铋层状结构铁电体 (BLSF) 作为一种类钙钛矿无铅铁电压电材料, 由于其在高温、高频以及非易失性铁电随机存储器等领域具有突出的综合优势, 因而受到广泛关注。本文以BLSF的综合特征为基础, 对其结构设计和微结构研究中存在的问题进行了详细探讨, 并重点总结了近二十年来其在性能优化和薄膜制备中取得的进展。此外, 本文还对一些以铁电为背景的新的研究方向做了介绍。最后提出了BLSF在未来发展中值得关注的几个重要问题。

“薄、宽、轻、强”已经不能完全满足新型武器装备对雷达吸波材料提出的耐高温、抗氧化、高强度及高韧性等新要求。高温雷达吸波材料受到广泛关注, 本文首先综述了C、ZnO、SiC三类高温吸收剂研究现状, 主要介绍了它们吸波性能改进途径及电磁参数的温度响应机理; 然后对比了涂覆型与结构型高温吸波材料的特点; 在此基础上, 阐述了连续纤维增强陶瓷基复合材料作为高温结构吸波材料的优势、研究现状及存在的问题; 最后, 提出了高温吸波材料未来潜在的发展方向。

利用氧化石墨的吸附性能将Fe³⁺和Co²⁺吸附到氧化石墨层间制备出Fe³⁺Co²⁺/氧化石墨复合物, 再通过氢气还原制备出纳米铁钴合金/石墨复合材料, 采用XRD和SEM以及磁滞回线测试等手段对其晶体结构、微观形貌以及磁学性能进行表征, 探讨了FeCo合金含量对其微波吸收性能的影响。结果表明: 所制备的产物为石墨和纳米FeCo合金颗粒组成的二元复合材料, FeCo合金分散在石墨表面和层间, 粒径为30~150 nm。纳米铁钴合金/石墨复合材料是典型的软磁性材料, 饱和磁化强度随FeCo合金含量的减小而降低。随着FeCo合金含量的减少, 纳米FeCo/石墨复合材料的介电损耗逐渐增加, 磁损耗逐渐减小。FeCo合金含量适当时, 介电损耗和磁损耗的协同作用使复合材料具有较好的微波吸收性能。

采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)制备了多孔SiO₂薄膜, 系统地研究了不同浓度磷酸处理对多孔SiO₂薄膜的质子导电特性、双电层电容和以此多孔SiO₂薄膜为栅介质的铟锌氧(IZO)双电层薄膜晶体管性能的影响。结果表明: 多孔SiO₂薄膜的质子电导率和双电层电容随磷酸浓度升高而增大, 60%浓度磷酸处理后多孔SiO₂薄膜质子电导率和双电层电容分别达到1.51×10^-4 S/cm和6.33 μF/cm²。随磷酸浓度升高, 双电层薄膜晶体管的工作电压降低, 并且, 电流开关比也变大。其中60%浓度磷酸处理后器件工作电压为1.2 V, 迁移率为20 cm²/(V·s), 电流开关比为4×10⁶。这种双电层薄膜晶体管有望应用在化学和生物传感等领域。

采用溶剂热法, 以CuCl₂·2H₂O、Zn(Ac)₂·2H₂O、SnCl₄·5H₂O作金属源, 硫脲作硫源, 乙二醇作溶剂, PVP作表面活性剂, 制备了Cu₂ZnSnS₄(CZTS)粉末。利用XRD、SEM、Raman、TEM、EDS、UV-Vis吸收光谱探讨了反应温度和反应时间对制备CZTS粉末的相结构、成分、形貌以及光学性能的影响。结果表明: 反应温度和反应时间对CZTS粉末的颗粒形貌和光学性能影响较大, 最佳合成温度为230℃, 反应时间24 h。该条件下生成的CZTS粉末相较为纯净、结晶完全, 形貌为表面嵌有薄片的微球, 各元素原子比接近化学计量比, 光学带隙为1.52 eV, 与太阳能电池所需的最佳带隙接近。并对其形成机理进行了初步探讨。

