双相网络互穿复合材料(Interpenetrating phase composites, IPCs)通过陶瓷骨架与聚合物或金属在三维空间的连续贯通, 突破了陶瓷材料固有脆性瓶颈, 为开发下一代抗冲击、耐损伤的先进陶瓷材料开辟了新可能。尤其是陶瓷材料增材制造(Additive manufacturing, AM)技术的发展为IPCs的研制提供了创新途径。因此, 本文系统综述了基于AM陶瓷点阵结构的IPCs研究进展。首先简述了适用于陶瓷材料的常见AM技术, 包括光固化、粉末床熔融、材料挤出及黏结剂喷射等, 阐明其各自的技术特点与适用范围。其次, 归纳与分类了以蜂窝、桁架、板晶格和壳结构等为代表的典型陶瓷点阵结构, 并阐述了其在力学性能方面的独特优势。随后, 重点聚焦于聚合物/陶瓷与金属/陶瓷两类关键IPCs体系, 深入概述了其核心复合工艺(如熔渗、电沉积等), 并系统分析了陶瓷点阵结构的构型设计、体积分数调控与梯度化设计等关键参数对IPCs力学性能的影响规律。最后, 基于当前研究现状, 总结并分析了IPCs在复合工艺、多尺度结构优化设计, 以及实现结构功能一体化应用等方面面临的核心挑战与未来潜在发展机遇。

胶体量子点(QDs)因其发射波长可调、色纯度高及溶液可加工性等独特优势, 成为光电器件领域理想的发光材料。量子点发光二极管(QLED)作为有机发光二极管重要的技术补充, 在显示领域展现出良好的应用前景。然而, 传统镉/铅(Cd/Pb)基QDs存在毒性问题, 推动了无重金属QDs体系的发展。当前, 无重金属蓝光QLED在器件效率与稳定性方面仍显著落后于红、绿光器件, 成为制约其应用的关键瓶颈。针对这一问题, ZnSeTe QDs因其可调带隙及优异的蓝光发射特性受到广泛关注。本文围绕ZnSeTe QDs展开综述, 首先介绍了其成核、生长机制及典型合成方法, 并重点分析了影响其光学性能的关键因素。在此基础上, 系统总结了多种性能优化策略, 包括能带工程、表面刻蚀、壳层钝化以及配体调控等。接着, 简要阐述了QLED的电致发光机制, 并总结了ZnSeTe QDs在蓝光器件中的最新研究进展。最后, 针对当前存在的发光效率低、器件寿命短及电荷注入不平衡等问题, 对未来发展方向进行了展望。

二维(2D)层状材料具有有序的层状结构、可调的层间距及丰富的表面化学特性, 利用其在电化学储能装置(如金属离子电池、锂硫电池、钠硫电池、超级电容器等)中构筑定向离子传输通道的策略成为当前研究的热点之一。将2D层状材料在电化学储能装置的各个部件(电极、隔膜、固态电解质等)中定向排布, 可以构筑低曲折度、长程有序的离子传输通道, 实现离子的高速传输, 从而有效提升电化学储能装置的充放电性能。本文聚焦电化学储能装置中的离子传输过程, 全面总结了2D过渡金属碳氮化物(MXene)、层状双金属氢氧化物(LDH)、2D层状金属有机框架(2D MOF)、石墨烯及层状黏土矿物等典型2D层状材料在电极、聚合物电解质和隔膜中构筑定向离子传输通道的研究进展, 总结了各种2D层状材料定向排布方法(外加电场/磁场/剪切力定向法、自组装法和模板法等)的优缺点。进一步分析了定向离子传输通道结构特性对离子传输性能(离子电导率、离子迁移数、离子扩散系数等)的影响, 并深入讨论了2D层状定向离子传输通道中的离子传输机理。最后总结了当前研究所面临的问题和挑战, 并对未来的研究方向进行了展望, 以期为开发高性能电化学储能装置提供参考。

