粘结剂在锂离子电池中虽用量少, 但是对锂离子电池的性能有较大影响。传统粘结剂聚偏氟乙烯与活性物质间形成的范德华力较弱, 不能满足现代锂离子电池, 特别是高比容量锂离子电池的要求。大部分电极材料表面具有极性基团, 这些基团可与极性聚合物间形成较强的作用力, 故极性聚合物粘结剂成为当前的研究热点。极性聚合物粘结剂对锂离子电池的影响与诸多因素有关。本文主要讨论了聚合物粘结剂的结构和物性对锂离子电池性能的影响, 包括聚合物的结构特征、粘结性、力学性能和导电性等因素, 进而从分子层次提出了设计下一代粘结剂的方法, 并展望了粘结剂的未来发展方向。

以中间相沥青为粘结剂, 采用500 ℃低温炭化炭纤维, 经低压模压成型、炭化和石墨化后得到低密度高导热炭纤维网络体。与以1300 ℃炭化炭纤维为原料和以酚醛为粘结剂制备的炭纤维网络体进行了比较。对粘结剂炭收率(热重分析)、样品微观形貌(扫描电子显微分析)、石墨化度及微晶尺寸(X射线衍射分析)等进行了表征。研究结果表明: 由于高炭收率和高片层取向度的中间相沥青与500 ℃低温炭化处理炭纤维共同经历后续热处理时呈现出相近的热收缩率, 因而具备良好的相互粘结性和石墨片层铆接效应, 其制备的炭纤维网络体经石墨化后密度为0.317 g?cm ^-3, 由此制备的相变复合材料的面内热导率为19.30 W·m ^-1·K ^-1, 较纯相变材料(石蜡)提升了80倍, 明显高于以1300 ℃炭化炭纤维为原料, 以中间相沥青和酚醛分别为粘结剂制备样品的面内热导率(17.03和14.47 W·m ^-1·K ^-1)。

多铁性材料BiFeO₃样品中Bi₂₅FeO₃₉、Bi₂Fe₄O₉等杂相的存在增加了漏电流, 影响了对其磁电耦合机制与调控的深入研究, 然而纯相BiFeO₃陶瓷的制备一直是材料合成中的难点, 其中一个主要原因是对其相变规律的认识还不充分。本研究采用高温原位X射线衍射技术(HT-XRD)及Rietveld精修定量的方法, 并结合高温拉曼光谱技术(HT-Raman), 系统地研究了不同配比(1 : 1, 1.03 : 1, 1.05 : 1)Bi₂O₃/Fe₂O₃在相同升温速率和保温时间下的反应烧结相变过程, 以及降温时反应产物的热力学稳定性, 同时利用背散射电子衍射(EBSD)技术定性研究了降温冷却后烧结产物的物相分布。结果表明: Bi₂O₃必须经历结构相变(斜方-立方)才能与Fe₂O₃反应生成BiFeO₃, 当Bi过量时, BiFeO₃、Bi₂Fe₄O₉、Bi₂₅FeO₃₉三元产物在降温过程中处于热力学不稳定状态, 能有效抑制杂相的生成, 促进BiFeO₃相生成, 且Bi₂O₃/Fe₂O₃在配比为1.03 : 1时相的纯度最高。结合本课题组前期研究结果, 发现Bi过量以及快速升降温是提高BiFeO₃陶瓷相纯度的有效手段。本研究结果可为制备纯相BiFeO₃基陶瓷提供实验依据。

材料发生相变时, 其结构和物理性能可能会发生剧烈的变化。采用激光闪射法测量热扩散系数时, 激光照射样品可能会伴随有光吸收/发射现象以及温度的显著升高, 导致其测量值偏离真实值。本工作以Cu₂S为研究对象, 发现激光照射样品后, 光吸收/发射的影响很小可以忽略, 但样品温度的升高则会明显影响热扩散系数的测量。通过构建具有不同石墨层厚度的石墨/Cu₂S双层结构, 利用石墨层减弱激光照射时Cu₂S样品的温度增加幅度, 成功使热扩散系数出现显著降低的起始温度接近采用DSC测量材料发生相变的起始温度。本研究进一步建立了石墨/Cu₂S双层结构样品的热流输运模型, 从石墨/Cu₂S双层结构样品的实验测试热扩散系数中解析出了Cu₂S在相变区间的本征热扩散系数。本工作对于理解和精确表征具有相变特征的离子导体热电材料、光敏、热敏材料的热扩散系数具有重要的意义。

