电子束熔炼具有高能量密度、高真空度等优点, 能够有效地去除硅中的挥发性杂质, 使其在制备太阳能级多晶硅材料方面具有巨大的优势和广阔的应用前景, 目前已经实现了产业化应用, 成为冶金法制备太阳能级硅材料的关键环节之一。本文在阐述挥发性杂质去除的热力学原理的基础上, 对其去除效果和去除机制进行了总结。同时, 针对电子束熔炼技术目前存在的问题, 结合作者在这些方面的探索, 从数值模拟、节能型熔炼方式以及与定向凝固技术的耦合等角度对现阶段的研究重点进行了综述, 并对其未来的发展趋势进行了展望。

洋葱碳独特的结构, 使其具有优异的物理化学性能。本文首先介绍了洋葱碳的分类和结构, 对几种传统的制备方法(包括电弧放电法、等离子体、电子束辐射、化学气相沉积、纳米金刚石真空退火、热解法)的优缺点进行归纳、总结。其次, 介绍了近年来发展起来的制备方法。随后,对近年来洋葱碳在锂离子二次电池负极、染料敏化太阳能电池对电极、电化学储氢电极、超级电容器电极、摩擦和磨损、催化领域的应用做一概述。最后, 指出了目前洋葱碳在制备和应用方面的不足, 对今后的研究做了展望。

二氧化碲(TeO₂)晶体同时具有优异的声光性能和高自然丰度的¹³⁰Te双b衰变性能, 既可用于高性能声光器件, 也可用于中微子与暗物质研究。近年来, 这两方面的应用都对TeO₂晶体的尺寸和质量提出了更高要求。本文简要介绍了TeO₂晶体的结构与物理性能, 综述了大尺寸、高质量TeO₂晶体制备的研究进展以及该晶体在红外器件中的应用进展, 最后展望了TeO₂晶体的制备与应用趋势。

为了提高中子探测效率, 以富集¹⁰B的H₃¹⁰BO₃为原料, 通过提拉法生长了富集¹⁰B的Ce:Li₆Lu(¹⁰BO₃)₃晶体。X射线激发发射光谱测试表明: 其发光峰位于360~480 nm, 属于Ce³⁺离子典型的5d - 4f跃迁发光, 其闪烁发光效率为BGO晶体的3.9倍。在350 nm紫外光和¹³⁷Cs所发出的662 keV的γ射线激发下测得的衰减时间分别为21.0 ns 和31.7 ns, 在¹³⁷Cs辐射源激发下所测得的相对光输出是CsI(Tl)晶体的20%, 能量分辨率为9.7%。在慢化²⁵²Cf中子源激发下可以观测到明显的中子全能峰, 其能量分辨率为33%。上述研究结果表明, Ce:Li₆Lu(¹⁰BO₃)₃晶体具有较高的闪烁效率、快的衰减时间和良好的中子探测效率, 是一种具有应用前景的中子探测用闪烁晶体。

采用固相反应法结合真空烧结技术制备了具有高光学质量高闪烁效率的(Lu, Ce, Mg)₃Al₅O₁₂ (LuAG:0.3at% Ce, 0.2at% Mg)闪烁陶瓷。将20 mm×20 mm×0.05 mm的陶瓷薄片用含有石墨粉的硅胶粘接在尺寸为25 mm×25 mm×4 mm的石墨基底上, 再激光加工切割成50 μm×50 μm、间距10 μm的正方形阵列, 进行X射线平板探测器成像研究, 并分别采用铅线对卡法和刀口法对陶瓷闪烁探测器的成像质量进行表征。结果表明: 陶瓷闪烁体制备的平板探测器成像清晰锐利, 铅线对卡法测试激光切割样品10 lp/mm下MTF可达17.5%。刀口法测试激光切割样品MTF为10%时, 分辨率可达9 lp/mm。该闪烁陶瓷具有在平板探测器上应用的潜力。

