封接玻璃是中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)的主要组成部分, 封接玻璃应同时具有适宜的热性能、化学性能、力学性能及与电池元件有良好的粘合能力, 防止SOFC在运行过程中气体的泄漏, 并保证玻璃在IT-SOFC工作温度及氧化气氛或燃料气氛下长期运行的热稳定性和封接玻璃与其它电池元件之间的界面稳定性。本文综述了关于IT-SOFC封接玻璃近十年的研究进展。从玻璃特性和封接玻璃与元件之间的界面反应的角度, 讨论封接玻璃的组分-结构-性能三者之间的关系, 提出了当前IT-SOFC封接玻璃研究的主要问题。

以LiOH·H₂O、FeC₂O₄·2H₂O、NH₄VO₃和NH₄H₂PO₄为原料, 分别以不同聚合度的聚乙二醇(PEG-200、PEG-600、PEG-1000、PEG-2000、PEG-6000)为碳源, 通过高温固相法合成0.7LiFePO₄·0.3Li₃V₂(PO₄)₃/C复合正极材料(LFVP/C)。用X射线衍射、拉曼光谱和扫描电镜对材料的结构和形貌进行了表征。充放电测试表明, 在电压范围为2.0~4.3 V 时, PEG-200为碳源的LFVP/C的复合正极材料具有较高的比容量、优良的循环性能和倍率特性。10C条件下其放电容量可以保持120 mAh/g。

采用碳酸盐共沉淀结合高温固相焙烧法制备了富锂正极材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂, 并用不同量的FePO₄对其进行表面包覆改性。SEM分析结果显示, FePO₄可以均匀地包覆在富锂材料的颗粒表面, XRD显示包覆后的材料很好地保持了原有的层状结构, 且FePO₄呈非晶态。电化学测试表明改变FePO₄包覆量可以调节该材料特定的电性能指标: FePO₄包覆量为2wt% 的材料具有最大的首次充放电容量, 在0.05C下分别为325.9和258.4 mAh/g; FePO₄包覆量为4wt%的材料兼具较高的放电容量和循环稳定性; 材料的首次充放电效率随着FePO₄含量的增加而逐渐升高, FePO₄包覆量为20wt%时, 首次充放电效率达到97.4%。

按照0.71Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.26PbTiO₃-0.03Pb(Er_1/2Nb_1/2)O₃化学式所示组分比例, 采用分步高温固相反应合成出Er³⁺掺杂PMNT多晶, 通过熔体坩埚下降法生长出尺寸φ25 mm×100 mm的Er³⁺掺杂PMNT晶体, Er³⁺离子以三元固溶体组元方式被掺杂进入钙钛矿相铁电体晶格; 测试了Er³⁺掺杂PMNT晶片的介电、压电与铁电性能以及上转换发光性能。结果表明, Er³⁺掺杂PMNT晶体呈现跟三方相纯PMNT晶体相近的介电、压电与铁电性能; 在980 nm激发光作用下, 该掺杂晶体呈现出Er³⁺离子特有的较强上转换荧光发射, 并且极化后掺杂晶体的上转换发光强度得到增强。

以无机盐二水氯化钙(CaCl₂·2H₂O)和六水氯化铝(AlCl₃·6H₂O)为原料, 1,2-环氧丙烷(PO)为凝胶促进剂, 粘均分子量M_w= 100000的聚氧化乙烯(PEO)为相分离诱导剂, 乙二醇为络合剂, 甲酰胺为干燥控制化学添加剂(DCCA), 采用溶胶-凝胶伴随相分离制备了大孔钙铝石块体。利用扫描电镜(SEM)、压汞、X射线衍射(XRD)等测试技术对所得的块体进行了表征。结果表明: 加入PEO能诱导体系发生相分离; PEO用量和溶剂中醇水比会对多孔结构产生明显影响; 在合适凝胶温度下, 当加入适量PEO和溶剂时, 可以获得共连续大孔结构的钙铝石块体; 1000℃热处理后, 干凝胶由无定型转变为钙铝石晶型Ca₁₂Al₁₄O₃₂Cl₂, 块体的共连续大孔结构在热处理后被完整保留, 其大孔孔径分布在1~2 μm, 孔隙率为73.0%; 热处理前后的钙铝石块体均能保持光滑且致密的骨架。

