水化硅酸钙(C?傆bS?傆bH)作为水泥基胶凝材料的基因, 其结构变化对混凝土宏观性能发展至关重要。为了明确纤维素纳米晶(CNCs)在水泥中的改性机理, 采用共沉淀法制备C?傆bS?傆bH凝胶, 探讨了CNCs的形态效应及成核效应对C?傆bS?傆bH凝胶结构的影响。基于X射线衍射、透射电子显微镜、纳米压痕以及核磁共振等测试, 结果显示CNCs表面携带的羟基(-OH)可络合Ca2+, 随后与溶液中的SiO42-反应形成C?傆bS?傆bH凝胶, 包裹在CNCs周围形成致密的网络结构。CNCs为C?傆bS?傆bH凝胶的沉淀和生长提供了额外的成核位点, 促进了C?傆bS?傆bH凝胶聚合度的降低以及链长的缩短, 并且显著提升了高密度C?傆bS?傆bH凝胶的含量。

金刚石优异的物理性质使其成为下一代最有发展潜力的半导体材料之一。目前来看, 基于微波等离子体化学气相沉积的异质外延可能是未来制备大尺寸单晶金刚石的最佳方法。在过去的三十年间, 铱复合衬底上异质外延生长单晶金刚石取得了一定进展, 特别是近几年实现了2英寸(1英寸=2.54 cm)以上的大尺寸自支撑单晶金刚石的生长。本文总结了金刚石异质外延用的衬底, 简要介绍了异质衬底上的偏压增强成核, 详细介绍了目前最成功的铱/氧化物、铱/氧化物层/硅复合衬底, 最后对金刚石异质衬底和异质外延进行了总结, 指出目前存在的问题并给出了一些可能的解决思路。

成核作为结晶的初始阶段, 直接影响着晶体产品的结构、手性、纯度、晶型和粒径分布等性质。但由于成核具有随机性, 通过实验成核不仅耗时耗力而且很难洞悉分子间的相互作用。本文选择结构相似的对羟基苯甲酸乙酯(EP)、对羟基苯甲酸丙酯(PP)和对羟基苯甲酸丁酯(BP)为模型物质, 计算了EP、PP和BP在四种不同的有机溶剂(乙醇、乙酸乙酯、丙酮、乙腈)中单个溶质分子和单个溶剂分子的结合能。不论是EP、PP还是BP与各溶剂的相互作用大小都服从乙醇>乙酸乙酯>丙酮>乙腈。因此, 可以预测EP、PP和BP在乙醇中成核最慢, 在乙酸乙酯和丙酮中成核较慢, 在乙腈中成核最快。当溶剂相同的时候, EP最难成核, 其次是PP, BP容易成核, 预测的结果与实验结果一致。本研究证明利用溶质-溶剂(1∶1)模型可以预测成核的难易, 进而有利于筛选溶剂, 提高实验效率。

在石墨烯的化学气相沉积工艺中, 铜箔是决定石墨烯薄膜质量的重要因素。传统铜箔由于制备工艺的限制, 存在大量的缺陷, 导致石墨烯薄膜的成核密度较高。本工作选用抛光铝板、抛光不锈钢板、微晶玻璃和SiO2/Si作为基材, 用热蒸镀法制备了不同粗糙度的铜箔, 并详细讨论了以该系列铜箔生长高平整度石墨烯薄膜的条件及铜箔对石墨烯薄膜品质的影响。实验结果表明, 铜箔以(111)取向为主, 与基材分离后, 表面具有纳米级平整度。在生长石墨烯后, 从SiO2/Si剥离的铜箔成核密度是4种基材中最小的。同时, 从SiO2/Si剥离的铜箔晶体结构变化最不明显, 具有良好的结晶性, 表面几乎不存在铜晶界缺陷。当压强为3 000 Pa, 氢气和甲烷流速分别为300 mL/min和0.5 mL/min时, 可以获得约1 mm横向尺寸的石墨烯单晶晶畴。

