自从1992年首次报道介孔氧化硅分子筛M41S系列以来, 人们采用各种商业化表面活性剂为模板, 合成了多种骨架组成、丰富的有序介观结构、不同孔径尺寸的介孔材料, 并将其应用在能源、环境、催化等诸多领域。然而, 由于常规商业化模板剂的分子量大小有限, 合成的介孔材料具有较小的孔径(< 8.0 nm), 从而极大地限制了其面对大尺寸客体分子的相关应用。此外, 利用常规模板剂难以合成出具有晶化墙壁的介孔金属氧化物材料。近年来, 大分子量两亲性嵌段共聚物相继被报道用来合成新型介孔材料, 本文将综述基于这种嵌段共聚物为模板剂合成各种具有大孔径和晶化墙壁介孔材料的研究进展。

以NiCl₂·6H₂O, CoCl₂·6H₂O和草酸为原料, 利用氨水为配位剂和溶液pH调节剂, 通过配位共沉淀-热分解法制备了棒状多孔NiCo₂O₄粉末, 采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜以及比表面积仪对前驱体和NiCo₂O₄粉末的形貌和结构进行了表征, 考察了溶液pH对前驱体粉末形貌和分散性的影响; 采用循环伏安法和计时电流法研究了乙醇在棒状多孔NiCo₂O₄粉末修饰的玻碳电极上的电催化性能。结果表明: 前驱体的形貌与溶液的pH有关, 热分解得到的NiCo₂O₄粉末继承了前驱体形貌, 呈多孔棒状, 比表面积为89 m²/g, 平均孔径为12.56 nm。该粉末对乙醇具有良好的电催化活性, 氧化峰电流与乙醇浓度、扫速的平方根均呈直线关系, 表明棒状多孔NiCo₂O₄粉末对乙醇的催化反应机理为扩散控制。

以蔗渣为原料, 以ZnCl₂为活化剂制备出活性炭AC, 并用KOH对活性炭AC进行二次活化制备活性炭KAC。用热重法测定材料的CO₂吸附脱附性能, 傅里叶红外光谱、氮气物理吸附-脱附和扫描电镜对样品进行表征。结果表明：KAC具有优异的CO₂吸附性能, 在60℃下其对CO₂吸附量可达3.45 mmol/g, 而AC的CO₂吸附量仅有1.79 mmol/g。KAC的CO₂吸附能力明显优于AC。循环吸附脱附的结果表明, 经过5次吸附-脱附, 材料的吸附量无显著变化, 表明材料具有良好的再生性能。傅里叶红外分析结果表明两种活性炭材料的特征峰基本一致, 活性炭表面官能团中羟基和羧基可以使活性炭表面的极性增大。氮气物理吸附-脱附和扫描电镜结果表明材料都具有发达的孔径结构, 但KAC的孔径结构比AC更发达, 因此其对CO₂的吸附能力也更强。

以琼脂糖聚合物为基质, 1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)为溶剂, 由尿素、氯化胆碱合成的低共熔溶剂(DES)作为添加剂制备聚合物电解质用于制备准固态染料敏化太阳能电池(DSSC)。研究了尿素/氯化胆碱配比、低共熔溶剂添加量对聚合物电解质电化学性能及其DSSC光电性能的影响。研究结果表明: 随着尿素/氯化胆碱配比增加, 准固态电解质的导电性能增加, 尿素、氯化胆碱的配比为2:1时可获得最佳电导率7.24 mS/cm。对不同低共熔溶剂含量电解质进行离子电导率测试研究发现: 添加量为20wt%时, 电解质获得最佳电导率6.21 mS/cm。染料敏化太阳能电池的光电效率随低共熔溶剂含量的增加先增加后降低, 低共熔溶剂添加量为20wt%时, 获得最佳光电效率η=3.18%, 短路电流密度J_sc=10.28 mA/cm², 开路电压V_oc=0.59 V, 填充因子FF=0.51。

p型填充方钴矿材料的力学性能相对于n型较差, 成为方钴矿热电器件集成设计的薄弱环节。本工作利用氧化石墨烯(GO)良好的润湿性和亲水性, 通过液相分散实现了GO对Ce_0.85Fe₃CoSb₁₂基体颗粒的网状包覆与均匀分散。利用放电等离子烧结技术同时实现了致密化和对GO的原位还原, 获得了2~5 nm厚还原氧化石墨烯(rGO)三维网状包覆的Ce_0.85Fe₃CoSb₁₂基纳米复合材料。该三维网状结构利用桥接作用增加了裂纹扩展额外功, 实现了对基体材料的增强增韧。当rGO含量为2.8vol%时, Ce_0.85Fe₃CoSb₁₂/rGO复合材料的抗弯强度和断裂韧性相对于纯基体材料分别提高40%和33%。但进一步提高rGO含量会增加基体晶界处的rGO厚度, 进而弱化其增强增韧效果。

