在GaAs的(110)、(001)和(111)A、(111)B等极性晶面上, 通过铜铟共溅-硒蒸镀的方法, 分布外延生长出(220/204)、(001)和(112)结晶取向的单晶CIS薄膜. 系统考察了CIS薄膜外延生长的结晶取向和表面微结构, 发现了这些CIS外延薄膜均需表面重构化而形成比表面能低的CIS(112)晶面, 结合晶体结构研究了各种晶面和比表面能的相关性. 通过各种衬底下不同结晶取向的CIS薄膜的太阳能电池组装, 发现当CIS薄膜生长具有(220/204)结晶取向时电池器件性能最好、效率最高, 说明可通过控制CIS薄膜的沉积条件和选用合适取向的衬底, 增加吸收层(220/204)的结晶取向, 从而显著提高CIS薄膜太阳电池的光电性能.

采用十二烷基苯磺酸钠表面活性剂(DBS)辅助水热法合成TiO₂纳米材料, XRD和TEM测试表明, 不含DBS的TiO₂溶胶水热处理后得到10~20nm锐钛矿型TiO₂纳米颗粒; 添加DBS后, 生成了金红石型TiO₂纳米棒. 虽然金红石型TiO₂纳米棒光电极的染料吸附性能和光电性能均不如锐钛矿型TiO₂纳米颗粒光电极, 但金红石型TiO₂纳米棒漫反射性能较高. 可用其制备具有光电转换性能的反射层, 这种新型反射层使染料敏化太阳能电池光电转换效率提高了26.14%, 而含Ti-nanoxide 300大颗粒TiO₂构成的反射层仅能使电池光电转换效率提高11.04%. 这种差异的根源在于金红石型TiO₂纳米棒不仅具有散射光能力, 其本身还可吸附染料进行光电转换. 随着反射层厚度的增加, 电池短路电流逐步提高. 而不吸附染料且无光电转换能力的Ti-nanoxide 300传统反射层则没有这种功能.

采用水热离子交换法制备钛酸锂纳米棒, 用热重法(TG)分析钛酸锂在热处理过程中的重量损失, 用X射线衍射仪(XRD)和透射电子显微镜(TEM)测试水热反应温度(150和180℃)和高温热处理(600、750和900℃)对钛酸锂结构的影响, 用恒流充放电法和循环伏安法对钛酸锂进行电化学性能评价. 结果表明, P25与NaOH在180℃水热反应并经过H⁺与Li⁺交换, 热处理后可以得到纳米棒状钛酸锂, 热处理温度为750℃时, 初始放电比容量为164 mAh/g, 在电压为1.5V左右有明显的充放电电压平台, 50次充放电循环后比容量保持率达98.33%, 表现出良好的电化学性能.

采用介孔二氧化硅MCM-41作模板和硅源, 合成了具有介孔结构的可充镁电池正极材料硅酸锰镁. 分别用XRD、SEM、TEM和氮气吸脱附测试研究了合成材料的介孔结构, 并通过循环伏安、恒电流充放电测试比较了介孔与无孔硅酸锰镁材料的电化学性能. 由于介孔材料活性表面较大, 可增加电解液与活性材料的接触, 使材料具有较多的电化学反应位. 因而, 与相应的无孔材料相比, 具有介孔结构的硅酸锰镁材料呈现出较低的充放电极化、较大的放电容量和较高的放电电压平台. 在0.25 mol/L Mg(AlCl₂EtBu)₂/THF 电解液中, 0.2 C(约62.8 mA/g)充放电速率下, 介孔硅酸锰镁材料首次放电容量可达到241.8 mAh/g, 放电平台为1.65 V ( vs Mg/Mg²⁺). 设计具有介孔结构的材料为提高可充镁电池正极的电化学性能提供了一条有效的途径.

