碳化锆(ZrC)陶瓷复合材料具有熔点高、密度低、耐烧蚀的优点, 在超硬、航天防热、新能源等领域应用前景广阔。本文概述了ZrC金属陶瓷和复相陶瓷、纤维增强ZrC复合材料的制备方法。着重介绍了粉末烧结、先驱体转化、反应浸渗等工艺的应用, 并讨论了不同制备工艺下复合材料显微组织的特点。在总结两类材料力学性能和烧蚀性能的基础上, 分析了各自的影响因素, 并指出ZrC金属陶瓷和复相陶瓷韧性低, 纤维增强ZrC复合材料烧蚀层易剥落的问题。最后总结展望了ZrC陶瓷复合材料相关研究的发展趋势。

采用ZrOCl₂溶液浸渍法把锆化合物引入碳纤维预制体, 经热处理、热梯度化学气相渗透致密化和高温石墨化工艺制备了C/C-ZrC复合材料。性能测试结果表明, C/C复合材料的弯曲强度和模量随ZrC含量的增加而增大, ZrC含量为12.08wt%时, 其强度和模量分别为42.5 MPa 和9.6 GPa, 比未改性试样分别提高了70.0%和43.3%。基体中结合较弱的微米级ZrC颗粒的存在不利于碳基体强度的提高, 但其对材料最终性能的影响是次要的, 碳基体中亚微米/纳米级ZrC颗粒的存在和良好的ZrC-C界面结合, 提高了碳基体的强度和模量, 进而提高了复合材料的最终性能。

采用第一性原理计算研究了超硬材料z-BC₂N的弹性各向异性性质、应力-应变关系、硬度及最小热导率性质。计算得到的晶体力学行为判据B/G为0.87, 泊松比为0.084, 普适弹性各向异性指数为0.09992。[100]晶向上最大拉伸强度达到180 GPa, 应变方向上最大剪切强度达到160 GPa, 维氏硬度值为77.07 GPa。基于Cahill模型得到的最小热导率为6.811 W/(m·K)。结果表明: z-BC₂N是脆性材料且力学稳定性良好, 有非常高的拉伸强度、剪切强度, 体弹模量为各向同性, 杨氏模量各向异性程度不大。z-BC₂N的最小热导率低于金刚石的最小热导率。

通过改变氢气对硅烷的稀释比R, 采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法制备出具有非晶/微晶相变过渡区的氢化硅薄膜, 并研究了所得硅膜在不同沉积阶段的微观结构和形貌、晶化效果和电学性能。研究结果表明, 当R=10时, 样品呈典型的非晶特性; 随着氢稀释比的增大, 薄膜表现出两相结构, 且衬底表面处的非晶过渡层逐渐减薄, 也即非晶向微晶的转变提前。但XRD结果显示, 硅膜的晶化率和平均晶粒尺寸随着R的增加呈先增后减的趋势, 在R=28.6时达到最大值。另外, 暗电导率和载流子浓度表现出了与晶化率一样的变化趋势, 显示出硅膜的电学性能与微观结构的高度正相关性。

采用静电纺丝法制备了平均直径分别为180 nm和220 nm的BaTiO₃(BTO)和Ni_0.4Co_0.2Zn_0.4Fe₂O₄(NCZFO)纳米纤维, 使用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)和矢量网络分析仪(VNA)对纤维的物相结构、表面形貌和微波电磁参数进行了表征, 并根据传输线理论分析评估了以BTO和NCZFO纳米纤维为吸收剂的硅橡胶基单层和双层结构吸波涂层在2~18 GHz范围内的微波吸收性能。结果显示, 由于BTO纳米纤维的介电损耗与NCZFO纳米纤维的磁损耗的有机结合和阻抗匹配特性的改善, 以NCZFO纳米纤维/硅橡胶复合体(S1)为匹配层、BTO纳米纤维/硅橡胶复合体(S2)为吸收层的双层吸波涂层比相应单层吸波涂层表现出更为优异的吸收性能。通过调节匹配层与吸收层的厚度, 在4.9~18 GHz范围内反射损耗可达–20 dB以下; 当吸收层和匹配层的厚度分别为2.3 mm和0.5 mm时, 最小反射损耗位于9.5 GHz达–87.8 dB, 低于–20 dB的吸收带宽为5 GHz。优化设计的NCZFO/BTO纳米纤维双层吸波涂层有望发展成为一种新型的宽频带强吸收吸波材料。