随着航空工业的快速发展, 航空发动机所采用的高温结构材料正面临着日益严苛的服役环境与性能挑战。为满足未来先进航空动力系统的需求, 推重比超过10的先进航空发动机的进气口温度将突破1500 ℃。氧化铝基定向凝固共晶陶瓷凭借其超过1700 ℃的极高熔点、优异的高温组织稳定性、高温力学性能稳定性以及本征抗氧化性能, 展现出在高温氧化环境中长期稳定运行的巨大潜力, 被视为下一代极端工况下理想的关键候选材料。本文首先综述了该类陶瓷材料的微观组织特征, 涵盖典型组织形貌、晶体学取向关系及界面结构特性; 重点探讨了微观组织的调控方法, 包括工艺参数的优化调控、共晶组分优选以及高熵化设计等创新策略; 随后深入分析了材料在典型服役环境下(高温、氧化及化学腐蚀介质)的稳定性表现。在此基础之上, 凝练总结并揭示了当前研究领域中所面临的关键科学问题与核心技术瓶颈, 接着对未来研究方向提出了前瞻性展望, 旨在为该类陶瓷材料在先进航空动力系统中的工程化应用提供理论依据与技术支撑。

面对日益复杂的电磁环境和多频谱探测威胁, 开发高性能隐身材料迫在眉睫。虽然含氧缺陷的Ti₄O₇具备较高的电导率和电磁衰减能力, 但其过高的介电常数易导致阻抗失配, 限制其实际应用。为克服这一局限, 可将Ti₄O₇与具有不同电磁特性的磁性或介电材料复合, 从而进一步增强铁磁共振及介电损耗性能。本研究首先通过氢气还原法调控TiO₂的电子结构与晶体缺陷, 成功合成纯相Ti₄O₇; 进而采用溶剂热法在其表面包覆了磁性CoNi合金和碳纳米管(CNT), 构建了Ti₄O₇/CoNi/CNT复合吸收剂。该结构中, 磁性CoNi层有助于增强界面极化和磁损耗, 引入CNT则有效提高了电导损耗, 减轻了材料整体质量, 从而实现了介电损耗与磁损耗的协同增强。实验结果表明, 当Ti₄O₇/CoNi/CNT复合吸收剂(CNT质量分数为4%)在石蜡基体中的添加量为45%(质量分数)、厚度为2.03 mm时, 最小反射损耗可达-80.6 dB, 有效吸收频宽为2.0 GHz。综上, Ti₄O₇/CoNi/CNT复合吸收剂展现出优异的电磁波吸收性能, 为无人机等装备的隐身防护提供了重要的参考价值。

随着航空发动机热端部件服役温度的提升, 钙镁铝硅酸盐(CMAS)腐蚀已成为热/环境障涂层(T/EBCs)失效的关键因素。新型Gd₂O₃-Yb₂O₃-Y₂O₃共稳ZrO₂ (GYYZO)陶瓷因其优异的热物理性能而颇具应用前景, 但在1500 ℃极端高温下, 其抗CMAS腐蚀性能仍需进一步提高。本研究采用表面镀铝+真空热处理方法对等离子喷涂-物理气相沉积(Plasma spray-physical vapor deposition, PS-PVD)制备的Si-HfO₂/Yb₂Si₂O₇/GYYZO涂层体系进行表面改性。首先, 对PS-PVD制备的涂层进行1300 ℃退火处理, 愈合微裂纹; 随后, 利用直流脉冲磁控溅射技术在GYYZO层表面沉积厚度为3~4 μm的铝薄膜; 最后, 通过真空热处理(400 ℃/2.5 h + 660 ℃/2 h + 808 ℃/1.5 h + 980 ℃/1 h)使铝层转化为致密的Al₂O₃阻挡层。系统研究了改性前后涂层在1500 ℃下的CMAS腐蚀演变行为及失效机理。结果表明, 在1500 ℃下, CMAS熔体通过晶界快速渗透至未改性GYYZO涂层内部, 诱使Yb₂Si₂O₇层产生“起泡”损伤及大量裂纹, 最终导致涂层加速失效。与之相比, 经铝改性技术处理后的GYYZO涂层, 得益于表面原位生成的致密Al₂O₃阻挡层, 可有效抑制CMAS的晶界渗透, 从而延缓腐蚀动力学进程。在腐蚀1 h后, 改性涂层仍能保持结构完整性。

