连续SiC纤维最主要的制备方法是先驱体转化法, 目前已发展到第三代, 它主要作为SiC基复合材料(SiC_f/SiC)的增强体。SiC_f/SiC具有优异的耐高温、抗氧化和高温抗蠕变性, 及其在中子辐照条件下的低放射性, 成为高温、辐射等苛刻条件下结构部件的优先候选材料。本文首先对国内外SiC纤维的发展, 尤其是对第三代SiC纤维的不同制备思路和特征进行了介绍。然后, 对SiC_f/SiC制备工艺和性能的进展进行了综述, 突出了制备工艺创新与SiC纤维发展的关系。最后, 对近几年SiC_f/SiC在高性能航空发动机、聚变反应堆领域的应用进展进行了总结, 并对国内连续SiC纤维和SiC_f/SiC复合材料的发展进行了展望。

采用物理气相传输法(PVT)制备了2英寸Ge掺杂和非掺SiC晶体, 并使用二次离子质谱仪(SIMS)、显微拉曼光谱(Raman spectra)仪、体式显微镜、激光共聚焦显微镜(LEXT)和高分辨X射线衍射(HRXRD)仪等测试手段对其进行了表征。结果表明, Ge元素可以有效地掺入SiC晶体材料中, 且掺杂浓度达到2.52×10¹⁸/cm³, 伴随生长过程中Ge组份的消耗和泄漏, 掺杂浓度逐渐降低; 生长初期高浓度Ge掺杂会促使6H-SiC向15R-SiC晶型转化, 并随着生长过程中Ge浓度的降低快速地转回6H-SiC稳定生长。用LEXT显微镜观察发现, 生长初期过高的Ge掺杂导致空洞明显增多, 位错密度增加, 掺杂晶体中位错密度较非掺晶体增大一倍。HRXRD分析表明掺Ge能增大SiC晶格常数, 这将有利于提高与外延III族氮化物材料适配度, 并改善器件的性能。

利用直流电弧等离子体方法制备出稀土氮化物ScN、YN微晶, 这是一种快速、低成本、高产量的新方法, 可用来制备稀土金属氮化物。结构物性表征和能谱成分分析结果表明, 所制备的ScN晶体为满足化学计量比的单晶, 而YN晶体为非化学计量比的多晶, 其中Y的含量高于N。综合XRD、EDS、HRTEM和PL结果分析表明, YN晶体主要由大量随机取向的单晶颗粒组成, 单晶颗粒间分布着一些非晶的金属Y, 光谱结果分析表明YN中存在大量的N空位。此外, 对样品的微观结构形成机理进行了系统分析, 由于Y族金属氮化物中有限组分较高的解离压力以及产物在生长过程中经历较高的淬火速率(10³ K/s), 导致YN解离而形成的Y金属团簇的无序排列, 进而使其在冷却过程中形成了非晶结构。

本研究制备了具有不同形式棱角的NH₄H₂PO₄(ADP)晶体Z切片样品。通过实验, 观察不同Z切片薄表面层形成及生长特性, 并计算了不同棱角情况下薄表面层的切向生长速度V及其动力学系数β。结果表明, 正常棱角的缺失, 影响Z切片对其原有形态的“判断”, 进而影响薄表面层的形成及生长; 薄表面层在正常棱角处相遇形成相交角后, 将主要在相交角处形成并向棱边扩展生长, 表明棱角可能为薄表面层的主要生长源。此外, 计算结果显示, 正常棱角处薄表面层切向生长的平均生长动力学系数β_n为131.8 μm/s, 远大于棱角缺失后薄表面层切向生长的平均生长动力学系数β_a=11.6 μm/s, 即正常棱角缺失后, 薄表面层的切向生长速度将大大降低。

