磁光材料是指从紫外到红外波段具有磁光效应的光功能材料, 按照材料的类型可将其分为磁光玻璃、磁光晶体、磁光透明陶瓷等。其中, 磁光透明陶瓷是近年来出现的一种新型磁光介质材料, 具有高Verdet常数、大尺寸、高热导率、高激光损伤阈值等优点, 因而是用于高功率激光器中法拉第隔离器最理想的材料之一。目前已经报道的磁光透明陶瓷材料主要包括铽镓石榴石(Tb₃Ga₅O₁₂, TGG)陶瓷、铽铝石榴石(Tb₃Al₅O₁₂, TAG)陶瓷以及一些倍半氧化物陶瓷, 如氧化铽(Tb₂O₃)陶瓷、氧化钬(Ho₂O₃)陶瓷、氧化镝(Dy₂O₃)陶瓷等。本文首先介绍了几种常见的磁光效应, 详细阐述了法拉第效应和克尔效应的基本原理。着重对几种磁光透明陶瓷材料的研究进展、材料性能、应用前景进行了综述和介绍, 并对这几种磁光透明陶瓷的性能进行了比较和分析, 指出了它们存在的问题和今后的研究方向。

采用高温固相法合成新型红色荧光粉Zn₆Ga_8-xTiO₂₀:xCr³⁺。用XRD、XRF和TEM对样品的成分和晶体结构进行表征, 发现所合成的荧光粉为单一的混合尖晶石结构, Cr³⁺能有效地掺杂进入基质Zn₆Ga₈TiO₂₀中, 并占据八面体格位。荧光光谱分析表明, 激发谱由四个峰组成, 峰值分别为281、337、420和555 nm, 其中281 nm对应Cr³⁺离子的⁴A₂→⁴T₁(4P)跃迁, 337 nm来自O^2-的2p轨道电子向Ga³⁺的4s4p轨道迁移跃迁, 420和555 nm分别对应Cr³⁺离子的⁴A₂→⁴T₁和⁴A₂→⁴T_2g的跃迁。发射光谱是由²E→⁴A₂的跃迁辐射零声子线(689 nm, R锐线)、处于畸变的环境中Cr³⁺发射的N线(696 nm)以及由晶格振动导致的声子伴随发射峰组成。这种荧光粉是一种可能应用在白光LED上的红色荧光粉。

采用流延-共压-共烧结法制备了具有多孔|致密|多孔Zr_0.84Y_0.16O_2-δ-La_0.8Sr_0.2Cr_0.5Fe_0.5O_3-δ (YSZ-LSCF)结构的透氧膜和多孔YSZ-LSCF|致密YSZ-LSCF|致密YSZ|致密YSZ-LSCF|多孔YSZ-LSCF结构的固体氧化物燃料电池。采用浸渍法在多孔层内壁上沉积了具有高催化活性的LaNi_0.6Fe_0.4O_3-δ (LNF)纳米颗粒, 随着LNF浸渍量的提高, 会在多孔层内壁上形成连续的导电网格, 增加电化学反应活性位点, 进而显著改善电极性能。当LNF浸渍量为12wt%时, 电极性能达到最优, 在800℃时阴极和阳极极化阻抗分别为0.26和0.08 Ω∙cm², 在空气/CH₄梯度中氧渗透速率为7.6 mL/(cm²∙min), 比未浸渍前提高了14倍。阻抗谱分析表明空气侧氧还原反应中的电荷转移反应是氧渗透过程的速率控制步骤。

采用晶种-溶液生长法制备了单分散性良好、长径比均一的Au纳米棒, 利用H₂PdCl₄作为前驱体, CTAC作为软模版, 抗坏血酸作为还原剂对Au纳米棒进行改性合成了金/钯哑铃状结构纳米晶(Au/Pd NDs)。采用透射电子显微镜(TEM)、X射线能谱仪(EDS)和紫外-可见分光光度计(UV-Vis-NIR)对样品的结构和形貌进行表征, 探讨了铃铛状结构形成的机理, 并研究了其对硼氢化钠还原对硝基苯酚反应的催化性能。结果表明: 大量的多晶钯颗粒定向选择生长在金纳米棒(AuNRs)两端, 形成哑铃状结构; 通过调控还原剂与前驱体的比例, 铃铛尺寸连续可调。当钯的分散性好且总的催化活性位点多时, 金/钯哑铃状结构纳米晶催化对硝基苯酚还原的效率高。钯颗粒尺寸为20.7 nm的Au/Pd NDs(0.04 mg/mL)催化对硝基苯酚还原的反应速率常数可达0.44 min^-1, 证明其是一种非常有效的催化剂。

