以Ca(NO₃)₂·4H₂O和(NH₄)₂HPO₄水溶液为前驱体, 采用水热均相沉淀法制备了结晶度较高的羟基磷灰石纤维, 研究了表面活性剂十六烷基三甲基溴化胺(CTAB)、十二烷基硫酸钠(SDS)和聚乙二醇(PEG)及其含量对产物形貌和相组成的影响。结果表明, 采用这三种表面活性剂制备的产物都是羟基磷灰石, 部分样品含有少量碳酸钙杂质。加入CTAB和SDS均会对纤维的生长起到抑制作用, 得到纤维与球形团聚体并存的产物, 而PEG的加入在一定程度上促进了纤维的生长。

石墨烯具有优异的谐振特性, 相关研究对谐振式传感器的未来发展和应用具有重要意义。目前石墨烯谐振特性的研究方法主要包括实验测量方法和理论分析方法, 后者又分为基于纳米力学的分析方法和基于经典力学的分析方法。由于利用实验精确获取石墨烯的谐振特性比较困难, 相关的理论研究和总结十分重要。本文就石墨烯谐振特性的研究进展进行综述, 包括谐振式石墨烯传感器的实验和理论分析方法的分类、现状、优缺点以及发展趋势等。

压电材料通过受主掺杂或烧结挥发等可以形成缺陷偶极子, 缺陷偶极子对材料的性能有显著的影响。本文综述了压电材料中缺陷偶极子的产生及其在外场下的响应机理, 同时, 从缺陷偶极子运动的角度分析了压电材料中老化、电滞回线异常及电致形状记忆效应等现象的起源, 简要分析了偶极子弛豫现象, 并对未来发展高可靠性压电驱动器的研究作了展望。

以低成本工业级硅溶胶为硅源, 水为溶剂, 在常压条件下干燥后制备出纳米多孔SiO₂块体材料。在制备过程中, 采用表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)来降低水的表面张力, 减少样品在干燥过程中开裂和收缩, 避免了繁琐的溶剂替换过程。所制备的SiO₂块体密度为150~260 mg/cm³, 比表面积为91~140 m²/g, 平均孔径为15~27 nm, 其室温热导率可达0.048 W/(m·K)。该方法大大缩减了制备SiO₂纳米多孔材料的成本, 并降低了操作工艺难度和危险, 将在很大程度上推动硅纳米孔材料的工业化生产与应用。

实际锂离子电池石墨负极由鳞片状石墨层叠而成, 具有明显的各向异性。本文基于椭球颗粒的模拟退火法对其进行三维微结构数值重建。重建微结构乃三相(孔或电解液、石墨和固体添加物)复合结构, 很好地再现了实际电极各向异性特征。对重构电极进行特征化分析, 得到了电极内固/孔相的连通率、比表面积以及孔径分布等信息; 发现石墨颗粒尺寸对电极特性有重要的影响: 椭球形石墨颗粒尺寸越大, 则重建微结构的平均孔径越大, 比表面积越小; 相对于赤道半径, 椭球颗粒的极半径对重建电极特性的影响更为明显。

采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)以团聚烧结的ZrO₂-7wt%Y₂O₃(7YSZ)为原料, 在850℃基体温度下制备了具有柱状结构的热障涂层, 并通过场发射-扫描电镜(FE-SEM)分析了柱状涂层的显微结构。此外, 基于原子聚集理论研究了PS-PVD中7YSZ气相分子在基体上的形核与生长过程, 并分析了高温基体下7YSZ柱状涂层的沉积机理。另外, 在1200℃下考察了7YSZ柱状涂层的CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂ (CMAS)腐蚀性能并探讨了其失效机制。结果表明, 在高温下7YSZ气相分子首先吸附在基体上, 通过扩散迁移形成分子团并吸附在基体表面上, 然后分子团再与其它吸附分子碰撞结合形成临界晶核, 临界晶核捕获其它吸附分子进一步长大形成晶核小岛, 此后依次经过岛状、联并、沟道、连续这四个阶段最终形成柱状涂层。高温下 CMAS熔融并在毛细管力的作用下沿着柱状涂层孔隙往深度方向渗透并与涂层发生热化学反应使涂层热物性能发生变化, 最终在热化学与热机械的相互作用下使涂层内产生平行于表面的横向裂纹, 并层离失效。

