刺激响应材料是指在外部刺激(例如,温度、光、力、磁场等)下具有物理或化学响应的一类材料。在外界刺激下发生形变从而产生机械变化的材料则称为机械响应材料。材料的机械响应主要包括:弯曲、跳跃、伸长、劈裂、炸裂等。材料的这些机械响应被认为在生物制动器和人造肌肉等方面具有潜在应用。目前,关于材料的机械响应研究大多集中在光致机械响应和热致机械响应,而由机械力触发使材料产生机械响应的报道还非常少。在本论文中,我们将金刚石对顶砧压机(DAC)产生的高压引入到晶体的机械响应研究中,探究了晶体在静水压力下的反常机械响应。我们研究了一水合草酸铵、碳酸氢铵和甲基脲三种氢键晶体在DAC产生的静水压力作用下而促发的机械响应。其中,一水合草酸铵晶体和碳酸氢铵晶体在压力下分别呈现出负线性压缩和各向异性压缩行为。甲基脲粉末晶体在压力的作用下发生了固态再结晶现象,而甲基脲单晶却在静水压力下出现了劈裂和炸裂行为。首先,我们利用DAC压机研究了一水合草酸铵晶体的负线性压缩行为以及碳酸氢铵晶体的各向异性压缩行为。高压同步辐射XRD实验表明,一水合草酸铵晶体在0 GPa至5.1 GPa之间呈现轻微的正压缩,而在5.1 GPa至11.5 GPa之间却沿其b轴表现出持续的负线性压缩特性。即一水合草酸铵晶体的b轴在11.5GPa之前呈现一个先压缩到负压缩的转变。高压拉曼光谱实验和第一性原理计算都证实了该负线性压缩行为,并表明沿b轴分布的“酒架”状氢键网络是一水合草酸铵晶体沿其b轴负线性压缩的根本原因。同样地,我们利用高压同步辐射XRD和第一性原理计算研究了碳酸氢铵晶体在0-2 GPa压力范围内的各向异性压缩行为,其中a轴为最容易压缩的一个轴向。我们认为碳酸氢铵晶体中沿b轴和c轴分布的氢键网络造成了b轴和c轴的较小的压缩率,进而使碳酸氢铵晶体表现出各向异性压缩。基于这一实验结果,我们认为碳酸氢铵晶体中的“双酒架状”氢键网络和负线性压缩中的“酒架状”氢键网络一样,高压都需要经历一个正压缩过程。相变前的2 GPa压力还不足以使“酒架状”氢键网络呈现负线性压缩行为,最终碳酸氢铵晶体只呈现了各向异性压缩。通过对一水合草酸铵晶体和碳酸氢铵晶体实验结果的分析,我们提出了具有“酒架状”氢键网络结构在氢键晶体中负压缩特性的机理:具有“酒架状”氢键网络晶体需要预先经历一个正压缩过程,超过某一临界压力点才能呈现负压缩特性。基于DAC压机的负线性压缩研究是晶体机械响应研究中的一个非常重要的组成部分。此外,负线性压缩材料的这种反常机械响应在工业上尤其是制动器方面具有非常重要的应用。其次,我们研究了甲基脲粉末晶体在DAC压腔内发生的固态再结晶现象。高压原位光学照片表明,在0.3 GPa附近,甲基脲小晶粒会相互融合,最终融合成为一个样品腔大小的大晶粒。高压原位光学照片和同步辐射粉末XRD实验表明,在0.3 GPa附近的重构性相变和样品腔内晶粒之间的紧密接触是造成甲基脲粉末再结晶的两个先决条件。高压拉曼光谱分析结合第一性原理计算结果给出了此重构性相变的可能机制:甲基脲晶体中丰富的氢键给体和受体以及高压下甲基基团的空间位阻效应共同造成了甲基脲晶体中的重构性相变。类似于晶体的光致机械响应和热致机械响,我们认为甲基脲中的再结晶过程是甲基脲晶体所表现出来的一种全新类型的机械响应。此外,高压原位透射实验表明,在再结晶过程中,甲基脲样品粉末的光透过率由15%突变为90%。由于再结晶过程中,甲基脲晶粒的物理性质,例如光透过率和气体透过率等发生了突变,所以我们认为甲基脲中再结晶现象在压力开关等方面具有潜在的应用。而对于甲基脲单晶晶体,高压原位光学照片表明,在3.36 GPa甲基脲单晶晶体会沿某固定轴向劈裂,最终发生破碎。我们认为甲基脲单晶晶体在高压下的破碎现象是由压力诱导的甲基脲晶体的另一机械响应。最后,高压拉曼光谱表明,甲基脲晶体在压力下的相变行为表现出尺寸依赖效应。甲基脲粉末小晶粒在0.3 GPa附近相变成为相II,而甲基脲单晶则在3.36 GPa相变成为相III,并且伴随着单晶晶体的破碎。此外,如果相III尺寸变小时,相III也会在较低压力区间由相III转变为相II。甲基脲晶体在静水压力下的机械响应研究拓宽了晶体机械响应的研究内容,对于力致机械化学、晶体机械响应研究都具有非常重要的意义。