热致变色智能窗是通过在玻璃上沉积温度刺激响应型材料, 实现根据环境温度调控窗户玻璃的太阳光透过率, 减少建筑物能耗的节能窗户。二氧化钒(VO₂)是一种典型的热致相变材料, 在~68 ℃发生金属-绝缘体相变, 相变前后伴随光学性能的显著变化, 在智能窗等多个领域有潜在的技术应用。然而, 当前VO₂基热致变色智能窗的应用仍存在着相变温度(τ_c)偏高、可见光透过率(T_lum)低和太阳能调节效率(ΔT_sol)不足等问题, 无法满足实际建筑节能的需求。为了解决这些问题, 研究人员开展了广泛而深入的工作。化学气相沉积法(Chemical vapor deposition, CVD)能够以合理的成本生产高质量、大面积的VO₂薄膜, 受到研究者青睐。本文总结了近年来利用CVD技术制备VO₂薄膜的研究进展, 系统介绍常压化学气相沉积、气溶胶辅助化学气相沉积、低压化学气相沉积、金属有机物化学气相沉积、原子层沉积和等离子体增强化学气相沉积等CVD工艺, 分析了反应物种类及比例、反应温度、压力、载体流量等因素对VO₂薄膜质量的影响, 并结合元素掺杂、纳米复合薄膜、多层膜结构等对VO₂薄膜的性能调控与优化进行总结, 最后对未来等离子体增强化学气相沉积制备VO₂薄膜的研究前景做出展望。

连续碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC_f/SiC)是下一代航空发动机的关键结构材料, 其界面性能是决定材料力学性能的重要因素之一。为此, 本研究表征了国产三代2.5D SiC_f/SiC的界面性能, 并探究其与材料拉伸性能的关系。利用拉伸加/卸载过程中的迟滞特性定量分析了2.5D SiC_f/SiC中各组元残余应力和界面滑动应力(IFSS), 根据断口拔出纤维的断裂镜面半径得到了纤维就位强度(${{\sigma }_{\text{fu}}}$)的统计分布, 通过纤维推入法得到界面剪切强度(ISS)和界面脱黏能(G_i)。结果表明: 利用宏观结合细观的方法能够较全面地描述SiC_f/SiC从初始裂纹萌生到最终脱黏不同阶段的界面力学性能, 2.5D SiC_f/SiC的IFSS、ISS和G_i分别为56 MPa、(28±5) MPa和(2.7±0.6) J/m²。ISS和G_i较低, 表明界面结合较弱, 在剪应力作用下易产生裂纹, 而IFSS较大, 表明界面脱黏后纤维与基体间相对滑动较为困难, 阻碍了纤维拔出, 不利于发挥纤维的增强作用。根据获得的界面性能和经典ACK模型, 较好地预测出比例极限应力, 并结合${{\sigma }_{\text{fu}}}$预测了2.5D SiC_f/SiC的拉伸强度。拉伸强度预测值高于实验值, 这与界面处径向残余压应力以及纤维承受的残余拉应力有关。

碳化硅陶瓷是一种重要工程材料, 但具有一定的脆性, 这限制了其进一步应用。二维石墨烯具有诸多优良特性, 可以作为第二相对碳化硅陶瓷材料进行性能改善。然而石墨烯在陶瓷基体中存在分散性较差等问题, 难以发挥其对陶瓷基体的改性作用。为解决以上问题, 本工作以陶瓷有机前驱体聚碳硅烷和工业可膨胀石墨为原料, 通过前驱体-纳米插层技术制备了少层石墨烯纳米片(GNPs)的体积分数分别为1%、3%和5%的SiC/GNPs陶瓷基复合材料。GNPs在SiC陶瓷基体中呈阵列态平行排布, 显示出极高的取向性; 随着GNPs含量增加, 阵列中GNPs的间距依次递减, 表现出一定的微观组织拓扑可调节性; 加入GNPs显著提高了SiC陶瓷的断裂韧性, 当GNPs含量为3%时, 样品的相对密度为98.5%, 抗弯强度为445 MPa, 断裂韧性达到最高值5.67 MPa·m^1/2, 相比纯SiC陶瓷提高了40%, 由GNPs引发的裂纹偏转与桥连是主要的增韧机制。而进一步提高GNPs含量, 断裂韧性下降至4.37 MPa·m^1/2。这种含有石墨烯阵列的复合材料可以用于新型“结构-功能一体化”SiC基陶瓷器件的设计与开发。