由于多级孔沸石具有实际及潜在的应用价值, 合成具有微孔-介孔孔道体系的多孔沸石引起了广泛关注。本研究在不添加二次模板剂的基础上, 采用“蒸汽相转化”法制备了多级孔Beta沸石催化材料, 对影响多级孔Beta沸石形成因素, 如凝胶碱度、模板剂用量、硅铝比、蒸汽压力和晶化时间等进行了讨论。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、傅立叶变换红外(FT-IR)光谱、拉曼(Raman)光谱、N₂吸附-脱附以及NH₃-TPD等表征手段对制备材料的结构性能进行了表征。在借助红外光谱、拉曼光谱及扫描电镜等表征手段的基础上, 对多级孔Beta沸石的形成机制进行了探索。结果表明: 通过“蒸汽相转化”法所制备的Beta沸石为纳米多晶聚集体, 这些多晶聚集体由粒径为10~40 nm的初级晶粒构成, 在初级纳米粒子之间形成了2~30 nm的介孔结构; 干胶制备过程中生成的初级和次级结构单元有利于快速形成大量的Beta沸石核, 较高的成核速率有利于Beta沸石纳米晶粒形成, 这些纳米晶粒相互聚集最终形成纳米多晶Beta沸石聚集体。

用硅烷偶联剂对石墨烯表面进行修饰, 制备石墨烯/环氧树脂复合涂层。通过交流阻抗(EIS)和塔菲尔极化曲线(Tafel slope)等电化学方法分析复合涂层经伽马射线辐照后的腐蚀防护性能。采用电子自旋共振(ESR)和傅里叶红外光谱分析仪(FTIR)等测试复合涂层的γ射线辐照损伤, 探索了石墨烯在环氧树脂中抗辐照损伤的作用机理。Tafel结果显示复合涂层经280 kGy辐照后, 腐蚀电流为6.140×10^-9 A/cm², 而纯环氧树脂涂层的腐蚀电流则为1.340×10^-8 A/cm², 说明石墨烯可以使复合涂层保持较好的腐蚀防护性能。ESR分析表明, 复合涂层中的石墨烯可以降低环氧树脂基体在γ射线辐照过程中产生的过氧自由基, 表明石墨烯可有效吸收辐照过程中的自由基。辐照前后复合涂层的FT-IR图谱没有发生明显变化, 说明石墨烯有效降低了伽马射线对环氧树脂的结构损伤。因此, 可以认为石墨烯能够减缓环氧树脂在高能辐照环境中的老化, 从而延长其使用寿命。

以网络状孔型结构发达的膨胀石墨(EG)为载体, 采用化学沉积法制备负载零价铁(ZVI)的膨胀石墨(EG-ZVI)。利用SEM、XRD、FT-IR及XPS等对负载及反应前后的EG-ZVI进行表征, 探索了EG-ZVI对铅离子(Pb(II))的处理效果并对其反应产物及机理进行了分析。结果表明: 亚微米级ZVI成功负载到EG表面; 相比ZVI, EG-ZVI对Pb(II)的去除能力提升明显; EG-ZVI去除Pb(II)主要是吸附和还原作用的共同结果, 该过程符合一级动力学模型, 且控制步骤为化学反应过程。其还原过程是由负载在EG表面的ZVI腐蚀提供电子还原Pb(II)生成铅单质, 并进一步生成铅氧化物与氢氧化物; EG-ZVI能弥补ZVI在反应过程中生成惰性层导致去除效率低的不足, 使其在Pb(II)废水的实际修复中具有较高的应用前景。

由于纯碳材料单一的双电层储能机理, 其比电容较低, 而赝电容材料可利用法拉第反应进行能量存储, 可以获得较高的比电容。作者利用软模板法制备出具有三维有序结构的介孔碳微球, 然后采用水热法制备氢醌改性的介孔碳微球。循环伏安和恒流充放电测试表明, 氢醌改性使得介孔碳微球不仅具有双电层电容, 而且具有赝电容。负载10wt%氢醌的介孔碳微球具有最大的比电容值, 当电流密度为0.5 A/g时, 其比电容值高达285 F/g; 当电流密度增大到10 A/g时, 其比电容值仍高达212 F/g, 表现出优异的倍率特性。这主要归因于氢醌以π-π堆叠方式负载在碳质介孔表面, 不仅提供了额外的赝电容, 而且提高了碳材料在水系电解液中的倍率特性。

