二氧化钛/钛酸盐纳米材料的晶型、尺寸、形貌和微结构等特征对物理化学性能有着至关重要的影响。晶体生长过程包括晶型转变和形貌演化等行为。本文综述了近年来在二氧化钛/钛酸盐纳米粉体材料晶型与形貌的控制合成工作中, 材料晶型转变和形貌演化行为方面的研究进展。对奥斯特瓦尔德规则、奥斯特瓦尔德熟化机制、柯肯达尔效应和定向附着生长模式等重要的机理进行了阐述, 并将晶体生长机理应用于二氧化钛/钛酸盐纳米粉体材料的合成过程中。不仅利用上述晶体生长机理解释了不同晶型、不同形貌二氧化钛/钛酸盐纳米粉体材料的生成原因, 并且利用晶体生长机理指导二氧化钛/钛酸盐纳米粉体材料晶型与形貌的控制合成工作。

采用等离子体增强型原子层沉积(PEALD)系统原位掺杂制备了TiO_2-xN_x光催化剂。利用光电子能谱(XPS)、高分辨率透射电镜(HRTEM)、光致发光(PL)光谱和紫外–可见光(UV-Vis)光谱对催化剂进行了表征, 并研究了TiO_2-xN_x纳米薄膜在可见光照射下水接触角的变化和催化降解亚甲基橙(MO)溶液的性能。结果表明, 等离子体功率变化可以改变掺入氮原子的结构, 在功率为50 W时主要形成替换式氮原子, 含量约为1.22at%, 晶体为锐钛矿(101)型。结构无明显缺陷, 且掺杂后TiO_2-xN_x薄膜光生电子–空穴对复合率低, 有利于光催化效率的提高。该方法解决了传统ALD工艺制备TiO_2-xN_x光催化剂时容易形成氧空位的问题, 实现了TiO2-xNx纳米材料的可见光(λ<800 nm)吸收和可见光光催化性能。

用高温熔融法制备了Bi、Tm、Bi/Tm掺杂TiO₂-BaO-SiO₂-Ga₂O₃玻璃系统。在808 nm激光激发下, 与Tm单掺杂玻璃相比, Bi/Tm共掺玻璃中Tm³⁺的³H₄→³F₄跃迁荧光(~1485 nm)得到了显著的增强, 而Tm³⁺的³F₄→³H₆跃迁荧光(~1810 nm)减弱。在980 nm激光激发下, Tm单掺玻璃中没有观察到Tm离子的特征发光, 而在Bi/Tm共掺玻璃中观察到Tm³⁺的³F₄→³H₆跃迁荧光(~1810 nm)。这是由于在808和980 nm激光二极管(LD)各自激发下, Bi/Tm共掺玻璃中活性Bi离子的近红外发光能量传递给Tm³⁺, 分别产生³F₄→³H₄与³H₆→³H₅跃迁所致。采用Inokuti-Hirayama模型, 分析了该玻璃体系中Bi→Tm的能量传递机理。结果表明, Bi→Tm的能量传递属于电偶极–偶极相互作用。

以铜铟镓纳米金属氧化物为起始原料, 采用化学还原+固体硒源后硒化的方法在不锈钢表面制备出多晶Cu(In,Ga)Se₂ (CIGS)薄膜。采用场发射扫描电镜、高分辨透射电镜、能谱分析和X射线衍射等方法对制备过程中材料组成和结构的演变进行了研究, 采用霍尔效应测试仪和吸收光谱分析等对多晶CIGS薄膜的性能进行了表征。研究结果表明, 纳米金属氧化物主要含CuO、In₂O₃、Ga₂O₃和铜-铟、铜-镓二元合金氧化物等成分, 在还原反应中逐渐转变成Cu₁₁In₉、Cu₉In₄等产物, 同时薄膜中形成大量孔隙; 硒化过程中, 硒蒸气沿孔隙通道进入还原产物的晶格, 反应生成CIS和CGS, 从而形成具有黄铜矿结构的多晶CIGS薄膜; 多晶CIGS薄膜表面晶粒排列紧密, 属于p型半导体, 其载流子浓度为2.3×10¹⁵ cm^-3, 迁移率为217 cm²/(V·s), 电阻率为36 Ω·cm, 带隙宽度约为1.15 eV。