结合油酸钠溶液化学计算、硫酸钙晶须晶面衍射和分子动力学模拟, 研究了硫酸钙晶须不同晶面的结构、油酸钠在不同晶面的吸附和硫酸钙晶须的晶面生长。结果表明: 硫酸钙晶须晶面中, 钙原子与氧原子、氢原子规律分布在(200)晶面和(400)晶面表面; 与其它晶面相比, 油酸钠与(200)晶面和(400)晶面的作用能较小, 吸附构型稳定; (200)晶面和(400)晶面上油酸根与钙离子之间的距离分别为0.239 nm和0.237 nm, 小于作用后的油酸根与钠离子之间的距离, 得出钙原子是油酸根在晶须晶面作用的活性位点。油酸钠的选择性吸附阻止了(200)晶面和(400)晶面的生长, 晶面生长速率的差异使得晶须沿c轴择优生长。

以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板剂, 氨水为沉淀剂, 通过水热法并焙烧处理合成氧化铬催化剂。采用X射线衍射分析(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)和透射电镜(TEM)等技术对催化剂的物化性质进行了表征, 并考察常温不同NO初始浓度下氧化铬催化剂的NO氧化性能。结果表明: 在空速为60000 mL/(g·h)和NO浓度为1×10^-6的条件下, 100℃水热温度制备的Cr-100催化剂表现出最优的性能, 常温下NO消除率高达90%以上并保持120 h, 其优异的常温催化性能与催化剂表面较高的Cr⁶⁺/Cr³⁺摩尔比有关。研究结果表明: 催化剂的失活主要是由于硝酸根在催化剂表面的累积而导致催化剂活性中心被覆盖, 低浓度下能减缓硝酸根的积累。

通过MoO₃与TiO₂相互支撑的方法制备了一系列多孔钼钛氧化物, 并在此基础上研究了该材料结构在随焙烧温度变化过程中的转变机制, 通过XRD、BET、FESEM、TG/DTG等表征分析, 当焙烧温度低于600℃时, MoO₃呈固体状态, 通过MoO₃与TiO₂相互支撑可以制备出比表面积高达182 m²/g的介孔钼钛氧化物, 可负载更多分散良好的MoO₃, 其加氢脱硫性能显著优于常规浸渍法制备的催化材料; 当焙烧温度高于600℃时, MoO₃呈熔融状态, “自支撑效应”消失, 钼钛氧化物孔结构发生坍塌。

以MnO_x-CeO₂为活性组分, 以三聚氰胺为还原剂, 制备了球形活性炭(SAC)担载MnO_x-CeO₂和三聚氰胺的复合催化剂, 并考察了该催化剂在低温下(120~180℃)对NO的选择性催化还原(SCR)反应行为。实验还利用扫描电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)、X射线衍射(XRD)和低温N₂吸附法等技术对催化剂进行了表征。结果表明, 当反应温度为180℃、空速为6000 h^-1、NO和O₂浓度分别为0.1%和8%时, 担载8% Mn(摩尔比Mn:Ce固定为1:1)和10%三聚氰胺的催化剂可在8.8 h内实现99%的NO_x转化率。煅烧温度高于400℃将促使MnO_x-CeO₂形成更大的晶体颗粒和更加规整的晶型结构, 从而降低其melamine-SCR活性。三聚氰胺担载量高于15%将造成催化剂比表面积和孔容的急剧减小, 最终导致其稳态NO_x转化率的下降。而金属氧化物担载量的增加和反应温度的升高都有利于Melamine-SCR反应, 且在较宽的NO和O₂浓度范围内, 催化剂的稳态NO_x转化率都能维持在99%左右。

在低的有机胺和离子液体用量条件下, 采用晶种协助改进的离子热法高效合成了LTA拓扑结构的磷酸铝分子筛, 考察了有机胺的类型、晶化温度、有机物种用量及晶种对LTA型分子筛合成的影响, 并优化了合成条件。合成结果表明, 即使初始凝胶中离子液体/Al₂O₃和有机胺/Al₂O₃的摩尔比均降低至0.67, 通过添加少量晶种的办法仍可成功合成LTA分子筛。在优化合成条件下, 分子筛产物的无机原子利用率可高达86%。采用XRD、SEM、氮气物理吸脱附、TG-DTA、CHN元素分析和¹³C NMR对上述分子筛的结构、形貌及孔穴中的有机物种进行了全面分析。结果表明所合成的LTA分子筛是一种同时含有微孔和介孔结构的多级孔分子筛, 吗啉和1-乙基-3-甲基咪唑阳离子之间的协同效应导向了LTA分子筛的生成。