熔盐电解是核能领域乏燃料干法后处理的关键技术。高温下熔盐会对盛装乏燃料的坩埚造成严重的腐蚀, 因此, 研发具有耐高温和抗腐蚀的坩埚材料是发展干法后处理技术的关键。Si₃N₄凭借其优异的高温热学和力学性能, 成为干法后处理工艺中坩埚的理想候选材料。然而在实际服役条件下, Si₃N₄面临高温熔盐和水氧的侵蚀, 其失效行为尚不明确。因此, 本工作选取Si₃N₄为研究对象, 在氩气和水氧(5%H₂O-10%O₂-85%Ar)环境中, 开展了LiCl-KCl和NaCl-2CsCl熔盐对Si₃N₄的腐蚀行为研究。研究发现, 在氩气环境中, Si₃N₄在LiCl-KCl熔盐中出现轻微的晶界腐蚀, 而NaCl-2CsCl熔盐对其腐蚀并不明显。在5%H₂O-10%O₂-85%Ar水氧耦合环境中, LiCl-KCl熔盐优先腐蚀Si₃N₄中的晶界相, 而NaCl-2CsCl熔盐的腐蚀比氩气环境更为严重。高温水氧环境显著加剧了熔盐对Si₃N₄陶瓷的腐蚀程度, 同时晶界相成为Si₃N₄最易受到腐蚀的部位。此外, LiCl-KCl和NaCl-2CsCl熔盐在Si₃N₄表面的润湿性与抗腐蚀性之间并无直接关联。上述研究结果揭示了Si₃N₄在高温熔盐-水氧环境下的腐蚀机制, 为乏燃料干法后处理工艺中关键材料的选择提供了参考。

金刚石膜材料用作GaN电子器件散热器具有巨大潜力, 低应力、大尺寸、高质量、原子级光滑表面的金刚石膜层是GaN器件的整体传热能力提升的关键。本研究提出了一种用于3英寸(1英寸=2.54 cm)硅衬底多晶金刚石薄膜的生长和晶圆级抛光技术, 用以实现大尺寸金刚石膜材料在散热器方向上的应用。首先对微波谐振腔内的等离子体进行多物理场自洽建模, 通过仿真模拟技术分析2.45 GHz多模椭球谐振腔微波等离子体化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)装置沉积大尺寸金刚石薄膜的可行性, 并优化生长工艺参数。然后对金刚石薄膜进行研磨抛光处理, 以满足GaN器件的键合需求。模拟结果表明, 输入相同的微波功率, 腔室压强增大导致等离子核心电子和原子H数密度增加, 但径向分布均匀性变差。在优化的工艺条件下沉积了金刚薄膜。实验结果表明, 金刚石薄膜厚度不均匀性为17%。较高的甲烷浓度导致金刚石晶粒呈现以(111)晶面为主的金字塔形貌特征, 并伴有孪晶的生成。Raman光谱中金刚石一阶特征峰半峰全宽(Full width at half maximum, FWHM)为7.4 cm⁻¹。抛光后表面粗糙度达到0.27 nm, 硅衬底金刚石薄膜平均弯曲度为13.84 μm, 平均内应力为−40.7 MPa。采用上述方法, 成功制备了大尺寸、较高晶体质量、低内应力、原子级光滑表面的硅衬底金刚石晶圆。

电介质薄膜是通过介质极化方式存储静电能的一种材料, 以其高功率密度和高充放电效率, 在电子器件领域得到广泛应用。目前, 储能密度较低和温度稳定性差仍是电介质储能薄膜的缺陷。本研究采用溶胶-凝胶法在Pt/Ti/SiO₂/Si衬底上制备了0.9BaTiO₃-0.1Bi(Ti_1/2Mg_1/2)O₃(0.9BT-0.1BMT)薄膜, 通过引入BMT期望获得高储能密度及宽温度稳定性, 并研究了退火温度对薄膜的相组成和微观形貌的影响。研究结果表明, 退火温度过高会导致薄膜的致密性明显降低并伴随晶粒尺寸增大, 750 ℃是最佳的退火温度。综合性能研究发现, 1 kHz下, 薄膜的室温介电常数为399, 介电损耗为5.8%。薄膜在各测试频率下的介电温度稳定性满足X9R标准, ∆C/C_{25 ℃}≤±13.9%。通过Currie-Weiss关系计算得到薄膜的弛豫系数(Relaxor value)γ值为≈1.96, 说明其具有明显的弛豫特性。储能特性研究显示, 薄膜的室温储能密度W_rec达51.9 J/cm³, 室温~200 ℃的宽温度范围内, 储能密度W_rec>20 J/cm³, 可释放能量效率η>65%(1600 kV/cm)。在脉冲放电测试中, 薄膜的脉冲放电时间τ_0.9保持在15 μs以内, 且具有优异的频率、温度和循环可靠性。本研究所制备的0.9BT-0.1BMT铁电薄膜具有出色的储能特性和宽温度稳定性, 具备在高温环境中应用的潜力。

