参见图 6、可 以 提 出 以下意见：①在模拟的机械外力作用下，NAPTO晶体中发生层间的滑动和压缩;这导致相邻层间的相互作用能发生变化（图1和图2）。图6（a）-（c）、（g）和（h））中所示，而不引起化学变化，这表明NAPTO晶体可以吸收一定量的机械能，从而在一定程度上防止分解。在变形中，滑动作用可以吸收155.5 kJ mol-1的机械能（图6（c）），而压缩可以吸收60.7kJ mol-1（图6（h））。这表明超平2D结构的减敏机制可以通过层的滑动和压缩引起的能量耗散来解释，其中层滑动贡献了大约72%的能量耗散能力。②在层间滑移过程中，范德华力（vdW）的变化幅度仅为30.3kJ·mol-1，远小于静电力的变化幅度（144.0kJ·mol-1），说明静电力对层间滑移有一定的影响对总相互作用能的影响更大。 ③如图所示。6（c）和（f），NAPTO的总层间相互作用能在38.0 - 117.5 kJmol-1之间变化（变化幅度为155.5 kJ mol-1）。与之相比，TATB（一种能量仅为HMX能量的65%的钝感层状炸药）的总相互作用能也就是说，超平坦结构具有允许EM在非常高的能量水平下保持良好的机械灵敏度的巨大潜力。这与实验结果（表1）一致，并通过计算的滑动势垒（ESb，图6（g））得到进一步证实，其中NAPTO的ESb低于300MJ m-3的区域小于TATB，但远大于HMX[39]。项目TNTRDXHMXNAPTOM（g·mol-1）N（%）XCO2 （%）227.1318.50-73.971.65222.1237.84-21.611.82296.1637.84-21.611.89223.0256.50-39.441.85DfHm（kJ·g-1）D（km·s-1）P（GPa）IS（J）0.247.4523.515.00.348.7534.77.50.359.1039.07.03.479.1235.118.0FS（N）EDS（mJ）Tdec（°C）3530.37240.01200.15204.51120.10275.03250.32203.2························1010Y. Feng et 其他/工程 沪公网安备31010502000112号图六、 (a)、（b）和（c）表示静电相互作用能（EEIe-NAPTO）、vdW相互作用能（EvdW-NAPTO）和总相互作用能的NAPTO（E总-NAPTO）（单位为kJ·mol-1）;（d）、（e）和（f）分别显示静电相互作用能（EEIe-TATB）、vdW相互作用能（EvdW-TATB）和TATB的总相互作用能（E总-TAT B）（单位为kJ·mol-1）;（g）显示NAPTO的滑动势垒（ESb-NAPTO 0，inMJ·m-3））;（h）显示NAPTO的压缩能（E压缩-NAPTO，单位为kJ ·mol-1）。为了进一步了解脱敏机制，使用Hirschfeld表面和2D指纹来研究层内相互作用和层间相互作用（图7）。Hirschfeld曲面的形状和红点在曲面上的分布通常用于表示二维材料的滑动和压缩特性。具有沿着表面边缘定位的红点的板状形状是优选的，因为它代表平面共轭分子结构、相对强的层内分子间相互作用和弱的层间分子间相互作用。具有这些特征的结构在理论上更有利于滑动和压缩。图7（a）表明只有具有大量强HB的EM具有上述特征（例如，TATB、3，3 ′-二氨基-4，4 ′-偶氮呋咱（DAAzF）、1，1-二氨基-2，2-二硝基乙烯（FOX-7）和3，5-二硝基吡嗪-2，6-二胺-1-氧化物（LLM- 105）），而不含HB或仅含有少量HB的其他EM不具有这些 特 征 （ 例 如 ， TNT 、 HMX 和 CL-20 ） 。 因 此 ， 我 们 很 惊 讶NAPTO具有与TATB相似的Hirschfeld表面，因为它只有一个氢原子在其结构中。借助二维指纹图（图7（b）），可以看出，尽管存在非常少的HB，但在NAPTO的晶体层内仍然存在相对较强的相互作用，并且在层之间存在相当弱的层间分子间相互作用。在这里，在相邻的层内分子，OH，NH和NO是主要的分子间相互作用。它们的距离分别为1.93、2.57和2.78 μ m;这些距离比O + H（2.65 μ m）、N + H（2.70μ m）和N + O（3.17 μ m）的范德华半径之和短得多，表明层内分子间相互作用很强。 