氧化物/氧化物陶瓷基复合材料(CMCs )具有很多优良的性能, 如高比强度、高比模量、优异的抗氧化性能等, 可应用于航空发动机燃烧室和尾喷管等热端部件。本文概述了氧化物/氧化物CMCs的增强纤维和陶瓷基体, 指出单晶氧化物纤维和莫来石陶瓷基体应用潜力较大; 从改善纤维/基体界面结合程度的角度出发, 综述了从界面相和多孔基体角度提高力学性能的方案; 分析了限制其应用的三个关键问题(缺口敏感度、蠕变容忍度和耐烧蚀性能), 最后对其未来发展进行了展望。

固体氧化物直接碳燃料电池采用固体氧化物作为电解质, 能够将碳燃料的化学能直接转化为电能, 具有效率高、燃料适应性广、利于CO₂捕集等优点, 在能源与环境问题日益突出的现实条件下展现出广阔的应用前景。固体氧化物直接碳燃料电池中的关键问题在于研发合适的碳燃料转化阳极, 以满足反应催化、物质输运以及杂质耐受等要求。本文系统地总结并分析了多孔固体阳极、熔融碳酸盐阳极和液态金属阳极三类直接燃料电池阳极的结构特性、工作原理、材料特性等, 特别关注了以液态金属作为阳极的直接碳燃料电池, 分析了该类电极的优势, 探讨了未来固体氧化物直接碳燃料电池阳极的发展方向。

采用聚合物热解化学气相沉积(PP-CVD)法, 通过聚乙二醇(PEG)的原位热解提供碳源、柠檬酸(CA)和硝酸钴反应产生催化剂纳米粒子, 在微纳米级的片状铝粉基底上原位生长碳纳米管(CNTs)。通过实验和反应动力学建模研究了PP-CVD反应机理, 揭示了PEG热解气相成分和催化剂纳米粒子表面气-固反应对CNTs生长速率的影响规律。CO初始分压和反应温度提高, CNTs生长速率提高; H₂初始分压和催化剂密度提高, CNTs生长速率降低。模型预测的CNTs平均长度随反应温度和反应时间的变化趋势符合实验结果。因此, 本研究为进一步优化CNTs/铝复合粉末制备工艺提供了新的理论依据。

以B₄C、SiC粗粉为原料, 采用机械合金化辅助热压烧结工艺, 在不添加任何助烧剂的情况下于1950℃制备出致密的B₄C-SiC复合陶瓷。通过对烧结样品进行相对密度、维氏硬度、抗弯强度和断裂韧性测试, 研究SiC含量对复合陶瓷力学性能的影响; 结合XRD、SEM和TEM对样品进行组分和微观结构分析, 研究其微观结构与力学性能之间的关系。结果表明: 复合陶瓷的相对密度和断裂韧性随SiC含量的增加而增大, 当SiC含量为50wt%时获得最大值为96.1%和4.6 MPa•m^1/2; 复合陶瓷的硬度和抗弯强度随SiC含量的增加呈先增大后减小的趋势, 在SiC含量为20wt%时获得最大值25.5 GPa和480 MPa。SiC相均匀分布在B₄C基体中使得复合陶瓷具有较高的强度; B₄C与SiC之间好的界面相容性以及SiC的高断裂韧性是该B₄C基复合陶瓷韧性得到显著提高的原因。

以α-Si₃N₄为原料, Y₂O₃为烧结助剂, 在三种不同的氮气压力(0.12、0.32和0.52 MPa)下烧结制备了多孔氮化硅陶瓷。研究了氮气压力对氮化硅的烧结行为、显微组织和力学性能的影响, 分别通过SEM观察显微组织并统计晶粒的长径比, 通过XRD对物相进行分析, 并对烧结试样进行三点弯曲强度测试。随着氮气压力的提高, 多孔陶瓷的线收缩率降低、气孔率提高, 这是由于低熔点的液相中N含量随氮气压力的提升而增加, 导致了液相粘度提高, 抑制陶瓷致密化。随着氮气压力的提高, 组织中的棒状β-Si₃N₄生长良好, 晶粒长径比增大, 其原因是高的液相粘度抑制了β-Si₃N₄形核, 有利于β-Si₃N₄生长。由于β-Si₃N₄棒状晶的作用, 陶瓷弯曲强度随氮气压力的升高得到改善, 但是气孔率的升高降低陶瓷的强度。在0.52 MPa的氮气压力下烧结的多孔陶瓷气孔率达58%, 弯曲强度为140 MPa。

