1、項目名稱：高壓下新型超硬和含氮高能密度材料的結構與物性及相變機制研究主要完成人、排名及貢獻:姓名排名技術職稱完成單位主要貢獻張美光1副教授寶雞文理學院揭示了材料體彈模量和硬度與 結構和原子成鍵的類型和排布 之間的關聯性及規律性；提出新 型超硬功能材料實真實硬度的 判據；建立了含氮高能密度材料 AN3勺高壓結構相變序列并確定 在低壓部分實驗發現的相變結 構；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 合物的結構信息。閆海燕2副教授寶雞文理學院提出了 5d過渡族重金屬二氮化 物TMN的高硬度亞穩結構并系 統研究其力學性能各向異性；理 論上首次確定了文獻提

2、出的關 于過渡金屬氮化物TaN勺高壓結 構特征并更正和建立了其相變 序列；對實驗提出的輕元素超硬 功能材料的電子、力學和熱力學 等性質進行了系統的研究，從電 子成鍵方式角度解釋了優異力 學性能的內在原因。魏群3副教授西安電子科技大學推導得到不同晶系單晶彈性模 量各向異性分布計算公式，采用 matlab編寫出各向異性圖示模 擬的計算程序；建立固體材料理 想剪切和拉伸強度行為的計算 方法，并將該方法應用于不同晶 系固體材料單晶結構的研究中； 提出系列不同化學配比的碳氮 亞穩材料的超硬結構并模擬其 實驗合成條件。張剛臺4副教授寶雞文理學院負責咼溫咼壓下渡金屬輕兀素 化合物熱力學參數變化行為研 究；通

3、過計算固體功能材料形成 焓等參數，模擬給出實驗的合成 條件；修正和調試模擬高溫高壓 卜功能材料熱力學參數的吉布 斯程序，提出材料高溫高壓相圖 建立的思路和方法；對晶體結構 預測數據進行了大量的分析處 理。鄭寶兵5講師寶雞文理學院承擔功能固體材料電子成鍵研 究工作；編寫和調試處理固體材 料電子成鍵關鍵點電荷密度的 程序來定量分析電子成鍵類型 和關鍵點處電荷密度的大小，并 將該方法應用到判斷輕元素化 合物形變塌陷機制研究中取得 了良好效果；對實驗合成的典型 輕兀素咼硬度材料電子性質進 行了系統研究，解釋了其電子成 鍵類型與力學性質之間的關系。趙亞儒6副教授寶雞文理學院主要負責輕元素化合物高硬度 材

4、料在外加應變下形變塌陷路 徑設計工作，提出對比分析材料 力學參數楊氏/剪切模量分布和 理想拉伸/剪切強度分布來判斷 材料形變塌陷類型方法；從材料 內應力產生的范圍闡明兩類力 學參數分布差別的內在原因。完成人合作關系說明：本項目的主要完成人合作起始時間均為 2009年1月19日，合作完成時間 為2015年10月21日。張美光副教授作為項目的第一完成人，在項目完成過程 中總體負責組織和協調項目研究； 提出本項目的關鍵學術問題，在物理概念、理 論、計算方法的建立及結果分析等方面做出了重要貢獻；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勵 5項。第二完成人閆海燕副教授

5、負責含氮無機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勵 6項。第三完成人魏群副教授負責超硬功能材料力學性能數據程序化處理和碳基 亞穩功能材料結構設計及物性研究工作， 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勵 2項。第四完成人張剛臺副教授主要承擔高溫高壓下過渡金屬輕元素化合物熱力學 參數變化行為研究，與合作者共同完成論文1和8,與合作者共獲科技獎勵2項。第五完成人鄭寶兵講師主要承擔功能固體材料電子成鍵程序編寫及調

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勵1項。第六完成人趙亞儒副教授主要承擔輕元素化合物高硬度材料在外加應變下形變 塌陷路徑設計工作，與合作者共同完成論文 13和16,與合作者共獲科技獎勵2 項。主要完成單位排序及主要貢獻:單位名稱排序主要貢獻寶雞文理學 院1本項目主要工作完成單位為寶雞文理學院， 依托寶雞文理 學院“凝聚態物理”陜西省重點學科平臺開展研究工作， 寶雞文理學院及科技處等二級單位為研究平臺的建設提 供了很大支持：包括（1）工作環境方面，項目組擁有120平方米的計算材料科學研究工作室和一個凝聚態物理省 級重點學科期刊資料室，同時學校購買科研所需的 基本數據庫。

7、（2）計算資源和軟件方面，研究平臺在2009 至2015年間陸續投資建成了具有96核的機架式計算集群 和6臺16核64位塔式服務器；購買了用于理論計算的 VASR WIEN2K PHONO和 GAUSSIANS件包使用版權，這 些資源可滿足本項目理論計算的要求。尤其是學校于2016 年4月專項投資建成的具有32個計算節點共768核的刀 片式高性能計算集群且已正常運行，極大地滿足了項目后 續持續進行所需的計算要求。（3）學校和學院加大人才隊 伍建設力度，持續引進凝聚態物理和高壓物理的高水平博 士,提高了本項目研究團隊的科研能力， 為項目順利進行 提供了人員保證。西安電子科 技大學2本項目的第二完

