随着以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体的崛起, 电力电子器件向高输出功率和高功率密度的方向快速发展, 对用于功率模块封装的陶瓷基板材料提出更高的性能要求。传统的Al₂O₃和AlN陶瓷由于热导率较低或力学性能较差, 均不能满足新一代功率模块封装的应用需求, 相较之下, 新发展的Si₃N₄陶瓷因兼具高强度和高热导率, 成为最具潜力的绝缘性散热基板材料。近年来, 研究人员通过筛选有效的烧结助剂体系, 并对烧结工艺进行优化, 在制备高强度高热导率Si₃N₄陶瓷方面取得一系列突破性进展。另外, 伴随覆铜Si₃N₄陶瓷基板工程应用的推进, 对其制成的基板的力、热和电学性能的评价也成为研究热点。本文从影响Si₃N₄陶瓷热导率的关键因素出发, 重点对通过烧结助剂的选择和烧结工艺的改进来提高Si₃N₄陶瓷热导率的国内外工作进行综述。此外, 首次系统总结并介绍了Si₃N₄陶瓷基板的介电击穿强度以及覆铜后性能评价研究的最新进展, 最后展望了高热导率Si₃N₄陶瓷基板的未来发展方向。

陶瓷基多孔结构既继承致密陶瓷材料耐高温、电绝缘、化学稳定的优异性能, 又兼具多孔结构低密度、高比表面积、低热导率的独特优势, 已被广泛应用于隔热、骨组织工程、过滤及污染物清除、电子元器件等领域。但是, 陶瓷基多孔结构的传统成孔方法在宏观尺度创造复杂几何外形与微纳尺度调控孔结构形态方面仍面临巨大挑战。近几十年来, 研究人员一直致力于创新陶瓷基多孔结构的加工成型方法, 以直写3D打印为代表的增材制造技术成为当前研究的热点, 并迅速发展出一系列成熟理论与创新方法。本文首先概述了陶瓷基多孔结构的传统成孔方法与增材制造成孔方法, 进一步详细介绍了直写组装成孔工艺过程, 主要包括假塑性墨水配方、固化策略、干燥及后处理, 分析了传统成孔方法与直写3D打印二者的组合技术在构筑陶瓷基多级孔结构方面的可行性, 总结了直写3D打印技术在制造复杂陶瓷基多孔结构领域的新观点、新进展和新发现, 最后结合陶瓷基多孔结构实际应用现状对直写3D技术的未来发展与挑战进行了展望。

类脑神经形态计算通过电子或光子器件集成来模拟人脑结构和功能。人工突触是类脑系统中数量最多的计算单元。忆阻器可模拟突触功能, 并具有优异的尺寸缩放性和低能耗, 是实现人工突触的理想元器件。利用欧姆定律和基尔霍夫定律, 忆阻器交叉阵列可执行并行的原位乘累加运算, 从而大幅提升类脑系统处理模拟信号的速度。氧化物制备容易, 和CMOS工艺兼容性强, 是使用最广泛的忆阻器材料。本文梳理了氧化物忆阻器的研究进展, 分别讨论了电控、光电混合调控和全光控忆阻器, 主要聚焦阻变机理、器件结构和性能。电控忆阻器工作一般会产生微结构变化和焦耳热, 将严重影响器件稳定性, 改进器件结构和材料成分可有效改善器件性能。利用光信号调控忆阻器电导, 不仅能降低能耗, 而且可避免产生微结构变化和焦耳热, 从而有望解决稳定性难题。此外, 光控忆阻器能直接感受光刺激, 单器件即可实现感/存/算功能, 可用于研发新型视觉传感器。因此, 全光控忆阻器的实现为忆阻器的研究和应用打开了一扇新窗口。

高致密的大厚度SiC陶瓷在装甲防护领域具有显著优势, 但是制备厚度100 mm以上的块体SiC陶瓷具有极大的挑战性。针对大厚度SiC陶瓷烧结易开裂、不致密等问题, 本工作着重对大厚度SiC素坯的脱脂产物、压力-不完全脱脂分析等开展了研究。采用TG-MS分析了大厚度陶瓷脱脂过程中的酚醛树脂裂解残余, 其中甲醛等小分子裂解物易脱除, 而二甲基苯酚等高分子产物易滞留芯部, 导致大厚度陶瓷的烧结不致密。经脱脂优化, 素坯表层-芯部密度一致, 均在1.81~1.84 g/cm³范围。经2150 ℃烧结后, 得到不开裂、不变形的大厚度SiC陶瓷, 块体陶瓷表层与芯部的密度均达到3.14 g/cm³。大厚度陶瓷表层与芯部微观结构相似, 表层抗弯强度为(433±48) MPa、芯部抗弯强度达到(411±84) MPa。经分析认为, 大厚度陶瓷芯部不完全脱脂是导致开裂和不致密的主要原因。

