近年来, 增材制造技术作为一种新兴的制造技术受到了广泛关注。该技术在高性能陶瓷材料的成型制造领域具有巨大的发展潜力, 有望突破传统陶瓷加工和生产的技术瓶颈, 极大提升高性能陶瓷产品的设计和制备的自由度, 从而为高性能陶瓷材料制造技术的发展提供变革性的推动力。前驱体转化陶瓷通过化学方法制得聚合物，再经热处理转化为陶瓷材料。聚合物前驱体充分利用了自身良好的可加工性特点, 实现了目标结构的预成型, 并通过热处理工艺获得传统陶瓷工艺难以获得的先进陶瓷材料。而聚合物前驱体材料与增材制造技术的结合更受到了极大关注。本文在介绍聚合物前驱体增材制造技术特点的基础上, 系统阐述了聚合物前驱体增材制造技术的研究与应用前沿的现状与趋势, 并分析了聚合物前驱体增材制造技术面对的挑战以及未来发展方向。

天然酶对维持生物体生命活动的正常运行具有重要意义, 但天然酶固有的缺点诸如不稳定、反应条件苛刻和提纯成本高等限制了其广泛应用。与天然酶相比, 具有高稳定性、低成本、便于结构调控与改性等优点的纳米酶吸引了科学家们的关注。纳米酶的类天然酶活性和选择性使其在生物医学、环境治理、工业生产等领域得到广泛应用。铜作为人体内必需元素和天然酶活性中心金属之一, 铜基纳米酶受到了人们广泛的关注和研究。本综述重点介绍了铜基纳米酶的分类, 包括铜纳米酶、氧化铜纳米酶、碲化铜纳米酶、铜单原子纳米酶和铜基金属有机框架材料纳米酶等, 并阐述了铜基纳米酶的酶学特性和催化机理, 总结了铜基纳米酶在生物传感、伤口愈合、急性肾损伤和肿瘤治疗等方面的应用, 最后对铜基纳米酶面临的挑战和未来的发展方向进行了总结和展望。

通过水热法合成了钛羟基磷灰石(TiHAP)与g-C₃N₄复合光催化剂(TiHAP@g-C₃N₄), 并对其结构和光学特性进行表征, 通过甲基橙(MO)降解实验评价其光催化活性。结果表明：样品中短棒状TiHAP生长在g-C₃N₄表面, 均保持原有晶型和化学结构; 制备的TiHAP@g-C₃N₄纯度高, 比表面积达107.92 m²/g, 较TiHAP、g-C₃N₄分别增大约135%、44%; 在TiHAP@g-C₃N₄添加量为1.0 g/L、pH 7条件下, 120 min内MO降解率达96.35%; 3次循环实验降解率保持在80.02%以上, TiHAP@g-C₃N₄光催化性能良好且结构稳定。空穴(h⁺)在MO降解过程中作用最大, ·O₂^-与·OH的作用递减。TiHAP@g-C₃N₄异质结的构建, 增强了对光的吸收, 提高了光生电子-h⁺的分离效率, 保留了氧化还原性更强的TiHAP价带h⁺和g-C₃N₄导带电子, 从而提升了光催化性能。

