1 1.东华大学 1. 材料科学与工程学院, 纤维改性国家重点实验室
2 2.功能材料研究中心, 上海 201620
热电材料能够实现热能与电能之间直接转换, 在绿色制冷、废热回收等领域具有广阔的应用前景。目前, 对热电材料的研究主要集中在无机半导体材料和导电高分子材料上, 虽然取得了很大进展, 但探索其它新型热电材料仍具有重要意义。金属-有机框架(Metal-Organic frameworks, MOFs)是一种由有机配体和金属离子或团簇通过配位键形成的晶态多孔材料, 具有独特的多孔结构以及组分结构可调等优势, 在一定程度上可以满足“电子晶体-声子玻璃”的要求。本研究采用导电客体分子促进电荷传输的策略, 将导电高分子聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)原位聚合到锆基MOFs材料UiO-67中, 利用MOFs的有序孔道对PEDOT分子链的限域作用, 提升复合材料的电子传导能力。制备得到的PEDOT/UiO-67的电学性能研究表明, 该复合材料室温电导率最高可达5.96×10−3 S·cm−1, 比PEDOT高出1个数量级。同时, 该材料具有热电性能响应, 室温功率因子(Power Factor, PF)最高可达3.67×10−2 nW·m−1·K−2。本工作以MOF的有序孔道为反应平台, 通过简单的原位聚合合成方法构建了导电聚合物/ MOFs导电材料, 为进一步开发MOFs基热电材料提供了参考。
金属-有机框架 聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT) 电子传输 热电性能 metal-organic framework poly(3,4-ethyldioxythiophene) electrical conductivity thermoelectric property
1 1.东华大学 材料科学与工程学院, 上海 201620
2 2.东华大学 功能材料研究中心, 上海 201620
Zintl相Mg3(Sb,Bi)2基热电材料因在中低温区(27~500 ℃)表现出优异的热电性能而受到广泛关注。然而, 由于Mg、Sb元素比较活泼, 在长期高温服役下易与电极发生剧烈界面扩散反应, 导致热电器件的性能和服役寿命衰减。因此, 选择能有效阻挡元素剧烈互扩散并且具有低界面接触电阻率阻挡层材料至关重要。本研究首先利用热压工艺制备出300 ℃最高ZT~1.4的n型Mg3SbBi(Mg3.2SbBi0.996Se0.004)样品, 然后采用Nb粉作为扩散阻挡层一步烧结制备Mg3SbBi/Nb/Mg3SbBi“三明治”结构样品, 系统研究界面层的组成、微结构以及电阻随老化时间演变过程。加速老化实验(525 ℃/70 h; 525 ℃/170 h; 525 ℃/360 h)研究发现, Nb阻挡层中的Mg-Sb/Bi组分发生偏析, 表面产生裂纹, 抛光处理后界面连接完好, 无裂纹和孔洞, 界面扩散层厚度随老化时间延长缓慢增加至1.6 μm。Nb/Mg3SbBi界面电阻率从初始的12.9 μΩ·cm2增大到19.8、27.4和31.8 μΩ·cm2, 表明老化导致界面处元素发生微弱扩散, 但Nb阻挡层仍呈现优异的阻挡性能。因此, 在Mg3(Sb,Bi)2基热电材料体系中, 选择界面扩散微弱且结构致密的Nb作为阻挡层材料, 可以在确保连接可靠的同时有效阻挡Mg、Sb元素扩散, 从而提升Mg3(Sb,Bi)2基器件的稳定性和可靠性, 推动其在中温发电领域的应用。
Mg3(Sb,Bi)2 扩散阻挡层 界面稳定性 界面电阻率 Mg3(Sb,Bi)2 diffusion barrier layer interface stability interface resistivity
1 1.东华大学 材料科学与工程学院, 纤维材料改性国家重点实验室, 上海 201620
2 2.东华大学 功能材料研究中心, 上海 201620