陶瓷粉体的批次稳定性是陶瓷制品生产商最关心的核心指标, 却又长期无据可依。本研究以燃烧合成的氮化硅粉体为样本, 量化评价不同批次生产的氮化硅粉体的相似程度。首先构建了涵盖静态理化指标、动态流动性指标的粉体性能评价参数体系, 进而测试得到在该参数体系中氮化硅粉体的全部性能数据, 随后对所得性能数据分别采用余弦相似度法和欧氏距离法进行计算, 得到了粉体性能一致性评价数据。结果表明, 基于该参数体系的余弦相似度和欧氏距离均能反映批次粉体间的相似程度, 量化显示出不同批次粉体的差异, 两种方法的计算结果相互验证。对判定为不相似的粉体, 追溯工艺流程中的差异找到了控制氮化硅粉体一致性的关键环节—原料硅粉; 对判定为高度相似的粉体划分为同类, 为不同批次氮化硅粉体的类别划分提供了量化依据。该工作建立的“粉体性能一致性评价体系”为氮化硅粉体产品质量的批次稳定性(性能一致性)提供了有效的评价手段和量化依据。

制备高效稳定的光催化剂对于光催化技术的发展至关重要。本研究采用超声辅助沉积加低温煅烧的方法制备了2H相MoS₂/g-C₃N₄ S型异质结光催化剂(MGCD), 并综合考察了材料的相结构、微观形貌、光吸收性能、X射线光电子能谱、电化学交流阻抗和光电流等对光催化性能的影响。结果表明: 经过超声辅助沉积-煅烧处理, MoS₂微米球发生破碎分散结合在g-C₃N₄纳米片层表面上并形成异质结。可见光下5%MGCD(添加5% MoS₂)对罗丹明B(RhB)在20 min时的降解率达到了99%, 且样品重复使用5次后对RhB的降解率仍能达到95.2%, 表现出良好的光催化性能及稳定性。从内建电场形成的角度进一步分析表明, 异质结中MoS₂与g-C₃N₄间耦合形成的内建电场引起的能带弯曲可以有效引导载流子的定向迁移, 并促进光生载流子的分离, 从而提高了光催化反应效率。异质结光催化剂的自由基捕获实验表明: O₂^-和·OH在催化降解RhB中是主要的活性物种, h⁺的贡献次之。

Al₂O₃-TiC_p(AT)复相陶瓷材料以其优异的综合力学性能而被广泛用作金属切削刀具材料。针对AT材料传统烧结方法在能耗及周期方面的局限, 本工作利用激光定向能量沉积技术开展了AT复相陶瓷材料直接增材制造的研究, 系统探讨了不同TiC_p比例对复相陶瓷材料微观结构和力学性能的影响。结果表明TiC_p颗粒均匀分布在成型样件的基体中, 掺杂TiC_p细化了Al₂O₃晶粒。同时, 由于TiC_p与Al₂O₃基体的热膨胀失配引起裂纹出现偏转、贯穿颗粒等现象, 消耗了裂纹扩展能量, 进而有效抑制了AT材料直接增材过程中的裂纹扩展行为。掺杂TiC_p颗粒对熔池形成冲击, 在一定程度上加快了气体的逸出速率, 进而提高了材料的相对密度。但TiC_p含量过高将加剧其与Al₂O₃基体在高温时的化学反应, 生成的气体使复合材料中出现较大气孔并降低了材料部分力学性能。TiC_p质量分数为30%的复合材料的相对密度达到96.64%、平均显微硬度达到21.07 GPa和断裂韧性达到4.29 MPa·m^1/2。

为拓展铁尾矿的资源化利用途径, 本研究分别以细颗粒高硅铁尾矿、铁尾矿+石墨粉以及铁尾矿+石墨粉+碳化硅粉为原料, 采用泡沫注凝成形-常压烧结、泡沫注凝成形-反应烧结和模压成形-反应烧结工艺制备了铁尾矿多孔陶瓷和三种以碳化硅为主晶相的多孔陶瓷。通过DSC-TG和XRD分析, 研究了铁尾矿自身的烧结过程以及铁尾矿与石墨之间的碳热还原反应烧结过程, 对比分析了四种多孔陶瓷材料的孔隙率、压缩强度、热导率等性能。结果表明, 以铁尾矿为原料可制备具有较高孔隙率(87.2%)、压缩强度(1.37 MPa)和低热导率(0.036 W/(m·K))的铁尾矿多孔陶瓷, 它是一种高效保温隔热材料; 利用铁尾矿与石墨之间的碳热还原反应可获得碳化硅多孔陶瓷, 其热导率显著提高, 但强度偏低; 而在原料中加入部分碳化硅, 可以明显改善多孔陶瓷的压缩强度, 获得具有高孔隙率(91.6%)、较高压缩强度(1.19 MPa)和热导率(0.31 W/(m·K))的碳化硅多孔陶瓷, 它可作为轻质导热材料或复合相变材料的载体使用; 与泡沫注凝成形工艺相比, 采用模压成形工艺制备的碳化硅多孔陶瓷虽然孔隙率有所降低(79.3%), 但热导率得到显著提升(1.15 W/(m·K)), 同时原料和生产成本大幅降低, 有利于实现产品的工业化生产。

