C-N超硬材料的爆炸冲击压缩合成研究

摘要

作为理论预测的新材料，氮化碳可能具有优异的力学、电学和光学性能，其合成和性能的研究引起了各国研究人员的广泛关注，已合成了具有独特性能的氮化碳。其高硬度、低摩擦系数、良好的耐磨性、较好的光学性质等对氮化碳在广阔领域里的应用提供了坚实的基础。本文概述了十年来碳氮化合物在理论预测和实验研究方面的进展。本论文采用爆炸冲击压缩处理方法，探索了碳氮化合物的合成途径；借助X射线能谱、X射线衍射、扫描电镜和红外光谱等手段，对所获得的碳氮粉末进行了成分、晶体结构、价键结构等性质的分析。 为了合成理论预测存在的高密度氮化碳相，本论文在自行设计加工制造的爆炸装置中，以晶态的双氰胺、富氮的5-氨基四氮唑和不含氢的材料作为三组前体，以黑索今作为爆炸实验的能量基元，在6～18 GPa的冲击压力范围内进行了一系列爆炸冲击回收实验。回收产物的红外吸收图谱表明，本论文实验的三组目标产物中均含有C-N键，没有发现C≡N键和C=N键；产物的X射线衍射数据分析表明，产物主要为α-、β-C3N4，并可能含有极少量的CNx和石墨相C3N4。产物的扫描电镜照片和能谱分析可知，产物中存在类似六棱棒状的晶体颗粒，与资料报道β-C3N4晶体形貌类似；能谱分析表明，本试验目标产物的组成元素中含有C、N元素，但其余杂质偏多。根据实验结果可以认为，氮化碳复合相的形成是前体有机分子在瞬态的冲击波化学反应后，经历了极高速的冲击淬火过程(约109K/s)，作为一种高压亚稳相而被保存下来。 炸药爆炸冲击压缩富氮的有机物前体，是合成氮化碳相的一种新方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1研究的目的与意义

1.2国内外研究现状

1.2.1碳氮化合物化学转化与高温高压合成

1.2.2物理气相沉积(PVD)

1.2.3化学气相沉积(CVD)

1.2.4碳氮化合物的溶剂热合成

1.2.5机械合金化法合成碳氮化合物

1.2.6脉冲放电与高速冲击

1.2.7其它方法

1.3本论文研究的内容与方法

2 C-N超硬材料的理论预测

2.1新材料常用预测理论

2.2 β-C3N4的理论预言

2.2.1 β-C3N4

2.2.2其它结构的C3N4

2.3碳氮化合物的性能

2.3.1碳氮化合物的力学性能

2.3.2碳氮化合物的热学性能

2.3.3碳氮化合物的电学性能

2.3.4碳氮化合物的光学性能

2.4应用前景

3爆炸冲击压缩合成碳氮化合物的原理

3.1炸药爆轰原理

3.2微观反应原理

3.2.1实验样品一反应原理

3.2.2实验样品二反应原理

3.2.3实验样品三反应原理

4爆炸冲击压缩合成碳氮化合物的实验方法研究

4.1炸药的选取

4.2冲击波衰减模型

4.3实验原料

4.4实验装置设计

4.5实验工艺流程

4.6实验过程现象分析

4.6.1药品称量及药柱压制

4.6.2实验过程及实验现象

4.6.3产物收集

4.6.4样品生成物提纯工艺

4.7样品检测

4.7.1氮化碳的红外吸收光谱(FTIR)分析

4.7.2 X射线衍射(XRD)分析

4.7.3扫描电镜和能谱分析

5检测结果分析

5.1氮化碳的红外吸收光谱(FTIR)分析结论

5.1.1氮化碳中C-N键的FTIR谱峰计算

5.1.2结果分析

5.2 X射线衍射(XRD)分析结论

5.3扫描电镜和能谱分析结论

5.4小结

6结论与建议

6.1结论

6.2进一步研究工作的建议

参考文献

致 谢

攻读硕士期间发表的论文