以Si粉、Al粉和Al₂O₃粉为原料压制成条样, 在1650~1850 K氮气和埋Si₃N₄颗粒气氛下分别合成了β-SiAlON晶须、带状和柱状晶, 并系统研究了一维β-SiAlON材料可控合成条件, 进而结合热力学分析了一维β-SiAlON材料的生长机制。结果表明: 以Si粉、Al粉和Al₂O₃为原料, 在氮气(纯度99.9%)和埋Si₃N₄颗粒气氛下在1650~1850 K保温6 h, 可以合成不同形貌的一维β-SiAlON材料。生长温度是一维β-SiAlON材料形貌控制的关键因素。生长温度为1650 K时, 合成了β-SiAlON晶须, 晶须直径200~400 nm, 长径比100~1000; 生长温度在1700~1800 K时, 可以合成β-SiAlON带状晶体, 厚度为200 nm, 宽度为1~4 μm, 长宽比在10~20之间; 生长温度升高至1800 K时, 出现大量柱状晶体。结合晶须显微结构形貌和热力学分析, β-SiAlON晶须的生长机制为气-固(VS)生长机制。

以B₂O₃、Nd₂O₃和Mg为原料, 采用燃烧合成法制备出NdB₆超细粉体。考察了反应气氛、制样压力和物料配比对反应产物微观形貌和物相的影响。采用XRD、SEM对产物进行了表征, 结果表明: 燃烧产物由NdB₆、MgO以及少量Mg₃B₂O₆和Nd₂B₂O₆组成, 稀硫酸处理去除可溶性成分后, 产物为单一的NdB₆相, 纯度为99.1%。随着制样压力的增大, NdB₆颗粒尺寸逐渐变小。制样压力为20 MPa时, 制备的NdB₆粉末平均粒度小于500 nm。Mg-B₂O₃-Nd₂O₃三相反应历程: 首先Mg还原Nd₂O₃生成单质Nd和MgO, 然后引发Mg还原B₂O₃生成单质B和MgO, 同时生成的Nd和B反应得到NdB₆, 反应的表观活化能为691.59 kJ/mol, 反应级数为3.2。

以正丙醇锆、硼酸、醋酸和D-果糖为原料, 采用溶胶-凝胶法, 结合高温碳热还原反应制备得到了长柱状单相ZrB₂粉末。反应体系中, D-果糖不仅提供碳热还原反应的碳源, 同时作为化学修饰剂, 起到抑制正丙醇锆快速水解的作用。通过对比未陈化和陈化的凝胶制备得到的产物, 探讨了陈化过程对于ZrB₂粉末制备的影响。结果表明, 凝胶陈化有利于ZrO₂向ZrB₂的完全转化。当起始原料满足n(B)/n(Zr) = 3.5~4, n(C)/n(Zr)= 7时, 采用室温陈化7 d的凝胶在1550℃保温2 h可获得长度为4~7 μm, 横截面等效直径约为1 μm, 长径比约为4~7, 比表面积为2.53 m²/g, D₅₀ = 6.46 μm的单相长柱状ZrB₂粉末。

以紫外光还原法将氧化石墨(GO)还原成石墨烯(GN), 同时将磷钼酸(PMo₁₂)修饰到石墨烯上, 形成磷钼酸功能化的石墨烯PMo₁₂-GN, 并以此为基底利用电化学还原法制备了Pd/PMo₁₂-GN复合膜催化剂。运用X射线粉末衍射、X射线光电子能谱、扫描电镜、透射电镜等对复合膜的组成、结构、形态进行表征, 结果表明: 实验成功制备了Pd/PMo₁₂-GN复合膜催化剂, 且Pd颗粒均匀分散在PMo₁₂-GN基底上。采用CV、计时电流法、CO溶出伏安法、交流阻抗法等电化学方法研究了Pd/PMo₁₂-GN复合膜的电催化性能。研究结果表明: 制备的复合膜催化剂对甲酸氧化反应的催化活性、催化稳定性、抗CO毒化能力和电子传递能力显著优于商品化的Pd/C催化剂。Pd/PMo₁₂-GN复合膜电催化性能的提高主要是由于Pd纳米颗粒在PMo₁₂-GN基底上均匀分散, 以及PMo₁₂的强氧化能力从而使钯表面一氧化碳等中间产物能迅速氧化去除。

