石墨烯以其优异的性能和独特的二维结构成为材料领域研究热点。本文综述了石墨烯的制备方法并分析比较了各种方法的优缺点, 简单介绍了石墨烯的力学、光学、电学及热学性能。基于石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向, 本文详细介绍了石墨烯聚合物复合材料和石墨烯基无机纳米复合材料的制备及应用, 并特别讨论了石墨烯/块体金属基复合材料的制备方法和其优异性能。

超燃冲压发动机是发展高超声速技术的核心, 以其为动力装置的各类高超声速飞行器对于国防安全和航天运输都有重要意义。本文分析了超燃冲压发动机对热防护材料的要求, 综述了C/SiC复合材料在超燃冲压发动机中的应用研究现状, 提出了发展建议, 指出了需要关注的关键问题。

为了提高C/C复合材料的抗氧化烧蚀性能, 采用浆料浸涂与原位反应复合工艺在材料表面制备了ZrB₂-SiC超高温陶瓷涂层, 利用氧-丙烷火焰测试了涂层的抗烧蚀性能。结果表明: 采用复合工艺所制备的ZrB₂-SiC超高温陶瓷涂层与基材具有较高的结合强度; 在氧-丙烷火焰冲刷条件下, 涂层具有良好的抗烧蚀性能, 涂层经1500℃下烧蚀600 s, ZrB₂-SiC涂层无明显烧蚀, C/C复合材料保持完好。微观结构观察表明: 烧蚀测试后, 涂层中存在ZrO₂和大量超高温陶瓷相, 涂层抗烧蚀形式主要表现为热化学烧蚀和机械剥蚀。

以膨胀石墨和α-Al₂O₃微粉为原料, 采用高能球磨制备了纳米碳包覆的α-Al₂O₃复合粉体, 研究了高能球磨时间和球磨速率对复合粉体物相及形貌的影响。采用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜和透射电子显微镜对复合粉体的物相、形貌和微观结构进行了表征。结果表明: 按膨胀石墨与α-Al₂O₃质量百分比为1:2, 球磨速率为600 r/min, 球磨5 h可得到被粒度为20~50 nm碳颗粒包覆的α-Al₂O₃复合粉体; 随着球磨时间延长, 石墨(002)晶面特征峰逐渐消失, 膨胀石墨中纳米片层会随球磨时间延长不断剥离脱落, 并逐渐龟裂成纳米碳颗粒; 相同球磨时间下, 提高球磨速率可以促进纳米碳颗粒形成, 但超过一定速率后纳米碳颗粒粒度不再减少; 480 r/min速率球磨  5 h未形成纳米碳颗粒包覆复合粉体, 600和700 r/min速率球磨5 h后复合粉体形貌基本一致。

采用酚醛树脂(PF)为热稳定聚合物, 端环氧基的聚合物(QS)为热不稳定聚合物, 利用聚合物共聚炭化法制备多孔炭。经红外光谱分析及热重分析证实, 在酚醛树脂与QS的共聚固化物中, QS链段上的环氧基与酚醛树脂链段上的酚羟基发生反应生成醚键, QS接枝到酚醛树脂的链段上。BET比表面积、孔结构和电化学性能分析表明: 在共聚固化物PF/QS的炭化过程中, QS的热解逸出能起到造孔作用, 并随着QS用量的增加多孔炭的比表面积先增大后减小。QS加入量为15%的多孔炭具有最大的比表面积609.0 m²/g、总孔容0.28 cm³/g和微孔孔容0.22 cm³/g, 与聚合物共混炭化法相比, 在相同热不稳定聚合物加入量条件下, 多孔炭的比表面积和孔容都有所提高。该多孔炭电极在30wt% KOH电解液中的比电容达177.5 F/g, 具有良好的电容特性。

分别以气煤、焦煤、瘦煤为原料制备了低成本、高性能煤基炭对电极(counter electrodes, CEs), 并使用煤基炭CE同时代替导电玻璃基底和催化层, 分别考察了浸渍和表面修饰对煤基炭CE结构和光电性能的影响。采用X射线衍射、扫描电镜和电化学阻抗谱等表征手段, 对煤基炭CE的结构和性能进行了表征。结果表明: 浸渍后煤基炭CE形成了底层致密表层多孔的一体化结构; 经过表面修饰的煤基炭CE表现出良好的光电性能, 其开路电压(V_oc)、短路电流密度(J_sc)和填充因子(FF)分别为0.79 V、13.48 mA/cm²和0.67, 光电转化效率(η)达到了7.16%, 与传统Pt电极的效率相当, 比石墨电极效率提高30%。煤基炭CE是传统Pt/FTO电极的良好替代材料。