本研究采用流延法制备Ba(Zr_0.15Ti_0.85)O₃(BZT)厚膜样品。采用扫描电子显微镜分析样品形貌; 采用LCR测试仪和Sawyer-Tower电路法测量样品的介电与铁电性能。结果表明, BZT厚膜具有明显的介电弛豫特征, 击穿电场强度可达60 kV/cm以上, 饱和极化强度可达58.1 μC/ cm², 剩余极化强度(Pr)为20.9 μC/ cm²。

以Ni(NO₃)₂为Ni源, 利用液相浸渍法在氧化石墨层间吸附Ni²⁺, 通过H₂热还原制备出Ni/还原氧化石墨纳米复合材料。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)及网络矢量分析仪等对样品的结构及性能进行分析和表征, 研究了Ni(NO₃)₂浓度对材料微观形貌及电磁性能的影响。结果表明, 所制备材料为纳米级Ni颗粒与RGO的复合体, 具有优良的微波吸收性能; 当Ni(NO₃)₂浓度为1.5 mol/L时, 材料电磁吸收性能最佳, 在2~18 GHz频率范围内, 材料厚度为2 mm时, 反射损耗(RL)小于-5 dB的频率范围可达9 GHz, RL_max可达-40 dB。

采用尿素分解法制备了NiAl、CoAl及NiCoAl三种氢氧化物。经XRD、FT-IR、SEM、XPS和N₂吸脱附等方法对样品进行结构和形貌表征, 结果表明: 三种材料都为类水滑石结构, 形貌各不相同, NiCoAl氢氧化物的比表面积最小, 其中Ni和Co元素都以二价的形式存在。通过循环伏安(CV)、恒电流充放电 (GCD)、交流阻抗对样品的电化学性能进行评估, 结果表明: 电流密度为0.6 A/g时, NiAl、CoAl、NiCoAl电极的比电容分别为468、507、929 F/g, 电流密度为6 A/g, 经3000次恒电流充放电测试后, 三种电极比电容的保持率分别为30%、36%、40%。这说明, NiCoAl氢氧化物具有优于其它两种材料的电化学性能。

通过阳极氧化法在乙二醇电解液中制备TiO₂纳米管阵列, 以钼酸钠和硫脲作为钼源和硫源, 并添加半胱氨酸为辅助剂, 水热法制备纳米花状二硫化钼修饰的TiO₂纳米管阵列。用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪和拉曼光谱对复合材料的晶型、形貌、物相等进行分析, 通过电化学工作站测试复合材料的线性扫描伏安曲线、电化学阻抗谱和莫特-肖特基曲线。结果表明: MoS₂/TiO₂复合材料形貌比较规整均匀, MoS₂纳米花尺寸约为200 nm; MoS₂与TiO₂复合有利于形成异质结, 促进光生电子和空穴的分离; 当钼酸钠浓度为0.8 mmol/L时制备的复合材料光化学能转化率为纯氧化钛的2.89倍, 达到了1.65%, 而且复合材料的电荷转移电阻降低了约50%, 光生载流子浓度提高了24倍, 达到了3.38×10²³ cm^-3, 具有非常优异的光电化学性能。

以LiOH溶液和不同粒径的自制球形TiO₂为反应物, 通过水热法快速地合成了尖晶石型结构的球形Li₄Ti₅O₁₂, 并考察了材料合成的水热反应机理和电化学性能。TiO₂在100℃、5 mol/L LiOH溶液中经水热反应20 h得到前驱体, 再经800℃热处理2 h便可得到粒径大小不同(0.5~1.5 µm)且分布均匀的球形尖晶石Li₄Ti₅O₁₂材料。LiOH在水热反应条件下扩散到球形TiO₂内部, 得到在分子水平混合均匀的Li-Ti-O中间体, 利于高温下生成纯相的尖晶石Li₄Ti₅O₁₂。所得粒径大小不同的Li₄Ti₅O₁₂材料均表现出稳定的电化学循环充放电性能, 其中, 粒径为0.5 µm 的Li₄Ti₅O₁₂材料的电化学性能最好: 室温下, 以0.2 C的倍率进行充放电, 其可逆容量达到158 mAh/g, 70周后容量保持率高于99%; 同时还表现出优异的高温循环稳定性, 55℃下以0.2 C的倍率进行充放电, 50次循环后其可逆放电比容量仍能达到125 mAh/g。