采用磁控溅射方法, 在H₂/Ar混合气氛下制备了GZO薄膜和在Ar气氛下制备了GZO/Cu/GZO多层结构薄膜, 分别研究了H2流量和Cu层厚度对薄膜透明导电性能的影响。在此基础上, 在H₂/Ar混合气氛下制备了GZO/Cu/GZO多层结构薄膜, 对Cu层厚度对其性能的影响进行了研究。结果表明, 沉积气氛中引入H₂能有效降低GZO薄膜的电阻率而提高其透光率, 在H₂流量为20 sccm时GZO薄膜具有最佳性能。随着Cu厚度的增加, GZO/Cu/GZO多层结构薄膜的电阻率和平均透过率显著下降。在H₂/Ar混合气氛下制备的氢化GZO/Cu/GZO多层结构薄膜的电阻率普遍低于Ar气氛下制备的GZO/Cu/GZO多层结构薄膜, 但其透光率却随Cu层厚度的增加而显著降低。另外, 薄膜的禁带宽度随H₂流量的增加而增加, 随Cu层厚度的增加而减小。

采用两步法制备硼化钨陶瓷, 首先将硼粉与钨粉按一定比例混合, 在高温下合成硼化钨粉体, 再以此为原料采用冷压和高温烧结制备硼化钨陶瓷。研究硼钨比例对合成粉体物相组成的影响, 以及烧结温度对硼化钨陶瓷微观结构及力学性能的影响。研究结果表明: 硼钨摩尔比为2.5时, 可以得到纯度较高的WB₂粉体。随着烧结温度的升高, WB₂陶瓷的显气孔率减小, 相对密度增加, 材料的抗弯强度与显微硬度明显增大, 当烧结温度达到1800℃时, WB₂陶瓷的开口孔隙率为5.2%, 相对密度86.0%, 抗弯强度72 MPa, 显微硬度2088.5 MPa。WB₂陶瓷的断裂行为也从沿晶断裂转变为穿晶断裂模式。

以BN、SiO₂、AlN为原料, 采用热压工艺制备出BN基复合陶瓷。研究了AlN添加量对复合陶瓷热学与抗热震性能的影响。结果表明: 随着AlN添加量的增加, 复合陶瓷的热膨胀系数呈现先降低后升高的趋势。当AlN的添加量为5vol%时, 复合陶瓷的平均热膨胀系数最小, 为2.22×10^-6/K; 复合陶瓷的热导率则随着AlN添加量的增加呈先升高后降低的趋势, 当AlN的添加量为10vol%时达到最大值。未添加AlN的复合陶瓷热震后的残余强度随着热震温差的增大而升高; 随着AlN的引入, 复合陶瓷热震后的残余强度呈下降的趋势。对于添加5vol%AlN的复合陶瓷, 经1100℃热震后其残余强度为219.7 MPa, 强度保持率为88.9%, 抗热震性良好。

本研究以γ-AlOOH、TiO₂和SiC为原料, 通过无压反应烧结制备了Al₂TiO₅多孔材料, 分析比较了SiC粒度和含量对合成产物的物相组成、显微组织、抗压强度、孔隙率和孔径分布的影响。结果表明: 反应产物的物相组成为Al₂TiO₅、Al₆Si2O₁₃、TiC、SiO₂和Al₂O₃, 还有少量未反应的TiO₂。SiC与TiO₂反应生成TiC和SiO₂, TiC颗粒弥散分布于多孔材料壁面或者骨架中, 而SiO₂进一步与γ-AlOOH分解出的Al2O3反应生成Al₆Si₂O₁₃晶须, 晶须交错分布于Al₂TiO₅颗粒之间或者孔洞中, 与TiC颗粒一起提高复合材料的抗压强度, 特别是采用小粒径SiC时, 对抗压强度的改善效果更加显著; 添加大粒径SiC后, 改变原有颗粒堆积状态, 可提高复合材料的孔隙率。但当SiC含量超过5wt%时, 因为生成较多低熔点的SiO₂, 部分填充于多孔材料的孔隙中, 部分则分布于Al₂TiO₅晶粒之间, 既减小孔隙率, 又降低晶粒间结合强度和试样的抗压强度。