以石英玻璃粉为基体, 热固性硅树脂为增塑剂, 利用压注方法制备了多孔硅基陶瓷型芯, 研究了烧结温度和保温时间对样品性能的影响。研究结果表明: 随着烧结温度的升高, 反玻璃化进程加快, 在烧结温度1250℃, 随着保温时间的延长, 玻璃相发生了转变, 逐渐析出方石英, 且含量不断增加; 样品的线收缩率和失重随烧结温度的升高略微增加, 但烧结时间的影响较小。样品的失重主要是由于硅树脂的分解引起的。在1250℃烧结10 h后, 得到样品的收缩率为0.93%, 显气孔率为32.8%, 抗弯强度为9.08 MPa。

以整体毡为纤维增强体, 采用外壁恒温控温和内壁恒温控温两种方式, 通过热梯度化学气相渗透(TG-CVI)工艺研究了大尺寸C/C复合材料的致密化行为。结果表明, 外壁恒温控温方式制备的试样密度仅为0.64 g/cm³, 呈现出两边高中间低的特点, 热解碳结构为粗糙层与光滑层相结合。而内壁恒温控温方式制备的试样密度达到0.98 g/cm³, 致密效率相比提高了73.79%, 热解碳结构为具有优异性能的粗糙层结构, 试样内部密度分布均匀。通过与外壁恒温控温相比, 内壁恒温控温方式具有较高的温度和合适的温度梯度, 致密化行为符合理想致密化模型, 能够实现大尺寸C/C复合材料由内至外的正向密度增长, 致密均匀, 致密效率高, 且碳结构优异。

将植物纤维转化为陶瓷是一种新型的、极具发展潜力的多孔陶瓷制备方法。本研究探索了将植物纤维转化为多孔SiC纤维的方法, 并分析了硅源对其反应产物的影响。结果表明, 由于密度效应, 气相硅陶瓷化相比液相而言, 具有更慢的反应速率, 表面所含的杂质也更少, 而且具有更可控的反应过程、更高的力学强度等优势。不同种类的硅源对反应速率、反应所需温度和产物的晶粒尺寸都有一定的影响, 研究发现SiO是一种较为理想的硅源物质。

采用粘稠塑性加工方法制备了锆钛酸铅方形压电纤维复合材料, 研究了环氧树脂中不同TiO₂含量对压电纤维复合材料的电学阻抗、抗拉及驱动应变性能的影响。结果表明: 环氧树脂中TiO₂含量不同, 压电纤维复合材料的谐振频率不同。压电纤维复合材料的抗拉强度及纵向自由应变值均随着环氧树脂中TiO₂含量增大先增加后减小。环氧树脂中TiO₂含量为3wt%的压电纤维复合材料的抗拉强度达到了77.50 MPa, 且在驱动电压为-500 V~+1500 V时, 其纵向自由应变值达到了1783.7 με。当环氧树脂中TiO₂含量从3wt%增大至5wt%时, 压电纤维复合材料的抗拉性能和驱动应变性能均有所降低。在不同的外加驱动频率下, 压电纤维复合材料表现出不同的驱动应变能力。随着频率的增大, 压电纤维复合材料的纵向自由应变幅度表现出明显降低, 当频率超过5 Hz后, 其纵向自由应变值略有减小。

以钛酸四丁酯为Ti源, 氯化镧为La源, 采用嵌段共聚物模板法制备了La掺杂TiO₂超滤膜。通过动态热机械分析(DMA)、X射线衍射(XRD)、低温氮气吸附脱附和X射线光电子能谱(XPS)等表征方法, 考察了La掺杂对TiO₂凝胶的机械性能及其材料晶型、孔结构的影响。分析结果表明, La的引入显著提高了TiO₂凝胶的机械性能,避免了膜层在干燥阶段的开裂现象; 并有效抑制了晶粒增长和晶相转变, 使得锐钛矿相在800℃下仍能保持稳定。同时La的引入也提高了TiO₂材料的比表面积和孔隙率, 通过实验确定La掺杂量为0.74 g, 此时TiO₂溶胶的粒径分布最均一, 所得溶胶粒径为10 nm。采用该溶胶制备出的La-TiO₂超滤膜的孔径为2.3 nm, 而未掺杂时膜的孔径为2.7 nm。