采用金属有机物分解法制备了不同K含量的弛豫型压电薄膜(1-x)Na_0.5Bi_0.5TiO_3-xK_0.5Bi_0.5TiO₃(NBT-KBT100x)。利用压电力显微镜研究了外场条件下纳米级铁电畴翻转, 以及保持性能和印记失效。结果表明: (1)不同组分中, NBT-KBT17薄膜单畴态的晶粒个数最多。选取NBT-KBT17薄膜分别测试了其面内极化分量和面外极化分量, 该薄膜的面内压电信号较强, 这说明薄膜在d₃₁模式下的压电响应明显。(2)选择NBT-KBT17薄膜中较大尺寸的单晶, 实现了对弛豫性铁电体的电畴写入。将其在大气环境下放置不同时间, 出现了退极化现象, 但总的畴态稳定, 表明其保持性能较好。(3)制备了NBT-KBT17原理型薄膜电容器, 分别测试了加载作用前后NBT-KBT17薄膜电容器的相位和振幅滞后回线图。结果表明外加作用力使相位回线向右发生了一定的移动, 且振幅的蝶形曲线均在不同方向上发生了偏移, 同时形状也发生了改变。最后, 利用空间电荷原理分析了外加力导致薄膜印记产生的机理。

采用EDTA-柠檬酸联合络合法制备了SrCo_1-xGa_xO_3-δ (x=0、0.1、0.2、0.3、0.4)系列阴极材料。通过 X 射线衍射、热膨胀测试、X 射线光电子能谱和电化学阻抗谱等方法对试样进行分析, 研究了Ga掺杂量对材料性能的影响。结果表明试样均为钙铁矿结构, 随着 Ga 含量的增加, 阴极粉体材料热膨胀系数、电导率和阴极材料表面的吸附氧逐渐减小。其中, SrCo_0.8Ga_0.2O_3-δ的面电阻最小, 600℃时为 0.73 Ω•cm², 以其为阴极的单电池在650℃的工作温度下的最大输出功率达 0.484 W/cm²。

吸附法是目前从低锂浓度的盐湖卤水中提取锂的最有前途的方法。采用EDTA-柠檬酸络合法制备了Li₄Mn₅O₁₂前驱体, 经酸浸脱锂后得到对Li⁺具有特殊选择性的锰氧化物锂离子筛。通过热重、XRD、SEM、FT-IR、化学组成、吸附动力学及共存金属离子的分配系数等手段对样品的晶相结构和Li⁺选择性吸附性能进行了研究。结果表明: 煅烧时间对Li₄Mn₅O₁₂前驱体生成有较大影响, 由400℃煅烧24 h所得的前驱体几乎为纯相的Li₄Mn₅O₁₂化合物, 经酸浸脱锂后的离子筛仍保持着与前驱体相同的尖晶石结构; 前驱体Li₄Mn₅O₁₂和离子筛MnO₂均为   200 nm左右的球状颗粒; 离子筛的最大吸附容量为43.1 mg/g, 并具有较好的Li⁺选择性。

以Ti(OC₄H₉)₄、CH₃COOLi·2H₂O和GeO₂为原料, 采用溶胶-凝胶法合成了尖晶石型Li₄Ti_5-xGe_xO₁₂(x=0、0.05、0.1、0.15)电极材料。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、充放电测试、循环伏安(CV)以及交流阻抗对材料进行结构、形貌及电化学性能表征。研究结果表明, 适量Ge⁴⁺掺杂不会改变Li₄Ti₅O₁₂的尖晶石结构, 但对其颗粒尺寸和形貌均产生影响。由于掺Ge⁴⁺后样品的颗粒尺寸减小, 使得Ge⁴⁺掺杂Li₄Ti₅O₁₂倍率性得到不同程度的提高。其中Li₄Ti_4.9Ge_0.1O₁₂显示出较好的倍率性和循环稳定性, 0.2C下的首次放电容量为172.43 mAh/g, 5C下循环100次后比容量为140.62 mAh/g, 容量保持率为97.3%。

以钼酸和氧化石墨烯为原料, 正十二硫醇为还原剂, 水热法反应后, 在氨气气氛中高温氮化处理, 制备出氮化钼/氮化石墨烯(MoN/NGS)复合材料。采用X射线衍射和扫描电子显微镜对材料进行了表征; 采用循环伏安法、恒流充放电和电化学交流阻抗研究了该材料用于锂离子电容器的性能。结果表明, MoN纳米颗粒良好地分散在NGS表面和层间, 在0.05 A/g的电流密度下质量比容量能达到422 F/g; 经过900次充放电循环后, 容量保持率在80%以上。当功率为3000 W/kg时, 能量密度仍保持在32.5 Wh/kg。这归因于复合材料中的NGS提供了有效的导电网络, 并且有效抑制了MoN颗粒的团聚, 复合材料的网络结构更有利于离子的快速传输与扩散。

