随加工工艺趋于复杂化和极端化, 基于热力学驱动力和动力学能垒相对独立的枝晶生长理论已无法精确描述多种机制共同作用的非平衡凝固过程, 大大 限制了该理论与工业应用的结合。首先, 本文综述基于热-动力学相对独立的枝晶生长理论的发展, 分析其内涵的本征热-动力学相关性, 并集成于以双辊薄带 连铸技术为背景的基于热-动力学相关性的枝晶生长模型。其次, 定量证明了热力学驱动力和动力学能垒的相关性, 通过选择不同的驱动力-能垒组合, 试图在 双辊薄带连铸技术中实现合金设计和工艺优化。最后, 通过分析现有模型的不足, 对进一步枝晶生长模型的发展以及与工艺的结合进行展望。

采用一阶反转曲线方法研究了三维Ni反点阵列中的磁偶极相互作用和磁化反转行为。以自组装聚苯乙烯球为胶体晶体模板, 采用电化学沉积法制备出有 序的三维Ni反点阵列。样品的孔径尺寸均为大约500 nm, 厚度依次从0.3 μm到1.2 μm。通过一阶反转曲线方法分析表明, 随着样品厚度的增加, 磁偶极相互 作用减小, 矫顽力分布变窄。这主要是由于随着厚度的增加, 磁偶极相互作用向交换耦合作用转变的结果。

以废隔膜为前体, 通过一步热解碳化制备碳负极材料, 考察了温度和时间对碳化产物的影响, 并研究了碳负极材料的电化学储锂性能。结果表明, 废隔 膜的最佳碳化温度为420 ℃, 碳化时间为120 min; 用作锂离子电池负极材料时, 在50 mA/g低电流密度充/放电时的可逆放电比容量高达543.8 mAh/g; 即使在 高电流密度2000 mA/g循环1000圈后, 可逆放电比容量仍可稳定在125.0 mAh/g左右, 表现了良好的电化学储锂性能。该研究结果不仅有助于缓解废旧隔膜对环 境产生的危害, 而且能充分发挥废弃资源中的利用价值、降低电极材料的制备成本。

通过自模板法采用马来酸酐与丙烯酸接枝共聚得到改性聚丙烯酸碳酸盐前驱体, 模板结构呈交联网状稳固致密, 高温烧结制得5 V锂离子电池 LiNi0.5Mn1.5O4正极材料。经XRD、SEM、恒电流充放电和电化学循环伏安测试, 所得材料具有微纳米结构, 晶型规则, 粒径大小一致。工作平台为4.7 V, 在 0.5 C倍率下充放电循环测试, 首次放电容量132 mAh/g, 循环50次容量保持率为93%, 电化学性能优良。

以白云石为原料, 采用气液接触法制备碳酸钙晶须。研究了煅烧条件对白云石分解的影响; 同时对碳酸钙晶须的制备以及机理进行了研究, 采用XRD、 SEM等分析手段对产品进行表征。结果表明, 白云石在煅烧温度850 ℃, 升温速率10 ℃/min, 煅烧时间4 h的情况下, 分解效果最佳; 反应温度、通气速率和 搅拌速率对碳酸钙晶须的生成具有显著作用, 通过对结晶过程以及晶体的生长理论来解释碳酸钙晶须的生成。

本文以电石渣为原料, 在稀硫酸溶液中制备硫酸钙晶须。在常规水热法最佳制备条件的基础上, 不添加表面活性剂, 利用微波反应器强化硫酸钙晶须结 晶过程。分析了微波反应时间, 微波辐射能量对结晶产物的影响。利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜对制备的产物进行表征。结果表明, 电石渣与稀硫酸溶 液在微波强化的条件下反应10 min, 微波辐射能量400 W时, 制备的硫酸钙晶须形貌尺寸均一, 晶须平均直径为2.2 μm, 平均长径比70。在此基础上, 进一步 分析了微波效应与硫酸钙晶须的生长机理。

