一种聚合氮及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种聚合氮的制备方法，包括以下步骤：在金刚石对顶砧的样品腔中填充叠氮化铵，加压至20GPa以上，得到聚合氮。本发明专利技术还提供了一种上述技术方案所述的方法制备得到的聚合氮，其氮原子间通过氮氮单键键合，悬键由氢原子饱和，是一种高分子聚合体。该聚合氮的晶体结构为正交结构(P212121)，理论预测其能量密度为6.03KJ/g，是具有重要应用前景的高能量密度材料。本发明专利技术提供的方法中，制备聚合氮的条件为室温、20GPa压力，即能获得氮氮单键键合的长链聚合氮，制备条件温和，是商用大腔体压机能够达到的压力条件，为聚合氮的宏观量制备提供重要实验依据。同时，本发明专利技术提供的方法简单，易于操作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高含能材料
，尤其涉及。
技术介绍
聚合氮是高压下解离分子氮中的氮氮三键或氮氮双键，重新结晶形成的以氮氮单 键键合的新型聚合材料。由于氮氮单键键能（168KJ/g)与氮氮三键键能(956KJ/g)间存在巨 大的能量差异，当聚合氮爆炸后恢复到氮气分子状态时将释放巨大的能量，是已知含能材 料中能量密度最高的高能量密度材料；同时，聚合氮爆炸时无需氧气，产物为清洁无污染的 氮气。基于以上优异特性，聚合氮在航空航天、军事国防领域具有重要的应用前景。因此聚 合氮的制备备受国内外关注。 2004年，德国马普所首次在I IOGPa，2000K超高压高温条件下，利用氮气作为前驱 体，获得了氮氮单键键合的聚合氮，这一重大发现为聚合氮的高压制备提供了可行性方案。 但是，其合成的温度压力条件十分苛刻，难以实现宏观量合成。因此，寻找新的制备方法，降 低聚合氮合成条件，在常温、低压力条件下制备新型聚合氮是亟待解决的关键问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供，本专利技术提供的制备 方法无需苛刻的温度压力条件，得到的聚合氮为高分子聚合体，具有较高的能量密度。 本专利技术提供了一种聚合氮的制备方法，包括以下步骤： 在金刚石对顶砧的样品腔中填充叠氮化铵，加压至20GPa以上，得到聚合氮。 本专利技术以叠氮化铵作为前驱体，利用金刚石对顶砧产生高压，使叠氮化铵在室温、 加压至20GPa条件下即可分解并重新键合，得到聚合氮，且得到的聚合氮为高分子聚合体， 具有较高的能量密度。 本专利技术以金刚石对顶砧作为反应器，本专利技术对所述金刚石对顶砧没有特殊限制。 作为优选，本专利技术对所述金刚石对顶砧的样品腔进行如下处理： 利用金刚石对顶砧预压金属铼箱，在压痕中心成型一个孔洞作为样品腔，将其复 位至金刚石对顶砧。 在一个具体实施例中，利用砧面为300μπι的金刚石对顶砧产生压力，预压纯度为 99.97%、尺寸为5 X 5 X 0.25mm的金属铼箱，然后利用电火花打孔机在压痕中心成型一个直 径为100μπι的孔洞作为样品腔;将该样品腔复位到金刚石对顶砧中即可。 本专利技术在所述金刚石对顶砧的样品腔中填充叠氮化铵，具体按照以下步骤操作： 将金刚石对顶砧移入氩气保护的手套箱中，在惰性气体环境中将叠氮化铵填充入 样品腔，然后装入IOym以下的红宝石微球作为压标物质，封好整个金刚石对顶砧。 在本专利技术中，所述叠氮化铵的填充率优选为100%，即将叠氮化铵充满整个样品 腔。 在本专利技术中，所述叠氮化铵为叠氮化铵粉末，可以按照以下方法制备： 将硝酸铵和叠氮化钠混合均匀，在180°C~200°C下反应，将反应得到的气体冷凝 后，得到叠氮化铵。 具体而言，本专利技术将硝酸铵和叠氮化钠混合均匀，将混合物放入氮气保护的管式 炉中，然后加热至180°C~200°C，更优选190°C，反应lh。反应过程中挥发出的气体通过冷凝 装置冷却，叠氮化铵晶体附着在冷凝装置内壁上。反应结束后，整个反应装置自然冷却至室 温。向冷凝装置内通入氮气，在氮气保护下快速收集叠氮化铵晶体，密封，放入手套箱中保 存。 将叠氮化铵填充入金刚石对顶砧后，进行压力加载，加压至20GPa以上，叠氮化铵 分解并重新键合，得到聚合氮。 在本专利技术中，加压至20GPa即可生成聚合氮，优选加压至20GPa~60GPa，更优选加 压至20GPa~30GPa。加压压力越高，虽然能够得到聚合氮，但是得到的聚合氮的结晶度较 差。