A-,3-N-,4-（A=Si，C）硬度的理論研究與B-C-N化合物的高溫高壓合成.pdf

1、C-N，B-C-N新型材料的硬度研究及實驗合成，是目前輕元素材料研究領(lǐng)域關(guān)注的焦點問題。本文采用新近發(fā)展的共價固體硬度微觀理論模型和Phillips離子性的第一性原理計算方法，從研究立方尖晶石結(jié)構(gòu)Si3N4晶體是否超硬材料入手，進一步研究了理論預(yù)測的五種致密C3N4多形體的硬度能否超過金剛石的問題，并探討了在簡單結(jié)構(gòu)共價材料中找到比金剛石還硬的超硬材料的可能性。 采用MaterialsStudio軟件中的CASTEP程序?qū)Ζ?S

2、i3N4和尖晶石結(jié)構(gòu)cs-Si3N4晶體以及β-C3N4、α-C3N4、贗立方C3N4、立方C3N4和立方尖晶石C3N4五種致密C3N4多形體進行了第一性原理計算，獲得計算和討論所需的各種參數(shù)，進一步用硬度的半經(jīng)驗微觀理論模型研究了它們的硬度。計算出β-Si3N4和cs-Si3N4的硬度都是33.3GPa，與實驗值一致。表明cs-Si3N4不是人們所期望的超硬材料。分析發(fā)現(xiàn)，雖然cs-Si3N4的密度、體積彈性模量和剪切彈性模量顯著高于

3、β-Si3N4的相應(yīng)數(shù)據(jù)，但由于cs-Si3N4中六配位Si與N形成的Si-N鍵的鍵長較大，導(dǎo)致cs-Si3N4的硬度沒有預(yù)期的高。對五種致密C3N4多形體的硬度計算表明，理論預(yù)言的這五種C3N4多形體都是超硬材料，但它們的硬度都沒有超過金剛石，其中最硬的c-C3N4的硬度為92.0GPa，比金剛石的硬度小約5.4％。進一步對輕元素化合物進行理論分析表明，在簡單結(jié)構(gòu)共價材料中找到比金剛石還硬的超硬材料的可能性不大。 在實驗方面，

4、采用高溫高壓技術(shù)進行了觸媒作用下新型B-C-N三元化合物的合成研究，并系統(tǒng)研究了溫度壓力條件對合成產(chǎn)物的影響規(guī)律。 以化合熱解法制得的亂層石墨結(jié)構(gòu)B2CN化合物作為前驅(qū)物，羰基鐵粉為觸媒，在3-6GPa,1000-1600℃范圍進行了高溫高壓合成B-C-N三元化合物的研究，獲得了一種六方結(jié)構(gòu)的B-C-N晶體，該晶體的形貌為直徑3-10μm，厚2μm左右的圓片狀顆粒，其平均成分為B0.52C0.09N0.39，在6GPa、1600

5、℃條件下合成六方相產(chǎn)物的晶格參數(shù)為a=0.2510nm，c=0.6675nm。紅外光譜分析表明，六方B0.52C0.09N0.39晶體中存在B-N鍵、C-N鍵和B-C鍵。 以石墨、六方氮化硼和非晶硼粉為原料，采用機械合金化方法制備了非晶B2CN前驅(qū)物。對非晶B2CN前驅(qū)物進行直接高溫高壓處理，獲得了一種圓片狀的六方B2CN晶態(tài)化合物，在5.5GPa、1500℃條件下得到產(chǎn)物的晶格參數(shù)為a=0.2508nm、c=0.6667nm；

6、紅外光譜分析表明，六方B2CN晶體中存在B-N鍵、C-N鍵和B-C鍵。高溫X射線衍射分析結(jié)果表明，在真空條件下，從室溫到1200℃，六方B2CN晶體是穩(wěn)定的。在Ca3B2N4觸媒的作用下，對非晶B2CN前驅(qū)物進行高溫高壓處理，在5.5-6GPa，1400-1600℃條件下，獲得了一種立方結(jié)構(gòu)B(CxN1-x)(x=0.01～0.11)晶體，晶格參數(shù)為a=0.3621nm，紅外光譜分析表明，立方B(CxN1-x)(x=0.01～0.11)