通过对Fe₃O₄纳米粒子接枝碳纳米管的单分散水溶液真空吸滤制备出一种新型的杂化碳纳米纸, 它与树脂浸润良好, 可以与复合材料一体成型。分别借助FE-SEM、EDS、BJH法和振动样品磁强计表征杂化碳纳米纸及其复合材料的微观形貌、元素组成、平均孔径分布和磁性能。在8.2~18 GHz频段内利用波导法测量碳纳米管共混复合材料和外贴杂化碳纳米纸/碳纳米管共混复合材料的电磁参数和吸波反射率。研究结果表明: 外贴一层杂化碳纳米纸(厚0.1 mm)后, 碳纳米管共混复合材料的磁损耗明显增加, 在8.2~18 GHz微波频段内吸波反射率基本上全部小于-10 dB(频宽大于9.7 GHz), 在15.42 GHz位置, 反射损耗峰达-43.18 dB, 远优于碳纳米管共混复合材料。

利用光催化剂将太阳能转化为人类可以直接利用的能量, 并用其解决地球资源的枯竭和生存环境的恶化是可再生清洁能源研究的一个方向。g-C₃N₄的独特结构赋予其良好的光催化性能, 使之成为光催化领域的研究热点。目前在光催化领域, g-C₃N₄主要用于催化污染物分解、水解制氢制氧、有机合成及氧气还原。在实际应用中, 为进一步提高g-C₃N₄的光催化效果, 科研工作者开发了多种改进方法, 例如物理复合改性、化学掺杂改性、微观结构调整等。本文主要论述了g-C₃N₄在光催化领域的应用以及光催化性能的改进方法, 简要阐述了光催化和各种改进方法的机理, 分析了目前g-C₃N₄在光催化领域面临的问题和挑战, 展望了g-C₃N₄的应用前景。

采用喷雾干燥法和沉淀法, 制备了表面修饰TiO₂(B) (2wt%、4wt%、6wt%和8wt%)的富锂层状氧化物Li(Li_0.17Ni_0.2Mn_0.58Co_0.05)O₂正极材料。X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)结构测试分析结果表明, 修饰TiO₂(B)后样品的体相结构仍然保持初始样品的层状结构, 仅氧化物颗粒表面附着有少量TiO₂(B)纳米晶。示差扫描量热测试(DSC)表明, 与初始样品比较, 修饰TiO₂(B)后样品的热稳定性得到明显改善。在2.0~4.8 V范围内进行恒流电化学性能测试。研究显示, 在0.1C(1C=300 mA/g)倍率下, 修饰4wt%TiO₂(B)样品的首次放电比容量可达296.4 mAh/g, 首次库伦效率则由初始样品的77.7%提升到修饰TiO₂(B)后样品的84.3%, 100周循环后电极容量保持率由初始样品的69.5%提升到修饰TiO₂(B)后样品的80.2%。即使在阶梯倍率的2C倍率下, 修饰4wt%TiO₂(B)的样品仍具有较高的电化学容量(166.5 mAh/g)。以上研究结果表明, 表面修饰TiO₂(B)纳米晶可以显著改善富锂层状氧化物Li(Li_0.17Ni_0.2Mn_0.58Co_0.05)O₂的热稳定性和电化学性能。

连续SiC纤维增强SiC(SiC_f/SiC)复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐辐照等优点, 在先进航空发动机热端部件和核反应堆包壳等领域具有广阔的应用前景。SiC_f/SiC复合材料具有纤维、界面、基体等复杂的多尺度结构, 其服役环境苛刻、损伤失效过程复杂, 深刻理解与准确分析其在近服役环境下损伤失效模式对于材料和构件的可靠服役具有重要意义。传统的“事后分析”方法无法获取材料在复杂服役环境下的损伤失效过程数据, 因此迫切需要发展面向高温服役环境的复合材料原位表征测试技术。本文介绍了基于扫描电子显微镜、数字图像相关、显微计算机断层扫描、声发射、电阻等原位监测方法的基本原理、优势与局限性, 重点讨论了以上各种原位监测方法及多种原位监测方法联用在SiC_f/SiC复合材料高温环境力学表征中的最新研究进展。最后, 总结了SiC_f/SiC复合材料高温环境原位监测技术存在的挑战, 并对多种原位技术联用、太赫兹辐射等新型检测技术、复杂构件的损伤原位监测方法等未来发展方向进行了初步展望。

