MXene是一种新型的二维过渡金属碳化物或碳氮化物, 具有类似石墨烯的二维结构, 其化学通式是M_n+1X_nT_z, n = 1, 2, 3, 其中M为早期过渡金属元素, X为碳或氮元素, T为表面链接的F^-、OH^-、O^2-等活性官能团。通过化学液相法可以选择性蚀刻掉MAX相中的A元素得到相应的MXene相。现今较为成熟的制备方法是HF蚀刻法。对MXene的结构与性能进行的第一性原理计算表明, 其具有独特的二维层状结构、较大的比表面积及良好的导电性、稳定性、磁性能和力学性能, 已广泛应用于储能、催化、吸附等多处领域。本文综述了类石墨烯二维材料MXene的理论、制备和应用方面的研究进展, 并对现有挑战和未来发展提出了建议。随着研究的进一步深入, MXene将被应用于更广泛的领域。

大气等离子体喷涂技术是一种常用的涂层制备工艺。作为所制备涂层的结构基元, 单片层的形貌特征及堆叠行为决定了涂层的微结构, 对涂层性能产生显著影响。本文较为系统地综述了与熔滴自身理化状态相关的主体因素、与沉积涂层的衬底相关的客体因素以及环境因素等对单片层形成过程的影响, 着重分析了粉体尺寸、衬底预热过程等产生的多种不同影响及其之间的关联性, 并通过对所述文献涉及实验方法各自特点的比较, 提出未来的实验和模拟研究或都将向着与真实生产条件更加接近的方向发展。

以阳离子PS微球为模板, 钛酸四丁酯为钛源, 氨水为催化剂制备中空TiO₂微球, 通过物理共混法将中空TiO₂微球引入到聚丙烯酸酯薄膜中, 考察了中空TiO₂微球的空心粒径及用量对复合薄膜光反射性、导热系数及力学性能的影响。结果表明: 中空TiO₂微球的引入可显著提升聚丙烯酸酯薄膜的各项性能, 中空TiO₂微球的空心粒径和用量对复合薄膜的性能有不同程度的影响, 随着中空TiO₂微球空心粒径和用量的增加, 复合薄膜的性能基本呈现先提升后降低的趋势, 其中当中空TiO₂微球空心粒径为300 nm、用量为1%时, 所制备的复合薄膜保温性能和力学性能最优。

以廉价易得的高结晶度天然鳞片石墨(NG)和中间相沥青为原料, 采用中温热模压一次成型再高温炭化、石墨化处理可以制备高密度、高定向、高导热石墨块体材料。XRD、SEM和PLM分析表明该石墨块具有高度择优取向结构, 其内部石墨片垂直热压方向有序堆积排列。原料中鳞片石墨和沥青粘结剂的组成和配比以及制备工艺参数等对所制石墨材料的面向导热性能有显著影响。采用86wt%+32目鳞片石墨和14wt%AR中间相沥青在500℃、10 MPa下热模压成型的炭块经1000℃炭化、2800℃石墨化后样品的热物理综合性能较好, 其体积密度达到1.91 g/m³以上, 室温面向热导率为550 W/(m·K), 3000℃石墨化室温面向热导率高达620 W/(m·K)。

固体电解质界面膜(Solid Electrolyte Interphase, SEI)在钠离子电池(Sodium Ion Battery, NIB)中扮演着重要作用。迄今为止, 对于钠离子电池SEI膜的探索仍然十分有限。本研究利用电化学原子力显微镜(Electrochemical AFM, EC-AFM), 通过循环伏安法研究了钠离子电池负极材料高定向热解石墨(Highly Oriented Pyrolytic Graphite, HOPG), 在碳酸乙烯酯(Ethylene Carbonate, EC)和氟代碳酸乙烯酯(Fluoroethylene Carbonate, FEC)电解液中首次充放电过程SEI膜的结构变化。通过纳米刻蚀的方法, 进一步获得首次充放电结束后SEI的厚度。结合X射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)分析了HOPG在EC和FEC电解液中所形成的SEI膜的化学组成区别。研究结果表明, 在EC电解液中, 所生成的SEI膜在HOPG表面非台阶处较薄, 但在HOPG的台阶处较厚; 在FEC电解液中, 所生成的SEI膜很厚, 具有明显的双层结构。其中上层是由体积较大的颗粒组成, 下层则由致密的小颗粒组成。

