陶瓷中空纳米纤维具有特殊的纳米一维管式结构, 在微电子、应用催化、气体传感器和光电转换等领域具有良好的应用前景。本文综述了静电纺丝法制备陶瓷中空纳米纤维的最新研究进展, 主要包括同轴静电纺丝法、单针头静电纺丝法以及后处理法在制备陶瓷中空纳米纤维方面的发展趋势, 重点介绍了单针头静电纺丝法在制备中空纳米结构上存在的相转化、气体挥发和柯肯达尔效应等机理, 并且对于陶瓷中空纳米纤维的应用前景以及不足进行了展望与总结。

以乙酸锌为锌源, Na₂SeO₃•5H₂O或Se粉为硒源, 采用溶剂热法在乙醇胺(EA)溶剂中一步合成晶型和形貌可控的闪锌矿和纤锌矿结构的ZnSe纳米材料。利用X射线衍射(XRD)、能量色散X射线谱 (EDS)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对产物的晶型、成分和形貌进行了表征。结果表明, Se源的选取直接决定了ZnSe纳米材料的晶型和形貌: 以Na₂SeO₃•5H₂O为源, 产物为立方相闪锌矿结构的ZnSe纳米颗粒, 直径30 nm左右; 以Se粉为源, 产物为六方相纤锌矿结构的ZnSe纳米片, 厚度约50 nm。进一步的研究表明, 具有合适配位能力的乙醇胺溶剂和Se源对ZnSe纳米结构的合成起重要作用。通过紫外-可见光谱(UV-Vis)和室温光致发光光谱(PL)表征了产物的光学性质。

为了制备出室温条件下对NO_x气体具有更高灵敏度和更快响应的传感器纳米材料并研究其气敏性能, 本研究通过高压静电纺丝法制备出一维Pt/SnO₂中空纳米纤维。采用XRD、SEM、TEM等表征手段对其结构和形貌进行研究, 同时进行了NO_x的气敏性能测试并予以探讨。研究结果表明: Pt/SnO₂纳米材料是一维中空管状及类似管状结构; 当Pt掺杂量为0.3wt%、NO_x浓度为9.7×10^-5 (V/V)时, NOx响应最快为11.33 s, 灵敏度最高可达109.6%; 当Pt掺杂量为0.5wt%时, 对NO_x检测限最低浓度可达2.91×10^-6 (V/V)。

采用水蒸汽辅助凝胶转化法合成TAPO-5分子筛膜, 使用XRD、SEM和UV-Vis对膜层进行了表征, 并与传统水热晶化法进行了对比。通过探讨老化模式和晶化时间对TAPO-5分子筛膜表面形貌、晶粒结构与交联性以及膜层覆盖度与致密性的影响, 发现使用水蒸汽辅助凝胶转化法, 在预先老化条件下晶化48 h, 有利于TAPO-5分子筛在载体表面的生长, 在多孔α-Al₂O₃载体表面形成完整、致密的TAPO-5分子筛膜, 也有利于形成骨架钛。

利用油酸对纳米二氧化钛进行有机表面修饰, 将修饰后的纳米粉体超声分散到变压器油中制备纳米二氧化钛改性变压器油, 研究了表面修饰对纳米二氧化钛在变压器油中分散性的影响. 采用X射线粉末衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、红外光谱(FT-IR)和热分析(TG)对纳米二氧化钛的形貌、结构和表面修饰状态进行表征。结果表明, 油酸与纳米二氧化钛表面以双齿桥连配位方式键合, 在纳米二氧化钛表面形成了良好的修饰层。随着修饰剂的增加, 尽管油酸在纳米二氧化钛表面的配位方式没有发生改变, 但化学包覆量明显增加, 表面油酸分子的排列也更为紧密, 从而使纳米二氧化钛粒子在变压器油中的分散性和稳定性显著提高。当钛盐与油酸摩尔比为1:24时, 二氧化钛纳米粒子可以稳定分散在变压器油中, 室温静置30 d后仍保持澄清透明。

