以葡萄糖、Si粉、碳纤维为原料, 采用化学镀结合高温烧结两步法制备了具有SiC阵列改性涂层的新型SiC/C_f复合材料。采用不同手段表征SiC/C_f复合材料的相组成、微观结构和吸波特性。结果表明: 碳纤维表面包覆大量结合紧密、垂直表面向外生长的SiC阵列, 且阵列分布均匀, 高度约为1.4 μm。当SiC/C_f复合材料厚度在1~2 mm范围内时, 随厚度增加, 最小反射损耗(RL_min)由高频向低频移动; 当厚度为1.8 mm时, 在8.31 GHz下的RL_min为-40.653 dB, 有效吸收带宽为1.11 GHz(RL < -10 dB); 当厚度为1.5 mm时, 有效吸收带宽可达2.42 GHz, 且厚度为1.3~1.8 mm时, RL_min均小于-20 dB。SiC阵列改性碳纤维新型SiC/C_f复合材料有望成为一种轻质高效的电磁波吸收材料。

研制高活性的电催化剂是实现质子交换膜燃料电池的商业化应用必须解决的关键技术之一。本研究以三乙胺为碱性络合剂、硼氢化钠为还原剂, 采用液相合成法制备PtCo纳米合金电催化剂, 再通过高温热处理实现最佳电化学性能。采用各种表征方法对催化剂的微观结构及电化学性能进行测定, 探究硼氢化钠、三乙胺的添加量及高温热处理对催化剂电化学性能的影响。结果显示, 适量的硼氢化钠可提升催化剂的电化学活性面积, 三乙胺可以改变催化剂的质量活性, 高温热处理能有效提升催化剂的质量活性, 极大提升催化剂的氧还原反应(ORR)能力; 在同一测试体系下, 添加100 mg硼氢化钠及100 μL三乙胺在500 ℃高温热处理条件下制备的PtCo纳米合金电催化剂的质量活性达到133 mA/mg_Pt, 是田中贵金属工业株式会社(TKK)商用PtCo合金催化剂的3倍。

磷是植物体生长的重要营养素, 也是引发水体富营养化的重要因素, 因此废水中磷酸盐的去除与回收均至关重要。本研究采用单极脉冲电沉积法在炭布上制备镍钴双氢氧化物, 并于管式炉中原位焙烧制得镍钴双金属氧化物(NiCo-Layered Double Oxide, NiCo-LDO), 将其用于电控离子交换(Electrochemically Switched Ion Exchange, ESIX)过程实现PO₄^3-的去除与回收。实验对比了ESIX与离子交换(Ion Exchange, IX)过程中NiCo-LDO对PO₄^3-的去除性能, 并考察了其选择性及循环稳定性。结果表明, 在(10.00±0.05) mg/L的PO₄^3-溶液中, ESIX过程中膜对PO₄^3-的离子交换量约为IX的2倍; NiCo-LDO对PO₄^3-具有高选择性, 且经过5次循环后, 离子交换量仍可达到初始值的92%以上; 结合XPS分析, 发现NiCo-LDO对PO₄^3-的ESIX过程包括一个不可逆的“记忆效应”结构恢复过程及两个可逆的层板金属离子氧化/还原和PO₄^3-与O-H基团的配体交换过程。

人口的快速增长和工业经济迅猛发展导致全球淡水资源短缺, 对海水和苦咸水进行淡化是解决淡水资源短缺的有效方法。本工作通过直接煅烧Ti₃C₂T_x制备了TiO₂/Ti₃C₂T_x复合材料, 并研究了基于TiO₂/Ti₃C₂T_x复合电极的杂化电容脱盐特性(Hybrid capacitive deionization, HCDI)。研究表明, 煅烧温度对TiO₂/Ti₃C₂T_x的形貌、结构、电化学和脱盐特性有重要影响。以优化后的TiO₂/Ti₃C₂T_x作为负极, 酸化活性炭(Active carbon, AC)为正极, 构筑了HCDI装置。在恒压模式下, 当工作电压为1.2 V时, TiO₂/Ti₃C₂T_x‖AC在初始电导率为3000 μS·cm ^-1的NaCl溶液中的脱盐容量达到23.8 mg·g ^-1。经过20个循环后容量保持率为78%。此外, 通过研究TiO₂/Ti₃C₂T_x复合电极脱盐前后的形貌和晶相发现在脱盐过程中钠离子嵌入到Ti₃C₂T_x的层间。

光致形变材料在光致驱动器和传感器等光机电领域有重要的应用前景。本研究采用放电等离子体烧结法制备了Ni掺杂Na_0.5Bi_0.5TiO₃-BaTiO₃(NBT-BT)陶瓷材料Na_0.5Bi_0.5TiO₃-Ba(Ti_0.5Ni_0.5)O₃ (NBT-BNT)。进一步研究发现样品在405、520及655 nm波长激光照射下均表现出10 ^-3数量级的光致形变响应, 其光致形变系数达到10 ^-11 m ³/W。通过研究NBT-BNT陶瓷在外加光源照射下的原位X射线衍射图谱, 发现所有衍射峰在可见光照射下均发生小角度的偏移, 说明光照引起的材料晶格畸变是NBT-BNT材料光致形变效应的主要原因。

