TiB₂, ZrB₂, HfB₂, B₄C及BN为代表的硼化物陶瓷具有优异的物理化学性能, 在超高温、超硬以及超疏水等极限条件下有广阔的应用前景, 但材料的烧结致密化困难、断裂韧性低等问题制约了它们更为广泛的应用. 本文针对无压烧结在材料制备过程中的优势, 探讨了影响硼化物陶瓷无压烧结的主要因素, 总结了以“除氧”机制为代表的硼化物陶瓷无压烧结技术; 针对硼化物陶瓷韧性低的不足, 介绍了以“板晶增韧”、“纳米相增强”为代表的硼化物陶瓷微结构调控手段和强韧化措施. 最后, 文章还对硼化物陶瓷的织构化设计、制备方法与性能提升进行了简要介绍.

采用水淬法对以Na₂O-B₂O₃-SiO₂体系玻璃焊料连接的常压烧结碳化硅试条的抗热震性能进行了研究. 对不同温度下淬火后接口以及断面处微观结构进行了比较与分析, 并对比了不同淬火温度以及固定淬火温度为150℃时多次热循环后连接试条的残余弯曲强度. 结果表明, 对于单次淬火, 当淬火温度为150℃时, 由于热应力引起中间层内部微裂纹扩展, 导致残余弯曲强度迅速降低到(152±28) MPa. 淬火温度在150℃~320℃时, 中间层内部裂纹保持在亚临界状态, 相应弯曲强度基本保持在140 MPa. 继续升高淬火温度至420℃时, 裂纹进一步扩展, 试条残余弯曲强度迅速降低至(32±8) MPa. 对于多次热循环, 当淬火温度固定在150℃时, 经多次热循环, 残余弯曲强度与热循环次数变化不明显, 基本保持在120 MPa左右, 这说明在150℃以下淬火, 连接试条具有较好的抗热循环冲击性能.

为了解决铝基陶瓷型芯难于烧结和不易脱芯的难题, 在样品中加入了一定量的SiO₂. 利用干压法制备了多孔氧化铝基陶瓷型芯样品, 研究了不同SiO₂的添加量、烧结温度和保温时间对样品性能的影响. 研究结果表明: 经1500℃烧结保温2 h和1600℃烧结降温2 h的样品, 其线收缩率变化不大. 经1700℃烧结保温2 h的样品, 由于SiO₂的挥发导致样品的气孔率升高, 抗弯强度明显降低. 经1500℃烧结保温2 h的样品综合性能最好, 当SiO₂添加量为10wt%时, 样品的线收缩率为1.1%, 抗弯强度为63 MPa, 气孔率为35.5%, 体积密度为2.29 g/cm³; 当保温时间≥4 h时, 其线收缩率、抗弯强度、气孔率和体积密度变化不大, 有望成为高温型芯的候选材料.

以固相反应法制备了高纯度La_0.8Sr_0.2MnO₃粉体, 并以其为基料, 磷酸二氢铝为粘结剂, 采用涂覆工艺在铝基片上制备了涂料型La_0.8Sr_0.2MnO₃热控涂层. 采用XRD、EDS对La_0.8Sr_0.2MnO₃粉体的成分进行了表征, 用稳态卡计法测量了涂层在-100~100℃温度区间内热辐射率随温度的变化, 并测量了涂层的太阳吸收比. 研究结果表明: 粉体合成过程中, 经过1200℃三次热处理制备的La_0.8Sr_0.2MnO₃粉体纯度高, 合成的粉体具有均匀的微米级粒径尺寸. 通过适当调整浆料中La_0.8Sr_0.2MnO₃粉体所占质量百分比, 获得辐射率变化范围大于0.3的热控涂层, 该性能与采用烧结工艺制备的La_0.8Sr_0.2MnO₃陶瓷片材料在变温条件下的辐射率变化范围接近. 该涂层在航天器热控技术中具有潜在的应用前景.