以Co(NO₃)₂•6H₂O和胆酸钠溶液混合制备了超分子自组装凝胶纳米纤维, 以此凝胶纳米纤维为自模板,  NH₃•H₂O为沉淀剂, 在温和条件下制备了纳米α-Co(OH)₂。X射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)测试表征了其组成和微观结构。实验结果表明所得材料为纯相一维纳米纤维交错形成疏松网状结构的α-Co(OH)₂, 其直径在100~200 nm之间。用循环伏安和恒电流充放电等测试方法对α-Co(OH)₂电化学电容行为进行了研究, 结果表明: 所得α-Co(OH)₂在6 mol/L KOH溶液中, 0~0.5 V(vs Hg/HgO)电位范围内, 电流密度为1 A/g时, 其单电极比容量达到1200 F/g, 经过800周循环, 比容量稳定保持在初始容量的75%。其独特的纳米结构使其易于浸入电解液, 具有快速的电化学响应特性, 提高了电极材料的有效利用率, 这种自模板法为制备纳米电容器电极材料提供了简易的途径。

研究了磁性液体在有、无外加磁场作用时磁性液体中纳米磁性颗粒的微观排列结构, 发现无外加磁场作用时磁性颗粒随机均匀分布在载液中, 有外加均匀磁场作用时, 磁性颗粒沿磁场方向排列成均匀链状结构。当外加均匀磁场强度为11.1 kA/m, TEM照片清晰显示磁性颗粒排列成一条链状结构, 随着外加均匀磁场强度逐渐增强到28.6 kA/m, 更多磁性颗粒沿磁场方向紧密排列成链状结构。在外加梯度磁场作用下, 铁芯中心处磁场强度为28.7 kA/m时, 大量磁性颗粒聚集于线圈中心轴附近形成复杂链状团簇结构; 沿r轴方向磁场强度较弱的地方, 较少磁性颗粒排列成链状结构。当磁场梯度从1.73 kA/m²逐渐增加到5.11 kA/m²时, 磁场梯度轴线上的磁性颗粒团簇结构由稀疏逐渐变成为密集。磁场诱导磁性颗粒链状排列结构的研究对磁性液体在机械工程、生物工程、热力工程等领域的应用有重要意义。

采用硅烷偶联剂(KH550)和L-丙交酯LLA联合接枝处理的新方法对纳米羟基磷灰石(n–HA)进行表面改性, 然后将其与聚乳酸-羟基乙酸(PLGA)作不同比例复合(n-HA为3wt%、10wt%、20wt%及30wt%), 得到改性n-HA/PLGA复合材料(g-n-HA/PLGA)。将其与未改性n-HA及未改性n-HA/PLGA复合材料作对比检测。结果表明, 该联合处理方法是n-HA进行表面接枝改性的新型有效方法。且改性处理后的n-HA与未改性处理的n-HA相比, 能更好地在PLGA基体中分散均匀, 并能提高PLGA结晶能力和PLGA的力学性能。当改性处理后的n-HA添加量为10wt%时, 其复合材料抗弯强度和拉伸强度分别比未改性n-HA/PLGA提高14.4%和11.3%。该新型g-n-HA/PLGA复合材料有望用作骨折固定材料。

实验以高含氢硅油(H-PSO)为原料, 在石墨材料表面制备SiC晶须, 利用“正交试验法”以结晶率为指标, 研究热处理温度(T)、保温时间(t)、保护性气氛流量(f)和基体孔隙率(P)这四个因素对SiC晶须生成的影响。通过扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱及X射线衍射等测试手段, 分析了SiC晶须形貌及结构特点。实验结果表明, 热处理温度是影响SiC晶须生成最重要的因素, 其影响程度远远大于其他参数, 其次是气流量、孔隙率和保温时间。安全流量范围内, 较高的气流量使SiC晶须生成反应充分进行; 较小的孔隙率有利于SiC晶核的长大; 高的热处理温度及长的保温时间能促进SiC晶须的继续生长。SiC晶须是以SiC晶相为核, 以硅的氧化物为壳的核壳结构。

