可穿戴设备是能穿在身上, 实时获取人体或环境信息并进行传递和处理的功能设备, 在医疗健康、人工智能、运动娱乐等领域具有广阔的应用前景。随着可穿戴设备的发展, 各类柔性传感器应运而生。基于压电效应的柔性力学传感器因具有感应频率宽、响应快、线性好、自供电等优势而备受关注。然而传统的压电材料多为脆性陶瓷和晶体材料, 限制了其在柔性方面的应用。随着研究的深入, 越来越多的柔性压电材料和压电复合材料不断涌现, 给柔性可穿戴力学器件注入了新的发展活力。本文主要概括了柔性可穿戴压电器件的前沿进展, 包括压电原理、柔性压电材料的制备与性能提升方法。此外, 还详细总结了柔性可穿戴压电设备的主要应用方向, 包括医疗健康和人机交互, 以及遇到的挑战与机遇。

随着我国核辐射技术的进步, 辐射探测在近些年也得到了高速发展, 并被广泛应用于辐射安全监测、放射性医学诊疗、X射线安监系统、工业无损探伤以及微观粒子轨迹探测等诸多领域。辐射光致发光(Radio- photoluminescence, RPL)是一种在电离辐射作用下, 材料内部产生新的发光中心, 并被紫外光激发进而发光的现象, 可作为一种新型辐射探测手段。RPL材料通常具有存储辐射信息、信息几乎不衰减、剂量线性响应好、均匀稳定的高辐射灵敏度、能量依赖性小和可重复读数等特点, 弥补了光释光(Optically stimulated luminescence, OSL)和热释光(Thermally stimulated luminescence, TSL)材料在存储稳定性和重复使用性等方面的不足。自RPL现象被报道以来, RPL材料层出不穷, 如传统的Ag掺杂磷酸盐玻璃、Al₂O₃:C,Mg和LiF, 再到新型的Cu离子掺杂体系、Sm离子掺杂体系以及无掺杂体系材料等。同时, RPL应用也被不断发掘, 目前它已成为辐射探测领域不可或缺的材料之一。基于此, 本文概述了RPL材料的最新进展, 重点梳理了传统和新型RPL材料的发光原理、性能特点及其应用, 特别对比了不同RPL材料在辐射探测性能方面的差异。最后, 本文对RPL材料的优势及其不足之处进行了归纳分析, 并对其发展趋势进行了展望。

天然骨组织由有机纳米材料胶原纤维和无机纳米材料羟基磷灰石组成, 具有独特的微纳米结构以及传统人工合成材料无法比拟的生物功能和力学性能优势。在组织工程和再生医学的研究中, 模拟天然骨组织层次特征的微纳米结构生物材料是研究热点之一。近年来, 研究人员发现微纳米结构生物材料能有效调节细胞增殖、分化和迁移, 促进细胞成骨分化, 进而促进体内骨组织再生。本文综述了利用天然骨组织层次特征指导材料分层设计的研究进展以及微纳米结构生物材料的细胞相互作用特性和在骨组织工程中的应用, 以期为生物材料的设计提供新思路。

具备良好成骨性能和降解速率的生物陶瓷骨组织工程支架在骨修复领域极具应用潜力。镁黄长石(Ca₂MgSi₂O₇)因其具有良好的力学性能、生物降解能力以及促成骨性能而备受关注。本研究以硅树脂为聚合物前驱体、碳酸钙与氧化镁为活性填料制备打印浆料, 采用挤出式3D打印技术在室温条件下制备支架素坯, 并在惰性气氛下高温烧结制备了镁黄长石生物陶瓷支架, 并对比研究了镁黄长石支架与斜硅钙石(Ca₂SiO₄)、镁橄榄石(Mg₂SiO₄)支架在结构、抗压强度、体外降解能力以及体外生物学性能等方面的差异。结果表明: 镁黄长石支架与斜硅钙石、镁橄榄石支架具有相似的三维多孔结构, 抗压强度、降解速率介于镁橄榄石和斜硅钙石之间, 但促进骨髓间充质干细胞的成骨基因表达能力显著强于镁橄榄石和斜硅钙石支架。本研究证实采用3D打印制备的镁黄长石支架有望作为骨组织工程较理想的支架。

