項(xiàng)目情況-寶雞文理學(xué)院科技處

1、項(xiàng)目名稱：高壓下新型超硬和含氮高能密度材料的結(jié)構(gòu)與物性及相變機(jī)制研究主要完成人、排名及貢獻(xiàn):姓名排名技術(shù)職稱完成單位主要貢獻(xiàn)張美光1副教授寶雞文理學(xué)院揭示了材料體彈模量和硬度與 結(jié)構(gòu)和原子成鍵的類型和排布 之間的關(guān)聯(lián)性及規(guī)律性；提出新 型超硬功能材料實(shí)真實(shí)硬度的 判據(jù)；建立了含氮高能密度材料 AN3勺高壓結(jié)構(gòu)相變序列并確定 在低壓部分實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的相變結(jié) 構(gòu)；闡明了 AN沖疊氮陰離子成 鍵行為隨壓力的變化方式并最 終確定高壓下AN沖N-N單鍵聚 合物的結(jié)構(gòu)信息。閆海燕2副教授寶雞文理學(xué)院提出了 5d過渡族重金屬二氮化 物TMN的高硬度亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)并系 統(tǒng)研究其力學(xué)性能各向異性；理 論上首次確定了文獻(xiàn)提

2、出的關(guān) 于過渡金屬氮化物TaN勺高壓結(jié) 構(gòu)特征并更正和建立了其相變 序列；對(duì)實(shí)驗(yàn)提出的輕元素超硬 功能材料的電子、力學(xué)和熱力學(xué) 等性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，從電 子成鍵方式角度解釋了優(yōu)異力 學(xué)性能的內(nèi)在原因。魏群3副教授西安電子科技大學(xué)推導(dǎo)得到不同晶系單晶彈性模 量各向異性分布計(jì)算公式，采用 matlab編寫出各向異性圖示模 擬的計(jì)算程序；建立固體材料理 想剪切和拉伸強(qiáng)度行為的計(jì)算 方法，并將該方法應(yīng)用于不同晶 系固體材料單晶結(jié)構(gòu)的研究中； 提出系列不同化學(xué)配比的碳氮 亞穩(wěn)材料的超硬結(jié)構(gòu)并模擬其 實(shí)驗(yàn)合成條件。張剛臺(tái)4副教授寶雞文理學(xué)院負(fù)責(zé)咼溫咼壓下渡金屬輕兀素 化合物熱力學(xué)參數(shù)變化行為研 究；通

3、過計(jì)算固體功能材料形成 焓等參數(shù)，模擬給出實(shí)驗(yàn)的合成 條件；修正和調(diào)試模擬高溫高壓 卜功能材料熱力學(xué)參數(shù)的吉布 斯程序，提出材料高溫高壓相圖 建立的思路和方法；對(duì)晶體結(jié)構(gòu) 預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了大量的分析處 理。鄭寶兵5講師寶雞文理學(xué)院承擔(dān)功能固體材料電子成鍵研 究工作；編寫和調(diào)試處理固體材 料電子成鍵關(guān)鍵點(diǎn)電荷密度的 程序來定量分析電子成鍵類型 和關(guān)鍵點(diǎn)處電荷密度的大小，并 將該方法應(yīng)用到判斷輕元素化 合物形變塌陷機(jī)制研究中取得 了良好效果；對(duì)實(shí)驗(yàn)合成的典型 輕兀素咼硬度材料電子性質(zhì)進(jìn) 行了系統(tǒng)研究，解釋了其電子成 鍵類型與力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系。趙亞儒6副教授寶雞文理學(xué)院主要負(fù)責(zé)輕元素化合物高硬度 材

