在快速发展的社会背景下, 能源消耗问题日益凸显。其中, 热能作为能源利用的主要形式, 约占全球总能耗的51%。因此, 开发低能耗甚至零能耗的高效热管理技术已成为亟需解决的关键课题。作为一种新兴策略, 动态辐射热管理(Dynamic Radiative Thermal Management, DRTM)技术凭借其调控材料光谱辐射特性的独特优势, 能够随外界环境变化实现实时精准的温度控制, 从而提升能源利用效率并改善热舒适性。鉴于现有综述分类难以全面反映DRTM技术发展的多样性, 本文系统梳理了DRTM的基本原理, 并提出了一个全新视角, 将相关研究划分为外部驱动型调控、材料自适应调控以及代表未来发展趋势的材料-结构协同优化设计三类。在此基础上, 本文系统阐述了三类技术的工作原理、研究进展以及代表性材料, 重点比较了其太阳光吸收率、中远红外发射率调制以及工作模式切换能力等关键性能指标, 进一步讨论了不同触发信号下协同优化设计在调制能力和工作范围等方面展现出的巨大潜力, 从而为未来不同应用场景下的技术路线选择提供系统性参考。从更宏观的角度看, DRTM有望成为连接人居环境、能源系统与智能材料协同演化的关键技术路径。

叠层量子点发光二极管(Tandem Quantum-dot Light-emitting Diode, TQLED)作为量子点发光二极管(Quantum-dot Light-emitting Diode, QLED)技术的重要延伸, 通过引入多发光单元与电荷产生层结构, 实现了外量子效率、亮度及寿命的显著提升, 成为新一代高性能显示器件的研究热点。尽管TQLED的研究已经取得了巨大进展, 其仍面临着电荷注入不平衡、溶液工艺兼容性差、材料环保性及器件长期工作下稳定性不足等问题。本文首先介绍了TQLED的基本结构与工作原理, 对比了其相对于普通单层QLED存在的优势, 并详细介绍了电荷产生层的工作原理及其在多发光单元协同工作中发挥的关键作用。随后, 围绕倒置、正置、多发光材料以及其他创新叠层器件结构, 系统分析了不同材料体系、加工工艺以及结构设计在提升器件性能方面的研究进展, 总结了TQLED在效率、亮度及稳定性等方面实现的突破。最后, 指出了当前TQLED面临的挑战, 并从材料创新、结构优化和工艺革新等方面提出了未来可能的发展路径与研究重点, 特别强调了开发环境友好型量子点材料、创新溶液加工工艺以及构建稳定的界面结构的重要性。本文旨在为TQLED的后续技术开发提供理论指导和技术参考, 推动其从实验室研究向产业化应用加速迈进。

激光波长是决定激光应用场景的关键参数, 拓展激光波长一直是激光晶体材料的研究重点。其中, 黄橙色激光因其人眼敏感度高、显色性好、穿透能力强等优势, 在生物医学成像、激光治疗、显示技术、环境传感及光通信等领域有重要应用前景, 已成为当前的研究热点之一。本文系统综述了黄橙激光晶体材料及全固态器件的最新进展, 包括蓝光二极管泵浦的Dy³⁺/Tb³⁺离子掺杂晶体、非线性光学和频技术、拉曼激光晶体以及功能集成激光晶体等多种技术路线, 并对它们的技术特性与性能进行了对比分析。特别值得关注的是, 基于电子-声子耦合效应的功能集成黄橙激光晶体, 通过电子与声子之间的能量传递为实现波长拓展提供了新途径。这种声子耦合激光器件具有调谐范围宽、转换效率高、成本较低和集成度高等显著优势, 引起了国内外激光界科研人员的广泛关注, 并在激光医疗、激光照明、精密加工等前沿领域展现出应用潜力。最后, 本文讨论了黄橙激光晶体材料未来的研究方向与发展趋势, 力争推动该领域的快速发展和激光应用。

LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂ (NCM811)因其高理论比容量, 已成为动力电池领域中重要的正极材料之一。然而, 当充电电压超过4.3 V时, 材料易发生结构相变并与电解液产生剧烈界面副反应, 导致界面阻抗增大和容量快速衰减, 制约其能量密度进一步提升。本研究提出一种协同改性策略, 在采用同步锂化工艺的同时, 制备Mg-Cr共掺杂的LiNi_0.5Mn_1.5O₄ (LNMO)包覆层。该包覆层继承了LNMO的高工作电压、三维锂离子传输通道以及良好的电化学稳定性, 同时Mg-Cr共掺杂提高了LNMO的离子/电子电导率并抑制了Mn元素的溶解。结果表明, Mg-Cr共掺杂LNMO包覆改性降低了NCM811正极材料中Li⁺/Ni²⁺阳离子混排程度, 改性后正极材料在2.7~4.5 V电压区间表现出优异性能, 在0.1C (1C=200 mA·g^-1)下的首圈放电比容量达到212.74 mAh·g^-1, 5C高倍率下的放电比容量达到182.32 mAh·g^-1, 1C倍率下循环100圈后容量保持率为77.09%, 性能显著优于未改性及分步包覆样品。该策略通过抑制界面副反应、降低电荷转移电阻, 提升了NCM811的稳定性与电化学性能, 为高电压高镍正极材料优化提供了有效途径。

