为了获得满意的临床疗效, 优质医用生物陶瓷应该具备怎样的性能一直困扰着广大研究者。自20世纪90年代以来, 作者团队致力于研发医用生物陶瓷, 从基础科学研究到成果转化, 再到临床应用, 积累了丰富的研究和应用经验, 相继提出了“生物适配”和“精准生物适配”理论。本文围绕“医用生物陶瓷(磷酸钙类材料)的功能性生物适配”这一主题分享本团队的学术研究成果和临床应用经验，从结构适配、降解适配、力学适配、应用适配等四个角度, 结合骨科临床应用背景, 探讨如何实现其生物适配和设计制造的有效衔接，旨在为医用生物陶瓷的设计、制造、监管和应用提供依据和建议。

半导体材料是现代科技发展和产业革新的核心, 随着高频、高压、高温、高功率等工况的日趋严峻及“双碳”目标的需要, 以新型碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等为代表的第三代半导体材料逐步进入工业应用。半导体产业的贯通以及市场规模的快速扩大, 导致摩尔定律正逐渐达到极限, 先进封装互连将成为半导体行业关注的焦点。第三代半导体封装互连材料有高温焊料、瞬态液相键合材料、导电胶、低温烧结纳米Ag/Cu等几个发展方向, 其中纳米Cu因其优异的导电导热性、低温烧结特性和良好的可加工性成为一种封装互连的新型方案, 具有低成本、高可靠性和可扩展性, 近年来从材料研究向产业链终端应用贯通的趋势非常明显。本文首先介绍了半导体材料的发展概况并总结了第三代半导体封装互连材料类别; 然后结合近期研究成果进一步围绕纳米Cu低温烧结在封装互连等电子领域中的应用进行重点阐述, 主要包括纳米铜粉的粒度、形貌、表面处理和烧结工艺对纳米铜烧结体导电性能和剪切性能的影响; 最后总结了目前纳米铜在应用转化中面临的困境和亟待解决的难点, 并展望了未来的发展方向, 以期为低温烧结纳米铜领域的研究提供参考。

随着锂离子电池的发展和钠离子电池的兴起, 硬碳材料作为一种新型负极材料, 受到了广泛关注。硬碳来源丰富, 价格便宜, 具有比锂离子电池石墨负极更高的储锂容量和优异的倍率性能, 并且是最有商业化潜质的钠离子电池负极材料。然而, 硬碳普遍存在电池首周库仑效率低的问题, 且对于硬碳的储锂/钠机制仍存在争论, 其比容量仍有较大的提升空间。近年来, 研究人员围绕硬碳负极材料的电化学机理展开了各种研究和模型假设, 针对硬碳负极存在的问题, 提出了各种解决策略。本文介绍了硬碳的基本结构和常用的制备方法, 并结合硬碳的优势, 梳理了硬碳在锂离子电池和钠离子电池中的应用情况, 重点介绍了其在快充、包覆等细分领域的应用进展, 并分别针对硬碳提升比容量和改善首周库仑效率的需求, 归纳了孔结构设计、元素掺杂、优化材料与电解液界面等不同改性策略。

二维编织碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiC_f/SiC)在航空领域中得到广泛使用, 然而该材料层间强度低, 使其易萌生层间裂纹, 引起分层破坏。为此, 本工作采用楔形双悬臂梁法(W-DCB)和悬臂梁法(DCB)开展了层间I型断裂试验, 获得了2D-SiC_f/SiC的层间裂纹驱动的加载数据, 得到了其裂纹端口张开力及张开位移变形曲线。在试验加载过程, 通过光学显微镜监测了视觉裂纹扩展过程, 探究了2D-SiC_f/SiC的层间I型裂纹扩展规律。结合理论分析和裂纹视觉特征解释了加载曲线拐点及其他特征点的断裂力学含义。利用扫描电子显微镜分析了2D-SiC_f/SiC的层间断面特征, 揭示了断面分层裂纹扩展机制。结果表明: W-DCB方法测量的2D-SiC_f/SiC层间I型初始能量释放率与DCB方法等效; 2D-SiC_f/SiC层间I型断裂过程中, 裂纹端口变形曲线的多峰性不符合经典线弹性断裂力学预测的加载峰后特征, 反映了2D-SiC_f/SiC层间约束关系的复杂性; 层间断面为结构性非完全损伤, 发生了局部纤维桥连现象。

