碳纳米管(CNT)由于其独特结构和优异特性已被广泛用来构筑各种纳米器件. 而CNT与电极间的接触在CNT器件中扮演着重要的作用, 是器件性能的关键影响因素. 采用何种有效的方法来改善CNT与金属电极间的接触一直是CNT器件研究中的一个重要方面. 本文综述了近年来CNT/金属接触改善方法的研究进展, 结合本课题组的研究对目前有代表性的接触改善方法进行介绍. 阐述了各种改善方法的原理和加工工艺, 讨论了采用这些方法获得的接触特性和器件性能, 并对各方法的特点进行了比较.

研究了以金红石TiO₂半导体材料为气敏材料的一氧化碳(CO)传感器在600~800℃之间的气敏性能. 该传感器在测试温度600~700℃时对20~2000 mg/m³的CO(载气为氮氧混合物且氧气含量为2%~25%)表现出p型电导行为. 随着测试温度从600℃升高至700℃, 传感器的感应强度迅速下降到接近于1. 当温度升高到750℃以上时, 传感器再次出现对CO的感应强度并且表现出n型导电行为. 随着温度升高到800℃, 传感器对CO的n型感应信号进一步增强, 表现出良好的高温感应性能. 利用交流阻抗谱仪对该TiO₂敏感材料的高温导电特性进行了研究, 并初步讨论了TiO₂在高温下对CO还原气氛的诱导导电性能变化的原因.

两步电弧熔炼法制备Ti_0.10Zr_0.15V_0.35Cr_0.10Ni_0.30 + 5wt% La_0.85Mg_0.25Ni_4.5Co_0.35Al_0.15复合储氢合金, X射线衍射(XRD)和扫描电镜-能谱(SEM-EDS)显示: 复合储氢合金的主相是体心立方结构的钒基固溶体相和六方结构的C14 Laves相, 复合过程中生成了第二相. 电化学研究表明: 复合过程中存在明显的协同效应; 在303 K时, 复合合金电极的实际最大放电容量为361.8 mAh/g; 在233 K时, 复合合金电极的低温放电能力(LTD)是母体合金电极的4.05倍. 与母体合金电极相比, 复合合金电极的高倍率放电性能(HRD)提高了26.87%, 电荷转移电阻(R_ct)减小了37.25 mΩ, 同时交换电流密度(I₀)增大了115.45 mA/g, 合金体内氢的扩散系数(D)增大了6.13×10^-10 cm²/s.

对钒电池负极电解液中活性物质V(III)在不同硫酸浓度、不同温度条件下的溶解性规律进行了深入研究, 同时对V(III)-H₂SO₄体系电化学性能进行了初步探讨. 结果表明: V(III)的溶解是一个放热过程, 在15~40℃范围内, V(III)的溶解度随着温度升高而逐渐降低; 并且溶液中V(III)会以V-O-V形式形成二聚体, 在低硫酸浓度下, V(III)可以高浓度长时间稳定存在, 随硫酸浓度的增大, V(III)溶解度逐渐降低, 其中30℃、1 mol/L H₂SO₄条件下V(III)浓度可高达2.730 mol/L; 进一步通过电化学测试, 发现V(III)-H₂SO₄体系是不可逆体系, H₂SO₄浓度的增大有益于提高V(III)/V(II)氧化还原反应的可逆性.

在磷酸水溶液中, 以磷铁废渣为阳极、石墨为阴极, 恒流无膜电解后溶液由无色变为黄色, 用氨水调节pH值, 经过滤、洗涤、干燥, 得到淡黄色粉体, XRD和热分析结果表明该粉体组成为FePO₄·2H₂O. 在电解产物中加入LiOH·H₂O和葡萄糖, 用乙醇作溶剂充分研磨形成流变相前驱体, 在700℃氩气气氛中焙烧得到LiFePO₄/C复合物. 用动电位极化方法分析了磷铁的电解过程, 用XRD、SEM和循环伏安法(CV)研究了LiFePO₄/C复合物的结构、形貌及电化学性能. 测试结果表明LiFePO₄/C复合物没有磷铁原料的杂质峰, 氧化电位和还原电位分别在3.54和3.33 V, 说明经过阳极袋电解能够消除磷铁原料中的杂质元素影响及锂离子脱/嵌过程中极化较小.

