时光荏苒, 郭景坤先生已经离开我们快一年了, 但先生的音容笑貌依然历历在目, 先生的谆谆教导依然耳边萦绕。

    郭景坤先生是我国著名的无机材料科学家、中国科学院院士、世界科学院院士、亚太材料科学院院士、世界陶瓷科学院院士, 是我国高温结构陶瓷材料研究领域的开拓者和学术带头人之一。1993年我有幸成为郭先生的学生, 攻读博士学位。毕业留所工作一年后, 先生推荐我到日本东北大学金属材料研究所平井研究室工作两年, 回国后承担了小尺寸和大尺寸碳–石英复合材料的批量生产任务, 这使得我有更多机会向先生请教。先生给我讲述了复合材料研发的艰辛历程, 要求我通读碳–石英复合材料研发积累的三十多份文献资料, 还勉励我要多向“老法师”学习, 把生产线恢复起来、把团队团结起来。先生教导我不要害怕困难, 坚持就有希望！

     1972年中国科学院上海硅酸盐研究所组织全所职工开展了以改善陶瓷材料脆性为主题的学术大讨论, 成立了以郭先生为组长的复合材料研究小组, 在国内率先开辟了纤维（晶须）补强陶瓷基复合材料研究领域, 开展了各类陶瓷基体与纤维和细金属丝的物理化学相容性的系统研究。也是在这一年, 中国科学院上海硅酸盐研究所创办了内部刊物《新型无机材料》, 即《无机材料学报》的前身, 郭先生曾任学报的主编。经过几年的努力, 复合材料研究小组发明了具有自己特色的“碳纤维补强石英复合材料”制备工艺技术, 研制的碳–石英复合材料具有比石英和高硅氧/酚醛材料更优越的烧蚀性能。但材料做出来之后, 不知用在何处。当时郭先生正在五七干校劳动, 课题研发几乎停顿。经与相关领导沟通, 研究组缩编至五人, 继续开展研发工作, 不断寻找机会。没有坚持就没有成功！1980年5月, 中国科学院上海硅酸盐研究所研制的碳–石英复合材料实样部件在我国首次飞行试验中获得成功, 被确定为定型产品。我国独创的“碳纤维补强石英复合材料及部件制备工艺”, 荣获1981年国家发明一等奖, 90年代该材料又成功应用于卫星和飞船等航天工程。

    简要回顾碳–石英复合材料从改善陶瓷脆性的科学问题出发到实现重大实际应用的发展历程, 就是要弘扬郭先生和前辈们勇于担当、勇于创新、勇于坚持的科研精神, 激励吾辈扎实做好科学研究, 努力践行“研”以致用。在传承碳–石英复合材料的基础上, 我们发展了透明陶瓷和湿法成型新方法, 部分研究成果已在国民经济主战场和国家重大需求中获得了应用。

    师恩难忘, 教诲永记。学生当以先生的科研精神为楷模, 心系国家事、肩扛国家责, 多出成果, 多育人才, 不辜负先生对我的殷切希望。

自发凝固成型是一种新型的陶瓷浆料原位固化成型方法, 通过吸附在陶瓷颗粒表面的分子链间弱作用(氢键, 疏水作用)实现浆料的固化, 具有普适性和适于常温大气环境操作的特点, 已成为先进陶瓷制备领域的研究热点。本文简述发现兼具分散和凝固功能的阴离子型高分子分散剂的历程, 以及自发凝固成型与其它原位固化成型的异同。在此基础上, 基于疏水作用设计合成了系列自发凝固成型剂, 进而满足以不同尺寸颗粒为原料的致密陶瓷和泡沫陶瓷的自发凝固成型。综述了面向实际应用所开发的陶瓷无界面连接、晶粒定向构造、干燥脱水等关键技术, 以及致密陶瓷和泡沫陶瓷制备等研发进展, 展望了未来自发凝固成型的发展方向。

