高熵陶瓷(High-entropy ceramic, HEC)凭借其高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应、鸡尾酒效应, 展现出优异的热学性能、力学性能和化学稳定性, 在航空航天、能源、核工业等领域具有巨大的应用潜力。然而, 由于HEC巨大的成分与结构空间, 传统试错法存在周期长、成本高等问题, 难以有效开展针对复杂体系的研究。因此, 理论计算成为破解这一难题的核心工具。为梳理近年来理论计算在HEC领域的研究进展, 本文聚焦当前主流的理论计算方法, 包括第一性原理计算、分子动力学模拟、机器学习以及相图计算技术等, 并结合高通量计算与性能描述符等研究范式, 全面论述这些方法在HEC研究中的关键作用与具体应用。本文首先简要概述HEC的基本特性和核心效应, 接着重点剖析上述计算方法的理论基础, 并详细阐述其在HEC组分设计、性能预测、微观结构解析与相稳定性评估等方面的应用。最后, 总结理论计算在研究多组元体系时面临的主要挑战, 如高质量数据集稀缺、构效关系模糊等, 并对该领域在数据驱动设计、跨尺度关联、极端环境模拟等方向的发展进行了前瞻性展望。

硅因其超高的理论比容量, 被广泛认为是下一代高能量密度锂离子电池负极的理想候选材料。然而, 硅材料在实际应用中面临多种挑战, 包括在反复充放电过程中剧烈的体积膨胀、较差的电导率以及电极-电解质界面的不稳定性。机械球磨技术作为一种固态加工技术, 因其具有结构可调、操作简便和易于规模化等特点, 在改善硅基负极材料性能方面显示出巨大潜力。该技术能够精确调控颗粒尺寸、形貌和结构特性, 从而为提升材料性能提供了高效且灵活的策略, 且不需要过于复杂或苛刻的加工条件。本文综述了机械球磨技术在硅基负极材料性能调控方面的最新研究进展, 涵盖了纳米硅的可控制备、硅-碳复合材料的合理设计、硅-金属及金属硅化物复合体系的构建以及原位包覆策略的实施等方面。这些研究表明, 机械球磨技术在提升硅基负极材料的结构稳定性和电化学性能方面发挥了至关重要的作用。此外, 本文还探讨了该技术目前面临的主要挑战, 如复合材料均匀性差、球磨过程中能量输入控制复杂以及对界面反应机制的理解不足等问题。最后, 展望了该领域未来的研究方向, 包括智能球磨、界面工程和数据驱动的优化方法, 以期为高性能硅基负极材料在高能量密度锂离子电池中的应用和推广提供重要参考。

陶瓷材料的本征脆性及对结构缺陷的高度敏感, 严重制约了其在结构承载、抗冲击以及复杂服役环境中的广泛应用。以贝壳为代表的天然生物陶瓷材料在长期演变中形成了复杂而精巧的多尺度结构, 兼具高强度和韧性, 可为人造陶瓷材料设计提供重要启示。本研究利用坯体累积叠轧技术结合逐层构筑工艺, 制备得到具有多尺度类贝壳珍珠质层状与梯度结构的仿生陶瓷-树脂复合材料。该材料在微观尺度上呈现出类似天然贝壳的“砖-泥”结构, 在介观尺度上则表现为陶瓷相含量沿厚度方向呈周期性交替或梯度变化, 从而构建出多尺度层状与梯度仿生结构。本研究系统评估了仿生材料的力学性能, 并与组成相一致的均质结构进行对比, 揭示了仿生结构、力学性能及损伤机制之间的内在联系。结果显示, 多尺度层状与梯度结构仿生材料沿厚度方向呈现出高达数倍的硬度和弹性模量差异。特别是具有“软-硬-软”梯度结构的仿生材料表现出更优的强度-韧性协同效应, 其强度、断裂功、断裂与冲击韧性均显著高于相同陶瓷含量的均匀材料, 这主要归因于该结构能够有效拓宽应力分布范围, 减轻局部应力集中, 并促进机械能的广泛耗散。本研究有望为高强韧仿生陶瓷-树脂复合材料的结构优化设计提供理论依据与方法参考。