镨的倍半氧化物(Pr₂O₃)是合成荧光粉和激光增益介质的重要原料, 由于其易发生镨的变价并在空气中吸水而受到的关注较少。本研究采用不同表征手段研究在空气和在氩氢混合气氛下Pr₆O₁₁还原为Pr₂O₃的过程机理以及两种粉体的物相、微观形貌、粒度及价态等, 并进一步分析以上两种氧化镨的发光特性与镨的价态关系。结果表明: 两种气氛下氧化镨的相变过程显著不同, 还原性的Ar/H₂气氛可以加快Pr₆O₁₁的还原过程, 在800 ℃即可得到Pr₂O₃。含Pr³⁺的Pr₂O₃除了导带到价带跃迁导致的紫外吸收外, 还存在因f→f跃迁引发的可见光波段的吸收, 而Pr₆O₁₁对波长超过320 nm的紫外-可见光有较强吸收, 这与Pr⁴⁺和氧之间电荷转移有关。Pr₂O₃的荧光发射光谱中的宽谱带显示Pr³⁺的4f5d轨道的最低能级在¹S₀之下, 同时含Pr⁴⁺的Pr₆O₁₁在404 nm处的荧光强度降低63%, 这归因于Pr³⁺/Pr⁴⁺之间的能量耗散。这种荧光性能的差异可用于含谱的高氧离子迁移率陶瓷或晶体中Pr的价态分析。本工作研究的Pr₆O₁₁到Pr₂O₃在不同气氛下的转变过程及相关机理性能, 有望推动Pr₂O₃在不同领域的应用。

作为实现全固态激光器频率转换功能的关键材料, 紫外非线性光学晶体发挥着不可替代的作用。设计兼具大的非线性光学系数、合适的双折射和宽带隙的紫外非线性光学晶体仍然是该领域亟待攻克的一个难题。由于具有宽的带隙, 硫酸盐已成为紫外非线性光学晶体领域的一个重要研究方向。SO₄四面体基团具有接近非极性的Td对称性, 使其极化率各向异性和二阶极化率较小, 因而对晶体的非线性系数和双折射贡献很小。通常引入畸变程度高的阳离子多面体可以增加晶体的非线性效应和双折射。本工作将易于形成畸变多面体的Hg²⁺离子引入到硫酸盐体系中, 采用高温熔体法合成出新型非线性光学晶体材料Rb₃Hg₂(SO₄)₃Cl。该晶体属于单斜晶系, 空间群为P2₁, 晶胞参数为a=0.78653(2) nm, b=0.97901(2) nm, c=1.00104(3) nm, β=110.95(3), Z=2。其晶体结构由[SO₄]四面体、[HgO₅]和[HgO₄Cl]多面体以角共享的方式连接形成空间网状结构, 而Rb⁺填充在孔洞中。Rb₃Hg₂(SO₄)₃Cl晶体的粉末倍频效应为1.5倍KDP, 且能够在可见光区实现相位匹配。紫外漫反射光谱测试表明, 紫外截止边为251 nm, 对应光学带隙为4.94 eV。利用偏光显微镜确定该晶体在546.1 nm处的双折射为0.04。此外, 第一性原理计算表明, 晶体的非线性系数主要来源于扭曲的[HgO₅]、[HgO₄Cl]和[SO₄]多面体。上述结果表明, Rb₃Hg₂(SO₄)₃Cl是具有潜在应用前景的紫外非线性光学晶体材料。

锂金属具有理论比容量高、还原电位低及储量高等优势, 是高能量密度锂离子电池的理想负极材料之一。然而, 传统的液态电解质与锂金属的不相容性极大地限制了其应用。本研究采用原位聚合的方法, 开发了一种与锂金属负极相容性良好的凝胶复合电解质(Gel Complex Electrolyte, GCE)。向该电解质中引入的双锂盐体系可与聚合物组分共同作用, 拓宽了电解质的电化学窗口(5.26 V, 商用电解液的电化学窗口为3.92 V), 并能够获得较高的离子电导率(30 ℃, 1×10^-3 S·cm^-1)。锂金属负极表面的形貌表征及元素分析结果显示, 在双锂盐体系的作用下, GCE表现出对锂金属明显的保护效果, 锂金属负极的体积效应及枝晶生长得到了明显抑制。同时, 匹配商业磷酸铁锂(LiFePO₄)正极材料组装的锂金属全电池也展现出优异的循环稳定性和良好的倍率性能, 在25 ℃下以0.2C(1C=0.67 mA·cm^-2)的恒定电流循环200圈后, 容量保持率可以达到92.95%。研究表明, 该GCE能有效提高锂金属电池的安全稳定性以及综合的电化学性能, 有望提供一种普适化的准固态电解质设计策略。