波长位于570~590 nm的黄光激光在流式细胞检测、钠导星信标、眼科手术治疗等前沿领域具有重要应用价值。采用蓝光激光二极管直接泵浦Dy³⁺掺杂晶体产生黄光激光, 是一种结构简单、高效紧凑且稳定性高的全固态黄光激光器设计方案。但Dy³⁺掺杂黄光激光晶体研究主要集中于低声子能量的氟化物, 对高声子能量的氧化物晶体探索较少。本研究采用光学浮区法成功生长出高质量的Dy³⁺单掺及Dy³⁺、Tb³⁺共掺杂的Y₂SiO₅ (YSO)晶体, 测试了两种晶体的透过光谱和拉曼光谱, 并详细研究了Dy:YSO和Dy,Tb:YSO晶体中的黄光发射和能量转移过程。结果显示, 与单掺Dy:YSO相比, Dy,Tb:YSO晶体在450 nm处的蓝光吸收截面从1.75×10^-21 cm²增大至2.21×10^-21 cm², 在574 nm处的黄光发射截面从3.45×10^-21 cm²增大至4.32×10^-21 cm²。利用共掺Tb³⁺离子作为退激活离子, Dy³⁺的⁶H_13/2能级到Tb³⁺的⁷F₄能级的能量转移效率为50.7%, 使Dy³⁺的⁶H_13/2下能级的寿命缩短至202.9 µs, 有利于实现粒子数反转, 获得黄光激光输出。本研究结果表明, Dy,Tb:YSO晶体是一种具有研究价值和应用潜力的黄光激光增益介质。

Ag₂S_0.4Te_0.6作为一种具有良好塑性及热电性能的无机半导体材料, 在可穿戴电子设备领域具有潜在的应用价值。近期研究表明, 优化制备工艺(如退火处理)可显著提升其塑性, 而该性能与材料的相结构密切相关。本研究收集了退火前后Ag₂S_0.4Te_0.6粉末样品在110 ~700 K温度范围内的高分辨率同步辐射粉末X射线衍射数据, 结合Rietveld结构精修、高分辨透射电子显微镜以及原子对分布函数技术, 详细分析了退火工艺对粉末样品的相组成与结构演变行为的影响。结果表明, 退火前Ag₂S_0.4Te_0.6粉末样品主要为非晶态, 仅含有少量结晶性很差的单斜相。在升温过程中, 材料逐渐结晶并首先出现单斜相, 随后转变为体心立方(bcc)与面心立方(fcc)共存的混合相; 降至室温后, 样品依然保持以bcc相为主的立方结晶/非晶混合态。退火处理后, Ag₂S_0.4Te_0.6粉末样品在室温下即为立方结晶与少量非晶混合态, 且在升温过程中未观察到明显的相变行为。此外, 退火未对Ag₂S_0.4Te_0.6块体样品的热电性能产生明显影响。本研究为进一步理解退火改善Ag₂S_0.4Te_0.6材料的塑性提供了结构依据。