高速飞行器中的陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地会遇到低速冲击问题, 低速冲击后的损伤形式以及剩余承载能力是影响飞行器结构安全的关键问题。本研究以二维编织SiC/SiC复合材料板件为研究对象, 在不同能量下开展了低速冲击试验, 分析了低速冲击载荷下试验件的表面损伤状态, 通过计算机断层扫描技术观察了试验件内部的损伤形貌, 结合冲击过程中的冲击响应曲线以及应变历史曲线, 分析了SiC/SiC复合材料低速冲击过程的损伤机理。针对含勉强目视可见损伤的试验件开展了冲击后剩余强度试验, 研究了勉强目视可见损伤对SiC/SiC复合材料剩余承载性能的影响。结果表明, 在低速冲击载荷的作用下, 试验件的表面损伤主要包括无表面损伤、勉强目视可见损伤、半穿透损伤以及穿透损伤, 试验件的内部损伤主要有锥形体裂纹、纱线断裂以及分层损伤。低速冲击损伤会严重影响SiC/SiC复合材料的剩余性能, 虽然试验件损伤勉强目视可见，但其剩余压缩强度为无损件81%, 剩余拉伸强度仅为无损件的68%。

新一代高超声速飞行器热端部件服役温度不断提高, 对表面防护涂层的相稳定性和抗烧蚀性能提出了更高的要求。本工作针对传统过渡金属氧化物ZrO₂、HfO₂涂层开展高熵化设计, 采用高温固相反应结合超音速大气等离子喷涂制备(Hf_0.125Zr_0.125Sm_0.25Er_0.25Y_0.25)O_2-δ(M1R3O)、(Hf_0.2Zr_0.2Sm_0.2Er_0.2Y_0.2)O_2-δ(M2R3O)、(Hf_0.25Zr_0.25- Sm_0.167Er_0.167Y_0.167)O_2-δ(M3R3O)三种高熵氧化物涂层, 探究稀土组元含量对高熵氧化物涂层的相结构演变规律、相稳定性以及抗烧蚀性能的影响。M2R3O涂层和M3R3O涂层呈现优异的相稳定性和抗烧蚀性能, 涂层经热流密度为2.38~2.40 MW/m²的氧-乙炔焰烧蚀后仍保持物相结构稳定, 未发生固溶体分解或析出稀土组元。其中M2R3O涂层循环烧蚀180 s后的质量烧蚀率与线烧蚀率分别为0.01 mg/s和-1.16 μm/s, 相比M1R3O涂层(0.09 mg/s、-1.34 μm/s)以及M3R3O涂层(0.02 mg/s、-4.51 μm/s), 分别降低了88.9%、13.4%以及50.0%、74.3%, 表现出最优异的抗烧蚀性能。M2R3O涂层的抗烧蚀性能优异归因于其兼具较高的熔点(>2200 ℃)和较低的热导率((1.07±0.09) W/(m·K)), 使其有效防护内部的SiC过渡层以及C/C复合材料免受氧化损伤, 避免了界面SiO₂相形成所导致的界面开裂。

随着5G无线通信与低频雷达侦察技术的飞速发展, 低频电磁波辐射已成为当代的严重问题。目前, 中高频段吸波材料的研究已趋于成熟, 而设计低频段吸波材料仍面临巨大的挑战, 亟待研究者们解决。基于四分之一波长相消机制, 本研究设计了0.5~3 GHz低频段复合吸波材料。采用简单的一步水热法, 诱导铁氧体在羰基铁粉与碳纳米管表面生长, 制备出CIPs@Mn_0.8Zn_0.2Fe₂O₄-CNTs三元复合材料, 对比研究了碳纳米管含量对材料吸收峰频率的影响。实验结果表明, 引入碳纳米管, 一方面为材料带来了界面极化、偶极极化等额外的损耗机制, 增加了材料的衰减系数; 另一方面基于四分之一波长相消机制, 高介电与高磁导率的耦合, 使材料在低频段获得良好的阻抗匹配。最终, 在4 mm厚度下, 样品分别在2.11与1.75 GHz处, 获得了-40.8与-32.1 dB的反射损耗, -10 dB带宽分别为1.70~2.70 GHz和1.40~2.20 GHz。该复合材料制备工艺简单, 低频吸收性能良好, 具有很大的应用潜力, 为开发更有效的低频吸波材料提供了新的思路和方法。

锰铈氧化物由于较强的氧化还原活性、优良的低温脱硝性能, 已被广泛用于选择性催化还原(SCR)脱硝反应, 但是锰铈氧化物存在活性组分易团聚、比表面积较低等问题, 限制其催化剂活性的提高。本研究以介孔结构的石墨烯基SiO₂(G@SiO₂)纳米材料为模板, 采用水热法制备了系列石墨烯基介孔锰铈氧化物(G@MnO_x-CeO₂)催化剂, 并考察了该催化剂在低温下(100~300 ℃)的SCR脱硝性能。结果表明, 与石墨烯基铈氧化物(G@CeO₂)相比, G@MnO_x-CeO₂催化剂具有较高脱硝活性。当Mn、Ce与模板G@SiO₂质量比分别为0.35、0.90时, G@Mn(0.35)Ce(0.9)催化剂的脱硝活性最佳, 220 ℃下NO转化率达到最高(80%)。添加适量MnO_x, 提高了G@MnO_x-CeO₂催化剂的比表面积、孔容, 降低了催化剂的结晶度; 并且MnO_x-CeO₂以纳米尺度(2~3 nm)较为均匀地分散于石墨烯片层表面。此外, 由于MnO_x与CeO₂之间存在协同作用, Mn原子可以部分替代Ce原子掺杂于CeO₂的晶体结构中形成MnO_x-CeO₂固溶体, 使G@Mn(0.35)Ce(0.9)催化剂表面存在较高含量的高价态Mn³⁺和Mn⁴⁺、Ce⁴⁺以及较高的化学吸附氧浓度, 从而展现出较高的脱硝性能。该工作为MnO_x-CeO₂基催化剂在低温NH₃-SCR中的实际应用提供了基础数据。