采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势方法, 计算了CoCr₂O₄及Li、Na、K和Rb四面体掺杂CoCr₂O₄的基态结构、电子结构和光学性质。计算结果表明: 一价离子四面体掺杂都导致晶格有微小的畸变, 使体系的稳定性降低, Rb掺杂的体系最稳定; 电子态密度的计算结果表明: 掺杂体系的导带主要有Co-3d和Cr-3d轨道电子构成, 掺杂离子改变了CoCr₂O₄导带的电子结构, 主要引起了导带Co-3d态密度峰的下移, 随着掺杂浓度的增大, 费米能级进入价带更深; 光学性质计算表明: 掺杂体系的吸收光谱发生红移, 并在低能区有很强的吸收, 表明掺杂能极大地提高CoCr₂O₄对可见光的吸收和光催化效率。

采用水热法和共沉淀法结合制备Bi₂MoO₆/Ni-Fe LDH复合材料, 通过XRD、FT-IR、SEM、TEM、XPS和N₂物理吸附等对样品的结构和形貌进行表征。以甲基橙、亚甲基蓝、罗丹明B和苯酚为目标降解物, 在可见光下进行复合材料的光催化性能测试, 以降解甲基橙溶液为例研究复合材料的光催化反应机理。结果表明, 复合材料的BET比表面积随着Ni-Fe LDH含量的增加而增大, 光催化活性明显提高。Bi₂MoO₆/Ni-Fe LDH复合材料中Ni-Fe LDH的含量为4.5%时具有最好的光催化效果, 可见光照射60 min, 甲基橙的降解率达91%, 较Bi₂MoO₆和Ni-Fe LDH分别提高52%和16%。Bi₂MoO₆/Ni-Fe LDH复合材料具有良好的稳定性, 循环使用5次, 甲基橙(MO)的降解率为88%。复合材料光催化降解甲基橙反应遵循一级反应动力学。

为了提高电子背散射衍射技术的空间分辨率, 使之能够对纳米尺度的晶粒或超细粉末进行相鉴定和取向分析, 本研究通过自主设计的透射模式电子背散射衍射技术的样品台, 及调整EBSD探头位置及角度, 收集到清晰、完整的透射电子菊池衍射花样。研究了减薄块体样品厚度对透射电子菊池衍射花样的影响, 对减薄氧化锆涂层样品进行了t-EBSD面分布分析, 其结果的平均角度偏差(MAD)值仅为0.38, 成功鉴定出小于30 nm尺度的纳米氧化锆涂层立方相; 将超声分散后的纳米TiO₂粉体滴在铜网上, 采用t-EBSD对纳米颗粒进行点分析, 成功鉴定了锐钛矿相和金红石相TiO₂, 其中纳米锐钛矿TiO₂粉体的最小尺寸为20 nm左右, 使得扫描电镜中相鉴定的最小分辨率从目前的约100 nm提高到小于30 nm, 大大拓展了电子背散射衍射技术在纳米材料研究中的应用范围。

石英玻璃管大量应用于化工、机械和光学等领域, 但由于缺少精准有效的高温弹性模量评价手段, 限制了其高温热应力分析和结构设计。最近发展起来的缺口环方法可测试玻璃管材的室温弹性模量, 但其在高温下的应用因变形测量困难而鲜有报道。本研究利用相对法解决高温缺口环变形测量的难题, 从而可以方便准确地计算出高温弹性模量。采用本方法测试石英玻璃管的弹性模量并探索其在室温至1200℃间的变化规律, 发现在800℃时达到最大值87.20 GPa, 而后缓慢下降, 1100℃以后开始急剧下降。本研究显示用校正后的缺口环法测试石英玻璃管的高温弹性模量值准确、可靠, 有望推广应用于评价其他脆性圆管材料的高温弹性模量。