光热电站需要配备大规模高温储热模块, 金属氧化物可以通过可逆氧化还原反应实现热量的存储与释放。其中锰基氧化物无毒、廉价, 极具潜力, 但可逆性较差。为此, 本研究采用深共溶溶剂离子热合成了锰基氧化物, 探索了合成参数和铁掺杂对其储热性能的影响。离子热合成的MnCO₃前驱体在高温下分解释放CO₂, 使锰基氧化物具有丰富的孔隙结构, 为氧气的传输与扩散提供通道, 有利于氧化还原反应。离子热合成的Mn₂O₃比商业Mn₂O₃反应性能好, 但其氧化反应速度较慢; 合成温度150 ℃、掺杂20% Fe的锰铁氧化物的氧化速率快, 储热密度高达300.66 J/g, 反应可逆性最佳, 可实现长期稳定循环。离子热合成策略可以增加锰氧化物中晶格氧占比, 促进氧空位的迁移, 从而提高可逆性和循环稳定性。

Bi₂Te₃基化合物是目前得到广泛商业应用的热电材料, 其湿热稳定性直接影响着热电器件的服役可靠性。本工作探究了商用n型Bi₂Se_0.21Te_2.79和p型Bi_0.4Sb_1.6Te₃热电材料存储于85 ℃, 85% RH（相对湿度）湿热环境600 h期间的降解行为。在湿热处理600 h后, n型Bi₂Se_0.21Te_2.79和p型Bi_0.4Sb_1.6Te₃材料表面均被氧化, 反应过程分别为Bi₂Te₃+O₂→Bi₂O₃+TeO₂和Bi₂Te₃+Sb₂Te₃+O₂→Bi₂O₃+Sb₂O₃+TeO₂。氧化过程在材料内部产生了纳米级孔洞, 甚至微裂纹, 导致材料的电、热性能全面劣化。在室温时, n型Bi₂Se_0.21Te_2.79材料的电导率从存储前的9.45×10⁴ S·m^-1显著下降到7.79×10⁴ S·m^-1, ZT则从0.97下降至0.79; p型Bi_0.4Sb_1.6Te₃材料的Seebeck系数从243 μV·K^-1明显减小至220 μV·K^-1, ZT则从1.24降低到0.97。综上所述, Bi₂Te₃基热电材料的湿热稳定性极差, 微型热电器件在服役过程中需要进行严格封装, 以阻止热电材料自身与环境中的水汽、空气发生复杂的氧化还原反应。

n型AgBiSe₂基化合物的晶格热导率低, 是一种很有潜力的高性能热电材料。然而, 本征AgBiSe₂化合物在300~700 K之间存在两次相变, 使其应用受限。因此, 获得具有稳定结构的AgBiSe₂基化合物, 并优化热电性能至关重要。本研究选择无铅的IV-VI族化合物SnTe与AgBiSe₂进行合金化, 制备了(AgBiSe₂)_1-x(SnTe)_x (x=0.10~0.30)化合物。引入SnTe降低了AgBiSe₂立方相的相变温度, 还有效抑制其发生可逆相变, 得到了稳定的立方相(AgBiSe₂)_0.75(SnTe)_0.25材料。SnTe引起晶格中原子高度无序分布, 导致室温下晶格热导率从0.76 W·m^-1·K^-1(x=0.10)降低到0.51 W·m^-1·K^-1(x=0.30)。进一步Ag位掺杂Nb元素, 可以提升载流子浓度, 增加该体系((Ag_1-yNb_yBiSe₂)_0.75(SnTe)_0.25化合物)的有效质量, 大幅度提升电性能。室温下电导率由77.7 S·cm^-1(基体)增大到158.1 S·cm^-1 (y=0.02)。同时, 材料中的杂质点缺陷也逐步增加, 高温下缺陷散射进一步降低晶格热导率。在700 K时, 晶格热导率由0.56 W·m^-1·K^-1(未掺杂)降低至0.43 W·m^-1·K^-1 (y=0.04), 最终获得了立方相结构稳定的(Ag_0.98Nb_0.02BiSe₂)_0.75(SnTe)_0.25材料, 650 K的ZT达到0.32。上述研究结果表明, (AgBiSe₂)_0.75(SnTe)_0.25化合物是一种具有低晶格热导率和稳定立方相结构的n型热电材料。本研究为高性能相变热电材料的晶体结构调控提出了新解决方案, 有助于进一步推动其应用发展。

