石墨烯具有优异的物理和电学性能, 已成为物理和半导体电子研究领域的国际前沿和热点之一. 本文简单介绍了石墨烯的物理及电学特性, 详细评述了在众多制备方法中最有希望实现石墨烯大面积、高质量的外延生长技术, 系统论述了不同SiC和金属衬底外延生长石墨烯的研究进展, 并简要概述了石墨烯在场效应晶体管、发光二极管、超级电容器及锂离子电池等光电器件方面的最新研究进展. 外延生长法已经初步实现了从纳米、微米、厘米量级石墨烯的成功制备, 同时可实现其厚度从单层、双层到少数层的调控, 有望成为高质量、与传统电子工艺兼容、低成本、大面积的石墨烯宏量制备技术, 为其器件应用奠定基础.

采用超声波?磁力搅拌的方法, 实现了纳米碳管(CNTs)在中间相沥青(MP)中的均匀分散, 并考察了CNTs对泡沫炭的超临界发泡行为及其压缩强度的影响. 研究结果表明: 在超临界发泡过程中, 处于过饱和状态的甲苯将优先在CNTs/MP固-液界面处成核, 进而不断扩散、聚集、膨胀和发泡, 导致泡沫炭孔结构的均一性得以提高; 当在中间相沥青中均匀分散3.5wt%的CNTs后, 所制泡沫炭的压缩强度由3.2MPa提高到4.7MPa, 升高了46.9%; CNTs良好的导热性能降低了基体碳在石墨化过程中的热应力差异, 使得微裂纹的数量减少, 并且其一维纳米结构使得石墨化泡沫炭的孔壁和韧带结构得以增强. 

以萘系中间相沥青为原料, 通过熔融纺丝、氧化稳定化、炭化和石墨化处理制得了表面光洁平整的高取向带状纤维, 采用红外光谱仪、元素分析仪、X射线衍射仪、拉曼光谱、扫描电子显微镜和偏光显微镜对带状纤维的组成、形貌和微观结构进行了表征. 研究结果表明: 带状沥青纤维氧化稳定化过程中生成的羧基、羰基、醚等含氧官能团在随后炭化处理过程中消失; 带状沥青纤维截面的平均宽度和厚度约为1.6mm和18μm, 经炭化和石墨化处理后收缩至1.2mm和9μm; 随热处理温度的升高, 带状炭纤维(002)晶面的衍射峰逐渐变强, 其晶体尺寸逐渐变大; 与炭化处理纤维相比, 石墨化纤维晶体结构更加完整, 沿纤维主表面的取向程度更高.

以硅藻土为基核采用共沉淀法, 制备Sb-SnO₂包覆前驱体, 通过焙烧制备了多孔结构导电复合材料. Sb-SnO₂包覆率影响产物导电性、焙烧温度影响Sb-SnO₂晶胞参数和晶粒大小, 进而影响产物导阻率. 采用XRD、SEM、TEM、EDS、BET、FT-IR对样品进行了表征, 采用四探针仪测试样品导电性能. 当n(Sn)/n(Sb)=8/1、包覆率为25.8%、700℃焙烧样品电阻率最低为22 Ω^.cm, 并具有介孔结构, 孔径为6 nm.     

采用氧化物固相法制备Mn_2.25-xNi_0.75Co_xO₄(0.8≤x≤1.2)系列NTC(negative temperature coefficient)热敏电阻粉体材料. 利用激光粒度分析、XRD、SEM和电性能测试等手段, 表征了煅烧材料的颗粒尺寸、陶瓷体的物相、形貌以及陶瓷材料的电学特性与Co含量的关系. 结果表明: 在1130~1230℃烧结温度范围内, 该材料体系的B值和电阻率ρ25℃随Co含量的变化范围分别为3487~4455 K和1998~203617 Ω·cm, B值和电阻率随Co含量的增加先增大后减小. 该材料系列电阻率和B值调整范围较大, 是一种具有实际应用价值的NTC热敏电阻.

