CN112158814A - 一种化学式为FeN4的高能金属氮聚合物的高温高压合成方法 - Google Patents

一种化学式为FeN4的高能金属氮聚合物的高温高压合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种化学式为FeN4的高能金属氮聚合物的高温高压合成方法。该方法包括：(1)将氮化铁粉末与液氮封装到金刚石对顶砧的样品腔当中；(2)利用金刚石对顶砧的机械挤压对样品腔内加压至高压状态；(3)利用激光器对样品腔内氮化铁粉末与氮气分子的混合样品进行加热，合成FeN4样品。本发明的制备方法简单，污染性较小，合成的FeN4是具有潜在应用价值的高性能含能材料。

Description

一种化学式为FeN4的高能金属氮聚合物的高温高压合成方法
技术领域
本发明属于含能材料领域，具体涉及到利用氮化铁与氮气在高温高压下合成FeN4这一超高能含能材料的制备方法，本发明在高能炸药、推进剂方面具有较好应用前景。
背景技术
含能材料是武器动力和毁伤系统的能量来源，决定了武器动力和毁伤系统的效能。含能材料一直追求着高能量密度，但是传统CHON含能材料却有着能量极限，寻求新型超高能含能材料已成为全世界能源材料科学家和工程师密切关注的焦点，金属氢、聚合氮、聚合一氧化碳等颠覆性含能材料成为了含能材料领域的研究热点。具有聚合氮长链的金属-氮聚合物，由于氮氮单键与氮氮三键间巨大的能量差异，当金属-氮聚合物中的聚合氮长链解聚恢复成分子氮时将释放巨大的能量，是一种突破传统的超高能密度材料。
以往具有聚合氮长链的金属-氮聚合物都是以金属和氮气为合成前体，利用金刚石对顶砧和激光加热技术，在高温高压下使金属和氮原子打破原本的化学键，重新排列生成。
不同于以往金属-氮气合成高能金属氮聚合物的方法，本发明从金属氮化物出发，采用氮化铁和氮气作为前驱物，在高温高压下合成具有聚合氮长链的FeN4化合物。该化合物具有超传统CHON含能材料的能量密度，是一种具有潜在应用前景的新型颠覆性含能材料。
发明内容
本发明克服了现目前合成具有聚合氮长链金属氮聚合物前驱物的限制，提供一种利用金属氮化物、氮气在高温高压下合成高能金属氮聚合物的制备方法，为发展新型颠覆性含能材料的制备提供新的途径。
为解决上述的技术问题，本发明的一种实施方式采用以下技术方案：
一种化学式为FeN4的高能金属氮聚合物的高温高压合成方法，该方法使用氮化铁、氮气为合成FeN4。
进一步的技术方案是，所述的化学式为FeN4的高能金属氮聚合物的高温高压合成方法包括以下步骤：
(1)氮化铁与氮气的封装
将一定量的氮化铁粉末与液氮封装到金刚石对顶砧的样品腔中；
(2)氮化铁与氮气的加压
利用金刚石对顶砧的机械挤压对封装在样品腔中的样品施加压力；
(3)氮化铁与氮气的加温
利用激光机对金刚石对顶砧样品腔内的氮化铁粉末与液氮混合物进行加热，合成FeN4样品。
步骤(1)中所述的氮化铁粉末与液氮以任意比例混合。
步骤(1)中所述的氮化铁粉末的直径为1～10μm。
步骤(2)中所述的金刚石对顶砧样品腔内的压力范围为80～120GPa。
步骤(3)中所述的金刚石对顶砧样品腔中氮化铁与氮气分子的加热范围为1500～2500K，加热时间至少持续15min。
下面对本发明的技术方案做更加详细的描述。
化学式为FeN4的高能金属氮聚合物的高温高压合成方法，包括以下步骤：
(1)金刚石对顶砧样品腔中氮化铁、氮气样品的封装
利用100～150微米砧面的金刚石对顶砧对金属铼片进行预压，预压压力为25至30GPa。对预压后的金属铼片中央打孔，作为样品腔，样品腔直径为40～60微米。将铼片复位到金刚石对顶砧上。用针尖挑取少量氮化铁样品，置于样品腔中。随后，将金刚石对顶砧套筒扣在样品腔上，使样品腔封闭。将整个金刚石对顶砧置于液氮环境下，打开套筒，使液氮缓慢流入样品腔中，再次密封样品腔，完成封装。
(2)金刚石对顶砧中氮化铁、氮气样品的加压
对金刚石对顶砧样品腔中的样品缓慢加压，不断测试样品腔中的压力。压力测试采用标定金刚石拉曼峰位的方法，每次加压不超过8GPa。对样品腔内的样品加压到80至120GPa。
(3)金刚石对顶砧中氮化铁、氮气样品的激光加热