4、料在外加應(yīng)變下形變塌陷路 徑設(shè)計(jì)工作，提出對(duì)比分析材料 力學(xué)參數(shù)楊氏/剪切模量分布和 理想拉伸/剪切強(qiáng)度分布來判斷 材料形變塌陷類型方法；從材料 內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的范圍闡明兩類力 學(xué)參數(shù)分布差別的內(nèi)在原因。完成人合作關(guān)系說明：本項(xiàng)目的主要完成人合作起始時(shí)間均為 2009年1月19日，合作完成時(shí)間 為2015年10月21日。張美光副教授作為項(xiàng)目的第一完成人，在項(xiàng)目完成過程 中總體負(fù)責(zé)組織和協(xié)調(diào)項(xiàng)目研究； 提出本項(xiàng)目的關(guān)鍵學(xué)術(shù)問題，在物理概念、理 論、計(jì)算方法的建立及結(jié)果分析等方面做出了重要貢獻(xiàn)；是論文1, 3-6，8-14，16，18-19的通訊作者，與合作者共獲科技獎(jiǎng)勵(lì) 5項(xiàng)。第二完成人閆海燕副教授

5、負(fù)責(zé)含氮無機(jī)功能材料和輕元素化合物物性研究 方面，尤其是輕元素化合物超硬功能材料電子成鍵特性研究，是論文7, 10, 15, 17的第一作者和論文7，10，17的通訊作者，與合作者共獲科技獎(jiǎng)勵(lì) 6項(xiàng)。第三完成人魏群副教授負(fù)責(zé)超硬功能材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)程序化處理和碳基 亞穩(wěn)功能材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及物性研究工作， 是論文14的第一作者和論文4, 7, 11, 13-16的通訊作者，與合作者共獲科技獎(jiǎng)勵(lì) 2項(xiàng)。第四完成人張剛臺(tái)副教授主要承擔(dān)高溫高壓下過渡金屬輕元素化合物熱力學(xué) 參數(shù)變化行為研究，與合作者共同完成論文1和8,與合作者共獲科技獎(jiǎng)勵(lì)2項(xiàng)。第五完成人鄭寶兵講師主要承擔(dān)功能固體材料電子成鍵程序編寫及調(diào)

6、試工作， 與合作者共同完成論文12和15,與合作者共獲科技獎(jiǎng)勵(lì)1項(xiàng)。第六完成人趙亞儒副教授主要承擔(dān)輕元素化合物高硬度材料在外加應(yīng)變下形變 塌陷路徑設(shè)計(jì)工作，與合作者共同完成論文 13和16,與合作者共獲科技獎(jiǎng)勵(lì)2 項(xiàng)。主要完成單位排序及主要貢獻(xiàn):單位名稱排序主要貢獻(xiàn)寶雞文理學(xué) 院1本項(xiàng)目主要工作完成單位為寶雞文理學(xué)院， 依托寶雞文理 學(xué)院“凝聚態(tài)物理”陜西省重點(diǎn)學(xué)科平臺(tái)開展研究工作， 寶雞文理學(xué)院及科技處等二級(jí)單位為研究平臺(tái)的建設(shè)提 供了很大支持：包括（1）工作環(huán)境方面，項(xiàng)目組擁有120平方米的計(jì)算材料科學(xué)研究工作室和一個(gè)凝聚態(tài)物理省 級(jí)重點(diǎn)學(xué)科期刊資料室，同時(shí)學(xué)校購(gòu)買科研所需的 基本數(shù)據(jù)庫(kù)。

7、（2）計(jì)算資源和軟件方面，研究平臺(tái)在2009 至2015年間陸續(xù)投資建成了具有96核的機(jī)架式計(jì)算集群 和6臺(tái)16核64位塔式服務(wù)器；購(gòu)買了用于理論計(jì)算的 VASR WIEN2K PHONO和 GAUSSIANS件包使用版權(quán)，這 些資源可滿足本項(xiàng)目理論計(jì)算的要求。尤其是學(xué)校于2016 年4月專項(xiàng)投資建成的具有32個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)共768核的刀 片式高性能計(jì)算集群且已正常運(yùn)行，極大地滿足了項(xiàng)目后 續(xù)持續(xù)進(jìn)行所需的計(jì)算要求。（3）學(xué)校和學(xué)院加大人才隊(duì) 伍建設(shè)力度，持續(xù)引進(jìn)凝聚態(tài)物理和高壓物理的高水平博 士,提高了本項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)的科研能力， 為項(xiàng)目順利進(jìn)行 提供了人員保證。西安電子科 技大學(xué)2本項(xiàng)目的第二完