氨具有低成本、易液化和高体积能量密度等特点, 是一种有吸引力的无碳燃料, 用其制成的直接氨燃料电池也备受科研人员青睐, 却受限于阳极氨氧化缓慢的动力学过程。本工作采用无表面活性剂的简单方法通过纳米颗粒(NPs)自组装制备了三维多孔网络结构的PtIr合金气凝胶高效氨氧化催化剂。该结构提供了丰富开放的互联质子传输通道和额外的催化活性位点, 有助于氨电催化氧化中NH₃分子的去质子化过程。当Pt和Ir物质的量比为80/20时, PtIr合金气凝胶展现出最优的氨氧化(AOR)催化活性。实验通过研究NH₃浓度和工作温度对催化剂氨氧化性能的影响发现, Pt₈₀Ir₂₀合金气凝胶催化剂的AOR性能随着氨水浓度或温度的上升而增强, 如当氨水浓度为0.5 mol/L时, 合金催化剂在0.5 V电位下的质量比活性为44.03 A·g^-1, 约是0.05 mol/L 氨水中的4倍。当温度上升至80 ℃ 时, 合金催化剂在0.5 V电位下的质量比活性为148.73 A·g^-1, 约为25 ℃下的12倍。在此温度变化区间, 其AOR起始电位下降了40 mV。利用Arrhenius方程计算发现, Pt₈₀Ir₂₀合金气凝胶催化剂的AOR反应活化能比商业Pt/C催化剂降低了~9.43 kJ·mol^-1。此外, 催化材料的稳定性测试结果表明, Pt₈₀Ir₂₀合金气凝胶催化剂经2000次循环伏安测试后的峰值质量比活性损失为~50.6%, 优于商业Pt/C催化剂(~74.9%)。

Ti₃C₂T_x MXene材料具有二维层状结构及丰富的表面官能团, 是一种非常有潜力的重金属离子吸附材料, 但其层间距较小, 且在水溶液中的稳定性较差。本工作探索了Ti₃C₂T_x的改性策略, 提高其化学稳定性与离子吸附容量, 利用一步水热方法制备出不同Fe₃O₄掺杂量的Fe₃O₄-Ti₃C₂T_x(FeMX)复合吸附剂材料。研究结果表明：FeMX吸附剂对Pb(II)的理论饱和吸附量可达到210.54 mg/g。研究进一步揭示了FeMX材料对Pb(II)离子的吸附机理, Fe₃O₄纳米颗粒均匀分散、插层在Ti₃C₂T_x纳米片层间, 有效增加了Ti₃C₂T_x纳米片的比表面积与层间距, 提高了对Pb(II)的去除能力。本研究可为发展优异重金属离子吸附特性的MXene基复合材料提供基础数据。

长期饮用砷污染的水会严重危害人类的健康, 因此亟待开发一种高效且便于分离的除砷吸附剂。本研究采用水热法构建了一种新型高效的除砷吸附材料——埃洛石纳米管负载锆氧化物材料(ZrO₂/HNT)。使用不同手段对制备的复合材料的组成、结构和形貌进行表征, 发现氧化锆纳米颗粒均匀分布在埃洛石纳米管外壁上, 晶型为单斜结构。研究表明, ZrO₂/HNT可快速、有效地去除溶液中的As(V), 吸附反应在30 min内达到平衡。在25 ℃, As(V)的最高吸附容量为27.46 mg/g, 吸附容量随溶液pH升高而降低, 共存离子(除PO₄^3-离子外)对As(V)的吸附性能影响不大。ZrO₂/HNT对As(V)的吸附动力学数据符合准二级动力学模型。吉布斯自由能计算结果和Dubinin-Radushkevich(D-R)等温模型拟合结果表明, As(V)去除过程是吸热、化学吸附反应。傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和X射线光电子能谱(XPS)研究表明, As(V)的去除机制主要是As(V)与ZrO₂/HNT吸附材料中ZrO₂表面的羟基发生配体交换, 最终形成稳定的内层配合物。本研究表明合成的ZrO₂/HNT吸附剂可用于去除水溶液中的As(V)。

常见的吸附剂如13X等的硅铝比较低, 具有较强的亲水性, 但水和有机挥发份(VOCs)之间的竞争吸附, 常常会影响吸附剂对VOCs实际脱除效果。本研究利用CTABr为模板剂, 正硅酸乙酯为硅源, 对13X进行表面修饰, 制备了以13X为核, 介孔硅为壳的核壳复合材料13X@SiO₂, 并以甲苯作为探针分子在穿透实验装置对改性前后沸石分别进行干/湿条件下的吸附性能测试。结果表明: 在干燥条件下, 13X@SiO₂-2.6样品(制备中添加了2.6 mL正硅酸乙酯)相比13X原样的吸附量提升了18%左右。在30%和50%相对湿度下, 13X@SiO₂的最优吸附容量分别提高了约53%和90%; 循环再生实验表明13X@SiO₂-2.6样品经2次再生后仍保持初始样品90%的甲苯吸附量。