纳米水化硅酸钙(CSH)是硅酸盐水泥的高效早强晶核剂。以柠檬酸为分散稳定剂，采用成核晶化隔离法合成CSH/柠檬酸纳米复合物，研究了柠檬酸用量对CSH/柠檬酸纳米复合物(CCNs)结构、粒度分布的影响以及CCNs对水泥水化硬化的作用机理。结果表明：柠檬酸可插层进入纳米CSH层间，CCNs的平均粒径在90~160 nm之间，且CCNs中柠檬酸含量越高，其粒径越小，在pH=13的碱性溶液中释放出的柠檬酸越多。CCNs由于自身晶核及柠檬酸的协同作用影响水泥水化，改善了孔结构并提高了12 h、1 d、3 d、7 d及28 d抗压强度。

本文模拟了半水法湿法磷酸生产过程中α型半水硫酸钙(α-HH)的结晶过程。在30%P2O5，反应温度95 ℃，过饱和度S=1.64~2.10条件下，通过浊度仪监测溶液中浊度变化，测定了不同F-及SiF2-6浓度下α-HH结晶诱导时间，采用经典成核理论公式计算了α-HH的临界晶核半径及成核速率，并通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)表征分析了F-及SiF2-6对α-HH结晶过程的影响。结果表明：随着F-、SiF2-6浓度的升高，α-HH晶体的结晶诱导时间延长，表面能和临界晶核半径都增大，然而成核速率减小。当过饱和度S=1.64时，加入0.06 mol·L-1 F-，α-HH结晶诱导时间延长了465 s，成核速率减小到0.403×1029 晶核数·cm-3·s-1，然而，加入0.06 mol·L-1 SiF2-6，α-HH结晶诱导时间延长了710 s，成核速率减小到0.339×1029晶核数·cm-3·s-1。SiF2-6对α-HH晶体抑制成核作用大于F-。F-、SiF2-6阻碍了α-HH晶体沿C轴方向生长，使得晶体长径比减小，晶体形貌向短柱状变化。F-、SiF2-6影响了α-HH晶体(200)、(310)、(400)晶面衍射峰强度和结晶度。控制半水法湿法磷酸中F-及SiF2-6浓度水平，可以得到短柱状的α-HH晶体，有利于过滤洗涤。

二维有机半导体晶体是利用分子间的范德瓦耳斯力进行自组装生长的单晶材料。本质上的单晶属性使其具备优异的电学特性。更重要的是，二维极限下增强的界面特性能够大幅调控器件行为，为构建多功能界面器件提供可能。此外，充分暴露的电荷输运沟道和极少的晶面内缺陷能够为研究本征的有机电子输运特性创造可能。目前，对于二维有机半导体晶体的生长工艺研究已经取得了较大的进展，但是从理论层面上研究二维晶体生长的自组装过程仍然十分匮乏。本工作利用添加剂辅助结晶技术成功制备出二维有机半导体晶体，并通过偏光显微镜和原子力显微镜对二维晶体进行了全面的表面形貌和结构表征。通过SEM结合EDS技术对关键的形核界面进行了结构和组成的表征以研究晶体生长的机制。研究结果表明：在添加剂界面上，生长材料能够稳定形核，并计算出添加剂构建的有利界面能够将形核势垒降低为SiO2界面上的1/5。这项工作充分展现了生长界面对于晶体生长的关键作用，并从理论上揭示了界面的调控行为，为二维有机半导体晶体的生长工艺设计提供了可靠的思路。

通过进行水化热测试、非蒸发水含量测试、X射线衍射分析、扫描电镜分析、压汞测试及强度试验，研究了钴铁镁铝水滑石-碳纳米管复合材料(CoFeMgAl-LDHs/CNTs)对水泥水化过程、硬化水泥净浆孔结构及强度的影响。结果表明，CoFeMgAl- LDHs/CNTs复合材料通过成核作用显著提升了水泥3 d内的水化程度，从而显著提高了水泥净浆3 d内的抗压强度，3 d后强度提高效果逐渐减小，7 d后复合材料对硬化水泥浆体强度没有明显的提高作用。掺入CoFeMgAl-LDHs/CNTs复合材料的水泥净浆与空白净浆相比，胶凝孔和毛细孔含量明显增多，大孔含量有所降低，同时复合材料的桥联作用进一步优化了水泥净浆的微观结构，从而提高了水泥基体薄弱部位的应力承载能力。因此在同一龄期，复合材料掺入后硬化水泥净浆的强度有所增大。由于复合材料掺量的变化对孔径分布没有明显的影响，改变复合材料的掺量对同龄期硬化水泥净浆强度提升影响较小。