采用改性共沉淀法合成了La_9.33Si₆O₂₆-10wt% Zr_0.86Y_0.14O_1.92两相共存的氧离子导电复合材料, 利用X射线衍射、扫描电子显微镜、交流阻抗技术分别表征了材料的相组成、微观组织和离子导电性. 结果表明, 复合材料粉体平均晶粒尺寸为35 nm, 烧结块体的平均颗粒尺寸为500 nm; 在300~700℃温度范围内, 复合材料的导电率均高于La_9.33Si₆O₂₆或Zr_0.86Y_0.14O_1.92单相材料, 且700℃时比La_9.33Si₆O₂₆高出1个数量级. 结合交流阻抗谱及电模量谱对复合材料的导电机理进行了分析讨论.

采用丝网印刷工艺制备了带有SDC阻挡层的固体氧化物电解池La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ(LSCF)基复合阳极, 利用动电位扫描及电化学阻抗谱分析考察了该材料在800℃时的电化学性能, 电化学阻抗谱的研究表明, O^2-在电极发生氧化反应生成O₂的反应速率由电极/阻挡层界面的电荷转移、阻挡层/电解质界面的电荷转移以及氧气的解离吸附或在电极表面的扩散等三个电极过程控制. 扫描电镜分析表明, 经过长时间的电化学测试及升降温, 阻挡层与电解质及复合电极部分均结合紧密, 无缺陷. 通过与传统的LSM-YSZ复合阳极的极化性能的对比, 显示出LSCF材料在SOEC阳极领域良好的应用前景.

利用溶胶-凝胶法在LaNiO₃/SiO₂/Si衬底上制备了0.7BiFeO₃-0.3PbTiO₃(BFPT7030)薄膜, 研究了快速退火及常规退火两种不同的后续退火处理方式对薄膜铁电性能及漏电流性能的影响. XRD测试表明, 经快速退火处理的BFPT7030薄膜结晶完好, 呈现出单一的钙钛矿相. SEM测试结果显示, 经快速退火处理的BFPT7030薄膜结晶充分, 但经常规退火处理的BFPT7030薄膜表面致密性较好, 且在升温速率为2℃/min时薄膜的晶粒更细小. 经快速退火处理的BFPT7030薄膜的铁电性能较为优异, 在升温速率为20℃/s时, 其剩余极化P_r为22 μC/cm², 矫顽场E_c为70 kV/cm, 并具有较小的漏电流. XPS测试结果表明, 经常规退火处理的BFPT7030薄膜其铁离子的价态波动较小.

为了探索CaCu₃Ti₄O₁₂(CCTO)高介电性的起因机制, 利用固相反应工艺制备了CCTO陶瓷样品, 对其电学性质进行了研究. 在40 Hz~100 MHz测量范围内, 其室温下的介电频谱在1 MHz附近呈现一个类Debye型弛豫, 而高温介电频谱分别在1 kHz以下和1 MHz附近呈现两个类Debye型弛豫. 抛除表面层的同一个样品分别溅射金电极和烧渗银电极后升温测量其介电频谱, 发现低频介电弛豫对电极的金属类型高度敏感, 而高频介电弛豫与电极的金属类型无关, 与材料微观结构存在着密切的关系. 因此推断: CCTO低频介电弛豫起源于样品与电极之间的耗尽层效应, 而高频介电弛豫起源于高阻态的晶界与半导化的晶粒形成内部阻挡层电容效应. 

以轴向送粉等离子喷涂法制备了Ni/Al₂O₃陶瓷涂层, 分析了Ni含量变化对涂层材料的显微结构、力学性能及微波介电性能的影响. 结果表明, 随着Ni含量增加, 涂层中Ni粒子的分布逐渐由孤立向部分桥连方式转变; 陶瓷涂层的相对密度、抗弯强度呈下降趋势, 这主要是由于在陶瓷涂层中Ni与Al₂O₃不润湿, Ni与Al₂O₃热膨胀系数不匹配从而形成空隙引起的. 涂层断裂韧性随Ni含量的增加而升高, 则是由于材料中Ni粒子发生了延展变形和引起裂纹转向. 复介电常数性能测试结果表明, 在8.2~12.4GHz 微波频率范围内, 陶瓷涂层复介电常数的实部值随Ni粒子含量的增加先逐渐上升后逐渐下降, 复介电常数的虚部上升. 这与Ni粒子形成的桥连结构有关.

