过渡金属化合物超硬多功能材料的高压理论设计与合成

寻找新型多功能超硬材料，已经成为材料科学、物理学等多学科的热点领域之一。近年来人们已经意识到过渡金属化合物是获取高硬度（超硬）多功能材料的富矿，显示出诱人的前景。从新材料的高压理论设计、高温高压合成、高压改性等角度分析，还有几个最基本的材料物理问题没有弄清：（1）常压下难以合成、可以通过高压手段制备的过渡金属化合物的组分、结构与超硬多功能性质之间的关系，（2）典型过渡金属化合物中有哪些高压稳定相，各相之间的结构如何变化以及各相具有哪些物理性质等。这些基本科学问题不解决，势必影响到对超硬多功能过渡金属化合物的科学认识和应用进程。本项目就是在此背景下提出的，针对过渡金属硼、氮、碳、氧化合物，首先通过高压理论研究，设计出具有功能特性的高硬度或超硬高压相材料，探索高压合成条件和合成路径，再通过高压手段制备这些高性能材料。该项目在满足国家需求和解决材料物理前沿科学问题等方面，都有重要的意义。

过渡金属丰富的价电子以及价态结合与轻质原子形成的较强的具有方向性和饱和性的共价键网络，是寻找和获得有丰富性质的超硬多功能材料的重要源泉。. 课题经过多年的探索，成功理论设计并合成了大量新型材料。通过高温高压手段制备了Mn2B，MnB，Mn3B4，MnB2，MnB4等多种锰硼化合物，α-MoB2和β-MoB2钼硼化合物，钼碳化合物，WB、W2B、WB2、WB3等钨硼化合物, 以及纯相MoWC2等过渡金属化合物，系统的研究了反应物、压力、温度、保温时间等条件对生成物的影响，以IrCl3与Li3N为前驱物通过高温高压条件下的复分解反应合成出贵金属氮化物－IrNx，利用球磨法合成了PtB纳米线等多种新型材料，理论设计了多种潜在的超硬材料m-TaB4，Re3N、Re2N、 Re3N2、ReN2、ReN3、ReN4和Tc3N、Tc2N、TcN、Tc2N3、TcN2、TcN3、TcN4,等过渡金属氮化物，新型BC7、石墨冷压超硬相Cmcm相c-carbon等超硬多功能材料。其中多种材料具有多功能特性，包括：高硬度软铁磁材料β-MnB2，高硬度、高导电率、高热导率过渡金属化合物TiB2，高催化活性、高电导率、高硬度超导材料MoC，超不可压缩材料MoWC2，超硬超导材料BC7等新型高硬度多功能材料等。. 利用高压手段对大量物质高压下物性进行了高压研究。获得了MnB化合物的状态方程及稳定性信息，获得了PtB纳米线高压拉曼光谱信息，CeO、TiO2等纳米材料在高压的性质。. 揭示了多种材料物理问题。确定了锰-硼化合物的不同相在P-T图上的相边界，对获得所需的新材料合成有重要意义；发现Z方向B的电子转移形成了B共价键网络是β-MoB2硬度大于α-MoB2的根本原因；而部分B-B形成非完美态的sp2杂化键，会降低WB3等材料的硬度；证明了高压是获得过渡金属氮化物材料的有效途径；揭示出N含量对过渡金属氮化物的性质有显著影响，高N含量有利于材料形成三维多面体堆砌结构，有效地避金属性相互作用，提升材料的硬度。. 在实验技术方面，提升了高温高压合成能力。重新设计并改造了六面顶压机的顶锤和铰链系统，大大提升了高温高压实验加载能力，更改了样品封装设计，提升了样品反应温度，发展了基于六面顶压机的可对大体积样品体输运性质进行高温高压原位测量的实验技术。. 综上所述，课题组很好地完了全部课题目标