双读出量能器是一种全新设计的高能粒子探测装置, 它能同时测量到Cherenkov光和闪烁光, 因而能更全面地获得高能粒子的信息。目前, 双读出量能器主要有三种设计方式: (1)采用石英纤维产生Cherenkov光, 塑料闪烁纤维生成闪烁光; (2)分别以未掺杂的晶体纤维作为Cherenkov辐射体、Ce掺杂的同种晶体纤维作为闪烁体; (3)采用同种闪烁晶体有效分离Cherenkov光和闪烁光。第三种设计可以消除取样涨落、提高量能器的分辨率, 因而备受关注。本文基于第三种设计方式探讨了钨酸铅(PbWO₄)、锗酸铋(Bi₄Ge₃O₁₂)、硅酸铋(Bi₄Si₃O₁₂)和镥铝石榴石(Lu₃Al₅O₁₂)四种。闪烁晶体在双读出量能器方面的研究进展和可能的应用。Pr掺杂PWO晶体以及硅酸铋晶体都有可能用于双读出量能器, 而后者由于吸收边比锗酸铋更短, 更易于分离Cherenkov光和闪烁光, 在双读出量能器应用方面显示出明显的优势。稀土离子掺杂有望进一步提高硅酸铋晶体的性能, 开发出更适合双读出应用的闪烁材料。

以ZrB₂-SiC-ZrC复相超高温陶瓷为研究对象, 对X射线衍射的K值法、二次电子像结合背散射电子像、电子背散射衍射结合能谱面扫描三种相组成的定量分析方法进行了比较, 结果显示K值法使用简单、方便; SEM的两种定量方法不仅可以定量分析相组成, 还能反映相分布与相关系。三种定量方法的结果较一致, 均显示该复相陶瓷实际相组成远远偏离反应烧结设计相组成, 其中, ZrO₂杂质相实际含量多于5vol%, ZrC相含量远低于理论值5vol%, K值法显示其含量甚至低于1vol%。相组成的定量分析为进一步开展微结构研究及复合材料设计提供了必要的技术基础。

利用热压烧结方法原位合成了TiB₂-TiC_0.8-SiC复相陶瓷。通过光学显微镜(OM)、X射线衍射分析仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对材料物相组成和微观结构进行表征。研究了热压条件下烧结温度对材料物相组成、结构及力学性能的影响。结果表明: 烧结温度在1700~1950℃范围内, 随着温度的升高, 材料的致密度、抗弯强度和断裂韧性都有显著改善。烧结温度为1900℃可得到完全致密的原位合成TiB₂-TiC_0.8-SiC复相陶瓷, 材料的晶粒发育比较完善, 条状TiB₂和块状TiC_0.8晶粒清晰可见。复合材料的维氏硬度、断裂韧性和弯曲强度分别达到23.6 GPa, (7.0±1.0) MPa·m^1/2和470.9 MPa。当温度达到1950℃时, 由于增强相TiB₂晶粒长大, 材料的强度降低。TiB₂、TiC_0.8与SiC颗粒协同, 通过裂纹偏转、晶粒拔出、晶粒细化等机制对复合材料起到颗粒增强增韧的作用。

采用FAPAS法制备AlMgB₁₄预反应粉, 将其与TiB₂粉混合, 在烧结温度1500℃, 轴向压力60 MPa, 升温速度100 ℃/min、保温时间15 min条件下制备了具有较理想组织结构的AlMgB₁₄-30wt%TiB₂复合材料。通过HRTEM、SEM和EDS对AlMgB₁₄-30wt%TiB₂的微观结构进行表征, 研究结果表明: AlMgB₁₄-30wt%TiB₂复合材料的显微硬度31.5 GPa, 断裂韧性K_1C值可达到3.65 MPa·m^1/2, 与机械合金化/单轴热压法制备的结果一致。并从微观结构分析了AlMgB₁₄-TiB₂复合材料的增韧机制主要来源于TiB₂增强相与基体间形成高强结合界面。FAPAS法为AlMgB₁₄基复合材料的制备开拓了低成本高效的新途径。