超级电容器具有高功率密度、快速充放电能力和长循环寿命, 在储能领域展现巨大的应用潜力。然而, 其能量密度较低, 限制了进一步发展。本研究通过水热法、模板辅助法及硫化处理构筑了多孔花球状NiCo₂O₄/ Co₃S₄-M异质结构的电极材料, 并系统研究了其电化学性能。三电极体系中, NiCo₂O₄/Co₃S₄-M在1 A·g⁻¹下比容量达2362 F·g⁻¹。其多孔花球结构提供了丰富活性位点, 异质界面优化了电子与离子传输, 两者协同作用显著增强了材料的导电性及稳定性。进一步组装了以多孔花球状NiCo₂O₄/Co₃S₄-M为正极、多孔碳(PC)为负极的非对称超级电容器(NiCo₂O₄/Co₃S₄-M//PC), 当功率密度为375 W·kg⁻¹时, 其能量密度高达98.40 Wh·kg⁻¹; 当功率密度增至7500 W·kg⁻¹时, 能量密度依然保持在45.42 Wh·kg⁻¹。此外, NiCo₂O₄/Co₃S₄-M//PC循环稳定性优异, 在5 A·g⁻¹的电流密度下循环10000次后容量保持率为99.7%, 库仑效率为97.56%。本研究通过异质结构设计与微观形貌调控的策略, 有效实现了高比电容与优异的循环稳定性, 为开发高性能超级电容器电极材料提供了新的研究思路。

我国粉煤灰富含锂且年产量大, 对其进行开发利用对保障新能源产业可持续发展意义重大。然而, 粉煤灰中的锂品位较低, 且主要赋存于化学性质稳定的玻璃相中, 传统方法难以高效、选择性提取。针对这一技术瓶颈, 本研究提出一种集“活化焙烧-温和碱浸-吸附分离”于一体的多级提锂新策略。首先, 将粉煤灰与硫酸钠混合, 在900 ℃下焙烧2 h, 有效破坏玻璃相中的Si-O-Al键, 使晶格重构, 实现了锂及其载体矿物的热活化转型。随后, 焙砂再经温和碱浸(1 mol·L^-1 NaOH、70 ℃、液固比5 : 1)选择性释放锂离子。最后, 利用对锂具有特殊记忆效应的钛酸锂离子筛进行吸附, 实现了锂与杂质的高效特异性分离。新工艺的总锂回收率(R_total)达73.20%, 锂与杂质离子的分离系数大于96, 所得净化液经富集后可直接制得纯度为99.02%的磷酸锂产品, 实现了粉煤灰锂资源的精准提纯。本研究为我国巨量粉煤灰的高值化利用及非常规锂资源的开发提供了一条绿色、高效的新思路, 具有重要的工业应用前景。

核用锆合金在反应堆失水事故工况下易发生剧烈的锆水反应, 而传统微弧氧化(MAO)涂层因孔隙率高, 难以提供足够保护。本研究在MAO过程中创新性地引入氮气, 利用氮气氛围抑制电弧集中, 实现涂层结构优化与氮元素掺杂。实验结果表明, 该方法成功制备出致密氧化锆涂层, 其孔隙率显著降至4.96%(降幅62%), 表面粗糙度降低, 且与基体结合紧密、无明显裂纹; 同步实现氮元素晶格固溶, 并形成特征性Zr-O-N键合结构。得益于此微观结构与化学组成的协同优化, 致密涂层在0.1 mol/L LiOH溶液中的腐蚀电流密度低至1.61×10^-8 A·cm^-2, 较常规MAO涂层降低一个数量级。本研究证实, 氮气氛围可同步实现结构调控与化学改性, 为开发高性能事故容错锆合金包壳涂层提供了新途径。