镁铝尖晶石透明陶瓷是典型的结构功能一体化材料, 具有优异的光学和机械性能。实验合成了颗粒细小、均匀的单相MgO·1.5Al₂O₃陶瓷粉末, 并且利用XRD全谱拟合软件Fullprof和尖晶石位置分配程序SIDR两步法确定其晶体结构为(Mg_0.46Al_0.54)^IV[Mg_0.26Al_1.64□_0.09]^VIO₄。再通过真空无压烧结结合热等静压烧结制备出了高性能的透明陶瓷, 热等静压18 MPa下1850℃烧结4 h所得样品的致密度达到99.75%, 厚度为2 mm的烧结样品可见光透过率达到65%, 红外波段透过率达到80%以上, 维氏硬度为(12.75±0.12) GPa, 杨氏模量为277 GPa。

以廉价水玻璃为原料, 通过控制水解条件, 合成出具有不同尺寸的SiO₂溶胶, 并与间苯二酚-甲醛(RF)溶胶形成均相的凝胶复合物, 经常压干燥、炭化、酸洗, 得到具有可控结构的中孔炭材料。考察了水解温度、水解时间和反应物组成对孔结构的影响, 并通过氮气吸附、扫描电镜和透射电镜对材料的微观结构进行了表征。结果表明: 中孔炭的孔隙反相复制于SiO₂凝胶网络, 其平均孔径随水解时间的延长或水解温度的升高而增大, 并在6~12 nm范围内精细调控, 而其总孔隙率可以通过改变炭、SiO₂前驱体比例调节。对液相复合溶胶通过悬浮聚合法和喷雾干燥法处理, 分别制备出毫米级和微米级的中孔炭球, 进而实现了中孔炭在宏观形貌上的调控。本工作为中孔炭的低成本制备、精细结构调控以及球形功能化提供了重要参考。

通过水热法, 利用氧化石墨烯(GO)和二价锰盐, 一步合成了还原氧化石墨烯/MnO₂(RGO/M)复合电极材料。采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(RS)、傅里叶红外光谱(FTIR)和场发射扫描电镜(FESEM)等测试电极材料的物性, 通过循环伏安、交流阻抗和恒流充放电等方法研究电极材料的电化学性能。结果表明, 在一定水热反应条件下, 通过控制GO与二价锰盐配比, 可以调节RGO/M的结构及其电化学性能。在1 A/g电流密度下, 所得RGO/M复合电极的比电容可达277 F/g, 经过500次循环后, 保持率达到98%。

以2-乙基己酸亚锡为原料, 通过静电纺丝以及随后在惰性气氛中煅烧成功制备出电化学性能优良的SnO₂-C复合纤维。X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、热重分析(TGA)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)的分析结果表明: SnO₂-C复合纤维具有无定形结构, 直径为100~300 nm, 含碳量约38%。电化学测试结果表明: 在50 mA/g的电流密度下, 无定形SnO₂-C复合纤维的首次放电比容量、充电比容量和库仑效率分别为1370.1 mAh/g、757.5 mAh/g和55.28%; 在50 mA/g的电流密度下循环80次后, SnO₂-C复合纤维的比容量为611.6 mAh/g, 没有出现明显的容量衰减。SnO₂-C复合纤维高的比容量和良好的循环性能归因于其SnO₂均匀分布的SnO₂-C复合一维结构。

采用简单的反向溶剂法制备出了直径为100 nm左右的高纯、高结晶度的纳米纤维状硒, 采用X射线粉末衍射仪、扫描电子显微镜对纤维硒进行结构和形貌的表征。硒纤维电极由于减小了单质硒的尺寸, 因而减缓不导电放电产物Li₂Se在活性物质Se表面附着所引起的“钝化”作用, 从而大大提高了活性物质利用率, 减缓了普通硒电极的容量衰减。与普通硒正极相比, 硒纤维正极具有更高的比容量和循环稳定性, 0.1C(1C=675 mAh/g)倍率下首周放电比容量达到465 mAh/g, 40周后容量保持在213 mAh/g。同时由于缩短了锂离子的扩散路径, 硒纤维电极比普通硒电极具有更高的电化学活性, 其倍率性能得到了大幅提高。