采用射频等离子增强化学气相沉积设备, 以高纯N₂和B₂H₆为气源, 制备了系列h-BN薄膜, 得到适合生长h-BN薄膜的最佳工艺条件。在此条件下, 研究了不同沉积时间和退火时间对薄膜组成和光学带隙的影响。采用傅立叶变换红外光谱仪、紫外可见光分光光度计和场发射扫描电子显微镜对样品进行了表征。实验结果表明: 在衬底温度、射频功率和气源流量比率一定的条件下, 沉积时间对h-BN薄膜成膜质量和光学带隙都有较大影响, 且光学带隙与膜厚呈指数关系变化。700℃原位退火不同时间对h-BN薄膜的结晶质量有所影响, 而物相和光学带隙基本没有改变。

通过真空熔融淬冷法制备了银复合的70GeS₂-20In₂S₃-10CsI硫系玻璃样品, 利用Z-扫描技术研究了玻璃样品在800 nm处三阶非线性光学性质, 发现引入Ag可提高其折射率n和非线性折射率γ, n从2.204增加至2.4087, γ从23.3×10^-18 m²/W增加到30.5×10^-18 m²/W, 此外非线性响应时间从70 fs增加到79 fs。热处理对玻璃的非线性光学性能的影响研究显示, 热处理后样品的γ增加至44.3×10^-18 m²/W, 是As₂Se₃玻璃的两倍多。发现析晶后带隙变小(吸收边红移)导致非线性吸收系数β减小, 使得样品的品质因子提高至3.3。Ag复合的硫系玻璃及玻璃陶瓷非线性折射率大、品质因子高、非线性响应快, 有望用于全关开关等各类非线性光学器件中。

以静电纺丝技术制备的TiO₂纳米纤维为模板和反应物, 采用水热法原位合成了具有异质结构的BaTiO₃/TiO₂复合纳米纤维。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM) 和高分辨透射电镜(HRTEM)等分析测试手段对样品的结构和形貌进行表征。结果表明: BaTiO₃纳米微粒均匀地生长在TiO₂纳米纤维表面, 制备了异质结型BaTiO₃/TiO₂复合纳米纤维。材料的光催化性能利用罗丹明B和苯酚的脱色降解反应测试。BaTiO₃/TiO₂复合纳米纤维材料, 在紫外光照射下, 光催化降解活性较纯锐钛矿TiO₂纳米纤维有明显提高, 罗丹明B和苯酚在该复合纳米纤维材料上的光催化降解反应遵循一级反应动力学。且易于分离、回收和再利用, 循环使用5次, 罗丹明B的脱色率仍保持在96%以上。

采用水热法合成Co-S合金, 并对工艺参数进行了优化。通过XRD、SEM分析了合金的表面形貌及物相的变化; 用恒电流充放电测试、循环伏安以及交流阻抗对合金进行了电化学性能表征。结果表明: 反应溶液填充度为70%, 160℃保温12 h制得的Co-S合金含有Co与Co₉S₈两相, 颗粒结晶度好, 呈厚约50 nm的交叉薄片状。在150 mA/g的充放电电流下, Co-S合金最大放电容量可达536 mAh/g, 循环50次的容量保持率为77.4%。Co-S合金电极充放电时主要发生Co与Co(OH)₂之间的氧化还原反应, 部分Co的不可逆脱溶, 导致活性物质减少, 电极容量衰减。

通过化学共沉淀法制备了La_0.67Sr_0.33MnO₃:Ag_0.08 (LSMO:Ag_0.08)多晶材料, 然后采用脉冲激光沉积(PLD)技术在LaAlO₃ (LAO)倾斜衬底上制备了LSMO:Ag_0.08薄膜。研究了衬底温度和生长氧压对薄膜结构、电输运特性及激光感生电压(LIV)效应的影响。结果表明: 当衬底温度为790℃、生长氧压为45 Pa时, 薄膜具有最大峰值电压(U_p)、优值(F_m)和各向异性Seebeck系数(ΔS); 在优化的衬底温度和生长氧压条件下, 长程Jahn-Teller协变引起ΔS数值提高, 这是LIV信号增强的主要原因。

