聚合物材料具有质量轻、强度高等优点, 常被用作航天器表面的复合结构基材。原子氧是低地球轨道空间中成分含量最高的粒子之一, 对暴露在航天器表面的聚合物材料易形成大通量、高能量轰击, 造成其表面氧化侵蚀和质量损失, 使聚合物材料的性能发生不同程度的衰退, 也是导致航天器件可靠性降低、工作寿命缩短的主要环境因素。本文对当前国内外通用的几种聚合物材料表面原子氧防护技术进行了整理归纳, 其中表面化学改性方法结合了体材改性和常用防护涂层的优点, 得到的有机/无机复合改性防护层具有较好的综合防护性能。文中分析了近年来由计算模拟法开展原子氧与表面防护材料相关作用机理的研究, 指出采用计算模拟结合试验的研究方法, 有可能从本质上揭示复合改性层与原子氧的作用机理, 从而促进原子氧防护材料与防护技术的研究发展。

全固态锂离子电池具有高安全性、高能量密度、宽使用温度范围以及长使用寿命等优势, 在动力电池汽车和大规模储能电网领域具有广阔的应用前景。作为全固态电池的重要组成部分, 无机固体电解质尤其是石榴石型固态电解质在室温下锂离子电导率可达10 ^-3 S·cm ^-1, 且对金属锂相对稳定, 在全固态电池的应用中具有明显的优势。然而正极与石榴石型固体电解质间接触性能以及界面的稳定性差, 使得电池表现出高的界面阻抗、低的库伦效率和差的循环性能。本文以全固态锂离子电池正极与石榴石型固体电解质界面为研究对象, 分析了正极/固体电解质的界面特性以及界面研究中存在的问题, 综述了正极复合、界面处理工艺、界面层引入等界面调控和改性的方法, 阐述了优化正极与石榴石型固体电解质界面结构, 改善界面润湿性的解决思路, 提出了未来全固态锂离子电池发展中有待进一步改进的关键问题, 为探索全固态锂离子电池的实际应用提供了借鉴。

本工作采用缓冲溶液法制备Mn掺杂Ni(OH)₂(Ni_1-xMn_x(OH)₂, x=0.1, 0.2, 0.3, 0.4), X射线衍射测试表明样品主要是β相, 有少量Mn₃O₄杂相; 循环伏安测试表明, x=0.2的材料还原峰积分面积最大、还原分支的峰电流最高; 恒流充放电测试表明, 在100 mA/g电流密度下, Ni_0.8Mn_0.2(OH)₂放电比容量最高, 其第20次循环放电比容量为271.8 mAh/g, 同等条件测试的商用β-Ni(OH)₂放电比容量为253.6 mAh/g; 在300、500 mA/g电流密度下, Ni_0.8Mn_0.2(OH)₂放电比容量仍保持最高, 分别为294.7、291.5 mAh/g, 而且Mn掺杂Ni(OH)₂的循环稳定性也优于商用β-Ni(OH)₂。Mn掺杂可改善镍电极的循环稳定性、降低镍电极成本, 具有广阔的应用前景。

本研究以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、九水硝酸铁和四水合醋酸锰为原料, 无水乙醇和N,N-二甲基甲酰胺为溶剂, 配置了均一稳定的前驱体纺丝液, 利用静电纺丝技术制备了PVP/Mn(COOH)₂/Fe(NO₃)₃复合纳米纤维, 高温煅烧后得到了锰酸铁(FeMnO₃)纳米纤维毛毡, 用其作为锂电池负极材料。利用红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和BET比表面积分析仪等研究样品的表观形貌与晶型结构。结果表明: 煅烧后制得的FeMnO₃纳米纤维毛毡具有良好的形貌结构, 比表面积为9.9 m2/g, 当温度达到470 ℃后, 曲线变得平缓, 热重损失不明显。充放电、循环伏安以及循环性能测试结果表明, FeMnO₃纳米纤维毛毡具有良好的电化学性能及电稳定性, 首次充电比容量为1264 mAh/g, 在50 mA/g电流密度下经过37次循环后其比容量仍保持在533 mAh/g; 在循环50次后, 阻抗约为170 Ω, 基本保持不变。