考察不含氧化石墨烯(GO)的羟基磷灰石(HAP)和含GO质量分数为0.1%的氧化石墨烯/羟基磷灰石复合材料(GO/HAP)对酸蚀牛牙釉质体外再矿化的影响。通 过场发射扫描电镜、EDX能谱、X射线衍射仪和维氏显微硬度测试仪, 对再矿化前/后牛牙釉质表面和剖面形貌、表面元素、晶体结构和力学性能进行表征。结 果表明: GO/HAP复合材料在酸蚀牙釉质表面生成了结合力较弱的花状晶体, 将这些晶体超声剥离后发现脱矿釉质表面和釉柱间隙均得到良好的修复。剖面形貌 分析显示, GO/HAP复合材料使釉质深层脱矿得到良好修复, 促进了牙釉质棱晶间大量微小晶粒的生成, 以及脱矿釉柱间隙中有序排列晶体的生成。同时, 经 GO/HAP处理后, 酸蚀牙釉质表面的Ca/P摩尔比和晶体成分均得到良好的恢复。

采用长石、高岭土、石英为主要原料制备了分相液滴自清洁釉。利用扫描电镜、X射线衍射仪和显微镜接触角测量仪等测试仪器表征了样品性能。研究结果表明: 当二氧化钛添加量为5wt%时, 釉表面形成大量细小的孤立液滴, 体积分数达58.48%, 具有高的表面硬度(869.10 kg/mm2)和良好的亲水自清洁性(表 面润湿角为13.361°)。与现有的表面涂覆纳米涂料相比, 该自清洁釉耐磨性强, 制备方法简单, 在中高温建筑陶瓷领域有着良好的应用前景, 符合绿色环保 理念。

WO3/TiO2复合薄膜具有许多特性, 是一种优良的光电功能薄膜材料。利用先进的制膜技术获得性能优异的纳米结构WO3/TiO2复合薄膜, 对提高光电器件 的性能及应用具有重要意义。本文着重介绍了溶胶-凝胶法、水热法、电沉积法和磁控溅射法制备纳米结构WO3/TiO2复合薄膜。总结了纳米结构WO3/TiO2复合 薄膜在电致变色智能窗、光催化技术、湿度传感器上的应用。最后, 针对纳米结构WO3/TiO2复合薄膜现状提出了未来发展趋势。

LaBr3∶Ce单晶拥有优良的闪烁性能, 但是, 一些微缺陷(例如包裹体)经常出现在晶体中, 这种包裹体对晶体的闪烁性能有一定的不利影响。通过 Bridgman垂直下降法生长得到LaBr3∶Ce晶体, 发现包裹体主要出现在晶体生长的尾部, 偏光显微镜下显示存在两种包裹体, 一是气孔, 二是固体颗粒。X射线 衍射、差热分析和拉曼光谱分别测试了含有包裹体和不含包裹体的晶体样品, 然而没有发现不同于LaBr3∶Ce基体的成分。因此, 推测包裹体是结构和组分与 基体几乎完全相同的物质组成, 根据测试结果, 包裹体的形成可以用组分过冷理论来解释。

本文介绍了ZnSe晶体的制备方法及其重要应用背景, 系统地总结了化学气相沉积法(CVD)制备ZnSe过程中产生的各类缺陷, 包括云雾、孔洞和微裂纹、 夹杂、分层和胞状物。采用SEM、体视显微镜、金相显微镜、傅里叶光谱仪等方法对缺陷进行了表征。结合国内外文献和检测结果, 对各类缺陷可能的产生机 理及抑制方法进行了阐述与分析。

多功能分子基磁性材料不仅可以表现出单分子磁体的慢弛豫行为, 还可以展现出其他丰富多彩的物理或化学性质, 如荧光、手性、铁电性、吸附、催化 等, 在光电以及自旋电子器件等多个领域具有潜在的应用前景。设计和开发新型的多功能分子基磁性材料作为单分子磁体研究领域一个重要的研究方向, 引起 了研究者广泛的关注。本文主要从合成策略, 结构与性能的关系出发, 综述了近年来多功能分子基磁性材料的研究进展, 并对今后相关领域的发展做出了展望。

