钙钛矿层状压电陶瓷具有超高居里温度和高温度稳定性, 已成为目前高温压电陶瓷的研究热点。本文针对钙钛矿层状压电陶瓷致密化烧结难以及压电性能低的难题, 主要从晶体结构、制备工艺、掺杂改性和复合固溶体等方面总结了钙钛矿层状高温压电陶瓷的研究进展, 同时归纳和比较了不同制备工艺和掺杂改性的钙钛矿层状高温压电陶瓷的烧结性和压电性能。简要分析了钙钛矿层状结构自发极化的来源, 并对未来研究这类材料的铁电相变机理和提高压电性能作了展望。

氧化铝气凝胶具有大比表面积、高孔隙率以及比氧化硅气凝胶更优异的热稳定性, 在高温隔热和催化领域有广阔的应用前景, 但其复杂的合成工艺和较低的强度限制了其应用。本文首先介绍氧化铝气凝胶合成工艺, 指出溶胶-凝胶过程中存在的问题, 不同干燥方式的特点以及最新发展的干燥工艺; 然后介绍了近年来氧化铝气凝胶在比表面积、热稳定性、强度、导热系数等性能改善方面所取得的代表性研究成果; 最后介绍了氧化铝气凝胶在高温催化、隔热领域的应用, 并展望了未来氧化铝气凝胶的发展方向以及应关注的问题。

为了系统研究VCSEL制作中的湿法氧化过程和机理, 设计了专门的材料结构并采用MOCVD技术进行外延生长。对经过光刻和干法刻蚀形成的台面结构样品进行不同时间的湿法氧化, 由表面形貌及断面结构来确定氧化程度。研究发现, 氧化时间较短时, Al_0.98Ga_0.02As层的横向氧化深度随氧化时间呈线性变化; 随着氧化时间增加, 横向氧化深度与氧化时间呈抛物线变化, 并渐趋于饱和。此外实验中发现Al_0.98Ga_0.02As层的湿法氧化速度可比Al_0.9Ga_0.1As层高一个数量级, 且Al_0.9Ga_0.1As层的湿法氧化速度随其层厚增加而增大。最后根据修正的一维Deal-Grove氧化模型计算了受限空间内Al_0.98Ga_0.02As层横向氧化深度随氧化时间的变化关系。

为了研究不同制备工艺对电极欧姆接触特性的影响, 分别采用真空蒸发法、溅射法及化学沉积法在CdZnTe晶片表面制备了Au薄膜电极, 通过测试样品的SEM、I-V曲线及交流阻抗谱, 研究了不同电极制备工艺及退火处理对Au薄膜电极的微观结构及欧姆接触特性的影响。结果表明化学沉积法制备的Au薄膜表面更加平整、致密, 接触势垒的高度较低, 电极欧姆接触特性最好。退火处理可以改善电极的欧姆接触特性, 100℃退火后, 化学沉积法制备的Au电极的欧姆系数由0.883提高至0.915, 势垒高度由0.492降低至0.487 eV。交流阻抗谱分析表明, 化学沉积法制备电极具有最低的接触势垒, 这与界面处晶片表面的掺杂及缺陷的变化有关。

因不含Cd、Pb、Te等有毒元素, 且具有在可见光至近红外光波段可调的发光性能, 铜铟硫(CuInS₂)量子点作为一种新型的I-III-VI型三元半导体材料, 广泛应用于分析检测和生物成像等领域。本研究采用一种低毒低温的方法快速合成CuInS₂量子点及其ZnS核壳结构量子点, 不仅利用ZnS带隙较宽且表面缺陷少的特点, 弥补了CuInS₂量子点的劣势, 提高了CuInS₂量子点的发光性能; 同时由于低毒性ZnS壳层的包覆, 进一步降低生物毒性。当Cu∶In摩尔比为1∶1时, CuInS₂量子点于530 nm处出现明显的发射峰, 且随着In含量的增加, 发光峰逐渐红移。包覆ZnS壳层后, CuInS₂量子点的发光强度明显增大, 且谱峰明显红移。当Cu∶Zn比为1∶1, 回流时间为45 min时, 合成的CuInS₂/ZnS量子点发光性能最优。该合成方法节省能源、生产效率高、绿色环保, 具有较大的应用前景。