实验证实了可以使用液相前驱体浸渗技术来均匀引入添加剂和制备半透明氧化铝陶瓷。首先在不同的浸渗条件下使用硝酸钇的水溶液浸渗了预烧的氧化铝坯体。通过线扫描表征了沿坯体厚度方向上的钇元素分布情况, 发现当试样厚度更小, 溶液浓度更低时, 钇元素分布更加均匀, 而且引入量的调控也更为精确。通过假设气孔被溶液完全填充, 提出了预测浸渗引入理论量的公式。最后使用浸渗方法制备了透明氧化铝陶瓷, 发现与球磨制备的样品相比, 浸渗制备的材料显微组织更为均匀, 透光性能也更好。

本研究利用小功率微弧氧化电源, 通过内充液式管状阴极的逐行扫描, 在2024铝合金样件表面生成微弧氧化陶瓷膜层, 对样件的局部受损部位进行了成功的修复, 从而突破了传统微弧氧化技术不能用于铝合金构件现场局部防护与修复的限制; 利用XRD、SEM、EDS等分析方法对陶瓷膜层的相组成与微观组织形貌进行了研究。利用纳米压痕仪测试了陶瓷膜层的纳米压痕硬度和弹性模量, 用动电位极化曲线测试陶瓷膜层的耐腐蚀性能。结果表明: 在恒电流模式下, 扫描式微弧氧化电压快速升高, 直接进入微弧放电阶段。其一次扫描成膜层厚度17 μm, 相对于传统微弧氧化具有很高的成膜效率。铝合金扫描式微弧氧化陶瓷膜层主要由α-Al₂O₃和γ-Al₂O₃组成, 膜层分为致密层和疏松层, 表面多微孔, 且有微裂纹; 纳米压痕测试结果表明, 陶瓷膜层纳米压痕硬度和弹性模量沿界面向外呈现先增加后减小的变化趋势。动电位极化曲线表明, 扫描式和传统微弧氧化陶瓷膜层都能够对基体起到有效的腐蚀防护作用, 传统微弧氧化陶瓷膜层的腐蚀防护作用高于扫描式。

以铬渣为基本原料, 采用水热合成法制备了复合薄膜, 对样品进行了SEM、ICP、XRD、FT-IR及薄膜厚度表征分析, 以薄膜的折射率和反射率为对比参数, 研究了水热反应初始pH对薄膜的影响。研究结果表明, 当水热反应初始pH达11以上时, 薄膜表面呈现完美的空间三维立体网状结构; 当水热反应的pH为9、10时, 样品中形成了Al₂O₃、Fe₂O₃、Fe(OH)₃、Cr₂O₃、AlO(OH)和MgO晶体, 且其衍射峰较强; 样品内部纳米颗粒间存在毛细孔水和表面吸附水, 水热体系内的碱性基团促进膜物质与基底间形成化学键力的结合。薄膜越厚, 其折射率越小, 水热反应pH为11时, 薄膜最薄, 折射率最大; 水热反应的初始pH为12时制备的薄膜对紫外光反射率低于玻璃基底, 水热反应的初始pH为11时制备的薄膜对可见光的反射率小于玻璃基底。

采用相转化/高温烧结技术方法制备了多孔钇稳定氧化锆(YSZ)中空纤维膜, 中空纤维膜的外径1.92 mm, 壁厚为0.21 mm。SEM分析表明: 纤维膜为典型的三明治结构, 靠近膜内外表面为指状孔, 中间区域为海绵状层。采用阿基米德法测得其孔隙率为54%。用泡点法测得其平均孔径为0.56 μm。通过表面接枝氟硅烷将其亲水性的表面改变为疏水性。真空式膜蒸馏实验表明YSZ中空纤维膜具有优异的盐水淡化性能。当膜的外侧与温度为80℃、浓度为4wt%的循环盐水接触, 膜的内侧用真空泵抽至4×10³ Pa时, 膜的水渗透通量高达48.3 L/(m²•h), 脱盐率大于99.7%。

细菌纤维素在一定温度下碳化, 得到一种三维网状结构的纳米碳化纤维(CBC), 利用X射线衍射仪、拉曼光谱仪和透射电子显微镜对这种新型碳纤维进行了分析表征。将 CBC与石蜡按一定比例复合, 采用矢量网络分析仪在0.1~18 GHz 范围处测试了其电磁参数, 发现此复合材料具有较大的介电常数实部和虚部, 特别是在频率较低时, 具有很大的介电损耗。将少量 CBC 与Fe₃O₄ 纳米颗粒复合, 可极大地改善磁性颗粒的微波吸收性能, 当样品厚度为1.2 mm时, 反射损耗(RL)最小值从-2 dB 降至-21 dB。

