由于报道获得了超过金刚石的硬度, TiN/Si₃N₄纳米复合薄膜成为十多年来超硬材料和薄膜材料的重要热点。本文从实验基础方面对这类薄膜的Veprek模型和“超高硬度”进行了评述。在微结构方面, Veprek提出的非晶Si₃N₄包裹TiN纳米晶的结构模型(即nc-TiN/a-Si₃N₄)缺乏足够的实验依据, 直接观察表明: 高硬度薄膜中的TiN晶粒并非等轴晶,而是纳米直径的柱状晶。就Si₃N₄界面相来说也并非以1个单分子层(~0.3 nm)的非晶态存在, 而是厚度约3个分子层(~0.7 nm)的晶体态, 更重要的是Si₃N₄界面相与相邻的TiN晶体形成了共格结构。在制备技术方面, 十余年来始终没有人在这类材料中重复出Veprek超过金刚石硬度的结果, Veprek不仅将其归咎于缺乏足够高的沉积温度和氮分压, 甚至归咎于薄膜中存在不可避免的微量氧, 但也缺乏足够的直接证据。在超高硬度的样品方面, Veprek所报道超过金刚石硬度(最高达138.9 GPa)的样品不但未经任何他人检测确认, 而且现在这些样品已经不存在了。

CO₂作为温室气体, 其捕集和存储有着重要的现实意义。多孔碳材料掺杂N原子后可以极大地改变材料的表面化学性质, 增强表面碱性, 在CO₂吸附领域具有广泛的应用。基于N掺杂最新研究进展, 本文系统地介绍了原位、后处理等掺N方法和不同孔道结构对CO₂吸附分离或扩散传质的影响, 总结归纳了材料的物理结构参数、表面化学性质与CO₂吸附分离性能的关系, 指出了各种制备方法存在的问题及解决的方法, 为高性能的CO₂吸附剂的定向设计、制备以及工业化提供了理论参考。

采用N₂吸附、CO₂吸附和热重红外联用等技术手段, 考察了在KOH活化稻壳炭的过程中碱炭比和活化温度对活性炭极微孔的影响。结果表明: 在不同碱炭比(0.6︰1~3︰1)和活化温度(640~780℃)下制备的稻壳活性炭, 极微孔主要分布在0.42~0.70 nm。当碱炭比增加时, 极微孔孔容先增大后减小; 而当活化温度升高时, 极微孔孔容呈降低趋势。极微孔率随碱炭比或活化温度的升高而单调递减。在活化温度为640℃、碱炭比为1: 1时, 可得极微孔孔容为0.149 mL/g、极微孔率达36.3%的微孔活性炭。活性炭的极微孔孔容与其在10⁴ Pa时的CO₂吸附量高度线性相关。

通过对Fe₃O₄纳米粒子接枝碳纳米管的单分散水溶液真空吸滤制备出一种新型的杂化碳纳米纸, 它与树脂浸润良好, 可以与复合材料一体成型。分别借助FE-SEM、EDS、BJH法和振动样品磁强计表征杂化碳纳米纸及其复合材料的微观形貌、元素组成、平均孔径分布和磁性能。在8.2~18 GHz频段内利用波导法测量碳纳米管共混复合材料和外贴杂化碳纳米纸/碳纳米管共混复合材料的电磁参数和吸波反射率。研究结果表明: 外贴一层杂化碳纳米纸(厚0.1 mm)后, 碳纳米管共混复合材料的磁损耗明显增加, 在8.2~18 GHz微波频段内吸波反射率基本上全部小于-10 dB(频宽大于9.7 GHz), 在15.42 GHz位置, 反射损耗峰达-43.18 dB, 远优于碳纳米管共混复合材料。

将三种纸张(复印纸、滤纸和面巾纸)为原料经单步热解获得的纸炭作为对电极的催化材料引入准固态染料敏化太阳电池(QDSCs), 考查了纸炭的催化活性和相应器件的光电性能。结果表明: 三种纸炭均由径向尺寸约为10 μm的碳纤维堆砌而成, 具有低的结晶度和发达的孔隙, 因此相比石墨均能获得更佳的催化活性和更高效率的QDSCs。在三种纸炭中, 由复印纸获得的纸炭所含的碳纤维表面具有独特的细小鳞片结构, 使其拥有最高的比表面积和最优的催化活性。纸炭在QDSCs中既能提供催化活性点, 又能改善电解质的离子导电率, 因此获得高于铂对电极组装的QDSCs的短路电流和开路电压, 弥补了催化活性和填充因子的不足, 最终具有与后者相比拟的光电转换效率。