采用微弧氧化技术在NaAlO₂电解液体系下制备ZrH_1.8表面阻氢膜层, 采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM), X射线衍射(XRD), 真空脱氢实验对膜层进行表征, 考察不同反应时间对ZrH_1.8表面阻氢膜层的厚度、形貌、相结构以及阻氢性能的影响规律。研究结果表明：当反应时间在7.5~15 min变化时, 膜层厚度由78.4 μm增大至152.8 μm。膜层由单斜相M-ZrO₂、四方相T-ZrO₂以及立方相C-ZrO₂组成, 反应时间对膜层的相组成并无明显影响。阻氢膜层由致密层和疏松层构成, 膜层外侧为疏松层, 靠近基体一侧为致密层。当反应时间为10 min时, 获得的膜层表面平整, 致密性较好, 厚度适中, 膜层的氢渗透降低因子PRF值为20。

通过水热法在泡沫镍上成功制备了纳米结构的NiCo₂S₄薄膜, 主要包括前驱体制备及硫化过程。研究表明, 制备过程中添加不同种类的表面活性剂会对NiCo₂S₄薄膜的形貌、结构和电化学性能产生影响。添加表面活性剂后, NiCo₂S₄会自组装逐渐形成三维纳米片网状结构。在所有的NiCo₂S₄薄膜中, 添加SDS表面活性剂的薄膜表现出最高的比电容(在0.5 A/g电流密度下达到2893 F/g)、出色的倍率特性(在10 A/g电流密度下达到1890.6 F/g)和良好的循环稳定性(1000次循环后保持率为96.1%)。研究结果表明纳米网状的NiCo₂S₄是一种极具潜力的超级电容器电极材料。

炭黑是一种廉价且具有高导电性的氧还原催化剂, 可应用于微生物燃料电池(MFCs)的阴极。然而, 纯炭黑的催化性能较差, 不能满足实际应用需求。为了提高炭黑的催化性能, 以氯化铁(FeCl₃)和三聚氰胺作为Fe源和N源按一定比例与炭黑混合共炭化, 对炭黑进行改性处理。结果表明, 当Fe-N与炭黑的质量比例为2.6∶1时, MFCs的输出功率密度达到最高值, 为1395 mW/m², 比Pt/C催化剂(876 mW/m²)提高了59%。SEM观察到炭黑基体上形成了椭圆形或柱状晶体, XRD和XPS测试结果显示是在共炭化过程中生成的Fe₃C晶体, 引入了吡啶氮和石墨氮, 在催化剂表面形成更多的活性位点, 这是复合催化剂性能提升的关键因素。随着Fe-N比例的提高, 复合催化剂的导电性和比表面积逐渐下降, 从另一方面又限制了其性能的提升。综上所述, 氯化铁、三聚氰胺和炭黑共炭化制备的复合催化剂是一种具有良好性价比的MFCs阴极催化剂, 可在规模化应用中发挥更大作用。

Fe₂O₃具有理论比容量高和价格低廉等特点, 已成为锂离子电池负极材料的研究热点之一。实验以不同质量比PVP/FeCl₃溶液为前驱体, 静电纺丝技术制备PVP/FeCl₃纳米纤维并热处理, 得到不同直径的Fe₂O₃纳米纤维负极材料, 并以水热合成法制备了Fe₂O₃纳米颗粒。利用X射线衍射、热重、红外光谱、扫描电镜、透射电镜和恒流充放电等测试手段对材料的物相、微观形貌和电化学性能进行表征。结果表明, Fe₂O₃纳米纤维比Fe₂O₃纳米颗粒表现出更优的电化学性能, 直径为160 nm的Fe₂O₃纳米纤维负极材料的倍率性能和循环性能最佳, 材料在0.1 A/g电流密度下的可逆容量为827.3 mAh/g;在2 A/g电流密度下70次循环放电比容量有439.1 mAh/g。