采用硬脂酸盐熔融新方法合成了[(Y_1-xLu_x)_1-yCe_y]₃Al₅O₁₂固溶体荧光粉(x=0’0.5, y=0.005’0.03), 并通过XRD、SEM、BET和PL-PLE等方法对该荧光粉进行了表征。结果表明, 纯相石榴石在800℃的低温下即可生成, 而不经过YAM和YAP中间相。煅烧所得[(Y_1-xLu_x)_1-yCe_y]₃Al₅O₁₂ 荧光粉具有良好的均一性和分散性, 并在455 nm蓝光激发下于544 nm附近呈现最强黄光发射。粉体的发光强度随煅烧温度升高而增大, 归因于结晶度提高和表面缺陷减少。发现Ce³⁺的荧光猝灭浓度为1.5%, 猝灭机制为Ce-Ce间的交换相互作用和晶格缺陷。发现发射峰位随Ce³⁺含量增加而红移, 而最强激发峰和发射峰随Lu³⁺含量增大而蓝移, 归因于Ce³⁺离子5d激发态能级重心移动和晶体场劈裂的共同作用。

以钛酸四丁酯、氧化铒、硝酸等为原料, 采用碳球模板法制备了TiO₂: Er³⁺空心球材料, 利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)等测试方法, 对样品的结构和形貌进行了表征。并利用紫外-可见(UV-Vis)分光光度计考察了TiO₂: Er³⁺空心球材料在催化染料罗丹明B、亚甲基蓝、茜素红、甲基橙的脱色降解过程中的应用性能。系统研究了Er³⁺掺杂浓度、不同离子型染料和染料水溶液的pH等因素对催化降解效率的影响。实验结果表明: 经600℃煅烧3 h制备的TiO₂: Er³⁺为锐钛矿晶型, 空心球结构, 尺寸均匀, 粒径约为120 nm, 比表面积约为60.5 m²/g; Er³⁺掺杂量为0.5mol%的样品对甲基橙染料的催化降解效率最高; 对四种不同离子型染料, 茜素红的催化降解效果显著, 在紫外光照射下, 催化效率较未掺杂Er³⁺的TiO₂提高了约30%。

采用滑动弧等离子体制备出不同颗粒形貌和锐钛矿相初始含量(f_A)的纳米TiO₂粉体。采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和物理吸附仪对焙烧前后的样品进行表征, 考察了焙烧温度对纳米TiO₂的晶相组成、晶体粒径、比表面积(S_BET)和颗粒形貌的影响。通过光催化氧化亚甲基蓝反应评价样品焙烧后的光催化活性。结果表明, 滑动弧等离子体制备的纳米TiO₂的锐钛矿相向金红石相转变温度约为650℃, 锐钛矿相向金红石相的转变速率取决于焙烧温度、颗粒形貌和锐钛矿相初始含量。随焙烧温度升高, 球形颗粒的锐钛矿晶体粒径略微增大, S_BET缓慢减小; 非球形颗粒的锐钛矿晶体粒径快速增大, S_BET迅速减小。随着f_A的增加, 纳米TiO₂粉体的光催化表观反应速率常数(k)呈现三种不同的变化趋势: 当f_A<70%时, k随之缓慢增加; 当70%<f_A<85%时, k随之快速增加; 当f_A>85%时, k转为快速降低。

采用共沉淀法制备了Ce_0.65Zr_0.35O₂(CZ)储氧材料, 分别以乙醇-水、丙醇-水、乙二醇-水、丙三醇-水体系对沉淀物进行陈化, 研究了醇的种类对CZ及其负载的单Pd催化剂性能的影响。对CZ进行了扫描电镜(SEM), N₂-吸脱附分析, 对Pd/CZ进行了粉末X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、储氧量 (OSC)和程序升温还原( H₂-TPR)的表征, 并考察了三效催化性能。结果表明, 醇的种类对CZ及Pd/CZ的性能有显著影响。在乙醇-水和丙醇-水陈化体系中制备的CZ分散性高, 颗粒堆积松散, 比表面积和孔径大, 孔容高, 且具有优异的热稳定性, 其中丙醇-水陈化体系中制备的CZ老化后比表面积和孔容分别可达28 m²/g和0.1 mL/g, 具有最高的热稳定性, 其负载的单Pd催化剂在老化后对C₃H₈、CO和NO转化显著优于乙二醇-水和丙三醇-水陈化体系中制备的CZ所制备的催化剂。

