碳化硅(SiC)作为一种典型的宽禁带半导体材料, 在大功率、高频、高温电子器件应用中的重要性日益凸显。近年来, SiC半导体已成为新能源汽车中电驱动模块和充电模块的主要功率器件材料, 相比Si基的绝缘栅极双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistors, IGBTs)少数载流子器件, SiC材料能够以高频器件结构的多数载流子器件(肖特基势垒二极管和金属-氧化物-半导体晶体管(MOSFET))实现高耐压, 同时具有低导通电阻、高频的特性。未来, SiC在交通新能源电动航空器及低空经济中的电动垂直起降航空器(Electric Vertical Take-off and Landing, eVTOL)、增强现实(Augmented Reality, AR)、光伏逆变与轨道交通等领域也将扮演不可或缺的角色。在众多SiC晶型中, 3C-SiC具有独特的立方结构, 并且有更高的热导率(500 W/(m·K))与沟道迁移率(约300 cm²/(V·s)), 展现了显著的应用潜力和研究价值。本文概述了3C-SiC晶体结构特点、基本物理特性、应用优势以及主要生长方法, 包括化学气相沉积(CVD)法、持续供料物理气相传输(CF-PVT)法、升华外延(SE)法和顶部籽晶溶液(TSSG)法, 综述了以上几种方法制备3C-SiC晶体的研究进展与最新成果, 重点分析讨论了气相和液相生长方法的热力学特性与生长机理, 并对微观层面的晶体生长过程进行分析总结, 展望了3C-SiC晶体的未来发展和应用方向。

水体Pb(II)污染严重危害生态环境与人类健康, 而吸附法可以简单、环保地处理Pb(II)。氧化石墨烯(GO)是一种潜在的理想吸附材料, 但其表面官能团种类有限、吸附选择性差、吸附后难分离等缺点制约了其实际应用。发展各种改性策略提高GO吸附性能, 已成为目前研究热点。本文针对如何提高GO对水中Pb(II)的吸附效率, 重点总结了N/S官能团改性、形貌改性、磁化改性三类改性策略; 综述了GO基吸附剂的吸附性能, 涵盖吸附容量、吸附选择性、再生性以及其他性能; 详细讨论了Pb(II)吸附的四种机理, 包括物理吸附、静电吸引、离子交换和表面络合; 最后对GO基吸附剂去除Pb(II)进行了展望, 以期为GO改性材料在Pb(II)处理方面的研究和应用提供参考依据。

随着航空发动机服役温度的升高, 低熔点钙镁铝硅酸盐(CaO-MgO-AlO_1.5-SiO₂, CMAS)腐蚀成为导致热结构部件防护涂层失效的重要因素。在典型热障涂层(Thermal barrier coating, TBC)及环境障涂层(Environmental barrier coating, EBC)的CMAS腐蚀过程中, 稀土组分对反应产物的结晶以及CMAS腐蚀渗透过程具有显著影响。本研究聚焦TBC和EBC体系中广泛采用的两种稀土元素——钆和镱, 制备了一系列钆-镱氧化物((Gd_xYb_1-x)₂O₃, x=0、0.05、0.10、0.20、0.30、0.50和1.00), 系统研究其与CMAS沉积物在1300 ℃下的反应产物, 并探讨这两种稀土元素的协同作用机理。结果表明, 钆离子有效诱导磷灰石结构产物的形成, 但熔体消耗效率较低; 镱离子促进石榴石和磷硅酸钙结构产物的形成, 但其产物结晶动力学迟滞。进一步讨论了钆和镱离子在产物中的配分特征以及残余CMAS熔体成分的变化, 提出在一定比例范围内(钆摩尔分数为5%~20%)两者之间存在协同效应。通过合理设计涂层中钆和镱元素的比例, 可以促进磷灰石结晶, 阻止熔体渗透, 同时改善石榴石和磷硅酸钙迟滞的结晶动力学, 从而加速熔体消耗。探究协同作用为TBC/EBC的抗CMAS腐蚀改性成分设计提供了理论支撑。