8、成單位為西安電子科技大學(xué)， 具體的合作 研究團(tuán)隊(duì)為物理與光電工程學(xué)院魏群副教授的研究小組。 在西安電子科技大學(xué)與物理與光電工程學(xué)院的大力支持 下，魏群副教授研究團(tuán)隊(duì)與寶雞文理學(xué)院凝聚態(tài)省級(jí)重點(diǎn) 學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)自2009年建立了長(zhǎng)期良好的合作關(guān)系，在 本項(xiàng)目中主要負(fù)責(zé)項(xiàng)部分關(guān)鍵問題的輔助研究和 計(jì)算資源提供合作。主要貢獻(xiàn)體現(xiàn)在：（1）模擬編程方面； 負(fù)責(zé)項(xiàng)目研究中部分計(jì)算處理的程序編寫和調(diào)試工作，尤其是關(guān)于固體材料力學(xué)性質(zhì)各向異性和理想強(qiáng)度計(jì)算程 序模擬，該程序已經(jīng)成功應(yīng)用的項(xiàng)目的功能材料研究中。(2)計(jì)算資源方面，該項(xiàng)目前期的部分復(fù)雜計(jì)算和程序調(diào) 試依托西安電子科技大學(xué)高性能計(jì)算中心平臺(tái)， 該中

9、心系 統(tǒng)計(jì)算性能超過85萬億次，存儲(chǔ)容量超過400TB,是西 北地區(qū)高校領(lǐng)域公共計(jì)算平臺(tái)、單次建成的計(jì)算峰值最高 的計(jì)算系統(tǒng)，為項(xiàng)目的順利進(jìn)行提供了計(jì)算資源保證。主要完成單位合作關(guān)系說明：本項(xiàng)目完成第一單位為寶雞文理學(xué)院， 第二完成單位為西安電子科技大學(xué)， 在項(xiàng) 目完成過程中雙方單位建立了良好且卓有成效的合作關(guān)系，具體表現(xiàn)在：(1) 合作時(shí)間：雙方單位合作起始時(shí)間為 2009年1月19日，完成時(shí)間為2015 年10月21日。(2) 合作內(nèi)容：雙方單位共同完成了本項(xiàng)目中超硬和高能密度功能材料的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)、高壓結(jié)構(gòu)相變和氮原子聚合機(jī)制、材料電子結(jié)構(gòu)特征和熱力學(xué)性質(zhì)、硬質(zhì) 材料彈性模量和理想強(qiáng)度力學(xué)

10、各向異性計(jì)算、固體材料形變機(jī)制等核心研究工作。其中寶雞文理學(xué)院主要完成人科研團(tuán)隊(duì)主要承擔(dān)項(xiàng)目的總體負(fù)責(zé)組織和協(xié) 調(diào)，在項(xiàng)目的主要學(xué)術(shù)問題包括物理概念、 理論、計(jì)算方法和結(jié)果分析等方面做 出了重要貢獻(xiàn)；西安電子科技大學(xué)主要完成人魏群副教授在超硬功能材料力學(xué)性 能數(shù)據(jù)程序化處理和調(diào)試及碳基亞穩(wěn)功能材料的物性研究做出了重要貢獻(xiàn)，同時(shí)為項(xiàng)目提供了充足的計(jì)算資源。(3) 完成方式：在本次項(xiàng)目申報(bào)中雙方單位共同完成學(xué)術(shù)論文14篇，共同獲獎(jiǎng)2項(xiàng)。項(xiàng)目簡(jiǎn)介：超硬和高能密度材料作為兩類重要的功能材料，在國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主干行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，設(shè)計(jì)與合成新型超硬和高能密度功能材料 是物理、材料、化學(xué)等學(xué)科的熱