实验制备了MgAl-TPN-十二烷基磺酸钠-层状双金属氢氧化物(MgAl-TPN-SDS-LDHs, 以下简称TPN-SDS-LDHs)纳米杂化物, 在醇酸树脂涂层中实现了缓慢且持续释放, 提高了TPN的防霉持久性。采用十二烷基磺酸钠(SDS)将非离子型、难溶性有机防霉剂2,4,5,6-四氯-1,3-苯二甲腈(TPN)包裹成阴离子表面活性剂胶束, 然后利用共沉淀法插层到MgAl-LDHs主体层间。利用X射线衍射、傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和紫外?可见吸收光谱进行表征。结果表明: TPN插层成功, 在杂化物中的载药量为34.49%, 杂化物呈典型层状形貌。在乙酸丁酯中该纳米杂化物缓慢释放, 符合准二级动力学方程。将TPN-SDS-LDHs纳米杂化物应用于醇酸树脂涂层中并进行霉菌试验, 结果表明添加TPN-SDS-LDHs纳米杂化物涂层的防霉持久性能优于添加TPN涂层。

高能量耗散密度材料的研发是防护工程领域的研究热点。纳米多孔材料具有超大的比表面积, 其与液体的相互作用能够耗散大量外界能量, 因此在车辆碰撞安全等领域具有出色的应用前景。本研究选取ZSM-5沸石/NaCl溶液系统, 通过准静态实验研究该系统的能量耗散行为, 并阐明其机理, 同时参数化地研究了沸石的前处理温度(600~1100℃)及溶液的NaCl浓度(0~2 mol/kg)对系统能量耗散性能的影响。结果表明: 该系统在准静态加载条件下具有较高的能量耗散密度, 达到12 J/g, 且可重复使用; 该系统的工作性能可在较大范围内调节, 其能量耗散密度与沸石前处理温度正相关, 与NaCl浓度负相关; 其工作压强与沸石前处理温度及NaCl浓度均正相关。本研究为开发智能、可控和高效的能量耗散系统提供了必要的基础理论与实验依据。

研究了MgAl水滑石(LDH)焙烧产物(LDO)对Cr(VI)的吸附性能。考察了吸附温度对LDO吸附性能的影响, 研究了吸附过程的热力学和动力学行为。结合XRD和FT-IR表征, 阐明其吸附机理。结果表明, CrO₄^2–已成功插入水滑石层间, 适当提高吸附温度有利于LDO恢复LDH晶相。在20~60℃范围内, 随吸附温度升高, LDO对Cr(VI)吸附量增大, 50~60℃时, Cr(VI)吸附量为91 mg/g。Cr(VI)的吸附平衡数据符合Langmuir模型方程, ΔG_o为负值说明吸附过程为自发过程, ΔS_o和ΔH_o为正值表明吸附为熵增的吸热过程。吸附动力学符合伪二级动力学模型, LDO 的吸附活化能为20.04 kJ/mol, 表现为扩散控制的活性化学吸附过程。

采用真空烧结固相反应法, 分别制备了不添加和添加烧结助剂(正硅酸乙酯TEOS和MgO)的Pr:LuAG ( Pr: Lu₃Al₅O₁₂)陶瓷, 研究发现添加烧结助剂烧制的Pr:LuAG陶瓷在可见光区的直线透过率可达～80%, 不添加烧结助剂的陶瓷光学透过率降低(可见光区~70%, 2 mm厚), 但光输出提高了5倍(为1196 pe/MeV), 衰减快分量比例可达73%, 能量分辨率8.4%。将Pr:LuAG陶瓷加工成1.9 mm×1.9 mm×1.0 mm的陶瓷阵列组装探测器模块, 用4×4陶瓷阵列单元实现了二维散点图成像, 所成散点图清晰可辨。经过平台测试, 相同耦合条件下本实验制备的Pr:LuAG陶瓷成像质量优于商用BGO (Bi₄Ge₃O₁₂)单晶, 结果显示Pr:LuAG陶瓷有望应用于PET (Positron Emission Tomography) 级别核医学成像系统。