钙钛矿结构的铝酸镨(PrAlO₃)具有较高的稳定性并能提供可被其它镧系稀土离子掺杂的格位, 有望成为一种新型中子吸收材料基体, 目前对PrAlO₃的研究主要集中在单晶材料的制备方法及其光学、磁学等特性。本工作采用固相反应合成法, 以正硅酸乙酯(TEOS)作为液相助烧剂, 制备了高致密度钙钛矿相PrAlO₃陶瓷, 并采用XRD、SEM、顶杆法和激光闪光法系统表征了PrAlO₃陶瓷的显微结构及热物理性能。结果表明, 通过在1200 ℃预先合成PrAlO₃粉体并添加质量分数为0.4%~1.0%的TEOS作为液相助烧剂, 在1500 ℃左右烧结可获得相对密度大于99%的PrAlO₃陶瓷; 而未添加助烧剂获得的产物相对密度仅为96%。PrAlO₃陶瓷在亚临界温度360 ℃时的热导率为4.99 W·m^-1·K^-1, 优于Dy₂TiO₅和GdAlO₃陶瓷, 并且室温到800 ℃的线性热膨胀系数仅为10.2× 10^-6 K^-1。同时, PrAlO₃陶瓷的抗弯强度和维氏硬度分别达到95.55 MPa和7.95 GPa, 荧光光谱表现出Pr³⁺的特征发射峰。研究结果显示, 高密度钙钛矿相PrAlO₃陶瓷制备方法简单, 具有较好的热物性和力学性能, 作为一种稀土基中子吸收核用材料具有较好的应用前景。

SiO₂-BaO基微晶玻璃以其膨胀系数高、耐高性能优异而成为耐高密封领域研究的热点, 但稀土氧化物对该类封接玻璃改性的影响研究尚不多见。本工作研究不同高阳离子场强(Cation field strength, CFS)的稀土氧化物取代传统碱土氧化物BaO对新型富稀土—SiO₂-BaO-Ln₂O₃(SBLn, Ln=La、Sm、Er、Yb)系列玻璃的网络结构、结晶行为、微观结构和高温性能的影响。随着稀土阳离子场强由2.82(La³⁺)增大到3.98(Yb³⁺), SBLn玻璃的玻璃转变温度(T_g)、析晶起始温度(T_x)、析晶峰值温度(T_p)均逐渐增加, 说明高稀土阳离子场强有利于提高SBLn玻璃的热稳定性。四类富稀土SBLn玻璃的结晶相均由BaSiO₃和BaSi₂O₅相组成, 随稀土阳离子场强增大, BaSiO₃相减少、BaSi₂O₅相增多, 稀土元素只存在于玻璃相中, 不参与晶相析出。随着稀土阳离子场强增加, SBLn微晶玻璃的热膨胀系数(Coefficient of thermal expansion, CTE)由12.52×10^-6/℃增大到13.13×10^-6/℃(30~800 ℃), 但析晶量下降导致软化温度从1313.5 ℃降至1174.1 ℃。总之, 富稀微晶玻璃材料高热膨胀系数大于12×10^-6/℃、软化温度均高于1150 ℃, 且在700 ℃高温下的直流电阻率大于10⁶ Ω·cm, 说明富稀土微晶玻璃密封材料具有在固体氧化物燃料电池、氧传感器、铂薄膜热敏电阻器等高温场景下的应用前景。

室内甲醛污染已成为影响人类生命健康的重要问题之一。以氧气为氧化剂的催化氧化甲醛技术以其条件温和、无毒副产物等优势而受到广泛关注, 但是开发经济高效的催化材料仍然面临巨大的挑战。本工作通过一步水热法制备了α-Ni(OH)₂, 并研究了其催化氧化甲醛机理。测试结果表明, 以水为溶剂、硝酸镍为镍源制备的α-Ni(OH)₂在室温下催化氧化甲醛效率最高, 达到71.2%。原位红外和理论计算分析发现, 由于α-Ni(OH)₂表面丰富的羟基官能团, 吸附的甲醛与α-Ni(OH)₂表面羟基之间存在强烈的相互作用, 增强了对甲醛的活化, 在无氧气条件下实现了甲醛氧化。另一方面, 不同条件处理的α-Ni(OH)₂的XPS分析证实了催化氧化甲醛的活性位点为Ni³⁺, 且氧气可加速Ni³⁺活性位点的回复。α-Ni(OH)₂表面羟基协同活性位点Ni³⁺促进了甲醛的催化氧化, 这与传统氧气解离为速控步的甲醛氧化反应路径明显不同。本研究提出了表面羟基协同活性位点促进甲醛氧化的反应机理, 为催化氧化甲醛技术的实际应用提供了理论基础。