铌酸盐类物质, 如LiNbO₃, KNbO₃, LnNbO₄ (Ln=Pr, La, Ga, Y)等, 表现出优良的光敏特性, 受到广泛关注, 但过渡金属类铌酸盐研究较少, 其光电特性与空位缺陷的关系尚无深入探讨。基于密度泛函理论第一性原理方法, 本研究探讨了空位缺陷对ZnNb₂O₆体系光电特性的影响。通过对各体系几何结构、电子结构和光电谱的计算与分析, 清晰展示了体系中原子电负性与几何位置对结构与电子能级的影响, 八面体中心位置原子(如Zn, Nb)对能带的贡献类似, 形成空位缺陷时, 价带位置相对固定。但电负性大的Nb原子形成空位缺陷体系时, 产生的晶格畸变程度大, 导带负移明显, 吸收边红移, 有利于光电特性的提升; 八面体顶点位置原子O形成空位缺陷时, 晶格畸变程度较小, 导带与价带均发生负移, 费米面处出现杂质能级, 造成载流子“俘获阱”, 同时对电荷的再分配产生较大影响, 导致体系光谱整体蓝移, 光电谱强度全面提升。

本研究探讨了一步法制备HfN复合硅酸镧盐陶瓷材料的可行性和配方设计问题, 并对HfO₂-Si₃N₄-La₂O₃三元系统反应合成HfN进行了实验验证。因为在HfO₂-Si₃N₄-La₂O₃三元系统的反应过程中涉及到硅酸镧盐Si₃N₄-SiO₂- La₂O₃系统, 所以将其延伸为HfO₂-Si₃N₄-La₂O₃-SiO₂-HfN (Hf-Si-La-O-N)五元系统, 研究了HfO₂-Si₃N₄二元系统的反应途径以及Hf-Si-La-O-N体系的相关系, 阐明了HfN与系统内镧盐相的共存关系, 并绘制了HfO₂-SiO₂-La₂O₃三元系统和Hf-Si-La-O-N五元系统1500 ℃的实验相图, 提出的HfO₂-Si₃N₄-La₂O₃截面图为HfN复合硅酸镧盐陶瓷材料的配方设计提供了思路。实验发现: HfO₂-Si₃N₄二元系统高温下合成HfN的反应中存在中间产物Hf₇O₈N₄; 引入La₂O₃促进了系统生成HfN, 并降低了陶瓷烧失率; Hf-Si-La-O-N五元系统内存在HfN与La_4.67Si₃O₁₃、La₅Si₃NO₁₂、LaSiNO₂、La₄Si₂N₂O₇和La₂Hf₂O₇五种镧盐的共存相。

在传统熔融沉积方法的基础上, 采用颗粒混合料和螺杆挤出机构3D打印制备了致密和多孔氧化锆陶瓷, 系统研究了颗粒原料的打印性能、坯体显微结构特征和陶瓷材料的力学性能。研究结果表明, 该方法可以实现倾角达165°和跨度为5.5 mm的无支撑结构的打印成型。研究了两种打印路径对致密氧化锆陶瓷抗弯强度及抗弯强度Weibull模数的影响, 结果表明与传统单线填充模式相比, “单线+矩形”复合填充模式可以得到更高致密度和更优力学性能的陶瓷(抗弯强度达到637.8 MPa, Weibull模数达到9.10)。研究了不同气孔率多孔氧化锆陶瓷的压缩力学行为, 结果表明陶瓷的抗压强度和气孔率之间存在复合指数规律, 低气孔率时异面压缩的应力-应变曲线只呈现弹性阶段, 高气孔率时出现弹性阶段和坍塌阶段, 均未出现密实阶段。

高熵合金的设计思想在诸多材料领域都有广泛的应用, 本研究从高熵结构对热电输运性质的影响出发, 着重讨论热电材料对高熵结构设计的一些要求。以CuInTe₂为实例, 提出了热电材料的高熵结构应当尽量减小晶格畸变, 尽量选择在不影响费米面结构的格点位进行高熵掺杂。依据这些准则, 设计的高熵化合物Cu_0.8Ag_0.2Zn_0.1Ga_0.4Ge_0.1In_0.4Te₂的室温热导率降到了2.1 W·m^-1·K^-1, 比基体材料降低70%, 最高ZT值达到1.02, 较基体提升90%。在二元化合物SnTe中进行了AgSbSe₂固溶, 其室温热导率降到1.3 W·m^-1·K^-1, 比基体降低80%以上。本研究表明, 遵循一定准则设计的高熵结构对于提升热电材料性能具有重要的意义。

高熵碳化物陶瓷是近年来发展的新型材料, 由于具有高硬度、高模量和低热导率等优异性能而备受关注。液相聚合物前驱体法在陶瓷化过程中可以实现多元素的均匀分散, 制备高熵陶瓷具有独特的优势, 但是相关报道较少。本研究以金属醇盐为原料, 通过可控水解缩合反应制备了金属醇盐共聚物溶液, 加入碳源烯丙基酚醛(AN)后得到了澄清的粘稠液相高熵碳化物前驱体(PHEC), 在真空下1800 ℃裂解2 h获得了(Ti, Zr, Hf, Ta)C高熵碳化物陶瓷纳米粉末。通过不同手段对前驱体和陶瓷粉体进行表征, 结果表明: 裂解温度低于800 ℃所获得的样品主要为t-ZrO₂及氧化物固溶体, 1000 ℃开始发生碳热还原反应形成碳化物固溶体, 温度升高至1800 ℃后转化为高熵碳化物陶瓷; 所得陶瓷粉末纯度高, 元素分布均匀, 颗粒尺寸一致, 粒径~100 nm。制备的液相陶瓷前驱体具有高陶瓷产率(28.6 wt%)和低黏度(150 mPa∙s)的特点, 在极性溶剂中溶解性良好。所开发的液相前驱体法在制备高熵陶瓷纳米粉体、陶瓷纤维和陶瓷基复合材料领域具有重要应用价值。