碳化硅(SiC)陶瓷具有优异的力学性能, 但是其断裂韧性相对较低。石墨烯的引入有望解决碳化硅陶瓷的断裂韧性较低的问题。本研究采用热压烧结工艺, 制备了具有不同还原-氧化石墨烯(rGO)掺入量的SiC复合材料。经过2050℃保温、40 MPa保压1 h后, 所制备的复合材料均烧结致密。对复合材料中rGO的掺入量、微观结构和力学性能的相互关系进行分析和讨论。加入4wt%的rGO后, 复合材料的三点抗弯强度达到564 MPa, 比热压SiC陶瓷提高了6%; 断裂韧性达到4.02 MPa•m^1/2, 比热压SiC陶瓷提高了54%。加入6wt%的rGO后, 复合材料的三点抗弯强度达到420 MPa, 略低于热压SiC陶瓷, 但其断裂韧性达到4.56 MPa•m^1/2, 比热压SiC陶瓷提高了75%。裂纹扩展微观结果显示, 主要增韧机理有裂纹偏转、裂纹桥连和rGO片的拔出。

采用聚乙二醇(PEG)和1,2-双(三乙氧基硅基)乙烷(BTESE)进行交联共聚, 以多孔α-Al₂O₃陶瓷膜为支撑体制备了一系列PEG交联的有机硅杂化膜。通过原子力显微镜(AFM)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、热重分析(TGA)和水接触角测试(CA)对膜结构和物化性质进行了表征。将制备的BTESE/PEG杂化膜应用于反渗透脱盐, 考察了PEG含量、操作压力、进料浓度和操作温度等因素对改性杂化膜分离性能的影响。实验结果表明, 相比于未改性的BTESE膜, 10wt% PEG交联的有机硅杂化膜BTESE/PEG-10的水渗透率和盐离子表观截留率均有所提高。随着操作压力的升高和进料盐含量的下降, NaCl截留率上升而水渗透率基本恒定。在高达70℃的温度循环实验中, BTESE/PEG-10杂化膜表现出优异的水热稳定性, NaCl表观截留率始终保持在97%以上, 水渗透率高达1.2×10^-12 m³/(m²·s·Pa)。

以丙烯为碳源, FeCl₃·6H₂O为催化剂, 采用化学气相沉积法(CVD)在碳毡和不同密度的C/C复合材料上原位气相生长碳纤维(VGCFs) , 并以含原位生长VGCFs的碳毡和不同密度的C/C复合材料为基体制备VGCFs-C/C复合材料。研究了反应压力、基体密度对VGCFs生长情况的影响, 借助扫描电镜(SEM)、光学显微镜观察原位生长VGCFs的形貌及基体原位生长VGCFs后热解炭形貌的变化, 并对比研究了C/C复合材料和VGCFs-C/C复合材料的弯曲性能。研究结果表明, 反应压力为3700 Pa, 基体密度低的情况更有利于VGCFs的生长; 原位生长的VGCFs改变了纤维表面热解炭的沉积形貌, 使得热解炭和碳纤维的结合面之间形成具有铆钉作用的球状结构, 增强了界面结合力, 从而提高了原位生长的高VGCFs含量样品的弯曲强度。

通过粗细碳化硅粉体的颗粒级配实现了致密固相烧结碳化硅(S-SiC)陶瓷的增强增韧, 系统研究了粗粉(~4.6 µm)加入量对烧结试样的致密化、微结构与力学特性的影响。结果表明: 当粗粉加入量不超过75wt%时, 可制备出相对密度≥98.3%的致密S-SiC陶瓷, 烧结收缩率低至14.5%;引入的粗粉颗粒产生钉扎作用, 显著抑制了S-SiC陶瓷中异常晶粒生长, 形成细小的等轴晶粒, 进而提高了S-SiC陶瓷的抗弯强度。同时, 粗粉颗粒的引入导致S-SiC陶瓷的断裂方式由穿晶断裂转变为穿晶-沿晶复合断裂, 使得S-SiC陶瓷的断裂韧性增强。对于粗粉引入量为65wt%的S-SiC陶瓷, 抗弯强度与断裂韧性分别为(440±35) MPa与(4.92±0.24) MPa•m^1/2, 相比于未添加粗粉的S-SiC陶瓷, 分别提升了14.0%与17.1%。