设计并制备了PEO-LATP/LAGP陶瓷复合电解质. 使用NASICON结构的Li_1.4Al_0.4Ti_1.6(PO₄)₃ (LATP)或 Li_1.5Al_0.5Ge_1.5(PO₄)₃ (LAGP)作为陶瓷基体, 以PEO为粘结剂, 得到了均匀、厚度仅为20 μm的复合电解质膜. 通过电化学性能表征发现当w(LATP/LAGP):w(PEO)=7:3时, 复合电解质膜具有最高的室温电导率, 达到0.186 mS/cm (PEO-LATP)与0.111 mS/cm (PEO-LAGP). 通过充放电循环实验表明, Li/复合电解质/LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2电池的首次放电容量达170 mAh/g. 使用PEO-LATP复合电解质的电池在循环时有较大的容量衰减, 而使用PEO-LAGP复合电解质则循环性能有明显的改善, 在10次循环后仍保持在150 mAh/g.

将钛源、锂源和碳源三种化合物一起球磨湿混成均匀浆料, 再依次经过喷雾干燥和高温煅烧制得晶粒表面包覆纳米碳层的多孔球形钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)材料. 通过XRD、SEM、TEM、BET和电化学性能测试等分析手段表明, 合成出的Li₄Ti₅O₁₂/C材料为纳米一次粒子(晶粒)组成的球形二次粒子(颗粒), 具有较大的比表面积, 达到  39.5 m²/g; 在0.1C、1.0C和5.0C倍率下的首次放电比容量分别达到172.2、168.2和153.6 mAh/g, 并表现出优良的循环性能. 晶粒表面包覆碳的多孔Li₄Ti₅O₁₂材料具有明显的高倍率性能和循环稳定性优势.

以氨水为络合剂, NaOH为沉淀剂, 通过共沉淀制备了高致密、粒度均匀的球形前驱体Ni_0.8Co_0.1Mn_0.1(OH)₂. 通过焙烧该前驱体和LiOH·H₂O的混合物制备出球形锂离子电池正极材料LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂. 采用XRD、SEM、TEM、TGA/DSC以及恒流充放电测试对材料的结构、形貌和电化学性能进行表征. 结果表明, 球形前驱体是由纳米级一次颗粒团聚形成, 而不是晶粒的长大, 且反应时间对前驱体的形貌、粒径分布及振实密度有显著影响. 750℃焙烧16 h后的正极材料, 保持了完好的球形形貌, 具有最佳的层状结构和电化学性能, 振实密度最大(2.98 g/cm³), 首次放电容量为202.4 mAh/g, 倍率性能佳, 在3C的放电电流下容量为174.1 mAh/g, 且循环性能优良, 在40次循环以后, 放电容量保持率为92.3%.

采用EDTA-柠檬酸联合络合法制备了(Ce_0.8Y_0.2-xNd_xO_1.9)_0.99(ZnO)_0.01(0≤x≤0.2)系列电解质试样. 通过热重、X射线衍射、扫描电镜、热膨胀测试和交流阻抗谱等方法对试样进行分析, 着重研究了Y/Nd掺杂配比对CeO2基电解质材料电性能的影响. 结果表明: 采用EDTA-柠檬酸联合络合法制备的试样均为单一的立方萤石型结构; 添加1mol%的ZnO, 在1350℃下能得到较为致密的(Ce_0.8Y_0.2-xNd_xO_1.9)_0.99(ZnO)_0.01系列电解质陶瓷片, 其中 (Ce_0.8Y_0.05Nd_0.15O_1.9)_0.99(ZnO)_0.01电解质试样表现出最高的离子电导率, 其在750℃测试时的离子电导率为58.79 mS/cm; 所有试样的热膨胀系数在(11.83~12.30)×10^-6/K之间.