本研究发展了一种用于制备氧化物热电材料γ-Na_xCoO₂粉体的化学合成方法——聚丙烯酸钠(PAAS)凝胶法。主要研究了PAAS/Co²⁺摩尔比、原料浓度和煅烧温度对产物相组成及微观形态的影响规律, 探讨了物相形成机制, 同时用该方法结合SPS制备了不同Na离子浓度的Na_xCoO₂多晶样品, 并对其热电性能进行了表征。结果表明, PAAS/Co²⁺摩尔比对产物相组成产生了显著影响, 随着PAAS/Co²⁺摩尔比的增加, 样品的相组成由Co₃O₄相向单相γ-Na_xCoO₂转变, 合适的PAAS/Co²⁺摩尔比为0.8~1.1。而反应原料浓度对产物相组成的影响存在一个临界值(0.025 mol/L), 大于临界值抑制单相形成, 小于临界值促进单相形成。煅烧温度的升高有助于γ-Na_xCoO₂单相的形成, 800℃煅烧得到γ-Na_xCoO₂单相, 晶粒形态呈片状, 平均厚度约200 nm, 片状方向的尺寸在1~4 μm之间。随着Na含量的增加, 样品的Seebeck系数增大, 电导率增加, 热导率降低, 最终导致ZT值大幅增加。

以金属盐及柠檬酸为原料, 采用溶胶-凝胶法制备了尖晶石氧化物Co_2-xMn_1+xO₄和Co_2-xFe_xMnO₄系列, 通过XRD、FT-IR及PPMS等手段研究了Co₂MnO₄及系列掺杂样品的成相、结构、磁性等特征。结果表明, Co_2-xMn_1+xO₄系列在x<0.6时, 呈单相立方结构, 晶格常数和磁性随着Mn掺杂量的增加而增大, x≥0.6时逐渐向四方结构转化, 磁性下降, 并呈现磁化强度不易饱和的特征; Co_2-xFe_xMnO₄系列样品在x<1.75成分范围内均可保持立方结构, 且晶格常数和磁性都随着x增大而提高。这些变化主要是由于掺杂原子尺度及磁矩均大于原有元素, 掺杂后样品内部的磁性相互作用有所增强。

BaCO₃微粉原料通常由尺寸较大的棒状颗粒所组成, 这些棒状颗粒在一次球磨过程中由于不容易粉碎, 从而对经预烧、二次球磨所得到的BaTiO₃陶瓷微粉的化学组分的均匀性和颗粒度产生影响, 进而影响后序烧结制备的BaTiO₃陶瓷的微观组织结构和压电性能。本研究重点探讨了以BaCO₃和TiO₂为原料、通过固相反应途径制备BaTiO₃陶瓷时, 实施原料预处理对所制备的BaTiO₃压电陶瓷物性的影响。研究发现, 配料前对BaCO₃原料实施球磨预处理可明显地降低棒状颗粒的尺寸, 从而可获得颗粒度细化的BaTiO₃陶瓷微粉, 进而制备致密度更高和晶粒尺寸更小而压电性能更高的BaTiO₃陶瓷材料。研究中对BaCO₃微粉进行不同时间的球磨预处理, 然后制备钛酸钡陶瓷, 考察了其压电性能、介电性质、铁电性能和微观结构等物理性质。利用同样的BaCO₃微粉原料, 未经球磨预处理所制备的BaTiO₃陶瓷的压电系数d₃₃最高值为410 pC/N, 而实施合适的球磨预处理制备的BaTiO₃陶瓷的压电系数d₃₃最高值可达470 pC/N。