采用石墨还原法成功制备了烧绿石型富氧相Ce₂Zr₂O₈, 选用缺氧型烧绿石Nd₂Zr₂O₇作为Ce₂Zr₂O₈相前驱体CeZrO_3.5的替代物与之进行结构对比分析。实验结果表明: Ce₂Zr₂O₈相中富余氧主要占据前驱体中的氧空位, 且氧离子扩散不会破坏原本有序排列的阳离子(Ce/Zr)亚点阵; 同时, Ce₂Zr₂O₈相中Zr-O 配位体由前驱体中共顶联接的八面体转变为共棱联接的立方体, 其反相畴界密度和振动光谱谱带亦较前驱体明显提高。以上结果说明Ce₂Zr₂O₈相结构处于亚稳态, 该结构特征有利于氧离子的快速吸附或释放, 这为其成为汽车尾气净化剂提供了结构上的可行性, 但也说明当An₂Zr₂O₇烧绿石在自辐照条件下向富氧相An₂Zr₂O₈发生转变时, 其抗辐照和化学稳定等性能有下降趋势。

采用水凝胶空间网孔结构作为纳米级反应容器可控制备了NaYF₄:Yb³⁺, Er³⁺稀土上转换发光纳米颗粒。通过控制交联剂密度可以改变网络凝胶网孔结构, 用不同网孔结构的凝胶模板可以控制合成纳米颗粒。通过XRD、TEM、PL等方法研究了不同凝胶模板对颗粒的尺寸、发光性能的影响。结果表明, 利用高分子交联后形成的凝胶网络, 可以制得粒径在10 nm左右的NaYF₄:Yb³⁺, Er³⁺纳米颗粒。随着交联剂浓度的升高, 颗粒粒径及荧光强度都有所下降。本研究为稀土上转换发光纳米颗粒的制备提供了工艺简单、绿色环保的新方法。

本工作研究了水热法制备钨系氧化物过程中反应温度对产物物相、微结构和光学性能的影响。XRD结果表明100 ℃条件下制备的样品为纳米六方相铵钨青铜 (NH₄)_xWO_3-y。随着水热温度升高(140和180 ℃), 部分六方相(NH₄)_xWO_3-y逐步转变为正交相三氧化钨WO₃·1/3H₂O, 形成两相共存产物。SEM和TEM分析证实(NH₄)_xWO_3-y和WO₃·1/3H₂O粒子均为沿[001]方向(c轴)生长的短棒状单晶, 随水热反应进行它们会通过取向融并(oriented attachment)方式进一步长大。结构分析同时证实, 棒状晶的物相与其尺寸存在明显联系, 纳米尺寸的棒状晶为六方(NH₄)_xWO_3-y相, 而微米尺寸的棒状晶为正交WO₃·1/3H₂O相。依据实验结果, 提出了一种表面能控制的六方相(NH₄)_xWO_3-y向正交相WO₃·1/3H₂O相转变机理。光学性能测量表明, 100℃制备的六方相(NH₄)_xWO_3-y样品可以很好的遮蔽近红外光(遮蔽率: 74.5%), 同时保持高可见光透过率(67.6 %)。

当生长ε相的硒化镓单晶时, 组分挥发和固液界面震荡严重损坏晶体的结晶质量。利用改进垂直布里奇曼法生长出Φ19 mm×65 mm硒化镓单晶。X射线粉末衍射仪(XRD)和傅立叶红外光谱仪(FT-IR)分别用于测量晶体的结晶度和光学性质。红外测试表明, 硒化镓晶体透过波谱较宽(0.65~16 μm)和吸收系数较低(<0.3 cm^-1)。