高壓高剪下應力條件下富氮含能材料的研究

《高壓高剪下應力條件下富氮含能材料的研究》是依託吉林大學，由祝洪洋擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高壓高剪下應力條件下富氮含能材料的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：祝洪洋
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

疊氮化物是高壓下合成高能量密度材料聚合氮的理想體系，同時疊氮化物的高壓研究也蘊含著結構相變、離子間相互作用和鍵合變化等豐富的物理問題，因此疊氮化物的高壓研究既包含科學問題，又具有套用背景，目前已成為高壓研究的熱點。本項目以無機疊氮化物（NH4N3、LiN3、NaN3、KN3、CsN3、AgN3等）為研究對象，採用高壓和高剪下應力相結合的實驗技術，利用原位高壓同步輻射X光衍射和高壓拉曼散射等測試方法，結合理論計算，研究高壓高剪下應力條件下無機疊氮化物的相變機制和相變動力學等物理問題，探討N=N鍵解離以及N?N鍵形成的過程和機理，探索在較低的壓力下獲得單鍵態聚合氮的方法，為尋找新型綠色能源材料提供實驗支持。另外通過該項目的實施，還可以發展完善高壓下同時施加剪下應力的實驗技術，為我國開展高壓高剪下應力條件下的材料研究提供技術支持。

結題摘要

聚合氮是目前已知能量密度最高的含能材料，其分解產物為氮氣，不會造成環境危害。疊氮化物由於其特殊的N=N，是合成聚合氮的理想體系。本項目利用金剛石高壓技術，結合第一性原理計算，系統的研究了疊氮化物高壓下的結構和鍵合變化，並探索了在較低溫度壓力下合成聚合氮的方法。 通過本項目研究發現，疊氮根離子(N3−)在壓力的作用下會發生旋轉和平移，使疊氮化物有著豐富的結構相變，我們通過精修XRD數據，獲得了金屬疊氮化物的高壓相結構，發現了鹼金屬疊氮化物相變壓力隨著金屬原子半徑增大而減小的相變規律；理論計算發現，N3−在壓力下會互相靠近，導致氮原子電子雜化發生sp→sp2→sp3的改變，從而生成聚合氮。進一步研究發現，鹼金屬疊氮化物中的N3−為線性排列，而鹼土金屬疊氮化物中N3−為非線性排列，相對於鹼金屬疊氮化物，鹼土金屬疊氮化物在較低的壓力下非晶化，因此更容易生成聚合氮。我們進一步研究了彎曲N3−較易聚合的原因，因為彎曲的N3−在壓力作用下更容易彎曲，使N3−更易互相接近而導致末端氮原子的電子軌道雜化從而聚合。這一發現對於在較低的溫壓條件下合成聚合氮具有重要借鑑意義；而有機疊氮化物的研究發現，有機疊氮化物的疊氮基與無機疊氮化物的疊氮根具有不同的電子結構，不同的電子結構導致了疊氮基不同的高壓性質，使其在壓力下更容易分解，這一性質也可能會導致有機疊氮化物更容易發生聚合。 本項目成果獲得吉林省自然科學學術成果獎一項（排名第一）；發表SCI論文20篇，其中項目負責人通訊或第一作者SCI論文15篇；開展國際交流4人次，國內學術會議12人次。本項目通過系統的研究疊氮化物的高壓性質，發現了具有非線性疊氮根的鹼土金屬疊氮化物和有機疊氮化物更容易非晶化，可能更易聚合，這一發現為在較低壓力下合成聚合氮提供了實驗數據和借鑑。我們還通過本項目，獲得了金屬疊氮化物的製備方法，開發了高壓條件下施加剪下應力的高壓技術，為疊氮化物的深入研究和高壓技術的發展做出了貢獻。