采用液相共沉淀法和固相合成法分别制备411(4BaO:CaO:Al₂O₃)铝酸盐前驱粉末, 在钨网氢气炉中高温烧结. 采用喷雾干燥法结合两步氢气还原法制备出亚微米氧化钪掺杂钨粉. 随后经过压制, 烧结, 浸渍, 水洗, 退火等工艺获得具有亚微米结构的含钪扩散阴极, 并研究含钪扩散阴极的电子发射性能. 实验结果表明, 液相共沉淀法制备的铝酸盐在1500℃烧结后, 铝酸盐中Ba₅CaAl₄O₁₂衍射峰最强, 结晶程度最高. 液相共沉淀法含钪扩散阴极, 脉冲发射电流密度在850℃达到37.89 A/cm². 在激活过程中, 阴极表面形成“Ba-Sc-O”发射活性层, “Ba-Sc-O”发射活性层存在提高了阴极热电子发射能力, 降低了含钪扩散阴极的蒸发速率.

利用改进化学气相沉积法(MCVD)的反向沉积工艺, 结合无铝的溶液掺杂技术, 制备了高性能掺磷石英基的铒镱共掺光纤. 反向沉积技术表现出了在纤芯中大量沉积磷这类高温下极易蒸发成分上的优势. 研究表明, 这种光纤中, 铒镱离子能量传递效率极高, 掺磷的石英基质对于促进镱离子对铒离子的能量传递, 抑制镱离子寄生荧光作用明显. 最后, 搭建了双包层铒镱共掺光纤激光器系统, 在光纤长度为4 m时, 获得了3.2 W的最大功率输出, 斜率效率达30%.

提出了一种可大规模制备CeO₂纳米粉的有效方法. 用碳化铈水解氧化制得颗粒大小为3~5 nm的CeO₂纳米粉. 研究了各种实验参数包括水解温度、反应时间和投料比对CeO₂纳米粉比表面积的影响. 结果表明: 较低的水解温度(室温附近), 较高的投料比(1:20(g/mL))和适当的反应时间(18 h)可得到比表面积为149 m²/g的CeO₂纳米粉. 优化实验参数(水解温度为30℃, 水解时间为18 h, 投料比为1:20(g/mL), 滤饼在空气中80℃烘干4 h)得到中间产物Ce(OH)₃和目标产物CeO₂, 并用XRD、TEM、SAED及紫外-可见光分光光度计进行测试表征. 发现Ce(OH)₃是由大量长为50~100 nm, 直径为5~20 nm的纳米棒组成. CeO₂纳米粉具有较高的紫外吸收性能和较好的催化CO性能.

以锰氧化物为活性组分, CeO₂-TiO₂为载体制备了Mn/CeO₂-TiO₂催化剂. 考察了Fe的加入对Mn/CeO₂-TiO₂的低温NH₃-SCR活性的影响. 并采用BET比表面积, H₂程序升温还原(H₂-TPR)和X射线光电子能谱(XPS)等手段对催化剂进行了表征. 活性结果表明, Fe的引入显著改善了Mn/CeO₂-TiO₂的NH₃-SCR活性, 催化剂在113’250℃之间表现出良好的NO去除效率. 表征结果表明, Fe的引入促进了锰物种在CeO₂-TiO₂表面的分散, 降低了Mn-Fe/CeO₂-TiO₂中锰物种的还原温度. XPS分析指出Mn-Fe/CeO₂-TiO₂表面Mn以+4价存在, 而Fe主要以+3价的Fe₂O₃存在, 且Fe与载体表面间存在强相互作用.

采用微波辅助水热法快速合成了介孔磷酸镍(MW-NiPO-2), 详细研究了在微波水热条件下微波晶化温度、微波辐射时间、碱度及Ni/P摩尔比对MW-NiPO-2合成的影响, 优化了合成条件. 并利用ICP、FT-IR、TEM和N₂吸附等手段对比研究了溶胶-凝胶法和微波水热法合成样品的结构组成、比表面和孔道特征. 研究结果表明: 在微波辅助水热条件下, 在较低温度下(60℃)即可形成MW-NiPO-2; 在100℃下, 0.25 h即有MW-NiPO-2生成. 在微波辐射1 h, 碱度(OH^-/P)为2.0、原料Ni/P比为0.7条件下, 能够合成有序度较高的MW-NiPO-2. MW-NiPO-2和 SG-NiPO-2具有相似的骨架结构和组成, 但其纳米管簇结构特征不明显, 表现出类似虫孔结构的状态. 微波辅助水热法合成的MW-NiPO-2较溶胶-凝胶法合成样品具有更大的比表面和孔容, 分别为334.4 m²/g和0.318 cm³/g.