探讨了硬性添加物MnO₂、软性添加物Nb₂O₅和两性添加物Cr₂O₃对锑锰锆钛酸铅Pb(Mn_1/3Sb_2/3)_0.05Zr_0.47Ti_0.48O₃(简称PMSZT5)压电陶瓷的相组成及温度稳定性的影响. 研究结果发现: 各掺杂组成在900℃的煅烧温度下, 都可以得到钙钛矿结构. 随着各掺杂离子的增大, 四方相含量减少, 准同型相界向三方相移动. 综合考虑离子掺杂对PMSZT5压电陶瓷的机电性能及温度稳定性的研究结果表明: 锰过量较其它铌和铬掺杂的温度稳定性更好, 机电性能最佳的PMSZT5+0.1wt% MnO₂的组成, ε₃₃^T/ε₀=1560, d₃₃=350pC/N, K_p=0.63, -25~80℃的f_r、K₃₁和d₃₁平均温度系数分别为72×10^-6/℃、-0.027%/℃和0.100%/℃.

采用普通烧结方法和热压烧结方法制备了K_0.5Na_0.5NbO₃ (KNN)无铅压电陶瓷. 着重研究了两种烧结工艺对陶瓷的微观结构、晶粒形貌及致密度的影响. 研究结果表明, 两种烧结方法制备的陶瓷样品都具有单一的正交钙钛矿结构, 与普通烧结工艺相比, 利用热压烧结工艺制备的样品呈现较高的相对密度(大于98%)、较小的晶粒尺寸 (0.6 μm左右)及较低的介电损耗(1 kHz, tanδ≤2.8%). 实验中发现对于热压烧结的样品, 通过改变后期退火温度, 样品的晶粒尺寸, 致密度可以有规律地变化.

采用固相反应法制备了(Ba_1-xSr_x)La₄Ti₄O₁₅(x=0.8~0.95)复合体系微波介质陶瓷, 并对其进行物相组成、晶体结构分析以及微波介电性能的研究. 研究结果表明, (Ba_1-xSr_x)La₄Ti₄O₁₅陶瓷主晶相为SrLa₄Ti₄O₁₅, 并伴随有第二相SrLa₈Ti₉O₁₅. SEM观察表明, Ba_0.2Sr_0.8La₄Ti₄O₁₅陶瓷内部微观结构致密, 晶粒尺寸在10~20 μm之间, 晶界清晰. 随着x值逐渐增大, (Ba_1-xSr_x)La₄Ti₄O₁₅陶瓷中晶粒形态发生变化, 气孔增多. 在x=0.8时, (Ba_1-xSr_x)La₄Ti₄O₁₅陶瓷具有优良的微波介电性能, 即ε_r =40.86, Q×f≈62806 GHz, τ_f =-20×10^-6/℃. 随着Ba²⁺的含量逐渐增加, 该陶瓷的介电常数εr单调上升, 品质因子Q×f值增加, 说明适量的Ba²⁺替代Sr²⁺能改善陶瓷的微波介电性能.

采用脉冲激光沉积方法, 在(001)单晶铝酸镧(LaAlO₃)衬底上成功制备出钛酸锶钡(Ba_0.75Sr_0.25TiO₃)外延薄膜. 利用高分辨电子显微学对其微观结构进行了详细研究, 并探讨了其微观结构缺陷的形成机理. 研究发现, 在钛酸锶钡外延薄膜中存在失配位错和穿透位错, 且存在直线型和锯齿型的两种反相畴界. 失配位错是由于钛酸锶钡薄膜与LaAlO₃单晶衬底之间存在较大的晶格失配形成的, 可分解为不全位错; 穿透位错可以分解为不全位错伴随有堆垛层错的形成. 反相畴界的形成是由于衬底表面存在台阶, 直线型反向畴界是由于形核点离台阶处较近产生的, 而锯齿型反向畴界是由于形核点离台阶处较远而形成. 研究结果可为其它钙钛矿型外延薄膜中微观结构缺陷的形成机理提供理论指导.