陶瓷电击穿问题涉及热、光、电多场耦合效应, 一直是非平衡物理学研究的重点和热点。本工作在不同烧结温度下制备了晶粒尺寸大小不同的氧化锌陶瓷, 采用脉冲高压发生装置对陶瓷进行击穿实验, 通过对陶瓷击穿过程的分析和对比, 研究了ZnO陶瓷体击穿的时间步骤。结果显示, 不同晶粒大小的陶瓷击穿过程均在7 μs之内, 典型的压降曲线分为三个阶段。第一个阶段对应于材料中的气孔击穿和击穿通道初步形成; 第二阶段对应于晶界击穿; 第三个阶段是导电通道的完全形成。研究数据显示, 晶粒击穿过程的持续时间最长, 晶界次之, 气孔的击穿时间最短。不同烧结温度下, 样品晶界和晶粒的击穿时间以及气孔的击穿速度均存在差异。

(K,Na)NbO₃基陶瓷(KNLNST陶瓷)是一类很有发展潜力的无铅压电材料, 目前对其进行两步烧结相关的研究还很少。本工作分别采用普通烧结(Conventional Sintering, CS)和两步烧结(Two-step Sintering, TSS)制备了(K_0.4425Na_0.52Li_0.0375)(Nb_0.8825Sb_0.08Ta_0.0375)O₃陶瓷, 并进行微观结构与物性的对比研究。TSS可将(K,Na)NbO₃基陶瓷的相对密度ρ°由CS时的95.0%提高至97.0%, 压电系数d₃₃由CS时的363 pC/N增大到387 pC/N。两种烧结方式制备的KNLNST陶瓷的微观组织结构和电畴结构有着很大的差异。KNLNST-CS陶瓷的晶粒尺寸较小而且分布较为均匀, 极化后多数晶粒的电畴图案为简单的平行条纹。KNLNST-TSS陶瓷的晶粒尺寸则大小分布不均匀, 极化后许多大晶粒中呈现带状条纹内部又存在着精细的平行条纹的电畴图案。

本文以LaCl₃、ZrClO₂·8H₂O为原料, 乙醇和去离子水为溶剂, 采用溶胶-凝胶法制得烧绿石型的锆酸镧粉体, 并引入模板剂P123调控粉体中的孔道结构。采用XRD、SEM和BET研究了粉体的结构和形貌, 并采用荧光光谱仪测量了Eu ³⁺掺杂的锆酸镧粉体的发光性能。研究表明, 模板剂P123的引入有助于提高大孔数量, 当溶液中P123含量为6.56 g·mL ^-1时, 得到的锆酸镧颗粒中孔道丰富, 平均孔径为43 nm, 孔容为0.15 cm ³·g ^-1, 在该锆酸镧粉体中掺杂Eu ³⁺后样品的发光性能显著增强, 且猝灭浓度从9mol%提高到11mol%。

近年来, 半导体纳米结构材料的光学共振效应作为一种重要的光调控手段被广泛应用于各类光电子器件。本文用改进的两步Stober法制备了粒径在270~330 nm之间的单分散二氧化硅纳米球, 通过优化工艺参数有效改善了纳米球的粒径均一性。采用恒温加热蒸发引诱自组装方法将纳米球在硅半导体上自组装成单层膜作为掩膜, 采用感应耦合等离子体技术刻蚀制备了硅纳米柱阵列并测试了其光反射谱。光谱结果表明直径在300~325 nm之间的硅纳米柱阵列可以激发四极子Mie光学共振, 其在可见光波段的最低反射率低于5%, 具有良好的光调控性能。

研究辐照导致硼硅酸盐玻璃机械性能的影响, 对高放废物的长期安全处置具有重要的意义。本工作采用0.3 MeV的P离子、4 MeV的Kr离子、5 MeV的Xe离子以及8 MeV的Au离子分别辐照硼硅酸盐玻璃, 利用纳米压痕技术表征了辐照前后样品的硬度和模量。结果表明: 硼硅酸盐玻璃的硬度和模量在一定范围内会随着辐照剂量的增大而减小, 辐照达到0.1 dpa时硬度和模量变化趋于饱和, 此时硬度下降了35%, 模量下降了18%; 而且不同种类的离子辐照对硼硅酸盐玻璃的硬度和模量造成的变化趋势基本相同。使用掠入射X射线衍射仪对样品晶态结构进行了分析, 发现辐照后硼硅酸盐玻璃仍保持非晶状态。利用Raman光谱对辐照后样品的微观结构的变化进行了表征, 发现辐照会导致玻璃网络结构发生改变, 玻璃的聚合度下降, 无序度增加。本工作还证明了离子辐照导致玻璃机械性能变化的主要因素是离子在样品中的核能量沉积导致玻璃结构的改变。