FeF₃∙0.33H₂O具有理论容量和电压高的特点, 但其导电性差、氧化还原反应过程中体积变化严重导致电化学循环性能不佳, 应用受到限制。本研究采用多巴胺自组装包覆纳米立方Fe₂O₃颗粒, 再经过碳化、HCl刻蚀和HF氟化的策略, 合成了由N掺杂石墨烯外壳和纳米立方FeF₃∙·0.33H₂O内核所构成的蛋黄壳结构复合材料FeF₃∙0.33H₂O@CNBs, 粒径约250 nm, 碳壳厚度为30~40 nm。FeF₃∙0.33H₂O@CNBs在0.2C (1C=237 mA·g^-1)电流密度下充放电初始容量为208 mAh·g^-1, 循环50圈之后容量仍然有173 mAh·g^-1, 每圈容量衰减率仅为0.3%; 而纯FeF₃∙0.33H₂O初始容量只有112 mAh·g^-1, 循环50圈之后只有95 mAh·g^-1。FeF₃∙0.33H₂O@CNBs的循环性能明显优于FeF₃∙0.33H₂O, 同时0.1C~1C充放电结果表明其倍率性能也明显优于FeF₃∙0.33H₂O。这是因为该策略制备的N掺杂石墨烯外壳提供了良好的电子/离子输运性能, 同时碳壳可缓冲和抑制内核FeF₃∙0.33H₂O的体积变化, 其空隙体积对电解液的储液保液性能缩短了离子迁移距离, 提升了Li⁺迁移速率, 从而得到了比文献报道更好的电化学性能。

作为ⅣA族碲化物, SnTe具有与PbTe相同的晶体结构和相似的双价带结构, 是一种非常有前途的热电材料, 但高温软化和低温热电性能差等问题阻碍了其进一步推广应用。因此, 提升SnTe的平均热电优值, 拓宽服役区间, 有重要的研究意义。能带工程和晶格工程可同时优化功率因子和晶格热导率, 提升SnTe的热电性能。本研究采用MgSe合金化策略, 通过熔炼和放电等离子烧结(SPS)的方法制备了一系列Sn_1-yPb_yTe-x%MgSe(0.01≤y≤0.05, 0≤x≤6)样品。研究发现, 合金化MgSe可增大能带带隙, 有效抑制本征SnTe在高温段的双极扩散, 使高温Seebeck系数得到提升, 同时声子散射降低了体系晶格热导率, 使高温热电性能(873 K)提升了100%; 掺杂Pb元素可有效调制载流子浓度抑制电子热导率, 从而提升SnTe平均热电性能。其中, Sn_0.96Pb_0.04Te-4%MgSe样品在873 K的ZT为1.5, 423~873 K的平均ZT达到0.8, 得到了比文献更优异的结果。

羟基磷灰石(HAP)作为一种常见的骨修复材料, 在治疗感染性骨缺损时仍面临着细菌感染的风险, 有限的骨诱导能力也阻碍了其进一步应用。本研究采用共沉淀法制备了一种锰掺杂羟基磷灰石纳米棒(MnHAP), 该纳米材料兼具优良的细胞生物相容性, 高抗菌效率和骨诱导能力。抗菌实验表明, MnHAP10(n(Mn)/n(Ca+Mn)=10%))对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率可分别达到77.85%和75.92%, 并且在808 nm近红外光照射下, 对大肠杆菌的抗菌效率得到了进一步增强(97.63%)。细胞增殖以及相关成骨基因实验表明, MnHAP有利于成骨细胞的增殖分化, 提高了对蛋白质的吸附能力和成骨活性, 促进了相关成骨基因的表达, 且具有良好的生物相容性。MnHAP纳米棒有望为感染性骨缺损治疗提供一种新的思路。