将介孔生物活性玻璃(MBG)与脱钙骨(DB)复合, 利用浸渍法制备出MBG/DB复合支架材料. 采用红外光谱(FTIR), 扫描电镜(SEM), X射线衍射(XRD), 电子万能材料试验机等方法对牛松质骨(CB)、DB、MBG/DB复合支架进行表征. 结果表明, CB经浸酸处理后制备的DB, 孔径大小在200~600μm范围内, 孔隙率约为71%, 抗压性能比CB明显降低(1.10±0.31)MPa, 而采用浸渍法制备的复合支架, 孔隙率降为40%左右, 而压缩强度明显提高(8.49± 2.14)MPa. 体外生物活性测试表明: 复合支架具有良好的生物活性.  

研制具有药物缓释功能的骨组织工程支架, 对载药微球包埋于羟基磷灰石/聚氨酯(HA/PU)支架中的药物缓释体系进行了可行性研究. 首先将盐酸环丙沙星作为模型药物, 包裹于乙基纤维素(EC)微球中, 然后将EC微球与HA/PU材料进行复合, 制备了抗生素药物缓释支架. 结果显示EC微球均匀地分布在HA/PU支架基质中, 未对支架的开孔结构和孔隙形貌构成影响. 与单纯将药物载入HA/PU支架中相比, 复合载药EC微球的HA/PU支架的初期药物暴释明显降低, 药物缓释时间延长. 体外药物释放实验和抑菌实验结果表明, 该载药微球支架具有良好的药物缓释功能和抑菌性能, 是一种集骨修复和治疗于一体的新型组织工程支架材料.   

以铌金属为原料, 在NH₄F和H₂O₂的体系中, 通过水热方法制备形貌可控的氧化铌纳米棒阵列薄膜. 采用XRD、SEM、TEM等对不同工艺条件下获得的产物微观形貌和组成进行了表征, 考察了水热时间、水热温度和NH₄F浓度对最终产物及形貌的影响. 研究表明: 氧化铌在NH₄F和H₂O₂共存下表现出各向异性生长特性. NH₄F用量对最终产物及形貌起重要作用, 随着 NH4F浓度的增加, Nb₂O₅薄膜形貌由多面体状颗粒, 向近圆形纳米棒阵列和无规则的纳米颗粒团聚体演变. 当NH₄F的浓度为0.5g, 水热反应温度为150℃反应10h, 氧化铌在铌金属表面定向生长为六边形的纳米棒阵列. 本文还提出了氧化铌纳米棒阵列薄膜的形成机理.

以3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷改性过的纳米SiO₂作为原料, 通过季铵化反应得到两亲性的纳米SiO₂复合材料. 利用傅里叶红外(FTIR)、热失重分析(TGA)、X射线光电子能谱(XPS)等检测手段研究了合成材料的结构; 通过透射电镜(TEM)对合成的尺寸及微观形貌进行了分析; 利用其在水/甲苯混合体系中的分散探讨了合成材料的两亲性. 结果表明, 合成的纳米SiO₂复合材料表面接枝的有机成分约为11wt%, 该纳米SiO₂复合材料具有很好的两亲性.  

以四乙氧基硅烷(TEOS)为原料, N,N-二甲基甲酰氨(DMF)为模板, 采用二次催化的溶胶-凝胶法制得微米级多孔性硅胶微球. 考察了一次催化水解缩聚过程中水量、乙醇量, 二次催化反应过程中电解质浓度、搅拌速度对微球粒径的影响, 并采用扫描电子显微镜(SEM)、激光粒度分布仪、比表面及孔径分析仪、显微镜-图像颗粒分析系统进行表征. 结果表明, 制得硅胶微球球形规则且无团聚现象, 平均粒径(D50)为8.9μm, 粒径呈典型高斯分布, 比表面积546.67m²/g, 孔体积0.7142m³/g, 孔径主要分布在2~8nm之间, 分布范围窄; 硅胶微球粒径大小随一次催化过程中水量、乙醇量及二次催化过程中电解质浓度增加而增大, 随乳状液形成过程中搅拌速度加快而减小.