磁铅石型稀土六铝酸盐RMgAl₁₁O₁₉ (RMA, R=La, Pr, Nd, Sm, Gd)因其高熔点、低热导率和优异的抗烧结性能, 成为服役温度超过1300 ℃的潜在热障涂层材料。为揭示稀土离子取代对材料结构与性能的影响规律, 采用固相反应法合成不同稀土离子取代的RMA粉体, 并通过放电等离子烧结制备致密陶瓷块体。结合不同测试手段, 系统分析了稀土离子半径变化对晶体结构、晶粒生长、热物理及红外辐射性能的作用机理。结果表明, 所有样品均呈六方磁铅石型结构, 晶胞参数及体积随稀土离子半径减小而收缩, 晶粒生长速率整体提高。RMA陶瓷的热扩散系数和热导率随温度升高而降低, 热导率最低为2.86~3.19 W/(m·K) (25~1000 ℃), 平均热膨胀系数为8.22×10^-6~8.70×10^-6 K^-1 (200~1300 ℃)。不同稀土离子取代对热物理性能影响有限, 然而, 材料在3~5 μm波段的红外发射率差异显著。其中, PrMA样品平均红外发射率最高(0.746), LaMA样品最低(0.493)。本研究揭示了稀土离子取代对磁铅石型六铝酸盐热辐射性能的影响, 为设计在高温服役条件下兼具低热导率与高红外辐射性能的热障涂层材料提供了科学依据。

连续氧化铝纤维具有优异的化学稳定性、抗氧化性、结构稳定性以及高温力学性能, 被广泛应用于航空航天、国防军工、能源等领域, 是一种兼具研究价值和市场前景的高性能工程纤维。不同氧化铝纤维的组分、结构和形貌的差异导致其长期使用温度各不相同。本工作利用不同研究手段, 系统研究了Nextel^TM 440和NITIVY ALF^TM两种商业化纤维及自制SLF72连续氧化铝纤维经历高温长时热处理后的物相结构、微观形貌与力学性能演变, 探讨了纤维的物相结构和微观形貌对其力学性能的影响规律和机理, 并对比了上述三种纤维经不同温度热处理后的力学性能。结果表明, 随着热处理温度升高, 三种纤维均发生莫来石相转变, 且单丝拉伸强度总体呈降低趋势, 莫来石相的生成和长大是导致强度降低的主要原因。相较于Nextel^TM 440和NITIVY ALF^TM商业化纤维, 自制SLF72纤维在高温长时处理后具有更高的力学性能, 三种纤维的长期使用温度依次为SLF72>NITIVY ALF^TM>Nextel^TM 440。

低居里温度钛酸钡基正温度系数(Positive temperature coefficient, PTC)陶瓷因具有低温环境下电阻率随温度急剧变化的特性, 能够满足精密测温传感组件在低温领域的使用需求, 在深空探测等领域具有广泛的应用前景。然而, 低居里温度钛酸钡基PTC材料难以兼具小的低温电阻率与高的升阻比。本研究旨在通过元素掺杂优化低居里温度钛酸钡基PTC陶瓷的性能, 解决低温电阻率偏高与升阻比不足的矛盾。采用固相合成法制备了Ba_0.57Sr_0.39Ca_0.03Ti_1.01Nb_xO₃ (x=0.0020、0.0025、0.0030、0.0035、0.0040、0.0045、0.0050)低居里温度钛酸钡基PTC热敏陶瓷材料。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和电性能测试研究了陶瓷结构与性能的关系。不同烧结温度样品的电性能测试证明1375 ℃是最优烧结温度, XRD分析确定了样品具有单一晶相, SEM分析证实了Nb对晶粒的细化作用。对不同Nb掺杂量的样品进行电阻率-温度测试, 发现当x=0.0025、0.0030时, 材料的低温电阻率下降至10³ Ω·cm, 升阻比大于6, 具有优良的PTC效应。介电常数-温度谱测试进一步确定了材料的居里温度为0 ℃, 并发现介电常数随Nb掺杂量的增加呈现波动式上升。交流复阻抗谱测试表明材料PTC效应的产生与晶界效应有关。通过掺入Sr使得材料的居里温度降低至0 ℃, 使用Nb作为施主掺杂元素降低了材料的低温电阻率, 向材料体系中引入Mn提高了材料的升阻比。本研究成功制备了居里温度低、低温电阻率小且升阻比高的钛酸钡基PTC陶瓷, 为航天领域的低温高精度温度传感组件研发提供了新思路。

基于磷酸钛氧钾(KTiOPO₄, KTP)晶体铁电畴结构设计获得的周期极化KTP (PPKTP)晶体, 由于其产生的纠缠光子源具有低功耗、小体积、高纠缠品质等优越性能, 逐渐成为量子光学中产生纠缠量子光源的核心元器件。在用电场极化法制备PPKTP晶体时, 非均匀电场会导致不规则的畴结构, 进而对非线性光学性能产生不利影响, 因此电场的均匀性是极化过程的核心控制要素。为提升PPKTP晶体极化过程中电场的均匀性, 本研究通过优化电极图案与电极连接结构, 系统开展了仿真与实验验证。基于有限元分析, 对不同电极图案结构的空间电场分布进行了模拟, 提出了一种双边圆角电极图案以减轻边缘电场集中, 以及用来优化电场分布均匀性的并联多触点电极连接方式。采用金相显微镜对极化晶体的畴结构进行了表征, 通过对晶体铁电畴形貌进行实验验证发现双边圆角结构的电极图案能够有效减轻尖端效应, 而并联式多触点电极连接方式能够明显提升电场的均匀性, 从而为获得高质量的反转畴提供了关键条件。最终, 实验得到了畴壁平直, 周期为46 μm, 占空比约为(50±1)%的水热法PPKTP晶体。本工作为PPKTP制备过程中的电场均匀化设计提供了一种简便、高效且结构合理的设计方案。

