氧化铝气凝胶是一种高孔隙率、低密度、高比表面积、耐高温和低热导的纳米多孔材料, 在高温隔热领域(如航天飞行器热防护系统、工业窑炉保温材料等)具有广阔的应用前景。但是, 纯氧化铝气凝胶因耐温性(1000 ℃以上)、力学性能和高温隔热性能相对较差难以直接应用, 需要引入增强相和遮光组分制备成气凝胶复合材料以进行改善。本文对耐高温氧化铝气凝胶的制备、氧化铝气凝胶隔热复合材料的制备及性能等方面的最新研究进展进行了综述。研究人员通过原位掺杂改性、沉积改性、有机链和炭涂层改性等方法提高了氧化铝气凝胶的热稳定性。在氧化铝气凝胶中引入晶须、颗粒、多孔骨架和纤维等增强相, 能够大幅提高其力学性能; 纤维和遮光剂的协同作用, 能够提高氧化铝气凝胶抑制红外辐射的能力, 显著降低高温热导率。本文还提出了后续的研究方向：对氧化铝气凝胶的密度、微观结构进行精细调控, 再引入合适的异质元素和遮光剂,以进一步提高气凝胶的热稳定性和复合材料的隔热性能;深入研究复合材料在高温下结构和性能的演化, 以及氧化铝气凝胶和增强相之间的相互作用。作为一种新型的隔热材料, 氧化铝气凝胶复合材料将在高温隔热领域发挥其优势并逐步实现广泛应用。

Ta_xHf_1-xC固溶陶瓷是碳化钽(TaC)和碳化铪(HfC)在一定条件下以任意比例形成的系列固溶体, 其熔点普遍在4000 K以上, 最高可达4300 K, 且硬度高、模量高、热导率低、抗高温氧化和抗烧蚀性能优异, 具备在极端热环境(>3000 K)下服役的潜力, 成为耐超高温材料领域的研究热点和前沿。本文综述了近年来Ta_xHf_1-xC固溶陶瓷在粉体合成技术、致密化工艺和机理、室温力学性能、热物理性能、抗氧化性能、抗烧蚀性能等方面所取得的研究进展, 分析了Ta_xHf_1-xC固溶陶瓷粉体不同合成技术的优劣及致密化的难点, 讨论了Ta_xHf_1-xC固溶陶瓷组成、结构和性能之间的相互关系。此外, 本文还指出了Ta_xHf_1-xC固溶陶瓷目前存在的挑战, 并对未来潜在的发展方向作了展望。

纳米材料在纳米尺度展现出的特殊性质, 相较于宏观尺度材料表现出众多优异特性, 在力学、声学、光学、磁学、电学、热学等各种领域具有良好的应用前景。纳米材料的仿生自组装技术模拟活体生命活动, 使纳米材料基于非共价键的相互作用, 自发形成稳定结构, 现已成为制备纳米材料的主要方法之一。仿生自组装技术是“自上而下”方法中的重要技术手段, 这种合成方式有望代替传统的“自上而下”加工技术, 实现单个原子或分子在纳米尺度上构造特定结构和功能的器件。另外, 仿生自组装技术虽然以化学过程为主, 但又有物理过程, 并且结合了“仿生学”的优点, 具有定向构造纳米材料的特点, 是众多交叉学科的热门研究手段。本文重点介绍了纳米材料在形貌和性能调控中不同的仿生自组装合成策略, 包括屏蔽效应的位相选择自组装、双相界面协同效应的仿生自组装、场诱导定位效应的功能器件一体化制备、光诱导自组装以及羟基氢键驱动的分相自组装, 总结了仿生自组装纳米材料的特性, 归纳了自组装技术在传感器、表面拉曼散射、生物医疗等领域的应用, 并对纳米材料仿生自组装技术的发展前景进行了展望。

以天然矿物纤水镁石为模板、蔗糖为碳源制备多孔碳纳米管, 并以硫脲为氮、硫源, 采用水热法制备氮/硫共掺杂的碳纳米管。结果表明, 掺杂碳纳米管继承了纤水镁石模板的柱状结构, 呈现中空管状, 增大了模板炭的比表面积和孔容。在6 mol·L^-1 KOH电解液中, 电流密度为1 A·g^-1时, 未掺杂碳纳米管的比电容为62.2 F·g^-1, 氮掺杂之后碳纳米管的比电容为97.0 F·g^-1, 氮/硫共掺杂的碳纳米管比电容为172.0 F·g^-1, 氮/硫共掺杂后碳纳米管的电化学性能比未掺杂的提高近3倍; 循环1000次电容保持率达89%, 说明掺/硫共掺杂碳纳米管具有良好的电化学性能。此外, 组装的对称型超级电容器同样展示了良好的电容性能。