使用脉冲激光沉积技术, 在(001)取向的LaAlO₃(LAO)单晶基片上外延生长了BaTiO₃/La_2/3Sr_1/3MnO₃ (BTO/LSMO)双层复合薄膜. 电学和磁学性能的研究显示复合薄膜具有较低的相对介电常数(ε_r=263), 优良的铁电和铁磁性能以及高于室温的铁磁居里温度(T_c=317 K). 复合薄膜的磁电电压系数(α_E)为176 mV/A, 高于同类结构磁电系统一个数量级, 相应的界面耦合系数k值为0.68, 表明铁磁层和铁电层界面之间存在较大程度的耦合.

利用先进光源(ALS)8.0.1光束线的软X射线荧光谱仪, 对采用分子束外延(MBE)设备在200℃下生长的Zn_0.97Mn_0.03O和Zn_0.67Mn_0.33O薄膜样品进行了电子结构的研究. 根据共振和非共振Mn L_2,3边的X射线发射光谱, 计算出Mn L₂与Mn L₃发射峰相对积分强度的比值(I(L2)/I(L3)), 可知样品的铁磁性与自由d载流子的数目有关. 在Zn_0.97Mn_0.03O中, Mn主要处于替代位置, 并表现出较强的Coster-Kronig(C-K)跃迁效应, 这说明样品中存在大量的自由d载流子. 这些非局域的d载流子的行为类似于巡游电子, 与Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosid(RKKY)模型下计算得出的间隙Mn提供的4s电子, 都可成为铁磁交换作用的媒介. 在Zn_0.67Mn_0.33O中, 自由d载流子的数目较少以及MnO团簇的存在是导致铁磁性向反铁磁性转变的主要原因.

在氧等离子体辅助的MBE系统中, 以1 nm厚的Au薄膜为催化剂, 基于气?液?固(VLS)机制实现了低温ZnO纳米线阵列在Si(111)衬底表面的生长. 通过场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)可以观察到, ZnO纳米线阵列垂直生长在衬底上, 直径为20~30 nm. X射线衍射(XRD)和高分辨透射电镜(HRTEM)结果表明: ZnO纳米线为六方纤锌矿结构, 具有沿c轴方向的择优取向. 光致发光(PL)谱显示在380 nm附近有强烈ZnO本征发射峰, 475~650 nm可见光区域有较强的缺陷导致的发射峰.

为了深入理解草酸溶液中制备的阳极氧化铝(AAO)模板受热失重以及草酸根对模板发光性能的影响, 利用程序升温脱附与质谱联用(TPD-MS)、热重分析(TGA)、差热分析(DTA)以及光致发光(PL)等技术对AAO模板进行了系统研究. 热失重分析结果表明, 当温度低于402.2℃时, 发生H₂O、CO以及CO₂分子的脱附以及掺杂草酸的分解, 其中H₂O的脱附为失重的主要原因; 在402.2~866.7℃范围内, 主要是草酸盐分解放出CO和CO₂引起失重, CO为主要产物; 碳酸盐以及残余的草酸盐的剧烈分解发生在866.7~1022.9℃范围内, 主要放出CO₂, 并且引起大量失重. 由热重结果及脱附产物中CO的摩尔比得到草酸根残余量随处理温度的变化趋势. 最后, 对模板PL强度、草酸根含量以及氧空位缺陷(F+)浓度三者随处理温度的变化趋势进行了关联, 对AAO模板发光的原因进行了分析.

以聚乙二醇(PEG, Mn=6000)为模板剂, 结晶四氯化锡(SnCl₄·5H₂O)和尿素为原料, 采用微波溶剂热法在180℃、添加0.12 mmol PEG的条件下制备出了单分散性良好的SnO₂微球. 通过XRD、SEM、TEM和FT-IR等分析手段对产物进行表征, 并结合光致发光(PL)谱研究了产物的发光性能. 结果表明: SnO₂微球是由大量细小晶粒堆积而成的, 微球直径约1.3 um. 经400℃煅烧2 h后, 微球表面致密光滑且直径未发生明显变化. FT-IR谱图中550 cm^-1处吸收峰应为表面结构改变引起的表面振动模式. PL谱表明煅烧前SnO₂微球在320~450 nm处具有宽而强的发射带, 煅烧后发射带强度大幅下降, 说明产物的晶格缺陷对近带边发射有重要影响.