通过传统的固相反应方法制备了低温烧结微波介质陶瓷BiMg₂VO₆, 研究了该陶瓷与银的化学兼容性、物相、形貌及在720~840℃内的密度和微波介电性质, 并测试了陶瓷的红外反射光谱。结果表明: 陶瓷在780℃条件下与银共烧不发生反应, 相对密度大于93.8%。在780℃条件下烧结2 h得到的陶瓷具有最好的微波介电性能: 介电常数为13.4, Q×f值为15610 GHz (f = 8.775 GHz), 温度系数为-87.2×10^-6/℃。红外反射谱数据处理显示, BiMg₂VO₆的光频介电常数ε_∞ = 3.4, 微波频段的外推值为13.5。BiMg₂VO₆陶瓷好的微波介电性能和低的烧结温度, 使其有望用作新的低温共烧陶瓷。

采用溶胶-凝胶法在Pt/Ti/SiO₂/Si基板上制备了Au-BaTiO₃纳米复合薄膜, 并且对其晶体结构、微观组织和介电性能进行了研究。结果表明, Au在复合薄膜中以直径为5 ~ 22 nm的Au纳米粒子弥散地分布在BaTiO₃基体中。Au的添加量对复合薄膜的介电性能和表面形貌有很大影响, 其最佳添加量约为5mol%。复合薄膜经过550℃的低温退火已经完全结晶为钙钛矿相, 其介电常数与700℃退火的纯BaTiO₃薄膜的相当。在Au-BaTiO₃复合薄膜的结晶过程中, 一方面, Au纳米粒子可能促进了中间相的分解; 另一方面, Au纳米粒子诱发了钙钛矿相的异质形核, 促进了BaTiO₃的结晶化。因此, Au纳米粒子大幅度地降低了复合薄膜的退火温度, 并显著提高了复合薄膜的介电性能。

本研究采用平面硅与纳米硅分别与旋涂法生长的[6,6]-苯基C61-丁酸甲酯(PCBM)形成有机-无机杂化异质结,对比研究了两种异质结界面电学特性的差异。结果显示, 平面Si/PCBM和纳米Si/PCBM两种异质结都表现出明显的整流特性, 但相对于平面Si/PCBM异质结, 纳米Si/PCBM异质结有较大的导通电压和较小的电流密度。为了深入研究导致这种差异的相关物理机制, 通过阻抗谱(IS)表征技术进一步研究了两种异质结因界面变化而产生的电阻、电容的变化趋势。阻抗测试分析表明, Si/PCBM异质结界面存在的大量缺陷致使寄生效应进一步增大, 影响了器件中电荷的输运。

本工作所采用的样品为锆钛酸铅陶瓷PZT-5H与PZT-8, 用动态力学分析仪(DMA)测试了极化前后PZT-5H与PZT-8在不同力学荷载频率下的杨氏模量和内耗与温度的关系。结果表明: PZT-5H和PZT-8的铁电-顺电相变温度(T_c)分别为438 K和550 K。极化前后PZT-8的杨氏模量都高于PZT-5H, 这是由于硬性取代导致PZT-8的内应力大于PZT-5H。极化后, PZT-5H与PZT-8的杨氏模量增大, 本文研究了极化前后压电效应对模量变化的影响。测试得出两种样品都存在一个弛豫内耗峰。分析表明, PZT-8的弛豫内耗峰由氧空位的扩散引起, 而PZT-5H弛豫内耗峰的形成机制则比较复杂, 与畴壁运动及畴壁在运动过程中与点缺陷的相互作用有关。计算得出极化后两种样品的弛豫激活能增加, 原因是极化导致局部内应力升高, 空间电荷沿极化电场排列, 两种因素都会对畴壁及空位的运动产生钉扎效应, 从而使弛豫过程更加困难。