采用无水乙醇基浆料结合喷雾造粒工艺制备YAG透明陶瓷粉体, 通过扫描电子显微镜、压汞仪、能谱仪及紫外–可见–红外透过光谱系统研究了不同PVB粘结剂添加量下YAG造粒颗粒的形貌、尺寸、成型性能及其破碎行为, 对成型素坯的孔分布及烧制透明陶瓷的显微结构及光学性能进行了详细表征。在优化PVB添加量为1.0wt%时, 造粒粉体为实心单分散颗粒, 球形度高、化学均匀性好, 其平均粒径约为40 μm, 成型性能优异; 在75 MPa压力下, 造粒颗粒完全破碎形成密实均一的坯体结构。烧结后的YAG透明陶瓷显微结构均一, 无气孔及其他缺陷, 光学质量优异。

通过热分解法制备了Ti/RuO₂和Ti/Ru-La-O氧化物涂层, 利用微分电容和极化曲线等实验方法对涂层Clˉ特性吸附、La对RuO₂涂层析氯反应过程的影响及反应机理进行了研究。结果表明, 在NaCl溶液中, 涂层表面存在Clˉ的特性吸附, 这种特性吸附对析氯反应的动力学产生了影响, 导致Tafel斜率上升, 反应级数下降, 加入La使氧化钌涂层的过电位下降, 交换电流密度增大, 有利于析氯反应的进行。本文对涂层存在的两种可能反应机理进行了比较分析, 认为在中性NaCl溶液中析氯反应是由过程控制的。

采用部分共沉淀法制备锆钛酸铅镧(PLZT)粉体, 分别用普通马弗炉和微波马弗炉进行烧结成瓷, 对比分析不同烧结方法对PLZT陶瓷的晶体结构、微观形貌和电学性能的影响。结果表明: 微波烧结和常规烧结均成功制备出钙钛矿相PLZT陶瓷。采用微波烧结得到的PLZT陶瓷样品比常规烧结的晶粒细小, 尺寸更均匀, 孔洞较少; 在电学性能相近时, 微波烧结温度远低于常规烧结, 且保温时间远小于常规烧结。在1000℃进行微波烧结, 陶瓷的介电常数ε_r和压电常数d₃₃最大, ε_r为2512, d33为405 pC/N, 此时, 剩余极化强度为16.5 kV/cm, 矫顽场为8.2 μC/cm²; 在1250℃常规烧结, 陶瓷的介电常数最大, 为2822, 压电常数最大, 为508 pC/N, 剩余极化强度为21.6 kV/cm, 矫顽场为9.6 μC/cm²。

为了解决氧化钌(RuO₂)沉积电位过高, 难以在三维微结构金属集流体上直接沉积的问题, 提出采用分步电沉积方法在微三维结构镍(Ni)集流体上制备RuO₂复合膜电极, 即先在三维微结构Ni集流体上沉积聚吡咯/氧化石墨烯(PPy/GO)薄膜作为基底, 经热处理后, 在基底上二次沉积出RuO₂颗粒, 最后再对RuO₂复合薄膜进行二次热处理。扫描电子显微镜(SEM)观察显示, 随着热处理温度的升高, 薄膜表面多孔结构增多, 达到了提高膜电极结构孔隙分布的目的。能量分散谱(EDS)和X射线光电子能谱分析(XPS)表明, 薄膜中无定形RuO₂·xH₂O的存在保证了膜电极的大比容量。电化学性能测试结果表明, 经105℃处理后的膜电极电化学性能最佳, 比电容为28.5 mF/cm², 能量密度为0.04 Wh/m², 功率密度为14.25 W/m²。采用分步电沉积方法制备出的RuO₂复合薄膜是一种良好的MEMS超级电容器电极材料。