六方氮化硼(h-BN)陶瓷在工业领域具有重要地位, 但由于其特殊的层状结构, h-BN的强度和硬度相对较低, 限制了其应用。本研究同时引入镱铝硅酸盐(YbAS)玻璃和硬质颗粒SiC作为增强相, 通过原位反应热压烧结的方法制备了一系列h-BN/YbAS/SiC复合材料, 其中YbAS玻璃含量固定为30%(体积分数), 在此基础上研究了SiC含量对复合材料性能的影响。研究表明, YbAS玻璃和SiC协同作用能够显著提升h-BN基复合材料的强度和韧性。当SiC体积分数为30%时, 复合材料的室温力学性能达到最佳, 其弯曲强度、压缩强度、断裂韧性、维氏硬度和弹性模量分别为(462±5) MPa、(1465±58) MPa、(5.5±0.3) MPa·m^1/2、(4.7±0.3) GPa和140 GPa。其强化机制在于: 当SiC含量达到一定比例后, 其在复合材料中起到支撑作用, 能够有效承担外部载荷, 从而增强复合材料。同时, SiC在烧结过程中可以有效抑制h-BN晶粒长大, 实现细晶强化。此外, 复合材料具有良好的高温力学性能和较低的热导率, 其热膨胀系数与h-BN的结构和YbAS玻璃的转变温度有关。本研究为h-BN陶瓷材料的强韧化提供了一种有效途径。

传统吸波材料在高温条件下易失效, 难以满足极端高温环境的性能需求。Fe₂AlB₂因其纳米层状结构以及优良的高温稳定性, 在高温吸波领域备受关注。本研究通过湿法球磨-氩气烧结工艺制备了Fe₂AlB₂粉末, 并系统研究了Fe₂AlB₂在高温下的氧化机制和吸波性能变化规律。同时, 借助电磁仿真软件对其在7 GHz微波下的吸收过程进行了雷达散射截面模拟。结果表明: Fe₂AlB₂起始氧化温度为671 ℃, 随着氧化温度的升高, 其表面形成致密Al₂O₃保护膜, 抗氧化性能显著增强; 当氧化温度超过1000 ℃时, Al₂O₃膜破裂, 主相转变为Fe₂O₃、Al₄B₂O₉以及非晶态B₂O₃; 在300~800 ℃氧化温度范围内, 样品吸波性能随氧化温度升高而逐步提升, 尤其在10 GHz附近, 其介电损耗能力最为突出。当氧化温度升高至900 ℃时, 在频率f = 11.28 GHz下, 样品的反射损耗达到-42.60 dB, 相应的厚度为2.8 mm。Al₂O₃膜通过诱导“氧化膜-基体”界面极化损耗, 显著提高了介电损耗效率。本研究阐明了Fe₂AlB₂在不同温度的氧化机制及其对吸波性能的影响规律, 为其在高温吸波环境中的应用提供了理论基础。

CoSb₃基方钴矿材料因其生态友好性、热稳定性及优异的热电性能, 被广泛应用于热电器件。相比于n型方钴矿热电薄膜, 目前对于高热电性能的p型填充方钴矿柔性热电薄膜的研究尚不充分, 尤其是在柔性器件方面。本研究基于磁控溅射技术在玻璃基底上制备了p型Ce_0.9Fe₃CoSb₁₂薄膜, 研究了不同溅射功率对薄膜成分、微观结构及热电性能的影响。研究结果表明, 随着溅射功率(100~120 W)的增加, Ce/Fe元素含量比逐渐下降, 空穴浓度随之提升, 导致薄膜电导率σ上升, 泽贝克系数S下降。其中110 W溅射功率制备的薄膜表现出最优的热电性能, 其室温功率因子(PF)达到76.7 μW∙m^-1∙K^-2, 随着温度的升高, 在500 K下其PF提升到103.5 μW∙m^-1∙K^-2。基于此, 本研究进一步利用柔性聚酰亚胺(PI)作为基底, 溅射时采用基板加热增强薄膜与基底之间的界面结合, 制备了柔性p型方钴矿薄膜, 并集成了薄膜热电发电器, 探究了其在温度传感器领域的应用。测试表明, 该器件在温度传感等领域具有良好的应用前景。