11、點(diǎn)研究領(lǐng)域。本項(xiàng)目著眼于高壓學(xué)科前沿，利用 第一性原理計(jì)算方法并結(jié)合高壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果，開展深入系統(tǒng)的高壓相新型超硬和含 氮高能量高密度材料等的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與物性及相變機(jī)制研究，力爭(zhēng)在新型功能材料 研究領(lǐng)域做出原創(chuàng)性工作。1. 主要研究成果(1) 針對(duì)兩類新型超硬功能材料：過渡金屬(3d、4d、5d金屬)與輕元素(硼、 碳、氮等)化合物及輕元素(鈹、硼、碳、氮等)化合物，系統(tǒng)開展了壓力下結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)和物性及硬度機(jī)制研究。建立了這兩類材料常壓和高壓下潛在的超硬結(jié)構(gòu)并 模擬其實(shí)驗(yàn)合成條件；揭示了兩類化合物晶體結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和化學(xué) 成鍵與其硬度之間的關(guān)聯(lián)因素；提出了將此類材料力學(xué)參量各向異性分布和理想

12、 強(qiáng)度相結(jié)合判斷其硬度大小的方法；從應(yīng)變下電子成鍵密度和方式演化成功解釋 這兩類材料形變塌陷行為。(2) 選擇典型的含氮高能材料 AN(A= Li, Na, K) 為研究對(duì)象，構(gòu)建其高壓結(jié)構(gòu)相變序列， 結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定在低壓部分實(shí)驗(yàn)未能確定的相變結(jié)構(gòu)； 闡 明了 AN中疊氮陰離子成鍵行為隨壓力的變化方式并最終確定高壓下AN中N-N單鍵聚合物的結(jié)構(gòu)信息；獲得了高壓下 AN穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的電子、壓致金屬化和化學(xué) 成鍵等微觀信息隨壓力變化的規(guī)律；揭示了其疊氮陰離中N=N的高壓分解機(jī)制；提供了一種合成高能密度材料的方法。2. 科學(xué)價(jià)值(1) 提出了高壓下新型超硬和高氮含能功能材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種高效研究

13、手段，即基于粒子群優(yōu)化算法的晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)技術(shù)和第一性原理計(jì)算相結(jié)合的方 法。(2) 建立了超硬功能材料真實(shí)硬度的判據(jù)， 即基于固體體材料彈性模量與理 想拉伸/剪切強(qiáng)度的各向異性分布， 從電子成鍵演化方式設(shè)計(jì)材料形變塌陷路徑； 提出了從壓力下電荷轉(zhuǎn)移和晶格動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性角度解釋固體材料高壓結(jié)構(gòu)相變 機(jī)制的新思路。(3) 獲得了高壓下AN穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的電子、壓致金屬化和化學(xué)成鍵等微觀信息隨壓力變化的規(guī)律；闡明了高壓下疊氮陰離子中N=N分解的物理機(jī)制；首次在LiN3高壓結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了新奇的類苯環(huán)狀的"N6"分子成鍵特征，引起了后續(xù)關(guān)于金 屬疊氮化物的研究熱潮。3. 同行引用及評(píng)價(jià)情況本成

14、果共完成國(guó)家自然科學(xué)基金、 陜西省科技廳和教育廳及寶雞文理學(xué)院等 項(xiàng)目6項(xiàng)，發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文53篇，由google學(xué)術(shù)搜索不完全統(tǒng)計(jì)結(jié)果該 53 篇論文他引 260 余次。本次申報(bào)的 20 篇論文主要發(fā)表在 Scientific Reports 、 Appl. Phys. Lett. 、 J. Phys. Chem. C 、 Inorg. Chem. 、 J. Appl. Phys. 等國(guó) 際著名期刊，已引起了相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注并得到認(rèn)可。目前已經(jīng)被NatureReviews Materials 、 PNAS、 Scientific Reports 、 Chem. Mater. 、 Phys