泡沫石墨是一种新型阳极材料, 对其进行改性是提高海底微生物燃料电池性能的重要途径之一。本文研究了混酸改性泡沫石墨阳极及其电化学性能。研究表明:改性后泡沫石墨表面生成羟基、羧基等含氧官能团; 改性阳极接触角降低了24.5°, 润湿性提高, 有利于微生物附着; 交换电流密度达到6760.8 mA/m², 动力学活性提高了53.7倍。研究还发现改性后阳极电位降低了100 mV, 电池开路电位达到865 mV (未改性750 mV), 最大输出功率密度为358.1 mW/m², 提高了2.4倍。三个月放电测试显示, 改性阳极和电池具有相对稳定的性能。同时, 本文初步分析了改性后阳极动力学活性增加和电位降低的原因。该研究结果为构建高输出电压和功率的海底微生物燃料电池提供了依据。

利用液相沉积技术对TiO₂反蛋白石结构材料进行表面处理, 通过在反Opal孔内表面生成一层TiO₂颗粒, 增加其有效比表面积。以降解罗丹明B为探针反应, 研究了经LPD表面处理之后的TiO₂反Opal材料的光催化活性, 考察了硼酸用量对TiO₂反Opal材料表面形貌和光催化活性的影响。结果表明LPD处理之后的TiO₂反Opal膜比未处理的膜具有更高的光催化活性, 硼酸用量在0.0183 g/mL时处理的TiO₂反Opal膜具有最高的光催化活性, 相比未处理的膜催化剂活性提高了6倍。

以Bi(NO₃)₃·5H₂O、NaVO₃和Cu(NO₃)₂·3H₂O为原料并以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为结构导向剂通过水热法制备了Cu/BiVO₄微米片晶体。采用XRD、XPS、SEM、HRTEM、UV-Vis、比表面积测试等对产品进行了表征。结果表明, 2.0 g CTAB辅助水热法能够合成结晶度高且形貌规整的单斜白钨矿Cu/BiVO₄微米片晶体, 其长度为1.0~2.0 μm, 宽度为0.5~2.0 μm, 厚度在200~300 nm内。相比BiVO₄颗粒, 片状Cu/BiVO₄样品的紫外–可见光吸收边发生了稍许红移, 具有较小的能带隙。光催化结果说明, 5.0wt%Cu/BiVO₄微米片表现出最好的光催化活性, 其速度常数k为5.89×10^–2/min, 可见光照射10 mg/L亚甲基蓝溶液60 min的光解率达100%。

采用静电纺丝技术, 以聚乙烯醇(PVA)和醋酸锌[Zn(CH₃COO)₂]为前驱体, 制备纯ZnO纳米纤维, 并以其为基质, 醋酸镍为镍源, 通过溶剂热法制备了NiO/ZnO复合纳米纤维. 利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)和荧光光谱(PL)等分析测试手段对样品的结构和形貌进行表征。以罗丹明Ｂ的脱色降解为模式反应, 考察了样品的光催化性能。结果表明: NiO粒子均匀地负载到ZnO纳米纤维上, 得到了异质结型NiO/ZnO复合纳米纤维光催化材料, 与纯ZnO纳米纤维相比光催化活性明显提高, 且易于分离、回收和再利用。循环使用3次, RB的脱色率仍保持在89%以上。

通过预氧化处理在Zn基底上制备了ZnO颗粒膜, 并由N₂H₄·H₂O-水热体系制备了Zn基柱状ZnO阵列。实验发现, 在Zn单一晶体学取向表面上柱状ZnO高度有序排列, 据此提出了Zn基柱状ZnO的自由生长取向机制。水热反应条件下, ZnO微晶通常具有沿c轴优先生长的结晶习性, 柱状体高度有序排列取决于ZnO晶核的状态。单一晶体学取向表面上晶核的状态一致, 决定了ZnO柱状体取向一致。Zn基柱状ZnO阵列光致发光谱分析表明, 在30~60 K之间, 近带边激子发射峰强度呈现反常温度依赖的“负热淬灭”现象, 该过程包含了两个无辐射过程和一个负热淬灭过程。

研究了温梯法生长不同浓度石墨碳掺杂蓝宝石单晶的室温力学性能。实验发现在蓝宝石单晶中, 掺入适量石墨碳可以显著提高晶体常温断裂强度和断裂韧性, 而不损害晶体的可见和近红外透过性能。当其掺入的石墨浓度为5×10^-3时, 蓝宝石单晶的断裂强度和断裂韧性平均分别提高到752 MPa和2.81 MPa·m1/2, 而其可见和近红外透过率依然达80%。掺杂的石墨碳在蓝宝石晶体中部分作为晶格间隙离子, 对蓝宝石单晶的开裂具有钉扎作用, 达到提高蓝宝石单晶常温力学性能的效果。但是过量石墨碳的掺杂会引起掺质的组分偏析, 晶体中出现碳包裹物, 从而导致晶体力学性能和光学性能的下降。

采用电子束蒸发法制备VSe₂薄膜并进行退火处理, 通过XRD、SEM、透过谱、Hall效应、电导率–温度关系等表征了薄膜的结构、形貌、光学和电学性质, 用半导体特性测试仪研究了VSe₂薄膜的背接触特性。结果表明: VSe₂薄膜在一定的退火温度下结晶并呈稳定的六方相, VSe₂薄膜为p型直接禁带跃迁材料, 光能隙约2.35 eV。将VSe₂作为背接触层应用于CdTe多晶薄膜太阳电池, 消除了roll-over现象, 有效提高了器件性能。