二维平面金属聚酞菁具有独特的分子结构和高载流子迁移率, 是一种很有发展前景的有机热电材料。但是本征金属聚酞菁的载流子浓度和电导率低, 热电性能提升困难。本研究采用原位聚合法和机械球磨法分别制备了聚酞菁铜/单壁碳纳米管(CuPPc/SWCNTs)复合材料。与机械球磨样品(BM-CuPPc/SWCNTs)相比, 原位聚合样品(IS-CuPPc/SWCNTs)中的CuPPc和SWCNTs间存在强的π-π共轭效应, 能有效降低CuPPc和SWCNTs间的界面电阻。因此, 在SWCNTs浓度较高的情况下, IS-CuPPc/SWCNTs的电导率高于BM-CuPPc/SWCNTs。80%(质量分数)SWCNTs的IS-CuPPc/SWCNTs的电导率达1.31×10⁴ S·m^-1, 比BM-CuPPc/SWCNTs高30%, 比纯CuPPc提高了6个数量级。同时, IS-CuPPc/SWCNTs的最大热电功率因子达到18.24 μW·m^-1·K^-2, 高于BM-CuPPc/SWCNTs, 较纯CuPPc高出6个数量级。本研究为提升金属聚酞菁的热电性能提供了有效途径。

铬中毒现象是制约固体氧化物燃料电池(SOFCs)阴极实际应用的重要因素。尤其是富碱土元素的钙钛矿氧化物阴极在高温下易发生离子偏析和杂质中毒, 进而导致阴极性能显著降低。为提高阴极耐铬能力, 本研究采取Ag掺杂策略, 调控阴极材料SrCo_0.9Ta_0.1O_3-δ(SCT)的酸性位点, 并系统探究材料的电导率、催化活性和表面微观形貌及组分。结果表明, Ag掺杂使材料的电导率提升, 且掺杂后的材料具有更大的氧表面交换系数, 有利于提高其阴极催化活性。700 ℃时, Sr_0.9Ag_0.1Co_0.9Ta_0.1O_3-δ(SACT10)阴极的极化电阻为0.0176 Ω·cm², 明显低于SCT阴极(0.0366 Ω·cm²)。此外, 由于掺入Ag, SACT10材料中Co的平均价态升高, 使其相对酸度提高, 增强了材料的耐铬能力。在含铬气氛中运行22 h后, SACT10阴极的极化电阻为0.205 Ω·cm², 明显低于SCT阴极(0.964 Ω·cm²), 这是因为SACT10阴极表面观察到更少的惰性二次相。以上结果证实在材料中掺杂Ag可以有效增加酸性位点, 提高活性, 增强耐铬能力。制备的SACT10有望成为具有应用前景的中温SOFCs阴极材料。

太阳能收集与存储技术的协同创新为构建新型自供能系统提供了重要方向, 其中光辅助充电超级电容器因其独特的光致电荷存储机制和快速充放电特性成为研究热点, 并且具有高功率密度和快速充放电特性, 为可穿戴电子设备等能源收集与存储提供了一种高效、环保和可持续的新策略。本研究采用水热法合成ZnFe₂O₄, 将其作为超级电容器光阳极, 以改进Hummers法和水热法合成还原氧化石墨烯水凝胶(Reduced graphene oxide hydrogel, rGH), 将其作为超级电容器的阴极, 以Zn(CF₃SO₃)₂水溶液为电解液构建水系光辅助充电超级电容器。合成产物的物相组成、微观形貌、化学结构、光吸收性能和超级电容器的光电化学性能的研究结果表明, 在光电协同充电条件(0.2 A·g^-1电流密度、95 mW·m^-2光照强度)下, 超级电容器的比容量可达148 F·g^-1, 比电充比容量提高17%。此外, 该超级电容器在循环10000次条件下, 电充和光电协同充电的容量保持率分别为80%和90%。所构建的水系光辅助充电超级电容器具有较高的比容量和良好的循环稳定性, 在可穿戴电子产品等领域具有潜在应用前景。