碳化硅纤维增强碳化硅(SiC_f/SiC)复合材料具有低中子毒性、耐中子辐照和耐高温氧化等特性, 成为先进核能系统重要的候选结构材料。近年来, 国内外学术界和工业界针对核用SiC_f/SiC复合材料开展了大量研究工作, 取得了一系列重要的研究进展。针对SiC_f/SiC复合材料面向核用所关注的重点方向, 如核用SiC纤维、纤维/基体界面相、复合材料制备工艺、数值仿真、腐蚀行为和表面防护、连接技术以及辐照损伤等方面, 本文进行了综述和讨论, 并针对核用要求指出了SiC_f/SiC复合材料存在的主要问题和可能的解决思路, 希望对该材料的进一步研发和最终应用有所裨益。

特种陶瓷广泛应用于航天航空、电子信息、新能源、机械、化工等新兴工业领域, 其高温制备过程仍以传统燃气窑炉和电加热炉为主; 碳排放高、能耗大, 节能减排形势严峻。当前, 我国面临实现“双碳”目标的巨大压力, 研究推广清洁高效的加热技术迫在眉睫。微波加热是利用材料自身对微波进行吸收, 将电磁能转化为热能, 能量的转移发生在分子水平上, 通过这种方式, 加热在整个材料内外同时产生, 整个材料体系中的温度梯度非常低。除体积加热外, 选择性加热、功率再分配、热剧变以及微波等离子效应等也是微波烧结的显著特征。微波加热具有节能环保、改善制品性能、减少燃烧碳排放等优点, 国内外有许多关于微波合成各种氧化物、碳化物、氮化物陶瓷粉体和微波烧结陶瓷复合材料的报道。本文首先对微波和微波混合烧结的基本理论进行综述, 然后介绍了微波加热制备陶瓷粉体与微波烧结制备陶瓷材料的最新研究进展, 最后总结了微波加热在陶瓷工程制品烧结中的一些研究成果, 体现出微波烧结的优越性, 并提出了微波烧结制备特种陶瓷的关键问题和今后的发展方向。

多孔氮化硅陶瓷兼具有高气孔率和陶瓷的优异性能, 在吸声减震、过滤等领域具有非常广泛的应用。然而, 目前常规的制备方法如气压/常压烧结、反应烧结-重烧结以及碳热还原烧结存在烧结时间长、能耗高、设备要求高等不足, 导致多孔Si₃N₄陶瓷的制备成本居高不下。因此, 探索新的快速、低成本的制备方法具有重要意义。近年来, 采用自蔓延高温合成法直接制备多孔氮化硅陶瓷展现出巨大潜力, 其可以利用Si粉氮化的剧烈放热同时完成多孔氮化硅陶瓷的烧结。本文综述了自蔓延反应的引发以及所制备多孔氮化硅陶瓷的微观形貌、力学性能和可靠性。通过组分设计和工艺优化, 可以制备得到氮化完全、晶粒发育良好、力学性能与可靠性优异的多孔氮化硅陶瓷。此外还综述了自蔓延合成多孔Si₃N₄陶瓷晶界相性质与高温力学性能之间的关系, 最后展望了自蔓延高温合成多孔Si₃N₄陶瓷的发展方向。

光催化剂失活是影响其在去除低浓度VOCs的实际应用中的主要因素之一。本研究将TiO₂与2D石墨碳氮化碳(g-C₃N₄)复合, 显著提高了光催化剂的稳定性。当Ag改性的Ag-TiO₂(AT)用于降解乙醛气体时, 反应60 min后开始发生失活现象, 反应延长至400 min则完全失活。而AT与g-C₃N₄复合改性后的样品g-C₃N₄/ Ag-TiO₂(CAT)具有优异的光催化性能和稳定性, 反应至600 min未发生失活。原位FT-IR、PL和光电流的研究表明, 当AT催化降解乙醛时, 反应中间体会在表面积累导致催化剂失活。而引入的g-C₃N₄可以为中间体提供更多的吸附位点, 从而提高稳定性。此外, 引入g-C₃N₄还有利于电荷分离和产生活性氧物种, 促进乙醛和中间体降解。本研究揭示了2D材料在开发稳定可持续降解VOCs的光催化剂方面的实用性。