石墨烯及其衍生物具有优异的光学、电学和柔韧性等优越性能, 已经应用在钙钛矿太阳能电池中。通过添加石墨烯或者石墨烯衍生物能够提高器件的稳 定性和光电转化效率。本文主要介绍石墨烯和衍生物在钙钛矿太阳能电池中的应用进展, 通过探索石墨烯及其衍生物在钙钛矿太阳能电池中的应用, 为未来开 发高性能和高稳定性的器件作参考。

分子基铁电体材料是一类具有特殊性质及价值的功能材料, 在最近报道的铁电体中, 有机氮杂环构筑的分子基铁电体性能优异, 具有较大的应用前景。 本文综述含1,4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷(DABCO)、奎宁环类较为常见的、性能较为突出的几类含氮有机杂环分子铁电体, 介绍其铁电相变原理及相关的性能参 数及定向设计铁电体方法, 旨在为铁电材料的合成研究提供参考。

通过生长一系列掺钼近化学计量比铌酸锂晶体, 研究了晶体的光折变性能, 发现在488 nm和532 nm波长辐照下, 当Mo的掺入量为0.5mol％时, 晶体的光 折变灵敏度分别达到0.25 cm/J和0.21 cm/J。此外, 极化条件的改变可以缩短晶体在488 nm波长辐照下的光折变响应时间。通过红外光谱、紫外可见吸收光谱 和X射线光电子能谱的测试, 对掺钼近化学计量比铌酸锂晶体的光折变性能变化的机制进行了研究。

采用边界元法研究了具有非完好界面条件的二维三角晶格声子晶体的带隙特性。结合Bloch周期原理, 针对二组元三角晶格固-固体系声子晶体推导了含 非完好界面条件的边界元特征值方程。基于该方程, 计算了含有不同截面散射体(圆形截面、椭圆截面、正方截面)的能带结构, 讨论了晶格对称性对能带结构 的影响; 并且分析了圆形截面散射体填充比的变化对带隙位置及宽度的影响。通过与其它计算方法的结果比较, 说明边界元法可以有效准确地计算具有不同界 面条件和不同散射体形状的声子晶体的能带结构。而且, 非完好界面条件的声子晶体可以在低频打开完全带隙, 尤其圆形截面最为明显。

本文采用还原氛下的高温固相法合成了荧光粉Sr5(PO4)3F∶Eu2+并对其性能进行了表征, 同时研究了助熔剂硼酸对该荧光粉的影响。结果表明: 在1200 ℃还原氛下制得的荧光粉Sr5(PO4)3F∶Eu2+, 激发峰位于418 nm, 发射峰位于524 nm, 是能与近紫外光LED相匹配的蓝绿色荧光粉。Eu2+的最佳掺杂浓度为 15mol%, 对应的色坐标为(0.2871, 0.4036)。添加助熔剂H3BO3可以使荧光粉Sr5(PO4)3F∶Eu2+的合成温度由1200 ℃降低到1100 ℃, 最佳掺杂浓度为5wt%, 同时可以增加荧光粉的发光强度。

近年来, 随着微机电系统(MEMS)地不断发展, 对微型材料的柔性、可加工性以及电活性提出了更高的要求。PVDF作为优秀的柔性铁电材料而备受关注。 为提高柔性PVDF薄膜的铁电性能, 研究同时使用了三种方法: (1)在分子链中引入TrFE; (2)在溶液体系中掺杂低浓度的BaTiO3; (3)对薄膜使用热拉伸方法。 考察了BaTiO3掺杂浓度和热拉伸温度对铁电性能的影响。结果表明: 三种方法均能有效提高PVDF的铁电性能; 在三种方法的共同作用下, 薄膜的剩余极化强度 到达了19.8 μC/cm2。钛酸钡掺杂浓度过低会使整个体系无法形成致密结构, 掺杂浓度过高会形成团簇, 导致薄膜的缺陷增多, 适当的掺杂浓度可以有效提高 薄膜的铁电性能。此外, 使用适当的拉伸温度使偶极子活动能力增强, 增加铁电相的含量。通过三种方法对薄膜的铁电性进行优化, 为有机柔性材料的电活性 调控提供了一个可行思路。