采用真空热压工艺, 在烧结温度1750℃、烧结压力32MPa、保温时间5min的工艺条件下制备了添加不同量纳米六硼化钙（CaB₆）粉末的微米烧结体, 研究了纳米粒子含量对CaB6烧结体形貌组织和力学性能的影响. 纳米粉末加入量为10wt%纳米/微米复合陶瓷的致密度和力学性能最佳, 硬度、弯曲强度和断裂韧性分别为92.6 HRA、331.7MPa和3.06MPa·m^1/2, 优于微米烧结体和添加镍作为烧结助剂的烧结体. 纳米粒子对微米颗粒晶界的填充和在复合烧结体中形成的“内晶型”晶粒结构是提高复合陶瓷致密度和力学性能的主要原因.

通过高温固相反应合成工艺制备了(Ca, Cr)共掺YAG陶瓷, 研究了Ca²⁺、Cr³⁺离子掺杂对YAG陶瓷红外辐射性能的影响。X射线衍射分析结果表明, Ca²⁺、Cr³⁺离子掺杂样品具有钇铝石榴石结构。红外性能测试表明: 掺杂前后样品在0.75~2.5 μm波段的红外吸收率由0.03提升至0.90, 较之掺杂前提高了29倍。通过基于吸光度测试结果的计算发现, (Ca, Cr)共掺使得YAG陶瓷禁带宽度下降了1.77 eV, 使得自由载流子吸收得以强化, 这可能是(Ca, Cr)共掺YAG陶瓷在近红外波段具有高发射率的主要原因。

热致变色智能窗是通过在玻璃上沉积温度刺激响应型材料, 实现根据环境温度调控窗户玻璃的太阳光透过率, 减少建筑物能耗的节能窗户。二氧化钒(VO₂)是一种典型的热致相变材料, 在~68 ℃发生金属-绝缘体相变, 相变前后伴随光学性能的显著变化, 在智能窗等多个领域有潜在的技术应用。然而, 当前VO₂基热致变色智能窗的应用仍存在着相变温度(τ_c)偏高、可见光透过率(T_lum)低和太阳能调节效率(ΔT_sol)不足等问题, 无法满足实际建筑节能的需求。为了解决这些问题, 研究人员开展了广泛而深入的工作。化学气相沉积法(Chemical vapor deposition, CVD)能够以合理的成本生产高质量、大面积的VO₂薄膜, 受到研究者青睐。本文总结了近年来利用CVD技术制备VO₂薄膜的研究进展, 系统介绍常压化学气相沉积、气溶胶辅助化学气相沉积、低压化学气相沉积、金属有机物化学气相沉积、原子层沉积和等离子体增强化学气相沉积等CVD工艺, 分析了反应物种类及比例、反应温度、压力、载体流量等因素对VO₂薄膜质量的影响, 并结合元素掺杂、纳米复合薄膜、多层膜结构等对VO₂薄膜的性能调控与优化进行总结, 最后对未来等离子体增强化学气相沉积制备VO₂薄膜的研究前景做出展望。

高熵陶瓷作为新型材料, 较大的构型熵赋予其独特的性能, 其中高熵过渡金属碳化物有望成为高超声速飞行器热防护系统的备选材料。相比于单组元碳化物陶瓷, 高熵化的单相陶瓷在综合性能上有较大地提高。目前, 高熵过渡金属碳化物陶瓷的研究还处于初始阶段, 关于高熵过渡金属碳化物的成分设计和理论分析还缺少足够的研究支撑。另外, 如何制备高纯度高熵过渡金属碳化物还需要进一步探索。在高熵过渡金属碳化物陶瓷的性能方面, 还缺少深入的研究。本文针对高熵陶瓷的理论设计和制备方法展开综述, 详细介绍了高熵过渡金属碳化物的力学、热导及抗氧化性能的研究进展, 并指出了高熵过渡金属碳化物陶瓷在超高温陶瓷领域存在的科学问题, 展望了高熵过渡金属碳化物陶瓷未来的发展方向。

