采用溶胶-凝胶、质子交换和层状剥离的方法, 制备出金红石TiO₂纳米片。利用X射线电子衍射谱(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、X光电子能谱(XPS)的价带谱和荧光光谱(PL)等对样品进行了表征, 研究了光生载流子的转移过程。结果证明: 金红石TiO₂纳米片具有较大的比表面积(185.7 m²/g), 厚度约5 nm, 与金红石TiO₂样品相比, 金红石TiO₂纳米片的禁带宽度增加, 氧化还原能力增强; 此外, 纳米片结构能够促使光生载流子快速转移到纳米片的表面并产生有效分离, 阻止了光生电子和空穴的复合, 提高了光催化反应中光生载流子的利用率。金红石纳米片的这些特性导致其具有较高的光催化活性, 紫外光催化降解对氯苯酚的实验表明: 金红石TiO₂纳米片的光催化活性高于金红石TiO₂和锐钛矿TiO₂样品。

利用水滑石的优良结构特性, 将具有光催化活性的Sn引入水滑石中得到光催化性能较高的含Sn水滑石材料, 通过X射线粉末衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、紫外可见漫反射图谱 (UV-Vis DRS)和比表面积测量(BET)技术对样品的晶相、分子结构、光学性能和比表面积进行分析表征。以可见光催化降解对氯苯酚(4-CP)为模型, 研究所合成样品的光催化活性。结果表明: 在可见光照射下, 水滑石骨架结构中含Sn的锌锡水滑石表现出更高的光催化活性, 对4-CP的降解率达到92.4%(去除量34.6 mg/g)。并利用气相色谱(GC)和密度泛函理论(DFT)对4-CP的降解中间产物和反应路径进行了推测, 发现光催化过程中的主要中间产物为对苯二酚和4-氯邻苯二酚。

以MnSO₄·H₂O为锰源, K₂S₂O₈为氧化剂, 制备了4种含有不同层间阳离子(Me, Me = Mg²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺)的buserite型氧化锰(Me-buserites)。采用X射线衍射(XRD)、电感耦合等离子体原子发射(ICP-AES)和N₂吸附-脱附(BET)对制成Me-buserites的晶相结构、元素组成和比表面积进行了表征。采用25 mL间歇式玻璃反应器, 考察了Me-buserites催化叔丁基过氧化氢歧化分解反应动力学。反应动力学分析表明: 反应底物叔丁基过氧化氢浓度项反应级数为2, Me-buserites形式浓度项反应级数为1, 总反应级数为3; 表观活化能为56~125 kJ/mol。与动力学拟合结果相一致的反应机理是由前置平衡和速控两个反应步骤组成。基于338 K反应温度准二级速率常数和0.5 h反应时间累积O₂体积决定的活性顺序为Cu-buserite>Mg-buserite>Ni-buserite>Co-buserite; 在选定反应条件下, 所有Me- buserites的叔丁醇选择性均为100%。

采用静电纺丝与气相还原氮化相结合的方式制备了用于白光LED远场封装的Ca_0.95Si₂O₂N₂: Eu_0.05²⁺ 带状荧光纤维。通过调节纺丝溶液的配比, 得到了带状结构的Ca-Si-O-Eu前驱体纳米纤维和Ca_0.95Si₂O₂N₂: Eu_0.05²⁺荧光纳米纤维。采用SEM、XRD、PL和HSP-3000 LED光谱测试系统等对材料进行了表征。微观上样品保持了带状纤维结构, 宏观上以薄膜的状态存在, 并具有一定的强度。样品在1250℃下保温4 h后的XRD图谱与CaSi₂O₂N₂的标准卡片相符合, Eu²⁺的掺杂没有改变CaSi₂O₂N₂的晶相。在400 nm激发光的照射下, Eu²⁺掺杂的CaSi₂O₂N₂带状纳米纤维在550 nm附近呈现出一个较宽的来自于Eu²⁺的4f⁶5d→4f⁷跃迁的发射峰。利用Ca_0.95Si₂O₂N₂: Eu²⁺带状荧光纤维膜和蓝光芯片远场封装的白光LED, 具有较低的色温(4832 K), 较高的显色指数(86)和流明效率(125 lm/W)。

