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1、项目名称：高压下新型超硬和含氮高能密度材料的结构与物性及相变机制研究主要完成人、排名及贡献：姓名 排名 技术职称 完成单位 主要贡献张美光 1 副教授 宝鸡文理学院揭示了材料体弹模量和硬度与结构和原子成键的类型和排布之间的关联性及规律性；提出新型超硬功能材料实真实硬度的判据；建立了含氮高能密度材料AN3的高压结构相变序列并确定在低压部分实验发现的相变结构；阐明了AN3中叠氮阴离子成键行为随压力的变化方式并最终确定高压下AN3中N-N单键聚合物的结构信息。闫海燕 2 副教授 宝鸡文理学院提出了5d过渡族重金属二氮化物TMN2的高硬度亚稳结构并系统研究其力学性能各向异性；理论上首次确定了文献提出的
2、关于过渡金属氮化物TaN的高压结构特征并更正和建立了其相变序列；对实验提出的轻元素超硬功能材料的电子、力学和热力学等性质进行了系统的研究，从电子成键方式角度解释了优异力学性能的内在原因。魏群 3 副教授 西安电子科技大学推导得到不同晶系单晶弹性模量各向异性分布计算公式，采用matlab编写出各向异性图示模拟的计算程序；建立固体材料理想剪切和拉伸强度行为的计算方法，并将该方法应用于不同晶系固体材料单晶结构的研究中；提出系列不同化学配比的碳氮亚稳材料的超硬结构并模拟其实验合成条件。完成人合作关系说明:本项目的主要完成人合作起始时间均为2009年1月19日，合作完成时间为2015年10月21日。张美
3、光副教授作为项目的第一完成人，在项目完成过程中总体负责张刚台 4 副教授 宝鸡文理学院负责高温高压下渡金属轻元素化合物热力学参数变化行为研究；通过计算固体功能材料形成焓等参数，模拟给出实验的合成条件；修正和调试模拟高温高压下功能材料热力学参数的吉布斯程序，提出材料高温高压相图建立的思路和方法；对晶体结构预测数据进行了大量的分析处理。郑宝兵 5 讲师 宝鸡文理学院承担功能固体材料电子成键研究工作; 编写和调试处理固体材料电子成键关键点电荷密度的程序来定量分析电子成键类型和关键点处电荷密度的大小，并将该方法应用到判断轻元素化合物形变塌陷机制研究中取得了良好效果；对实验合成的典型轻元素高硬度材料电子
4、性质进行了系统研究，解释了其电子成键类型与力学性质之间的关系。赵亚儒 6 副教授 宝鸡文理学院主要负责轻元素化合物高硬度材料在外加应变下形变塌陷路径设计工作，提出对比分析材料力学参数杨氏/剪切模量分布和理想拉伸/剪切强度分布来判断材料形变塌陷类型方法；从材料内应力产生的范围阐明两类力学参数分布差别的内在原因。组织和协调项目研究；提出本项目的关键学术问题，在物理概念、理论、计算方法的建立及结果分析等方面做出了重要贡献；是论文1，3-6，8-14，16，18-19的通讯作者，与合作者共获科技奖励5项。第二完成人闫海燕副教授负责含氮无机功能材料和轻元素化合物物性研究方面，尤其是轻元素化合物超硬功能材
5、料电子成键特性研究，是论文7，10，15，17的第一作者和论文7，10，17的通讯作者，与合作者共获科技奖励6项。第三完成人魏群副教授负责超硬功能材料力学性能数据程序化处理和碳基亚稳功能材料结构设计及物性研究工作，是论文14的第一作者和论文4，7，11，13-16的通讯作者，与合作者共获科技奖励2项。第四完成人张刚台副教授主要承担高温高压下过渡金属轻元素化合物热力学参数变化行为研究，与合作者共同完成论文1和8，与合作者共获科技奖励2项。第五完成人郑宝兵讲师主要承担功能固体材料电子成键程序编写及调试工作，与合作者共同完成论文12和15，与合作者共获科技奖励1项。第六完成人赵亚儒副教授主要承担轻元
6、素化合物高硬度材料在外加应变下形变塌陷路径设计工作，与合作者共同完成论文13和16，与合作者共获科技奖励2项。主要完成单位排序及主要贡献：单位名称 排序 主要贡献宝鸡文理学院 1本项目主要工作完成单位为宝鸡文理学院，依托宝鸡文理学院“凝聚态物理”陕西省重点学科平台开展研究工作，宝鸡文理学院及科技处等二级单位为研究平台的建设提供了很大支持：包括(1)工作环境方面，项目组拥有120平方米的计算材料科学研究工作室和一个凝聚态物理省级重点学科期刊资料室，同时学校购买科研所需的基本数据库。(2) 计算资源和软件方面，研究平台在2009至2015年间陆续投资建成了具有96核的机架式计算集群和6台16核64
7、位塔式服务器；购买了用于理论计算的VASP、WIEN2K、PHONON和GAUSSIAN软件包使用版权，这些资源可满足本项目理论计算的要求。尤其是学校于2016年4月专项投资建成的具有32个计算节点共768核的刀片式高性能计算集群且已正常运行，极大地满足了项目后续持续进行所需的计算要求。(3) 学校和学院加大人才队伍建设力度，持续引进凝聚态物理和高压物理的高水平博士，提高了本项目研究团队的科研能力，为项目顺利进行提供了人员保证。西安电子科技大学 2本项目的第二完成单位为西安电子科技大学，具体的合作研究团队为物理与光电工程学院魏群副教授的研究小组。在西安电子科技大学与物理与光电工程学院的大力支持
8、下，魏群副教授研究团队与宝鸡文理学院凝聚态省级重点学科研究团队自2009年建立了长期良好的合作关系，在本项目中主要负责项部分关键问题的辅助研究和计算资源提供合作。主要贡献体现在：(1) 模拟编程方面；负责项目研究中部分计算处理的程序编写和调试工作，尤其是关于固体材料力学性质各向异性和理想强度计算程序模拟，该程序已经成功应用的项目的功能材料研究中。(2) 计算资源方面，该项目前期的部分复杂计算和程序调试依托西安电子科技大学高性能计算中心平台，该中心系统计算性能超过85万亿次，存储容量超过400 TB，是西北地区高校领域公共计算平台、单次建成的计算峰值最高的计算系统，为项目的顺利进行提供了计算资源
