含能材料的本征结构与性能

本书系统介绍了含能材料的本征结构与性能，包括以下内容：含能材料本征结构的定义与内涵，含能晶体分类，分子模拟方法在含能材料本征结构中的应用，含能分子和含能单组分分子晶体，含能分子晶体的多晶型与晶型转变，含能离子晶体，含能共晶，含能原子晶体、含能金属晶体和含能混合型晶体，氢键、氢转移与卤键，含能晶体中的π堆积以及低感高能材料的晶体工程。

01 绪言
1.1 含能材料 2
1.2 含能材料的本征结构 6
1.3 引入本征结构的益处 11
1.4 本书目的及组织结构 12
参考文献 13
02 含能晶体分类
2.1 引言 16
2.2 含能晶体分类标准 17
2.2.1 基本结构单元 17
2.2.2 含能晶体类型 20
2.3 含能晶体类别 21
2.3.1 含能分子晶体 21
2.3.2 含能离子晶体 25
2.3.3 含能原子晶体 28
2.3.4 含能金属晶体 29
2.3.5 含能混合型晶体 30
2.4 含能晶体分类启示 32
2.4.1 PCP间相互作用与晶体稳定性的关系 32
2.4.2 晶体类型与其能量的关系 34
2.5 结论与展望 34
参考文献 35
03 分子模拟方法在含能材料本征结构中的应用
3.1 引言 42
3.1.1 分子模拟在含能材料研究中的重要性 42
3.1.2 分子模拟的应用 43
3.2 量子化学方法及其应用 46
3.2.1 量子化学方法概述 46
3.2.2 描述几何结构 49
3.2.3 描述电子结构 50
3.2.4 描述热力学性质 52
3.2.5 描述反应性 53
3.3 DFT色散校正方法及其应用 54
3.3.1 预测晶体密度 57
3.3.2 预测晶胞参数 60
3.3.3 预测晶格能 61
3.3.4 计算效率的比较 62
3.4 分子力场方法及其应用 64
3.4.1 经典力场及其应用 65
3.4.2 一致性力场及其应用 68
3.4.3 反应性力场及其应用 69
3.5 Hirshfeld表面分析法及其应用 70
3.5.1 基本原理 70
3.5.2 描述分子间相互作用 73
3.5.3 描述同一分子在不同晶体环境中的相互作用 77
3.5.4 描述同一离子在不同晶体环境中的相互作用 79
3.5.5 预测剪切滑移特性和撞击感度 80
3.5.6 Hirshfeld法优缺点小结 81
3.6 用于计算含能分子和晶体的软件及数据库 82
3.6.1 Gaussian 82
3.6.2 Multiwfn 83
3.6.3 VASP 83
3.6.4 Materials Studio 84
3.6.5 DFTB+ 87
3.6.6 CP2K 87
3.6.7 LAMMPS 88
3.6.8 COSMOlogic 89
3.6.9 CrystalExplorer 89
3.6.10 CSD 89
3.7 结论与展望 90
参考文献 91
04 含能分子和含能单组分分子晶体
4.1 引言 111
4.2 传统含能分子晶体 111
4.2.1 含能硝基化合物 112
4.2.2 含能共轭氮杂环化合物 116
4.2.3 含能有机叠氮化合物 124
4.2.4 耐热性不同的含能化合物 125
4.2.5 撞击感度不同的含能化合物 128
4.3 含能卤素化合物 129
4.3.1 含能氟化合物 129
4.3.2 含能氯、溴或碘化合物 131
4.4 含能过氧化物 132
4.5 全氮分子 134
4.6 结论与展望 138
参考文献 139
05 含能分子晶体的多晶型与晶型转变
5.1 引言 152
5.2 多晶型与晶型转变 152
5.2.1 多晶型 152
5.2.2 晶型转变 154
5.3 晶型转变的影响因素 156
5.3.1 晶体品质 156
5.3.2 添加剂 157
5.4 晶型的结构和能量差异 158
5.4.1 分子结构 158
5.4.2 分子堆积 160
5.4.3 晶体形貌 165
5.4.4 能量特性 165
5.4.5 爆轰特性 168
5.5 晶型对热解机制的影响 169
5.5.1 CL-20各晶型的热解机制 169
5.5.2 HMX各晶型的热解机制 173
5.6 晶型转变导致的FOX-7低撞击感度 177
5.6.1 FOX-7各晶型的堆积结构 177
5.6.2 FOX-7各晶型剪切滑移特性 178
5.6.3 FOX-7的低撞击感度与其热致晶型转变间的相关性 183
5.7 控制晶型转变的策略 184
5.7.1 重结晶 184
5.7.2 晶体包覆 184
5.7.3 添加添加剂 185
5.8 结论与展望 185
参考文献 186
06 含能离子晶体
6.1 引言 196
6.2 组成和类别 196
6.2.1 含能离子晶体的组成 196
6.2.2 含能离子晶体的类别 198