采用水热法合成了不同铽离子掺杂量的BaZrO₃粉体, 采用XRD、SEM、FTIR、荧光光谱仪等检测方法对样品的结构、形貌及光学性能进行表征。对部分水热产物进行煅烧处理, 研究温度对其发光性能的影响。结果表明, 水热产物均为立方钙钛矿结构, 铽离子掺杂进入BaZrO₃晶格, 占据B位Zr的位置。样品的微观形貌为粒度分布较为均匀的球体。不同铽掺杂量得到的BaZrO₃球体在244 nm光激发下均观察到了来自基体的宽带发射和Tb³⁺的特征发射峰, 且在Tb³⁺掺杂浓度为5mol%附近峰值最大。温度对发光性能影响显著, 随着煅烧温度的升高, 发光强度逐渐减弱。

以ZnCl₂和FeCl₃.6H₂O为原料, 通过溶剂热法制备了尖晶石型ZnFe₂O₄材料, 通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、傅立叶红外光谱(FT-IR)和恒流充放电测试技术对材料的结构、形貌及电化学性能进行了表征。结果表明, 合成的材料为纳微多孔结构, 其颗粒粒径约为250 nm, 以50 mA/g的电流密度充放电时, 可逆比容量为933.1 mAh/g, 经过100次循环后, 比容量为813.5 mAh/g, 比容量保持率高达87.2%, 表现出优异的循环稳定性能。当电流密度增大到400 mA/g时, 其比容量约为355 mAh/g, 表现出较高的倍率性能。采用该法制备得到的纳米ZnFe₂O₄具有比容量高、循环稳定好等优点, 是一种具有较强应用前景的锂离子电池负极材料。

以褐煤萃取物为炭前驱体, MgO为阻隔剂, KOH为活化剂, 在800℃惰性气氛下制备出类石墨状多孔炭材料。对该多孔炭材料进行了红外(FTIR)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和拉曼(Raman)表征。以活化前和活化后多孔炭为电极材料, 利用循环伏安、恒电流充放电、交流阻抗对其进行了电化学电容性能评价和比较。结果表明: 活化后炭材料呈现多孔的薄膜状, 比表面积高达1396 m²/g, 而活化前炭材料比表面积仅为138.4 m²/g。当电流密度为1 A/g和4 A/g时, 活化后炭材料比电容分别为533 F/g和390 F/g; 而活化前炭材料对应的比电容为366 F/g和198 F/g。在电流密度为5 A/g下循环8000圈后, 活化前后炭材料的电容保持率分别为72.5%和89.6%。可见, 经过KOH活化后的炭材料比电容和电化学稳定性有了显著提高。该研究证明阻隔剂和活化剂的使用, 能够获得高度柔性的高电容性能的类石墨状多孔炭。

借助DSC、XRD、SEM和TEM等技术探讨了La₂O₃、Y₂O₃掺杂对非晶晶化法制备ZrO₂-mullite纳米复相陶瓷的影响。结果表明, 当Y₂O₃和La₂O₃的掺杂量分别小于4wt%和1.8wt%时, 能有效降低Si-Al-Zr-O系非晶的熔制温度, 抑制冷却过程中的失透现象, 有利于非晶形成且不影响主晶相的析出。单一Y₂O₃掺杂时, Y主要固溶于氧化锆中, 稳定t-ZrO₂, 且抑制堇青石析出, 对晶粒大小影响不大; 而Y₂O₃和La₂O₃混合掺杂时, Y和La主要存在于玻璃相中, 强化晶界, 且La能明显促进ZrO₂、mullite晶粒长大。Y₂O₃和La₂O₃的合适添加量分别为1.0wt%~ 2.0wt%和0.6wt%~ 1.2wt%。

将钇稳定氧化锆(3Y-PSZ)冷等静压素坯在原位测量仪中进行恒速无压烧结, 升温速率分别为2、5、8℃/min, 通过原位测量仪保存图像, 并用软件Image-Pro Plus 6.0对图像进行处理, 得到收缩数据, 建立氧化锆的控制烧结曲线(MSC), 成功计算出其烧结活化能Q为685.7 kJ/mol。并对控制烧结曲线进行扩展(EMSCE), 模拟出恒定加热速率下整个烧结过程中温度与相对密度的关系, 而不仅仅是预测最终密度。该研究提供了一种预测材料烧结制度的可能性, 确保了所选烧结时间和烧结温度的高精确度和可重复性。

碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC/SiC)是极具前景的高温结构材料。通过先驱体浸渍裂解(PIP)工艺分别制备了PyC界面和CNTs界面SiC/SiC复合材料, 对两种SiC/SiC复合材料的整体力学性能以及界面剪切强度等进行了测试表征, 并对材料中裂纹的产生与扩展进行了原位观测。结果表明, 两种界面SiC/SiC复合材料弯曲强度相近, 但PyC界面SiC/SiC复合材料的断裂韧性约为CNTs界面SiC/SiC复合材料的两倍。在PyC界面SiC/SiC复合材料中, 裂纹沿纤维-基体界面扩展, PyC涂层能够偏转或阻止裂纹, 材料呈现伪塑性断裂特征; 而在CNTs界面SiC/SiC复合材料中, 裂纹在扩展路径上遇到界面并不偏转, 初始裂纹最终发展为主裂纹, 材料呈现脆性断裂模式。

采用溶胶-凝胶法制得MnCo₂O₄纳米粉体, 通过XRD和TEM分析了粉体的物相和形貌; 通过添加适量乙基纤维素和松油醇经研磨制成浆料, 并采用丝网印刷法涂覆于SUS430基片上, 在900℃下95%N₂+5%H₂气氛中保温3 h, 再于800℃空气气氛中保温10 h烧结得到涂层。采用SEM对涂层的表面和断面进行了观察, 在750℃空气气氛下测试了SUS430/MnCo₂O₄样品的导电性能和抗氧化性能, 最后采用EDS对涂层的断面进行分析。结果表明: MnCo₂O₄粉体为单一的立方尖晶石相, 晶粒大小均匀, 粒径约150 nm; MnCo₂O₄涂层致密,与基体紧密结合且厚度均匀。SUS430/MnCo₂O₄样品在750℃空气气氛下经1000 h氧化后, 氧化增重量仅为0.15 mg/cm², 是SUS430合金氧化增重量的1/6; 面比电阻值为0.026 Ω·cm², 比SUS430合金的面比电阻值低了两个数量级; EDS结果表明: Cr元素主要分布在涂层与合金的界面, 在涂层内部无分布。研究显示, MnCo₂O₄涂层能显著降低SUS430合金基体的氧化速率, 有效改善其在高温下的导电性能, 并成功抑制Cr元素的挥发。

真空超声辅助化学镀铜, 可以在大体积泡沫炭内部孔隙表面镀铜, 但沉铜分布不均。在此基础上, 本研究强制镀液在泡沫炭内部充分流动, 并探究流动方式对镀层性能的影响。相比于镀液单向流动, 镀液双向流动实现了铜增量的均匀分布, 轴向切片铜的增重率超过7.10%, 整块泡沫炭铜的增重率为7.68%; 镀层均匀致密, 平整光滑, 厚度超过5 μm, 各向分布差异很小; 镀层无CuO、Cu₂O杂质; 机械性能、电学性能都得到均匀地提高, 压缩强度从0.70 MPa增大至1.54 MPa, 电导率从700 S/cm 增加至1724 S/cm。

氧化铁黄颜料因耐热性差而限制了在塑料加工和卷材涂料中的应用。本研究以氧化铁黄为前驱体, 采用沉淀法合成氢氧化铝包覆氧化铁黄颜料, 采用XRD、FT-IR、TG-DTA、SEM&EDS和TEM等方法表征包覆型铁黄颜料的结构, 探讨了反应pH对复合材料微结构以及耐热性能的影响。结果表明, pH为4时, 铁黄表面包覆层为无定型氢氧化铝; pH提高至6、8和10时, 表面包覆层为晶态薄水铝石相。包覆后氧化铁黄颜料耐热性有了较大提升。特别在pH为8、10时, 铁黄颜料 240℃下耐热处理30 min后色差值较小, 与表面包覆层形成的薄水铝石相密切相关。铁黄包覆前后, 保持了原先的针状结构, 未出现团聚; 当pH为10时, 包覆后铁黄颜料除针状结构外, 还出现了较粗的晶态棒状物, 可能与羟基氧化铝在反应过程中自身成核有关, 解释了DTA图谱上246℃处出现的特殊吸热峰。本研究为耐温铁黄颜料开发提供了理论与实践指导。