研究了制备p型AgSn₁₈SbTe₂₀无铅热电材料的机械合金化(MA)结合放电等离子烧结(SPS)工艺, 调查了MA过程中球磨时间和SPS温度对材料电热传输性能和热电优值的影响, 分析了样品的物相和显微结构。研究表明, 适当延长球磨时间和降低烧结温度, 可以有效提高材料的热电性能。优化制备条件可以实现59%的性能提升, 最佳条件(球磨12 h、SPS温度743 K)下制备的样品ZT值在723 K达到0.62。

利用海藻酸钠的离子凝胶过程, 采用溶剂置换结合冷冻干燥的工艺, 成功制备了具有高度有序六方排列的直通孔多孔氧化铝陶瓷, 整个工艺过程及所使用的原料都是环境友好的。研究结果表明, 1500℃烧结2 h样品的孔径尺寸在200 μm左右, 且与固相含量的关系不大, 而孔壁上存在0.3 μm~0.5 μm的小孔。通过控制浆料中氧化铝的固相含量可以对材料的性能进行有效地调控, 研究表明, 随着固相含量从5wt%提高到15wt%, 材料的密度从0.87 g/cm³提高到1.16 g/cm³, 渗透率从2.57×10^-11 m²下降到2.16×10^-11 m², 而抗压强度从(18.9±3.2) MPa提高到(44.2±5.4) MPa, 平行孔道方向的热导率从2.1 W/(m·K)提高到3.1 W/(m·K), 而垂直孔道方向的热导率从1.3 W/(m•K)提高到1.7 W/(m·K), 并且平行孔道方向热导率的增加幅度要明显大于垂直孔道方向。

通过水热法和固相反应法制备了LaPO₄粉体, 分别在1030~1340℃和1300~1460℃范围内对粉体进行了烧结, 得到了LaPO₄陶瓷, 研究对比了两种方法得到的陶瓷的烧结行为和微波介电性能。结果表明: 和固相法相比, 水热法得到的陶瓷由于粉体粒径小更易于烧结, 微波介电性能更优;在1260℃条件下烧结2 h得到的水热法陶瓷具有最好的微波介电性能: 介电常数为10.2, Q×f值为129704 GHz (f = 10.2 GHz), 谐振频率温度系数值为-58.6 ppm/℃;水热法陶瓷的Q×f值为固相法的2.47倍, 烧结温度比固相法低140℃。

当生长掺S的GaSe单晶时, 熔体的强烈对流和溶质扩散使得生长出大尺寸的晶体较为困难。本实验采用改进的Bridgman炉, 并结合坩埚旋转技术, 成功生长出了较大尺寸的GaSe_0.89S_0.11单晶体(ϕ20×60 mm³)。采用X射线粉末衍射仪、能谱仪、纳米压痕仪和傅里叶红外光谱仪测量其结构、成分、机械和光学性质。测试结果表明, 质量分数为2.38%的 S掺杂的GaSe晶体(GaSe_0.89S_0.11)没有发生结构相变; 它的机械性能得到了明显的改善, 同时光学性能也得到了一定的提高。

本工作制作了基于介孔TiO₂/石墨烯修饰的TiO₂纳米线光阳极的染料敏化太阳能电池,并进行表征。光阳极结合了介孔TiO₂的高染料吸附率,TiO₂纳米线的高载流子传导率和石墨烯的高电子收获能力等优点,使器件光电转换效率有了很大的提高。制作出的染料敏化太阳能电池光电转换效率高达7.58%,比纯纳米线制作的电池约提高了1.5倍,在拥有相似一维结构的染料敏化太阳能电池中具有较大优势。