（1）氮杂环化合物
氮杂环系列中很多化合物具有高生成热和高密度特征，各国对各种含能五元氮杂环(呋咱、咪唑、三唑、四唑)和优尔元氮杂环(二嗪、三嗪、四嗪)，以及它们的稠环衍生物进行了大量研究。呋咱类是其中和高能推进剂与高能炸药最密切相关的一类,有一定代表性。俄罗斯和美国均已成功地合成了一系列呋咱衍生物。呋咱环是一个含有2个氮原子和1个氧原子的五元环，又称为噁二唑环。这个含能基团具有生成焓高、热稳定性好和环内存在活性氧的特点，是一种非常有效的结构单元。呋咱环还可通过化学反应连接各种高能基团，如偶氮基、氧化偶氮基、硝基、硝酰氧基、腈基等,进一步提高氮含量和能量。以引入偶氮基和氧化偶氮基为例,用基团加和法计算表明，其标准生成焓可以提高211.6kJ/mol。此外，呋咱环之间还可以相互连接成二呋咱、长链呋咱、大环呋咱等衍生物，还可以和其它含能氮杂环结合成稠环。由于分子结构中各种高能基团密集排列，因此有很高的生成焓和密度。例如二硝基二呋咱吡嗪(PIPER)就是美国“先进氧化剂和燃料”计划的目标化合物，已用3-氨基4-硝基呋咱经多步工序合成成功。呋咱类化合物生成焓大都超过400kJ/mol法国SNPE公司用二硝基氧化偶氮二呋咱(DNAOF)代替HMX配制GAP及HTPB两种洁净推进剂,比冲分别提高7.3%和13.1%。呋咱类化合物目前的主要问题是感度尚不能满意，特别是二硝基呋咱，含能量虽然很高，但感度太大。
（2）张力环化合物
由于成键电子的位移作用，张力环化合物可以通过键角、键长的变形将内能贮存在分子内，而后在化学反应中释放出来。美国HEDM计划已合成一系列张力环烃，典型的多环烃有双环亚丙基、三环戊烷、螺庚烷以及螺十三烷。其中，双环亚丙基和三环戊烷的生成焓分别为320kJ/mol、347kJ/mol；2,6-二硝胺基螺[3,3]庚烷已作为IHPRPT(集成高性能火箭推进技术)计划的目标化合物，制备工作已接近尾声；四环庚烷更受重视，将其作为液体推进剂组分已经在马歇尔航天中心多次进行发动机热试车。
（3）笼形化合物
笼形化合物由于是多个张力环稠合的高度支形结构,具有更大的张力能、密度和生成焓,其代表化合物有正四面体烷、三棱柱烷、五棱柱烷、优尔棱柱烷、立方烷、金刚烷和十二面体烷。其中,优尔棱柱烷和立方烷张力能分别为732kJ/mol和695kJ/mol，正四面体烷540kJ/mol。这些张力环和笼形化合物引入N3、NO2等高能基团后,将具有更高性能。化合物中的碳原子如果被B、N、P、As、Al、Ga、Si、Ge等原子取代,也有巨大潜力,例如B-N三棱柱烷的生成焓比同样含3个B和3个N的平面环结构(硼嗪)高682kJ/mol，已列为美国HEDM开发重点。笼形化合物目前已比较成功开发的是优尔硝基优尔氮杂异伍兹烷(CL-20)和多硝基立方烷。CL-20是HEDM计划推出以来最成功的一种材料,分子中的笼形骨架由2个五元环和1个优尔元环构成,加上它的6个硝胺基团,能量密度提高十分显著,氧含量也得到提高。CL-20炸药的爆炸能量和机械感度高于HMX,耐热性与RDX相近。在作为耐热炸药使用时,其使用环境及温度条件等与RDX相近较为安全可靠[6]。CL-20是一种立体笼形、多环多硝胺化合物,为白色或无色晶体。CL-20的合成成功是硝胺类氧化剂的重大突破。美国已有年产100t的中试生产线。美国CL-20推进剂已成功地通过了战术导弹火箭发动机实验,可能在近期内替代含RDX或HMX的固体推进剂,在导弹型号中使用[7]。
（4）氮簇和氧簇分子
原子簇类物质(cluster species)指由同一种原子组成,原子数大于3的分子或基团,和HEDM密切相关的是氮簇(Nn)和氧簇(On)。纯氮化物的氮原子间用弱的单键或双键连接,键能分别为167kJ/mol和418kJ/mo,和N≡N叁键的离解能(941kJ/mol)相差很大,因此它们在化学反应中蜕变为叁键的氮气时,可释放出巨大能量。用键能加和法经验公式可以估算这种能量释放,完全单键的氮簇分子中,每个氮原子贮能量为220kJ/mol。10多年来科学家用量子化学方法对各种氮原子簇化合物的结构、能量、稳定性进行了研究,表明它们都具有很高生成焓,爆速均大于12km/s,爆温7000～8000K,爆压大于60GPa,远远超过CL-20。此外,还在一些氮簇分子势能面上找到了最小值,如正四面体结构的N4和立方烷结构的N8的离解势垒分别为264kJ/mol和167kJ/mol从理论上它们是可以长期稳定存在的。N5+是成功合成的第一种纯氮簇离子。美国空军HEDM研究室根据量子化学计算结果,把无环氮簇离子确定为合成目标,并于1999年最后实现。其选用了HN3和含有N2F+阳离子的N2F+AsF6-盐为起始材料。HN3十分稳定,它的N3-离子中两对N-N键均具有双键特性,可以通过加成N+而扩展成中性的N4,继后扩展为N5+;合成中的另一个关键是选用了低温下有良好溶解度的反应介质“无水HF”,它挥发性好,偶极距大,便于吸收反应热并对产物起稳定作用。合成反应温度为-78℃,反应最终产物N5+AsF6-,室温下勉强稳定,在-78℃下可以保存数周而无明显分解。理论计算证实自由气态N5+的生成焓ΔHf=1469kJ/mol。它的成功合成引起了含能材料界的轰动,一致认为是向未来的先进化学推进剂迈出了重要的一步。2001年,该研究室通过类似的途径进一步合成了N5+SbF6-,制备规模达到每批5g,室温下稳定,70℃才开始分解,对冲击极其钝感。可以预料,在未来几年内人们对N5+的开发将会有新的成就。 高能量密度材料的研究现状(3):http://www.youerw.com/yanjiu/lunwen_10025.html