超高温陶瓷(Ultra-high Temperature Ceramic, UHTC)结构材料因其在1600 ℃以上氧化环境中表现出优异的抗氧化/烧蚀性能、高温强度保持率和抗热冲击性能, 成为航空航天、国防装备、能源动力等领域的重要候选材料。近年来, 围绕UHTC结构材料的成分调控、微观结构设计、先进制备工艺以及性能优化等方面, 基础研究和技术应用均取得了显著进展。以碳化物、硼化物、氮化物等为代表的UHTC体系, 正面临着温度更高、环境更复杂的服役需求。为进一步推动极端环境用UHTC结构材料的发展, 本文系统综述了该领域的最新研究进展。首先, 详细阐述了UHTC粉体的合成工艺; 其次, 深入探讨了超高温结构陶瓷的体系、致密化方法及结构调控策略; 继而重点分析了超高温陶瓷基复合材料(Ultra-high Temperature Ceramic Matrix Composites, UHTCMCs)、超高温陶瓷改性碳/碳复合材料(Ultra-high Temperature Ceramics Modified Carbon/Carbon Composites, UHTCs-C/C)以及UHTC涂层的制备技术及其性能强化策略, 着重探讨了其在抗氧化/烧蚀领域的最新突破。同时, 本文还指出了极端环境下UHTC结构材料在长期稳定性和可靠性方面面临的主要技术挑战, 并对其未来发展趋势进行了前瞻性展望。

铌酸锂(LiNbO₃, LN)是一种集声光、电光、弹光、光折变等优越物理特性于一身的多功能晶体, 不仅被誉为“光学硅”, 更有学者提出人类正在进入“铌酸锂谷”时代, 其优异的光电性能使基于其的各类光电器件在人工智能、光电混合集成等新兴领域具有广阔的应用前景。光折变效应是LN晶体非常重要的特性。随着基于LN的光电器件向微纳级尺寸迅速发展, 光折变效应在微纳级尺寸也已逐渐显现。LN单晶是在非绝缘体上采用铌酸锂单晶薄膜(Lithium Niobate on Insulator, LNOI)技术制备各类器件的基材, 可通过掺杂合适的杂质离子来调控光折变性能。相对于传统的低价态阳离子(化合价<铌离子+5价), 近年来发现掺入高价态阳离子(化合价≥铌离子+5价)更有利于提升LN晶体的光折变性能。本文综述了已有报道的高价态阳离子掺杂LN晶体光折变性能的研究成果, 归纳总结出掺钒、钼、铀、铋等高价态离子可以显著提升LN晶体的光折变性能, 尤其是能够有效缩短光折变响应时间, 这有利于LN在微环谐振器、可编程光子器件、非线性光子器件等微纳器件领域的应用。同时, 提出未来可围绕高价态离子掺杂LN, 在高质量大尺寸晶体生长技术、光折变机理、其他具有孤对电子的离子掺杂、基于高价态离子掺杂LN的光电器件这四方面进行研究。

X射线诱导光致变色材料(X-ray Induced Photochromic Materials, XP材料)因具有辐射剂量依赖的变色性质, 在国防安全、核能开发利用、工业探伤和医学成像等领域具有广泛的应用前景。近年来, 国内外科学家已发展了多种XP材料, 深入探讨了其辐射变色机制, 并开展了特异性应用研究, 亟需综合论述其变色机理和应用领域。本文综述了X射线辐射变色性质的材料体系, 并归纳其化学组成和变色特点, 对比了各种类型XP材料的优缺点, 讨论了X射线诱导光致变色的机理, 如色心形成和氧化还原反应等过程。最后, 介绍了XP材料在X射线探测器以及医学和工业中的潜在应用, 并展望了其未来的发展方向。本文对发展性质更优异、场景适用性更灵活的XP材料后续研究具有重要意义, 可促进XP材料的商业化应用进程。