为了揭示掺杂离子对具有磁铅石构型的锶铁氧体材料磁性能的影响, 本研究探讨了锶铁氧体及其锰掺杂体系的稳定构型及其磁结构。研究结果表明, 锶铁氧体为亚铁磁性, 与前期的研究结果相吻合。通过比较GGA和GGA+U计算方法, 发现U值的选取对体系的电子结构和原子磁矩有显著影响。当U值为3.7 eV时, 体系由金属性转变为自旋向上带隙为1.71 eV的半导体。原胞总磁矩为40 μ_B。对于Mn替换掺杂的SrFe_12-xMn_xO₁₉体系, 通过不同占据位能量比较, 当单个Mn原子替换(x=0.5)时, Mn离子优先占据Fe (12k)位置; 而当两个Mn原子替换Fe原子(x=1.0)时, 两个Mn分别占据Fe (12k)和Fe (2a)位置。Mn掺杂对锶铁氧体的结构影响较小, 但对于体系的总磁矩和电子结构有较明显的影响。在Mn含量x=0.5和x=1.0时, 自旋向上带隙值分别降低到0.85和0.59 eV, 原胞的总磁矩为39和38 μ_B。本研究可为实验研究提供理论指导。

通过低氟MOD法制备了Nb掺杂的YBa₂Cu₃O_7-x(YBCO)薄膜, 掺入的Nb以Ba₂YNbO₆(BYNO)相存在, 其尺寸大小在20~30 nm之间, 薄膜中BYNO纳米颗粒以外延和随机两种取向共存, 且以随机取向为主。BYNO纳米颗粒的周围出现堆垛层错, 并且BYNO周围的YBCO出现严重的晶格畸变, 这增加了YBCO薄膜内部的微观应变, 且随机BYNO颗粒含量越高, YBCO薄膜内部的微观应变就越大。微观应变增加了薄膜的磁通钉扎能力, 进而提高了薄膜在高磁场下的超导性能。

采用化学气相沉积方法制备出低密度、无定形的SiO₂疏松体, 通过TG-DSC、SEM、TEM、XRD、压汞法、氮气吸附法和高温熔炼观测系统等方法研究了低密度SiO₂疏松体烧结过程宏观尺度和微观结构的演化规律。结果表明: 当烧结温度为1000 ℃, 疏松体开始收缩; 烧结温度升至1200 ℃, 宏观尺度收缩完成, 收缩比为30%。当烧结温度高于1200 ℃, SiO₂小微粒开始熔化; 随着温度升至1250 ℃, 固相疏松体与液相玻璃体之间有明显的过渡界限, 气孔由连通状逐渐演变为孤立、球形闭气孔; 随着温度继续升高, 闭气孔通过粘性流动传质作用进一步收缩; 当温度达到1500 ℃时气孔完全消除, 得到透明石英玻璃体。此外, 在整个烧结过程中, 疏松体物相组成始终保持无定形态。

晶粒细化是提高镁铝尖晶石透明陶瓷机械性能的有效途径之一。本研究采用单相MgO·1.44Al₂O₃陶瓷粉体, 首先通过放电等离子烧结进行成型和预致密化, 然后无压烧结达到烧结末期, 最终在180 MPa下1500 ℃热等静压烧结5 h, 制备出细晶MgO·1.44Al₂O₃透明陶瓷。无压烧结的结果表明: 缩窄气孔尺寸分布、降低平均气孔尺寸有助于显著促进陶瓷的致密化, 得到平均晶粒尺寸为1.4 μm、致密度为96.7%的闭气孔烧结体。透明陶瓷的平均晶粒尺寸为1.9 μm, 维氏硬度为(13.94±0.20) GPa, 杨氏模量为289 GPa。同时, 样品具有良好的光学透过率, 厚度为2 mm的样品在可见光和红外波段的最大直线透过率分别为70%和80%。

锌铝尖晶石透明陶瓷是典型的结构功能一体化材料, 具有优异的光学、热学以及介电性能。本研究以ZnAl₂O₄和Al₂O₃为原料, 通过凝胶注模成型制备ZnAl₂O₄-Al₂O₃复相陶瓷初坯。实验探究了分散剂含量、pH以及固相量对ZnAl₂O₄-Al₂O₃混合料浆流变学特性的影响, 制得固相量为50vol%的低黏度稳定料浆。浇注成型后的坯体通过无压烧结和热等静压反应烧结制备透明陶瓷。最终获得的ZnO·2.56Al₂O₃透明陶瓷样品在厚度为1.8 mm下可见光波段透过率达到70%, 红外波段透过率达到80%以上, 维氏硬度为(11.34±0.17) GPa, 杨氏模量为285 GPa。