化学动力学疗法(CDT)利用肿瘤细胞内源性H₂O₂与芬顿催化剂反应生成高毒性的羟基自由基(•OH), 从而杀死肿瘤细胞, 但内源性H₂O₂不足和纳米粒子转运效率较低导致抗癌效果不理想。本研究制备了一种分散性良好、尺寸较小的铜掺杂介孔二氧化硅(Cu-MSN), 负载化疗药物阿霉素(DOX)和抗坏血酸盐(AA)后, 表面经叶酸(FA)和二甲基马来酸酐(DMMA)改性的壳聚糖(FA-CS-DMMA)以及羧甲基壳聚糖(CMC)包裹, 得到pH响应型靶向纳米催化剂FA-CS-DMMA/CMC@Cu-MSN@DOX/AA(缩写为FCDC@Cu-MSN@DA)。扫描电镜显示纳米粒子FCDC@Cu-MSN@DA粒径约为100 nm。体外48 h内Cu²⁺释放量可达80%, 药物DOX释放达到57.3%。释放的AA经自氧化后产生H₂O₂, 诱导Cu²⁺发生类芬顿反应, 从而增强CDT。细胞实验证明, FCDC@Cu-MSN@DA联合化疗药物表现出优异的抗肿瘤活性, 说明该多功能纳米催化剂在癌症治疗中具有潜在应用前景。

BiFeO₃是一种非常有前途的无铅铁电材料, 与大多数传统铁电材料相比, 它具有更大的极化和更高的居里温度, 为高温应用提供了可能。受到衬底强烈的夹持效应、较大的矫顽场和漏电流的影响, BiFeO₃薄膜难以被极化。自极化是解决这一问题的可行方法。本研究采用溶胶-凝胶法在Pt(111)/Ti/SiO₂/Si衬底上生长了BiFeO₃薄膜, 向上梯度薄膜(从衬底BiFeO₃过渡到薄膜表面Bi_0.80Ca_0.20FeO_2.90)以及向下梯度薄膜(从衬底Bi_0.80Ca_0.20FeO_2.90过渡到薄膜表面BiFeO₃)。通过细致地调控薄膜内部缺陷的定向分布形成内置电场，从而导致薄膜具有自极化特性。压电力显微镜结果表明：在BiFeO₃薄膜中, Ca的梯度方向可以调控自极化的方向。此外, 类似二极管的单向导通特性验证了薄膜的自极化是由Ca的浓度梯度掺杂导致。X射线光电子能谱结果表明, 氧空位的梯度分布导致的内置电场可能是造成自极化现象的原因。本研究为实现铁电薄膜的自极化提供了一种新的策略, 并在以自极化的内置电场为驱动, 提高光伏或光敏器件性能方面具有潜在的应用前景。

环氧树脂基泡沫炭是一种具有三维海绵状结构的新型炭材料, 独特的网状泡孔结构使其具有高孔隙率、耐高温、耐腐蚀、导电/导热可调等性能, 应用前景广阔。但是环氧树脂的石墨化困难, 本工作以石墨烯为异质成核改性剂, 用以提高环氧树脂泡沫炭的石墨化程度、电导率和力学性能。采用简单的发泡、炭化和石墨化工艺制备了石墨烯改性环氧树脂泡沫炭。石墨烯异质成核剂诱导了泡沫炭碳微晶生长, 增加了碳晶格条纹长度, 减少了碳晶体混乱。研究表明, 不含或含质量分数0.05%石墨烯改性泡沫炭的晶面间距、晶粒堆垛高度、石墨化度分别为0.343 nm、3.35 nm、8.42%和0.342 nm、10.22 nm、23.2%。此外, 石墨烯作为晶胞成核位点会影响泡沫炭的平均晶胞尺寸, 随着石墨烯含量的增加, 泡沫炭平均晶胞尺寸先减小后增大。同时, 石墨烯改性增大了泡沫炭的有序结构, 提高了其导电性, 当石墨烯的质量分数为0.05%时, 泡沫炭电导率为53.8 S·m^-1。相对于纯泡沫炭(压缩应变为0.0096%), 质量分数0.01%、0.02%、0.05%和0.10%的石墨烯改性泡沫炭压缩应变增加至0.208%、0.228%、0.187%和0.1146%。本研究为碳纳米材料/泡沫炭制备、碳结构和性能调控提供了新的研究方法。