氮氧化物(NO_x)作为我国主要的大气污染物, 通常采用氨气选择性催化还原(NH₃-SCR)技术实现其超低排放。低温NH₃-SCR具有能耗低、成本低等优势, 但在120 ℃条件下, MnO_x基催化剂普遍存在稳定性不足和SO₂、H₂O中毒的问题。为提高MnO_x基催化剂在低温、稀薄烟气条件下的脱硝性能, 本研究采用沉淀-焙烧分解法制备了CeO₂/MnO_x催化剂。通过一系列表征手段, 系统研究了CeO₂对催化剂结构、表面性质及低温NH₃-SCR性能的影响。结合第一性原理计算, 从微观层面揭示了CeO₂对催化机理的影响及其反应活化能降低的内在原因。结果表明, 添加CeO₂细化了催化剂微观颗粒尺寸, 降低了主晶相MnO₂的占比, 显著提升了催化剂的弱酸位点浓度, 提高了Mn³⁺/Mn和O_α/O比值, 改善了催化剂的表面酸性和氧化还原性能。其中, Mn10Ce3和Mn10Ce5催化剂中Mn : Ce物质的量比为10 : 3和10 : 5, 两者均在120 ℃获得了98%以上的NO转化率和较好的稳定性, 且添加CeO₂使团聚态的MnO_x得到分散和Mn⁴⁺分布浓度降低, 这在一定程度上阻碍了高价态Mn⁴⁺对NH₃和NO的过度氧化, 从而抑制了N₂O的形成, 提升了催化剂的N₂选择性。第一性原理计算进一步证实, 添加CeO₂可降低反应路径中各中间态的活化能, 从而降低反应温度并提高低温NH₃-SCR效率。

电卡效应制冷技术因其高效节能、易小型化及环境友好等优势成为固态制冷领域的研究热点, 然而在低电场下实现大绝热温变(ΔT)和宽工作温区(T_span)仍面临挑战。本研究通过传统固相反应法制备了不同钛酸铅(PT)含量的(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃(x=0.08, 0.10, 0.12, 0.14)铁电弛豫体陶瓷, 探究了PT含量对材料电卡性能的影响机制。结果表明, 随着PT含量增加, 材料的弛豫体特性逐渐减弱, 介电频率色散程度降低, 铁电行为趋于典型铁电体。其中, 0.88PMN-0.12PT样品在50 kV/cm低电场下表现出优异的电卡性能, ΔT最大值达1.60 K, 且在30~180 ℃宽温区内ΔT均高于0.5 K。压电力显微镜(Piezoresponse force microscopy, PFM)显示该样品具有均匀分布的长程铁电畴结构, 其温度变化源于电场卸载过程中铁电畴从有序态向无序态转变引起的熵变。结合介电、铁电及畴结构分析, 揭示了弛豫铁电体的弥散相变特性与宽温区电卡性能的关联性。本研究为低场驱动、宽温区适用的铅基电卡材料设计提供了理论依据, 并展示了其在固态制冷器件中的潜在应用价值。

CdS量子点具有量子尺寸效应, 通过调控尺寸可调控其光致发光波长, 在微纳光学器件制备等领域具有潜在应用价值。随着超快激光技术的发展, 飞秒激光逐渐被用于光电材料的微纳制造和光学性质调控, 然而, 利用飞秒激光调控CdS量子点发光调谐尚未实现。本工作利用飞秒激光直写技术制备基于玻璃基质的CdS量子点及调控其发光性能, 并探究其在光存储和信息加密等领域的应用。采用熔融淬火法制备了5组不同含量CdS的硼硅酸盐玻璃, 并对玻璃样品进行了精细抛光, 用于后续的飞秒激光加工。因飞秒激光产生的局部热积累效应, CdS量子点可直接在玻璃内部诱导析出, 通过透射电子显微镜表征分析其形貌、微观结构尺寸和分散性。本研究通过系统改变激光参数来调控析出量子点光斑的尺寸和形貌, 实现了激光诱导加工光斑尺寸5.33~12.28 μm范围的连续调控以及发光波长在540~610 nm范围内的调谐。最后, 还展示了飞秒激光直写CdS量子点在信息加密和信息存储等领域的应用。