高镍正极材料由于较高的比容量和性价比而受到关注, 但在循环过程中稳定性较差且安全性能不佳, 限制了其更广泛的应用。本研究结合微波辅助共沉淀与高温固相法制备高镍正极LiNi_0.8Mn_0.2O₂二元材料, 再掺入不同比例的Co、Al对材料进行改性研究。结果表明, 改性后的材料性能明显改善, 特别是LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.08Al_0.02O₂在2.75~4.35 V、1C下循环100次后容量保持率达到91.39%, 在5C下放电比容量仍有160.03 mAh∙g^-1, 并且掺杂后的材料具有较高的热稳定性, 安全性得到提升。其优异的循环保持率归因于Co、Al较好地抑制了循环过程中H2→H3相变的不可逆性对材料结构稳定性的破坏, 以及较弱的电极反应极化, 使电荷转移电阻降低。

BiFeO₃(BFO)是一种新型可回收光响应催化剂, 但较高的光生电子/空穴对复合率和较低的量子产率限制了其实际应用。本研究通过水热法制备出还原氧化石墨烯-BFO(RGO-BFO)纳米晶复合材料, 表征与测试结果表明, 相比于BFO颗粒, 复合材料的禁带宽度E_g为2.0 eV, 降低约10%; 40 min对亚甲基蓝吸附-催化效率接近100%, 远高于BFO颗粒(28%), 这主要由于复合体系中光生电子/空穴对复合率更低。通过本征磁性回收并重复利用6次后, 复合材料仍保持89.1%催化效率, 表现出优异催化性能。

预制长度可控的裂纹以及原位观察裂纹扩展是研究陶瓷薄基板抗断裂行为的两大重点。本研究提出应变诱导法, 通过将基板与黄铜梁粘结形成复合体, 利用黄铜梁弯曲变形带动侧面陶瓷薄板受拉侧拉伸变形产生可控裂纹。在工具显微镜下对复合体进行四点弯曲, 原位观察样品的裂纹扩展情况, 通过调节黄铜梁宽度来控制初始裂纹长度, 在初始裂纹萌发后继续加载, 使裂纹达到测试断裂韧性的标准长度。将这种测试方法与块体材料断裂韧性的测试标准进行了对比, 结果表明: 采用该方法预制裂纹后测试断裂韧性具有简易性和可靠性。应变诱导法预制裂纹成功率高, 裂纹萌发位置及长度可控, 且操作方便, 可推广应用于超薄玻璃等其他超薄脆性材料的断裂韧性评价和分析裂纹扩展阻力。

含铜生物材料在高浓度铜离子释放时对细菌有优异的抑制作用, 但同时具有细胞毒性; 而在低浓度铜离子释放时虽然具有良好的细胞相容性, 但其抗菌性能低。因此, 开发一种含铜生物材料, 使其能够在高浓度铜离子释放情况下同时具有优异抗菌性能和良好细胞相容性, 具有重要意义。本研究利用钼和铜之间的拮抗作用原理, 采用溶胶-凝胶法制备了钼掺杂铜硅钙石, 并通过细菌平板实验和细胞活力实验评价了材料的抗菌性能和细胞相容性。实验结果显示, 钼掺杂铜硅钙石释放的高浓度铜离子(高于8.87 μg∙mL ^-1)对金黄色葡萄球菌有良好的抑制性能。同时, 由于铜钼离子的拮抗作用能降低高浓度铜离子对细胞的毒性, 钼掺杂铜硅钙石释放的铜离子在9.65 μg∙mL ^-1的高浓度下依然能保证人脐静脉内皮细胞存活率高达90%。因此, 钼掺杂可以作为含铜生物材料降低其细胞毒性的一种有效途径, 为开发低细胞毒性含铜抗菌生物材料提供了新的路径。

硼硅酸盐生物活性玻璃基(Borosilicate bioactive glass-based, BBG)骨水泥由于其优异的生物活性和生物降解性, 在治疗骨质疏松性骨折以及骨肿瘤、骨创伤、骨髓炎等疾病方面具有重要的应用前景, 受到人们的广泛关注。为进一步了解氨基酸对其植入生物体内后的矿化影响, 本研究在常规的SBF溶液中添加了不同种类及浓度的氨基酸物质, 重点研究对植入体表面形貌的影响。同时为在矿化过程中同步形成白磷钙矿(Whitlockite, WH)和羟基磷灰石(hydroxyapatite, HA), 调整了SBF溶液的温度以及酸碱度和Mg²⁺浓度, 研究了不同SBF溶液中BBG骨水泥表面形成的矿化产物。研究结果表明, 不同的氨基酸及浓度的变化对矿化产物的影响有较大差异, 天冬氨酸和赖氨酸的浓度变化影响矿物的长径比, 而甘氨酸对矿物形貌的影响较小。将硼硅酸盐生物活性玻璃压片放置在70 ℃下的高Mg²⁺浓度的酸性(pH=3.5)SBF溶液中浸泡一定时间后, 能够获得HA/WH的复相矿物。