以CaCO₃、SiO₂、α-Al₂O₃为原料, 采用泡沫注凝法制备了不同莫来石含量的钙长石/莫来石复相多孔陶瓷, 研究了莫来石含量对复相多孔陶瓷的体积密度、气孔率、抗压强度、热导率及微观组织和结构的影响. 结果表明, 莫来石含量对气孔率有很大的影响, 烧结过程中液相出现引起的收缩是气孔率下降的主要原因; 在气孔率相近的情况下, 莫来石含量较高试样的抗压强度和热导率也较高, 致密的孔壁、长柱状的莫来石晶粒使得复相多孔陶瓷的抗压强度提高. 所制备的钙长石/莫来石复相多孔陶瓷的开口气孔率介于60.8%~75.2%, 抗压强度为12.94~36.95 MPa, 热导率为0.30~1.33 W/(m·K).

以六方氮化硼和炭黑(或石墨)为原料, 采用固相反应法合成了碳化硼粉体. 碳源、反应气氛和温度对粉体合成产生重要影响. 以炭黑为碳源, 在1900℃真空下保温5 h, 得到了平均粒径约为100 nm的碳化硼纳米粉体. 与商业粉体相比, 合成的粉体具有较好的烧结活性. 在2000℃/30 MPa/1 h条件下烧结, 样品的相对密度达到97.9%(商业粉体样品为93.1%), 这可归结于合成的粉体具有细小的粒径、低的氧含量和一定程度的孪晶结构.

为了降低传统丙烯酰胺(AM)/ N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)凝胶体系的毒性, 制备高固相量、低粘度的超细ZrO₂(D₅₀=0.19um)浆料及高性能的生坯和陶瓷, 研究了低毒的N, N-二甲基丙烯酰胺(DMAA) /MBAM凝胶固化工艺及pH值和聚甲基丙烯酸铵(NH4PMAA)分散剂对浆料流变性的影响. 最终采用低粘度、高固相量、低毒性的浆料制备了性能优异的生坯和陶瓷. 浆料的固相量高达56vol%, 生坯表面光洁、不起皮、不开裂, 强度接近30MPa, 其内部颗粒结合紧密, 孔径呈单峰分布, ZrO₂陶瓷的抗弯强度及断裂韧性分别为960MPa和17.3MPa^.m^1/2, 其结构均匀、致密性好、四方相ZrO₂含量高.

使用了一种在自组装单分子层(SAM)模板衬底上由电化学氧化-还原自发生长的方法, 择优取向生长氧化亚铜(Cu₂O)微晶. 通过扫描电子显微镜和微区XRD等方法对合成的Cu₂O晶体进行了形貌和结构表征. 结果表明: 合成的样品为立方结构的Cu₂O晶体, 且形貌、取向和颗粒尺寸得到了有效控制, 此结果可归结为SAMs对电化学氧化-还原过程的影响和结晶过程中的模板效应. 利用该方法, 将Cu₂O晶体生长于静态式微悬臂梁的表面作为敏感层, 制得了一种新型的化学传感器. 基于Cu₂O晶体表面的Cu(I)与DMMP (甲基膦酸二甲酯, 沙林模拟剂)分子中的膦酰基团之间存在的配位作用, 该传感器可对几十ppb的DMMP重复响应. 

采用反应放电等离子烧结技术, 以BaH₂, GdH₂纳米粉和B粉为原料, 成功制备了多晶稀土硼化物(Ba_xGd_1-x)B₆ (x=0, 0.2, 0.4, 0.8). 采用XRD、EBSD技术研究了掺杂元素Ba对GdB₆晶体结构及晶粒取向的影响, 并测量不同温度下的热发射性能. 结果表明, 所有烧结样品与传统烧结方法相比, 具有高致密度(>97%)和很高的维氏硬度(2070 kg/mm²). GdB6 在1873 K时, 最大发射电流密度为11 A/cm², 该值远高于传统方法制备的电流密度值. 随着Ba含量的增加, 发射电流密度从11 A/cm² 减小到2.25 A/cm².