吸波材料通过吸收电磁波能量, 减少或消除电磁波的反射, 从而有效降低电磁波的干扰。材料的电磁参数决定其电磁波吸收性能, 调整填充比例、改变宏观形态以及复合方式等传统的调控策略存在一定局限性, 无法根本改变电磁参数, 阻碍了吸波材料的进一步发展。微纳结构设计策略可以改变材料的电导率、电荷密度以及磁性等理化性质, 进而根本性改变材料的电磁参数, 在调控电磁波吸收能力上展现出巨大优势。由于精确设计微纳结构材料难度较大且批量生产较为困难, 其发展受到限制。此外, 确定微纳结构与电磁波响应和损失机制之间的结构-性质理论关系仍然是一个重大的挑战。基于此, 本文分析了微纳结构与电磁性能的构效关系, 阐明了微纳结构设计策略在调控电磁波吸收能力方面的绝对优势, 并且梳理了元素掺杂设计、表面效应调控以及成核生长控制等微纳结构改变对电磁响应机制和损耗机制的影响, 为研究者们提供了基于微纳结构调控电磁性能的策略和理论指导。最后, 以量子点、纳米晶以及纳米线等典型微纳米材料作为范例, 综述了其调控电磁参数的策略、优势以及在电磁波吸波领域的研究现状与应用前景, 为微纳米材料在电磁波吸波领域的发展提供了理论基础和策略支撑。

高功率电力电子设备的应用对功率电感的高频电感性能和能量效率提出了更高的要求,迫切需要开发高频低损耗的软磁材料。为降低软磁复合材料的涡流损耗, 获得高频低损耗、大功率的一体成型电感, 通过等离子体炬制备了高纯度亚微米FeNi颗粒, 并采用简化的有限元模型探讨了亚微米FeNi颗粒对软磁复合材料涡流损耗的影响。本工作制备了含不同质量分数亚微米FeNi颗粒的Fe/亚微米FeNi软磁复合材料, 重点讨论了亚微米FeNi颗粒对软磁复合材料及一体成型电感性能的影响。结果表明: 与纯羰基铁粉制备的软磁复合材料相比, 当亚微米FeNi颗粒质量分数为30%时, 环形磁芯代表损耗的磁导率虚部µ″由1.57降至1.36, 降低了13.4%; 一体成型电感在10 MHz条件下的品质因数Q由13升至20, 提高了53.8%, 并且自谐振频率提高了12.7%, 饱和电流由2.148 A升至2.352 A。通过提高材料内阻和减小涡流流动区域的尺寸, 亚微米FeNi颗粒能有效降低涡流损耗, 提高软磁复合材料的高频磁导率稳定性。复合亚微米FeNi颗粒有望低成本、大规模地获得高频低损耗、综合性能良好的一体成型电感。

围绕压阻传感器领域对高性能类金刚石(Diamond Like Carbon, DLC)薄膜压阻敏感材料的需求, 针对金属掺杂DLC存在的载流子输运行为和实际多工况(如温度、湿度等)下压阻性能不明的问题, 本工作以Ti-石墨复合拼接靶为靶材, 采用高功率脉冲磁控溅射技术, 高通量制备出4种Ti含量(原子分数为0.43%~4.11%)的Ti掺杂类金刚石(Ti-DLC)薄膜, 研究了Ti含量对薄膜组分结构、电学性能、变湿度环境下压阻性能的影响规律。结果表明: Ti含量(原子分数)在0.43%~4.11%范围内, 掺杂Ti原子均以固溶形式均匀镶嵌于非晶碳网络中, Ti-DLC薄膜电学行为表现为典型半导体特性, 在200~350 K温度范围内, 薄膜电阻率均随温度升高而降低。载流子传导机制在200~ 270 K内为Mott型三维变程跳跃传导, 在270~350 K范围内则为热激活传导。Ti-DLC薄膜压阻系数(Gauge Factor, GF)最大值为95.1, 在20%~80%相对湿度范围内, 所有样品GF均随湿度增加而增大, 这可能是引入的固溶Ti原子缩短了导电相之间的平均距离, 同时吸附表面水分子导致电阻变化。