材料基因组工程能大幅度提高材料研发速度, 降低材料研发成本, 近年来受到广泛关注。本研究采用高通量制备工艺, 结合碳等离子体束流和基片位置的调控, 利用自主设计研制的45°双弯曲磁过滤阴极真空电弧设备, 沉积了厚度为4.7~183 nm的系列四面体非晶碳(ta-C)薄膜, 使用椭偏仪、原子力显微镜、拉曼光谱仪和X射线光电子能谱仪(XPS)表征了厚度对ta-C薄膜表面粗糙度、微结构和原子键态的影响。结果表明：通过碳等离子体束流和基片位置的调控, 实现了不同厚度ta-C薄膜的高通量制备。尽管膜厚不同, 所制备的ta-C薄膜均具有几乎不变的光滑表面(R_a=(0.38±0.02) nm)和色散值(Disp(G)), 说明不同厚度ta-C薄膜的sp³含量、sp²团簇尺寸保持相对稳定。XPS结果进一步证实ta-C薄膜的sp³相对含量均维持在(55±5)%。此外, 不同厚度ta-C薄膜的光学带隙E_opt均保持在(1.02±0.08)eV。相关结果为设计制备结构和光学性能可控的不同厚度ta-C薄膜提供了一种新思路。

以BCl₃-NH₃-H₂-N₂为前驱体系统, 在垂直放置的热壁反应器中利用化学气相沉积工艺制备氮化硼(BN)涂层, 分析了工艺参数对沉积速率的影响, 通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射技术(XRD)分析了碳化硅纤维表面BN涂层的形貌和微观结构, 提出了BN沉积过程中主要的气相和表面反应, 以及关键气相组分。研究结果显示：在600~850℃的范围内, 随着沉积温度的升高, BN沉积速率逐渐加快, 同一温度下, 沉积区域内BN沉积速率沿气流方向逐渐减缓, 表明气相组分在气流方向逐渐消耗; 随着系统压力的提高, BN沉积速率先加快后减缓, 表明沉积过程由表面反应控制转变为质量传输控制; 随滞留时间延长, 距气体入口1~3 cm处, BN的沉积速率逐渐增大, 而距气体入口4~5 cm处, 沉积速率先增大后逐渐变小。SEM照片显示碳化硅纤维表面BN涂层光滑致密, XPS结果表明主要成分为BN及氧化产物B₂O₃, XRD图谱表明热处理前BN为无定形态, 1200℃热处理后BN的结晶度提高, 并向六方形态转变。BN的沉积是由BCl₃和NH₃反应所生成的中间气相组分Cl₂BNH₂、ClB(NH₂)₂和B(NH₂)₃来实现的。

镁基固体酸催化剂在含氟化学品的合成中具有优异的性能。利用模板法制备了高表面积的氟化镁,并考察了SiO₂模板剂的用量对其结构及催化性能的影响。通过N₂物理吸附、X射线衍射、NH₃-程序升温脱附、透射电镜和X射线光电子能谱等表征手段进行了表征, 以1,1-二氟乙烷(HFC-152a, CH₃CHF₂)脱HF制备氯乙烯(VF,CH₂=CHF)为探针对其催化性能进行了研究。结果表明, SiO₂模板剂用量对氟化镁的比表面积、晶粒度和酸性有较大影响。当SiO₂模板剂用量为14mol%时, 氟化镁比表面积可达304 m²/g, 是不添加SiO₂模板剂的2.5倍, 而且Mg晶粒度更小, 配位数更多。随着Mg配位数增多, MgF₂的酸性位急剧增多, 在以Lewis酸为活性位的1,1-二氟乙烷脱HF反应中, MgF₂的催化活性迅速升高。因此, 以SiO₂为模板是制备高活性MgF₂催化剂的有效方法。

以商业ZSM-5分子筛为原料, 分别采用碱处理和酸碱复合处理法制备了多级孔ZSM-5分子筛。利用XRD、FT-IR、SEM、TEM以及氮气吸-脱附等手段对样品进行了表征, 并评价了样品的MTG反应性能。结果表明: 利用单纯碱处理或酸碱复合处理商业ZSM-5分子筛均可制备晶体内富含介孔和大孔的多级孔ZSM-5分子筛。与商业ZSM-5原料相比, 多级孔ZSM-5分子筛催化剂的介孔比表面积、介孔孔容以及酸性位“可接近性指数”等显著增加, 酸量明显减少, 酸强度降低。催化评价结果显示, 多级孔ZSM-5分子筛催化剂在大幅提高汽油产品收率、延长使用寿命的同时降低了芳烃收率。与碱处理样品相比, 酸处理能够进一步调节样品的酸性质和孔结构, 因此酸碱复合处理所得多级孔ZSM-5分子筛催化剂的物化性质和催化性能得以进一步提升。

以聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇三嵌段共聚物(P123)为模板剂, 1,3,5-三甲苯(TMB)为扩孔剂, 正硅酸乙酯(TEOS)为硅源, 采用水热合成法制备了三维连通笼状介孔泡沫(MCF)。N₂吸脱附等温实验发现MCF最大孔径尺寸17.3 nm, 窗口尺寸8.2 nm, 比表面积770.3 m²/g, 孔容可达2.3 cm³/g。以MCF为载体, 考察了MCF对芥子气降解酶DhaA的吸附作用, 发现pH为6.5时, DhaA在MCF上的饱和吸附量最大, 吸附动力学满足Elovich动力学模型, DhaA在MCF孔道中的内扩散过程是吸附的限速步骤, 吸附等温线符合Sips模型。MCF吸附后DhaA的活性和构象均发生明显改变, DhaA酶活残留12.4%, 本征荧光光谱发生红移。研究结果表明：大孔径、大孔容和三维笼状孔道等结构特征使MCF有利于吸附DhaA, 静电排斥作用影响吸附过程, DhaA构象改变是造成DhaA催化活性降低的主要因素。

为了提高超级电容器的性能, 尽可能减少环境污染, 电极材料尤其是低成本、高能量密度的环保型电极材料受到人们越来越多的关注。本研究采用水热法制备了Bi₂WO₆/CNOs (CNOs, 纳米洋葱碳)和Bi₂WO₆纳米材料。采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线晶体衍射(XRD)对产物的形貌、结构进行分析, 并通过循环伏安法、恒电流充放电测试、交流阻抗对材料的电化学性能进行评价。结果表明, 以1 mol·L^-1 KOH为电解液, 电流密度为2 mA·cm^-2时, Bi₂WO₆/CNOs与纯相Bi₂WO₆的比电容分别为328和218 F·g^-1; 电流密度为5 mA·cm^-2时, 经过300次循环, Bi₂WO₆/CNOs的比容量保持率比纯相Bi₂WO₆提高了34.37%。可见, 在Bi₂WO₆中加入CNOs能明显改善Bi₂WO₆的电化学性能。

以天然辉锑矿为原料, 在聚乙二醇(PEG)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的辅助下, 利用水热法合成了硫化锑(Sb₂S₃)纳米棒。探讨了Sb₂S₃纳米棒的形成机理, 并系统研究了不同制备条件对产物形貌与性能的影响。采用一系列表征方法对产物的晶型、成分、形貌、光电性能进行了探究, 并以可见光为光源、甲基橙为目标降解物评价了纳米Sb₂S₃的光催化活性。研究表明, 经160℃水热反应12 h可得到厚约50 nm的Sb₂S₃纳米片, 在氮氛中400℃热处理1 h后, 纳米片将转变为宽100~200 nm, 长2~3 μm的Sb₂S₃单晶纳米棒。制备的Sb₂S₃纳米棒为直接半导体, 能带间隙为1.66 eV。光催化测试表明, 制备的Sb₂S₃纳米棒在可见光下对甲基橙的光催化降解率高于商业Sb₂S₃试剂, 60 min后, 甲基橙的降解率达87.6%, 表现出明显的可见光活性。

溶胶-凝胶法制备的二氧化硅增透膜因具有极低的折射率与较高的激光损伤阈值而被广泛应用于高功率激光系统中。但是, 激光系统工作环境中的水汽及挥发性有机污染物极易污染薄膜。本研究以正硅酸四乙酯为前驱体, 氨水为催化剂, 乙醇为溶剂制备了碱性催化的单分散SiO₂溶胶。采用提拉法在BK7玻璃基板表面镀制了SiO₂薄膜, 并对薄膜进行氨水气氛以及HTMS气氛联合处理改性。改性后的薄膜表现出了极佳的耐环境稳定性, 在高湿环境下放置2个月后膜层峰值透过率仅下降0.03%, 在低真空二甲基硅油污染环境下放置2个月后透过率光谱几乎无变化。NH₃/HTMS气相法联合处理可以有效延长SiO₂增透膜在高功率激光系统中的工作寿命。