在显微镜观测下准确找到样品腔中的样品，将一束低功率激光打到氮化铁样品上，利用样品的黑体辐射测温。缓慢提高激光功率，加热温度控制在1500至2500K，持续加热15分钟以上。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
利用氮化铁、氮气为前驱物合成高能金属氮聚合物，突破以往仅用金属、氮气合成高能氮聚合物的制备方法，合成出来的具有聚合链长链的FeN4，能量密度高，具体相关性能数据如表所示。本发明的制备方法简单，污染性较小，合成的FeN4是具有潜在应用价值的高性能含能材料。
计算方法 爆速(m/s) 爆压(GPa) 爆热(J/g)
EXPLO-5 11355 107 2155
K-J方程 10102 67 2322
附图说明
图1为高能氮聚合物FeN4的晶体结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
利用100微米砧面的金刚石对顶砧对金属铼片进行预压，预压压力为25GPa。对预压后的金属铼片中央打孔，作为样品腔，样品腔直径为40微米。将铼片复位到金刚石对顶砧上。用针尖挑取少量氮化铁样品(氮化铁粉末的直径为5μm)，置于样品腔中。随后，将金刚石对顶砧套筒扣在样品腔上，使样品腔封闭。将整个金刚石对顶砧置于液氮环境下，打开套筒，使液氮缓慢流入样品腔中，再次密封样品腔。对金刚石对顶砧样品腔中的样品缓慢加压至100GPa，不断测试样品腔中的压力。随后，将激光打到氮化铁样品上，提高激光功率，加热温度控制在2000K，持续加热15分钟，获得FeN4样品。通过同步辐射X射线衍射结合理论模拟，确定产物为FeN4，样品包含少量的FeN。
实施例2
利用150微米砧面的金刚石对顶砧对金属铼片进行预压，预压压力为25GPa。对预压后的金属铼片中央打孔，作为样品腔，样品腔直径为60微米。将铼片复位到金刚石对顶砧上。用针尖挑取少量氮化铁样品(氮化铁粉末的直径为1μm)，置于样品腔中。随后，将金刚石对顶砧套筒扣在样品腔上，使样品腔封闭。将整个金刚石对顶砧置于液氮环境下，打开套筒，使液氮缓慢流入样品腔中，再次密封样品腔。对金刚石对顶砧样品腔中的样品缓慢加压至110GPa，不断测试样品腔中的压力。随后，将激光打到氮化铁样品上，提高激光功率，加热温度控制在2200K，持续加热20分钟，获得FeN4样品。通过同步辐射X射线衍射结合理论模拟，确定产物为FeN4，样品包含少量的FeN。
实施例3
利用150微米砧面的金刚石对顶砧对金属铼片进行预压，预压压力为30GPa。对预压后的金属铼片中央打孔，作为样品腔，样品腔直径为60微米。将铼片复位到金刚石对顶砧上。用针尖挑取少量氮化铁样品(氮化铁粉末的直径为10μm)，置于样品腔中。随后，将金刚石对顶砧套筒扣在样品腔上，使样品腔封闭。将整个金刚石对顶砧置于液氮环境下，打开套筒，使液氮缓慢流入样品腔中，再次密封样品腔。对金刚石对顶砧样品腔中的样品缓慢加压至95GPa，不断测试样品腔中的压力。随后，将激光打到氮化铁样品上，提高激光功率，加热温度控制在1800K，持续加热15分钟，获得FeN4样品。通过同步辐射X射线衍射结合理论模拟，确定产物为FeN4，样品包含少量的FeN。
实施例4
利用150微米砧面的金刚石对顶砧对金属铼片进行预压，预压压力为30GPa。对预压后的金属铼片中央打孔，作为样品腔，样品腔直径为60微米。将铼片复位到金刚石对顶砧上。用针尖挑取少量氮化铁样品(氮化铁粉末的直径为5μm)，置于样品腔中。随后，将金刚石对顶砧套筒扣在样品腔上，使样品腔封闭。将整个金刚石对顶砧置于液氮环境下，打开套筒，使液氮缓慢流入样品腔中，再次密封样品腔。对金刚石对顶砧样品腔中的样品缓慢加压至90GPa，不断测试样品腔中的压力。随后，将激光打到氮化铁样品上，提高激光功率，加热温度控制在2000K，持续加热20分钟，获得FeN4样品。通过同步辐射X射线衍射结合理论模拟，确定产物为FeN4，样品包含少量的FeN。
图1为高能氮聚合物FeN4的晶体结构。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但应理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行多种变型和改进外，对本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (6)

