[发明专利]一种聚合氮及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高含能材料技术领域，尤其涉及一种聚合氮及其制备方法。

背景技术

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110GPa，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。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种聚合氮及其制备方法，本发明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。

本发明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。

本发明以金刚石对顶砧作为反应器，本发明对所述金刚石对顶砧没有特殊限制。作为优选，本发明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箔，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300μm的金刚石对顶砧产生压力，预压纯度为99.97％、尺寸为5×5×0.25mm的金属铼箔，然后利用电火花打孔机在压痕中心成型一个直径为100μm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。

本发明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10μm以下的红宝石微球作为压标物质，封好整个金刚石对顶砧。

在本发明中，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。

在本发明中，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℃～200℃下反应，将反应得到的气体冷凝后，得到叠氮化铵。

具体而言，本发明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℃～200℃，更优选190℃，反应1h。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。

在本发明中，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。在本发明中，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为本发明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。

本发明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。

本发明提供的方法中，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，本发明提供的方法简单，易于操作。