为提升C/C复合材料在超高温长时环境下的抗烧蚀性能, 本研究采用非包埋的反应熔渗法制备了Hf-Si基涂层-基体一体化改性C/C复合材料。微观结构分析表明, 涂层和基体主要由HfC、SiC和HfSi₂相构成, 两者通过化学反应形成紧密结合。材料内部基体的致密度及组分构成沿渗透方向呈现梯度分布: 靠近入渗端孔隙填充致密, 基体相以HfC-HfSi₂为主; 远离入渗端残存较多孔隙, 基体相以SiC和Si-HfSi₂两相共晶组织为主。表面涂层结构连续且致密, 厚度约120 μm, 其主要由SiC外层和HfC-HfSi₂-SiC内层构成。对复合材料反应形成机制的深入探究表明, HfC-SiC-HfSi₂涂层-基体一体化结构是熔体渗透-反应与气相渗透-沉积协同作用的结果。氧乙炔烧蚀测试结果表明, 该复合材料具有优异的抗高温烧蚀性能。在2500 ℃下烧蚀考核60、180、600和3540 s后, 材料的线烧蚀率分别为-3.52、-1.35、-0.85和0.118 μm/s。复合材料优异的抗烧蚀性能源于表面多组分涂层协同氧化生成的连续致密HfO₂保护层, 以及涂层下方基体氧化生成的HfO₂-SiO₂-HfSiO₄多相混合氧化物层。两者共同作用, 有效抑制了氧气向内扩散, 从而显著延缓了复合材料内部的氧化烧蚀进程。本研究为制备高性能一体化热防护结构提供了一种可行的技术策略。

1~3 μm红外激光在医疗、环境监测和高功率激光系统中具有重要应用价值, 其中Ho³⁺离子因其覆盖近红外至中红外多个发射通道而受到广泛关注。本工作系统研究了Ho:BaF₂晶体的结构与光谱特性, 并筛选不同发射波段的最佳掺杂浓度, 以实现高效多波段激光输出。采用温度梯度法(Temperature gradient technique, TGT)成功生长出原子比0.5%~3.0% Ho:BaF₂单晶。通过一系列表征手段进行结构和组分分析, 并利用吸收光谱、荧光光谱和寿命测试表征其光谱性能。同时结合Judd-Ofelt理论计算辐射跃迁参数。所有晶体均呈现立方晶系, 理论掺杂浓度和实际掺杂浓度接近1且分布均匀。光谱分析表明, ~1.2 μm (⁵I₆→⁵I₈)和~2.05 μm (⁵I₇→⁵I₈)的最优掺杂浓度为原子比2.0%(光谱品质因子Q分别为24.29×10^-21和67.53×10^-21 cm²·ms), 而~2.85 μm (⁵I₆→⁵I₇)的最优掺杂浓度为原子比1.0% (Q=44.52×10^-21 cm²·ms)。其中, BaF₂基质声子能量低(~346 cm^-1)及抗Ho³⁺离子团簇形成倾向较弱的特性使其在~2.05 μm处获得了3.81×10^-21 cm²的最大发射截面, 性能优于YAG、CaF₂等传统基质。相较于氧化物基质, BaF₂晶体具有更低的无辐射损耗和更强的抗浓度猝灭能力, 有助于实现更高有效掺杂浓度与稳定的多波段激光输出。Ho:BaF₂晶体展现出作为高效多波段红外激光增益介质的巨大潜力。

物联网、智能医疗和可穿戴电子设备的迅猛发展, 对高性能柔性储能器件的要求日益迫切。超级电容器(SCs)因其高功率密度和长循环寿命成为理想选择, 然而, 传统电极材料在柔性条件下常面临比电容有限、机械柔韧性不足以及长期循环稳定性不佳的共性问题, 严重制约了其在实际设备中的应用。针对上述挑战, 本研究旨在开发一种兼具高电化学性能与优异机械柔性的新型电极材料。将硫掺杂石墨烯(SGO)与两种导电聚合物——聚苯胺(PANI)和聚吡咯(PPy)进行三元复合, 混合的纳米PANI/PPy导电聚合物相互交织, 形成了高导电性的分级多孔网络。SGO中引入的硫原子有效扩大了石墨烯的层间距, 显著缓解了石墨烯片层的堆叠问题, 使其暴露更多的活性表面。电化学测试结果表明, 所制备的SGO/PANI/PPy三元复合电极材料表现出卓越的性能, 其比电容高达561.8 F·g^-1, 在功率密度为250.62 W·kg^-1时, 器件的能量密度达到19.51 Wh·kg^-1。该电极在经历10000次连续充放电循环后, 仍能保持98.12%的初始电容。本研究证实了该三元复合材料作为柔性SCs电极的应用潜力, 为通过多组分协同和结构设计解决柔性储能器件的性能瓶颈提供了新的思路。