采用stöber法制备出单分散氧化硅小球, 并以此为模板, 结合先驱体转化技术成功制备出C/SiC复合材料纳米有序多孔陶瓷接头, 并对该接头制备工艺条件作了优化。对制备出的C/SiC多孔陶瓷接头分别采用先连后浸法(SJM)和直接浸渍法(DSM)进行了连接。结果显示, 两种方法连接的连接件的抗弯强度分别达82.4和20.5 MPa, 表明C/SiC多孔陶瓷接头采用SJM连接较好。

采用磁控溅射仪制备了一系列不同V含量的TaVN复合膜, 利用X射线衍射仪研究复合膜以及磨痕的相组成, 利用纳米压痕仪表征复合膜的硬度, 采用高温摩擦磨损实验机研究了复合膜的室温和高温摩擦性能。结果表明: TaVN复合膜的微结构为面心立方结构, 随着V含量的增加, 衍射峰择优取向由(200)转变为(111); TaVN薄膜的显微硬度随着V含量增加, 先增加后降低, 在V含量为18.25at%时, 显微硬度达到最大值, 为32.3 GPa; 在常温下, TaVN复合膜的摩擦系数随着V含量的增加而降低; 当温度从室温升高到800℃, 薄膜的摩擦系数先升高后降低。采用晶体化学理论讨论了TaVN复合膜和TaN单层膜在高温下的摩擦机理。

在316L不锈钢上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法沉积了氧化铝涂层。使用XRD、SEM分析氧化铝涂层的物相和微观形貌, 采用气相氢渗透装置对涂层氢渗透行为进行表征。结果表明, 973 K退火处理后涂层为非晶氧化铝, 涂层均匀、完整, 厚度为190 nm。氧化铝涂层的氢渗透压力指数为0.56~0.78, 说明氢渗透过程机制为表面过程和体扩散过程共同控制。氧化铝涂层的表观氢渗透率为P = 1.99×10^-6 exp(-117×10³/RT) mol/(m·s·Pa^1/2)。氧化铝涂层的氢渗透激活能为117 kJ/mol, 远高于316L不锈钢的66.6 kJ/mol, 涂层对氢的渗透具有明显的阻挡作用。此外, 在873~973 K氧化铝涂层对316L不锈钢的氢渗透阻挡因子(PRF)为59~119, 涂层氢渗透阻挡性能优异。

研究了以超重力熔铸方法制备的Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂玻璃的晶化行为, 并结合相图分析了热处理条件对晶化过程的影响规律。实验结果表明, Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂玻璃的晶化行为与热处理温度和SiO₂含量密切相关。当热处理温度为1050℃时, 晶化后样品的相组成沿超重力场方向呈现出梯度分布, 自上而下分别为Al₆Si₂O₁₃玻璃陶瓷、纯玻璃相、χ-Al₂O₃玻璃陶瓷。当退火温度为1100℃时, 析出晶相主要为Y₃Al₅O₁₂及Y₂Si₂O₇; 退火温度为1200℃时主要析出Y₃Al₅O₁₂。因此, 以超重力熔铸法制备YAS玻璃结合后续热处理的工艺, 提供了一种快速制备YAS基微晶玻璃的新方法。

采用溶胶-凝胶法在玻璃表面制备出ZrO₂-SiO₂薄膜, 然后通过离子交换形成镀膜增强玻璃, 研究了薄膜组成对离子交换增强玻璃的力学和光学性能的影响。利用紫外可见分光光度计、激光椭偏仪、纳米压痕、三点抗弯和能谱(EDX)分析了薄膜结构及性能。结果表明: 所有薄膜均连续均匀, 纯ZrO₂薄膜为四方相结构, 含Si薄膜为无定形结构; 薄膜具有较高弹性恢复率(>60%)以及H/E比(>0.1), 有利于强度增强; 随Si含量增加, 可见光透过率增大, 但表面硬度和杨氏模量随之降低; 0.5ZrO₂-0.5SiO₂薄膜综合性能最佳: 表面硬度为18 GPa, 抗弯强度为393 MPa, 厚度~45 nm时可见光透过率大于85%。

成功制备了一种新型多层隔热材料, 其间隔层基于氧化铝纤维制备, 并由溶胶-凝胶法植入二氧化硅气凝胶颗粒。在高真空环境下(10^-3 Pa), 新型多层隔热材料当量热导率比传统材料低21.8%, 同时重量比传统材料降低了67.2%。此外, 这种新型多层隔热材料在1200 K的高温以及低真空条件下(100 Pa)也表现出良好的隔热性能。