随着新能源汽车、可携带式电源和储能等领域的快速发展, 人们对锂电池性能提出了更高的要求, 高性能锂离子电池的重要性日益突出。电解质是锂离子电池的重要组成部分, 对于电池的输出电压、倍率性能、适用温度范围、循环性能和安全性能等有着重要的影响。而锂盐作为液体电解质(电解液)的关键组分, 是决定电解液性能的重要因素。电解液中不同种类的锂盐及其在溶液中不同的溶剂化状态, 会对电极/电解液界面的成膜性能和锂离子的迁移行为等产生重要影响, 进而显著影响电解液的电化学性能。本文介绍了近年来新型电解质锂盐的性质特点和在不同种类电池中的应用。同时, 单一的锂盐不能完全满足锂电池对电解液的要求, 因而人们尝试采用复合锂盐使功能更完善, 催生了多盐体系电解液。多盐体系电解液在拓宽电池工作温度、抑制金属离子溶出和提高倍率性能等方面表现出明显优势。同时, 借助于浓度的提升改变锂离子的溶剂化结构, 研究人员提出了高浓度电解液。高浓度电解液在防止石墨剥离、拓宽电解液电化学窗口、抑制铝箔腐蚀和提高金属锂沉积/溶出性能等方面具有明显优势。并且, 本文重点讨论了这两种电解液对电池性能提升的机理。最后, 对锂盐基电解液尤其是这两类新型电解液的发展趋势和应用前景进行了展望。

微观力学参数是构建连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMCs)组分、微观结构和宏观力学性能的桥梁, 但受限于CFRCMCs的脆性和微观力学参数测试水平, 微观力学研究工作进展缓慢。随着基于纳米压痕的微观力学测试技术和基于聚焦离子束微观测试样品制备技术的飞速发展, 近年来CFRCMCs的微观力学研究工作取得显著进步。本文结合国防科技大学刘海韬课题组的研究工作, 重点对CFRCMCs组分的原位模量、断裂韧性以及界面结合强度的测试方法和典型应用进行了讨论, 最后举例说明了基于微观力学参数的CFRCMCs宏观力学行为的预判方法。

强度、模量和柔顺性作为碳化硅(SiC)纤维重要的力学性能受到纤维直径大小的影响, 而制备工艺中的熔融纺丝过程对纤维直径起决定作用。本工作研究了纺丝温度、纺丝压力和卷绕速度对聚碳硅烷(Polycarbosilane, PCS)原纤维直径的影响, 分析了纺丝过程中纤维断裂的原因, 并初步探究了SiC纤维直径与力学性能的关系。结果表明, 在一定范围内降低纺丝温度、降低纺丝压力和提高卷绕速度均能显著减小原纤维的直径。在连续纺丝的前提下, 最优纺丝工艺下得到的PCS原纤维直径为13.5 μm。随着PCS纤维直径由18.3 μm减小至13.5 μm, SiC纤维直径则由13.8 μm减小至9.5 μm, 而SiC纤维的强度与模量分别由1.7、181 GPa提高至2.9、233 GPa, 强度分布更为集中, 柔顺性得到显著提高。

以全氢聚硅氮烷(PHPS)为原料, 采用浸渍-热转化方法, 在低密度碳粘接碳纤维复合材料(CBCF)中短切碳纤维表面成功包覆硅氧氮(SiON)涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线光谱(EDS)等分析测试手段对碳纤维表面的SiON涂层进行了形貌和物相分析, 结果表明: 涂层主要由Si、O、N元素组成, 在PHPS浓度为3wt%和5wt%条件下制备的涂层均匀、致密, 随着PHPS浓度的提高, 涂层厚度增加, 但易发生结块。当PHPS浓度为10wt%和20wt%时, 制备的SiON涂层出现结块并且存在裂纹。采用热重分析和等温氧化实验对纯CBCF和SiON涂层改性的CBCF复合材料抗氧化性能进行考核, 结果显示碳纤维表面包覆SiON涂层能够显著提高CBCF复合材料的抗氧化性, 随着PHPS浓度增大, 低密度CBCF复合材料抗氧化性能显著提高。