螺位错(Threading Screw Dislocation, TSD)是碳化硅(Silicon Carbide, SiC)单晶中影响外延质量和器件性能的重要缺陷。随着SiC晶圆尺寸不断增大, 系统研究TSD的演变规律具有重要意义。本工作针对4H-SiC晶体中的TSD演变规律开展研究, 阐明晶体生长凸度对TSD产生的影响。采用物理气相传输(Physical Vapor Transport, PVT)法在不同热场条件下制备凸度为0.36~2.58 mm的4H-SiC单晶。利用X射线形貌术(X-ray Topography, XRT)对纵切样品进行表征, 分析热场梯度及C/Si比对TSD演变的作用。TSD在晶体生长过程中表现出继承、新生、合并、消失、弯折等多种演变行为。在初期生长阶段, 新增TSD密度随晶体凸度增大而显著升高, 当凸度为2.58 mm时, 新增TSD密度为126 cm^-2。热场模拟表明, 较大的凸度对应更陡峭的热场梯度和更低的C/Si比, 易诱发硅液滴的形成并促进TSD形核; 末期新增TSD密度受凸度影响较小, 维持在0~3 cm^-2。晶体初期生长阶段是TSD形成的主要时期, 热场引起的C/Si比失衡起主导作用。通过优化热场结构并降低生长前沿凸度, 可有效抑制TSD形成, 提高大尺寸4H-SiC单晶质量。

氮化镓(GaN)及其合金材料因具有宽禁带、高载流子迁移率、高击穿电压、化学性质稳定等优点, 在半导体发光二极管、激光二极管、光电探测器、高频高功率微波器件等领域具有广阔的应用前景。由于GaN与异质衬底之间存在较大的晶格失配和热失配, 在GaN外延层中引入高密度的失配位错会降低器件的性能与寿命。解决这一问题最根本的方法就是在GaN同质衬底上进行外延生长。本研究采用金属有机化学气相沉积法首先在蓝宝石图案化衬底上生长GaN薄膜, 然后经过湿法腐蚀, 制备出蓝宝石图形-多孔薄膜复合衬底, 再在其上生长GaN单晶, 自剥离得到GaN体块单晶, 实验证明了此工艺的可行性。X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、光致发光(PL)光谱、阴极荧光(CL)光谱测试结果证实, 在蓝宝石图形-多孔薄膜复合衬底上生长GaN单晶的质量和光学质量都有所提高。同时, 阐述了蓝宝石图形-多孔薄膜复合衬底上生长GaN单晶的生长机制, 为生长高质量自剥离GaN单晶提供了新的思路。

单Pd/CZA催化剂由第三代储氧材料CeO₂-ZrO₂-Al₂O₃ (CZA)与钯(Pd)构成, 因其优异的污染物转化效率和抗烧结性能, 成为一种更具实用性的汽油车三效催化剂(TWC)。尽管已有研究证实, Pd基TWC的热失活机制与Pd颗粒烧结以及金属-载体相互作用(MSI)减弱密切相关, 但其在极端高温条件下的热老化行为仍缺乏系统研究。本研究通过制备800~1000 ℃老化的Pd/CZA催化剂, 系统分析了其热失活过程, 揭示了Pd微观化学状态随梯度老化温度的演变规律。利用一系列表征手段, 评估了Pd微观化学状态及MSI与抗老化性能的关系。研究发现TWC催化活性随老化温度的升高呈现出非线性衰减的趋势。在850~900 ℃温度区间, 催化剂活性显著下降, 一氧化碳(CO)、一氧化氮(NO)和碳氢化合物(HCs)的T₅₀与T₉₀(污染物转化率达到50%和90%时的温度)分别升高了26~40 ℃和39~67 ℃; 而在900~1000 ℃温度区间, 催化活性变化不大。这种活性急剧下降的本质是Pd的微观化学状态发生了突变, 当老化温度升高至900 ℃时, Pd-O-Ce键变弱, 导致MSI被削弱, Pd颗粒失去对Pd-O-Ce的有效锚定, 发生快速烧结和晶粒生长, 从而明显阻碍反应物和氧气的吸附与活化过程。