电致变色材料是一类重要的光电功能材料, 可以随周期性调整的电压改变颜色。这种可控的光学吸收率和透过率的调制在智能窗户、电致变色显示和防眩光后视镜等应用场合大显身手。近年来电致变色技术发展迅速, 但当前的研究大多集中在传统刚性电致变色器件, 通常以氧化铟锡(ITO)等导电玻璃为基底。这些刚性变色器件存在厚度大、共型性差、机械强度低、成本高等不可忽视的问题, 阻碍了电致变色技术及其商业化的发展。伴随着开发可穿戴设备和电子皮肤等其他未来技术的热潮, 柔性电致变色器件因其可折叠性、可穿戴性甚至可嵌入性而备受关注, 已跻身成为电致变色领域的研究热点。本综述从制备柔性电致变色器件的材料出发, 系统地概述了无机、有机、无机/有机复合及其他新型柔性电致变色器件最新进展和趋势, 着重介绍了可拉伸电致变色器件的国内外研究进展。同时讨论了现阶段柔性电致变色器件在性能提升和实际应用等方面遇到的挑战, 以及国内外研究者采取的应对措施。最后明确了柔性电致变色器件制备与提升性能的关键, 并对未来的发展趋势做出展望。

稀土离子掺杂Gd₂O₂S闪烁陶瓷是20世纪80年代以后发展的硫氧化物闪烁体。高密度和高热中子吸收截面的Gd₂O₂S基质具有高的X射线和热中子阻止能力, 稀土离子(Pr³⁺、Tb³⁺等)的掺杂使其表现出快衰减或高光产额等特性, 在闪烁领域的应用中占据着重要地位。硫氧化合物的组分控制一直是其合成过程中需要解决的关键问题, Gd₂O₂S材料的高熔点和S元素挥发严重的问题, 限制了高光学质量和优良闪烁性能单晶的制备, 因此陶瓷是Gd₂O₂S闪烁体的主要应用形式。颗粒小、粒径分布窄且低团聚的纯相Gd₂O₂S粉体是高质量闪烁陶瓷烧结的关键, 单纯提高烧结温度制备的Gd₂O₂S闪烁陶瓷会产生大量的硫空位和氧空位, 降低材料的闪烁性能。制备Gd₂O₂S闪烁陶瓷通常需要压力辅助烧结, 这种苛刻的制备条件提高了生产成本。本文介绍了闪烁体的闪烁机理及研究概况, 着重综述了Gd₂O₂S闪烁陶瓷的制备工艺、缺陷的解决方法以及在中子成像和医学X-CT上的研究现状及应用情况, 最后对全文进行总结并对Gd₂O₂S闪烁陶瓷发展前景进行了展望。

石墨烯具有超高的比表面积和优异的力学性能, 是铜基复合材料理想的增强体。传统的粉末冶金工艺很难解决石墨烯在铜基体中的分散问题, 以及石墨烯与铜基体结合性差的难题。随着近些年研究者对石墨烯-铜界面问题深入的探索, 一些新的制备工艺不断出现。本文系统地介绍和对比了近几年石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺, 概述了关于石墨烯/铜复合材料力学性能的研究进展, 总结了石墨烯增强铜基复合材料力学性能的机理, 并对未来石墨烯增强铜基复合材料的研究重点进行了展望。

氨不仅是合成化肥的主要原料之一, 而且是一种高能量密度的新型燃料。近年来, 电催化硝酸盐还原合成氨作为一种绿色可持续的合成途径, 具有能源利用率高、碳排放量低等特点, 因此受到了广泛关注, 有望替代高能耗和高碳排放的Haber-Bosch法来高效合成氨。然而, 目前该技术的反应效率、产物选择性以及催化材料稳定性都难以满足应用需求, 迫切需要寻找高效的催化材料, 从而促进电催化硝酸盐还原合成氨技术的进一步发展。近年来, 金属氧化物催化材料在电催化硝酸盐还原合成氨领域展现出良好的催化性能。基于此, 本文综述了金属氧化物电催化硝酸盐还原合成氨的研究进展, 重点概述了电催化硝酸盐还原合成氨的反应机理, 系统介绍了用于电催化硝酸盐还原合成氨的Cu基、Fe基和Ti基等典型催化材料, 以及通过形貌调控、表面重构、氧空位构造、元素掺杂和金属助催化材料负载等策略提高催化反应效率、产物选择性及催化材料稳定性的最新研究进展。最后, 展望了电催化硝酸盐还原合成氨领域面临的挑战及未来的研究方向。