磷酸盐玻璃以其热膨胀系数高、封接温度低等特点而成为玻璃密封领域的研究热点, 但在动力锂电池封接领域的研究并不多见。针对动力锂电池封接玻璃的性能需求, 本研究制备了P₂O₅-Al₂O₃-B₂O₃-R₂O-NaF系高热膨胀系数玻璃, 表征了Al₂O₃/P₂O₅摩尔比对封接玻璃结构、热学性能、封接性能及化学稳定性的影响。结果表明: 随着Al₂O₃/P₂O₅摩尔比由0.35增大至0.76, 玻璃结构中P-O-P桥氧键数量逐渐减少, [AlO₄]四面体含量先增加后减少, 导致磷酸盐玻璃网络结构紧密度先增大后降低, 耐酸性随之变化; 玻璃热膨胀系数先由164.5×10^-7 ℃^-1降至160.0×10^-7 ℃^-1, 再逐渐升高至175.9×10^-7 ℃^-1, 封接温度先升高至588 ℃后又降至549 ℃, 耐酸性先增强后减弱。本研究制备的磷酸盐封接玻璃兼顾了高热膨胀系数、低封接温度与良好的化学稳定性, 为寻求动力锂电池电极的玻璃低温封接工艺提供了理论与技术支撑。

随着仿生人形机器人等智能装备的快速发展, 具有仿人手指触感功能的柔性触觉传感器技术受到广泛关注。然而, 现有多模态柔性触觉传感器所用敏感材料缺乏选择性响应能力, 导致其所输出信号易产生相互交叉干扰的现象, 难以满足系统轻量化、集成化的发展需求。基于此, 本研究设计并制备了一种新型聚氨酯-碳纳米管@碲化铋(WPU-CNT@Bi₂Te₃)复合气凝胶敏感材料, 通过组分比例优化, 其最大压缩应变可达60%、压缩强度为9.4 kPa。CNT的压阻效应可实现对机械压力刺激的响应, 而Bi₂Te₃的热电效应则能够快速响应外界温度的变化。基于这两种独立感知机制, 本研究构建的柔性触觉传感器实现了对压力与温度的高灵敏感知(压力灵敏度系数(GF)为-1.28 kPa^-1, 温度响应灵敏度为1.2 K^-1, 最小感知温差为0.4 K), 具有快速(压阻响应时间为0.14 s、恢复时间为0.18 s, 温度响应时间最快为0.28 s)、高稳定(1300次热循环输出值不衰减)且互不干扰的响应能力, 并赋予了所集成机械手对物体软硬及温度等性质的感知功能。

电催化硝酸盐还原反应(NO₃RR)是一种生产氨和净化废水的绿色技术, 但是其反应过程会与析氢反应竞争, 并且造成亚硝酸盐中间体积累。设计和构筑具有不同催化特性的双活性位点可以提高反应活性, 进而通过串联催化策略(NO₃^-→NO₂^-→NH₃)显著提升氨的生成速率与选择性。本研究以结构明确的金属有机框架(MOFs)为模板, 通过简单的水热法构筑了CuNi双金属MOFs串联催化体系。研究结果表明, Cu活性位点可高效催化NO₃^-还原为NO₂^-, Ni位点展现出优异的活性氢物种^*H供应能力及NO₂^-转化效率, 二者形成高效的串联催化机制, 实现了高达90.1%的氨合成法拉第效率和28.8 mg·h^-1·mg_cat^-1的氨产率。经过多次循环测试后, 双金属MOFs催化剂的合成氨性能未出现衰减, 表现出优异的循环稳定性。本研究可为高性能串联催化剂的设计与优化提供新的见解。

二氧化硫(SO₂)是一种常见的大气污染物, 对环境和人体健康造成严重危害。目前, 氢氧化钙(Ca(OH)₂)作为一种常用的脱硫剂, 因其制备简单、成本低廉且脱硫效果较好而被广泛应用。然而, 如何进一步提高其固硫效率仍是研究重点。本工作在氧化钙(CaO)消化过程中加入氢氧化铁(Fe(OH)₃), 分步制备了钙铁脱硫剂, 并研究了其脱硫性能。结果表明, 钙铁脱硫剂的固硫效率显著提高, 与纯Ca(OH)₂相比, 固硫效率最大提升了26.16%。加入Fe³⁺改变了Ca(OH)₂的形貌, 使其表面更加粗糙, 增加了孔隙和裂缝, 从而提供了更多的反应活性位点。此外, 根据X射线光电子能谱测试结果, 脱硫后样品中S⁶⁺的比例从9.71%(纯Ca(OH)₂)提高到33.33%(钙铁脱硫剂), 并且脱硫前钙铁脱硫剂中均是Fe³⁺, 脱硫后Fe²⁺和Fe³⁺分别占68.42%和31.58%, 其中35.56%的硫元素被氧化, 64.44%的硫元素被催化, 说明Fe³⁺的氧化以及催化作用促进了S⁴⁺向S⁶⁺转化, 进一步提高了固硫效率。本工作为提高Ca(OH)₂固硫效率提供了一种有效的方法, 对选择工业烟气SO₂脱除材料具有重要的借鉴意义。