导电油墨是印刷电子技术中使用的关键电子材料, 而导电填料作为导电油墨的主要成分要求其化学性能稳定且电导率高。其中, 基于石墨烯的导电油墨因为其、透射电子显微镜、拉曼光谱等手段对制备的石墨烯进行了表征。结果表明: 直流电弧放电法制备的石墨烯为2~10层、尺寸在100~200 nm范围且纯度高、结晶性好。在此基础上, 研究了涂层厚度、热处理温度以及弯曲角度等对石墨烯导电油墨导电性能的影响。研究发现, 石墨烯导电油墨电阻率与涂层厚度、热处理温度成反比, 且随着厚度、温度的增加石墨烯导电油墨的电阻率逐渐降低。并且样品在柔性基底上经过不同角度的弯曲折叠后电阻率没有明显变化。当厚度为170 μm的样品经过360℃ (30 min) 热处理后, 石墨烯导电油墨的电阻率仅为0.003 Ω·cm。上述结果表明, 电弧法制备的石墨烯导电油墨有望成为未来印制电子领域的关键材料。

固相烧结SiC(SSiC)陶瓷大多数用于结构陶瓷材料, 用于电子和电阻元器件的研究很少。实验以添加不同C含量的致密SSiC陶瓷材料为研究对象, 研究了添加不同C含量SSiC陶瓷的伏安特性、电阻率与电流密度的变化关系及电阻率与温度的变化关系。研究结果表明: SSiC陶瓷表现出明显的非线性电学特性, 其电阻率随着电流的增大而降低; 对于添加3wt% C含量的SSiC陶瓷, 当电场强度超过15.8 V/mm时, 晶界势垒被击穿; 对于添加6wt% C含量的SSiC陶瓷, 当电场强度超过70.7 V/mm时, 晶界势垒被击穿, 它们的电阻率将为晶粒所控制, 电阻率较小; 同时在电场强度1 V/mm条件下, SSiC陶瓷电阻率随着温度的升高而降低, 表现出很好热敏特性, 从常温的10⁶ Ω·cm变化为400℃的5 Ω·cm左右。

施主受主共掺杂的荧光4H-SiC可以通过复合发出可见光, 影响其发光性能的一个重要因素是施主-受主掺杂的浓度。本研究通过PVT生长方法制备了3英寸N-B-Al共掺的4H-SiC晶体, 采用Raman光谱、SIMS对晶体的结晶类型和掺杂浓度进行了表征; 采用PL发射谱和激发谱、荧光衰减曲线表征和内量子效率对晶体的发光波长、强度、施主-受主对复合发光性能进行了研究。结果发现, 低浓度Al掺杂样品在室温下发出黄绿色荧光。低浓度Al掺杂在晶体中提供较少的受主; 高浓度B、N掺杂形成施主, 从而贡献充足的电子-空穴对。这些电子-空穴的复合提高了施主-受主对复合的内量子效率, 进而增强光致发光强度, 增加平均发光寿命。

检测耐腐蚀涂层在腐蚀环境下的完整性, 对预测涂层工作寿命至关重要。通过电化学沉积法成功地将三基色无机荧光颗粒: BaMgAl₁₁O₁₇: Eu²⁺(蓝粉), Y₂O₃: Eu³⁺(红粉), CeMgAl₁₁O₁₉: Tb³⁺(绿粉)与金属镍复合, 在瓦特光亮镀镍浴中沉积出具有三基色指示功能的镍基自敏复合涂层。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、表面轮廓仪、维氏硬度计、荧光发射光谱和电化学测试手段分别对涂层组织形貌结构、润湿性、沉积率、硬度、发光性能及自敏性能进行了检测, 结果表明, 阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和非离子表面活性剂聚乙二醇(PEG)可以有效提高三基色荧光粒子沉积率。三种荧光粒子与金属镍之间表现出不同的润湿性和匹配性, 使得其在镍基复合涂层中具有不同的作用: Y₂O₃: Eu³⁺荧光粒子改变了涂层结晶取向, 且使晶粒细化, BaMgAl₁₁O₁₇: Eu²⁺使涂层组织呈现节瘤状, Y₂O₃: Eu³⁺和CeMgAl₁₁O₁₉: Tb³⁺粒子明显提高了涂层硬度。三基色荧光粒子在腐蚀前后表现出不同的发光特性, 可以有效指示出涂层工作周期内的完整性, 起到良好的自敏检测作用。