在本专利技术中，优选在室温下加压至20GPa以上，且加压时无需传压介质。参见图1，图1为本专利技术提供的长链聚合氮的制备流程示意图，叠氮化铵在20GPa、 常温条件下分解并重新键合，得到高分子长链聚合氮。 本专利技术以叠氮化铵作为前驱体，利用金刚石对顶砧产生高压，使叠氮化铵在室温、 加压至20GPa条件下即可分解并重新键合，得到聚合氮，且得到的聚合氮为高分子聚合体， 具有较高的能量密度。 本专利技术提供的方法中，制备聚合氮的条件为室温、20GPa压力，即能获得氮氮单键 键合的长链聚合氮，制备条件温和，是商用大腔体压机能够达到的压力条件，为聚合氮的宏 观量制备提供重要实验依据。同时，本专利技术提供的方法简单，易于操作。 本专利技术还提供了一种上述技术方案所述的方法制备得到的聚合氮，其氮原子间通 过氮氮单键键合，悬键由氢原子饱和，是一种高分子聚合体。该聚合氮的晶体结构为正交结 构的以必），理论预测其能量密度为6.03KJ/g。 本专利技术制备的长链聚合氮是氮原子间通过氮氮单键键合形成的一种高分子聚合 体，其中的悬键由氢原子饱和。这种新型长链聚合氮的能量密度高达6.03KJ/g，是具有重要 应用前景的高能量密度材料。【附图说明】 图1为本专利技术提供的长链聚合氮的制备流程示意图； 图2为叠氮化铵晶体在常温常压下的X光衍射(XRD)谱图； 图3为叠氮化铵晶体在常温常压下的3D晶体结构图；图4为叠氮化铵晶体在2.36GPa压力下的高压原位同步辐射角散XRD谱图；图5为叠氮化铵晶体在3.5GPa压力下的高压原位同步辐射角散XRD谱图；图6为HPl相在7. IGPa下的高压原位同步辐射角散XRD谱图；图7为HPl相的3D晶体结构图；图8为叠氮化铵在9.8GPa压力下的高压原位同步辐射角散XRD谱图；图9为实施例6制备的聚合氮在20GPa下的高压原位同步辐射角散XRD谱图； 图10为实施例6制备的聚合氮的3D晶体结构图； 图11为实施例6制备的聚合氮的拉曼谱图；图12为实施例7制备的聚合氮在28GPa下的高压原位同步辐射角散XRD谱图；图13为实施例8制备的聚合氮在56.8GPa下的高压原位同步辐射角散XRD谱图。【具体实施方式】 下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施 例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通 技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范 围。 实施例1将IOmg硝酸铵和12.3mg叠氮化钠混合均匀，将混合物放入氮气保护的管式炉中， 然后加热至190°C，反应lh。反应过程中挥发出的气体通过冷凝装置冷却，叠氮化铵晶体附 着在冷凝装置内壁上。反应结束后，整个反应装置自然冷却至室温。向冷凝装置内通入氮 气，在氮气保护下快速收集叠氮化铵晶体，密封，放入手套箱中保存。叠氮化铵晶体在温常压下的X光衍射(XRD)谱图参见图2,3D晶体结构参见图3,图2 为叠氮化铵晶体在常温常压下的X光衍射(XRD)谱图，从图中可以看出，常压下叠氮化铵结 晶为正交结构，对称群为Pmna(与标准TOF数据库数据JCPDF N0.0 9-0409相一致）。图3为叠 氮化铵晶体在常温常压下的3D晶体结构图。 实施例2利用砧面为300微米的金刚石对顶砧装置预压纯度为99.97%的金属铼箱，利用电 火花打孔机在压痕中心成型一个直径为IOOym的孔洞，该圆形孔洞作为封装叠氮化铵前驱 体的样品腔;在氩气保护的手套箱中，将实施例1制备的叠氮化铵前驱体装满整个样品腔， 然后装入IOym以下的红宝石微球作为压标物质，用来标定样品腔中的压力。封好金刚石对 顶砧装置，进行压力加载，当压力升高至2.36GPa，对样品腔中的物质进行XRD分析，结果参 见图4,本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚合氮的制备方法，包括以下步骤：在金刚石对顶砧的样品腔中填充叠氮化铵，加压至20GPa以上，得到聚合氮。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘波，刘然，刘世杰，周淼，刘冰冰，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22