稀土硅酸盐环境障涂层(EBCs)有望应用于新一代高推重比航空发动机热端部件, 但是服役条件下的熔盐腐蚀成为限制其应用的瓶颈。CMAS组分和稀土硅酸盐的晶体结构等因素对其腐蚀行为产生显著影响。本工作以不同晶型的稀土硅酸盐涂层材料为研究对象, 采用大气等离子喷涂技术制备X1-Gd₂SiO₅、X2-RE₂SiO₅(RE=Y, Er)涂层, 并研究其在富Al₂O₃的CMAS熔盐环境(1400 ℃)的腐蚀行为与机制。结果表明, X2-RE₂SiO₅(RE=Y, Er)涂层耐蚀性能优于X1-Gd₂SiO₅涂层, 这与涂层材料的物相组成和晶体结构的稳定性等因素有关。经CMAS腐蚀25 h后, X1-Gd₂SiO₅涂层表面仅生成磷灰石相; X2-RE₂SiO₅涂层不仅生成磷灰石相, 涂层中的RE₂O₃还与CMAS中的Al₂O₃反应生成石榴石相。生成石榴石相可提高涂层表面CMAS中CaO、SiO₂的相对含量, 促进磷灰石致密层的生成, 从而改善其耐蚀性能。

LTCC材料在电镀和化学镀工艺中对酸/碱镀液的耐蚀性是低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics, LTCC)材料在实际应用中需要关注的重要特性。本工作研究了HCl、H₂SO₄和NaOH溶液(0.01~2.00 mol/L)和浸泡时间(10~300 min)对Ca-B-Si体系LTCC材料腐蚀行为的影响规律。结果表明，LTCC材料在不同的酸溶液中浸泡相同时间, 样品的腐蚀失重量会随着酸溶液浓度增大呈现出先增大后减小的趋势, 而在碱溶液中并未观察到明显的腐蚀现象。当盐酸溶液浓度为1.00 mol/L时, LTCC材料的失重最大为54.96%。当硫酸溶液浓度为0.10 mol/L时, LTCC材料的失重最大为8.80%LTCC材料中的CaB₂O₄和CaSiO₃晶相会与酸溶液发生溶解反应进而造成腐蚀, 并且随着酸溶液浓度增大, 反应后样品表面富Si蚀变层的形成速度更快, 进而使LTCC材料在较高浓度酸溶液中的浸泡失重量减小。LTCC材料在1 mol/L 盐酸溶液和0.1 mol/L硫酸溶液中溶解反应的表观活化能分别为20.38、5.43 kJ/mol, 故盐酸溶液对LTCC材料的腐蚀速率大于硫酸溶液。结合化学腐蚀反应动力学和热力学分析, 揭示了LTCC材料在酸溶液中以离子交换和水解反应占主导的腐蚀机理。