为了提高钢基体微晶玻璃涂层的韧性, 在Q235钢基体上采用涂搪法制备了钇稳定四方相氧化锆/Li₂O- ZnO-Al₂O₃-SiO₂ (3Y-TZP/LZAS) 微晶玻璃功能梯度涂层。采用XRD、SEM分析了梯度涂层的物相组成和微观结构, 采用压痕法测试并计算了涂层的显微硬度和断裂韧性, 通过粘接-拉伸法测试了涂层的结合强度。结果表明, 3Y-TZP/LZAS微晶玻璃功能梯度涂层各层之间的界面结合紧密; 涂层与钢基体依靠玻璃中的SiO₂与铁的氧化物发生界面反应形成牢固的结合, 反应产物为Fe₂SiO₄和FeSiO₃; 涂层的显微硬度和断裂韧性沿涂层厚度方向逐渐增大, 涂层韧性提高是表面残余压应力增韧、3Y-TZP相变及3Y-TZP的颗粒增韧共同作用的结果; 梯度涂层与Q235的结合强度达16.3 MPa。热震实验表明, 梯度涂层在300℃下经历30余次热循环, 表现出较好的抗热震性能。

探究HfO₂薄膜的激光损伤特性以进一步提高激光损伤阈值(Laser Induced Damage Threshold, 简称LIDT), 对其在高功率激光系统中的广泛应用具有重要的意义。在不同的离子源偏压下, 采用等离子体辅助电子束蒸发金属铪(Hf)并充氧(O₂)进行反应沉积法制备了中心波长为1064 nm, 光学厚度为4H的HfO₂薄膜样品。测试了薄膜组分和残余应力; 根据透射谱拟合了薄膜的折射率; 通过XRD谱图和SEM表面形貌图分析了薄膜的微观结构; 对激光损伤阈值、损伤特性和机理进行了论述。结果表明: 偏压100 V时制备的薄膜具有最佳O/Hf配比; 薄膜压应力和折射率均随偏压降低而减小。薄膜内存在结晶, 激光能量在晶界缺陷处被强烈聚集和吸收, 加速了膜层的破坏, 形成由几百纳米的烧灼坑聚集而成的海绵状损伤结构。随着偏压降低, 膜结晶取向由(\stackrel{\text{?}}{1}11)晶面向(002)晶面转变, 界面能降低; 晶粒减小, 结构更均匀, 缓解了激光能量在晶界处的局部聚集与吸收, 表现出较大的激光损伤阈值。

采用射频磁控溅射法在单晶SrTiO₃ (STO)衬底和硅(Si)衬底上制备出不同取向的SrRuO₃ (SRO)薄膜, 对薄膜的残余应力进行了分析, 并研究了应力对不同取向SRO薄膜磁学性能与电输运特性的影响。根据X射线衍射(XRD)结果分析可知, Si基SRO薄膜为多晶单轴取向薄膜, 且应力来源主要为热失配拉应力; STO基SRO薄膜为外延薄膜, 其应力主要为热失配压应力和外延压应力; 磁学性能测试表明, (001)取向SRO薄膜比(110)取向薄膜拥有更高的居里温度T_C; 压应力提高了(001)取向SRO薄膜的T_C, 却降低了(110)取向薄膜的T_C。电阻性能测试表明, 对于在同种类型衬底上沉积的SRO薄膜, (001)取向的薄膜的剩余表面电阻比(RRR)高于(110)取向的薄膜。另外, 拉应力引起了薄膜微结构的无序度增加, 弱化了表面电阻率的温度依赖性, 提高了金属绝缘体转变温度(T_MI)。

以硅酸钠为无机改性剂, 硬脂酸为有机改性剂对无水硫酸钙晶须进行双重表面改性。通过接触角测试(WCA)、X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、傅里叶红外光谱(FT-IR)和X射线光电子能谱(XPS)等多种分析手段对样品进行表征分析。实验结果表明: 无机-有机改性后晶须表面性质由亲水性转变为疏水性, 晶体结构未发生改变。在双重改性过程中, 晶须表面首先生成-Ca-SiO₃结构, -Ca-SiO₃结构部分水解后, 晶须表面与硬脂酸发生键合反应, 生成-Ca-HSiO₃和-Ca-COOR结构包覆层, 晶须表面不存在物理吸附作用。