利用水热法合成了单相、立方体形貌且平均颗粒尺寸在1 μm的锆钛酸铅(PZT)陶瓷粉体. 研究了碱度、反应时间对最终产物的影响, 着重研究了不同碱度下Pb缺失的补偿问题. 结果表明: 碱度对最终PZT产物A位Pb离子的固溶程度有着重要的影响. 碱度越高, A位缺失的Pb离子就越多. 原料中适当的Pb过量能够有效补偿Pb离子的缺失, 碱度越高, 所需添加的Pb离子的过量程度也就越高. 但过多的Pb离子加入量会导致最终产物中出现第二相.

以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板, 用溶胶-凝胶法合成了掺杂钙银介孔氧化硅凝胶(m-SCA)抗菌止血材料. 结果表明: m-SCA具有介孔结构, 比表面积为416 m²/g, 孔径在2 nm左右. 高比表面积的m-SCA具有很好的凝血功能, 能明显缩短血液的凝血酶原时间(PT)和部分凝血活酶时间(APTT). 含少量银的m-SCA对其凝血性能没有明显影响, 而m-SCA中的钙能促进凝血. 含银0.02wt%的m-SCA无细胞毒性, 对大肠杆菌有明显的抑制作用. 动物试验表明: m-SCA具有很好的止血性能, 能阻止兔耳伤口的流血并缩短其流血时间. m-SCA是一种有很好应用前景的抗菌止血材料.

采用等离子表面合金化及辉光轰击热扩散复合处理技术在不锈钢表面进行了铜合金化处理. 利用薄膜密贴法对改性层的抗菌性能进行了测试. 通过扫描电子显微镜(SEM)、辉光放电光谱分析仪(GDOES)和X射线光电子能谱(XPS)等手段, 研究了铜合金层的微观组织、化学成分分布及抗菌前后表面铜的价态变化. 结果表明, 铜合金层对大肠杆菌(E. coli)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)都展现了优良抗菌性能; 合金层表面铜约为5.7wt%, 合金层厚度约2.7 µm; 表面铜合金化不锈钢与菌液接触后, 不锈钢表面的铜元素以铜离子析出, 并且与试验菌种发生作用, 杀灭试验细菌.

利用同步辐射XRD研究淡水三角帆蚌贝壳珍珠质的内应力和珍珠质中单个文石板片的微结构, 发现淡水三角帆蚌贝壳珍珠质中单个文石板片内存在晶内有机物, 且该晶内有机物导致珍珠质层中产生拉应力. 这一拉应力沿不同晶向呈现强烈的各向异性, 表明晶内有机物在文石板片内很可能以某一特定的方式排列. 同步辐射XRD图谱的线形分析进一步证实淡水三角帆蚌贝壳珍珠质中的晶内有机物吸附于文石板片的(002)晶面. 这些研究结果将促进珍珠质矿化及强韧化机制的研究, 为设计高性能无机-有机复合材料及培育珍珠提供科学的根据.

实验用田口法研究了添加30wt%氮化钛的钇稳定氧化锆基陶瓷材料(3Y-TZP/TiN)制造工艺. 选择烧结方式、TiN粉末振荡时间、第一阶段保温时间及第二阶段烧结温度四个工艺参数作为控制因子, 设计L₉正交表进行实验规划. 烧结后, 检测试片断裂韧性、抗弯强度、硬度、相对密度及电阻值. 最后通过变异数分析找出最佳参数, 再进行实验验证. 本研究得到的最佳化烧结工艺为: TiN粉末振动8 h, 采用两步烧结法, 第一阶段烧结温度1450℃, 不保温, 第二阶段烧结温度1150℃, 保温20 h. 结果显示, 采用该工艺得到了抗弯强度平均值为736.75 MPa、断裂韧性为7.545 MPa·m^1/2的氧化锆基导电陶瓷材料. 研究发现, 第一阶段保温时间对断裂韧性的影响程度最大, 其次依次为烧结方式、TiN粒径大小及第二阶段保温温度. 断裂韧性的微结构影响因子为四方相与单斜相数量的比值, 当此值达到最高时, 断裂韧性也达到最高值为9.275 MPa·m^1/2. 另外, 添加30wt% TiN的氧化锆电阻率平均值为3.26 m?·cm, 可以进行电火花加工.

