随着现代社会的发展和能源危机的来临, 探索和寻找新的能源材料, 开发新能源是人类的永恒课题。自2006年基于ZnO纳米线压电效应的压电式纳米电源问世以来, 又研制出多种基于纳米材料和纳米结构, 以及不同纳米效应的新型纳米电源。本文综述了近10年来, 人们在纳米电源领域的研究成果; 系统介绍了基于压电效应、摩擦效应以及石墨烯能带调控纳米电源的原理和特点, 为今后新型纳米电源的开发提供思路和参考。

由铁氧体(如: CoFe₂O₄, NiFe₂O₄)和铁电相(如: BaTiO₃, Pb(Zr_xTi_1-x)O₃)组成的复合材料是经典的复合磁电材料, 也是最早在室温下观察到大磁电耦合效应的复合材料。这类复合材料的制备通常是在高于1200℃的高温条件下将铁氧体相和铁电相两相共烧而成。然而, 在高温过程中不可避免的存在原子互扩散及两相界面反应, 甚至出现微裂纹。本文综合介绍了几种通过直接在一种铁性氧化物块体上生长另一种铁性陶瓷膜的方法, 从而实现铁电、铁磁两相之间的低温复合(一般不高于800℃), 避免了高温共烧过程中的固有问题, 并展示了此类膜/块体复合体系的磁电耦合性能常用的表征方法。

采用二次合成法制备了纯相钙钛矿结构三元(0.7-x)Pb(Lu_1/2Nb_1/2)O₃-0.3Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃ (PLN- PMN-PT) (0.38 ≤ x ≤ 0.46) 压电陶瓷, 研究了准同型相界(MPB)附近组分的介电、压电和铁电性能。XRD分析表明PLN-PMN-PT存在准同型相界, 且准同型相界区域大致为0.40 ≤ x ≤ 0.44。MPB附近组分为0.29PLN-0.3PMN- 0.41PT陶瓷具有较高的居里温度和相变温度, 分别为270℃和135℃, 同时该组分表现出较好的铁电压电性能, 压电系数达到460 pC/N, 矫顽场为14.8 kV/cm, 剩余极化强度P_r为34.6 μC/cm²。PLN-PMN-PT材料在压电领域具有潜在的应用前景。

以喷雾热解法制备出了能量密度高, 电化学性能优异的LiCr_0.2Ni_0.4Mn_1.4O₄正极材料。采用热重分析、X射线衍射、扫描电镜、循环伏安、交流阻抗等手段进行了测试与表征, 并且在现有市售高电压电解液耐受条件下, 对不同截止电压(3.6~5.0 V, 3.6~5.2 V)的电化学特性做了详细的研究。结果表明: 此法所得材料峰形尖锐结晶良好, 且无杂质相生成, 粒度分布较为均一, 为微米-亚微米级颗粒。在5.2 V充电截止电压下, 0.5C倍率下首次放电容量高达142.9 mAh/g, 且0.5C及1C下二者的能量密度均在600 Wh/kg以上。当截止电压为5.2 V, 放电深度增大, 低倍率比容量提高, 但大倍率容量, 循环稳定性及放电电压工作平台下降均较为明显。

磷灰石型硅酸镧是新型的氧离子导体。本研究采用柠檬酸-硝酸盐溶胶-凝胶法制备磷灰石型硅酸镧(La₁₀Si_5.8Mg_0.2O_26.8)纳米粉末, 将其与NiO纳米粉末按4:6的质量比、并添加不同量的NH₄HCO₃造孔剂进行混合, 通过在1400℃温度下烧结及在600℃氢气中还原制备Ni/La₁₀Si_5.8Mg_0.2O_26.8多孔复合阳极。采用XRD和SEM对样品进行了物相和表面微观形貌表征。采用阿基米德排水法和交流阻抗谱测定了样品的孔隙率和阳极片的室温电阻。实验结果表明, 多孔复合阳极片不含微观裂纹, 未还原陶瓷样品的平均热膨胀系数为10.7×10^-6 K^-1。随着NH₄HCO₃造孔剂加入量的增加, Ni、磷灰石型硅酸镧的晶粒尺寸及气孔尺寸减小, 孔隙率增加, 孔隙率为30%~45%; 阳极电阻先降低后增加。综合考虑阳极片的物相、表面微观形貌、孔隙率和电阻, 以加入30wt% NH₄HCO₃造孔剂所制得的阳极片最佳。