利用溶胶-凝胶法结合气氛控制方式合成了含Bi₂O₃纳米晶钠硼硅玻璃. 利用X射线粉末衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、X射线能量色散谱(EDX)、扫描模式透射电子显微镜(STEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)以及选区电子衍射 (SAED)对掺杂在钠硼硅玻璃中Bi₂O₃纳米晶的形貌和微结构进行了表征, 同时, 利用飞秒开孔Z-scan技术详细地研究了Bi₂O₃纳米晶玻璃在800 nm处不同激发光强度下的三阶非线性光吸收性质. 结果表明, 在钠硼硅玻璃中形成了尺寸小于10 nm的Bi₂O₃单斜晶系纳米晶. 随着激发光强度的增强, 该玻璃的三阶非线性光吸收性质产生由饱和吸收向反饱和吸收的转变. 进一步, 计算得到的该玻璃三阶非线性极化率χ⁽³⁾的数量级范围在10^-19~10^-18 m²/V²之间. 这一结果说明该玻璃具有良好的非线性光学性能, 并且在光限幅器等非线性光学领域具有潜在的应用价值.

电阻式存储器由于具有众多的优点有望成为最有前景的下一代高速非挥发性存储器的选择之一. 实验利用射频磁控溅射法在重掺硅上沉积了Bi₂O₃薄膜, 并对该薄膜的结晶状态和Au/Bi₂O₃/n⁺Si/Al结构的电阻开关特性进行了研究. XRD分析结果表明, 射频磁控溅射法沉积所得的Bi₂O₃薄膜结晶性能好, (201)取向明显. I-V曲线测试结果表明, Au/Bi₂O₃/n⁺Si/Al结构具有单极性电阻开关特性. 通过对不同厚度Bi₂O₃薄膜的Au/Bi₂O₃/n⁺Si/Al结构I-V特性比较发现, 随着薄膜厚度的增加, 电阻开关的Forming、Set和Reset阈值电压均随之增加. 对于Bi₂O₃薄膜厚度为31.2 nm的Au/Bi₂O₃/n⁺Si/Al结构, 其Forming、Set和Reset阈值电压均低于4 V, 符合存储器低电压工作的要求.

以尿素为沉淀剂, 通过沉积-淀的方法, 制备了高分散的金纳米颗粒负载的介孔氧化锆薄膜; 以1064 nm激光为入射光束, 通过Z扫描实验测试了复合薄膜的非线性光学折射和吸收, 并计算了复合薄膜的非共振三阶非线性光学极化率(~10^-10 esu), 金纳米颗粒的高分散性和氧化锆薄膜衬底的高线性折射率使复合薄膜显示了增强的三阶非线性极化率.

Presently activated carbon is used as an adsorptive material for chemical and biological warfare agents. It possess excellent surface properties such as large surface area, fire-resistance and plenty availability, but has disadvantages such as its heavy weight, low breathability (after adsorption of moisture) and disposal. In this paper, we propose to utilize novel electrospun polymeric nanostructures having zeolites as catalyst materials. In this respective, the electrospun polymer nanofibers would serve as the best possible substitutes to activated carbon based protective clothing applications. This is the first in the literature that reports the integration of these types of catalysts with nanofiberous membranes.?Electrospinning of cellulose/polyethylene terephthalate (PET) blend nanofibers has been carried out. Zeolite catalysts (Linde Type A and Mordenite) for the detoxification of nerve agent stimulant-paraoxon, were prepared due to their relative simplicity of synthesis. The catalysts were then coated onto nanofiber membranes and their morphology was confirmed using SEM. This is the first report on the coating of nanofibers with zeolites and their successful demonstration against nerve agent stimulant. The UV absorption spectra clearly show the detoxification ability of the functionalized fibers and their potential to be used in textiles for protection and decontamination.