以硝酸镍、钼酸钠和多壁碳纳米管为原料, 通过水热反应法制备了钼酸镍/多壁碳纳米管(NiMoO₄/MWCNTs)复合材料。采用扫描电子显微镜、X射线能谱和X射线衍射对材料组成和形貌进行表征。结果表明: MWCNTs 很好地包覆在球状NiMoO₄外表面, 且各元素均匀地分布在材料中。循环伏安和电化学阻抗实验证实MWCNTs显著增强了NiMoO₄的氧化还原信号和电荷转移动力学特性。电容测试实验进一步表明, 复合材料较NiMoO₄单一材料具有更高的比电容、倍率特性及循环稳定性, 且当MWCNT含量为40 mg时, 所得产物(NiMoO₄/MWCNTs-40)具有最佳的电化学性能。电流密度为2 A/g时, NiMoO₄/MWCNTs-40复合材料的比电容高达1071 F/g; 当电流密度增大到10 A/g时, 比电容仍能保持原来的66.10%。在10 A/g的电流密度下, 经过2500次循环充放电后, NiMoO₄/ MWCNTs-40复合材料的比电容保持率高达95.85%, 表明该材料具有出色的循环稳定性。

采用溶剂热法制备单分散的Fe₃O₄微球, 对其表面进行包覆SiO₂和氨基化处理, 再与氧化石墨烯复合, 化学还原后得到Fe₃O₄-W-RGO复合材料。SEM和TEM照片显示, SiO₂均匀包覆在Fe₃O₄微球(直径~440 nm)表面形成Fe₃O₄@SiO₂核壳微球, 紧密束缚于RGO纳米片表面。XRD测试结果表明Fe₃O₄微球结晶度好、纯度高。电化学性能测试结果表明: 在0.01~3.00 V电压范围和0.1C倍率下, Fe₃O₄-W-RGO复合材料的首次放电容量为1246 mAh/g, 100次循环后保持830 mAh/g; 在2C倍率下放电容量达到484 mAh/g, 具有较好的倍率性能和循环性能。

用硅烷偶联剂加热分解的简便方法对锂离子电池正极材料LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂(NCA)的表面进行处理, 利用XRD结合Rietveld精修、SEM、TEM、DSC、EIS和恒流充放电等方法对材料进行表征。结果显示, 硅烷偶联剂经450℃加热分解后得到的非晶态SiO₂均匀包覆在材料表面, 包覆不改变 NCA的晶体结构, 但明显改善了材料性能。在60℃环境中, 0.2C、1C下包覆材料(简写为a-NCA)的放电比容量分别为176.4、158.9 mAh·g^-1, 高于NCA的174.2、153.8 mAh·g^-1; 50周循环后a-NCA的容量保持率为91.4 %, 远高于NCA的86.5 %; 同时, 经包覆后材料的热稳定性大幅度提高。其原因是包覆层抑制了NCA在循环过程中与电解液发生副反应, 有效降低了离子迁移的界面膜电阻, 并抑制了晶体结构变化。

SiC纤维是复合材料SiC_f/SiC中的组分材料, 其力学性能已经得到实验验证, 但热学性能尚未见报道。本研究采用综合T型法测量了不同温度热处理的KD-II型SiC纤维在80~300 K温度范围内的电导率、热导率和塞贝克系数, 热处理温度分别为1400、1500和1600℃。研究发现, 在实验设定的热处理温度范围内, SiC纤维电导率不随热处理温度改变而改变, 但其热导率随热处理温度升高有显著的变化。在环境温度为290 K时, 1600℃热处理的SiC纤维热导率为11.6 W•m^-1•K^-1, 比未热处理的材料提高了42%以上。