低密度C/C多孔体的结构与性能调控是制备具有优异摩擦磨损性能的C/C-SiC复合材料的关键。本研究采用化学气相渗积法制备了C/C多孔体, 并对其进行2100 ℃高温热处理, 再通过反应熔渗法制备了C/C-SiC复合材料, 研究了C/C多孔体高温热处理对C/C-SiC复合材料微观结构、导热性能和摩擦磨损性能的影响。结果表明, 经2100 ℃热处理的C/C多孔体孔隙率和石墨化程度增加, 用其制备的C/C-SiC复合材料比C/C多孔体未经热处理的密度更大(2.22 g/cm³), 孔隙率由5.1%降低至3.4%, SiC陶瓷相含量比热处理前提高11.9%。石墨化程度越高，声子的平均自由程越大, 因此其室温的导热率提升到3.1倍, 1200 ℃导热率提升到1.2倍。经过热处理的热解炭更软, 摩擦面易形成连续且稳定的摩擦膜, 因此摩擦系数更稳定, 并且在测试载荷为3、6和9 N下磨损率均显著降低, 下降幅度达到47.8%、41.9%和11.7%, 平均摩擦系数分别为0.47、0.38和0.39。综上所述, 对C/C多孔体进行高温热处理可使C/C-SiC复合材料的导热性能提升, 更耐磨并且表现出更稳定的摩擦系数。

高结晶近化学计量比SA型SiC纤维以其优异的耐温性, 在新一代航空发动机和高超声速飞行器等领域得到广泛应用。对比国产第二代SiC纤维(F-II), 本工作研究了第三代SA型SiC纤维(F-III)高温热处理前后的微观结构演变和拉伸强度及断裂行为。结果表明, F-III纤维主要由β-SiC晶粒(~200 nm)和少量游离碳组成, F-II纤维则由β-SiC晶粒(~5 nm)、游离碳和SiC_xO_y无定形相组成。与F-II纤维相比, F-III纤维具有更大的晶粒尺寸与孔隙, 室温下的拉伸强度较低。但经1800 ℃热处理后, F-III纤维结构和强度基本保持不变, 而F-II纤维由于发生了SiC_xO_y相的分解和晶粒长大, 强度明显降低。SA型SiC纤维的耐高温性能优异, 可归因于纤维组成结构上的高结晶、大晶粒和低碳氧含量。

材料的微观结构对其物理性能调控起着至关重要的作用。本研究以Yb和Al单质为原料, 采用放电等离子烧结工艺通过一步法快速合成YbAl₃材料。显微结构表明, 快速制备的YbAl₃材料内部含有大量微米尺度晶粒、纳米晶粒、纳米非晶带和多种原子尺度位错等丰富的多尺度微结构, 这些多尺度微结构可以同时增强YbAl₃材料的电子和声子散射, 进而同时降低其晶格热导率(47%)和电子热导率(27%), 使得总热导率降低至13.4 W·K^-1·m^-1, YbAl₃材料的最大ZT可达0.35。该研究表明, 通过一步法放电等离子烧结工艺可以快速合成具有多尺度微结构的高热电性能YbAl₃块体材料。

硼酸钙镧晶体是一种激光基质晶体, 以其优秀的物理特性而受到广泛关注。稀土离子掺杂的硼酸钙镧晶体在紫外激光器领域的研究尚不多见。本研究采用顶部籽晶法成功生长出尺寸为40 mm×21 mm×6 mm的铈掺杂硼酸钙镧晶体。研究了铈掺杂硼酸钙镧晶体室温光谱性质, 测量了室温下其透过光谱以及紫外-吸收光谱, 发现铈离子掺杂导致晶体在200~288 nm以及305~330 nm紫外波段吸收较强。测试了室温下铈掺杂硼酸钙镧晶体的激发光谱, 并且利用波长260 nm的连续光激发得到发射光谱, 发现主要发射带中心波长位于290, 304, 331和353 nm处, 对应于铈离子5d态到²F_5/2和²F_7/2态的跃迁。对铈掺杂硼酸钙镧晶体的热学性质进行了研究, 发现其在300 K下具有较高的热导率(6.45 W/(m·K)), 且随着温度升高保持良好的热稳定性。358 K条件下, 热膨胀系数及c方向的晶格常数分别为2.94×10^-6 /K和0.91240 nm, 随着温度升高至773 K，线性增加到5.3×10^-5 /K和0.91246 nm。研究结果表明：铈掺杂硼酸钙镧晶体具有良好的光学性能和热稳定性, 适合应用于紫外激光领域。