以CoFe₂O₄压磁体、掺CuO和CeO₂助烧剂的压电体Ba_0.85Ca_0.15Zr_0.1Ti_0.9O₃为基本叠层材料, 采用界面固相熔融渗透法制备了掺助烧剂Ba_0.85Ca_0.15Zr_0.1Ti_0.9O₃-CoFe₂O₄叠层复合陶瓷。叠层复合陶瓷的压电压磁相叠层界面结合良好。随着压磁相与压电相厚度比比率的增加, 叠层复合陶瓷的饱和磁致伸缩系数–λ从67×10^-6增加到134×10^-6、压电系数d₃₃从340 pC/N逐渐减小到205 pC/N; 磁电耦合系数先增大后减小, 在厚度比为2、外磁场为100 mT时得到最大值3200 mV/(cm·mT)。

采用传统陶瓷常压烧结工艺制备(0.996–x)KNN-0.004BM-xLS(x=0、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06)无铅压电陶瓷, 着重研究了LS的含量对(0.996–x)KNN-0.004BM-xLS陶瓷相结构和压电性能的影响。结果表明, 当x≤0.02时, 陶瓷具有单一的正交相结构; 当0.03≤x≤0.05时, 陶瓷具有正交相与四方相共存的过渡结构; 当x=0.06时, 陶瓷具有单一的四方相结构。陶瓷的MPB成分范围在0.03≤x≤0.05。随着LS含量的增加, 陶瓷材料的d₃₃和kp均先增加后减小, 当x=0.05时, 均达到最大值, 分别为230 pC/N和0.42; 陶瓷的T_o-t和T_c均向低温方向移动; 当x=0时, 陶瓷的T_o-t和T_c分别为455和215℃; 当x=0.02时, 陶瓷的T_o-t和T_c分别为385和150℃; 当x=0.06时, T_o-t和T_c分别降至370℃和75℃。

采用固相法制备了[(Na_xK(1–x))_0.985Bi_0.015](Nb_0.97Ti_0.03)O₃(x=0.40~0.65)无铅压电陶瓷, 研究了样品的物相结构、显微形貌、压电以及介电性能随x的变化规律。结果表明: 所有样品都具有钙钛矿结构并且居里温度T_C在   340~365℃范围内; 当x=0.40和x=0.65时, 样品为四方相结构; 在0.45≤x≤0.63范围内, 形成了典型的PPT(polymorphic phase transition), 样品表现出较高的压电活性。当x=0.60时, 样品的压电性能最佳(d₃₃=253 pC/N, k_p=0.43, T_C=359℃)。

设计了该压电纤维复合驱动器的结构, 包括叉指电极板、粘结层和压电纤维复合层三部分。采用排列–浇铸法制备了柔性的层状压电纤维复合驱动器。测试了铌锌锆钛酸铅(PZN-PZT)陶瓷的电学性能及力学性能, 理论推导了压电纤维复合材料的压电性能, 并采用基于LabVIEW的动态应变系统测试了驱动器的应变性能。结果表明, PZN-PZT陶瓷的压电常数d₃₃为520 pC/N, 居里温度T_c为320℃, 弹性柔顺系数s₃₃为20.5×10^–12 m²/N。压电纤维复合材料的理论压电常数为509 pC/N, 为–156 pC/N。在300 V正弦交变电压作用下, 驱动器可以产生100 με的纵向应变和58 με的横向应变, 即纵横向伸缩分别可达3.6和1.7 μm, 说明该驱动器具有较高的机电性能。

采用湿化学法–后续热处理技术, 合成了尖晶石型锰酸锂正极材料Li_1.035Mn_1.965O₄ 和Li_1.035Al_0.035Mn_1.930O₄。X射线衍射(XRD)结果表明这两种材料呈现出良好的尖晶石型结构。透射电子显微镜(TEM)表明Li_1.035Al_0.035Mn_1.930O₄材料具有很好的结晶态。充放电测试表明Li_1.035Al_0.035Mn_1.930O₄材料具有优良的循环性能和倍率性能: 以0.5C充放电, 经过100次循环后放电容量保持率为96.4%, 经过4C放电后仍然能够保持0.5C放电态容量的79.6%。

在180℃下通过改变K⁺与H⁺摩尔比使用水热法分别制备了δ-MnO₂, α-MnO₂和β-MnO₂ 纳米颗粒, K⁺与H⁺摩尔比分别为3.4、0.85和0.24。所合成的样品通过扫描电子显微镜(SEM), 粉末X射线衍射(XRD), 傅里叶变换红外光谱(FTIR), BET比表面分析, 热重分析(TG)和电化学方法表征。结果表明: K⁺与H⁺的浓度对产品的晶型、形貌以及比表面积有很大影响; 将这三种材料作为锌空电池的阴极材料时, δ-MnO₂与α-MnO₂的电化学性能明显优于β-MnO₂. 在–0.35 V下, δ-MnO₂、α-MnO₂和β-MnO₂的氧还原电流分别为56.28、56.01和40.88 mA/cm²。