基于力学参数模型研究了NFO/BTO层状复合薄膜的磁电效应, 发现当压电相的体积分数约为0.47时, 磁电耦合性能最好。通过脉冲激光沉积法在掺 0.7%Nb的(001)-STO衬底上生长了不同体积分数比的2-2型NFO/BCZT异质结构的磁电复合薄膜。XRD结果表明:NFO/BCZT磁电复合薄膜均为(00l)择优取向生长结 构。通过锁相技术测试了NFO/BCZT复合薄膜的磁电耦合系数, 测试结果表明压电相体积稍大于铁磁层体积时, 磁电性能最佳。实验结果与理论结果存在一定差 异, 主要是由于材料实际参数与计算所用参数有差异、界面的非理想耦合无法得到准确的k值以及复合薄膜微观结构、应力等影响。

以碳微球为模板, 采用溶胶凝胶法、水热法等方法分别制备了TiO2微球、ZnO微球和TiO2/ZnO复合微球, 采用扫描电子显微镜、X-射线衍射仪等对样品 进行了表征, 结果表明: 制备的TiO2微球、ZnO微球和TiO2/ZnO复合微球, 各微球直径在5~10 μm之间。在紫外光和可见光下研究了制备的光催化剂对亚甲基 蓝溶液和湖水的光催化性能, 光催化实验表明: 三种微球中TiO2/ZnO复合微球具有良好的光催化性能。

采用两步法制备生物质石墨烯/LaFeO3纳米复合材料(石墨烯加入量分别为LaFeO3的1%、3%、5%、7%), 应用差热-热重分析、X射线衍射(XRD)、扫描电子 显微镜(SEM)等测试手段对生物质石墨烯/LaFeO3纳米复合材料样品的物相及微观结构进行了表征; 采用傅里叶变换红外光谱仪对样品进行了红外分析(FTIR); 研究了生物质石墨烯加入量对生物质石墨烯/LaFeO3复合材料降解亚甲基蓝光催化降解率的影响。结果表明: 通过两步法所制备的生物质石墨烯/LaFeO3纳米光 催化剂稳定性好, 具有高效光催化活性; 生物质石墨烯的加入提高了LaFeO3对亚甲基蓝的光催化降解率; 采用175 W荧光高压汞灯光照30 min时, 加入7%生物 质石墨烯的LaFeO3样品对亚甲基蓝的光催化降解率最高达到56%, 比纯LaFeO3光催化降解率高出50%。

以钛酸丁酯(C16H36O4 Ti)、蒸馏水、无水乙醇、冰乙酸、氧化镧(La2O3)和氧化铈(CeO2)为原料, 采用溶胶-凝胶法制备了纳米TiO2和稀土元素掺杂的 TiO2复合材料。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、ICP-OES等离子体发射光谱元素分析、紫外-可见光谱仪和培养基扩散法对样品进行了表征和性能研究。 实验结果表明: 本实验成功制备了锐钛矿晶型的TiO2粉末和镧掺杂的二氧化钛粉末(La/TiO2), 因氧化铈微溶于酸, 没有溶解到溶液中, Ce基本没有掺入到二 氧化钛中, 所制备的粉末主要是锐钛矿型二氧化钛和氧化铈的混合物, 对TiO2的性能基本没有影响。La/TiO2粉末中La元素的含量为8.24%, 在300 min内 La/TiO2光催化罗丹明B溶液的脱色率提高达到91.2%, 对金黄色葡萄球菌有良好的抑制作用。