针对高承载、高温、富氧及宽温域交变热冲击等苛刻工况的航空航天动力装置关键部件, 对材料的力学性能、热稳定性及抗氧化能力提出了极高要求。传统热喷涂技术制备的Al₂O₃涂层凭借高硬度、良好的耐磨性、优异的抗氧化能力及较好的热稳定性, 已在航空航天、能源及机械等领域得到了广泛应用。然而, 热喷涂Al₂O₃涂层以亚稳态γ-Al₂O₃为主晶相, 力学及导热性能弱于α-Al₂O₃相, 这限制了其在更高承载极端工况下的应用效果。为解决上述问题并提升涂层的综合性能, 本研究采用大气等离子体喷涂(Atmospheric Plasma Spraying, APS)技术, 制备了厚度约350 µm的Al₂O₃-GdAlO₃(GAP)非晶涂层。通过设计磨损试验(载荷2000 N、转速500 r/min、时间1 h), 对涂层的摩擦磨损行为及力学性能进行了系统考察。实验结果表明, 由于涂层中高比例的非晶相及优化的微观结构, Al₂O₃-GAP涂层在高速重载摩擦测试中表现出优异的耐磨性和抗裂纹扩展能力, 显著优于传统多晶Al₂O₃涂层。此外, Al₂O₃-GAP涂层的摩擦系数较低且稳定, 摩擦表面温度明显降低, 减缓了高温氧化及热损伤的发生, 缓解了应力集中效应。综上所述, Al₂O₃-GAP非晶涂层在高载荷、高速摩擦工况下具有显著优势, 为航空航天动力装置关键部件的防护提供了一种高性能、可靠服役的涂层解决方案。

SiC/SiC陶瓷基复合材料(SiC/SiC CMCs)以其耐高温、低密度、高强度等优点有望被用于可重复使用空天飞行器的热防护系统。鉴于空天飞行器面临的复杂恶劣使用环境, 为满足可重复使用的要求, 亟需在SiC/SiC CMCs表面制备高温抗氧化封严涂层。由于SiC/SiC CMCs表面粗糙且各向异性, 易诱导涂层开裂失效, 有待进一步研究封严涂层设计和涂层结合性能优化。本工作通过化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD)法在SiC/SiC CMCs表面设计制备了SiC过渡层, 解决了MoSi₂掺杂的SiO₂-Al₂O₃-BaO-B₂O₃(MoSi₂-SABB)玻璃陶瓷复合涂层的开裂剥落问题, 使涂层展现出良好的抗热震性能。有限元分析表明SiC过渡层能够有效降低MoSi₂-SABB涂层与基材界面的残余应力, 缓解残余应力的各向异性, 显著提升涂层的结合性能。结合第一性原理计算探究了不同晶型、极性SiC过渡层与MoSi₂-SABB涂层的结合机制, 揭示了SiC过渡层的晶型与极性是影响涂层结合性能的关键因素。本研究为设计SiC/SiC CMCs表面封严涂层与优化涂层结合性能提供了重要依据。

铋基纳米材料作为一种新型光热试剂, 具有毒性低、环境友好、原料廉价易得等优势, 在生物光热治疗方面展示出较大的应用潜力, 但其光热转换效率和抗菌性能仍然较低。本研究首先基于课题组前期报道的“限域凝胶化”方法, 以普朗尼克聚合物F127和3-巯基丙基-三甲氧硅烷为原料, 制备了有机硅氧骨架稳定胶束内核的硅基杂化胶束前驱体, 然后通过简便的“受限还原/硫化”方法, 即利用杂化胶束有机氧化硅网络内核中丰富的巯基基团作为受限吸附位点, 硼氢化钠作为还原剂, 硫化钠作为硫化剂, 制备了超小且具有无定形结构的硫化铋团簇负载的硅基杂化胶束体系。结果表明, 该功能杂化胶束体系具有优异的光热性能, 其光热转换效率高达86.93%, 这归因于具有缺陷结构的硫化铋团簇在硅氧骨架网络中的单分散稳定负载, 增强了硫化铋纳米材料在近红外光波段的光吸收能力。体外抗菌实验结果表明, 该体系在808 nm近红外光的辐照下展示出优异的光热抗菌性能且具有良好的生物相容性。