采用化学接枝法原位合成了石墨烯接枝聚吡咯复合物, 对复合物的结构、形貌、导电率以及比电容值进行了测试和表征。结果表明制备的石墨烯接枝聚吡咯复合物中, 石墨烯与吡咯单体间产生了紧密的化学键结合, 吡咯在石墨烯层片上均匀分布, 石墨烯片层间的吡咯大量成链并与石墨烯层片相互连接, 测得复合物的电导率为3.32 S/cm, 比电容值可以达到284 F/g, 相比于纯聚吡咯的186 F/g的比电容值提高了52%, 具有优异的电容特性。

La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O_x(LSGM)粉体在1000~1500℃烧结4 h得到不同LSGM样品, 对各样品进行了各项物理和电学特性测试。结果表明, 样品的线收缩率和相对密度随烧结温度的升高而增加, 1500℃烧结4 h的样品达到最大的线收缩率和相对密度, 分别为24.8%和97%。1250~1500℃烧结4 h样品物相单一, 结晶良好, 1000℃烧结4 h的样品则存在较多杂相。各样品的电导率随测试温度升高而增大, 1400℃烧结4 h的样品在各测试温度下都具有最大的电导率, 800℃时, 其电导率约为0.093 S/cm。在此研究基础上, 采用丝网印刷技术制备了基于LSGM的小孔扩散型极限电流氧传感器, 并测得其I-V特性曲线和时间响应特性。结果显示, 该传感器的I-V曲线存在较好的极限电流平台, 且极限电流和氧浓度之间存在良好的线性关系。响应和恢复时间较短, 分别为10~15 s和15~20 s, 重复性较好。

以月桂酸为碳源, 磷酸三丁酯为反应物和络合剂, 采用溶胶-凝胶法合成了LiMnPO₄/C锂离子电池复合正极材料。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对其晶体结构和微观形貌进行表征。结果表明, 在700℃下焙烧制备的材料为结晶良好的纯相橄榄石结构; 具有类球形微米级大颗粒形貌, 由粒径50~100 nm的小颗粒堆积而成, 小颗粒表面包覆一层较均匀的碳层。循环伏安曲线和充放电测试表明, LiMnPO₄/C复合材料具有优良的电化学性能。在室温0.05C和0.5C倍率下, 首次放电容量分别为141和113 mAh/g, 并具有良好的循环稳定性和高低温充放电性能。

在硅基太阳能电池表面制备减反层可以有效降低硅表面的反射率, 提高吸收率, 从而提高硅基太阳能电池的光电转换效率。本研究利用四甲基氢氧化铵(Tetramethyl Ammonium Hydroxide TMAH)溶液对(100)单晶硅进行各向异性腐蚀, 在表面腐蚀出金字塔结构, 得到了最低为6%左右的反射率。然后采用水热法在该衬底生长氧化锌纳米棒, 得到了最低小于3%的反射率, 比单采用腐蚀或者ZnO纳米棒生长的硅表面的反射率更低。这种减反方法工艺简单、高效, 有望得到应用。

采用氢气还原纳米TiO₂粉体制备了Ti₃O₅粉体, 采用FTIR、XRD、SEM、UV-Vis等对原料及产物进行了表征。结果表明: 加大通氢流量有利于还原反应的进行; 以氧化硅包覆的纳米TiO₂粉体(金红石型)为原料, 1150℃下氢气还原1 h可合成单一物相组成的λ-Ti₃O₅粉体。对比自制未包覆处理的纳米TiO₂, TiO₂粉体的氧化硅包覆处理有利于λ-Ti₃O₅的形成; λ-Ti₃O₅与β-Ti₃O₅有较高的光学对比度, 室温下, 经适当的纳秒脉冲激光(532 nm, 20 ns)处理, λ-Ti₃O₅会向β-Ti₃O₅发生转变, 表现出较好的光存储性能。

