摘 要

近几年来，新型推进剂如雨后春笋般的出现，但都没有得到广泛应用，目前在航空航天领域应用的最多仍然是传统的肼类推进剂，其具有价格低廉、黏度低、点火延迟时间（ID）短等优点，然而其高毒性、高挥发性的缺点严重影响了生态环境的平衡。离子液体以其低挥发性和可设计性吸引了研究人员的注意，然而离子液体的研究与合成尚无系统的指导，低粘度，高比冲，高稳定性的目标完成仍旧任重道远。

参考相关的文献，合成了1-甲基咪唑-硼烷络合物、1-乙基咪唑-硼烷络合物、1-乙烯基咪唑-硼烷络合物这三种硼烷络合物，并进一步进行了硼烷交换，以及酯的水解，离子液体交换，制备了硼烷磷酸酯离子液体。另外，通过Gaussian09D.01软件包来计算得出中间产物的分子静电势，表明BH₃上的H呈负电性，从而利用氢负活泼特性来构建相应的磷酸酯硼烷钠盐。使用红外光谱和核磁共振进一步验证了合成产物的分子结构，从而证明实验的正确性。

本文成功制备三种硼烷络合物以及硼烷磷酸酯离子液体，且合成成本较低、合成路径的安全性也较高，为以后的设计合成新型含能自燃型离子液体奠定了基础。

关键字：液体推进剂 离子液体 自燃 硼烷络合物

Preparation of borane phosphate self-igniting ionic liquid

Abstract

In recent years, new propellants have sprung up, but they have not been widely used. At present, the traditional hydrazine propellant is still the most widely used in the aerospace field. It has the advantages of low price, low viscosity and short ignition delay time. However, its shortcomings of high toxicity and volatility seriously affect the ecological environment. Ionic liquids have attracted the attention of researchers due to their low volatility and designability, however, there is no systematic guidance for the research and synthesis of ionic liquids. It is still a long way to complete the goal of low viscosity, high specific impulse and high stability

Referring to the related literature, a 1-methylimidazole-borane complex, a 1-ethylimidazole-borane complex, and a 1-vinylimidazole-borane complex were synthesized. Borane phosphate ionic liquid was prepared by further borane exchange, ester hydrolysis and ionic liquid exchange. In addition, the molecular electrostatic potential of the intermediate product was calculated by using the software of Gaussian09D.01, which indicated that H on BH₃ was negative, and the corresponding sodium borane phosphate was constructed by using the negative activity of hydrogen. Infrared spectroscopy and nuclear magnetic resonance were used to further verify the molecular structure of the synthesized product, thus proving the correctness of the experiment.

In this paper, 1-methylimidazole-borane complexes, three borane complexes and borane phosphate ionic liquids were successfully prepared, and the cost of synthesis is low and the safety of synthesis path is high, which lays a foundation for the design and synthesis of new energetic spontaneous combustion ionic liquids in the future.

Key Words: liquid propellant；ionic liquid；Self-ignition； Borane compl

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1课题背景 1

1.2 火箭推进剂 2

1.2.1 固体推进剂 2

1.2.2液体推进剂 2

1.3离子液体 2

1.4 自燃型离子液体推进剂的研究进展 3

1.4.1 二氰胺与硝基氰胺类阴离子类自燃离子液体 3

1.4.2 双（硼）次磷酸阴离子类自燃离子液体 4

1.4.3 含硼烷添加剂的自燃离子液体 5

1.4.4 含有强还原性B-H键的自燃离子液体 5

1.4.5 离子液体氧化剂 9

1.4.6 N3侧链的自燃型离子液体 12

1.4.7 双咪唑阳离子多唑阴离子的自燃型离子液体的合成 10

1.5 自燃型离子液体的各项物性 14

1.6 自燃型离子液体研究难点 15

1.7 本文研究内容和目的 15

1.7.1 研究内容 15

1.7.2 研究目的 16

第二章 实验部分 17

2.1 实验试剂与仪器 17

2.1.1 实验试剂 17

2.1.2 实验仪器 17

2.2 自燃型离子液体的制备 18

2.2.1 制备硼烷咪唑络合物 18

2.2.2 制备1-丙基-3-甲基溴化咪唑和1-烯丙基-3-甲基溴化咪唑 18

2.2.3 制备硼烷磷酸酯离子液体 19

第三章 产物表征分析 20

3.1 1-乙基咪唑-硼烷络合物 20

3.1.1 分子静电势 20

3.1.2 红外光谱图分析 20

3.1.3 核磁共振图分析 21

3.2 1-甲基咪唑-硼烷络合物 22

3.2.1 分子静电势 23

3.2.2 红外光谱图分析 23

3.2.3 核磁共振图分析 24

3.3 1-乙烯基咪唑-硼烷络合物 25

3.3.1 分子静电势 25

3.3.2 红外光谱图分析 26

3.4 1-甲基咪唑-硼烷络合物与1-乙基咪唑-硼烷络合物 26

第四章 结论与展望 28

4.1结论 28

4.2展望 28

参考文献 29

致 谢 31

第一章 文献综述

1.1课题现状

在航空航天领域中常用的推进剂一般分为固体和液体推进剂这两种^[1]。固体推进剂适用范围较小，且能量水平较低，因此在航天领域，液体推进剂还是作为主要的应用。传统液体推进剂一般分为两大类：单组元推进剂、双组元推进剂^[2]。双组元推进剂中包含还原剂和氧化剂两个部分，在储存等方面相较于单组元推进剂更为安全可靠，因而被更为广泛的应用。肼及肼的衍生物(甲基肼、偏二甲肼)，是目前使用最为广泛的液体推进剂,其作为还原剂常常应用于导弹、卫星、飞船等发射试验。肼类具有价格低廉，黏度低，点火延迟时间短等优点，但其高毒性、强致癌性、易挥发的特性使得其在运输、处理、保存时均有较大风险^[3]。如果在处理方面操作不当，将会造成极大的大气，水体，土壤污染，这与如今以人为本，绿色清洁的观念相悖。

传统有机溶剂的饱和蒸气压高，这就导致其挥发性大，会对人体健康造成极大的损伤，因而新型绿色溶剂更为人们所倚重。离子液体饱和蒸气压低，化学性质稳定，成为了新世纪绿色溶剂的代表。其出色的物化性质使其在催化，吸附，能源等领域受到原来越多的关注。传统肼类推进剂强致癌的特性与如今科学绿色发展的理念相违背。故而发展新型绿色自燃型离子液体成为航天推进剂领域一个非常重要的课题。近年来，离子液体作为一类环境友好型介质及功能材料，逐渐在化工领域兴起，其几乎没有蒸汽压，这就意味着挥发性极低，同时又具有熔点低、热稳定性好、导电性高、绿色无毒、结构易于设计等优点，所以近年来不管是在化学化工方面还是在材料领域均得到了广泛的应用。离子液体具有可设计性，这就意味可从分子结构的角度，通过引入相应的强还原性基团，来提升其点火表现。这就为离子液体广泛应用于航空航天领域增加了可能性并实现了环境的可持续发展。

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