铌酸铋钙(CaBi₂Nb₂O₉, CBN)是一种典型的铋层状结构压电材料, 具有高居里温度(约943 ℃)、高稳定性等特点, 是600 ℃以上高温压电振动传感器的重要候选功能元件, 但其压电系数和高温电阻率较低, 严重制约了CBN在高温压电振动传感器领域的实际应用。为了提高CBN压电陶瓷的高温稳定性, 采用固相法制备了W/Cr共掺杂的CaBi₂Nb_1.975W_0.025O₉-x%Cr₂O₃(CBNW-xCr, 0<x≤0.2)单相铋层状结构压电陶瓷, 研究了W/Cr元素共掺杂对晶体结构和电学性能的影响。结果表明: W/Cr元素共掺杂使压电陶瓷晶体结构由正交晶系向四方晶系转变, 晶体结构畸变程度增强, 并且压电性能和绝缘性能显著提高。当x=0.1时, CBNW-0.1Cr压电陶瓷的居里温度为931 ℃, 压电系数为15.6 pC/N, 600 ℃时电阻率达到10⁶ Ω∙cm量级, 介电损耗仅为0.029, 该体系在高温压电领域有重要的潜在应用前景。

β-FeSi₂作为一种绿色环保、高温抗氧化的热电材料, 在工业余热回收领域具有潜在的应用价值。虽然磷(P)是一种理想的β-FeSi₂硅(Si)位的n型掺杂元素, 但是P掺杂β-FeSi₂易出现第二相, 从而限制了其热电性能的提升。本研究采用感应熔炼法合成了一系列FeSi_2-xP_x (x=0, 0.02, 0.04, 0.06)样品, 极大程度地避免了第二相的产生, 并系统研究了P掺杂对β-FeSi₂热电输运性能的影响。结果表明, P在β-FeSi₂中的掺杂极限约为0.04, 与前期的理论缺陷计算结果相符。此外, P掺杂优化了β-FeSi₂的热电性能, 在850 K时, FeSi_1.96P_0.04的最高热电优值ZT约为0.12, 远高于已有的研究结果(673 K, 最高ZT仅为0.03)。然而, 与同为n型Co和Ir掺杂的β-FeSi₂相比(其载流子浓度可达10²² cm^-3), P掺杂β-FeSi₂的载流子浓度较低, 最高仅为10²⁰ cm^-3, 这导致其电声散射效应较弱, 从而限制了整体热电性能的提升。若能提高其载流子浓度, 则热电性能有望得到进一步提升。

单质Te具有优异的热电优值(ZT), 但其与金属电极连接界面处的剧烈元素交互扩散及反应会引入较大的接触电阻率(ρ_c), 导致器件的转换效率(η)较低。因此, 寻找合适的阻挡层来优化Te与金属电极间的连接至关重要。本研究基于梯度结构报道了一种宽相场Ni-Te合金阻挡层NiTe_2-m (Ni_xTe(x=0.500~0.908))。结果表明, 当x=0.500时, Ni_0.5Te/Te_0.985Sb_0.015/Ni_0.5Te器件的界面处无任何反应层及微观缺陷, ρ_c小于10 μΩ·cm², η在180 K温差(热端温度473 K)时达到了理论值的75%。同时, 界面具有良好的热稳定性, 在473 K老化期间, 界面微观组织、ρ_c以及η无明显变化。当x>0.500时, 界面反应层厚度随x增大而逐渐减小, 即主导界面反应层生长行为的因素并非常规的界面反应能及浓度梯度等热力学因素。进一步分析表明, 反常生长源于动力学因素中的“原子空位”对反应层生成的迟滞作用。

受固体氧化物燃料电池(SOFCs)原位还原脱溶纳米金属阳极技术的启发, 本工作采用煅烧后的Sr₂V_0.1Co_0.9MoO₆前驱体(包含其他相的钙钛矿)在空气气氛下与电解质共烧制备出单电池, 避免了为防止阳极氧化而需在还原/惰性气氛下制备电池的苛刻条件。制备电解质片上的阳极前驱体仅需在燃料侧原位还原4 h, 便可形成纯相Sr₂V_0.1Co_0.9MoO₆ (R-SVCMO)阳极。结果表明, R-SVCMO在活化能显著降低的同时电导率由2.7 S•cm^-1提高至21.6 S•cm^-1。当R-SVCMO为阳极的单电池分别以H₂和湿CH₄为燃料气时, 在850 ℃的最大功率密度(P_max)分别达到862和514 mW•cm^-2, 显示出优秀的催化性能。还原前后阳极在100~850 ℃的平均热膨胀系数(TEC)分别为1.15×10^-5和1.23×10^-5 K^-1, 均与传统SOFC电解质相近。因此, 还原过程不会导致阳极层体积产生变化, 可以显著提高电池结构稳定性(退化率仅为0.13%)。加之R-SVCMO是在燃料气氛下合成的, 其作为阳极表现出极高的长期稳定性和催化活性。R-SVCMO对湿CH₄的催化效率达到60%, 并能够稳定运行1450 h, 相应的单电池可在0.7 V稳定运行450 h。综上所述, 本研究采用燃料原位还原法制备了具有优异电化学性能和结构稳定性的单电池。