钒酸铋是最具有光电催化应用潜力的水分解光电阳极之一, 但由于表面缓慢的动力学反应速率, 其光电催化效率仍不理想。本研究通过浸渍法在BiVO₄薄膜光阳极上负载纳米RhO₂助催化剂, 研究RhO₂负载量对BiVO₄光阳极光电催化性能的影响规律及其机理。晶粒尺寸10~25 nm的RhO₂均匀负载在颗粒尺寸100~250 nm、厚度约为400 nm的BiVO₄光阳极薄膜表面。考虑到贵金属铑的昂贵成本, RhO₂的最佳负载量为质量分数1.65%, 在偏压1.23 V (vs. RHE)、1.0 mol/L Na₂SO₃溶液中(pH8.5)AM 1.5模拟可见光照射下, 光电流密度达3.81 mA·cm^-2, 相较纯BiVO₄提升了10.58倍。在没有有机牺牲剂的条件下, 光阳极同时析出了氢气和氧气, 两者比例接近2 : 1, 产氧速率为8.22 μmol/(h·cm²)。负载RhO₂有效改善了光阳极的表面水氧化动力学, 使光生空穴更快与电解质溶液进行水氧化反应, 抑制光生载流子复合, 从而显著提升光电催化性能。另外, 负载RhO₂后, 空穴更容易从光阳极表面被有效提取到电解质溶液中, 减少其在光阳极表面积累, 从而使BiVO₄/RhO₂(1.65%)光阳极可持续稳定工作10 h以上。

室温离子液体具有宽电化学窗口和良好的环境稳定性, 是电致变色器件的理想电解质。然而传统电致变色材料的晶格间隙较窄, 限制了离子液体中大尺寸离子的扩散, 且大离子反复脱/嵌会破坏传统电致变色材料的结构, 导致性能衰减。金属有机框架材料(MOFs)是一种具有拓扑结构的多孔晶态材料, 有望为离子液体中大尺寸离子的传输提供通道。本工作在导电玻璃表面制备了三亚苯类Cu₃(HHTP)₂ (HHTP=2,3,6,7,10,11-六羟基三苯并菲) MOF薄膜, 并研究了Cu₃(HHTP)₂薄膜在离子液体电解质中电化学和电致变色行为和性能。结果表明, 相对于传统的LiClO₄/PC和NaClO₄/PC电解质, Cu₃(HHTP)₂薄膜在离子液体[EMIm]BF₄中表现出更低的接触电阻和更高的离子扩散效率, 电极的着色/褪色速度得到了显著提高(着色时间由10.3 s缩短至8.0 s, 褪色时间由23.6 s缩短至5.2 s)。同时, Cu₃(HHTP)₂薄膜在[EMIm]BF₄中也具有更高的光调制范围和着色效率。这项工作展现出MOFs/离子液体电化学体系在电致变色领域中的潜在应用价值。

激光驱动的白光光源在超高亮度、高准直性和远距离照明领域具有很大的应用潜力, 但由于蓝光激光和转换荧光在光源性质上的失配, 造成激光驱动白光光源的光均匀性差。本研究在Y₃Al₅O₁₂ : Ce³⁺(YAG)荧光玻璃薄膜(PiG)中引入不同种类的第二相, 如TiO₂、BN、Al₂O₃或SiO₂作为散射介质来调节光路, 并对第二相的掺杂浓度分别进行了优化。研究分析了掺入不同种类第二相的YAG PiG获得激光驱动白光光源的实物照明图像和散斑图像、亮度和色温的角分布情况及其光学性质。结果发现, 引入第二相大大改善了白光光源的亮度和色温均匀性, 其中具有最大相对反射率的YAG-TiO₂ PiG, 获得综合性能最佳的高均匀性白光光源, 在蓝光激光激发下, 其发光饱和阈值和光通量值达到最高, 分别为20.12 W/mm²和1056.6 lm。本研究为荧光转换材料中散射介质的选择提供了指导, 为实现高均匀性、高亮度的激光驱动白光光源奠定了基础。