如何有效治疗牙周炎并实现受损牙周骨组织再生, 一直是牙周疾病治疗中具有挑战性的问题, 而矿化是牙周正常发育和功能中关键因素之一。本研究旨在探讨硅酸钙锂(Li₂Ca₂Si₂O₇)生物陶瓷对人牙周膜成纤维细胞增殖、矿化的影响及用于牙周骨组织再生的可能性。采用溶胶-凝胶法制备合成了Li₂Ca₂Si₂O₇陶瓷粉体。通过体外模拟体液浸泡, 发现Li₂Ca₂Si₂O₇粉体具有良好的羟基磷灰石矿化能力。生物学结果表明: Li₂Ca₂Si₂O₇粉体的浸提液在3.125~25 mg/mL浓度范围内能显著促进HPLFs的增殖, 低浓度(6.25 mg/mL)时可显著诱导HPLFs细胞体外矿化(p<0.05)。Li₂Ca₂Si₂O₇粉体具有促进人牙周膜成纤维细胞增殖和矿化能力, 有望作为牙周骨组织再生修复的生物活性材料。

单晶光纤即具有光纤形态的单晶材料, 是功能晶体材料一维化发展的重要体现。单晶光纤兼具单晶材料优异的光学性能和激光光纤散热效率高、光束质量高等特点, 有望解决传统玻璃材质激光光纤非线性效应强、热导率低等瓶颈问题, 实现激光峰值功率、脉冲能量等性能的突破。本工作采用自主研制的激光加热基座(Laser-heated Pedestal Growth, LHPG)单晶光纤炉制备了两组Ф0.2 mm×710 mm的Yb³⁺掺杂Y₃Al₅O₁₂(Yb:YAG)单晶光纤, 并对其进行了表征。制备的单晶光纤长径比大于3500, 直径波动小于5%, 且表现出一定的柔韧性; X射线摇摆曲线测试结果显示Yb:YAG单晶光纤的结晶质量与所用源棒相比有所提升; EDS线扫描结果证明单晶光纤中的Yb³⁺沿轴向呈现均匀分布。实验结果表明: 准一维化的单晶光纤具有良好的结晶质量与光学均匀性, 有望成为一种性能优异的高功率激光增益材料。

碳材料是极具潜力的超级电容器电极材料, 但是其容量较低。异质原子掺杂, 尤其是氮掺杂, 是大幅度提高碳材料电化学性能的有效方法。但是在碳材料中实现高含量的活性氮掺杂仍极具挑战。本研究通过Si-O-Si网络和氧化铝之间的相互作用成功调节碳材料的掺氮种类及其含量。除此之外, 通过调节前驱体组成, 碳材料的结构可以从珊瑚状转变为三维结构。在反应中, 氧化物中的氧原子可以和碳材料中氮原子成键, 氮原子不易逃离, 从而实现高含量氮掺杂(5.29at%@1000 ℃)。另一方面, 相互作用使碳材料孔体积增大(1.78 m³·g^-1)和孔径分布加宽(0.5~60 nm)。因此, 获得的富氮掺杂碳材料具有302 F·g^-1@1 A·g^-1的高容量和177 Fg^-1@120 A·g^-1的杰出倍率性能。此独特的固氮方法是一种有潜力的制备高性能超级电容器电极材料的策略。

MAX相是一类兼具金属和陶瓷特性的三元层状材料, 也是合成二维MXenes的前驱体材料。理论预测稳定的三元层状MAX相材料约有600余种, 目前实验合成的三元层状MAX相材料已有80余种, 但M位主要为前过渡族金属, 而对M为稀土元素的三元MAX相鲜有报道。本研究以Sc、Sn, 和C元素粉为原料, 通过熔盐法合成了M位为稀土元素Sc的全新Sc₂SnC MAX相材料。结合X射线衍射、扫描电子显微镜和X射线能谱等分析手段, 确认Sc₂SnC MAX的相组成和微观结构。并通过密度泛函理论计算了Sc₂SnC MAX相的结构稳定性、晶格参数、力学和电子性质, 理论计算结果表明Sc₂SnC热力学稳定, Sc-3d电子在费米能级上占主导地位, MAX相呈金属性质。

PdSe₂薄膜主要通过机械剥离法和气相沉积法制得, 本研究采用一种简单有效的可在SiO₂/Si衬底上制备PdSe₂薄膜的方法。通过高真空磁控溅射技术在SiO₂/Si衬底上沉积一层Pd金属薄膜, 将Pd金属薄膜与Se粉封在高真空的石英管中并在一定的温度下进行硒化, 获得PdSe₂薄膜。根据截面高分辨透射电镜(HRTEM)照片可知PdSe₂薄膜的平均厚度约为30 nm。进一步研究硒化温度对PdSe₂薄膜电输运性能的影响, 当硒化温度为300 ℃时, 所制得的PdSe₂薄膜的体空穴浓度约为1×10¹⁸ cm^-3, 具有最大的室温迁移率和室温磁阻, 分别为48.5 cm²·V^-1·s^-1和12%(B=9 T)。值得注意的是, 本实验中通过真空硒化法获得的薄膜空穴迁移率大于通过机械剥离法制得的p型PdSe₂薄膜。随着硒化温度从300 ℃逐渐升高, 由于Se元素容易挥发, Pd薄膜的硒化程度逐渐减小, 导致薄膜硒含量、迁移率和磁电阻降低。本研究表明：真空硒化法是一种简单有效地制备PdSe₂薄膜的方法, 在贵金属硫族化合物的大面积制备及多功能电子器件的设计中具有潜在的应用价值。