采用传统固相反应法与两步合成法制备了PrBi₄Fe_0.5Co_0.5Ti₃O₁₅陶瓷, 研究了Pr与Co共掺杂对Bi₅FeTi₃O₁₅陶瓷的结构、磁性能以及介电性能的影响。X射线衍射分析显示, 传统固相反应法制备的样品比两步法制备的样品更容易形成单相结构。铁电和磁性测量证明样品具有多铁性, 并且Pr与Co共掺杂能大幅提高材料的磁性能, 固相反应法与两步合成法制备的样品在室温下的剩余磁化强度(2M_r)分别为0.315, 0.576 Am²/kg, 比文献报道的Bi₅FeTi₃O₁₅陶瓷的2M_r ( 2.7 Am²/kg ) 高5个数量级, 比掺Co的Bi₅Fe_0.5Co_0.5Ti₃O₁₅陶瓷2M_r ( 7.8×10^-3 Am²/kg ) 高2个数量级。

本研究模拟细胞外基质成分与结构, 采用静电纺丝法成功制备出明胶/壳聚糖/羟基磷灰石/氧化石墨烯四元复合纤维。重点考察该体系中物质浓度对复合纤维形貌及抗菌性能的影响。结果表明: 明胶浓度增大会增大纤维的直径, 但浓度过大会出现粘连现象, 其最佳浓度为15~20%; 加入壳聚糖(CS)会出现细纤维分支, 其浓度为1%左右较佳; 增加羟基磷灰石(HA)浓度, 可提高电纺液的导电性, 降低纤维中的珠状物和粘联现象发生, 粒径为12 μm的HA浓度为5%时纤维形态较好; 加入氧化石墨烯后可使纤维形态均匀、光滑。最后对四元复合纤维进行了抗菌性能考察, 发现氧化石墨烯的加入增强了复合纤维的抗菌性。明胶/壳聚糖/羟基磷灰石/氧化石墨烯四元复合纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均具有较好的抗菌效果。

本研究采用水热反应法, 在不同浓度环己烷六羧酸(H6E)模板调控作用下, 合成了具有不同表面微纳结构的羟基磷灰石(HAP)微粒, 并采用XRD、BET、FTIR和SEM对其进行表征。对HAP微粒进行了牛血清白蛋白(BSA)、纤维蛋白原(FN)和溶菌酶(LYS)的吸附及释放实验。结果表明: H6E能够在HAP微粒表面构建微纳结构, 不同微纳结构对不同蛋白质具有选择性吸附作用; 在H6E浓度为50 mmol/L的合成条件下制备的中空结构HAP微粒(HAP50)其载蛋白后体外释放具有明显的蛋白缓释性能。

在常温条件下, 采用原位晶化法在铜网载体上合成了包含Keggin型杂多酸H₃PMo₁₂O₄₀的Cu₃(BTC)₂(BTC= 1, 3, 5-均苯三甲酸)基金属-有机框架膜材料。利用XRD、FT-IR和SEM等方法对膜的结构、成分及形貌进行了表征。含磷钼杂多酸的Cu₃(BTC)₂基薄膜均匀地覆盖在铜丝表面上, 膜厚度约为8 μm, 晶体尺寸均一, 且融合生长。合成过程中, 经过预处理的铜网本身既是载体又是铜源。研究发现加入H₂O₂能有效地促进膜的合成。铜网负载的薄膜作为非均相催化剂, 在H₂O₂氧化降解罗丹明B的化学反应中表现出很高的催化活性, 反应100 min后, 降解率可达98%。膜催化剂重复使用三次, 均表现出较高的催化性能。