本研究探讨了同质外延生长的4H-SiC晶片表面堆垛层错(SF)的形貌特征和起因。依据表面缺陷检测设备KLA-Tencor CS920的光致发光(PL)通道和形貌通道的特点, 将SF分为五类。其中I类SF在PL通道图中显示为梯形, 在形貌图中不显示; II类SF在PL通道图中显示为三角形, 且与I类SF重合, 在形貌图中显示为胡萝卜形貌。III-V类SF在PL通道图中均显示为三角形, 在形貌图中分别显示为胡萝卜、无对应图像或三角形。研究结果表明, I类SF起源于衬底的基平面位错(BPD)连线, 该连线平行于<1$\bar{1}$00>方向, 在生长过程中沿着<11$\bar{2}$0>方向移动, 形成基平面SF。II类和大部分的III-IV类SF起源于衬底的BPD, 其中一个BPD在外延过程中首先转化为刃位错(TED), 并在外延过程中延<0001>轴传播, 其余BPD或由TED分解形成的不全位错(PDs)在(0001)面内传播形成三角形基平面SF。其余的III-V类SF起源于衬底的TED或其它。II-III类SF在形貌通道中显示为胡萝卜, 而IV类SF不显示, 主要区别在于外延过程中是否有垂直于(0001)面的棱镜面SF与表面相交。上述研究说明减少衬底的BPD, 对减少外延层中的SF尤为重要。

提出了醇钙法概念, 并采用该方法制备了亚稳态球霰石相CaCO₃, 即利用CaCl₂溶解于乙醇形成的络合物与Na₂CO₃水溶液之间的反应制备球霰石相CaCO₃。主要研究了陈化时间和反应温度对产物晶相组成和颗粒形貌的影响, 并与相同条件下传统醇-水二元溶剂法制备CaCO₃进行了对比。X射线衍射(XRD)表征结果表明, 两种制备方法得到的产物中球霰石相的含量均随反应时间的延长和反应温度的升高而降低, 但是醇钙法得到的球霰石的含量远大于醇-水二元溶剂法, 且醇钙法得到的球霰石的稳定性也远优于醇-水二元溶剂法。SEM观察结果表明, 两种制备方法得到的产物中的球霰石和方解石颗粒均为其典型形貌, 即球状和菱方状。

为了开发新型无机-有机杂化的阻燃消烟剂, 本研究采用共沉淀法合成了棒状纳米羟基锡酸锶(SrSn(OH)₆), 并用环交联聚磷腈(PZS)对其进行包覆, 得到一种核壳结构的有机无机杂化纳米阻燃剂(PZS@SrSn(OH)₆)。通过扫描电镜、透射电镜和红外光谱研究了PZS@SrSn(OH)₆的微观形貌和化学结构。通过热重分析研究了PZS@SrSn(OH)₆及EP/PZS@SrSn(OH)₆阻燃复合材料的热降解行为。采用极限氧指数和锥形量热对复合材料阻燃性能进行测试, 用X射线衍射、扫描电镜、能谱分析及红外光谱对EP/PZS@SrSn(OH)₆的阻燃机理进行分析。结果表明PZS@SrSn(OH)₆在环氧树脂中展现出高阻燃效率和抑烟效果, 且PZS与SrSn(OH)₆之间存在显著的协同阻燃效应。与纯环氧树脂相比, 仅添加3wt%的PZS@SrSn(OH)₆时, 极限氧指数(LOI)值从26.2%增加到29.6%。锥形量热结果表明热释放速率峰值降低了约29%, 烟释放速率峰值降低了约37%, 残炭率提高了242%。PZS@SrSn(OH)₆在高温下形成致密结构炭层, 隔绝分解产物及热量和氧气交换, 从而显著提高环氧树脂的阻燃效果。