陶瓷基复合材料与环境障碍涂层组合(CMC-EBC)是目前航空航天领域最具应用前景的热结构材料体系。本文对CMC-EBC失效机理与分析模型的研究进展进行综述。首先, 简要回顾了CMC-EBC材料体系的发展及主要制备工艺。然后, 综述了CMC-EBC在服役环境下的主要损伤模式与失效机理, 总结发现CMC预制体结构、孔洞缺陷和EBC内裂纹等损伤演化相互影响, 这种细观损伤模式的耦合是决定其寿命的关键因素之一, 但目前的机理研究主要集中于涂层本身性能及其受环境因素的影响, 缺乏对涂层和复合材料编制结构在损伤演化过程中协同效应的考虑。接下来, 详细分析了CMC-EBC的失效模拟与预测模型研究的历史与现状, 指出其中存在的问题, 包括环境因素建模方法和损伤耦合演化模拟技术。目前大部分工作致力于分别开发CMC和EBC的失效模型, 而对于CMC-EBC构件的失效预测应考虑其损伤演化与微观结构之间的相互耦合影响。最后, 对CMC-EBC材料体系研发与服役性能预测方法进行了展望, 认为CMC本体和EBC失效模式相互耦合, 开展结构功能一体化设计和分析是CMC-EBC构件研究的趋势。

锌离子电池是近年来发展起来的一种新型二次水系电池, 具有高能量密度、高功率密度、放电过程高效安全、电池材料无毒廉价、制备工艺简单等优点, 在大型储能等领域具有很高应用价值和发展前景。本文综述了水系锌离子电池的研究进展, 对金属锌作负极的优点和面临的处理问题进行总结, 对已报导的正极材料中锌离子电池的电化学性能和反应机制进行分析, 并通过分析目前多价离子的脱嵌特性对锌离子电池正极材料的发展进行预测。

MXene是一种新型的二维过渡金属碳化物或碳氮化物, 具有类似石墨烯的二维结构, 其化学通式是M_n+1X_nT_z, n = 1, 2, 3, 其中M为早期过渡金属元素, X为碳或氮元素, T为表面链接的F^-、OH^-、O^2-等活性官能团。通过化学液相法可以选择性蚀刻掉MAX相中的A元素得到相应的MXene相。现今较为成熟的制备方法是HF蚀刻法。对MXene的结构与性能进行的第一性原理计算表明, 其具有独特的二维层状结构、较大的比表面积及良好的导电性、稳定性、磁性能和力学性能, 已广泛应用于储能、催化、吸附等多处领域。本文综述了类石墨烯二维材料MXene的理论、制备和应用方面的研究进展, 并对现有挑战和未来发展提出了建议。随着研究的进一步深入, MXene将被应用于更广泛的领域。

可见光激光在数据存储、光通讯、激光显示、激光医疗、激光打印以及科学研究等领域具有非常重要的应用价值。随着蓝光LD泵浦源的商用化, 直接泵浦稀土离子掺杂激光晶体实现可见光激光输出吸引了人们极大的研究兴趣。目前, 可见光稀土离子主要集中在Pr ³⁺、Dy ³⁺、Tb ³⁺和Sm ³⁺等。其中, Pr ³⁺的研究较多, 发光波长涵盖面较广, 发射波段覆盖蓝光、绿光、红光、橙光; Dy ³⁺和Tb ³⁺因为能够发射黄光以填补Pr ³⁺的不足也吸引了广泛的研究; 此外, Sm ³⁺和Eu ³⁺也是典型的可见波段稀土发光离子。本文综述了近几年可见波段稀土离子掺杂激光晶体的研究现状, 主要以Pr ³⁺、Dy ³⁺、Tb ³⁺和Sm ³⁺掺杂YAlO₃ (YAP)、Mg : SrAl₁₂O₁₉ (SRA)等晶体为研究对象, 总结了一套适合Pr ³⁺掺杂材料的判据, 对晶体生长、结构、热学性能、偏振光谱性能和激光性能进行了系统的研究。