以低温燃烧法制备钨酸铋(LCM-Bi2WO6), 并表征了其晶体结构、形貌特征、等电点及紫外漫反射谱, 同时以染料罗丹明B(RhB)为目标污染物(25 mg/L, pH=4), 考察了所制备Bi₂WO₆的吸附性能和光催化性能, 并探讨了RhB溶液pH(1、4、7、10)及酸度调节剂成分(盐酸和硫酸)的影响。结果表明, 所制备Bi₂WO₆为正交相, 吸收极限波长为455 nm, 禁带宽度为2.72 eV, 晶格粒径为14.7 nm, 等电点为3.43; 其对RhB的吸附和光催化效果强于水热法制备Bi₂WO₆和二氧化钛(TiO₂)。不同pH溶液中, LCM-Bi₂WO₆对RhB的吸附过程和光催化过程分别符合准二级动力学方程和一级动力学方程式, 且吸附平衡量(7.48~21.93 mg/g)和光催化速率常数(0.0197~0.1181 min^-1)均随pH降低而增大。LCM-Bi₂WO₆对RhB的光催化降解主要由·OH所致。光催化过程中, RhB紫外可见光谱的蓝移现象揭示LCM-Bi2WO6可通过脱乙基-共轭显色基团断裂途径降解RhB。以H₂SO₄调节酸度时, SO₄^2-离子可被Bi₂WO₆强吸附, 从而使得LCM-Bi₂WO₆对RhB的平衡吸附量(qe为6.03 mg/g)和光催化速率(kv为0.115 min-1)远小于HCl调节(qe为21.93 mg/g, kv为0.1181 min-1)时对RhB的平衡吸附量和光催化速率。

采用挤出成型法制备系列Ti-Al-Si-O_x脱硝催化剂载体, 评价其NH₃选择性催化还原NO的活性。通过正交实验优化Ti-Al-Si-O_x配方, 采用液N₂-BET、ESEM及XRD分别表征载体的比表面积、孔容孔径分布、微观形貌和固相结构; 采用阿基米德法测试载体的吸水率、开气孔率和体积密度。结果表明, 当Ti/Al/Si摩尔比为1:0.2:0.1时, TiAl_0.2Si_0.1O_x载体NH₃-SCR脱除NO活性及轴向抗压碎强度匹配最好。当空速为7200 h^-1, 载体在450~550℃内NH₃-SCR脱除NO效率均＞80%, 494℃脱除NO效率达到最大值85.8%; 载体抗压碎强度为6.17 MPa, 比表面积为89.1 m²/g, 开气孔率达63.0%, 吸水率达48.3%, 介孔最可几分布为8.1 nm, 次可几分布为3.7 nm。TiAl_0.2Si_0.1O_x脱硝催化剂载体具备优异的性能。

通过水热法合成了不同浓度Er³⁺掺杂ZnWO₄纳米棒, 并通过XRD、TEM和DRS等对其进行了表征。通过在模拟太阳光照射下光降解RhB的速度来检测ZnWO₄样品的光催化活性, 研究了Er³⁺掺杂浓度对ZnWO₄催化活性的影响。实验结果表明, 当Er³⁺掺杂浓度为2mol%时, 其光催化性能最好, 因为引进Er³⁺后, Er³⁺加快了电荷分离效率。

TAPO-5膜可以通过三次生长法制备。它的完备性与所用晶种以及膜的多晶结构密切相关。393 K下晶化所得无定形晶种有利于引导制备完备性TAPO-5膜。然而, 晶态TAPO-5晶种引导制备的TAPO-5膜存在大量的裂纹(即晶界缺陷), 这破坏了膜的完备性。这些不同结果可以通过SEM、XRD 和单组分气体渗透(He)测试进行说明。它与铺展润湿法所形成的晶种层的不同形式有关。无定形晶种层的典型特征是晶种分散于载体的大孔缺陷中。然而, 晶态TAPO-5将以连续晶种层的形式存在。因此, 无定形晶种更适合引导制备完备性TAPO-5膜。