金刚石因其独特的物理化学性质, 在探测器、光电子器件等领域得到了广泛的应用, 单晶金刚石更是因为具有大幅度提高这些器件功能的潜力而引起了众多学者的关注。目前在铱(Ir)衬底上异质外延生长的单晶金刚石具有最大尺寸和较为优异的生长质量。本文介绍了可用于外延金刚石的不同结构的衬底以及金刚石在铱(Ir)衬底上的形核和生长过程, 重点阐述了金刚石偏压辅助形核(BEN)和外延横向生长(ELO)的机理, 以及衬底图形化形核生长技术, 指出了目前研究存在的不足, 并对金刚石异质外延理论和实验研究方向进行了展望。

ZrB₂-SiC基复合材料具有比单体ZrB₂更优异的抗氧化性能及力学性能, 但其相对较低的韧性限制了其实际工程应用, 采用微结构设计或引入增韧相是改善陶瓷材料韧性的两个有效途径。本研究采用反应热压烧结工艺, 分别制备了具有独特片状ZrB₂晶粒互锁结构的ZrB₂-SiC复合材料和以短切碳纤维(C_sf)为增韧相的C_sf/ZrB₂-SiC复合材料。对比研究发现, 晶粒互锁结构展现出优异的自强韧化效果, 使ZrB₂-SiC复合材料具有较高的弯曲强度及断裂韧性, 但材料表现出典型的脆性断裂特征; C_sf/ZrB₂-SiC复合材料弯曲强度下降, 但C_sf具有显著的增韧作用, 不仅使材料具有较高的断裂韧性, 而且临界裂纹尺寸及断裂功都得到显著提高, 从而表现出非灾难性破坏模式。

为了克服常规的生物陶瓷微球缺乏靶向功能的缺点, 本研究制备了内核为CaCO₃, 外壳为磁性可调控羟基磷灰石(HA)的新型荔枝状多孔微球。结果表明: 抗肿瘤药物阿霉素(DOX)能有效地负载于磁性HA微球上, 并具备磁性靶向功能。此外, HA外壳具有良好的生物相容性和pH响应特性, 可在模拟酸性肿瘤细胞环境中控制DOX的释放, 有效杀死肿瘤细胞, 并在模拟正常细胞培养环境中减少对正常细胞的毒副作用。这种新型的微球材料具有超顺磁性能, 且微结构可控, 是一种智能化药物控释微球载体, 可以灵敏地释放DOX, 从而有效地实现抗肿瘤活性。

以氟化钠、六水合氯化镁为主要原料, EDTA (乙二胺四乙酸二钠盐)为辅助剂, 通过水热法制备出不同形貌的氟化镁钠。考察了溶液pH、反应温度、时间和络合剂对产物形貌和物相的影响, 并对其形成机理进行了探讨。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等手段对产物形貌和物相进行了表征。结果表明: 在该反应体系中, EDTA既作为原料提供钠离子, 又作为络合剂与镁离子形成络合物; 反应温度、pH和络合剂对产物的形貌和物相有较大影响; 所得产物结晶度高, 有表面光滑的微米立方体晶体和纳米粒子聚集的微米空心球颗粒, 粒径均在1~3 μm之间。

采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)方法制备了羽毛柱状结构7YSZ (氧化钇稳定氧化锆, 简称YSZ)热障涂层, 并对涂层进行了表面镀铝改性研究。在1050 ℃保温5 min、空冷5 min为一个热循环的条件下, 测试了改性前后热障涂层的热循环性能。此外, 在1200 ℃高温下对涂层进行了CMAS (CaO、MgO、Al₂O₃、SiO₂等硅酸铝盐物质的简称)腐蚀实验。采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对涂层显微组织、元素分布及物相组成进行了表征。通过研究喷涂态涂层与镀铝改性涂层的CMAS腐蚀行为, 分析了涂层腐蚀机制, 并阐述了镀铝改性对涂层耐腐蚀的作用机理。结果表明: 镀铝改性后的涂层保持较好的热稳定性, 经过5200次热循环后未见涂层剥落。喷涂态涂层受CMAS腐蚀后, 产生了“波浪”状形变, CMAS完全渗透了7YSZ涂层; 而镀铝改性涂层, 由于通过Al与ZrO₂原位反应, 在涂层表面形成有耐腐蚀的α-Al₂O₃致密层, 涂层腐蚀情况得到了显著改善。研究发现, α-Al₂O₃致密层不仅对涂层形成机械保护, 还影响CMAS在涂层上的热化学反应, 使得CaO、Al₂O₃、SiO₂三种氧化物在涂层上的渗入受到抑制, 但MgO在涂层中的渗透未受到明显影响。此外, 本文还建立了以菲克第二定律为核心的数学模型, 以评估镀铝改性技术对涂层耐CMAS腐蚀能力的影响。