研究了Sb掺杂对N型half-Heusler化合物Zr_0.25Hf_0.25Ti_0.5NiSn_1-xSb_x (x=0、0.002、0.005、0.01、0.02、0.03)热电传输特性的影响。结果显示, 随着Sb掺杂量增加, 材料的载流子浓度提高, 电阻率降低, 尤其是低温(<300 K)电阻率下降显著, 赛贝克系数降低, 且取得最大赛贝克系数的温度向高温端移动, 最大功率因子增加~20%, 材料的热导率增大, 主要是电子热导率提高的贡献, 晶格热导率影响不大; 当Sb掺杂量较低时(x<0.01), 材料的最大热电性能优值ZT值在0.77左右, 掺杂量x=0.005的样品ZT值在整个温度区间内最优。

本研究采用粉末冶金工艺制备出含纳米NbSe₂(1wt%~9wt%)的铜-石墨自润滑复合材料。在微摩擦试验机及超低温摩擦试验机上进行摩擦磨损实验, 通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM )等分析其物相、形貌及磨痕, 并探讨了该复合材料在大气、真空试验条件下的磨损机理。结果表明: NbSe₂的加入显著提高铜基复合材料的摩擦学性能; 真空干摩擦条件下不含NbSe₂复合材料的摩擦系数有所增大, 但添加NbSe₂(5.5wt%)的自润滑复合材料摩擦系数更小(μ=0.185), 承载能力更高, 其磨损是粘着磨损、接触疲劳磨损共同作用的结果。

采用中频磁控溅射Ti80Si20合金靶在单晶硅表面制备了钛硅共掺杂的类金刚石薄膜。利用紫外-可见光多波长Raman光谱表征薄膜微结构, 并结合FTIR光谱研究了紫外光辐照对类金刚石薄膜微结构的影响, 进一步讨论了紫外光辐照下薄膜微结构的演化机理。结果表明: 非晶结构的类金刚石薄膜出现反式聚乙炔和聚对苯乙炔类聚合物结构以及sp杂化的线型卡宾碳结构。紫外光辐照诱导薄膜微结构驰豫和重构, 薄膜Si-O和C-O键含量增加, C=C和C-H键含量减少; 同时薄膜sp²团簇尺寸减小而无序度增大。

以正硅酸乙酯(TEOS)为壳层材料, 聚丙烯酸(PAA)为核材料, 以传统的Stöber水解法为基础制备得到结构规整的中空二氧化硅纳米粒子, 并采用自组装法制备单层减反射薄膜和宽波段双层减反射薄膜。主要研究中空二氧化硅纳米粒子的结构调控方法; 自组装次数和中空二氧化硅纳米粒子分散液的pH值对减反射薄膜透光率的影响规律, 以及具有渐变折射率的双层减反射薄膜的制备。研究结果表明: 通过调节PAA和TEOS的用量可精确调控中空二氧化硅纳米粒子的粒径和空腔体积分率, 进而可精确调控减反射薄膜的厚度和折射率; 通过酸洗工艺, 将自组装次数由10次减少为2次, 简化了涂膜的工艺条件, 在最佳工艺条件下所制备的单层减反射薄膜在350~800 nm波长范围内可显著提高玻璃的透光率, 在最佳波长(λ=520 nm)处将玻璃的透光率由91.6%提高至98.1%; 双层减反射薄膜可在更宽的波段范围内提高基材的透光率, 在400~1500 nm波长范围内将玻璃的透光率提高了5%以上。