采用干压成型法制备了多孔α-Al₂O₃基陶瓷片, 研究了烧结温度和掺杂SiO₂对其结构、形貌和性能的影响. 提高烧结温度能增加α-Al₂O₃基陶瓷片的抗压强度, 但收缩率也会随之增大。最佳烧结温度为1180℃, 收缩率小于0.5%, 抗压强度大于80 MPa。当掺杂SiO₂粉体后, 陶瓷片中的无定形SiO₂在烧结过程中晶化形成方石英, 能够促进α-Al₂O₃陶瓷片的烧结。当SiO₂含量为12wt%, 并在1180℃下烧结时, 陶瓷片的收缩率仅为1.2%, 抗压强度大于110 MPa。与α-Al₂O₃陶瓷片相比, 其孔径更小但孔径分布更宽。研究表明, α-Al₂O₃和SiO₂/Al₂O₃陶瓷片均具有良好的分子筛膜生长活性。但由于载体具有不同的物化性质, 所制备的ZSM-5分子筛膜具有不同的形貌和尺寸。

以有机ZrC、ZrB₂前驱体和聚碳硅烷的混合溶液为浸渍前驱体, 利用聚合物浸渍裂解法(PIP)制备了C/C-ZrC-SiC-ZrB₂复合材料, 并对材料的微观形貌、弯曲和烧蚀性能进行了研究。研究结果表明: 利用该方法可制备出陶瓷相填充充分且分布均匀的C/C-ZrC-SiC-ZrB₂复合材料。材料的弯曲强度为126.31 MPa, 断面有大量的纤维束拔出, 表现出良好的假塑性断裂模式。经过120 s氧–乙炔烧蚀, 材料无明显烧蚀, 其线烧蚀率和质量烧蚀率分别为–2.50×10^-4 mm/s和–1.33×10^-4 g/s。在材料表面不同区域形成不同的保护层, 不仅能够降低氧气和热流向材料内部扩散, 还具有弥补缺陷的作用, 使材料表现出优异的抗烧蚀性能。

以硫代氨基脲(CH₅N₃S)为还原剂, 通过还原氧化石墨(GO)制备了石墨烯纳米片(GNS)。利用XRD, FE-SEM, AFM和UV-Vis光谱对产物的结构和形貌进行分析, 并使用循环伏安和恒流充放电等测试手段来表征其超级电容性能。实验结果表明, 所制备的GNS具有良好的结晶状态, 并且在水溶液中具有良好的分散性。以GNS纳米片为电极材料, 在3 mol/L KOH电解质溶液中, 在500 mA/g电流密度测试条件下所得比电容量为75 F/g。而且GNS纳米片显示出了良好的电化学循环稳定性。

使用喷雾干燥法制备了Li_1+2xMn_0.3+xNi_0.3-3xCr_0.4O₂ (x=1/60、1/30、1/20、1/15、1/12)系列样品, 并借助XRD, SEM, ICP, XPS, IR和Raman等手段对所制备系列样品的结构、价态及电化学性能进行了表征。研究表明,  Li_1+2xMn_0.3+xNi_0.3-3xCr_0.4O₂ 系列样品均具有典型的富锂层状固溶体型的晶体结构特征, 且在其XRD图谱中未观测到任何杂相的存在。然而, XPS的数据表明Cr³⁺与Cr⁶⁺共存于各个样品中, 且由于Cr⁶⁺的存在使得样品表现出强烈的吸湿性。Cr⁶⁺可通过水洗处理去除。对于它们的电化学特征而言, 未经水洗处理的样品由于具有强烈的吸湿性, 其电化学性能很差。水洗处理后的系列样品表现出典型的三元富锂层状固溶体的电化学行为, 其首次放电比容量随着样品中Li和Mn含量的增加而增大。样品Li_1.17Mn_0.38Ni_0.05Cr_0.4O₂的首次放电比容量为203 mA h/g, 50次循环后容量保持率为71%。

采用传统固相反应法制备了yBiYbO₃-(0.36–y)BiScO₃-0.64PbTiO₃(BSYPT-0.64/y)体系压电陶瓷。X射线衍射显示BSYPT-0.64/y陶瓷体系为单一的钙钛矿结构; SEM测试结果显示当y=0.1时陶瓷表面形貌出现异常, 当y=0.14时有大量粒径为0.3~0.5 μm的细小晶粒析出在陶瓷的表面; EDS能谱分析发现细小晶粒主要成分为Bi、Yb、Ti、Sc和O, 表明BiYbO₃的含量超过10%时为BSYPT-0.64/y陶瓷体系的固溶极限区域; 通过BSYPT-0.64/y陶瓷的压电性能、铁电性能测试, 介温特性(T_c~450℃)结果分析发现当y>0.1时, BiYbO₃固溶极限析出是相对孤立的行为, 不是影响BSYPT-0.64/y的结构和电学性能的主要因素, 而其结构和电学性能的降低依赖于Sc/Pb相对含量比的降低导致组分对准同型相界的偏离。