采用模板、溶剂热法分别制备出半空心及实心ZnMn₂O₄微球。采用XRD、SEM、TEM等对制备的纳米材料的晶体结构和形貌等进行了表征。结果表明, 不同的溶剂配比对产物的形貌和结构有一定的影响。当乙二醇和水的体积比为3∶1时, 可以得到ZnMn₂O₄多孔实心微球。采用模板-溶剂热法及后续焙烧可得到ZnMn₂O₄半空心微球, 这种半空心结构包含双层的ZnMn₂O₄壳及一个小的碳核。比较研究了ZnMn₂O₄空心微球与多孔实心微球的电化学性能, 结果显示, 半空心结构的ZnMn₂O₄材料比实心的ZnMn₂O₄微球具有更高的初始放电容量、更好的倍率性能及循环性能。

以SBA-15( SiO₂)有序介孔模板为前驱体, 通过镁热还原和碳包覆修饰路线, 制备出二维定向组装的束捆状有序介孔覆碳纳米组织(OMP-Si/C), 并细致研究了SBA-15的镁热还原过程, 对OMP-Si/C复合结构进行电化学性能测试。经XRD测试分析发现: 镁热还原过程中存在Mg₂Si中间相反应路径, 基于此提出反应温度-时间(T-t)相转变图; DSC/TG表明, Mg相通过反应-熔化协调联动作用, 在低于熔点(648℃)时熔化, 且发生液/固反应。从FE-SEM观察到SBA-15柱状单元被装配成类藕根链束捆状Si有序介孔组织, 并基于镁液微涡流场卷吸作用机理解释了该二维定向组装过程。所得致密纳米组织能有效抵消充放电过程中Si相的固有体积变化, 从而表现出优异的循环稳定性能和倍率性能。

通过热力学计算获得了Li-Ni-Co-Mn-H₂O系中各物质的热力学数据, 从而绘制了25℃和200℃、离子活度为1.00下的Li-Ni-Co-Mn-H₂O系电位-pH图。热力学分析结果表明: 温度为25℃时, 在pH 3~13范围内, 水溶液中未出现LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂稳定区域; 随着温度升高, Li-Ni-Co-Mn-H₂O系中各物质的稳定区域向低pH和低电位方向移动。在温度为200℃, pH为9.7~13.0的水溶液中出现了LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂稳定区域。这说明在一定温度下, 水溶液中合成LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂是可能的, 且提高温度有利于合成反应进行。进一步通过实验验证, 以(Ni_0.5Co_0.2Mn_0.3) (OH)₂前驱体和LiOH·H₂O为原料, 在水溶液中成功获得具有α-NaFeO₂层状结构的锂镍钴锰四元前驱体, 经过热处理后得到循环稳定性良好的LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂正极材料。实验结果证明, 所绘制Li-Ni-Co-Mn-H₂O系E-pH图是可靠的, 且湿法合成LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂正极材料具有良好的循环性能。

采用等离子喷涂-物理气相沉积技术(PS-PVD)在SiC/SiC复合材料表面依次制备了Si(底层)、3Al₂O₃-2SiO₂ (中间层)、Yb₂SiO₅(面层)环境障涂层(EBC)。利用扫描电子显微镜(SEM)观察分析EBC涂层表面与界面的微观形貌, X射线衍射仪对喷涂过程中易非晶化的莫来石涂层进行物相分析, 研究了喷涂粉末与高温等离子体的相互作用并探讨了EBC涂层的沉积机制。结果表明：通过PS-PVD技术可制备出低孔隙率、高致密界面的EBC涂层。通过观察EBC涂层表面, Si涂层表面无裂纹, 而莫来石和Yb₂SiO₅涂层表面均发现有微裂纹, 其中莫来石涂层表面的裂纹尺度大于Yb₂SiO₅涂层。三层结构的致密EBC涂层以液相沉积为主, 同时伴随有气、固沉积。在Yb₂SiO₅涂层沉积过程中, 液相沉积导致涂层为致密的层状结构, 蒸发后气相在等离子焰流中及基体表面发生均匀形核和非均匀形核导致涂层中出现大量的纳米晶粒, 而微熔粒子和溅射粒子则形成涂层中亚微米、微米晶粒。