构建异质结能够有效抑制光催化剂中光生电子和空穴的快速复合。本研究采用水热法、煅烧法以及溶剂热法合成了II/Z型Bi₂MoO₆/Ag₂O/Bi₂O₃异质结光催化剂, 利用不同研究手段分析材料的组成、形貌以及光电化学性能。结果发现, 复合材料的最佳组成为25%ABOBM (Ag₂O/Bi₂O₃和Bi₂MoO₆的质量比为1 : 4)。在可见光照射下25%ABOBM对四环素(TC)的降解效率可达85.6%, 明显高于Ag₂O/Bi₂O₃和Bi₂MoO₆, 而且三次循环实验后仍具有良好的稳定性。25%ABOBM光催化性能的提高可归因于Ag₂O、Bi₂O₃以及Bi₂MoO₆之间异质结的构建和特殊形貌的形成。自由基捕获实验和电子顺磁共振谱(EPR)结果表明, h⁺和·O₂^-在TC的降解过程中发挥着主要作用, 而·OH和¹O₂发挥着次要作用。实验还探索了相关光催化机理, 并利用液相色谱-质谱联用仪(LC-MS)对TC可能的降解路径进行了分析。本研究为双异质结光催化剂的制备及其在有机污染物降解应用方面提供了新的思路。

3 μm波段中红外激光处于大气传输窗口, 又可以作为基础光源, 是激光技术研究的前沿。目前, 铒离子激活的激光晶体材料是产生3 μm中红外激光的重要途径之一。然而, Er³⁺离子⁴I_11/2激光上能级荧光寿命较短, 下能级⁴I_13/2的寿命较长, 难以实现粒子数反转, 导致自终止现象。为了解决这一难题, 往往需要高浓度掺杂, 通过能量传递降低⁴I_13/2能级的寿命。然而高浓度掺杂又会造成晶体热性能变差, 限制了掺Er³⁺激光晶体效率和功率。三阶铒离子容易在氟化物晶体中形成团簇, 导致稀土离子间距缩短, 即使在低掺杂浓度下稀土离子之间的能量传递作用仍较为显著。同时, 低浓度掺杂还可以减轻激光运转下晶体的热堆积效应。掺铒氟化物晶体已成为一类重要的高功率、高效率中红外激光材料。然而, 掺铒氟化物晶体的光谱性能与铒离子团簇结构之间的相互联系尚不明确, 制约了掺铒氟化物晶体光谱和激光性能的进一步发展。本文采用第一性原理计算模拟了铒离子在CaF₂、SrF₂和PbF₂晶体中的团簇结构。结果显示, 铒离子团簇结构随基质晶体变化逐渐演变。结合模拟计算和实验表征定性揭示了不同晶体离子团簇与光谱性能的联系, 为掺铒氟化物中红外激光晶体材料的调控与设计提供参考。

随着操作温度降低, 中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)需要更高催化活性的阴极材料来提升电池性能。为此, 本研究采用溶胶-凝胶法合成了双钙钛矿Sr₂CoFeO_5+δ (SCF)阴极材料, 并探讨了SCF阴极与摩尔分数20% Sm₂O₃掺杂的CeO₂(SDC)进行不同比例的复合对电极性能的影响, 优化了电极的化学膨胀和面积比电阻(ASR)，进而提升了SOFC单电池的电化学性能。结果表明, SCF作为SOFC阴极, 经950 ℃退火10 h后与普通电解质具有良好的化学相容性; 其中, SCF与SDC按照质量比1 : 1复合的样品可以将纯SCF样品的平均热膨胀系数(TEC)从2.44×10⁻⁵ K⁻¹显著降到15.4×10⁻⁵ K⁻¹。此外, SCF-xSDC(x=20, 30, 40, 50, x为SDC的质量分数)复合阴极的ASR在800 ℃下分别低至0.036、0.034、0.028和0.092 Ω·cm², SCF-40SDC在所有温度范围内都表现出更小的ASR。复合SDC可以优化SCF的三相界面且进一步提高SCF阴极的催化活性, 以0.3mm厚La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O_3-δ(LSGM)为电解质的SCF-40SDC单电池(757 mW·cm⁻²)比SCF单电池(684 mW·cm⁻²)的最大功率密度更优, 且超过目前大部分的文献报道。本研究制备的SCF−40SDC是一种性能优异的复合阴极材料, 有望应用于中温固体氧化物燃料电池。