连续纤维增强陶瓷基复合材料具有高强韧、耐氧化的特性, 现已成为航空航天领域重要的高温结构候选材料。反应熔渗法可实现陶瓷基复合材料的大规模、短周期和低成本制备, 是目前最具有商业化前景的技术之一。然而, 传统反应熔渗法制得陶瓷基复合材料存在着基体碳残留、纤维刻蚀等问题, 导致材料力学与氧化-烧蚀性能不佳。为突破传统碳基体陶瓷化程度低的局限性, 相关研究人员采用碳基体孔结构构筑方法, 通过多孔碳基体取代传统熔渗预制体中致密碳基体, 以促进碳基体的陶瓷化转变及反应熔体的消耗, 进而实现陶瓷基复合材料的性能优化。本综述介绍了采用多孔碳陶瓷化策略制备SiC陶瓷、SiC/SiC复合材料、C/SiC复合材料及超高温陶瓷基复合材料的相关研究进展, 并且通过与传统反应熔渗法对比, 验证了多孔碳陶瓷化策略的优势, 同时总结了相关多孔碳基体制备方法的发展演变过程, 最后针对先进陶瓷基复合材料的基础理论与工艺技术需求, 对多孔碳陶瓷化改进反应熔渗法的未来发展方向进行了展望。

光伏切割硅废料——硅泥, 因其低成本、二维片状结构和高比容量(4200 mAh·g^-1)的优势成为300 Wh·kg^-1以上高能量密度储能电池核心硅碳负极材料的理想原料之一。然而, 硅泥存在成分复杂、粒径较大、导电性差、稳定性低和电化学性能差的问题, 需要进行系统改性处理。本文综述了硅泥在锂离子电池中的应用研究进展。首先, 分析了硅泥中金属杂质和非金属杂质对电池性能的重要影响。其中金属杂质可通过磁选和酸洗去除, 非金属杂质可通过液-液萃取和热处理去除。其次, 详细阐述了纯化后硅泥的原始性能和改性方法。通过硅泥纳米化可以抑制其膨胀, 其中包括研磨、刻蚀、电热冲击和合金-脱合金等方式; 通过直接元素掺杂硅和掺杂硅表面碳层来提高导电性; 通过构建惰性层、导电层和一定作用的官能团等表面改性提高稳定性; 还可以通过硅碳复合获得稳固的机械支撑和保护。最后, 提出了基于硅泥为原料的硅基负极面临的挑战和研发方向, 展望了未来发展前景, 旨在为硅泥变废为宝提供参考, 推动高能量密度锂离子电池快速发展。

CaTiO₃是一种新兴的高温氧化物热电材料, 但多种元素掺杂对其微观结构与热电性能的影响规律尚不清晰。本研究采用水热法结合真空热压烧结分别制备了Cr、Nb、Eu、Dy、Ce与La六种不同元素掺杂的CaTiO₃多晶块体样品。Cr掺杂导致大量纳米级Cr相析出, 由于基体中施主元素含量过低, 功率因子严重损失, 其ZT仅为0.012(983 K)。Eu掺杂并未为基体提供施主载流子, 导致ZT提升不明显, 仅为0.141(1031 K)。Nb掺杂导致高热导的微米级Nb相析出, 热导率上升, 但基体中Nb含量较多为基体提供了载流子, 使其ZT有明显改善, 达到0.263(1013 K)。Dy、Ce与La掺杂则既提供载流子又作为点缺陷散射声子, 既提高了功率因子又降低了晶格热导率, 极大地提升了热电性能, ZT在1031 K分别达到0.357、0.398、0.329, 比纯CaTiO₃(0.096)分别提升了296%、342%、265%。其中, Dy掺杂的样品在整个温度测试范围内具有最低的晶格热导率和较高的功率因子, 通过调控Dy含量与晶界处富集第二相的含量, 可以解耦电和热传输性能, 有望刷新目前CaTiO₃的ZT记录。本研究揭示了多种元素掺杂条件下CaTiO₃的成分-结构-性能联系, 为其在高温热电领域的应用提供了理论支撑。