高压下新型CON聚合材料的结构预测及限域截获的理论研究
轻质元素C、O、N聚合材料具有高能量密度和环保等优点，探索压力诱导轻质元素形成的聚合结构，对理解轻质元素分子聚合物和探究新一代高能量密度材料具有重要意义。典型的氮气分子聚合形成的聚合氮材料，其能量密度是传统高能量密度材料TNT的3倍以上。研究表明，氮气分子在100GPa以上的压力条件才能发生解离形成聚合氮结构，并且不能保存至环境条件（42GPa以上稳定），极端的合成条件和较差的动力学稳定性极大地限制了其应用。与氮气分子具有相类似电子结构的CO聚合后同样能够形成高能量密度材料。相比之下，CO聚合结构具有更低的合成压力和更高的稳定性，但其在能量密度要远低于聚合氮结构。因此，将两者相结合，形成的CON聚合结构，既能保有聚合氮结构的高能量密度特性，又可以很好地改善结构的合成条件和稳定性。根据目前报道来看，CON聚合结构中含有键能较高的N-N和C-O单键，在成键分解过程中会释放大量能量，这也是一种潜在的高能量密度材料。此外，轻质元素C、O、N形成的共价网络结构有利于形成超硬材料。因此，CON聚合材料引发了其研究的热潮。目前CON聚合结构的研究主要集中在含氮量较低的结构，富氮聚合结构报道较少。相比之下，富氮结构往往具有更高的能量密度和机械硬度。因此，本论文开展了富氮CON聚合结构的研究工作，探索具有优异稳定性、高能量密度特性及良好机械性能的聚合结构。同时，利用模板限域的方法，开展了CON聚合结构常温常压截获的研究。 1.高压下新型CON聚合材料的结构预测及性质研究 在50、100和150GPa压力下开展不同配比的(CO)xNy的晶体结构预测，获得了两个高压稳定相（Cm-C2O2N和Pbam-CON）和4个亚稳相（P-3m1-C3O3N、Cmca-CON2、Cm2m-CON4和Cm-CON6）。其中，Cm-C2O2N、Pbam-CON和Cmca-CON2在常压条件具有动力学稳定性。成键分析表明结构中C-N键的形成是结构稳定的关键，对高含能的C-O、N-N键的分解起到了限制作用。此外，Cm-C2O2N、Pbam-CON和Cmca-CON2结构的维氏硬度分别为35.12、47.73和38.85GPa，是潜在的超硬材料。两种含氮量较高的Cm2m-CON4和Cm-CON6结构的能量密度分别为7.53和8.14kJ/g，远高于常规的高能量密度材料TNT（4.3kJ/g），是潜在的高能量密度材料。新型超硬和含能材料的提出，扩展了CON体系的研究领域，为探究新型高能量密度、超硬材料提供了理论参考。 2.限域层状C3O3N结构理论研究 利用第一性原理方法，以石墨烯为限域模板，开展了限域层状C3O3N结构的理论研究。通过晶体结构驰豫、分子动力学计算以及电子性质计算，系统研究了限域模板中C3O3N聚合结构的稳定性及其成键机制。分子动力学模拟结果说明，限域于石墨烯中的C3O3N限域体系可以稳定至环境条件，这从而实现了在常温常压的条件下截获到了C3O3N聚合结构。电子性质计算表明，限域模板常压稳定C3O3N的物理机制是二者的电荷转移效应。本工作首次通过限域方法将常压不稳定的CON聚合结构截获至环境条件，为常温常压条件截获CON结构提供了新的研究思路。
高压环境;CON聚合结构;限域;高能量密度;晶体结构
吉林大学
硕士
凝聚态物理
姚震
2023
中文
O492
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）