采用熔融法制备了(Bi_0.85Sb_0.15)_1-xAs_x合金, 用X射线衍射和电子能谱仪进行物相和组份表征, 随As掺杂量的增加, 晶胞体积收缩,名义掺杂浓度低于8%的样品没有出现杂相。在温度T =100 K以下, 母体Bi_0.85Sb_0.15的直流电阻温度关系呈现半导体特性, 而(Bi_0.85Sb_0.15)_0.95As_0.05在12~300 K范围都显示金属性。从红外反射光谱可知, Bi_0.85Sb_0.15的等离子边在远红外区且随温度下降向低频移动, 是窄带隙半导体的热激发行为。室温下(Bi_0.85Sb_0.15)_0.95As_0.05的自由电子等离子频率相比母体移动并不明显, 但是散射率增大, 在中红外600~2000 cm^-1区间光电导谱比Bi_0.85Sb_0.15高, 经分析可知是源于带尾态的出现。综合对电输运和红外光谱的分析可知, (Bi_0.85Sb_0.15)_0.95As_0.05的费米能级应处于扩展态区, 而并非定域态。

以采用水热法制备的BaTiO₃粉体作为原料, 利用普通烧结法和两步烧结法制备出晶粒尺寸为0.25~10.15 μm的BaTiO₃陶瓷, 研究了晶粒尺寸效应对BaTiO₃陶瓷的介电、压电以及铁电性能的影响。结果表明: BaTiO₃陶瓷的四方相含量随着陶瓷晶粒尺寸的增大而增加; 当晶粒尺寸在1 μm以上时, 室温相对介电常数(ε° )和压电系数(d₃₃)随着晶粒尺寸的减小而增大, 并在晶粒尺寸为1.12 μm时分别达到最大值5628和279 pC/N, 然后两者随着晶粒尺寸的进一步减小而迅速下降。BaTiO₃陶瓷的剩余极化强度P_r随晶粒尺寸的增大而提高, 而矫顽场E_c却呈现出相反的趋势。晶粒尺寸对介电性能和压电性能的影响是由于90°电畴尺寸和晶界数量的变化。晶粒的晶体场和晶粒表面钉扎作用的变化影响了电畴, 进而改变电滞回线。

第二代高温超导带材在电力系统和磁体领域拥有良好的应用前景, 无氟金属有机盐沉积技术(FF-MOD)以其设备成本低、晶体生长速率快、环境友好等特点, 成为研究热点。本研究通过FF-MOD技术, 在铝酸镧单晶和CeO₂/IBAD-MgO/Y₂O₃/Al₂O₃/Hastelloy C276人工基板上制备得到钇钡铜氧(YBCO)薄膜, 并对不同制备温度下的样品进行淬火, 随后对淬火样品进行了X射线衍射、扫描电子显微镜和衰减全反射红外光谱的表征, 系统地研究了高温成相过程中BaCO₃和YBCO的相演变过程。实验结果表明, 在YBCO成相过程中, BaCO₃不会与Y、Cu元素的氧化物反应直接生成YBCO晶体, 并生成的YBCO相晶体先呈随机取向, 然后在热处理的过程中(800℃左右)逐渐转化为具有双轴织构的YBCO晶体。

采用水热合成法, 以碳球为模板, 改变焙烧升温速率, 控制影响铈物种的扩散、渗透及碳球结构的收缩率, 制备了单、双壳层CeO₂空心球。通过微波辅助乙二醇还原氯铂酸法制备了Pt-CeO₂/RGO催化剂, 研究了CeO₂空心球的添加对Pt基催化剂电催化性能的影响。利用X射线衍射仪(XRD)、比表面积及孔径分析仪(BET)、扫描电镜(SEM)和电子能谱(EDAX)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)对CeO₂及催化剂的微观结构进行了表征, 利用电化学工作站对催化剂进行电化学性能测试。结果表明: 单、双壳层CeO₂空心球的比表面积为124.44 m²/g、140.95 m²/g, 孔容为0.014427 cm³/(g·nm)、0.018605 cm³/(g·nm), 孔径分布在2~4 nm范围内。催化剂中的CeO₂保持原有的球状形貌, Pt纳米粒子主要分布在CeO₂附近; 当RGO∶CeO₂=1∶2时, 添加了双壳层CeO₂空心球的Pt-CeO₂/RGO催化剂的电催化性能最优, 电化学活性表面积为94.27 m²/g, 对乙醇氧化的峰电流密度值为613.54 A/g, 1000 s的稳态电流密度值为135.45 A/g。