液相反应条件下,以薄姆石溶胶为铝源, 室温离子液体1-甲基-3-丁基咪唑四氟硼酸盐([BMIM][BF₄])存在下制备了晶态结构 中孔 γ-Al₂O₃. 采用N₂物理吸附,X射线衍射, 透射电子显微镜,²⁷Al魔角固体核磁共振对所制备的样品进行了结构表征.结果表明通过调节[BMIM][BF₄]的用量,得到了孔道结构呈脚手架状、比表面积较大、平均孔径在12nm左右、孔容在1.0cm³/g以上,孔径分布较宽的介孔氧化铝; [BMIM][BF₄]加入能够明显改善氧化铝的孔道结构.

以还原Fe粉和活性炭为原料, 通过热CVD法制备出微米级的空心碳球串珠结构. 利用TEM、EDS和多点氮吸附仪进行形貌、成分、比表面积及孔径分布表征. 串珠结构由f(1~2)μm的空心碳球串联而成, 长度可达十几微米. 碳球的壁厚为3~5nm的石墨球壳结构. 所制备产物的比表面积 S _BET 达到306.523m²/g, 其孔径分布在中孔范围, 峰值位于3.761nm. 微米级空心碳球串珠结构的形成机理为含C的Fe微液滴在低温区凝聚并以石墨烯片层的方式析出C, 外延于Fe液滴形成石墨层, 与Fe液滴构成Fe/石墨层核壳结构, 石墨球壳的收缩趋势挤压Fe液滴沿轴向移动. 循环往复上述即形成空心串珠结构. 该结构在节能材料、药物、染料和催化剂等的载体材料、储氢、储能等方面可能具有良好的应用前景.

以聚苯乙烯微球以及F127嵌段共聚物自组装结构为模板, 酚醛树脂低聚物为碳前驱体, 双模板法合成了大孔-介孔分级孔结构的炭材料. 对样品进行了X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM) 、透射电镜(TEM) 和氮吸附-脱附测试, 并研究了样品的电化学性能. 结果表明, 利用这种简便的合成方法可以得到具有三维连通大孔以及二维有序介孔结构的分级孔结构炭材料, 大孔尺寸在 1μm左右 , 介孔孔径集中分布在5nm, 比表面积为 353.8m²/g , 孔容0.36cm³/g. 利用三电极体系测试了产品作为电化学双电层电容器电极材料的性能, 在50mA/g的电流密度下, 放电质量比电容 为40F/g .

考察了沥青基球形活性炭(PSAC)的孔结构与CO₂吸附容量间的内在关系及其脱附性能. 采用N₂吸附法分析PSAC的孔结构, 由穿透曲线测试其对CO₂的平衡吸附量. 实验结果表明在CO₂/N₂混合气氛下, 活性炭对CO₂的吸附容量与孔径小于1nm的微孔比表面积呈线性关系; 当PSAC担载5%的三聚氰胺后, 对CO₂(15%)的平衡吸附量由0.91mmol/g增加到1.15mmol/g, 提高了26.3%; 采用抽真空脱附时, 循环脱附效率为74.6%, 而电解吸-抽真空耦合脱附工艺可使CO₂的循环脱附效率接近100%.

以H₂O₂为氧化剂、KOH为矿化剂, 采用一步水热法在多孔海绵钛载体上制备了颗粒大小约为0.5μm的四方状锐钛矿TiO₂膜, 并研究了产物TiO₂膜对目标降解物亚甲基蓝溶液的光催化性能, 探讨了矿化剂浓度对产物TiO₂膜晶型、形貌及光催化性能的影响. 结果表明, KOH矿化剂有利于TiO₂膜在海绵钛表面的生成与晶化, 当KOH在0.12mol/L时, 海绵钛负载TiO₂膜有着最佳的光催化性能光催化反应45min, 亚甲基蓝溶液的降解率达95%. 采用该法制备的TiO₂光催化剂回收简单, 反复利用后, 其光催化性能无明显下降.