β-Ga₂O₃晶体是一种新型宽禁带氧化物半导体材料, 本征导电性差。为了在调控导电性能的同时兼顾高的透过率和结晶性能, 离子掺杂是一种有效的途径。采用光学浮区法生长出ϕ8 mm×50 mm蓝色透明In:Ga₂O₃晶体, 晶体具有较高的结晶完整性。In³⁺离子掺杂后, β-Ga₂O₃晶体在红外波段出现明显的自由载流子吸收, 热导率稍有减小。室温下, In:Ga₂O₃晶体的电导率和载流子浓度分别为4.94×10^-4 S/cm和1.005×10¹⁶ cm^-3, 其值高于β-Ga₂O₃晶体约1个数量级。In:Ga₂O₃晶体电学性能对热处理敏感, 1200℃空气气氛和氩气气氛退火后电导率降低。结果表明, In³⁺离子掺杂能够调控β-Ga₂O₃晶体的导电性能。

采用绿色水热制备方法, 以葡萄糖为前身化合物一步制得直径在400~500 nm、尺寸均匀的单分散微碳球, 采用扫描电子显微镜、红外光谱等手段对微碳球的表面形貌及化学特性进行表征, 利用多功能摩擦磨损试验机考察了微碳球作为润滑油添加剂在铝合金-钢摩擦副的减摩耐磨特性, 探讨了微碳球的润滑作用机理。结果表明: 将微碳球作为液体石蜡和商用机油润滑添加剂可以显著提高铝合金-钢摩擦副上的摩擦学性能, 这主要是因为在滑动过程中微碳球可能进入到接触区, 阻止摩擦副之间的直接接触, 并起到纳米滚珠作用。

利用水热合成法在α-Al₂O₃陶瓷管表面制备了连续完整的钛硅(TS-1)沸石膜, 并且利用该膜催化剂催化丙烯直接环氧化合成环氧丙烷(PO)。采用SEM、XRD、FT-IR和UV-Vis等表征手段及丙烯环氧化反应测试, 详细研究了合成液中Ti/Si比对TS-1沸石膜形貌、结构及催化性能的影响。结果表明, 合成液中Ti/Si比在0.01~0.04范围内, 所合成的TS-1沸石膜均具备典型MFI型拓扑结构。但当Ti/Si比>0.02时, 随着Ti/Si比升高, TS-1沸石膜表面沸石颗粒排列变得杂乱, 且TS-1沸石沉积量逐渐减少, 沸石晶间缺陷增多, 丙烯渗透速率增大。而且, 当Ti/Si比= 0.03、0.04时, 由于所合成的TS-1沸石膜中存在大量非骨架钛, 导致在丙烯环氧化反应中PO选择性和PO生成速率明显降低。当Ti/Si比为0.02时, 合成的TS-1沸石膜骨架钛含量最高, 其催化性能最佳, H₂O₂转化率、PO选择性和生成速率分别为12.43%、95.80%和15.78 mmol/(h·g)。TS-1沸石膜在丙烯环氧化反应中重复使用8次, 其催化性能保持相对稳定。

以海藻酸钠为基体制备出尺寸均一的整体式光催化剂SA-Ag/AgBr/TiO₂, 通过SEM、TEM、HRTEM、XPS、FT-IR以及BET等手段对产物形貌、结构、比表面积和光学性质进行表征, 并测定了其对罗丹明B(RhB)溶液的光催化性能。结果表明, 整体式光催化剂SA12-Ag/AgBr/TiO₂(Ag/AgBr/TiO₂催化剂的质量分数为12%)的结构稳定, 且具有良好的光催化活性, 即在紫外光照60 min内, RhB溶液降解完全, 在可见光照120 min下RhB的降解率可达到54.1%, 且在5次重复试验中仍保持96%以上的催化活性, 稳定性良好。这种整体式光催化剂有效解决了粉体材料难回收、二次污染和固定化后光催化效率低等问题。

为了探索镧系与非镧系元素对ZnO-B₂O₃-SiO₂系统玻璃热稳定性及结构的影响, 本研究采用差示扫描量热仪(DSC)和傅立叶变化红外光谱仪(FTIR)开展了La₂O₃和Y₂O₃掺杂对该系统玻璃析晶行为、热稳定性和结构变化的系统研究。结果表明: 当La₂O₃掺杂量大于8mol%、Y₂O₃掺杂量大于6mol%时, 60ZnO-30B₂O₃-10SiO₂系统玻璃开始出现析晶现象; 当La₂O₃掺杂量为4mol%、Y₂O₃掺杂量为2mol%时, 该玻璃的热稳定性能最好。结构研究表明, 少量添加稀土氧化物会使该系统玻璃的网络链接程度提高, 而当掺杂量超过一定量时会使该系统玻璃的网络链接程度降低。