9、保证。主要完成单位合作关系说明：本项目完成第一单位为宝鸡文理学院，第二完成单位为西安电子科技大学，在项目完成过程中双方单位建立了良好且卓有成效的合作关系，具体表现在：(1) 合作时间：双方单位合作起始时间为2009年1月19日，完成时间为2015年10月21日。(2) 合作内容：双方单位共同完成了本项目中超硬和高能密度功能材料的结构设计、高压结构相变和氮原子聚合机制、材料电子结构特征和热力学性质、硬质材料弹性模量和理想强度力学各向异性计算、固体材料形变机制等核心研究工作。其中宝鸡文理学院主要完成人科研团队主要承担项目的总体负责组织和协调，在项目的主要学术问题包括物理概念、理论、计算方法和结果分
10、析等方面做出了重要贡献；西安电子科技大学主要完成人魏群副教授在超硬功能材料力学性能数据程序化处理和调试及碳基亚稳功能材料的物性研究做出了重要贡献，同时为项目提供了充足的计算资源。(3) 完成方式：在本次项目申报中双方单位共同完成学术论文14篇，共同获奖2项。项目简介： 超硬和高能密度材料作为两类重要的功能材料，在国防和国民经济的主干行业已经得到了广泛应用，设计与合成新型超硬和高能密度功能材料是物理、材料、化学等学科的热点研究领域。本项目着眼于高压学科前沿，利用第一性原理计算方法并结合高压实验结果，开展深入系统的高压相新型超硬和含氮高能量高密度材料等的结构设计与物性及相变机制研究，力争在新型功能
11、材料研究领域做出原创性工作。1. 主要研究成果(1) 针对两类新型超硬功能材料：过渡金属(3 d、4 d、5 d金属)与轻元素(硼、碳、氮等)化合物及轻元素(铍、硼、碳、氮等)化合物，系统开展了压力下结构设计和物性及硬度机制研究。建立了这两类材料常压和高压下潜在的超硬结构并模拟其实验合成条件；揭示了两类化合物晶体结构、电子性质、力学性质和化学成键与其硬度之间的关联因素；提出了将此类材料力学参量各向异性分布和理想强度相结合判断其硬度大小的方法；从应变下电子成键密度和方式演化成功解释这两类材料形变塌陷行为。(2) 选择典型的含氮高能材料AN 3(A= Li, Na, K)为研究对象，构建其高压结构
12、相变序列，结合现有实验数据确定在低压部分实验未能确定的相变结构；阐明了AN 3中叠氮阴离子成键行为随压力的变化方式并最终确定高压下AN 3中N-N单键聚合物的结构信息；获得了高压下AN 3稳定结构的电子、压致金属化和化学成键等微观信息随压力变化的规律；揭示了其叠氮阴离中N=N的高压分解机制；提供了一种合成高能密度材料的方法。2. 科学价值(1) 提出了高压下新型超硬和高氮含能功能材料结构设计的一种高效研究手段，即基于粒子群优化算法的晶体结构预测技术和第一性原理计算相结合的方法。(2) 建立了超硬功能材料真实硬度的判据，即基于固体体材料弹性模量与理想拉伸/剪切强度的各向异性分布，从电子成键演化方
13、式设计材料形变塌陷路径；提出了从压力下电荷转移和晶格动力学稳定性角度解释固体材料高压结构相变机制的新思路。(3) 获得了高压下AN 3稳定结构的电子、压致金属化和化学成键等微观信息随压力变化的规律；阐明了高压下叠氮阴离子中N=N分解的物理机制；首次在LiN 3高压结构中发现了新奇的类苯环状的N 6分子成键特征，引起了后续关于金属叠氮化物的研究热潮。3. 同行引用及评价情况本成果共完成国家自然科学基金、陕西省科技厅和教育厅及宝鸡文理学院等项目6项，发表SCI学术论文53篇，由google学术搜索不完全统计结果该53篇论文他引260余次。本次申报的20篇论文主要发表在 Scientific Rep
14、orts、 Appl. Phys. Lett.、 J. Phys. Chem. C、 Inorg. Chem.、 J. Appl. Phys.等国际著名期刊，已引起了相关领域学者的关注并得到认可。目前已经被Nature Reviews Materials、 PNAS、 Scientific Reports、 Chem. Mater.、 Phys. Rev. B 等国际Top期刊引用和好评，其中Web of Science SCI的被引频次总172次(其中他引123次)，Google 学术搜索的被引频次总计196次。其中部分研究成果例如CN超硬结构和燃料材料CeN的高压结构等被后续实验成功合成，
15、验证了我们理论工作的准确性和重要价值。同时，该项目研究成果获陕西省高等学校科学技术二等奖和陕西省自然科学优秀论文奖三等奖等多项奖励。代表性文章:1. Meiguang Zhang, Haiyan Yan, Gangtai Zhang, and Hui Wang. Ultra-incompressible orthorhombic phase of osmium tetraboride (OsB4) predicted from first principles. J. Phys. Chem. C 116, 4293 (2012).2. Meiguang Zhang, Hui Wang, Hon
16、gbo 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, 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