以P123为表面活性剂, 采用水热法合成CeO₂纳米管. 研究反应时间、反应温度、表面活性剂浓度对CeO₂纳米管形成的影响规律. 采用TEM、XRD、N₂吸脱附仪对样品的微观结构进行表征. 并考察CeO₂纳米管对亚甲基蓝溶液的催化性能. 结果表明, 当反应时间为72 h、反应温度为160℃、 n (P123): n( CeCl₃ · 7H₂O)=1:5 时, 可制备出单晶结构的CeO₂纳米管. 所制备的CeO₂纳米管外径为40~60nm, 内径为20 nm左右, 长度为500~1000nm. CeO₂纳米管是由Ce(OH)₃晶种的溶解再结晶-异向生长-自我卷曲形成的. 相对于CeO₂纳米颗粒和CeO₂纳米棒, CeO₂纳米管对亚甲基蓝染料的脱色率有明显提高. 这与CeO₂纳米管孔道的吸附作用, 暴露的高反应活性面(110)和表面有大量缺陷有关.

以PPESK为前驱体, CHCl₃为溶剂, 分别采用冷冻干燥法和冷藏干燥法制备气体分离炭膜, 借助于红外光谱、热重分析、X射线衍射和气体渗透等测试手段, 研究探讨了干燥方式对聚醚砜酮(PPESK)基炭膜的化学结构、炭微结构及气体分离性能的影响. 结果表明, 干燥方式对炭膜结构性能的影响主要体现在促使前驱体在干燥过程中形成具有不同化学结构的聚合物膜, 使它们在以后的预氧化和低温热解炭化过程中表现出不同的演变规律与冷藏干燥相比, 冷冻干燥得到的聚合物膜在预氧化和炭化过程中分解反应程度较弱, 但芳香缩合反应却很深刻, 使形成的炭膜微结构尺寸较小, 气体分离性能较高, 并具有良好的表观柔韧性. 所以, 采用CHCl₃为溶剂制备PPESK炭膜, 冷冻干燥将是首选干燥方式.

针对天然水中腐植酸(HA)类溶解性有机物去除问题, 采用多壁碳纳米管为吸附剂, 在不同的pH值、吸附剂量、初始HA浓度下进行吸附动力学实验, 用准二级速率方程拟合了动力学数据, 其线性相关度在0.99以上, 拟合得到的平衡吸附量为27mg/g,与实验结果(25.5 mg/g)基本一致. 在25~50℃下进行了碳纳米管吸附腐植酸的等温吸附实验, 以Langmuir模型拟合的平衡吸附量为29.7mg/g, 与实验结果相近. 用Clapeyron-Clausius与Gibbs- Helmholtz方程计算的自由能(Δ G)、焓(Δ H)、熵(Δ S)皆为负值, 说明碳纳米管对腐植酸的吸附为放热熵减过程. 碳纳米管的表面、管间隙、管内腔及管束之间形成的束聚孔为其有效吸附点位, 腐植酸与碳纳米管间的π-π作用也是吸附的主要原因之一.

用传统固相法制备了(1- x)BaTiO₃/ xCu( x=5 wt%, 10 wt%, 15 wt%, 20 wt%, 25 wt%,30 wt%)复相陶瓷, 研究了Cu含量对复相陶瓷材料的显微结构、渗流阈值及介电性能的影响. 研究结果表明BaTiO₃/Cu复相陶瓷材料的电阻率随着铜含量的增加而下降, 且在渗流阈值( x=25wt%)附近呈现非线性的下降趋势, 复合材料从绝缘体逐渐变为导体. 室温下1 kHz当Cu含量达到 x =30wt%时复相陶瓷的介电常数为~9000, 这是由于在导体和绝缘体的相界面处积累大量的空间电荷, 并由此产生界面极化, 导致介电常数的显著增大, 且随着导体含量的增加, 这种界面效应更加明显. 复相陶瓷的介电损耗随着铜含量的增加而增大, 但随着频率的升高, 由于空间电荷的减少又会使损耗呈现下降的趋势. 在25~115℃的温度范围内, 复相陶瓷温度系数小于5%,具有很高的介电常数温度稳定性.