以高纯锇(Os)、钌(Ru)、硼(B)粉为原料, 在常温常压下采用机械化学法制备了三元过渡金属硼化物Os_1-xRu_xB₂粉末, 并对合成的粉末进行无压烧结使其致密化。研究了机械化学法合成Os_1-xRu_xB₂的反应过程、Ru含量对OsB₂相结构的影响、合成粉末的热稳定性及烧结后块体材料的力学性能。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对Os_1-xRu_xB₂粉末及块体的相成分、表面形貌和微观结构进行表征, 并通过维氏硬度计测得其烧结后块体材料的显微硬度。实验结果表明: 合成过程中生成了中间产物Os_1-xRu_xB_1.1, 随着球磨时间的延长有少量Os_1-xRu_xB₂生成, 球磨24 h后合成粉末的主相为Os_1-xRu_xB₂, 继续球磨到40 h, 粉末中相成分不再发生变化。当x≤0.1时, 合成粉末的主相为六方结构Os_1-xRu_xB₂; 而当x≥0.15时,合成粉末的主相为正交结构的Os_1-xRu_xB₂。经1450℃(保温1 h)热处理后的粉末中有部分六方结构的Os_1-xRu_xB₂向正交结构发生相变, 并生成了低硼化物 (Os_1-xRu_x)₂B₃。合成的OsB₂和Os_0.85Ru_0.15B₂粉末经1700℃无压烧结后颗粒呈板条状, 其致密度均为85%左右, 在0.49 N载荷下测得其硬度分别(27±2) GPa和(21±1) GPa。

在偏铝酸钠-氢氧化钠-EDTA混合溶液中, 采用恒压模式对氢化锆表面进行微弧氧化处理。借助场发射扫描电镜(FE-SEM)、X射线衍射仪(XRD)及真空脱氢实验, 研究了不同正向电压(350~425 V)对微弧氧化膜层表面、截面、相结构及阻氢渗透性能的影响。分析结果表明: 微弧氧化过程大致由阳极氧化、火花放电、微弧氧化和熄弧四个阶段组成。制备的膜层分为致密层和疏松层, 致密层所占比例约为80%。随着正向电压的增大, 晶粒尺寸增大, 晶面间距减小, 氢化锆表面微弧氧化膜层厚度由122 μm增加至150 μm, 膜层的增长速度也随正向电压的增大而加快。但正向电压的改变对膜层的相结构并无显著影响, 膜层由单斜相氧化锆和四方相氧化锆组成, 当正向氧化电压为400 V时, 氧化膜的PRF值达到最大值20。

用简单的顺序沉淀法制备了两种具有混合组分的CeO₂-ZrO₂材料。用X射线衍射(XRD), 拉曼光谱(Raman), X射线光电子能谱(XPS), 氮气吸附-脱附, 氢气程序升温还原(H₂-TPR)和储氧量(OSC)研究了不同组合形式对负载的单Pd催化剂性能的影响。结果表明, 两个混和组分的催化剂结构和织构性能都得到了改善。由于贵金属和载体材料之间以及载体材料内部各组分之间的强相互作用, 组合的结构促进了Ce³⁺和晶格缺陷的形成, 提高了氧的移动性, 并且相应的催化剂老化前后对于CO、C₃H₈和NO的转化都具有较宽的窗口范围, 说明这种具有混合组分的载体材料在汽油车尾气净化方面具有良好的应用前景。

采用温和的水热法制备了多铁KBiFe₂O₅粉体。利用X射线衍射(XRD)和场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)等手段对样品的纯度及形貌进行了表征。利用紫外-可见漫反射(UV-Vis DRS)测试了样品的光吸收性能。通过降解罗丹明B(RhB)和甲基橙(MO)研究了染料溶液pH值对KBiFe₂O₅可见光催化性能的影响。结果显示, KBiFe₂O₅的可见光催化性能随着溶液pH值的下降而显著提升, 这是由于溶液中的催化剂在酸性条件下具有更好的分散性, 并且染料分子更容易吸附到催化剂表面, 从而提高催化效率。