1.一种化学式为FeN4的高能金属氮聚合物的高温高压合成方法，其特征在于使用氮化铁、氮气为合成FeN4。
2.根据权利要求1所述的化学式为FeN4的高能金属氮聚合物的高温高压合成方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)氮化铁与氮气的封装
将一定量的氮化铁粉末与液氮封装到金刚石对顶砧的样品腔中；
(2)氮化铁与氮气的加压
利用金刚石对顶砧的机械挤压对封装在样品腔中的样品施加压力；
(3)氮化铁与氮气的加温
利用激光机对金刚石对顶砧样品腔内的氮化铁粉末与液氮混合物进行加热，合成FeN4样品。
3.根据权利要求2所述的化学式为FeN4的高能金属氮聚合物的高温高压合成方法，其特征在于步骤(1)中所述的氮化铁粉末与液氮以任意比例混合。
4.根据权利要求2所述的化学式为FeN4的高能金属氮聚合物的高温高压合成方法，其特征在于步骤(1)中所述的氮化铁粉末的直径为1～10μm。
5.根据权利要求2所述的化学式为FeN4的高能金属氮聚合物的高温高压合成方法，其特征在于步骤(2)中所述的金刚石对顶砧样品腔内的压力范围为80～120GPa。
6.根据权利要求2所述的化学式为FeN4的高能金属氮聚合物的高温高压合成方法，其特征在于步骤(3)中所述的金刚石对顶砧样品腔中氮化铁与氮气分子的加热范围为1500～2500K，加热时间至少持续15min。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116002634A (zh) * 2022-12-29 2023-04-25 浙江大学杭州国际科创中心 立方偏转结构聚合氮及其制备方法和应用
DE102022003959A1 (de) 2022-10-25 2024-04-25 Alf Holger Tschersich Höchstextreme Druckspannungen, und hohe (Synthese-) Temperaturen, erzeugendes Vorrichtungssystem, zur direkt kapselnden Herstellung physikochemischer Produkte

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN203270009U (zh) * 2013-05-27 2013-11-06 新疆众豪钒业科技有限公司 钒氮合金的生产系统
CN104819889A (zh) * 2015-04-30 2015-08-05 吉林大学 金刚石对顶砧压机微量气体液化装置
CN109317673A (zh) * 2018-10-19 2019-02-12 江苏大学 一种激光增材制造装置和方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN203270009U (zh) * 2013-05-27 2013-11-06 新疆众豪钒业科技有限公司 钒氮合金的生产系统
CN104819889A (zh) * 2015-04-30 2015-08-05 吉林大学 金刚石对顶砧压机微量气体液化装置
CN109317673A (zh) * 2018-10-19 2019-02-12 江苏大学 一种激光增材制造装置和方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
G. GUBERT ET AL.: "Laser irradiation of iron, cobalt, and nickel targets in liquid nitrogen:A facile approach for nitride nanoparticle fabrication of ferromagnetic transition metals", 《JOURNAL OF ALLOYS AND COMPOUNDS》 *
M.BYKOV ET AL.: "Fe-N system at high pressure reveals a compound featuring polymeric nitrogen chains", 《NATURE COMMUNICATIONS》 *
MAXIM BYKOV ET AL.: "Synthesis of FeN4 at 180 GPa and its crystal structure from a submicron-sized grain", 《ACTA CRYST.》 *
TATIANA KHATKO ET AL.: "Laser synthesis of nitrides on the surface of refractory metals immersed in liquid nitrogen", 《APPLIED SURFACE SCIENCE》 *
张立德主编: "《超微粉体制备与应用技术》", 30 April 2001 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022003959A1 (de) 2022-10-25 2024-04-25 Alf Holger Tschersich Höchstextreme Druckspannungen, und hohe (Synthese-) Temperaturen, erzeugendes Vorrichtungssystem, zur direkt kapselnden Herstellung physikochemischer Produkte
CN116002634A (zh) * 2022-12-29 2023-04-25 浙江大学杭州国际科创中心 立方偏转结构聚合氮及其制备方法和应用

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