Si₃N₄是一种具有多种优越物化性能的多功能材料. 采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算对Si₃N₄的高低温相(β、α)进行了对比研究. 对于α相, 计算得晶格常数 a =0.7678nm、 c =0.5566nm, 弹性刚度系数 c ₁₁ = 4.232×10¹¹N/m²、 c ₃₃ =4.615×10¹¹N/m²,压电应变常量 d ₃₃ =0.402pC/N;而对于β相, a =0.7536nm、 c =0.2874nm,弹性刚度系数 c ₁₁ =4.241×10¹¹N/m²、 c ₃₃ =5.599×10¹¹N/m²,压电应变常量则几乎为零. 分析表明Si₃N₄的α、β两相均为高硬高强材料, 这与其结构由四面体组成的网络架构有关. 而Si₃N₄高低温相的压电性能都很差, 特别是β相的压电系数几乎为零, 这与其结构的对称性有关, 高温相结构的对称性更高, 形变引起的离子位移响应抵消更多.

利用传统固相法制备了(1- x)Bi(Sc_{1- y}Y _y)O₃- xPbTiO₃(BSYPT- x/y)压电陶瓷, 采用XRD、SEM、压电工作站等技术表征了体系的晶体结构、微观组织及其铁电性能. 发现随着PbTiO₃含量的增加, BYSPT- x/ y陶瓷相结构由三方结构逐渐转变为四方结构. 体系的准同型相界(MPB)位置随BiYO₃含量的增加而移向PbTiO₃含量更低的一端. 在准同型相界附近的BSYPT0.58/0.15陶瓷的电滞回线出现“束腰”现象, 这种现象来源于BSYPT0.58/0.15陶瓷内部产生的正极为O^{2 -} , 负极为Y³⁺的缺陷偶极子.

以正丙醇为前驱体, N₂为载气和稀释气体, 采用等温化学气相渗透(ICVI)工艺, 沉积温度为1050、1100、1150℃, 压力为6kPa, 对初始密度为0.43g/cm³的2D针刺炭毡进行致密化, 沉积96h制备出表观密度分别为1.64、1.68 和1.69/cm³的C/C复合材料. 考察了密度随沉积时间的变化规律, 利用三点弯曲测试了材料的弯曲强度, 采用偏光显微镜、扫描电子显微镜观察了材料的组织结构和断口形貌. 结果表明以正丙醇为前驱体, 采用ICVI工艺在1050和1150℃下制备的试样组织为高织构和中织构的混合组织, 1100℃制备的试样基体组织为均一的高织构, 其弯曲强度可达199.24MPa. 在本实验条件下, 并未发现正丙醇中的氧元素在高温下对炭纤维的腐蚀作用, 正丙醇可以作为前驱体制备高性能C/C复合材料.

通过引入225℃空气氧化处理, 在较短周期内采用常压浸渍炭化工艺制备了中间相沥青基炭/炭复合材料. 采用偏光显微镜、万能力学试验机及扫描电镜等检测手段研究了炭/炭复合材料微观组织和弯曲力学性能. 研究结果表明, 225℃空气氧化处理后, 炭化收率显著提高, 经过四次常压浸渍-炭化循环后炭/炭复合材料密度达到了1.73g/cm³, 弯曲强度为152.39MPa, 比未经过空气氧化处理的试样提高了62.87%. 空气氧化处理制备的试样呈现典型的假塑性断裂特征, 而未经空气氧化处理制备的试样主要从层间断裂, 其弯曲强度较低. 通过偏光显微分析, 未经空气氧化处理的炭/炭复合材料组织大部分为小域组织, 只有少量的镶嵌型组织和广域组织, 而经过225℃空气氧化处理后的试样, 以广域型组织为主, 并在其间夹着流线型组织和小域组织.