本研究采用阳极氧化法在金属钛箔上制备TiO₂纳米管阵列, 并用直流电沉积在退火后的TiO₂纳米管内部填充CdS。用扫描电子显微镜(SEM)及电子能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)对TiO₂/CdS异质结进行表征, 结果显示, TiO₂/CdS同轴核壳结构有序规整排列, 孔径大小均一, Cd、S两种元素化学配比接近1:1。450℃空气退火后的TiO₂是锐钛矿型, 沉积的CdS为六方相。对TiO₂纳米管和TiO₂/CdS异质结分别进行了紫外-可见吸收光谱和紫外光下光催化降解甲基橙染料的性能测试。结果表明, 复合后TiO₂的吸收边出现了明显的红移; TiO₂/CdS催化降解甲基橙的降解率最高达99.4%, 与纯TiO₂相比TiO₂/CdS的光催化活性明显提高。

采用溶胶-凝胶法, 用乙二醇甲醚作溶剂溶解Bi(NO₃)₃、Fe(NO₃)₃和La(NO₃)₃制备前体溶液, 通过化学溶液沉积法在FTO导电玻璃基板上合成La³⁺掺杂的BiFeO₃(BFO)薄膜, 并研究了La³⁺掺杂对BiFeO₃的能带及其光伏性能的影响。BiFeO₃薄膜呈多晶钙钛矿结构, 且随着La³⁺掺杂量的增加, BiFeO₃的晶格常数依次递减。掺杂10% La³⁺的BiFeO₃的能隙比未掺杂时稍有减小, 为2.71 eV, 随着La³⁺掺杂量的增加, BiFeO₃的能隙增加到2.76 eV。采用改良法制备的La³⁺的掺杂量为10%的BiFeO₃薄膜的最大开路电压为0.4 V, 具有良好的光伏性能。

采用固相法制备了Ba_0.9175Ca_0.08Nd_0.0025(Zr_0.18Ti_0.8175-xY_xMn_0.0025)O₃ (BCZT-Y, x=0、0.5mol%、0.75mol%、1.0mol%、 1.5mol% 、2.0mol%)铁电陶瓷, 研究了不同Y³⁺掺杂量对该铁电陶瓷结构与介电性能的影响。结果表明: 随着Y³⁺掺杂量增加, Y³⁺进入晶格, BCZT-Y陶瓷的密度从4.029 g/cm³增加到6.058 g/cm³; 同时介电峰压低并展宽, 居里温度向低温方向移动, 表现出明显的铁电体弛豫特征, 采用Lorenz型公式对该实验结果进行拟合验证,发现随着Y³⁺掺杂量增加, 电滞回线变窄变斜、回线面积大幅减小, 剩余极化强度和矫顽电场降低。

采用固相反应法制备了Y掺杂 (Ba_0.6Sr_0.3Ca_0.1)_1-xY_xTi_0.999Mn_0.001O₃ (0≤x≤0.007)陶瓷, 重点研究了Y含量对BSCT基陶瓷的显微结构、介电性能和热释电性能的影响。结果表明: 随着Y含量的增加, BSCY_xTM陶瓷的平均晶粒尺寸逐渐减小, 介电常数、介电损耗、居里温度和热释电系数均呈现先增加后减小的趋势。当Y掺杂量为0.7mol%时, BSCY_xTM陶瓷的平均晶粒尺寸最小为3.1 μm, 且探测优值F_d较大, 最大值可达8.22×10^-5 Pa^-1/2(700 V/mm, 30℃), 高于采用溶胶-凝胶法制备的同组分陶瓷的探测优值5.91×10^-5 Pa^-1/2。

采用环氧树脂胶黏剂作为粘结剂, 通过一种简单的模压方法, 在5 MPa压力下常温固化, 制备了一系列Al₂O₃/steel-epoxy层状复合陶瓷材料。结果显示, Al₂O₃/epoxy界面和steel/epoxy界面结合紧密。相比于氧化铝薄片, Al₂O₃/steel-epoxy层状复合陶瓷材料强度差别不大, 但具有更高的断裂韧性、冲击韧性和断裂吸收能。裂纹扩展分析认为层状复合材料断裂韧性和能量吸收的提高主要得益于裂纹尖端钝化和捕获、裂纹桥连、层间脱粘和steel-epoxy层的塑性变形等机制。