无机填料是齿科修复复合树脂的主要成分, 它对复合树脂的性能和功能至关重要。本文以三乙醇胺为软模板剂, 六水合硝酸锌为主要原料, 水热法制备平均晶粒尺寸37.5 nm ZnO晶粒构筑的微米级多孔介晶微球, 具有良好的有序性。经γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(γ-MPS)对ZnO介晶微球改性后, 与改性的SiO₂微球混合, 添加到Bis-GMA/TEGDMA树脂体系中, 制成复合树脂。通过形貌和性能测试发现, 20wt% ZnO介晶填充的复合树脂中填料分散均匀、力学和耐磨损性能优异, 其中树脂弯曲强度133 MPa、弯曲模量9.8 GPa; 磨损3000次后, 树脂体积损耗为1.02 mm ³, 磨损量比商业ZnO微球和单纯SiO₂填充的复合树脂分别降低了88.7%和90.8%。而且, 含氧化锌的复合树脂对口腔中变异链球菌的抗菌率达到99.9%。

采用固相法将纳米TiO₂引入0.94Na_1/2Bi_1/2TiO₃-0.06BaTiO₃ (简称NBT-6BT)钙钛矿结构压电陶瓷晶界中, 成功制备出NBT-6BT: xTiO₂ (x=0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3) 0-3型复合结构陶瓷, 并系统地研究了掺杂TiO₂对陶瓷的结构及压电性能的影响。实验结果表明, 部分TiO₂进入晶格内部造成陶瓷单斜相Cc含量减少, 晶体对称性提高; 随着TiO₂的掺杂量的增加, 明显提高了NBT-6BT陶瓷的退极化温度。对NBT-6BT:0.1TiO₂样品, 在保持一定压电常数(69 pC/N)的前提下, 陶瓷的退极化温度相比纯NBT-6BT提升约88%, 此时介电损耗tanδ=0.044, 表明该材料是一种适用于更高温区间的新型无铅压电材料。

采用固相工艺制备BaAl₂Si₂O₈-xwt%Li₂O-B₂O₃-SiO₂(x=0, 0.1, 0.3, 0.5, 1.0, 2.0)陶瓷。探究不同含量的Li₂O-B₂O₃-SiO₂(LBS)玻璃相对BaAl₂Si₂O₈(BAS)陶瓷的烧结温度、结构及微波介电性能的影响。结果表明: LBS玻璃相可明显降低BAS陶瓷的烧结温度, 并促进BAS陶瓷晶粒长大和晶体结构由六方相转变为单斜相。当x=0.1时, 六方相即可全部转变为单斜相, 在0.1≤x≤2.0范围内, BAS陶瓷晶体结构均为单斜相。添加0.3wt%的LBS玻璃相可促进BAS样品密度、介电常数和品质因数增大, 谐振频率温度系数绝对值减小。在x=0.3, 烧结温度为1275 ℃时, 可获得具有较好品质因数的单斜钡长石, 其介电性能: ε_r=6.74, Q×f=34570 GHz, τ_f= -15.97×10 ^-6/℃。

当前制约钠离子电池发展的主要因素包括较低的能量/功率密度和较差的循环性能, 而在正极材料表面包覆含氧缺陷金属氧化物层, 可以有效提高材料的电子导电率, 保证高振实密度、能量密度和功率密度。本文通过温和的溶剂热反应制备Na₃V₂(PO₄)₂F₃纳米片前驱体并结合高温煅烧合成Na₃V₂(PO₄)₂F₃@V₂O_5-x复合材料。其结构通过XRD、TEM、SEM、XPS和TGA测试进行表征。作为钠离子电池的正极材料, 展现了优异的循环性能和倍率性能。在0.2C倍率下, 首圈放电比容量为123 mAh?g ^-1, 循环140圈后容量保持在109 mAh?g ^-1。当电流密度提高至1C, 首圈放电比容量达到72 mAh?g ^-1, 充放电循环500圈后, 容量保持率高达84%。优异的电化学性能归因于材料表面包覆的具有丰富结构缺陷的无定型层, 有效提高了离子的扩散和电子导电率。此方法将有助于钠离子电池的实际应用。

为调控SiC_w/SiC复相陶瓷中原位生长SiC晶须的生长发育和形貌, 以提高SiC复相储热陶瓷的性能, 在CF0配方(SiC 69.31wt%, AlN 20.30wt%, Si 10.39wt%)的基础上添加0.5wt%~2.0wt% Fe₂O₃作为催化剂。研究了Fe₂O₃对晶须形貌、生长机制及SiC复相陶瓷结构与性能的影响。研究结果表明, 引入Fe₂O₃后晶须生长机制由气-固机理转变为气-液-固机理。Fe₂O₃添加量通过调节C元素在Fe-Si熔球中的溶解度, 与烧成温度共同调控晶须形貌。经1500 ℃烧成的CF4(2.0wt% Fe₂O₃)样品性能最佳, 晶须直径50~100 nm, 长度1~6 μm, 其体积密度、抗折强度、比热容分别为2.19 g/cm ³、45.08 MPa、0.95 J/(g·K) (25 ℃), 热导率达18.15 W/(m·K) (25 ℃), 相比于未添加Fe₂O₃的样品增加了169%。气-液-固机理生长的SiC晶须缺陷少、直径大, 可有效降低晶须-基体传输势垒, 具有更好的热学性能。