采用溅射后硒化法制备CIGS电池吸收层, 并在此基础上制备具有glass/Mo/CIGS/CdS/i-ZnO/ZnO:Al/Ni-Al结构的CIGS电池。实验研究了真空退火对电池性能的影响。通过优化退火条件, 电池光电转换效率从4.91%提高到14.01%。进一步研究发现, 退火有助于改善部分单层薄膜的性能, 但是其对电池性能的提升主要来自来于: 1) 退火促使Cd²⁺扩散进入CIGS表面取代V_Cu, 钝化浅能级缺陷的同时形成n-CIGS, 使p-n结进入CIGS层内部, 从而大幅减少了界面复合中心; 2) 退火使得CIGS表面吸附的H₂O分子脱附, 提高了CIGS电学和带隙均匀性, 从而改善电池的均匀性, 电池性能得到全面提升。

采用液相超声直接剥离法制备了石墨烯负载纳米Fe₃O₄复合材料, 用SEM、TEM对其形貌进行了表征, 利用多功能往复摩擦磨损试验仪考察了石墨烯负载纳米Fe₃O₄复合材料在纯水中的摩擦磨损性能。通过SEM、XPS分别分析了磨痕表面的形貌、典型元素的化学状态, 初步探讨了石墨烯负载纳米Fe₃O₄复合材料在纯水中的润滑机理。结果表明: 纳米Fe₃O₄均匀分布于多层石墨烯片层表面和层间, 粒径为20~90 nm; 其作为纯水添加剂具有良好的减摩抗磨性能, 如试验载荷为10 N, 浓度为0.01wt%的石墨烯负载纳米Fe₃O₄复合材料水分散体系润滑时比纯水润滑的摩擦系数和磨损体积分别下降26.7%和35.4%, 这主要是由于复合材料在磨损表面形成了吸附膜、含石墨烯和纳米Fe₃O₄的边界润滑膜, 抑制了Fe的氧化, 减轻了摩擦表面的磨损。

随着火炮初速、膛压、射速的提高, 炮膛的烧蚀磨损逐渐变得严重, 对高效缓蚀剂的需求越来越迫切。本研究以聚乙烯醇(PVA)为壁材, 在W/O/W复乳体系中利用界面交联法制备了TiO₂前驱体微胶囊, 探讨了微胶囊的形成机理。扫描电镜观察表明微胶囊呈现出球形形貌, 分散性好, 囊壁致密、包覆完整, 粒径分析显示其平均粒径在10 μm左右; 红外分析进一步证实微胶囊是由醇醛树脂层包覆TiO₂前驱体形成; 热分析表明微胶囊中固体TiO₂含量约为35%。利用烧蚀管试验法测试其降烧蚀性能, 结果表明TiO₂前驱体微胶囊型缓蚀剂不影响发射药的燃烧规律, 在相对于发射药质量2.5wt%的添加量下, 降烧蚀效率达到35%左右。

采用高温热分解法, 以乙酰丙酮铁为铁源, 生物相容性良好的聚乙二醇(PEG1000)作为溶剂、还原剂及修饰剂制备PEG修饰的氧化铁纳米粒子(PEG-SPIONs), 并研究其在小鼠体内的造影效果。X射线衍射(XRD)分析表明样品中含有Fe₃O₄晶相。透射电镜(TEM)结果显示, 合成的PEG-SPIONs形貌均一, 主要为等轴晶形, 纳米粒度及电位分析表明其表面呈负电性, 分散在水中的动力学粒径为20 nm。磁性能结果表明合成的PEG-SPIONs室温下具有超顺磁性, 并且具有较高的r₂/r₁值。细胞活性研究表明PEG-SPIONs具有较低的生物毒性, 体内的磁共振成像结果显示出PEG-SPIONs优异的对比增强效果, 说明PEG-SPIONs可以作为高效的T₂磁共振成像造影剂。