首先用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为表面活性剂, 硝酸镓[Ga(NO₃)₃]作为镓源, 采用溶胶-凝胶法制备了GaN粉末。然后通过固相法将GaN粉末和ZnO粉末按不同配比机械混合, 制备成GaN/ZnO复合体。采用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线能谱 (EDS)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和发致光谱(PL)表征GaN/ZnO复合体的微结构、形貌、成分和发光特性, 并将其作为催化剂进行降解亚甲基蓝水溶液的光催化性能测试。结果表明: GaN/ZnO复合体对比未经复合的GaN和ZnO粉末, 光催化性能有明显的增强。基于一级动力学方程分析, 当GaN/ZnO复合体中GaN粉末和ZnO粉末含量配比为1: 2时, 光催化性能达到最佳, 其速率常数k值为0.11 min^-1。

实验对比研究了Ga₂O₅、TeO₂、GeO₂、WO₃、Nb₂O₅和Bi₂O₅金属氧化物的掺入对氟磷激光玻璃的光谱和激光性能的影响。结果表明, TeO₂、GeO₂和Ga₂O₅的加入增大了Yb³⁺的吸收和发射截面; 其中, 掺有TeO₂的氟磷玻璃的Yb³⁺吸收和发射截面最大, 分别达到了1.95 pm²和0.85 pm²。Ga₂O₅、Nb₂O₅和GeO₂的加入对玻璃激光性能的提高具有极大的帮助; 其中, 在掺有Ga₂O₅的氟磷玻璃中激光参数SFL值最大, 为1.237。同时发现, 在TeO₂和GeO₂掺杂氟磷玻璃中也存在严重的Yb³⁺荧光俘获现象, 大大减弱了其激光性能。

采用熔融淬冷法制备了不同浓度Ce³⁺离子掺杂的20Li₂O-5MgO-20Al₂O₃-55SiO₂玻璃闪烁材料。采用X射线衍射(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)技术、密度检测等方法研究了玻璃的微观结构随Ce³⁺离子掺杂浓度的变化规律, 采用荧光分光技术检测了玻璃的紫外光致激发光谱(PLE)、发射光谱(PE)。研究结果表明: 在不对称的晶体场作用下, Ce³⁺离子5d能级被劈裂为5个组分; 随着玻璃基质内Ce³⁺离子掺杂浓度增大, 玻璃的非晶化程度加深; 5d能级的劈裂宽度随之增大, 由此导致激发带向低能量端展宽、发射光谱明显红移; Ce³⁺离子的荧光发射强度随Ce³⁺离子掺杂浓度先升高、后降低, 浓度猝灭过程成为其荧光发射效率降低的主要原因。

金属氧化物(MO)可显著影响膨胀阻燃体系的热解成炭过程, 进而改善膨胀阻燃涂层的耐火性能。将Fe₂O₃、ZnO、TiO₂分别添加到双环笼状磷酸酯膨胀阻燃环氧涂层中, 研究了MO对涂层耐火及成炭性能的影响规律。燃烧背温测试结果表明, MO可产生显著的协效耐火作用, 三种MO对耐火性能的增效能力为Fe₂O₃>ZnO>TiO₂。热失重(TGA), 激光拉曼光谱(LRS)和X射线光电子能谱(XPS)分析表明, MO促进了残炭的耐高温氧化性能及类石墨化程度的提高, 增加了涂层的高温残炭量, 三种MO提升涂层成炭性能的能力为Fe₂O₃>ZnO>TiO₂。