通过恒电压沉积法将纳米金属镍沉积于石墨电极表面, 经化学气相沉积法在石墨电极表面原位生长出碳纳米管(CNTs), 通过电化学聚合法在CNTs表面原位聚合聚苯胺, 从而获得化学修饰电极。采用扫描电子显微镜对所得电极形貌结构进行表征, 并研究CNTs与PNAI复合电极对抗坏血酸(AA)的检测效果。研究结果表明: 制备的CNTs都能均匀地生长在石墨电极表面, 纳米中空管状结构都保持完好; PANI均匀地包覆在CNTs管壁上, 复合材料呈现出典型的三维网状结构。所制备的CNTs/PANI修饰电极对AA具有良好的电化学响应, 其中管径较小CNTs的修饰电极对AA的电化学响应更强: 具有更宽的检测范围和更低的检出限。其检测线性范围为1.0×10^-6~4.5×10^-4 mol/L, 检出限为1.0×10^-7 mol/L (S/N = 3)。且具有良好的稳定性、重复性和可靠性。

椎间盘退变性疾病已经成为严重影响人们工作和生活的疾病, 生物组织工程技术的出现为椎间盘疾病的治疗提供了新的思路和方法。本研究以魔芋葡甘聚糖(Konjac Glucomannan, KGM)、明胶和纳米羟基磷灰石(nano HAP)为原料, 分别采用湿法纺丝法和卷膜法构建了椎间盘纤维环组织工程支架。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)对支架的成分、结构和形貌进行了分析, 并测试了纤维环支架的抗压强度、吸水率、孔隙率、体外降解性及细胞毒性。实验结果表明, 得到的椎间盘纤维环组织工程支架具有各向异性的结构特点, 与天然椎间盘纤维环结构极为类似, 且为多孔结构。支架中加入nano HAP可以提高其强度; 湿法纺丝法比卷膜法制备的纤维环支架强度高; 戊二醛交联比氨水交联的纤维环支架强度高, 但降解速率快; 此外, 采用戊二醛作交联剂可对nano HAP进行更好的包裹, 从而更好地提高支架的强度。支架的吸水率均在700%以上, 孔隙率为66%~75%。该研究为研发新型椎间盘纤维环组织工程支架材料提供了一种思路以及一定的实验和理论依据。

实验制备了介孔硅酸钙镁/聚醚醚酮复合骨修复材料, 采用砂纸打磨及喷砂对其表面进行改性。结果表明: 表面改性明显提高了复合材料表面的粗糙度和亲水性(水接触角降低), 喷砂在复合材料表面暴露出大量的介孔硅酸钙镁, 形成了多孔结构, 粗糙度和亲水性提高最大。表面改性复合材料在模拟体液中浸泡7 d后, 表面都形成了大量磷灰石; 表面改性促进了MC3T3-E1细胞在复合材料表面粘附、增殖和分化。喷砂比砂纸打磨更明显地提高了复合材料的生物学性能。

生物陶瓷表面纳米结构能够影响成骨细胞增殖和分化, 其表面微观结构的控制, 特别是烧结前晶粒取向调控, 是设计开发生物活性陶瓷的关键之一。针对羟基磷灰石晶粒取向调控问题, 重点研究了铁掺杂羟基磷灰石晶体在强磁场中的取向。分别采用共沉淀法和共沉淀-水热法合成了羟基磷灰石(HA)和铁-羟基磷灰石(Fe-HA), 通过XRD、SEM、TEM、PPMS和ICP等对HA和Fe-HA的物相、微观形貌、磁学性能、元素组成进行了表征和分析。研究发现：Fe-HA物相与HA相同, 没有明显的杂质相; HA为抗磁性, Fe-HA转化为顺磁性; 共沉淀法粉体为针状, 共沉淀-水热法粉体为短棒状, 针状粉体在强磁场中不能定向, 短棒状粉体能够定向; 在单一方向强磁场中, HA不能单轴定向, Fe-HA能够在一定程度上沿c轴取向。