采用商用ANSYS14.5软件, 依据复合梁增层力学模型, 采用逐道逐层累积模型模拟了C/C复合材料表面等离子喷涂ZrC基涂层沉积残余应力的特征, 分析了SiC过渡层、第二相(SiC, MoSi₂)和涂层厚度对ZrC基涂层残余应力的影响, 并进行了实验验证。结果表明, SiC过渡层有效缓解了涂层与基体的热失配应力。涂层体系的应力随着涂层厚度的增加逐渐减小, 符合应力松弛和叠加规律。在涂层内部的径向应力以拉应力为主, 基体中主要为压应力, 且在界面边缘存在压应力集中的极限区域, 易使涂层产生裂纹并沿界面扩展。该模拟采用逐道逐层累积的方法更逼近实际喷涂过程, 能更准确预测涂层的残余应力。

以Mo、Y、Al和C元素粉为原料, 用放电等离子烧结技术(SPS)在1550 ℃合成了新颖的(Mo_2/3Y_1/3)₂AlC MAX相, 并用较温和的化学刻蚀方法剥离得到相应手风琴状形貌的MXene。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和能谱分析(EDS)手段对材料的化学组成、微观结构等进行了表征, 确定最终产物为表面带有官能团的Mo_1.33CT₂ MXene。同时利用第一性原理密度泛函理论计算方法研究了新颖(Mo_2/3Y_1/3)₂AlC MAX相以及对应的Mo_1.33CT₂ MXene的电子结构和性能, 计算结果表明两者均呈现出金属特性, 有望应用于储能、生物传感器和电催化等方面。

采用水热法以氯化镁和氢氧化钙为原料制备了碱式氯化镁(BMC)晶须, 然后热解得到了纳米氧化镁。经透射电镜(TEM)和选区电子衍射(SAED)分析其粒径在20~40 nm之间, 暴露晶面族为{111}和{110}。通过热重差热分析(TG-DTA)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)以及红外光谱(FT-IR)分析确定了碱式氯化镁晶须热分解过程分四步进行, 前两步分别脱去两个结晶水, 第三步脱氯化氢, 最后脱羟基水。采用Satava法和微分法对BMC晶须的热分解机理和动力学进行了研究, 得出第一步反应热分解机理为随机成核与随后生长、第二步为二维扩散、第三步为相边界反应、第四步为一维相边界反应。

采用简单的水浴法成功制备了具有高可见光活性的Ag₃PO₄材料。扫描电镜测试结果表明反应过程中产物经历了三种形貌的演变, 最终产物具有均一的立方体浮雕形貌, 平均颗粒尺寸大小约为1.6 μm。通过X射线衍射图谱可知产物具有体心立方结构。此外, 从高倍透射电镜图片中可判断出样品表面存在多种晶面。紫外-可见吸收光谱和荧光光谱结果表明该产物具有高的响应可见光的性能和较弱的荧光发射强度。该产物与立方Ag₃PO₄、反应的中间产物和商用氮化的TiO₂催化剂相比, 在可见光下对甲基橙的降解表现出有显著的催化活性。研究工作表明, 通过改变催化剂的表面结构可以有效提高材料的光催化性能。

本研究以碳酸氢铵(AHC)为沉淀剂, 采用共沉淀法制备了TGG粉体。以上述粉体为原料, 将素坯于1500 ℃空气预烧3 h, 然后于1550 ℃, 150 MPa氩气气氛下HIP后处理3 h获得TGG陶瓷。系统研究了碳酸氢铵与金属离子摩尔比(R值)对合成粉体的相组成、形貌以及TGG陶瓷的透光率和Verdet常数的影响。R=3.6, 4.0和4.4的前驱体在1100 ℃煅烧形成纯相TGG粉体, 而R=3.2的前驱体经相同温度煅烧后形成了TGG和Ga₂O₃的混合相粉体。R=4.0的TGG粉体分散性和均匀性最好, 故制备的陶瓷光学质量最佳。R=4.4的粉体具有较严重的团聚, 这与其前驱体形貌密切相关。以R=4.0的粉体为原料, 制备的TGG透明陶瓷在1064 nm处的直线透过率为80.1%。制备的TGG陶瓷在633 nm处的Verdet常数和商业TGG单晶(-134 rad·T ^-1·m ^-1)几乎相等。