氮化铝(AlN)陶瓷具有高导热、高电阻率、良好的尺寸稳定性以及优异的力学性能等特性, 被认为是新一代高性能陶瓷基板和封装的首选材料。本研究探讨了高性能陶瓷在空间电子系统的应用潜力, 对AlN材料的基础性能进行了分析, 重点分析了AlN陶瓷材料及其覆铜板的热传导性能, 从理论上分析了AlN材料及覆铜板的热特性, 并通过仿真模拟对理论值进行了分析验证, 最后探讨了AlN陶瓷覆铜板在空间热循环模拟环境下的热传导性能。结果表明AlN陶瓷的导热系数高达174.1 W·m ^-1·K ^-1, 覆铜板比纯氮化铝陶瓷具有更高的热扩散系数, 而热特性的仿真结果与理论计算一致。最后空间环境模拟试验表明, AlN材料在温度循环环境下的热传导性能非常稳定。

太阳能电池硅片切割工艺中使用碳化硅作为切割硅片的磨料, 切割后会形成大量的废料-一种碳化硅基混合物(HT-SiC), 其中含有少量金属等杂质。本工作开发了一种新型催化剂, 将Cu-SSZ-13分子筛和HT-SiC通过水热法结合离子交换制备成一种复合材料Cu-SSZ-13/HT-SiC, 并应用于脱硝催化反应。在合成Cu-SSZ-13分子筛时使用两种模板剂: N, N, N-三甲基-1-铵金刚烷(TMAdaOH)和铜胺络合物(Cu-TEPA)。实验结果表明, 在HT-SiC的参与下, TMAdaOH模板成功得到SSZ-13晶体, 而使用Cu-TEPA模板得到的可能是非晶态结构。在NH₃-SCR反应中, 结果显示, Cu-SSZ-13/HT-SiC在中高温区间相比纯相Cu-SSZ-13更加出色, 在500 ℃时, 前者的NO消耗量约为后者的11倍。另外, 相比于用纯相SiC(α-SiC)合成的Cu-SSZ-13/α-SiC催化剂, Cu-SSZ-13/HT-SiC在整个温度区间的催化活性表现更佳。这些良好的性能不仅归因于SiC良好的导热性和热稳定性, 而且归因于HT-SiC中存在的少量Fe组分, 在脱硝催化反应中充当了还原NO的活性位点。该方法不仅解决了废弃磨料环境污染的问题, 也为重复利用SiC废料提供了新的途径。

以玻璃纤维布为基底, 以TiH₂为原料, 通过简易的化学合成及溶胶-凝胶法制备了光热增强光催化性能的二氧化钛(B)/玻璃纤维布复合材料(B-T/GFC)。通过XRD、SEM和TEM检测合成材料的成分、结构和形貌, 采用分光光度计、光学接触角测量仪、太阳光模拟器对材料的性能进行了系统研究。结果表明: 该复合材料表面形成了锐钛矿晶型的黑色TiO₂薄膜, 且晶体中存在厚度约为1 nm的无序层。同时该复合材料在250~2000 nm波长范围内具有较强的光吸收能力, 且具有强疏水性; 在 1 个太阳光强度下(1 kW/m ²), 相对于玻璃纤维布具有更强的光热能力; 其光催化降解切削废液中有机污染物(COD)的能力优于黑色TiO₂(B-T)和P25, 光照2 h的降解率约为P25的2.3倍。由此可见, B-T/GFC复合材料具有优异的光热增强光催化性能, 具有广阔的应用前景。