正仲氢转化催化剂是大型氢液化工程中的关键材料之一。近年来, 研究大多聚焦于提升现有体系的低温催化活性, 而准确测量仲氢含量则是研究的基础。目前仅有少数研究以及相关行业规范对仲氢分析的测试精度与可靠性进行报道。除此之外, 批量生产的相关工艺研究报道仍是少之又少, 而在此基础上通过工艺优化指导批量催化剂的生产对于打破进口依赖尤为重要。本研究从正仲氢转化催化剂的催化测试分析和批量制备工艺优化两方面进行探讨。首先证明了所研制的测试平台获得的实验结果稳定性好、测量精度高, 在此基础上通过催化性能和机械强度的综合对比, 确定了产率最大化的最优批量生产工艺组合, 并通过低温活化再激活、粒径优化、二次洗涤等操作, 对批量制备工艺进行优化, 获得了催化活性更优的催化剂产品。结果表明, 自研催化剂2#样品(直接粉碎经0.8 mm筛网筛分、二次洗涤并低温活化)在空速为1.2 L/(min·mL)条件下的催化性能比进口催化剂高约3.4%, 相应的转化率和反应速率常数k分别比进口催化剂高约7.42%和25.78%。本研究证明了通过批量化制备亦能获得性能优异的正仲氢转化催化剂, 为国产化替代提供了重要的应用支撑。

为满足航空发动机热端部件对熔渗(MI)工艺SiC_f/SiC复合材料含孔结构的设计需求, 本研究制备了无孔试样以及五种孔径(D=1~9 mm)的开孔试样, 并开展室温拉伸实验。通过数字图像相关与声发射技术, 实时监测了全场应变与内部损伤, 系统揭示了孔径对损伤起始与演化的影响规律。通过建立三维有限元模型, 分析了材料非线性行为与孔边应力集中、孔-边缘应力干涉之间的竞争机制。研究结果表明, 开孔拉伸强度与孔径呈非线性关系: 当孔径D≤3 mm时, 强度随孔径增大而缓慢上升, 孔径D>3 mm时强度随孔径增大而迅速降低; 试样宽度与孔径之比(W/D)存在临界阈值, 当W/D<3时, 孔与边缘应力集中相互干涉, 导致承载能力急剧下降, 几何效应主导失效。损伤起始应力随孔径增大而降低, D≤3 mm的小孔试样损伤演化仍具顺序性, D>3 mm的大孔试样则表现为多种损伤模式并发。有限元分析进一步揭示, 材料进入非线性阶段后, 应力峰值会从孔边偏移, 使得孔径为1~2 mm的试样因孔边应力区与材料缺陷重合而早期失效。大孔径试样需更大应力重分布区, 当W/D超过临界值3时, 有效材料尺寸不足, 导致名义强度骤降。综上, MI-SiC_f/SiC复合材料具备最优开孔拉伸性能的孔径为3 mm, 建议对W/D<3的开口结构采取补强措施。

在室内和工业环境中, 高效去除低浓度挥发性有机化合物(VOCs)依然是一个重大挑战。金属有机框架(MOFs)对低浓度VOCs具有优异的吸附富集能力, 是一种有潜力的氧化催化剂。本研究通过在配体中引入羟基, 合成了UiO-66-OH催化剂, 其对低浓度VOCs(甲苯质量浓度0.075 mg/L, 苯质量浓度0.064 mg/L, 空速(WHSV) 30000 mL/(g∙h))表现出优异的光热催化氧化性能, 对甲苯和苯的转化率分别达到了97%和90%, 优于已报道的金属氧化物和贵金属光热催化剂。其优异的催化活性主要归因于热催化与光催化的协同效应。配体羟基化优化了UiO-66的电子结构及配体-金属-电荷转移(LMCT)效应, 从而增强了光吸收能力, 提高了电子-空穴分离效率和光热性能。同时, 引入羟基还促进了氧空位的生成, 有利于O₂吸附活化, 生成的超氧自由基(∙O₂^-)为主要活性氧物种。本研究不仅展示了MOFs在低浓度VOCs光热催化氧化中的应用潜力, 也提供了一种通过配体工程调控电子结构来提升MOFs光热性能的有效策略。

热猝灭是荧光材料在固态照明器件中应用时面临的关键挑战。本研究报道了一种具有抗热猝灭行为的钙钛矿型荧光粉RbZnF₃:Eu³⁺。在紫光激发下, 该荧光粉发出明亮的红光。随着温度升高, 其发光强度先增大(175 ℃, 即抗热猝灭), 随后下降; 当温度高于200 ℃时, 发光强度低于室温值。通过全面表征发现, 抗热猝灭行为主要源于缺陷能级的存在。第一性原理计算表明, Rb空位和F空位可能是形成这些缺陷能级的主要原因。本研究还利用RbZnF₃:Eu³⁺荧光粉制备了白光发光二极管(LED), 验证了其潜在应用价值。