8、成單位為西安電子科技大學， 具體的合作 研究團隊為物理與光電工程學院魏群副教授的研究小組。 在西安電子科技大學與物理與光電工程學院的大力支持 下，魏群副教授研究團隊與寶雞文理學院凝聚態省級重點 學科研究團隊自2009年建立了長期良好的合作關系，在 本項目中主要負責項部分關鍵問題的輔助研究和 計算資源提供合作。主要貢獻體現在：（1）模擬編程方面； 負責項目研究中部分計算處理的程序編寫和調試工作，尤其是關于固體材料力學性質各向異性和理想強度計算程 序模擬，該程序已經成功應用的項目的功能材料研究中。(2)計算資源方面，該項目前期的部分復雜計算和程序調 試依托西安電子科技大學高性能計算中心平臺， 該中

9、心系 統計算性能超過85萬億次，存儲容量超過400TB,是西 北地區高校領域公共計算平臺、單次建成的計算峰值最高 的計算系統，為項目的順利進行提供了計算資源保證。主要完成單位合作關系說明：本項目完成第一單位為寶雞文理學院， 第二完成單位為西安電子科技大學， 在項 目完成過程中雙方單位建立了良好且卓有成效的合作關系，具體表現在：(1) 合作時間：雙方單位合作起始時間為 2009年1月19日，完成時間為2015 年10月21日。(2) 合作內容：雙方單位共同完成了本項目中超硬和高能密度功能材料的結構 設計、高壓結構相變和氮原子聚合機制、材料電子結構特征和熱力學性質、硬質 材料彈性模量和理想強度力學

10、各向異性計算、固體材料形變機制等核心研究工作。其中寶雞文理學院主要完成人科研團隊主要承擔項目的總體負責組織和協 調，在項目的主要學術問題包括物理概念、 理論、計算方法和結果分析等方面做 出了重要貢獻；西安電子科技大學主要完成人魏群副教授在超硬功能材料力學性 能數據程序化處理和調試及碳基亞穩功能材料的物性研究做出了重要貢獻，同時為項目提供了充足的計算資源。(3) 完成方式：在本次項目申報中雙方單位共同完成學術論文14篇，共同獲獎2項。項目簡介：超硬和高能密度材料作為兩類重要的功能材料，在國防和國民經濟的主干行業已經得到了廣泛應用，設計與合成新型超硬和高能密度功能材料 是物理、材料、化學等學科的熱

11、點研究領域。本項目著眼于高壓學科前沿，利用 第一性原理計算方法并結合高壓實驗結果，開展深入系統的高壓相新型超硬和含 氮高能量高密度材料等的結構設計與物性及相變機制研究，力爭在新型功能材料 研究領域做出原創性工作。1. 主要研究成果(1) 針對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，系統開展了壓力下結構 設計和物性及硬度機制研究。建立了這兩類材料常壓和高壓下潛在的超硬結構并 模擬其實驗合成條件；揭示了兩類化合物晶體結構、電子性質、力學性質和化學 成鍵與其硬度之間的關聯因素；提出了將此類材料力學參量各向異性分布和理想

12、 強度相結合判斷其硬度大小的方法；從應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) 為研究對象，構建其高壓結構相變序列， 結合現有實驗數據確定在低壓部分實驗未能確定的相變結構； 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單鍵聚合物的結構信息；獲得了高壓下 AN穩定結構的電子、壓致金屬化和化學 成鍵等微觀信息隨壓力變化的規律；揭示了其疊氮陰離中N=N的高壓分解機制；提供了一種合成高能密度材料的方法。2. 科學價值(1) 提出了高壓下新型超硬和高氮含能功能材料結構設計的一種高效研究

13、手段，即基于粒子群優化算法的晶體結構預測技術和第一性原理計算相結合的方 法。(2) 建立了超硬功能材料真實硬度的判據， 即基于固體體材料彈性模量與理 想拉伸/剪切強度的各向異性分布， 從電子成鍵演化方式設計材料形變塌陷路徑； 提出了從壓力下電荷轉移和晶格動力學穩定性角度解釋固體材料高壓結構相變 機制的新思路。(3) 獲得了高壓下AN穩定結構的電子、壓致金屬化和化學成鍵等微觀信息隨壓力變化的規律；闡明了高壓下疊氮陰離子中N=N分解的物理機制；首次在LiN3高壓結構中發現了新奇的類苯環狀的"N6"分子成鍵特征，引起了后續關于金 屬疊氮化物的研究熱潮。3. 同行引用及評價情況本成

14、果共完成國家自然科學基金、 陜西省科技廳和教育廳及寶雞文理學院等 項目6項，發表SCI學術論文53篇，由google學術搜索不完全統計結果該 53 篇論文他引 260 余次。本次申報的 20 篇論文主要發表在 Scientific Reports 、 Appl. Phys. Lett. 、 J. Phys. Chem. C 、 Inorg. Chem. 、 J. Appl. Phys. 等國 際著名期刊，已引起了相關領域學者的關注并得到認可。目前已經被NatureReviews Materials 、 PNAS、 Scientific Reports 、 Chem. Mater. 、 Phys

15、. Rev. B 等國際Top期刊引用和好評，其中 Webof Scienee SCI的被引頻次總172次(其 中他引 123次)， Google 學術搜索的被引頻次總計 196次。其中部分研究成果例 如CN超硬結構和燃料材料CeN的高壓結構等被后續實驗成功合成，驗證了我們 理論工作的準確性和重要價值。 同時，該項目研究成果獲陜西省高等學校科學技 術二等獎和陜西省自然科學優秀論文獎三等獎等多項獎勵。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,