以溶胶-凝胶法合成了PPP@Zn_1-xCo_xO纳米复合热电材料(x=0, 0.025), 再以放电等离子烧结制备成块体, 并对其热电性能进行了研究。由透射电镜照片发现, PPP纳米颗粒尺寸在200 nm以下。热电性能分析表明, 随着PPP添加量的增加, 赛贝克系数先增大后减小。电导率随PPP含量增加而大幅度提高。与ZnO块体材料相比, 溶胶-凝胶法合成的PPP@Zn_1-xCo_xO纳米复合热电材料的热导率大幅度降低, 在640 K时, 9wt% PPP的纳米复合热电材料热导率降低至5.4 W/(m·K)。电导率的增加和热导率的降低, 导致热电性能大幅度提高, 9wt%PPP@Zn_0.975Co_0.025O纳米复合热电材料在870 K时具有最大ZT值(0.16), 是Zn_0.975Co_0.025O材料的8倍。

单相多晶锰氧化物样品La_0.4Ca_0.6Mn_0.98Ru_0.02O₃具有典型的电子相分离基态, 即低温下铁磁金属相与电荷有序绝缘相共存并竞争, 这为我们研究电致电阻效应提供了很好的模型。本论文基于此目的, 采用固相合成法制备了La_0.4Ca_0.6Mn_0.98Ru_0.02O₃的多晶陶瓷样品, 用X射线衍射证明了样品是单相, 并详细测量了样品的电致电阻效应。实验结果表明, 该体系的电阻率能够在大范围内被输入电流调控, 获得的电致电阻效应高达80%以上。此外, 低温下该样品的电阻态可以通过改变电流输入强度进行连续转换, 反映了样品基态在电流的激发下发生了改变。通过讨论, 我们认为这些观测到的物理效应起源于输入电流提升了样品中的铁磁金属相的稳定性。

通过光学浮区法生长了不同浓度的β-(Al, Ga)₂O₃混晶。当Al³⁺掺杂浓度达到0.26的时候, 晶体生长出现开裂现象。进行X射线衍射分析, 结果表明所得β-(Al, Ga)₂O₃混晶保持了β-Ga₂O₃的晶体结构, 晶体没有出现其他杂质相, 并且随着Al³⁺浓度的增加, 晶格常数a、b、c减小, β角增大; 核磁共振光谱显示Al的确进入了Ga的格位并且取代了Ga的四配位和六配位格位, 两者的比例约为1: 3。通过测试β-(Al, Ga)₂O₃混晶的透过光谱, 得出β-(Al, Ga)₂O₃混晶的禁带调节范围为4.72~5.32 eV, 扩大了β-Ga₂O₃晶体在更短波段的光电子探测器方面的应用。

为了提高在硅基上外延砷化镓薄膜的质量和实验的可重复性, 我们提出了一种叫做四步生长法的新方法, 该方法是通过在低温成核层和高温外延层中间先后插入低温缓冲层和高温缓冲层实现的。通过此方法, 可以制备出表面具有单畴结构、在强白光下依然光亮如镜、粗糙度低且缺陷少的高质量砷化镓薄膜, 而且此方法的重复性很好。即便没有任何生长后的退火处理, 外延出的1 μm厚砷化镓薄膜在5 μm×5 μm扫描区域内的表面粗糙度只有2.1 nm, 且由X射线双晶衍射测试出的砷化镓(004)峰的半高宽只有210.6 arcsec。