以新型溶胶-凝胶法制备的平均晶粒尺寸为30 nm的铌酸钾钠粉体为原料, 采用放电等离子体烧结工艺, 在烧结温度为900℃, 压力30 MPa, 烧结时间1 min的条件下, 制备得到纯正交相, 相对密度高达99%以上, 平均晶粒尺寸为40 nm的纳米铌酸钾钠陶瓷, 并对该陶瓷的相结构、微观形貌、介电性能和铁电性能进行了研究。结果表明, 与普通微米晶陶瓷不同, 纳米铌酸钾钠陶瓷的室温介电常数仅为341, 并且随温度变化不明显, 表现出明显的介电弛豫现象, 弥散因子γ为1.60, 并具有明显的电滞回线, 矫顽场强度为13.5 kV/cm, 剩余极化为1.5 μC/cm²。尺寸降低所引起的纳米铌酸钾钠陶瓷中晶界相所占的比例增大是其性能变化的主要原因, 并且可以推断, 如果铌酸钾钠陶瓷具有“临界尺寸”, 那么其值应该在40 nm以下。

采用狭缝法收集不同工艺条件(雷诺数)下的氧化钇部分稳定的二氧化锆(YSZ)扁平粒子, 采用扫描电子显微镜(SEM)及三维激光显微镜观察形貌, 同时采用Fluent流体力学软件模拟不同雷诺数下YSZ熔滴的铺展和凝固过程, 研究雷诺数对扁平粒子形貌的影响规律。实验及计算结果表明: 当欧氏数大于0.2时, 雷诺数对YSZ熔滴的扁平化行为具有重要的影响作用, 熔滴飞溅的临界雷诺数为450±20, 即当雷诺数小于450±20时, 熔滴呈圆盘状且不发生飞溅, 反之熔滴发生飞溅。对于粒径相同的YSZ熔滴, 超音速等离子喷涂(SAPS)获得的熔滴扁平率约为普通等离子喷涂(APS)工艺的1.3倍。

贯通性是骨组织工程支架的重要参数, 决定包含蛋白和细胞的体液渗入和组织生长。本研究采用Micro-CT技术对三种不同工艺(球粒堆积、蜡球造孔、纤维堆积)构建的羟基磷灰石多孔支架进行断层扫描, 并从三方面研究支架的贯通性: (1)通过影像重建定量分析支架孔隙的三维贯通结构; (2)统计分析比较三种支架在贯流方向上的孔隙率变化; (3)有限元模拟支架的内部液流分布情况。结果表明, 球粒堆积支架与蜡球造孔支架孔隙率分布较均匀, 而纤维堆积支架孔隙分布较杂乱。液流模拟(流速分布)发现, 球粒堆积支架与蜡球造孔支架中液体流动均匀, 但是蜡球造孔支架孔壁近表面区域存在大量“漩涡流”, 不利于支架内细胞与液流之间的物质交换, 该结果有可能解释球粒堆积支架体内成骨性优于蜡球造孔支架的动物体内实验结果。

利用尿素为固体氮源, 通过尿素分子与ZrCl₄、ZrOCl₂·8H₂O无机锆盐发生络合反应得到Z-U和ZO-U两种ZrN陶瓷的前驱体, 两种前驱体在较低温度下热裂解都可以得到ZrN陶瓷粉体。使用FT-IR对前驱体分子进行了结构分析, 采用TG-DTA跟踪了前驱体的热裂解过程, 并通过XRD和SEM对最终热裂解获得的ZrN产物进行了表征, 探讨了不同锆源制备前驱体的热裂解反应历程及其对产物ZrN的影响。结果显示: 结晶水的存在对络合反应有较大影响, 从而造成两种前驱体分子结构上存在较大差异; 尽管热裂解反应历程相似, 由于前驱体分子结构不同, 获得的ZrN粉体在纯度和形貌上存在较大差异; Z-U前驱体更容易得到纯度高的ZrN纳米粉体。

A₂Zr₂O₇锆基烧绿石因优异的辐照和化学稳定性能成为高放废物固化的理想基材。以硝酸锆、硝酸钕、硝酸钍作为原料, 通过柠檬酸络合方法, 在1200℃保温12 h成功制备了含20at%钍的Nd_1.8Th_0.2Zr₂O_7.1烧绿石固化体。产物采用X射线粉末衍射、扫描电镜、红外光谱以及拉曼光谱表征。结果表明: Th替代Nd进入A₂Zr₂O₇的A位, Nd_1.8Th_0.2Zr₂O_7.1固化体保持单一的烧绿石结构; Th⁴⁺的离子半径小于Nd³⁺, 导致固化体晶格常数减小; 通过Scherrer公式计算和SEM观察, 样品平均粒径为50 nm左右; 制备的固化体致密度高。随着Th成分的增加, Nd_1.8Th_0.2Zr₂O_7.1固化体烧绿石结构的无序化程度增加。