AlN-SiC复相陶瓷力学性能好、导热性与抗高温氧化性能优异, 作为纤维增强陶瓷基复合材料的基体材料具有良好的应用前景。本研究以Si-Al合金为熔渗介质, 多孔C-Si₃N₄为熔渗预制体, 对低温反应熔渗制备AlN-SiC复相陶瓷及其性能展开研究。研究发现Si-Al合金形态对反应熔渗过程存在着重要的影响: 以Si-Al合金粉末作为熔渗介质时, 反应熔渗过程中在Si-Al/C-Si₃N₄界面处将原位形成一层致密的Al-O阻挡层, 从而严重阻碍Si-Al熔体向C-Si₃N₄预制体内部的渗透, 使反应熔渗过程难以进行；以Si-Al合金锭作为熔渗介质时, Si-Al熔体可以深入渗透到多孔C-Si₃N₄预制体内部, 并通过进一步反应, 原位形成致密的AlN-SiC复相陶瓷。材料性能测试表明, 所得材料的力学和热学性能与其内部残余硅含量关系密切。随着残余硅含量降低, 材料强度明显提升, 而热导率有所下降。含质量分数4%残余硅的AlN-SiC复相陶瓷, 抗弯强度达到320.1 MPa, 热导率达26.3 W·m^-1·K^-1, 材料的强度几乎与传统反应烧结SiC陶瓷相当, 并深入探讨了出现上述现象的本质原因。本研究对低温熔渗工艺制备SiC_f/AlN-SiC复合材料具有重要的指导意义。

La₂O₃-TiO₂玻璃以其折射率高、光学性能优异，在透镜、光学窗口、光通信等领域具有广阔的应用前景。受限于玻璃形成能力, 人们难以制备出大尺寸La₂O₃-TiO₂玻璃, 这严重限制其应用。本研究通过引入网络形成体GeO₂, 有效提高了玻璃形成能力, 从而可用常规方法制备大尺寸的GeO₂-La₂O₃-TiO₂(GLT)玻璃。差热分析表明, GLT玻璃具有较高的玻璃转变温度和抗析晶性能, 玻璃转变温度T_g和ΔT (ΔT=T_c-onset-T_g)分别大于833和209 ℃。最大折射率为2.06, 在可见光和近红外波段的透过率可达78%。实验还研究了Ti含量对GLT玻璃结构、热学和光学性能的影响。结果表明, 随着钛含量增加, 玻璃的形成能力和热稳定性均减弱。摩尔体积V_m和氧离子极化率α_i的变化趋势与折射率一致。GLT玻璃对开发高性能、轻量化、小尺寸的新型器件具有重要意义。

在轨高真空环境下, 航天器所用非金属材料会释放出碳氢类、硅氧烷等有机分子污染物, 沉积在航天器光学系统等敏感表面, 影响航天器性能和使用寿命。沸石分子吸附涂层可以实时吸附空间污染物, 但对其吸附作用机制还缺乏深入研究。为深入分析空间污染物分子在沸石内部的吸附机制, 本工作采用巨正则蒙特卡洛方法模拟计算了NaY沸石对三种典型空间污染物(甲苯(C₇H₈)、邻苯二甲酸二甲酯(C₁₀H₁₀O₄)和八甲基环四硅氧烷(C₈H₂₄O₄Si₄))的吸附行为(吸附等温线、吸附热曲线和粒子密度分布图)。模拟和实验数据的对比分析验证了计算模型和方法的合理性。在超高真空条件下, NaY沸石对空间污染物表现出较高的吸附量, 但其饱和吸附量随着分子尺寸的增加而降低(C₇H₈>C₁₀H₁₀O₄>C₈H₂₄O₄Si₄), 其中八甲基环四硅氧烷分子的饱和吸附量仅为8个分子, 远低于甲苯的36个分子。污染物分子在沸石内部的密度分布图显示, 三种污染物均优先吸附于NaY沸石的“超笼”位点。本研究系统分析了NaY沸石对典型污染物的吸附机制, 为高吸附性能的沸石分子筛吸附涂层的研发提供了理论指导。