采用直流磁控溅射技术制备不同金属过渡层(Cr, Ti, W)的类石墨非晶碳膜(GLC), 研究过渡层类型对非晶碳膜微结构的影响, 并考察其在人工海水中摩擦性能的变化。研究结果表明: Cr/GLC薄膜sp²杂化键含量最高, 沿GLC表面到铬碳界面方向, sp²杂化键含量逐渐增大, Ti过渡层和W过渡层的sp²杂化键含量变化不明显。Cr/GLC薄膜较高的sp²杂化键含量有助于其在摩擦过程中产生可以充当润滑相的石墨化转化摩擦转移膜。在三种涂层中, Cr/GLC薄膜表现出最高的腐蚀电位-0.16 V和最低的腐蚀电流密度4.42×10^-9 A/cm²。因此相较于Ti, W作过渡层的GLC薄膜, Cr/GLC薄膜在海水环境下表现出优异的摩擦学特性。

采用错流真空抽吸涂晶与动态水热合成的方法在四通道陶瓷中空纤维载体的内表面制备出高性能的NaA分子筛膜, 并用于75℃下90wt%乙醇/水混合物渗透汽化脱水分离, 系统考察了晶种液流速、涂晶时间与合成温度对NaA分子筛膜形貌与分离性能的影响。结果表明, 当晶种液流速为100 mL/h、涂晶时间为5 s时制备的NaA分子筛膜致密均匀; 晶种液流速过慢或者涂晶时间过长会导致膜厚增加同时也会在膜表面产生缺陷。当膜在100℃下水热合成两次, 制备的NaA分子筛膜分离性能最佳, 此时膜的分离因子为1585, 通量高达8.8 kg/(m²•h)。当合成温度过低时, 膜的晶化程度较低, 膜表面出现缺陷; 当合成温度过高时, 膜晶体生长速率过快, 交互生长程度较差, 膜的断面产生缺陷, 导致膜分离性能较低。

以廉价管状大孔α-Al₂O₃作为载体, 采用二次生长法, 在超稀溶液体系(H₂O/SiO₂=1000)中成功制备了高性能MFI型沸石膜, 分别考察晶种尺寸和H₂O/SiO₂对沸石膜的形貌及渗透蒸发性能的影响。结果表明, 尺寸为0.4 μm晶种制备的晶种层具有更大的晶核密度, 能够增加载体表面的成核位点, 因此对沸石膜的生长具有更强的诱导作用。超稀溶液体系中低浓度的模板剂和硅源环境能够控制沸石晶体的生长速率, 从而降低沸石膜厚度, 同时可以抑制晶间缺陷的形成。将制备的沸石膜用于60℃渗透蒸发分离5wt%乙醇/水混合物, 分离因子α_(乙醇/水)和渗透通量分别为47和4.09 kg/(m²·h)。采用超稀的合成液配方和廉价大孔载体, 既可以降低沸石膜制备的原料成本, 又可以提高沸石膜的渗透通量, 显示出MFI型沸石膜在脱除水中低浓度有机物潜在的工业化应用前景。

通过研究具有两种轮桨状构筑基元和四种纳米笼子结构锌基金属-有机框架(Zn-MOF)的染料吸附特性和机理,发现其分子吸附的普适性, 以及尺寸和电荷的选择性。由于Zn-MOF孔道内漂浮着抗衡阴离子, 及框架上有可配位位点, 所以它能通过离子交换机理吸附阴性染料、框架上电荷转变机理吸附阳性染料、主客体相互作用吸附中性染料, 表现出优越的分子吸附多功能性。Zn-MOF内带电荷纳米笼的尺寸选择性和电荷选择性的共同作用为设计具有更高水平兼容性和识别性的优异多孔材料铺平了道路。

以聚碳硅烷(PCS)为先驱体, 采用静电纺丝法和先驱体转化法制备SiOC超细纤维, 研究PCS溶液浓度和表面活性剂对纤维形貌和直径的影响。实验结果表明: 添加表面活性剂后, 纤维分布均匀, 串珠现象消失; 通过调节溶液中PCS比例, 纤维直径分布范围为500~900 nm。力学性能测试表明SiOC纤维毡的抗拉强度可达8.88 MPa。SiOC超细纤维毡也展现出优异的热稳定性和抗化学腐蚀性能, 在苛刻环境中可以作为催化剂载体和过滤材料使用。