多主元碳氮化物超高温陶瓷(UHTCs)与传统体系相比具有更优异的高温稳定性及耐烧蚀性能, 但该类材料存在的本征脆性问题限制了其广泛应用。本研究通过引入第二相SiC颗粒(SiC_p), 采用机械合金化/原位氮化法结合放电等离子烧结技术制备了(Ti,Zr,Hf,Ta,Cr)(C,N)-SiC复相陶瓷, 并系统研究了SiC_p引入量对材料力学性能和耐烧蚀性能的影响规律。结果表明, 引入SiC_p有效提升了材料的力学性能, 当SiC_p的体积分数为20%时, 材料的断裂韧性达到(5.18±0.24) MPa·m^1/2, 相比(Ti,Zr,Hf,Ta,Cr)(C,N)陶瓷提升了31.5%, 其断裂韧性提升可归因于引入SiC_p所诱导的裂纹偏转与分叉等增韧机制。进一步对材料进行2100 ℃/120 s氧-乙炔焰流考核, 结果表明, 引入SiC_p还有效提升了材料的耐烧蚀性能。当SiC_p体积分数为20%时, 材料的耐烧蚀性能最佳, 其质量烧蚀率与线烧蚀率达到-0.92 mg/s和-1.17 μm/s, 优于多数已报道的传统UHTCs。其耐烧蚀性能的提升可归因于高熔点复合氧化物骨架对低熔点SiO₂流动相的钉扎作用, 以及两者协同形成的多元致密氧化物保护膜对氧扩散的抑制作用。上述结果表明, 引入适量SiC_p可有效解决多主元碳氮化物UHTCs本征脆性难题, 协同提升材料力学与耐烧蚀性能, 相关成果可为新一代高性能热防护材料研制提供理论基础与数据支撑。

高速飞行器技术的快速发展, 对极端环境下兼具雷达透波与红外传输功能的材料提出迫切需求。莫来石陶瓷因具有优异的高温力学性能、介电性能及一定的红外透明性, 成为理想候选材料之一。然而, 莫来石陶瓷的传统制备方法温度高、工艺复杂, 限制了其实际应用。本研究开发了一种低成本、短周期的莫来石陶瓷低温制备方法, 选用高活性廉价多孔原料, 采用放电等离子烧结(SPS)技术, 利用介孔结构坍塌释放的高活性表面与SPS场效应的协同作用, 在1200 ℃下实现莫来石陶瓷的一步快速烧结制备, 显著降低烧结温度和缩短制备周期, 深入研究了烧结工艺参数对陶瓷的微结构、力学性能、介电性能以及红外传输性能的影响。1200 ℃、70 MPa、升温速率100 ℃·min^-1条件下制备所得陶瓷的密度可达3.06 g·cm^-3, 开孔率低至1.6%, 弯曲强度达152.9 MPa, 弯曲模量达87.1 GPa。较高的机械压力促使莫来石晶粒由针状向短柱状转变, 断裂模式由沿晶断裂过渡为穿晶断裂, 从而使陶瓷获得优异的力学性能。在8~16 GHz频段, 该陶瓷的的平均介电常数为6.77且呈现出良好的稳定性, 损耗角正切值为4.7×10^-4, 透波率大于70%, 这得益于陶瓷烧结后的残余气孔显著降低了介质极化。同时, 陶瓷在近红外波段的透过率达45.11%, 在雷达/红外双模透波材料领域展现出良好的应用前景。

为实现可逆固体氧化物电池(RSOCs)在中低温下的高效运行, 开发高性能空气电极至关重要。本研究针对传统La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ-Gd_0.2Ce_0.8O_3-δ (LSCF-GDC)空气电极在中低温下氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)活性不足的问题, 采用简单经济的浸渍法, 在LSCF-GDC空气电极骨架上构建纳米催化剂。通过系统优化空气电极烧结温度、催化剂种类及负载量, 确定Pr_0.5Sr_0.5CoO_3-δ (PSC)为最优的改性催化剂。改性后对称电池在600 ℃下的极化阻抗(R_p)为0.16 Ω·cm², 较空白LSCF-GDC空气电极降低了71.4% (0.56 Ω·cm²)。这是因为PSC纳米颗粒协同优化了氧扩散、表面交换与离子传导过程, 显著提升了ORR/OER动力学。在单电池测试中, 700 ℃、燃料电池(FC)模式下的峰值功率密度为1.23 W·cm^-2, 较空白LSCF-GDC电池性能提升92.19%; FC与电解池(EC)模式下稳定性均显著增强。PSC表面修饰是全面提升LSCF-GDC空气电极综合性能的有效策略, 对推进中低温RSOCs技术发展具有重要意义。