15、. Rev. B 等國(guó)際Top期刊引用和好評(píng)，其中 Webof Scienee SCI的被引頻次總172次(其 中他引 123次)， Google 學(xué)術(shù)搜索的被引頻次總計(jì) 196次。其中部分研究成果例 如CN超硬結(jié)構(gòu)和燃料材料CeN的高壓結(jié)構(gòu)等被后續(xù)實(shí)驗(yàn)成功合成，驗(yàn)證了我們 理論工作的準(zhǔn)確性和重要價(jià)值。 同時(shí)，該項(xiàng)目研究成果獲陜西省高等學(xué)?？茖W(xué)技 術(shù)二等獎(jiǎng)和陜西省自然科學(xué)優(yōu)秀論文獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。代表性文章 :1. Meiguang Zhang, Haiyan Yan, Gangtai Zhang, and Hui Wang.Ultra-incompressible orthorhombic

16、 phase of osmium tetraboride(OsB4)predicted from first principles.J. Phys. Chem. C 116, 4293 (2012).2. Meiguang Zhang, Hui Wang, Hongbo Wang, Xinxin Zhang, Toshiaki Iitaka, and Yanming Ma. First-Principles prediction on the high-pressure structures of transition metal diborides (TMB2, TM= Sc, Ti, Y,

17、 Zr). Inorg.Chem. 49, 6859 (2010).3. Meiguang Zhang, Haiyan Yan, Qun Wei, and Hui Wang. Universal ground state hexagonal phases and mechanical properties of stoichiometric transition metal tetraborides: TMB4 (TM =W, Tc, and Re). Comput. Mater.Sci. 68, 371 (2013).4. Meiguang Zhang, Haiyan Yan, Qun We

18、i, and Hui Wang. Mechanical and electronic properties of novel tungsten nitride.Europhys. Lett. 100,46001 (2012).5. Meiguang Zhang, Haiyan Yan, Qun Wei, and Hui Wang. Pressure-induced phase transition and mechanical properties of molybdenumdiboride: First principles calculations. J. Appl. Phys. 112,

19、 013522 (2012).6. Zhang Mei-Guang, Yan Hai-yan, Huang Duo-hui, and Wei Qun. Elastic and thermodynamic properties of Re 2N at high pressure and high temperature. Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 3714, 23 (2013).7. Haiyan Yan, Meiguang Zhang, Qun Wei, and Ping Guo. Theoretical study on tetragonal tr

20、ansition metal dinitrides from first principles calculations. J. Alloys Compd. 581, 508 (2013).8. Zhang Mei-Guang, Yan Hai-Yan, Zhang Gang-Tai, and Wang Hui. The ground-state structure and physical properties of RuC: first-principles calculations.Chin. Phys. B 21, 076103 (2012).9. Meiguang Zhang, Ha

21、iyan Yan. Elastic anisotropy and thermodynamic properties of iron tetraboride under high pressure and high temperature. Solid State Commun. 187, 53 (2014).10. Haiyan Yan, Chusheng Dou, Meiguang Zhang, and Hui Wang. Hexagonal high-pressure phase of tantalum mononitride predicted from first principles

22、. J. Appl. Phys. 113, 083502 (2013) .11. Meiguang Zhang, Haiyan Yan, Qun Wei, and Hui Wang. Exploration on pressure-induced phase transition of cerium mononitride from first-principles calculations. Appl. Phys. Lett. 102, 231901 (2013).12. Meiguang Zhang, Haiyan Yan, Baobing Zheng, and Qun Wei. Infl

23、uences of carbon concentration on crystal structures and ideal strengths of B2CxO compounds in the B-C-O system. Scientific Reports 5, 15481 (2015).13. Meiguang Zhang, Qun Wei, Haiyan Yan, Yaru Zhao, and Hui Wang. A novel superhard tetragonalcarbon mononitride. J. Phys. Chem. C 118, 3202(2014).14. Q

24、un Wei, Meiguang Zhang, Haiyan Yan, Zhengzhe Lin, and Xuanmin Zhu. Structural, electronic and mechanical properties of Imma-carbon. Europhys. Lett. 107, 27007 (2014).15. Haiyan Yan, QunWei, Baobing Zheng, and Ping Guo. Low-compressibility and hard material carbon nitride imide C2N2(NH): First principles calculations. J. Solid State Chem.184, 572, (2011).16. Meiguang Zhang, Haiyan Yan,