6.3 组成离子的体积及电子特性的可变性 198
6.3.1 体积可变性 198
6.3.2 电子特性可变性 201
6.4 堆积结构和分子间氢键 202
6.4.1 堆积结构 203
6.4.2 分子间氢键 204
6.4.3 氢键增强的影响 211
6.5 含能无机离子晶体 213
6.6 含能有机离子晶体 215
6.6.1 含四唑结构的离子晶体 216
6.6.2 含三唑结构的离子晶体 219
6.6.3 其他含能有机离子晶体 221
6.7 结论与展望 224
参考文献 225
07 含能共晶
7.1 引言 231
7.2 共晶的定义和内涵 233
7.2.1 现有定义和分类的不足 233
7.2.2 共晶及其相关术语的发展历史 237
7.2.3 具有更宽内涵的共晶的新定义 239
7.3 含能共晶的组成、分子间相互作用及堆积结构 239
7.3.1 CL-20基共晶 241
7.3.2 HMX基共晶 252
7.3.3 EDNA、BTATz、DNPP、aTRz、BTNMBT及BTO基共晶 253
7.3.4 TNT、DNBT、DNAN和HNS基含能共晶 254
7.3.5 BTF基含能共晶 256
7.3.6 TXTNB基共晶 257
7.3.7 基于氮杂环分子的共晶 258
7.4 含能共晶形成的热力学 259
7.4.1 计算方法 259
7.4.2 热力学参数 260
7.5 含能共晶的性质和性能 264
7.5.1 密度、爆速和爆压 264
7.5.2 热稳定性和撞击感度 265
7.5.3 含能共晶的反应性：以CL-20/HMX共晶为例 268
7.6 结论与展望 272
参考文献 273
08 含能原子晶体、含能金属晶体和含能混合型晶体
8.1 引言 286
8.2 含能原子晶体 286
8.2.1 聚合氮 286
8.2.2 聚合CO和聚合CO2 291
8.3 含能金属晶体 294
8.3.1 金属氢 294
8.3.2 金属氮 296
8.4 含能混合型晶体 297
8.4.1 含能钙钛矿 297
8.4.2 基混合型晶体 299
8.4.3 其他混合型共晶 301
8.5 结论与展望 305
参考文献 305
09 氢键、氢转移及卤键
9.1 引言 310
9.2 氢键 311
9.2.1 含能单组分分子晶体中的氢键 312
9.2.2 含能共晶中的氢键 316
9.2.3 含能离子化合物中的氢键 320
9.3 氢键的影响 322
9.3.1 氢键对晶体堆积的影响 322
9.3.2 氢键对撞击感度的影响 324
9.4 氢转移 324
9.4.1 分子内氢转移 325
9.4.2 晶体中的氢转移 335
9.5 氢转移的影响 341
9.5.1 氢转移对热稳定性的影响 341
9.5.2 氢转移对撞击感度的影响 353
9.6 含能化合物中的卤键 358
9.7 结论与展望 359
参考文献 359
10 含能晶体中的π堆积
10.1 引言 372
10.2 π-π堆积 372
10.2.1 含能平面π共轭分子 372
10.2.2 氢键辅助的π-π堆积 374
10.2.3 无氢键辅助的π-π堆积 378
10.2.4 热/压力诱导下π-π堆积模式的变化 379
10.3 n-π堆积 380
10.3.1 n-π堆积的内涵 380
10.3.2 n-π堆积结构 381
10.3.3 n-π堆积的本质：静电相互作用 384
10.4 n-π堆积、π-π堆积和分子间氢键的对比 387
10.5 分子结构-堆积模式间关系：以D2h和D3h分子为例 389
10.5.1 数据采集及分子堆积模式确认 389
10.5.2 分子结构和堆积模式 389
10.5.3 层内分子间相互作用 391
10.5.4 平面层状堆积的D2h和D3h分子的特性 399
10.6 结论与展望 400
参考文献 401
11 低感高能材料的晶体工程
11.1 引言 408
11.2 含能材料能量-安全性间的矛盾 408
11.3 含能材料的晶体堆积模式与撞击感度间的关系 409
11.4 高晶体堆积密度含能化合物的构筑策略 415
11.4.1 晶体结构数据收集 417
11.4.2 高密度含能化合物的dm-PC矛盾 417
11.4.3 分子组成和分子间相互作用对密度的影响 422
11.4.4 提升晶体堆积密度的策略 425
11.5 创制低感高能材料的策略 429
11.5.1 创制传统低感含能材料的策略 429
11.5.2 创制低感含能共晶或降低含能共晶感度的策略 430
11.5.3 创制低感含能离子化合物或降低含能离子化合物
感度的策略 433
11.6 结论与展望 434
参考文献 435
附录1 常用符号及其中英文含义对照 441
附录2 分子缩写与中英文全名对照 445
附录3 晶体编号与中英文全名对照 459