调湿材料是一种重要的健康环保材料。本工作以硅藻土(DE)和重质碳酸钙(GCC)为原料, 用焙烧法制备了硅藻土/重质碳酸钙复合调湿材料(DE/GCC)。采用X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪、场发射扫描电子显微镜和低温氮吸附法对样品的物相、表面官能团、微观形貌、表面元素组成和孔结构特性进行了表征, 在恒温高湿度环境(RH=70%、80%、90%; 30℃)下测试了样品的吸湿性能, 并进行吸湿动力学和吸湿机理分析。结果表明, 焙烧法制备的DE/GCC中生成了硅酸钙和氢氧钙石, DE/GCC的介孔含量增多, 易于形成毛细管凝聚。在相对湿度为70%、80%和90%恒温高湿度环境下, DE/GCC的36 h吸湿量分别达到7.213%、11.159%和14.701%, 分别提高到DE的2.1、2.9和3.0倍。吸湿过程动力学符合准二级动力学模型。

将介孔生物活性玻璃用于修复酸蚀的牙釉质, 样品经模拟刷牙后, 浸泡在自然唾液中。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、聚焦离子束(FIB)切割后透射电镜(TEM)观察、X射线能谱分析(EDX)、选区电子衍射(SAED)分析, 及纳米压痕力学测试等表征显示, 经过介孔生物活性玻璃处理后的牙釉质, 在唾液中浸泡6 h, 牙釉质表面形成棒状类骨磷灰石; 浸泡24 h, 表面形成均匀矿化层, 厚度约为100 nm, 且和牙釉质基体结合紧密, 钙磷比接近牙釉质基体。矿化层在300 µN作用下, 出现划痕爆破值, 其显微力学性能为(3.37±0.62) GPa, 弹性模量为(60.48±4.56) GPa, 均达到未酸蚀牙釉质的75%。实验结果表明, 介孔生物活性玻璃可较快地诱导矿化, 有望用于酸蚀牙釉质修复及早期龋齿的预防。

本研究报道了一种新颖的、模拟口腔环境的仿生修复牙齿的方法。利用具有良好生物相容性的多巴胺在牛牙牙本质表面自聚合形成聚多巴胺层(PDA)使牙本质表面功能化, 进而诱导羟基磷灰石从模拟唾液中向牙本质表面沉积。XPS、XRD、SEM和EDS表征分析表明: 聚多巴胺层的涂覆有利于牙本质表面羟基磷灰石晶体的结晶生长, 可提高羟基磷灰石再矿化层与牙本质表面的结合力; 多巴胺溶液浓度为2 mg/mL时, 牙本质表面聚多巴胺层的沉积效果最佳。

采用真空等离子体喷涂技术制备了B₄C-Mo复合涂层, 并对其耐磨性能进行了研究。与B₄C纯涂层相比, 复合涂层结构更为致密, (B, Mo)C过渡相的存在改善了B₄C相与Mo相之间的润湿性, 进而有效提高了涂层的抗摩擦磨损性能。此外, Mo在喷涂过程中形成了大量的纳米晶, 这也在一定程度上促进了复合涂层耐磨性能的提高。

从组成上看, 自然骨是一种无机与有机的复合材料; 从结构上看, 致密骨的基本结构单位为内壁血管化的骨单位。本研究基于组成与结构仿生的原理制备组织工程化支架, 模拟具有复杂结构的密质骨的基本单位——骨单位。为此, 通过静电纺丝和双螺杆挤出相结合的两步制造法, 制备一种具有双层结构的聚己内酯/磷酸钙(PCL/CaP)复合骨支架, 其内层是由电纺纳米纤维组成的空心管, 可贴附内皮细胞层形成与哈佛氏管相类似的结构; 其外层是具有高孔隙率的螺旋状PCL/CaP微丝, 可复合前成骨细胞以模拟骨单位结构中的外层骨样组织。为进一步探索材料组成对于支架生物功能的影响, 分别设计了外层为PCL, PCL/双相磷酸钙(PCL/BCP)和PCL/β-磷酸三钙(PCL/β-TCP)的复合支架, 比较了材料组分变化对外层微丝结构及前成骨细胞(MC3T3-E1)活性的影响。相比于PCL和PCL/β-TCP, PCL/BCP微丝更能显著增强细胞的生长和钙的沉积, 并成功获得可精确调控不同细胞的空间分布的双层复合支架, 实现对复杂结构骨单位的模拟构建, 显示出很好的应用前景。