骨植入材料易感染且具有高发性、迟发性和复发性。然而, 目前常见的抗菌手段通常缺乏选择性, 容易在杀菌的同时对正常组织和细胞造成损害。基于此, 本研究以介孔生物活性玻璃(MBG)为原料, 结合S-NO键的近红外(NIR)光热响应释放NO自由基及Cu²⁺抗菌性能, 采用氨基化偶联S-亚硝基硫醇(RSNO)制备了MBG-RSNO粉体以供给NO·, 并通过多巴胺聚合及Cu²⁺螯合合成了PMBG@Cu粉体。将上述两种粉体材料经3D打印得到PMBG@Cu/MBG-RSNO复合抗菌支架。该支架具有NIR光热响应特性, 在808 nm激光脉冲辐照条件下, 支架持续释放的一氧化氮自由基(NO·)含量高达113.71 μg/100 mg MBG-RSNO, 且光热作用将温度升高至约40 ℃, 有利于实现高效灭菌。进一步使用金黄色葡萄球菌(S. aureus)和大肠杆菌(E. coli) 评估复合支架在有/无外部NIR刺激条件下的抗菌效果。实验结果显示, PMBG@Cu/MBG-RSNO复合支架对两种菌种的抗菌效率均达到了99.9%。综上所述, PMBG@Cu/MBG-RSNO复合支架为解决骨植入材料的感染问题并实现骨缺损修复提供了一种潜在的解决方案。

碳纤维/聚醚醚酮(Carbon Fiber Polyetheretherketone, CF/PEEK)在骨修复领域已得到了广泛应用, 但生物惰性致使其骨整合性较弱, 极大地影响了临床应用的长期稳定性和骨修复效果。本研究基于无机纳米粒子液相自组装策略, 在CF/PEEK表面构筑了锰掺杂纳米羟基磷灰石(Mn/nHA)涂层, 以期改善其生物活性和骨整合性。实验结果表明, Mn/nHA和nHA涂层均可显著改善CF/PEEK表面粗糙度和提升亲水性。体外研究发现, Mn/nHA和nHA两组涂层改性材料与大鼠骨髓间充质干细胞(BMSCs)共培养7 d后, 相对细胞存活率分别高达180%和159%, 均表现出显著的促增殖效果。此外, 茜素红染色和逆转录-聚合酶链式反应(RT-PCR)检测发现两种涂层均能增强细胞在材料表面的矿化和成骨分化能力, 且Mn/nHA涂层呈现出更强的促进作用。

在高热流密度烧蚀环境中, 飞行器的表面温度迅速升高, 导致传统高导热材料无法有效保护内部金属部件。本研究通过浆液浸渍缠绕和热压烧结法制备了SiC颗粒(SiC_p)掺杂的连续碳纤维增强低导热Li₂O-Al₂O₃-SiO₂ (C_f/LAS)玻璃陶瓷复合材料, 研究了基体结晶度对超高热流密度下复合材料烧蚀性能的影响规律。利用复合材料中SiO₂气化吸热和低导热的特性, 有效降低了复合材料表面和内部温度, 从而保障了飞行器和电子器件的安全运行。结果显示, 在20 MW/m²热流密度下, 10%(质量分数)SiC_p掺杂的复合材料平均线性烧蚀率显著降低。透射电镜结果表明, 掺杂后的玻璃基体结晶度提高, 内应力降低, 晶格畸变减少, 从而增强了复合材料的高温性能。然而, 当SiC掺杂量过高时, 结晶度降低, 烧蚀性能变差。最终, 在30 MW/m²热流密度下, 10%(质量分数)SiC_p掺杂的C_f/LAS复合材料的平均线性烧蚀率与商用碳/碳复合材料相当, 且具有较低的导热性和较高的抗弯强度。这种新型高性能C_f/LAS复合材料价格低廉、周期短, 适合大规模生产, 有望广泛应用于高超音速飞行器耐烧蚀部件。

可逆金属电沉积器件(Reversible Metal Electrodeposition Device, RMED)的电致变色(Electrochromic, EC)智能窗为动态调节光和热的传输提供了一个极具吸引力的替代方案。本工作通过在氟掺杂氧化锡(Fluorine-doped Tin Oxide, FTO)透明导电玻璃上电沉积WO₃·xH₂O薄膜, 再利用Bi/Cu的可逆金属电沉积来构建电致变色器件(Electrochromic Device, ECD)。电解质由CuCl₂、BiCl₃、KCl和HCl水溶液组成, 为电化学过程和电沉积过程提供必要的成分。该器件可在无色和黑色状态之间快速转换, 在570 nm波长处实现了77.0%的光调制幅度。在黑色状态下, ECD在400~1100 nm范围内呈现出接近零的透过率。此外, 经历60000 s的着色/褪色循环后, 该器件能够维持其初始光调制幅度的96.6%, 展现出良好的循环稳定性。所制备的RMED在开路电压下具有相对较高的稳定性, 还拥有出色的隔热性能。这些研究结果为克服RMED循环稳定性差以及提高ECD的光调制幅度提供了一种解决方案。