氧化损伤是影响火箭发动机用C/SiC复合材料喷管寿命的主要因素之一。为准确评估C/SiC复合材料喷管的氧化损伤, 本研究以近似喷管结构的管状C/SiC复合材料为实验对象, 研究了管状C/SiC复合材料在高温(900~1300 ℃)空气环境下的氧化行为, 包括其组成、结构及力学性能的演变规律, 发现管状C/SiC复合材料在该高温空气环境下表现出受扩散控制的氧化特征, 质量与剩余强度随时间呈幂函数下降趋势, 下降速率与温度正相关。在此基础上, 从氧化动力学与传质学理论角度出发, 建立了管状C/SiC复合材料细观/宏观尺度氧化模型, 模拟了管状C/SiC复合材料高温空气氧化过程, 并预测了材料的质量与剩余强度。模型预测结果与实验数据拟合程度较高, 可为C/SiC复合材料喷管的寿命评估提供参考。

随着高端芯片竞争的白热化, Y₂O₃涂层作为等离子体刻蚀工艺腔的重要组成部分, 对其研究逐渐成为科研热点。利用悬浮液等离子喷涂(Suspension Plasma Spraying, SPS)在铝合金表面制备Y₂O₃涂层, 研究了不同工艺参数对涂层的物相组成、力学性能、显微形貌和介电强度等的影响; 在CF₄/Ar/O₂氟等离子体环境中对Y₂O₃涂层分别刻蚀30、60、120 min后, 分析了Y₂O₃涂层微观孔隙率对刻蚀速率的影响。最优工艺1(喷涂距离80 mm、送液速率35 mL/min、雾化气流速15 L/min、横向移枪速率700 mm/s、纵向移动步进1 mm/step)制备的Y₂O₃涂层的显微硬度为(3.78±0.36) GPa, 孔隙率为(2.35±0.24)%, 结合强度为(36.0±3.6) MPa, 介电强度为(29.74±2.01) kV/mm。在CF₄/Ar/O₂组成的混合等离子气体中, Y₂O₃涂层发生物理和化学反应, Ar⁺对涂层强烈冲击、轰击诱导, 使表面化学键断裂; CF₂*和F*使Y₂O₃不断被刻蚀, 生成的YF₃附着在涂层表面; 同时Ar⁺不断对涂层表面进行物理冲击, 去除YF₃层, 少量残余在涂层表面的YF₃被氧化形成了YOF, 最终导致涂层刻蚀率低至(11.48±5.21) nm/min。高致密性、低孔隙率、高均匀性的Y₂O₃涂层可以有效提高零件的耐等离子刻蚀性能, 对半导体工业具有重要意义。

TiO₂的微观形貌、颗粒尺寸及比表面积是影响其光催化活性的重要因素, 介观晶体是一类由无机纳米粒子沿着相同的结晶轴方向有序排列的超结构材料, 在光催化领域具有重要的研究价值。本工作分别以六氟钛酸铵和硼酸为钛源和氟离子捕获剂, 以无水乙醇和去离子水的混合溶液为溶剂, 采用简单绿色的方法制备了NH₄TiOF₃介观晶体前驱体, 然后用硼酸溶液酸洗, 使NH₄TiOF₃介观晶体通过拓扑转变形成TiO₂介观晶体。最后采用沸石咪唑骨架材料ZIF-8纳米粒子对TiO₂介观晶体进行修饰, 制备了ZIF-8/TiO₂复合介观晶体材料, 并研究了其光催化降解亚甲基蓝的活性。实验结果表明, ZIF-8纳米粒子能够均匀生长在TiO₂介观晶体表面, 形成比较致密的包覆层。ZIF-8/TiO₂复合介观晶体光催化剂具有较高的比表面积和较窄的禁带宽度, 其光生电子和空穴的分离效率得到一定程度的提高。其中, 样品M-TiZIF-2(加入4 mmol硝酸锌的复合介观晶体)展现出最高的光催化活性, 其一级反应速率是TiO₂介观晶体的42倍, 是ZIF-8单元材料的16倍。总之, 在ZIF-8纳米粒子和TiO₂介观晶体的协同作用下, ZIF-8/TiO₂复合介观晶体材料显示出更优异的光催化性能。