n型AgBiSe2基化合物的晶格热导率低, 是一种很有潜力的高性能热电材料。然而, 本征AgBiSe2化合物在300~700 K之间存在两次相变, 使其应用受限。因此, 获得具有稳定结构的AgBiSe2基化合物, 并优化热电性能至关重要。本研究选择无铅的IV-VI族化合物SnTe与AgBiSe2进行合金化, 制备了(AgBiSe2)1-x(SnTe)x (x=0.10~0.30)化合物。引入SnTe降低了AgBiSe2立方相的相变温度, 还有效抑制其发生可逆相变, 得到了稳定的立方相(AgBiSe2)0.75(SnTe)0.25材料。SnTe引起晶格中原子高度无序分布, 导致室温下晶格热导率从0.76 W·m-1·K-1(x=0.10)降低到0.51 W·m-1·K-1(x=0.30)。进一步Ag位掺杂Nb元素, 可以提升载流子浓度, 增加该体系((Ag1-yNbyBiSe2)0.75(SnTe)0.25化合物)的有效质量, 大幅度提升电性能。室温下电导率由77.7 S·cm-1(基体)增大到158.1 S·cm-1 (y=0.02)。同时, 材料中的杂质点缺陷也逐步增加, 高温下缺陷散射进一步降低晶格热导率。在700 K时, 晶格热导率由0.56 W·m-1·K-1(未掺杂)降低至0.43 W·m-1·K-1 (y=0.04), 最终获得了立方相结构稳定的(Ag0.98Nb0.02BiSe2)0.75(SnTe)0.25材料, 650 K的ZT达到0.32。上述研究结果表明, (AgBiSe2)0.75(SnTe)0.25化合物是一种具有低晶格热导率和稳定立方相结构的n型热电材料。本研究为高性能相变热电材料的晶体结构调控提出了新解决方案, 有助于进一步推动其应用发展。
AgBiSe2基化合物 晶格热导率 立方相 AgBiSe2-based compound lattice thermal conductivity cubic structure
1 东华大学材料科学与工程学院，上海 201620
2 东华大学功能材料研究中心，上海 201620
冷烧结技术自引入以来已有多种陶瓷材料获得了成功制备，但作为重要结构陶瓷的氧化锆其冷烧结致密度仍然偏低。为了提高冷烧结氧化锆陶瓷的致密度，采用亚稳态的纳米晶氧化锆片状粉体进行了研究。首先利用氧化石墨烯为模板，以三(羟甲基)氨基甲烷为沉淀剂制备了含56%四方相的片状氧化锆。然后，从烧结助剂、温度、压力、液相掺量4个因素出发探索了对氧化锆致密度以及微观结构的影响。结果表明：在HCl作为烧结助剂、300 ℃、500 MPa、液相掺量为20% (质量分数)的冷烧结工艺条件下，实现了约70%的致密度，远高于目前冷烧结氧化锆致密度的报道值。致密度的提升主要得益于烧结中亚稳态氧化锆的相变以及助剂对片状粉体的颗粒重排和溶解-沉淀作用。此外，孔隙率的降低使得冷烧结氧化锆陶瓷的杨氏模量和抗弯强度分别达到了24 GPa和20 MPa。
氧化锆陶瓷 冷烧结 致密度 烧结助剂 相变 zirconia ceramics cold sintering relative density sintering additives phase transformation
1 1.东华大学 材料科学与工程学院, 纤维改性国家重点实验室
2 2.东华大学 功能材料研究中心, 上海 201620
制备硒化银(Ag2Se)薄膜材料对于组装微型器件至关重要, 目前大部分制备方法难以精确控制薄膜尺寸并进行图案化设计, 喷墨打印技术成为解决这一问题的有效方法, 实现其与Ag2Se材料的组合具有重要意义。本工作通过溶剂热法制备了Ag2Se纳米颗粒, 再与不同分散剂混合以筛选出适用于喷墨打印的稳定墨水, 进一步调节喷射参数以优化打印过程中墨滴的形态, 提高打印质量。将墨水打印至聚酰亚胺衬底上, 经热处理后制备得到Ag2Se薄膜。使用不同手段对其物相与微结构进行表征, 并测试不同打印层数薄膜的电学性能。结果表明: 随着墨水固含量与打印层数增加, Ag2Se薄膜的结晶度和致密度得到明显提升, 电导率也得到相应提高, 这主要源于薄膜内部Ag2Se纳米颗粒沉积量与堆积密集程度增加。当使用固含量为5 mg·mL-1的墨水进行打印, 打印层数为40层时, Ag2Se薄膜的电导率达到399 S·cm-1, 表现出较高的导电性能。本研究为制备Ag2Se基薄膜材料与器件提供了新的方向。
喷墨打印 Ag2Se 墨水 电导率 inkjet printing Ag2Se ink electrical conductivity
1 东华大学纤维材料改性国家重点实验室, 材料科学与工程学院, 上海 201620
2 先进玻璃制造技术教育部工程研究中心, 上海 201620
3 东华大学功能材料研究中心, 上海 201620