通过掺杂修饰催化剂形成捕获陷阱, 可以有效抑制光生载流子的复合, 获得高效的光催化固氮效率。以Bi(NO₃)₃·5H₂O、Zn(CH₃COO)₂为原料, 采用溶剂热法制备了Zn掺杂的δ-Bi₂O₃光催化剂。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电镜(TEM)、紫外-可见漫反射(UV-Vis DRS)等表征手段对其形貌、元素组成、光吸收等性质进行表征。结果表明, 利用这种简单的水热合成方法获得2D薄层状结构的Zn-δ-Bi₂O₃。在常温常压下, 研究了Zn-δ-Bi₂O₃的光催化固氮性能, 并考察了Zn的添加量对光催化固氮活性的影响。结果表明, 可见光照射3 h, 4wt% Zn-δ-Bi₂O₃的氨生成量可达301.6 μmol·L ^-1。采用荧光、光电流、光阻抗等手段探讨了光催化固氮机理, 发现掺杂Zn不仅可以促进价带和导带的轨道杂化, 拓宽可见光的利用范围, 而且可以在δ-Bi₂O₃表面形成陷阱, 降低光生电子和空穴的复合速率, 从而提高光催化固氮效率。

采用共沉淀法合成席夫碱钴(SBCo)插层钴铬水滑石(CoCr-LDHs)材料。通过X射线粉末衍射(XRD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM-EDX)、X射线光电子能谱(XPS)、比表面积(BET)分析表征CoCr-LDHs以及CoCr/SBCo-LDHs材料的结构和性质。以H₂O₂作光催化助剂, 考察了不同插层量、催化剂用量以及亚甲基蓝溶液的初始浓度对光催化活性的影响, 并探究了光催化降解过程的动力学和主要的活性基团。实验结果表明: H₂O₂有助于提高水滑石材料的光催化性能, 以氙灯模拟太阳光, 20 mg CoCr/SBCo_0.5-LDHs和H₂O₂的协同作用对初始浓度为25 mg/L的亚甲基蓝降解率高达99%。亚甲基蓝的光降解过程符合准一级动力学模型, 且起主要作用的活性基团为h ⁺和·OH。

本论文基于硅铬共掺杂, 合成得到了一种尖晶石长余辉材料Zn_1+xGa_2-2xSi_xO₄:Cr ³⁺。实验采用高温固相法, 按照设计的化学计量比精确称量ZnO、Ga₂O₃、SiO₂和Cr₂O₃等原料, 制备了一系列硅铬共掺杂的镓酸锌尖晶石长余辉材料, 其化学式为Zn_1+xGa_2-2xSi_xO₄:Cr ³⁺(x=0, 0.1, 0.15, 0.2, 0.5, 1)。实验结果表明: 采用硅铬共掺杂方式后, 引入合适浓度的硅离子可有效改善余辉性能。当x=0.2时, 样品余辉强度最佳, 相比ZnGa₂O₄:Cr ³⁺增强了3倍, 并且余辉持续时间长达24 h。进一步的陷阱分布分析表明, 在ZnGa₂O₄基质基础上引入硅掺杂, 可有效调控不同陷阱深度的分布。即在丰富的反位缺陷基础上, 硅的共掺杂可增加不等价替换缺陷和填隙缺陷等, 并可调控禁带宽度及缺陷形成, 从而实现改善余辉性能的目的。

ZnO纳米材料异质结是构筑高性能紫外光电探测器的有力候选之一。本工作中, 设计并制备了一种新型ZnO纳米棒/ZnCo₂O₄纳米片异质结, 研究了其电学性能及光电探测性能。使用油水界面自组装, 将ZnCo₂O₄纳米片在ITO玻璃上组装为均匀的薄膜; 通过调控ZnO种子层厚度, 在ZnCo₂O₄纳米片薄膜上水热生长了取向一致、密度适中的ZnO纳米棒阵列, 获得了高质量的ZnO纳米棒/ZnCo₂O₄纳米片异质结。该异质结具有优良的整流特性, 整流比达到673.7; 其工作在反偏状态时, 光暗电流比超过2个量级, 紫外-可见判别比为29.4, 在光电探测中有良好的波长选择特性。研究表明, 该异质结有潜力应用于构筑高性能紫外光电探测器。