采用固相反应法制备了(K_0.49Na_0.51)_0.98Li_0.02(Nb_0.77Ta_0.18Sb_0.05)O₃-xBaZrO₃ (NKNLST-xBZ, x = 0~0.020 mol)无铅压电陶瓷, 系统研究了BaZrO₃的掺杂量对陶瓷的压电、介电、机电和铁电性能的影响。结果表明: 随着BaZrO₃掺杂量x的增加, 陶瓷的晶体结构由正交相向四方相转变, 在x=0.005~0.008区间出现正交相与四方相两相共存的区域, 在此区域内陶瓷的晶粒变得细小且均匀, 介电损耗tanδ大幅降低, 压电常数d₃₃和平面机电耦合系数k_p增加。该体系陶瓷的介电常数ε T 33 /ε0则随着BaZrO₃的增加持续增加, 相变温度则向低温方向移动。当x=0.005时, 该组成陶瓷具有最佳的综合性能: 压电常数d33=372 pC/N, 平面机电耦合系数kp=47.2%, 介电损耗tanδ=3.1%, 以及较高的介电常数ε^T₃₃ /ε₀=1470和居里温度T_c=208℃。

采用间苯二酚–甲醛辅助溶胶–凝胶法制备了纳米Li₂MnSiO₄/C正极材料, 采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和恒流充放电测试等方法对材料的结构、形貌以及电化学性能进行了分析和表征。结果表明, 所制备的样品属于正交晶系Pmn21空间群, 物相纯度很高, 颗粒尺寸细小(50 nm左右)且分布均匀, 并具有良好的电化学性能, 首次放电比容量为105.7 mAh/g, 50次循环后容量保持率高达90.7%。XRD图谱显示, 经过充放电循环后, Li₂MnSiO₄能始终保持稳定的晶体结构, 表明间苯二酚-甲醛在烧结过程中形成的网络包覆碳层不仅提高了材料的电子电导率, 还维持了材料结构的稳定。

采用水热合成技术, 以盐酸、去离子水和钛酸丁酯为反应前驱物, 直接在透明导电玻璃(FTO)衬底上合成了具有金红石结构的TiO₂纳米线束阵列。通过改变反应前驱物中钛酸丁酯的添加量, 实现了对TiO₂纳米线束阵列密度的调控。以TiO₂纳米线束阵列为光阳极、CdS为敏化剂, 组装了量子点敏化太阳能电池器件, 并研究了纳米线束阵列的密度对电池光伏性能的影响。结果表明: 纳米线的密度过高或过低均不利于电池光伏性能的提高。纳米线的优化密度为11.8×10⁶ /mm², 此时电池的光电转换效率达到了0.947%。

以Co₄(CO)₁₂和Se为原料, 采用低温回流方法在乙二醇介质中合成了CoSeO₃化合物。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和旋转圆盘电极(RDE)技术表征合成的化合物微观形貌、结构特征和电化学性能。这种化合物主要由单斜结构的CoSeO₃•H₂O晶粒组成, 粒径大小约为26.7 nm, 具有规则的晶体外形。在25℃, 0.5 mol/L H₂SO₄电解液中, CoSeO₃化合物对氧还原反应(ORR)表现出明显的电催化活性, 开路电位为0.80 V(vs NHE)。根据Koutecky-Levich方程计算出每个氧分子还原过程转移的电子数约为3.8。在0.64~0.76 V(vs NHE)电位范围内, 测得催化剂的传递系数、Tafel斜率和交换电流密度分别为0.50、119 mV和1.98×10^-6 mA/cm²。CoSeO₃化合物的催化活性和电化学稳定性也与商品Pt催化剂进行了比较。

采用脉冲激光沉积法制备了Al掺杂ZnO(AZO)薄膜, 研究了不同沉积氧压下薄膜的光电性能。当沉积压强为0.1 Pa时, AZO薄膜光电性能最优。将该薄膜用于GaN基LED透明电极作为电流扩展层, 在20 mA正向电流下观察到了520 nm处很强的芯片发光峰, 但芯片工作电压较高, 约为10 V, 芯片亮度随正向电流的增大而增强。二次离子质谱测试表明, AZO薄膜与GaN层界面处两种材料导电性能的变化以及钝化层的形成是导致芯片工作电压偏高的原因。