对称固体氧化物燃料电池由于生产过程简单、成本低, 受到了研究者的广泛关注。然而较低的电极催化性能制约了其进一步的发展。本研究利用溶胶-凝胶法合成了一系列钙取代Sr₂Fe_1.5Mo_0.5O₆的钙钛矿材料(Sr_2-xCa_xFe_1.5Mo_0.5O_6-δ, x=0, 0.2, 0.4, 0.6), 并研究了其作为对称固体氧化物燃料电池电极催化剂的性能。X射线衍射(XRD)测试表明所有样品在空气与氢气气氛中均能保持立方钙钛矿结构。而在程序升温还原(TPR)过程中, Ca ²⁺的掺入能有效降低还原温度, 提升其对析氧反应的催化活性。对称阳极电池在氢气气氛中的测试表明, 当Ca ²⁺的掺入量为0.6时电池极化阻抗最小。利用流延骨架与湿化学浸渍法制备了单电池SC_0.6FMO|La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O₃(LSGM)| SC_0.6FMO。以氢气作为燃料时, 单电池在800与650 ℃的最大功率密度分别为1.05与0.41 W?cm ^-2。以上结果表明Sr_2-xCa_xFe_1.5Mo_0.5O_6-δ可以作为高效对称燃料电池的电极催化剂。

氧还原反应缓慢的动力学过程严重限制了燃料电池的能量转换效率, 而商用Pt/C催化剂成本太高、资源稀缺、稳定性差, 需要寻找合适的材料来取代商用的Pt/C催化剂。近年来, 氮掺杂多孔碳材料因其独特的物理和化学特性吸引了大量的关注。本文使用富含氮元素的可再生土豆作为生物质前驱体, 通过简单的一步热解过程和KOH活化方法相结合制备出了一系列氮掺杂多孔碳电催化剂; 并系统研究了KOH用量和活化温度对碳基体孔结构和电催化性能的影响。结果表明, 当活化温度为750 ℃、KOH与碳的质量比为3/1时, 所制备的催化剂(NPC-750)的氧还原活性最高, 起始电位和半波电位分别达到0.89和0.79 V (vs. RHE), 极限电流密度达到5.53 mA?cm ^-2。NPC-750优异的氧还原催化活性主要归因于其发达的孔结构、高的比表面积(1134.2 m ²?g ^-1)和合适的氮含量(1.57at%)。同时, 优异的循环稳定性和抗甲醇中毒性能进一步说明这些生物多孔碳材料是潜在的低成本氧还原电催化剂。此外, 这些高比表面积多孔碳在超级电容、吸附/分离、催化以及电池等领域也具有潜在的应用前景。

本研究使用改良的碳热还原氮化法合成超细氮化铝粉体。以γ氧化铝和蔗糖作为铝源和碳源, 先预处理制备成多孔泡沫, 再通过碳热还原氮化法合成氮化铝粉体。反应过程和产物通过X射线衍射分析、SEM和TEM确定。X射线衍射分析表明整个反应过程不存在氧化铝的相转变。高分辨透射电子显微镜显示γ-Al₂O₃颗粒被无定型碳包裹, 从而抑制了γ-Al₂O₃到α-Al₂O₃的相转变。泡沫的多孔结构促进了氮气的扩散和反应副产物的释放, 使得最低反应温度降低至1450 ℃。SEM结果表明得到的氮化铝颗粒粒径大约为50 nm。本研究合成的氮化铝粉体可用于制备高热导氮化铝陶瓷。

本研究利用原位高温衍射和高温拉曼技术对纯相BiFeO₃粉体的热稳性和热膨胀性质进行了系统的解析。在升温阶段BiFeO₃始终保持斜方的R3c结构, 但是在降温阶段少量BiFeO₃会分解成为Bi₂Fe₄O₉和Bi₂₅FeO₃₉, 这种分解可能是由氧八面体的倾斜畸变引起的。此外, 还研究了BiFeO₃热力学膨胀系数, 发现它具有各向同性正膨胀性。以上结果也被拉曼光谱所证实。本研究的结果可为制备纯相BiFeO₃材料提供实验指导。