为了提高碳化物靶溅射薄膜的结晶程度和相应的力学性能, 采用等化学计量比的VC靶(n(C):n(V)=1:1)和富V的VC靶(n(C):n(V)=0.75:1)通过磁控溅射方法制备了一系列VC薄膜, 利用EDS、XRD、SEM和微力学探针研究了靶成分、溅射气压和基片温度对薄膜化学成分、微结构和力学性能的影响. 结果表明, 对于等化学计量比的VC靶, 在Ar气压为2.4~3.2 Pa的范围内可获得结晶程度和硬度较高的VC薄膜, 其最高硬度为28 GPa. 而采用富V的VC靶时, 在较低的Ar气压(0.6~1.8 Pa)下就可获得结晶程度高的VC薄膜, 其硬度达到31.4 GPa. 可见, 相对于溅射参数的Ar气压和基片温度, 靶的成分对于所获薄膜的成分、微结构和力学性能影响更显著, 因而适当提高靶中金属组分的含量是获得结晶良好且具高硬度的VC薄膜更为有效的途径.

采用溶剂热法合成出硫化镍, 并将其作为催化剂, 催化热解乙炔制备出微螺旋炭纤维. 通过SEM、FT-IR和XRD分析了催化剂和微螺旋炭纤维的形貌和微观结构. 结果表明: 硫化镍催化颗粒表面光滑、为规则的六方相结构, 直径为1~2 μm; 微螺旋炭纤维具有双螺旋结构, 截面为矩形, 具有相同的螺径. 微螺旋炭纤维分子结构中既含有不饱和的C=C双键, 又含有饱和的-CH₂-和-CH₃基团, 其微观结构整体有序度较差, 存在一定量的无定型炭和晶体缺陷, 石墨化度低.

采用医用炭/炭复合材料并通过梯度化学气相沉积法(CVD)在其表面制备热解炭涂层, 研究分析了涂层的显微结构、摩擦系数、磨损情况. 结果发现, 该热解炭涂层表面被直径约20 μm热解炭球致密覆盖, 在断口处呈现紧密、多层的热解炭. 与用沥青浸渍/炭化法制备的炭/炭复合材料相比, 在干摩擦时, 热解炭涂层样品的摩擦系数更大; 在模拟人体关节的湿摩擦时, 它的摩擦系数低; 在干摩擦和湿摩擦的情况下, 它的磨损要小很多. 这些结果表明利用梯度的化学气相沉积法(CVD)制备医用炭/炭复合材料的涂层可以提高其表面的耐磨性.

利用大气等离子喷涂制备了ZrO₂涂层, 采用扫描电子显微镜结合图像分析的方法对涂层的显微结构特征(总气孔率和大气率)进行了量化表征. 同时利用扫描电子显微镜附带X射线扫描成像对涂层内部的微裂纹和大的分隔裂纹的三维分布进行了表征. 据此建立了ZrO₂涂层显微结构与热导率之间的关系. 室温下, 涂层N2的热导率较N1的低, 因为涂层N2内气孔和微裂纹数较多; 在1000℃, 由于微裂纹的烧结作用导致热导率增大, 所以涂层N2的热导率较N1反而高. 高温下, 涂层内由微裂纹汇聚而形成的大的分隔裂纹的存在则可以有效地抑制烧结, 降低涂层的热导率.

多种表面活化改性方法已用于致密钛表面活化改性, 本研究尝试用不同浓度的硝酸溶液处理浆料发泡法制备的多孔钛. 酸处理多孔钛内孔壁上出现了微小尺寸的酸蚀坑, 其微结构随酸浓度的变化而略有不同, 处理后表面磷灰石沉积能力随酸浓度变化差异显著, 其中以1:1和1:5两种浓度(体积比)的硝酸处理组最强, 并显著促进MG63细胞增殖, 细胞在样品表面和孔内得到良好粘附和铺展. 本研究结果表明硝酸处理活化多孔钛, 方法简单, 不引入杂质, 渗透性好, 可有效活化多孔钛内外表面, 是一种有效的制备生物活性多孔钛的方法.