在高功率的泵浦模式下, 热效应是限制激光器性能提升的主要因素之一, 通过增大增益介质的口径可以增强热量扩散, 从而降低热效应。然而, 随着增益介质的横纵比增大, 横向于主光束传播放大的自发辐射会消耗上能级反转粒子数, 产生寄生振荡效应。对增益介质侧面进行包边的结构设计, 能够有效吸收横向辐射光, 抑制寄生振荡效应。对于具有高重复频率的高能固体激光器, 应优先选择具有合适饱和通量的增益介质, 其中Nd:LuAG透明陶瓷因其优异的光学、机械和热力学综合性能, 展现出更大的发展潜力。Sm:LuAG透明陶瓷在1064 nm处具有高的吸收系数, 在808 nm处具有优异的理论光学透过率, 且与Nd:LuAG具有相近的折射率, 是应用于Nd:LuAG激光陶瓷包边层的最佳材料之一。本研究以商业Lu₂O₃、α-Al₂O₃、Nd₂O₃及Sm₂O₃粉体作为实验原料, 采用正硅酸乙酯(TEOS, Tetraethoxysilane)和CaO作为烧结助剂, 经过真空预烧(1825 ℃×20 h)结合热等静压烧结(1750 ℃×3 h)制备了5% Sm:LuAG/1% Nd:LuAG(均为原子百分数)包边复合激光陶瓷(φ56.0 mm×4.8 mm)。包边陶瓷中Nd:LuAG增益区在1064 nm处的直线透过率达到81.5%, Sm:LuAG包边区在808 nm处的直线透过率为78.6%。

碳化硅纤维因其优异的力学性能和高温特性, 成为陶瓷基复合材料的理想增强材料。由于不同型号纤维在组分和制备工艺上的差异，有必要进行单独研究。本研究系统探讨了Shicolon-II纤维在1300~1700 ℃氩气热处理条件下力学性能、表面微观结构和成分的演变规律。Shicolon-II纤维由小尺寸的β-SiC晶粒、SiC_xO_y非晶相及少量石墨微晶组成。经1300 ℃氩气气氛处理后，纤维的单丝拉伸强度保持在3.620 GPa(保留率为98.32%), 而经1500 ℃氩气气氛处理后, 强度下降至2.875 GPa(保留率为78.08%)。纤维力学性能下降可归因于非晶相的分解和β-SiC晶粒的生长。抗蠕变性能是复合材料长期性能的关键因素。在1400 ℃以上温度处理, 由于β-SiC晶粒生长, 纤维的高温抗蠕变性能显著增强。这项研究为第二代纤维的高温应用提供了有价值的理论依据。

高性能柔性压电纳米发电机(Piezoelectric nanogenerator, PENG)的发展对自供能传感和微电子器件的应用具有重要意义。本研究采用氢键替换策略, 制备了基于纤维素/聚偏二氟乙烯(PVDF)共混薄膜的多层PENG, 并引入多相BCZT(0.1BaZr_0.2Ti_0.8O₃-0.9Ba_0.7Ca_0.3TiO₃)陶瓷填料以优化其性能。SEM和TEM表征结果表明, 复杂的氢键网络有效促进陶瓷填料在复合薄膜亚层中分散均匀。为探究填料分布对PENG性能的影响, 本研究制备并对比了单层与双层复合薄膜结构。结果表明, 双层PENG的电学输出性能显著优于单层结构, 其中D-L₃H₇构型的开路电压(Open circuit voltage, V_OC)达23.13 V, 短路电流(Short circuit current, I_SC)达8.32 μA。这一性能提升归因于增大的层间界面有效抑制了电荷注入与迁移, 从而提高了电荷密度。此外, 具有尖锐顶角的六方/四方相陶瓷纳米颗粒进一步诱导了局部电场增强效应, 优化了器件的压电转换性能。