Bi₂Sn₂O₇是一种特殊的烧绿石结构复杂氧化物, 具有可见响应光催化性能, 其带隙约为2.61 eV。采用水热法合成出棒状Bi₂Sn₂O₇和颗粒组成的球形Bi₂Sn₂O₇光催化材料, 发现通过改变反应物的添加次序, 可以产生不同的成核形式, 从而导致产物的最终形貌不同。在可见光激发下, 以罗丹明B为目标降解物进行了产物光催化性能的表征。由纳米颗粒组成的球状Bi₂Sn₂O₇表现出更强的光催化性能, 100 min时降解率达98%。通过光催化过程中的自由基淬灭反应, 发现Bi₂Sn₂O₇降解有机污染物的主要活性物种为超氧自由基和空穴。

通过高温烧结和电子束还原法制备了SrAl₂O₄: (Eu²⁺, Dy³⁺)长余辉发光材料, 并利用球磨获得了SrAl₂O₄: (Eu²⁺, Dy³⁺)长余辉发光粉。通过把发光粉与环氧树脂混合制备了含有SrAl₂O₄: (Eu²⁺, Dy³⁺)长余辉发光粉的夜光胶, 利用丝网印刷涂敷技术及热处理在石英玻璃上涂敷了厚度为1000 nm量级的SrAl₂O₄: (Eu²⁺, Dy³⁺)长余辉发光膜。通过小球下落冲击法和一套自制的基于一个雪崩二极管和皮安表的测试装置研究了这种长余辉发光膜的力致发光特性。研究发现, 电子束还原法制备的SrAl₂O₄: (Eu²⁺, Dy³⁺)长余辉发光膜具有很好的力致发光特性, 具有高达1.25的信背比和很高的信噪比。力致发光强度与小球下落前的初始高度即冲击发生前小球的动能成指数关系, 光谱特性及衰减特性与长余辉发光相似。上述结果表明, 力致发光是小球冲击能传递给电子并引起电子进入陷阱能级然后释放引起的。

采用反复蒸馏提纯技术和开放式动态蒸馏相结合的工艺, 制备了高纯As-S玻璃, 基本消除了玻璃在2.9、4和6.3 μm处的杂质吸收。利用旋转法制备出壁厚均匀、表面质量优异的硫系玻璃套管。采用棒管法拉制出丝径50 μm, 芯径40 μm具有芯包结构的硫系玻璃光纤。拉制的As-S光纤机械性能和光学性能优异, 光纤丝径波动小于1%, 弯曲半径优于4 mm, 中红外波段损耗基线小于0.5 dB/m。制备出像元呈正方形排列, 出端规格64×9, 入端规格192×3, 用于线-面转换的红外传像束, 像束断丝率为2.7%。利用该异型传像束成功实现了长线阵的红外推扫成像。

采用渗硅反应烧结工艺制备了SiC/B₄C复合材料, 并研究了碳含量对复合材料的力学性能及微观结构的影响。 结果表明, SiC/B₄C复合材料的力学性能(硬度、抗弯强度、韧性)随着碳含量的增加呈先增强后减弱的趋势。在碳含量为10vol%的条件下, 复合材料的综合性能最佳, 其硬度、抗弯强度和韧性分别为19.63 Gpa、 358 MPa和3.96 MPa•m^1/2。此外, 当碳含量不足10vol%, 复合材料的组织随碳含量增加均匀性提高; 当碳含量超过10vol%, 显微组织均匀性变差, 并且添加碳粉后, 复合材料由沿晶、穿晶混合断裂向穿晶断裂转变, 最终导致SiC/B₄C复合材料力学性能的改变。

采用磁控溅射法在较低基底温度下(200 ℃)制备了有序碲纳米线阵列, 并利用X射线衍射、扫描电镜和透射电镜对所制备薄膜进行了相、形貌和微观结构分析。结果表明, 所制备的纳米线阵列由单晶碲纳米线组成, 单根碲纳米线具有针状形貌, 并沿[101]晶向生长, 平均直径和长度分别为100 nm和1 μm。氩气压力和基底温度均对碲纳米线阵列的形成具有重要影响, 以平衡碲原子沿[101]晶向和(101)晶面方向的扩散和生长。提出了碲纳米线阵列的生长机制, 包括吸附、结合、成核和生长等过程。