以粒度为1~2μm的MoSi₂粉末为原料,采用喷雾干燥和真空烧结制备了喷涂用MoSi₂团聚粉末. 分别用平均粒度为9.68μm的MoSi₂粉末和团聚造粒MoSi₂粉末(38~72μm)为喂料, 大气等离子喷涂制备了二硅化钼涂层,分析了涂层的微观组织结构. 研究结果表明,喷雾干燥造粒后的近球形粉末在1300℃真空烧结1h后,粉末流动性和松装密度分别为17.1s/50g和2.16g/cm³,比烧结前分别增加了57.0%和46.0%.平均粒度为9.68μm 的MoSi₂粉末制备的涂层主要是由Mo和Mo₅Si₃等富钼相组成. 团聚粉末制备的涂层主要由MoSi₂相组成,涂层较致密, 内部出现了类似“网状”的组织结构.

为研究环境温度对含氢无定形碳(a-C:H)膜结构和性能的影响, 将a-C:H膜在大气环境中进行高温退火处理,并借助红外光谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱、3D表面分析仪和球盘摩擦试验机等手段对退火前后a-C:H膜的结构、组成和性能进行了系统地考察. 研究发现, 在较低的退火温度下(300℃), a-C:H膜结构无明显变化, 而其内应力降低, 摩擦学性能显著提高;在400℃和500℃下退火,膜结构发生明显变化并伴随严重氧化, 同时摩擦学性能降低甚至完全失效. 结果表明, 退火温度的选择对a-C:H膜的结构、组成及性能具有重要影响.

碱式氯化镁(MHCH)纳米线是一种重要的高分子填充剂及一维纳米结构的前驱体. 本文以白云岩锻粉为原料, 利用水热反应制备了MHCH纳米线. 通过XRD、SEM和FT-IR表征表明所制备的MHCH是完好结晶的Mg₁₀(OH)₁₈Cl₂·5H₂O纳米线, 其直径和长度分别为50~120 nm和数十微米. TG-DTA测试表明, MHCH的热分解分为两步, 在加热过程中MHCH始终处于吸热状态. 白云石锻粉中的MgO和CaO与氯化镁的摩尔比 R 对MHCH的结构和形貌具有重要的影响MHCH的长径比随 R 的增大而减小, 而当 R 大于0.5时, 体系中将出现Mg(OH)₂; 制备MHCH的最佳摩尔比 R 在0.025和0.075之间. 由于MHCH用途广泛, 本研究将拓宽白云石的潜在应用价值.

本实验研究了(1- x)(Mg_0.7Zn_0.3)TiO₃– x(Ca_0.61La _0.26 )TiO₃(MZT-CLT)系陶瓷的微观结构和微波介电性能, 通过(Ca_0.61La _0.26 )TiO₃来协调(Mg_0.7Zn_0.3)TiO₃陶 瓷 的谐振频率温度系数. MZT-CLT陶瓷的主晶相为(Mg_0.7Zn_0.3)TiO₃, 第二相为Ca_0.61La_0.26TiO₃和(Mg_0.7Zn_0.3)Ti₂O₅. 烧结温度和陶瓷组成对微波介电性能影响显著, 当烧结温度为 1275℃ 时, 可以获得良好的致密度, 当烧结温度超过 1300℃ 时, Zn的蒸发导致陶瓷致密度和介电性能下降. 随着(Ca_0.61La _0.26 )TiO₃含量的增大, 材料的介电常数增大, 品质因数减小. 当 x =0.13, 烧结温度为 1275℃ 保温4h, (MZT-CLT)陶瓷具有优良微波介电性能,ε _r =26,Q·f =86000 GHz,τ _f = -6×10 ^{- 6} /℃.