用电子束蒸发技术在K9玻璃及两种不同取向的钇铝石榴石(Y₃Al₅O₁₂, 简称YAG)晶体上沉积了SiO₂薄膜, 采用X射线衍射仪和纳米划痕仪对薄膜显微结构和力学性能进行了研究。实验结果表明: 薄膜在K9 、YAG(100) 和YAG(111)基底上分别呈现非晶态和多晶态; 沉积在不同基底上的薄膜的弹性模量并无明显差异; SiO₂薄膜在K9和YAG基底上呈现不同的划痕破坏模式, 并且YAG晶体上薄膜的粘附失效临界附着力远远小于SiO₂薄膜与K9基底的附着力。本文从薄膜的结构和弹性模量两方面分析解释了不同基底上薄膜的力学行为。

以硝酸镉、硫脲和正硅酸乙酯为前驱体, 采用电化学-溶胶凝胶法, 以ITO玻璃为基底制备了透明薄膜。扫描电子显微镜(SEM)表征表明薄膜为纳米束结构。X射线能谱(EDX)表征表明薄膜由Si、O、Cd、S元素组成, Cd/S(原子比)＞1。EDX表征结合循环伏安(CV)实验确定薄膜为Cd/CdS-SiO₂复合薄膜。Z扫描表征表明, 薄膜在1064 nm处表现出自散焦特性的非线性折射效应和饱和吸收特性的非线性吸收特性。薄膜的三阶非线性极化率(χ(3))较高, 达到了1.18×10^-14~1.39×10^-13 (m/V)², 表明薄膜具有优良的三阶光学非线性。分析认为薄膜中CdS的含量对薄膜的光学性非线性起主要作用。

本研究选择有限容积法, 采用Fluent软件对KH₂PO₄(KDP)晶体在不同转速下成帽过程的温度场及速度场分布进行了数值模拟。晶体转速较低(9 r/min)时, 晶体附近温度分布比较均匀, 相应的晶体只出现一个帽区, 但温度较高, 成帽较慢; 晶体转速较高(55和77 r/min)时, 温度分布也比较均匀, 所以晶体也只有一个帽区, 此时温度较低, 成帽较快; 晶体转速介于两者之间时, 温度分布出现扰动, 晶体成帽同时出现两个或多个帽区, 成帽速度介于两者之间。在所模拟晶体转速范围内, 较高转速77 r/min是晶体帽区恢复的最优转速。

以氧氯化锆(ZrOCl₂·8H₂O)为锆源, 钛酸丁酯(Ti(OBu)₄)为钛源, 聚偏氟乙烯(PVDF)为有机添加剂, 采用溶胶–凝胶法在K9玻璃基片上制备PVDF/TiO₂-ZrO₂光学膜, 提高了ZrO₂-TiO₂光学膜的综合性能。然后采用SEM、FT-IR、接触角以及紫外/可见/近红外透射光谱等手段对PVDF/TiO₂-ZrO₂光学膜的组成、光学性能和抗激光损伤阈值进行了研究。SEM测试表明, 在K9玻璃基片上制备了光学膜。PVDF的添加导致水与薄膜的接触角增大。ZrO₂-TiO₂光学膜的光学带隙随ZrO₂含量的增加而略微增大, PVDF/ZrO₂(50mol%)-TiO₂薄膜的光学带隙随PVDF质量分数的增加而增大。另外, ZrO₂-TiO₂光学膜的折射率随ZrO₂摩尔分数的减小而增大, PVDF/ZrO₂(50mol%)-TiO2膜的折射率随PVDF质量分数的增加而增大。

采用简易溶剂热法成功制备出了氮掺杂石墨烯(N-GNSs), 结构表征显示其形貌良好。X射线光电子能谱(XPS)结果表明在溶剂热过程中, 氧化石墨烯表面的大部分含氧功能团已被成功除去, 而且二甲基甲酰胺中的氮原子通过吡咯氮和石墨氮的形式成功掺杂到石墨烯结构中。作为电极活性材料, N-GNSs展现出优异的电容特性, 在2 mol/L KOH电解液中电流密度为0.5 A/g时比电容可达181.3 F/g。此外, N-GNSs还展示出良好的循环稳定性, 2000次连续循环后容量仍保持为初始数值的92.5%。因此, 氮掺杂石墨烯是一种潜在的超级电容器电极材料。