利用脉冲激光沉积技术在蓝宝石衬底上生长不同厚度的VO₂薄膜, 对薄膜的结构、表面形貌和光电性能进行研究。结果表明: 所沉积的VO₂薄膜为具有单晶性能、表面平整的单斜晶相的VO₂薄膜, 相变前后, 方块电阻的变化可达到3~4个数量级, 在波长为2500 nm的透过率变化最高可达56%, 优化的可视透过率(T_lum)和太阳能调节率( ∆T_sol )为43.2%和8.7%。薄膜受到的应力对VO₂薄膜有重要影响, 可以通过调节薄膜的厚度对VO₂薄膜光电性能实现调控。当VO₂薄膜厚度较小时, 薄膜受到拉应力, 拉应力能使相变温度显著降低, 金属-绝缘体转变性能(MIT)不但与载流子浓度的变化相关, 而且还受载流子迁移率变化的影响;当VO₂薄膜厚度较大时, 薄膜受到压应力, VO₂薄膜的相变温度接近块体VO₂的相变温度, MIT转变主要来自于载流子浓度在相变前后的变化, 其载流子迁移率几乎不变。

通过化学氧化还原法并辅以抽滤法制备RGO导电薄膜, 通过丝网印刷法制备变色层, 构筑了多层结构的多彩(红-蓝-白以及橙红-黄-白等)柔性电热致变色薄膜。采用SEM、XRD以及Raman等分析薄膜的结构性质。采用红外热成像以及吸收光谱研究了薄膜(红-蓝-白)的热学以及变色性能。结果表明：当加热时间为3.4 s时, 薄膜温度能达到38℃, 变为蓝色; 当加热时间为6.3 s时, 薄膜温度达到45℃, 变为白色。在较低电压下(6 V), 该薄膜能实现多色彩可逆变色, 其变色时间约为6.3 s, 褪色时间约为9.2 s。该柔性电热致变色薄膜以混合纤维素滤膜为基体, 保证了薄膜良好的柔性, 在可穿戴显示领域有着一定的应用价值。

采用传统的高温固相反应法制备了La_0.8Sr_0.2Mn_1-xCo_xO₃(x = 0, 0.1, 0.3)多晶样品。系统研究了Co掺杂量对La_0.8Sr_0.2MnO₃(LSMO)多晶样品的类Griffiths相、磁熵变、临界行为和电输运性质的影响。研究结果表明: 制备的多晶样品均具有菱形对称结构; 三样品在低温磁转变温度(T_C2)以上均存在类Griffiths相; La_0.8Sr_0.2Mn_1-xCo_xO₃(x = 0, 0.1, 0.3)样品外加磁场为7 T的最大磁熵变ΔS_max分别为-2.28、-2.05和-2.75 J/(kg·K), Co元素的掺杂使得ΔS_max先减小后增大; 母相的临界行为与平均场模型拟合得最好, 掺杂后样品的临界行为和3D海森伯模型拟合最好; 母相为半导体材料, Co元素掺杂量达到0.1时在低温磁转变温度(T_C2)附近出现金属绝缘体转变; 高温区三样品的导电方式均满足小极化子模型。

采用传统的固相烧结法制备了组成为PbNb₂O₆-xmol%Nb₂O₅(x=0, 5, 10, 15, 20)的压电陶瓷样品, 研究了过量Nb₂O₅对PbNb₂O₆压电陶瓷烧结性能和电学性能的影响。研究结果表明, 过量Nb₂O₅能够在保证PbNb₂O₆高居里温度和明显各向异性的条件下改善其烧结性能和电学性能。这可能是因为过量Nb₂O₅导致PbNb₂O₆中Nb-O八面体的扭曲, 进而抑制PbNb₂O₆在烧结过程中的三方到四方相变。随着过量Nb₂O₅加入到PbNb₂O₆中, 其压电系数(d₃₃)和致密度都明显提高了, 并且在过量5mol% Nb₂O₅时达到最大值, 分别为69 pC/N和93.1%。

利用自制移动区熔炉生长了CsPbBr₃晶体, 事先采用相同工艺合成了高纯多晶原料以去除杂质和水分。通过工艺优化获得了大尺寸CsPbBr₃晶体, 达到ϕ25 mm× 60 mm。该晶体呈橘红色, 在600~2000 nm波长范围内具有透过率达78.6%的优异透光性能。热分析表明, 所得CsPbBr₃晶体在88.1℃和131.25℃时存在正交-四方和四方-立方相变。计算得到CsPbBr₃晶体的带宽E_g= 2.25 eV。上述结果表明移动区熔法是一种具有应用潜力的制备高质量大尺寸CsPbBr₃晶体的生长方法。