合成ZSM-5沸石通常以小分子多元胺或季铵盐作为有机结构导向剂(OSDA)。无OSDA的水热合成体系避免了使用有机模板和随后的煅烧步骤, 这不仅可以降低合成成本, 而且避免因有机模板燃烧造成环境污染, 是一种环境友善的合成方法。然而, 已有的研究显示, 某些有机物如乙醇, 会或多或少地参与所谓的无模板合成系统。为确保合成体系中不带入有机模板, 本研究以煅烧的商用ZSM-5沸石为晶种, 铝酸钠为铝源, 硅溶胶为硅源, 在无OSDA的体系中成功制备了一种由棒状纳米晶组成的多晶ZSM-5聚集体。详细研究了ZSM-5晶种的硅/铝比、加入量和晶化条件(如晶化温度以及晶化时间)等对ZSM-5沸石合成的影响。研究结果表明：以含质量分数5.6% MFI拓扑结构晶种的凝胶前驱体为原料, 经水热处理48 h, 可制得由尺寸小于100 nm的初级纳米晶粒组成的高结晶度ZSM-5多晶聚集体; ZSM-5晶种的硅/铝比不影响样品的拓扑结构、孔结构, 但低硅/铝比的晶种更有利于目标沸石快速结晶, 并更有利于获得高酸量尤其是较强酸量的ZSM-5。采用甲醇脱水考察合成的多晶ZSM-5的催化性能, 并与商用参比ZSM-5r催化剂进行比较。结果表明, 与参比催化剂相比, 合成的样品因疏松聚集的纳米初级晶粒堆积形成多级孔而具有较长的催化寿命(16 h vs 8 h), 且合成的多晶聚集体催化剂具有较高的芳烃选择性(28.1%~29.8% vs 26.5%)。

ZrB₂基陶瓷通常需要在高温高压条件下才能烧结致密, 而利用反应熔渗Si的方式可在1500 ℃制得ZrB₂-SiC致密陶瓷。相较于常规制备方法, 反应制备法更容易获得晶粒细小、成分均匀的超高温陶瓷相。本研究以ZrSi₂、B₄C和C为原料, 通过流延成型结合反应熔渗制备ZrB₂-SiC陶瓷(简称ZBC陶瓷)。此外, 还以ZrB₂和SiC为原料, 通过相同的工艺制备了一组ZrB₂-SiC陶瓷(简称ZS陶瓷)作为对比样品。对两组陶瓷的微观形貌进行表征, 发现ZBC陶瓷中ZrB₂相的颗粒尺寸较小且弥散分布在陶瓷中, 而ZS陶瓷中ZrB₂相的颗粒尺寸较大。在1600 ℃空气环境中对两组陶瓷进行循环氧化测试, 总共循环氧化5次, 每次2 h。分析两者的氧化行为, 发现ZBC陶瓷与ZS陶瓷在氧化过程中表面都会形成玻璃态SiO₂-ZrO₂氧化层, 起到阻隔氧气的作用。不同点在于ZBC陶瓷中ZrO₂弥散分布在SiO₂中, 而ZS陶瓷是大尺寸的ZrO₂与玻璃态SiO₂共存。在降温过程中, 弥散分布的ZrO₂能够提高玻璃态SiO₂的黏度, 抑制其结晶, 所以ZBC陶瓷的表面氧化层能够保持致密的结构; 而ZS陶瓷氧化层中SiO₂大量结晶并与ZrO₂共晶反应产生ZrSiO₄, 由于热应力导致氧化层开裂, 使其阻隔氧气的作用大大减弱。分析两者的抗氧化性能, 发现ZBC陶瓷的氧化层厚度变化与质量增加均小于ZS陶瓷, 表明ZBC陶瓷的抗氧化性能优于ZS陶瓷。