通过化学还原方法制备Pd:Fe原子比(n)为2 : 1、4 : 1、8 : 1的Pd_n-Fe/C催化剂。采用TEM、XRD和XPS技术对复合催化剂进行表征。结果显示, Fe加入Pd/C催化剂中, 与Pd形成合金, Pd_n-Fe/C催化剂的粒径发生变化; 获得的Pd₄-Fe纳米合金粒子在C载体表面分布均匀, 平均粒径为2~3 nm, Fe的加入对Pd/C催化剂晶体结构有很大影响。电化学(CV, LSV, CA)测试表明: 加入Fe提高了Pd/C催化剂的催化性能, Pd/Fe原子比为4 : 1时, Pd_n-Fe/C的催化性能最好。当E=0.2 V时, Pd/C电极电流密度为17.71 mA/cm², 而Pd₄-Fe/C电极电流密度可达19.42 mA/cm²。电池测试表明, 以Pd₄-Fe/C和Pd/C催化剂为阴极的Mg-H₂O₂半燃料电池的开路电势均为1.8 V左右, 而当电流密度为180 mA/cm²时, 以Pd₄-Fe/C为阴极的电池最大能量密度比Pd/C为阴极的电池高41 mW/cm²。

为了在获得较高压电性能的同时又不大大降低陶瓷的居里温度(T_C), 设计和制备了Bi_0.45Nd_0.05(Na_0.92Li_0.08)_0.5ZrO₃改性的K_0.48Na_0.52NbO₃系无铅压电陶瓷((1-x)KNN-xBNNLZ), 研究了BNNLZ含量对KNN基无铅压电陶瓷相结构和电学性能的影响。研究结果表明, 所有陶瓷样品均具有较高的居里温度T_C(>300℃)。随着BNNLZ含量的增加, 陶瓷的正交-四方相变温度(T_O-T)不断向低温方向移动, 而三方-正交相变温度(T_R-O)不断向高温方向移动, 最终在陶瓷中形成了三方-四方(R-T)共存相, R-T共存相处于0.05<x<0.07范围。BNNLZ的加入引起陶瓷相结构的演化改变导致压电常数(d₃₃ )、介电常数(ε_r )、剩余极化强度 (P_r )和机电耦合系数(k_p )都先增大后减小, 当x=0.06时陶瓷具有最佳压电性能: d₃₃=313 pC/N, k_p=42%, P_r=25.48 μC/cm², ε_r=1353, tanδ=2.5%, T_C=327℃。

由于制备方法简单并且原料易得, 多孔碳合成广泛采用生物质材料, 并用于能源存储。以天然生物质棉花作为碳源, 通过简单的一步法制备得到氮掺杂多孔碳材料。这种多孔碳材料在碳化温度为750℃时具有480 m²/g的比表面积和6.84%的高含氮量。当用作超级电容器电极材料时, 这种碳材料显示出了良好的电容性能。在1 mol/L硫酸电解液中, 电流密度为1 mol/L时, 比电容可以达到252 F/g, 并且在循环10000圈之后仍能保留94%的原电容。这种低成本的棉花基碳材料为超级电容器应用提供了可能。

采用碘化钠为助熔剂,通过固相反应法制备了两种晶体质量较好的Na_1.88Bi_1.88S₄和Na_1.36Ca_1.28Bi_1.36S₄单晶。测试结果表明,它们属于氯化钠结构,面心立方,空间群为Fm-3m。形貌表征和物性测试结果表明,在碘化钠的作用下,化合物Na_1.88Bi_1.88S₄和Na_1.36Ca_1.28Bi_1.36S₄呈现双锥状形貌,沿(111)晶面择优取向生长,带隙分别为1.29和1.45 eV。通过光电器件性能测试,发现两种化合物均表现出良好的光电响应特性,说明它们可以作为一类潜在的、性能优良的光电开关材料。

研究了烧结温度、晶粒大小以及掺杂离子对固态晶体生长的影响。在热致固态晶体生长的过程中, 接近键合面的陶瓷会被单晶诱导而转变成取向一样的单晶, 同时形成稳固的键合。实验利用这种方法制备核层为12at%Yb:YAG陶瓷(100 mm), 包层为YAG晶体的平面波导结构。这种方法制备的波导结构没有Yb离子的浓度扩散现象。同时, 还测试了平面波导结构的激光性能: 通过设计平平腔实现了1.14 W, 斜率效率16.09%的激光输出; 在三镜腔中实现1.83 W, 斜率效率9.59%的激光输出。并且激光输出在1027.5 nm到1033.5 nm间连续可调。