太阳能驱动界面水蒸发技术作为一种高效、可持续产生清洁水的重要方法, 是材料和环境领域的研究热点之一。然而, 低成本、高转换效率的光热材料是制约该技术广泛应用的关键。本研究以山茶花花瓣衍生的生物炭(CC)为载体和结构导向剂, 在CC上均匀生长二氧化锰(HMO), 合成了结晶度低且缺陷丰富的HMO/CC复合材料。该材料在250~2500 nm光谱范围内表现出94.2%的高光吸收率和优于单一HMO的光热转化能力。HMO/CC与混合纤维素滤膜(MCE)组装成的HMO/CC-MCE光热膜, 呈现出极佳的亲水性以及光热转换性能, 在1.0 kW·m^-2太阳光照射下, 蒸发速率达到1.505 kg·m^-2·h^-1, 蒸发效率为92.47%, 高于HMO-MCE (85.00%)和CC-MCE (82.64%), 为无膜纯水的9.9倍。将HMO/CC与聚氨酯(PU)海绵相结合所构建的HMO/CC-PU三维蒸发器, 在1.0 kW·m^-2太阳光照射下, 600 s内表面温度升高至68.3 ℃, 蒸发速率高达2.274 kg·m^-2·h^-1。同时, 该蒸发器在模拟海水中循环测试15 次依旧保持2.271 kg·m^-2·h^-1的蒸发速率。本研究以生物质衍生生物炭为模板构建复合材料, 为新型光热材料的开发及其在海水淡化及废水处理领域的应用提供了有益参考。

由创伤、感染或骨质疏松引起的骨缺损是临床重大挑战, 开发能够有效促进骨再生的生物活性材料尤为重要。本研究通过溶胶-凝胶法制备了介孔生物活性玻璃(MBG), 并通过物理吸附法构建了负载葛根素(Pue)的Pue/MBG复合材料。结果显示, 制备的MBG具有较大比表面积和有序介孔结构, 成功实现了Pue的负载和缓释。体外实验结果表明, Pue/MBG复合材料能有效促进小鼠胚胎前成骨细胞和大鼠骨髓间充质干细胞的增殖, 同时增强其成骨分化能力, 具体表现为早期碱性磷酸酶活性的提高和晚期矿化结节形成的增强。综上, 本研究成功制备了一种基于Pue与MBG协同作用的高效骨修复复合材料, 其良好的成骨能力在骨组织工程中具有良好的应用前景。