以短切炭纤维、氮化硅为原料, 采用凝胶注模工艺, 在1600℃、N₂气氛下无压烧结制备了夹层结构C_f-Si₃N₄复合材料。采用网络矢量分析仪测试了夹层结构C_f-Si₃N₄复合材料在X波段的介电响应行为, 并通过理论建模深入分析了该复合材料的微波介电响应机理。结果表明: 短切炭纤维呈二维分布的夹层结构, C_f-Si₃N₄复合材料介电常数随着炭纤维面密度增加存在“阈值”现象。通过修正Debye模型, 提出了夹层结构C_f-Si₃N₄复合材料在炭纤维形成导通网络后的介电响应理论模型, 揭示了夹层结构C_f-Si₃N₄复合材料介电损耗频散特性的机理。研究结果还表明, 在短切炭纤维刚刚形成导通网络时, 复合材料的弛豫时间存在较大分散性, 介电常数可采用多弛豫时间函数分段描述法。随着炭纤维面密度逐步增加, 弛豫时间的分散性减小, 分段弛豫时间函数演化成单一弛豫时间理论模型。

采用固相烧结法, 按化学计量比Ba_1-xMg_xAl₂Si₂O₈(x=0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.3, 0.5)制备样品, 考察不同MgO含量对BaO-Al₂O₃-SiO₂系介电材料晶体结构及微波介电性能的影响。结果表明, MgO可以降低烧结温度, 促进六方相转变为单斜相, 当添加量x≥0.15时, 相转变可以达到100%。当x≤0.15时, 适量的MgO可以有效地促进单斜钡长石晶粒的长大。在0.05≤x≤0.1范围内, 随着MgO含量的增加, 单斜钡长石衍射峰增强, 晶粒尺寸增大, 密度、介电常数与τ_f均随MgO含量的增加而增大。在x=0.1, 烧结温度为1400℃时, 可获得综合性能相对较好的单斜钡长石, 其介电性能ε_r=6.44, Q×f=16461 GHz, τ_f= -30.6×10^-6 K^-1。

为了使钙钛矿太阳能电池在高温退火后能够保持稳定, 本研究通过电化学方法制备出氧化锌/氧化石墨烯纳米粒子, 并将其运用到钙钛矿太阳能电池中作为电子传输层使用。通过原位掠入射X射线衍射(GIXRD)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)等方法对沉积在氧化锌和氧化锌/氧化石墨烯纳米材料上面的甲胺铅碘的结构、形貌以及电池性能变化进行分析测试。结果表明: 氧化锌/氧化石墨烯对于甲胺铅碘有保护作用, 沉积在氧化锌/氧化石墨烯上面的甲胺铅碘薄膜稳定性更高, 电池性能更加稳定, 为将来大面积应用提供了一定的指导。

将原料封装入真空石英管, 在873 K进行固相反应制备了Li掺杂的Cu_1-xLi_xInSe₂ (x = 0-0.4) 块体材料, 并对该材料的结构、电学和光学特性进行了系统性的研究。Li掺杂之后, 样品的晶体结构还保持黄铜矿结构, 并能得到更大的晶粒。而电阻率从1.98×10² Ω·cm增大到 2.73×10⁸ Ω·cm。光学能隙也从0.90 eV 提高到1.33 eV, 增大了光伏开路电压。实验结果表明, Li掺杂的Cu_1-xLi_xInSe₂ 能有效提高光电材料的性能。

采用溶胶-凝胶法, 在不使用模板剂的情况下制备出高比表面积的介孔CaO-Al₂O₃-P₂O₅生物活性玻璃(MBGs), 用BET、XRD、DTA以及FTIR对MBGs的结构进行了表征, 并用生物模拟体液(SBF)在36.5℃对生物玻璃进行了体外活性测试, 测试时间为1 d、3 d、7 d和14 d。介孔玻璃的比表面积最高达到461.1 m²/g, 随着CaO的含量从5mol%增加到30mol%, 介孔玻璃的比表面积呈降低趋势。用XRD和FTIR验证了材料的玻璃结构。然而, 在生物模拟体液(SBF)实验中, 当CaO摩尔含量达到20mol%时, 介孔玻璃表现出较高生物活性。这种特殊的高比表面积的介孔铝磷钙生物活性玻璃在生物医药方面有潜在的应用价值。本文的实验结果对优化生物玻璃的介孔结构和CaO含量来提升玻璃的生物活性有一定的指导意义。