高密度氮化碳的冲击相变合成研究

理论预测表明，高密度立方氮化碳及其衍生相具有远高于金刚石的硬度和许多优异的理化特性，但由于目前的合成技术不能获得宏观量结晶好的样品，迄今还没有确切的证据表明它的存在。分析表明，对石墨型C3N4前体进行冲击诱导相变是获得高密度氮化碳相最有希望的途径，但国内外还没有相关的报道。本课题提出了通过相变前体冲击动力学研究结合样品回收分析来探索新相的合成条件及物性的研究思路，内容包括通过对能批量合成的石墨型C3N4前体的冲击Hugoniot线测量，确定其相变条件，设计对应的炸药爆轰驱动飞片冲击波加载样品回收装置并调变其参数，利用冲击波诱导石墨型C3N4前体发生相变，得到宏观量的高密度立方氮化碳（c-C3N4）或其衍生相，同时给出新相的结构和物性表征数据。本课题的研究为检验这些理论预测结果的正确性和研究、应用这一类新型共价材料提供研究素材和科学依据，具有重要的实验研究价值和潜在的工业应用前景。

理论预测存在的高密度立方氮化碳及其衍生相具有远高于金刚石的硬度和许多优异的理化特性，但目前还没有确切的证据表明它的存在，本课题通过相变前体冲击动力学研究结合样品回收分析来探索新相的合成条件及物性研究。包括以溶剂热合成的石墨型氮化碳及其它富氮化合物(C2N4H4和C3N6H6)为原料，采用炸药爆轰驱动飞片的平面和柱面加载对其冲击相变和反应行为进行了系统的研究。通过调变飞片速度和装药质量，在不同冲击加载条件下回收样品的实验结果表明，在以Fe和Ni粉为金属介质与g-C3N4的混合物受到3.0km/s的飞片冲击后，得到了一种新的CN管状结构，其直径约200-300nm，长度约1000-3000nm，在更高的冲击加载条件下，该管状物消失。在3.58km/s的飞片速度下冲击(C3N3Cl3+C3N6H6+Ni)的混合物，通过冲击诱导化学反应可形成g-C3N4相。在柱面滑移爆轰加载条件下，与铜粉混合的C2N4H4前体可以部分转变为g-C3N4相，同时还形成少量碳相和未知相；以液氨法合成的g-C3N4前体在冲击下得到少量beta-C3N4相。在柱面飞管加载下，溶剂热合成的g-C3N4前体表现很高的冲击稳定性，没有相变，只有其特征的d(002)晶面间距略微减小。通过闪光X光摄影技术和压阻计测量得到了平面加载装置中实际的飞片速度及样品中的冲击压力，与课题采用的理论计算结果基本一致。采用平面撞击的多普勒光纤探针测试技术，对g-C3N4粉末压实体到43GPa的冲击Hugoniot线进行了测量。结果表明，样品的Us-Up曲线上有明显的拐折，可拟合为Us=2.480+1.642Up和Us=5.536+0.315Up两条直线，结合回收实验和文献报道结果，可解释为g-C3N4在P=22.4GPa下冲击分解为石墨碳和氮气。采用同步辐射角散射X光实验测得了g-C3N4的等温状态方程，使用金刚石压砧室温下加压到18GPa的范围内没有相变。根据P-V数据由莫纳汉状态方程拟合得到g-C3N4的体模量为20.5(2)和压力的一阶导数为8.8(0.8)，表明g-C3N4具有很高的压缩性。本课题的研究表明，g-C3N4一种易于压缩，但冲击稳定性较高的富氮有机材料，P>22.4GPa的冲击压力下会发生分解，没有得到预期的高密度立方氮化碳相。