二维Si_xC_y材料因其独特的结构可调性与优异的物理化学性能成为材料科学领域的研究热点。其中, 二维Si₂C₆、Si₆C₁₂、Si₁₂C₂₀被理论预言是一类新型拓扑绝缘体材料, Si₂C₆与Si₁₂C₂₀是具有狄拉克锥的半金属材料, 而Si₆C₁₂是具有本征大能隙的高阶拓扑绝缘体材料。目前, 应力对二维Si_xC_y (Si₂C₆、Si₆C₁₂、Si₁₂C₂₀)材料电子性质的调控作用尚待研究。本研究采用基于密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)的第一性原理方法探究应变对二维Si_xC_y (Si₂C₆、Si₆C₁₂、Si₁₂C₂₀)材料电子性质的调控规律。计算结果表明, 在双轴拉伸断裂应变附近, Si₂C₆与Si₁₂C₂₀的狄拉克锥仍保持完整, 但较小的双轴压缩应变或单轴应变会破坏Si₂C₆与Si₁₂C₂₀狄拉克点处的简并性, 使得Si₂C₆和Si₁₂C₂₀从拓扑绝缘体转变为平庸的直接带隙半导体。此外, 双轴应变对高阶拓扑绝缘体Si₆C₁₂的带隙具有调控作用, 在0~4%的压缩应变下, Si₆C₁₂的带隙随着压缩应变的增大而减小; 在0~10%的拉伸应变下, 带隙随着拉伸应变的增大而增大。Si₆C₁₂的带隙对应变变化较为敏感, 有望应用在半导体器件中。在断裂应变附近, Si₆C₁₂的价带与导带交叉, 体系表现为金属性。在单轴应变下, 拉伸或压缩应变会导致Si₆C₁₂在Γ点处的能带发生退简并。此外, 通过经典分子动力学(Molecular Dynamics, MD)模拟探究Si₂C₆、Si₆C₁₂、Si₁₂C₂₀的力学性质, 发现这类材料的断裂强度随着C/Si比值的减小而降低。Si₂C₆、Si₆C₁₂、Si₁₂C₂₀的断裂应变在0.32~0.37之间, 高于单晶石墨烯和无缺陷六方氮化硼, 具有良好的延展性。本文数据集可在 https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.jim.00065中访问获取。

BiScO₃-PbTiO₃ (BSPT)基压电陶瓷因其高居里温度(T_C)以及高压电系数(d₃₃), 成为350 ℃以上高温压电应用领域的重要候选材料。然而, 传统试错法难以在广泛的成分空间范围内实现高温压电陶瓷的快速设计。本研究基于小样本数据集构建了机器学习模型, 并结合实验先验知识, 加速了兼具高d₃₃和高T_C的BSPT基压电陶瓷的设计。利用该模型, 设计并制备了Ga-W离子对共掺杂的0.36BiScO₃-0.64PbTi_1-x(Ga_2/3W_2/3)_xO₃ (BSPTGW1000x)压电陶瓷。结果表明, 该掺杂策略明显调控了BSPT基压电陶瓷的晶格畸变和畴结构, 从而提升了压电性能。其中, BSPTGW10 (x=0.010)陶瓷表现出最好的综合性能(d₃₃=525 pC/N, T_C=423 ℃), 与模型预测性能接近; 且在365 ℃以下, d₃₃变化率保持在±15%以内, 表现出优异的热稳定性。本研究不仅为快速发现同时具备高压电性能和高居里温度的BSPT基压电陶瓷提供了有效途径, 而且获得了一种适用于高温应用有前景的压电陶瓷材料。本文数据集可通过 https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.27980访问获取。

SiC纤维具有优异的高温稳定性和力学性能, 是可重复使用飞行器中先进陶瓷基复合材料的关键增强体。不同类型SiC纤维的组成与微观结构差异显著, 这直接影响其高温抗蠕变性能。然而, 热处理影响蠕变性能的微观机制尚不明确。本研究对比了Shincolon-Ⅱ (F-1)、KD-S (F-2)和KD-SA (F-3)三种SiC纤维的蠕变行为, 发现F-3因近化学计量比的组成及高结晶度结构而呈现最优的抗蠕变性能, 而F-2较F-1的抗蠕变性能提升主要源于游离碳含量较低与结构有序度更高。氩气环境高温热处理能普遍改善纤维的抗蠕变性能: 经1900 ℃热处理1 h后, 在1500 ℃测试条件下, F-1和F-2的应力松弛参数(m)较原始纤维提升超过10倍, F-3则提升约5倍。但不同纤维的增强机制存在差异: F-1和F-2主要得益于晶粒长大和碳的石墨化; F-3则主要依赖铝化合物与石墨化碳对晶界的稳定作用, 以及热处理后的结构致密化。本研究可为提升SiC纤维抗蠕变性能及优化其综合力学性能提供理论基础。