利用鸡胚绒毛尿囊膜(CAM)中丰富的血管建立半体内模型, 研究多孔磷酸钙骨修复材料的血管化。将多孔羟基磷灰石陶瓷(HA)和具有部分孔隙结构的磷酸钙骨水泥(CPCs)分别植入CAM中共培养, 利用体式显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察CPCs表面血管的生长, 并利用Image-Pro Plus和Nano Measurer定量血管密度、直径和数量; 对CAM中培养的HA采用不脱钙组织学处理和观察。体式显微镜观察及定量结果显示多孔结构对血管生长影响显著, 随着培养时间延长, 多孔部分血管密度和数量均有明显增加, 而无孔部分血管生长缓慢。CPCs表面血管以出芽方式生长, 形成血管网络, 直径一般小于50 μm。SEM观察显示血管紧贴CPCs表面生长。苏木精-伊红(H&E)染色显示血管通过孔隙结构长入HA内部。实验结果说明三维孔隙结构利于血管的生长和长入, 此实验可简便、高效、低成本地研究多孔磷酸钙骨修复材料的血管化, 为快速评价生物材料血管化寻找一种新途径。

采用乳化交联法制备出粒径主要分布在100~300 μm的载药明胶微球, 分析了交联剂含量、药物含量和转速对载药率和包封率的影响及药物含量和转速对微球粒径的影响。对载药明胶微球与磷酸镁基骨水泥进行复合, 探讨微球降解过程中复合体系孔隙率的变化及其在体外药物释放的规律, 以期获得一种具有药物缓释性能的多孔磷酸镁基复合骨水泥。结果表明, 随着葡萄糖浓度增加, 载药率和包封率先上升再下降; 随着药物含量的增加, 载药率保持上升, 包封率先上升后下降; 随着转速增加, 载药率和包封率均下降。综合分析, 在转速为400 r/min、葡萄糖浓度为0.5 g/mL、药物与明胶质量比为1:2的条件下制备的载药明胶微球载药量较高, 且粒径合适。将复合不同比例该载药微球的磷酸镁基骨水泥浸泡在Tris-HCl缓冲溶液中进行体外药物释放研究, 结果表明: 在释放前期(0~10 h)药物释放速率较快, 之后药物释放明显减缓。7 d后, 微球几乎降解完全, 药物释放率达到60%~89%, 达到了一定的药物缓释效果。

本工作研究了卤素离子含量对卤磷酸钙固溶体中Bi离子的价态和发光性能的影响。荧光分析表明, 卤素磷酸钙中的Bi²⁺/Bi³⁺可以通过其F^-/Cl^-组分变化实现有效调控; 当卤素离子全部为Cl^-离子时, 晶体中Bi²⁺全部消失。上述现象的主要原因在于, 当卤素离子为F或者Cl时, 晶体中与其邻近的Ca(2)位点可以被分裂为Ca(2)a 或Ca(2)b两种不同的格位, 而Ca(2)a位点则有利于实现Bi³⁺的自还原。上述研究结果可以为Bi离子在晶体中的价态调控提供指导。

利用钛酸丁酯与硝酸铵溶液制备的含钛凝胶跟黑索金混合后获得混合炸药, 然后在密闭的爆轰反应釜内引爆柱状混合炸药, 同时将一铝板放置于药柱正下方研究爆轰产物的固载问题。收集到的样品用X射线衍射仪、透射电镜以及扫描电镜进行了表征, 发现样品中含有FeTiO₃, 少量的金红石、锐钛矿及Al₂O₃。钛基氧化物颗粒呈球形, 尺寸大小在微米级别。从扫描电镜分析, 钛基氧化物颗粒被成功地固载于铝板之上, 颗粒约10 µm。爆轰法能够很方便地制备钛基氧化物及制备颗粒-板结构材料。