ZnS:Mn纳米晶复合玻璃因在橙红光波段优异的发光性能、高稳定性、无毒性等而受到研究者们的广泛关注。然而传统的熔融淬冷法制备温度高、退火时间长, 容易造成所复合纳米晶组分的挥发、失效和团聚等问题, 极大地降低了纳米晶复合玻璃的荧光性能。利用放电等离子体烧结(SPS)技术在980 ℃的较低温度下10 min内制备得到ZnS:Mn纳米晶复合玻璃, 并进行X射线衍射(XRD)、X射线光子能谱(XPS)、电子顺磁共振谱(ESR)、荧光光谱(PL)及荧光寿命进行表征。结果表明: 低温快速烧结制度在避免Mn2+氧化的同时还能驱动Mn2+进入ZnS晶格, 实现纳米晶的有效掺杂; 通过对ZnS纳米晶组分的有效调控, 抑制缺陷态荧光的产生, 能进一步提高Mn2+跃迁发光。利用SPS技术制备的高性能离子掺杂型纳米晶复合玻璃有望作为固体光转换材料应用于大功率LED器件。
纳米晶 纳米晶玻璃 荧光性能 发光 nanocrystals nanocrystals embedded glass luminescence properties fluorescence
1 东华大学 材料科学与工程学院，上海 201620
2 先进玻璃制造技术教育部工程研究中心, 上海 201620
3 东华大学 材料科学与工程学院，上海 201620，
4 东华大学 功能材料研究中心， 上海 201620
全无机钙钛矿纳米晶具有发光效率高、发光波段可调等优点，是光电领域的研究热点之一，但是稳定性差一直阻碍着其实际应用。钙钛矿纳米晶玻璃既保留了纳米晶优异的发光性能，又具有优异的物化稳定性，备受研究者们的关注。本文概述了钙钛矿纳米晶复合玻璃制备方法的国内外研究进展，并进一步阐述了复合玻璃的应用领域，最后对其存在的问题及未来的发展方向进行了总结和展望。
全无机钙钛矿 纳米晶 发光玻璃 制备方法 all-inorganic perovskite nanocrystalline luminescent glass preparation methods
1 1.东华大学 材料科学与工程学院, 上海 201620
2 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室, 上海 200050
石墨烯具有较高的比表面积, 其电导率会因吸附微量气体分子而发生显著变化, 有望用作超高灵敏度的气体传感器。本研究基于密度泛函理论(DFT)的计算方法, 探讨了NO在石墨烯和Cr掺杂石墨烯上的吸附行为, 通过对比吸附前后的各自体系的电子结构变化, 发现Cr掺杂石墨烯有助于增强对NO气体分子的吸附能力, 吸附能增大到-1.58 eV, 基底转移到吸附物的电荷数增大了一个数量级, 达到0.143 e, 显著提升了气体探测灵敏度。本研究为工业、环境和**监测领域中开发新型NO气体传感器提供了新的设计思路。
密度泛函理论 石墨烯传感器 NO吸附 过渡金属 Cr掺杂石墨烯 density functional theory graphene gas sensor NO adsorption transition metal Cr doped graphene
1 1.河海大学 力学与材料学院, 南京 211100
2 2.东华大学 材料科学与工程学院, 上海 201620
在覆铜板绝缘层基体中添加导热陶瓷填料是提高其导热性能的一种有效方法。AlN是一种导热率高、绝缘性好的陶瓷填料, 但其易水解的性质限制了实际应用。此外, 相比于陶瓷填料-树脂基体复合材料体系, 有关填料填充型覆铜板产品性能的系统研究较少。本研究通过对AlN进行磷酸酸洗, 获得了抗水解性能优异的pAlN, 进一步研究了不同pAlN粒径和填充量对覆铜板导热性、剥离强度、介电性能和其他性能的影响。为了获得更有效的填料分布网络, 采取了不同粒径pAlN级配填充策略, 探究了多种级配方案对覆铜板性能的影响, 获得了最优级配和综合性能优异的覆铜板。在最优级配为pAlN-50 μm60%-5 μm5%时, 覆铜板绝缘层的热导率增大至0.757 W/(m·K), 相比纯树脂覆铜板提高160%, 具有优异的力学性能(剥离强度为1.012 N/mm, 弯曲强度为335 MPa)和介电性能(介电常数为4.499, 介电损耗为6.668×10-3), 同时吸水率低至0.53%。同时探讨了AlN填料在覆铜板应用中存在的问题和解决方法, 系统研究了不同填充方案对覆铜板绝缘层性能的影响, 对其实际应用具有指导意义。
氮化铝 导热填料 抗水解 级配填充 覆铜板 AlN thermal conductive filler hydrolysis resistance gradation filling copper clad laminate 