稀土(RE)离子掺杂的钙钛矿型氟化物是可调谐光学材料的候选材料。本工作通过沉淀法合成了SrMgF₄: xCe (x = 0, 0.007, 0.013和0.035)粉末。X射线衍射(XRD)分析表明所获得的荧光粉具有单斜超结构, 价态分析证实存在Ce³⁺/Ce⁴⁺混合价, 在紫外光区通过不同波长的激发光观察到两个荧光带B和C。当Ce³⁺多面体的对称性从高对称变为低对称时, 源于单斜超结构的晶体场导致能级发生强烈的改变。

近年来, 冷烧结低温制备陶瓷引起了很大关注, 并在BaTiO₃陶瓷的制备上取得了一定进展。为了提高冷烧结BaTiO₃陶瓷性能, 本研究采用水热法制备了分散性好、粒径为100 nm的四方相(晶格参数c/a为1.0085) BaTiO₃粉末。采用0.1 mol/L的乙酸在100 ℃/1 h的条件下对粉末进行水热活化处理。以质量分数10% Ba(OH)₂·8H₂O为熔剂, 在350 MPa、400 ℃/1 h的条件下对粉体进行冷烧结, 最后经600 ℃/0.5 h退火获得了相对密度为96.62%、晶粒尺寸为180 nm, 常温介电(ε_r)为2836, 介电损耗(tanδ)低至0.03的BaTiO₃陶瓷。乙酸处理后高活性粉末表面形成的非晶钛层有效促进了陶瓷的致密化, 抑制了杂相的生成和晶粒长大, 提高了介电性能, 大幅改善了冷烧结BaTiO₃陶瓷出现的介电弥散现象, 从而实现了BaTiO₃陶瓷的低温冷烧结制备。

彩色氧化锆陶瓷具有鲜艳色彩、高折射率、耐磨损、耐腐蚀及对人体无毒等优点, 被广泛应用于电子、装饰等领域。本研究采用共沉淀法合成了平均粒径为15.9 nm的立方相Ce:8YSZ纳米粉体。以经过800 ℃煅烧4 h的粉体为原料, 通过两步烧结技术制备了具有高光学透过率和高红色度的Ce:8YSZ透明陶瓷,并系统研究了空气预烧温度对红色Ce:8YSZ透明陶瓷微观结构、直线透过率和色度的影响。当预烧温度从1200 ℃升高到1300 ℃时, Ce:8YSZ陶瓷的平均晶粒尺寸从0.3 μm增大到2.2 μm, 同时相对密度从87.2%增加到97.1%。经过1275 ℃空气预烧2 h并结合1700 ℃热等静压烧结3 h所得的Ce:8YSZ透明陶瓷表现出最佳的光学质量和最大的红色度值, 在700 nm处的直线透过率为47.6%, 红色度为52.0。

锂离子电池已广泛应用于动力和储能领域, 电池寿命是影响其进一步发展的关键因素。循环充放电过程中的电化学-力学多场耦合作用会导致正极材料发生机械损伤累积, 降低电极材料的结构稳定性并形成多尺度损伤, 从而缩短电池循环充放电寿命。本文通过总结团队在三元正极材料多尺度失效行为方面的研究成果, 系统介绍了不同尺度下实验与模拟相结合的电极材料损伤分析方法, 旨在为不同尺度下选取损伤分析方法提供参考。基于电化学循环实验表征、扩展有限元分析法(XFEM)、线性匹配法(LMM)等研究手段, 深入分析了电极材料在多尺度下的力学损伤机理。研究工作为电极材料的多尺度失效行为分析及结构改性提供了重要指导。