此外，这些相互作用占总分子间相互作用的45.4%（图7（c））。 在层与层之间，力是O的相对弱的p-p噢，噢C(and C O）和N C（和NC）。占24.2%。总分子间相互作用，这是显着低于层内相互作用（图7（c））。基于上述相互作用系统，刚性层是通过相对较强的层内相互作用形成的，这与相当弱的层间相互作用一起使得层间的滑动和压缩成为可能。····Y. Feng等人 /工程6（2020）1006-10121011图7.第一次会议。（a）NAPTO、五种低能炸药（TATB、DAAzF、FOX-7、LLM-105和TNT）和三种高性能炸药（HMX、CL-20和ONC）的Hirschfeld表面(b)NAPTO晶体堆叠中的2D指纹图;（c）对Hirschfeld表面的单个原子接触百分比贡献。3. 结论总之，我们证明了融合环2D结构的设计和构造是平衡EM的矛盾能量和安全特性通过对现有高性能EM的含能基团进行重新排列，我们利用HBS和单晶X射线衍射表明，NAPTO具有超平坦的二维层状结构（层之间的紧密p间距为2.883 μ m），这在EM领域是极其罕见的。通过EXPLO 5（v6.02）程序、DSC-TG分析和BAM方法表征，NAPTO具有高爆轰性能（D：9.12 km s-1和P：35.1 GPa）、良好的热稳定性（203.3 °C）和理想的低机械感度（IS：18.0 J，FS：325 N和EDS：0.32 J）。对NAPTO可能的稳定机制进行了详细的计算研究，结果表明，NAPTO的二维层状结构可以有效地缓冲外界刺激，从而平衡NAPTO的高能量和良好的机械灵敏度。简而言之，通过对精力充沛的安排进行细微的调整，组（例如，NO2和NH），含能材料的晶体堆积发生了显著的变化（从混合p堆叠到2D超平堆叠），这又导致材料的宏观性质的巨大差异（例如，机械灵敏度和热稳定性）。我们的研究表明，所提出的策略，构建一个2D的融合环结构显示出巨大的希望，发现新的先进的EM与高能量和良好的稳定性之间的更好的平衡。确认感 谢 科 学 挑 战 计 划 （ TZ2018004 ） 和 国 家 自 然 科 学 基 金（21875228和21905258）的资助遵守道德操守准则冯永安，邓慕聪，宋四维，陈思彤，张庆华，Jean'ne M. Shreeve声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。附录A.补充数据本文的补充数据可以在https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.01.013上找到。引用[1] 克拉珀特克TM结构和粘接：高能量密度材料。Berlin：Springer; 2007. p. 36比7[2] 阿格拉瓦尔·JP高能材料：推进剂、炸药和烟火。Weinheim：Wiley-VCH VerlagGmbH Co.KGaA; 2010年。p. 1比2。[3] Eiland PF，Pepinsky R.环四亚甲基四硝胺的晶体结构。Z Krist-CrystMater1954;106（16）：273-98.[4] 蔡CS王子E环三亚甲基三硝胺的晶体结构。ActaCrystallogr B 1972;28（9）：2857-62.[5] Simpson RL，Urtiew PA，Ornellas DL，Moody GL，Scribner KJ，Hoffman DM. CL-20性能超过HMX，感度适中。推进剂爆炸烟火技术1997;22（5）：249[6] Zhang MX，Eaton PE，Gilardi R.七硝基和八硝基古巴烷。Angew Chem IntEd2000;39（2）：401-4.[7] Ehrts MI，Gavriliuk AG，Trojan IA，Dzivenko DA，Boehler R.氮的单键立方形式。Nat Mater2004;3（8）：558-63.[8] ZhurovaEA ， Stash AI ， Tsirelson VG ， Zhurov VV ， Bartashevich EV ，Potemkin VA ， et al. 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