采用固相法制备了Ce ³⁺掺杂的Na_0.5Bi_8.5-xCe_xTi₇O₂₇(NBT-BIT-xCe, 0≤x≤0.1)共生铋层状无铅压电陶瓷, 研究了NBT-BIT-xCe陶瓷的结构和电学性能。研究结果表明所有陶瓷样品均为单一的铋层状结构, 随Ce ³⁺掺杂量的增加, 样品的畸变程度呈现上升趋势, 同时陶瓷晶粒的平均尺寸不断减小, 介温谱和差热分析结果表明样品的介电双峰均对应于陶瓷内部结构的铁电相变。Ce ³⁺掺杂可以显著减少陶瓷内部的氧空位浓度以及降低陶瓷的介电损耗, 提升陶瓷的压电常数(d₃₃), 当x=0.06时, 陶瓷的综合电性能最佳: 压电常数(d₃₃)达到27.5 pC/N, 居里温度(T_C)达到658.2 ℃, 介电损耗(tanδ)为0.39%。

用Ta₂O₅ 纳米带模板转化法控制合成TaON纳米带, 典型的纳米带长约0.5 cm, 横截面积40 nm×200 nm~ 400 nm×5600 nm。在SiO₂/Si基片上加工出TaON单根纳米带的场效应晶体管; 该晶体管的电子迁移率和开关比分别为9.53×10 ^-4cm ²/(V·s)和3.4, 在254~850 nm范围内显示良好的光响应。在405 nm (42 mW/cm ²)的光照下, 外加5.0 V的偏压时, 光响应为249 mA/W, 光开关比为11。因此, 该器件具有良好的光探测性, TaON纳米带可作为光电子器件的候选材料。另外, 实验还控制合成出Ta₂O₅@TaON纳米带, 并加工成单根纳米带的场效应晶体管, 虽然相同光照条件下的光响应弱于TaON 纳米带, 但仍算是一种好的光电材料。

电卡效应是极性材料中极化强度和温度的相互作用, 具有电卡效应的铁电陶瓷材料在高效固态制冷领域有很好的应用前景。本研究以Pb_0.3Ca_xSr_0.7-xTiO₃ [PCST(x), x = 0.00, 0.05, 0.10, 0.15]陶瓷为对象, 系统研究了在电场作用下Ca含量对材料介电性能和铁电性能的影响, 并通过间接法计算了不同温度下材料的电卡温变。研究结果显示: Ca含量可显著调控PCST陶瓷的弥散相变特性, PCST(0.05)的相变弥散因子随外加电场的增大而增大, 可利用弥散相变在较宽温度区间内获得较大的电卡效应。经计算可得: PCST(0.05)在室温下可产生1.71 K的温变。当电场为8 kV/mm时, PCST(0.05)陶瓷在5~70 ℃的温度范围内, 绝热温变均大于1 K, 表现出优异的电卡效应。

利用注浆成型结合反应烧结的方法制备了高强度短碳纤维增强碳化硅基复合材料, 研究了分散剂(四甲基氢氧化铵)的含量和混料时间对浆料粘度的影响; 短碳纤维的体积分数、碳化硅粉的粒径对复合材料微观结构和力学性能的影响。结果表明, 添加0.1wt%的四甲基氢氧化铵得到的浆料粘度最低, 混料时间控制在6 h为佳。添加35vol%短碳纤维的复合材料的弯曲强度达到(412±47) MPa。由5 μm粒径碳化硅粉制备的复合材料的力学性能最佳, 其弯曲强度可达(387±40) MPa。将5与50 μm粒径的碳化硅粉进行2 : 1混合后得到的复合材料的力学性能优异, 弯曲强度可达(357±41) MPa。