通过自蔓延高温合成(SHS)及其衍生方法可以超快速地制备热电材料粉体或块体, 并获得优异的热电性能。但是在采用SHS技术制备方钴矿材料的过程中, 易出现非稳态SHS反应, 使得反应后的坯体中产生杂相。本工作采用激光诱导点火和坯体预热相结合的方法, 分别研究了激光点火的功率密度η和预热温度T₀对方钴矿材料自蔓延高温合成过程的影响, 总结了方钴矿CoSb₃燃烧模式的变化规律, 并获得了制备单相的工艺窗口。研究结果表明, 当激光点火功率密度η固定时, 随着预热温度T₀升高, 方钴矿的SHS反应存在“反应中止→非稳态螺旋燃烧→稳态燃烧→非稳态螺旋燃烧”的转变过程; 在η=3.75 J·mm^-2, 250 ℃≤T₀<370 ℃条件下, 可以获得单相CoSb₃。

氧析出反应(OER)是电解水的关键反应, 但其动力学过程缓慢, 限制了电解水的快速发展。因此, 设计和构筑高效的OER催化剂对电解水至关重要。本研究以硝酸钴、硝酸镍、硝酸铁、尿素及Ti₆C_3.75为原料, 采用简单的一步水热法制备了片状Co²⁺离子掺杂的NiFe双金属氢氧化物偶联Ti₆C_3.75的(NiFeCo-LDH-Ti₆C_3.75)OER催化剂。NiFeCo-LDH-Ti₆C_3.75催化剂呈片状堆叠结构, 有利于暴露更多活性位点, 引入Co²⁺和Ti₆C_3.75可以降低Ni、Fe位点的电子密度。得益于此, NiFeCo-LDH-Ti₆C_3.75催化剂表现出优异的OER活性, 在20 mA·cm^-2电流密度下的过电势仅为290 mV, 并且Tafel斜率低至87.84 mV·dec^-1, 具有较快的反应动力学。并且其电荷转移电阻较低, 电荷转移速率较高。此外, NiFeCo-LDH-Ti₆C_3.75催化剂在20 mA·cm^-2条件下经过6000圈加速老化测试后过电势仅增加约 7 mV, 表现出卓越的循环稳定性。

磷酸三钙(β-TCP)陶瓷替代材料由于其与骨矿物成分相近及良好的生物相容性和骨传导性, 近年来被广泛关注, 常以纳米颗粒、支架和微球等形式用于骨修复。本研究制备了五种不同的磷酸三钙/磷酸三镁(TMP) (TCP、25% TMP、50% TMP、75% TMP和TMP)复合微球并作了相应表征。随着复合微球中TMP含量增加, 微球释放的Mg²⁺和Ca²⁺的累积浓度增加, 且TMP可以调节复合微球的降解速率。以小鼠胚胎成骨细胞前体细胞(MC3T3-E1)和人脐静脉内皮细胞(HUVECs)为模型, 评价了该复合微球的生物相容性、成血管和成骨作用。结果表明, 与TCP、TMP和75% TMP相比, 25% TMP和50% TMP复合微球具有更好的细胞相容性, 对HUVECs有一定的促增殖作用。因此, 含25% TMP和50% TMP的复合微球对血管生成和成骨具有更积极的作用。

铁电陶瓷的力学性能直接决定了其加工性能和铁电器件的可靠性。目前, 无论是实验还是理论报道的压电陶瓷材料的断裂韧性都与30年前的报道接近, 限制了压电器件在高可靠性要求的情况下的应用。本研究试图揭示可用于优化铁电陶瓷断裂性能的参数。利用单轴压缩方法、裂纹尖端张开位移(Crack-tip opening displacement, COD)技术和单边V型缺口梁(Single-side V-notch beam, SEVNB)技术分别测定三种典型PZT陶瓷的应力-应变曲线、本征断裂韧性和长裂纹断裂韧性。结果表明, 本征断裂韧性与材料的杨氏模量正相关, 说明提高铁电体的杨氏模量是提高其本征韧性的有效途径。长裂纹断裂韧性与本征韧性和非本征铁弹性畴变/相变增韧有关, 说明优化铁电陶瓷的铁弹翻转行为可以改善其非本征效应。软掺杂PZT相较于硬掺杂PZT具有较低的矫顽应力和较高的残余应变, 呈现较强的铁弹性翻转和较高的屏蔽韧性; 在不同PZT材料中观察到的断裂模式也被认为与材料不同的铁弹性翻转行为有关, 软PZT陶瓷呈现沿晶断裂, 铁弹性翻转较弱的硬PZT呈现穿晶断裂。综上所述, 优化铁电材料的杨氏模量和铁弹翻转行为有望提升其断裂韧性。