采用添加造孔剂的方法制备多孔锆钛酸铅(PZT95/5)铁电陶瓷, 研究了孔结构包括孔隙率、孔径及孔形状对多孔PZT95/5陶瓷机械性能和电性能的影响及机理, 并揭示多孔PZT95/5陶瓷微观结构、机械性能和铁电性能的内在联系。研究表明: 孔隙率的增加降低了多孔PZT95/5陶瓷的声阻抗, 改善了陶瓷与封装材料的声阻抗匹配. 孔隙率增加, 多孔PZT95/5陶瓷的屈服应力和剩余极化强度降低, 矫顽场强增大。孔结构对多孔PZT95/5陶瓷屈服应力的影响可由应力集中理论解释; 多孔PZT95/5陶瓷剩余极化强度随孔结构的变化可用内应力结合空间电荷理论加以解释。

通过简单溶剂热法合成表面粗糙的立方体结构MnFe₂O₄颗粒, 样品粒径约为150 nm, 立方体表面球状突起的直径约为10 nm, 该特征增加了样品的比表面积。反应过程中, 通过改变表面活性剂CTAB的加入量, 有效影响晶体各个晶面方向的生长速度, 最终合成不同形貌的样品(立方体、多面体、正八面体结构)。合成样品在室温下都表现出典型的铁磁性质。通过对刚果红和重金属离子Cr^VI和Pb^II溶液的吸附实验证明, 表面粗糙的立方体结构MnFe₂O₄颗粒在污水处理过程中, 可以更高效地去除水中的污染物, 通过磁分离技术回收样品以便再利用, 提高废水净化率。

铜作为人体含量第二的必需微量元素, 不仅在人体新陈代谢过程中起着重要作用, 同时还具有抗菌性。因此, 合成掺铜羟基磷灰石(Cu-HA)可望获得具有优良生物学性能兼具抗菌性能的生物陶瓷。本研究以硝酸钙、硝酸铜和磷酸氢二钠为原料, 采用水热合成法制备掺铜HA。采用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、红外和原子吸收光谱对样品进行表征。结果表明: 溶液体系中加入Cu²⁺后, Cu取代部分Ca进入HA晶格, 使其形貌由带状转变为花瓣状微球; 但Cu的掺入, 并不影响HA晶体结构; 当溶液中Cu/(Cu+Ca) 摩尔比高于0.05时, HA产物的热稳定性下降。

磷酸钙材料具有良好的生物相容性, 被广泛应用于生物材料领域。本研究以Ca(CH₃COO)2、NaH₂PO₄?2H₂O和双亲嵌段共聚物PLA-mPEG为原料, 通过微波辅助120℃水热反应30 min, 合成了自组装结构磷酸钙微球。以相同的反应原料, 在水和乙二醇混合溶剂中, 通过微波辅助120℃溶剂热反应30 min, 制备了具有多面体结构的磷酸钙。通过X射线粉末衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和热重分析(TG)对所制备样品的物相和形貌进行了表征。研究发现乙二醇的加入对磷酸钙的结构和形貌具有显著的影响。以牛血红蛋白为模型, 研究了所制备的两种不同磷酸钙材料的蛋白吸附效果。磷酸钙材料的牛血红蛋白吸附量随装载溶液中牛血红蛋白浓度的增加而增大, 随样品制备过程中的乙二醇加入量的增加而减小。

采用溶胶–凝胶后硒化法制备了铜锌锡硫硒薄膜, 其薄膜表面平整、无裂纹。通过简化铜锌锡硫前驱体溶胶的制备以及后退火时避免使用硫化氢气体（H₂S）等方法使铜锌锡硫硒薄膜的制备工艺得到简化。选用低毒有机物乙二醇为溶剂，Cu(CH₃COO)₂、Zn(CH₃COO)₂、SnCl₂•2H₂O和硫脲为原料, 制备铜锌锡硫前驱体溶胶。XRD、Raman、EDX和SEM 分析表明制备的铜锌锡硫硒薄膜为锌黄锡矿结构, 所有薄膜均贫铜富锌, 用0.2 g硒粉、硒化20 min得到的铜锌锡硫硒薄膜其结晶较好, 表面晶粒可达1.0 μm左右。透射光谱分析结果表明, 随硒含量的增加, 铜锌锡硫硒薄膜的光学带隙从1.51 eV减小到1.14 eV。