实验以石墨烯(Graphene, GE)为晶种, 精制煤沥青为原料, 通过程序控温, 对如何制备高含量的各向异性中间相条件进行了优化, 并将其用于制备半焦和针状焦研究。中间相和半焦的组织结构采用偏光显微镜进行了观察和分析, 针状焦用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)进行了观察, 并通过电化学工作站对半焦进行了电化学性质分析, 用循环伏安法对石墨微晶结构的有序性进行了分析。结果表明: 石墨烯的加入, 明显促进了中间相小球的形成, 显著提高了所制针状焦结构的有序性和电子的传输能力。其中, 当石墨烯加入量为原料的0.2wt%时, 得到的中间相小球数量最多且大小均匀, 半焦结构的纤维流域状结构成为其主要的显微组织。在相同的情况下, 同未加石墨烯相比较, 石墨烯的存在使制备的针状焦石墨化度提高了200%; 电荷迁移电阻减少65.3%。

采用气相转移法制备了同时含有Y和ZSM-5沸石的双相沸石复合物。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、N₂吸附-脱附和骨架红外(FT-IR)等手段对合成的样品进行了表征。结果表明, 合成的样品受Y型沸石的添加量、干胶制备条件和气相转移法转化条件的影响; 水热预处理后的ZSM-5沸石前驱体中具有ZSM-5沸石的骨架特征振动峰, 归结于ZSM-5沸石晶核或微晶的形成, 这有利于在气相转移法转化过程中引导或促使体系向ZSM-5沸石相的转变, 并有利于抑制ZSM-35杂晶的形成; Y型沸石在蒸汽处理过程中的脱铝过程导致合成的沸石复合物具有介孔结构。

采用MgO、KH₂PO₄、β-TCP、葡萄糖作为骨水泥的固相, 磷酸溶液作为液相, 制备可注射镁基磷酸钙骨水泥(IMPC)。考察液固比(LPR)、MgO含量、葡萄糖含量变化对IMPC胶凝性能和力学性能的影响。实验结果显示: 液固比和缓凝剂葡萄糖含量增大均会导致凝结时间变长和抗压强度下降, 但有益于可注射性; 随MgO含量增大, 凝结时间缩短, 可注射率降低, 但抗压强度提高。采用正交实验法确定MgO含量26wt%, 液固比0.30 mL/g, 葡萄糖含量6wt%时得到的IMPC综合性能良好, 水化过程缓和, 放热量低。该IMPC有望成为一种新型骨粘结材料。

采用水热法, 以聚乙二醇(PEG)为模板, N,N-二甲基甲酰胺为氮源, 制备了氮掺杂的介孔二氧化钛。并用X射线粉末衍射(XRD)、傅立叶红外光谱(FTIR)、BET、透射电子显微镜(TEM)、紫外一可见漫反射谱(DRS)和X射线光电子能谱(XPS)等技术手段对制备样品进行了表征。结果表明: 所合成的样品具有锐钛矿结构,直径约20 nm, 并且具有一定的可见光活性。以甲基橙(MO)为光降解模型, 样品在可见光区表现出了较好的催化活性, 这取决于烷氧基和氮掺杂的协同效应。

为研究碳纤维(C_f)加入量对复合材料性能的影响, 本研究以Y₂O₃为烧结助剂, 采用热压烧结技术制备了C_f/Si₃N₄复合材料, 其中碳纤维加入量为0、2wt%和5wt%。选用乙醇作分散介质,通过球磨工艺可有效分散短切碳纤维。研究结果表明: 碳纤维在复合材料中分散均匀, 且材料中的晶粒在垂直于热压压力的方向呈现一定取向排列。高温烧结过程中, 碳纤维与Si₃N₄或其表面的SiO₂层发生反应, 生成SiC中间层。适量碳纤维加入有助于提高复合材料的热导性能。当C_f加入量为2wt%时,C_f/Si₃N₄的热导率较高, 为45.8 W/(m?K);而不添加C_f的样品, 其热导率为37.1 W/(m?K)。加入C_f后, C_f/Si₃N₄的断裂韧性有小幅提高, 维氏硬度在16.6~16.8 GPa范围内变化。