采用一步溶剂热法合成了Bi4Ti3O12/BiOBr复合光催化剂, 采用X-射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、比表面积及孔径测定仪(BET)以及紫外可见 漫反射光谱仪(DRS)等对样品的组成、形貌及可见光催化性能等进行了表征, 讨论了合成条件对样品光催化活性的影响, 探究了光催化反应过程中的活性物种 及反应机理。研究结果表明, Bi、Ti、Br的投料比为10∶7∶5、乙二醇为溶剂、聚乙烯吡咯烷酮为表面活性剂且加入量为0.2 g时, 合成样品具有较高的光催 化活性和较好的循环稳定性。在7 W LED灯照射140 min后, 光催化剂对罗丹明B(RhB)的降解率达到85.1%。?O-2与h+在降解过程中起主要作用。

采用溶剂热法以NiCl2?6H2O为镍源, 乙醇为溶剂制备Ni/CNTs前驱体, 在水热反应条件下, 用Na2S2O3?5H2O对Ni/CNTs前驱体进行硫化, 得到NS/CNTs 复合材料。对其电化学性能进行测试, NS/CNTs复合材料在1 A?g-1电流密度下的比电容可达533.33 F?g-1, 经1000次循环充放电后, 比电容保持率为42.50% 。相较于NS纳米片(146.67 F?g-1和27.27%), NS/CNTs复合材料的电化学性能得到了显著提升, 表明CNTs的加入能明显改善镍硫化物的电化学性能。

采用简单液相沉淀的方法制取氢氧化钴前驱体, 在空气或氢气中热处理分别获得立方晶系Co3O4与CoO纳米粉体材料。与CoO相比, Co3O4的尺寸略小, 比 表面积、孔径及孔容略大。电化学结果显示, Co3O4电极材料由于活性较高显示更大的比容量, 在0.5 A/g时Co3O4及CoO分别为618 F/g及147 F/g。CoO具有更 优的倍率充放电性能, 10 A/g相对于0.5 A/g时的容量保持率为49.0%, 高于Co3O4的37.9%。经2000次循环, Co3O4及CoO的容量分别为初始容量的100%及137%, 显示出优异的循环性能。

基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算, 系统地研究了轴向应力作用下均匀交替结构和非均匀二聚体结构Cu-Co合金单原子链的结构稳定性、磁性 和电子结构。Cu-Co合金原子链内聚能在较大原子间距范围内均小于相应纯Cu原子链的内聚能, 因此合金原子链的稳定性较高。非均匀Cu-Co合金原子链中易于 形成Co2二聚体, 使得合金原子链轴向电荷密度和原子间距出现非均匀分布, 从而导致轴向应力拉伸作用下原子链在Cu-Cu键处过早断裂。而轴向应力作用下的 均匀交替结构Cu-Co合金原子链在较大的原子间距范围内能够稳定存在。电子结构的分析表明Cu原子和Co原子间的轨道杂化导致了Cu-Co合金原子链的高稳定性 。

近几年来, 二维(2D)材料的研究, 已成为纳米科学最令人兴奋的领域之一。其中液相分离具有层状结构的块体材料来制备二维材料的方法成为研究热点 。相比于化学气相沉积(CVD)等自下而上的制备方法, 通过块体层状材料的剥离制备二维材料及其分散液的方法具有低成本、可大规模生产的优势。在这里主 要研究以液相剥离(LPE)的方法制备石墨烯(graphene)、六方氮化硼(h-BN)和四种过渡金属硫属化物(TMDs)溶液, 这种水溶性的二维材料具有绿色环保、成本 低等优点。使用拉曼光谱(Raman), 原子力显微镜(AFM), 扫描电子显微镜(SEM)等仪器对研制的层状纳米片的物质组分、表面结构等进行表征, 通过紫外(UV) 吸收光谱估算出不同离心转速下的浓度, 最后通过电化学工作站的循环伏安法(cyclic voltammetry)测出用于MoS2纳米片电解质门控的离子液体体电容, 分析 可见制得的二维材料纳米片平均尺寸在400 nm左右, 离子溶液的体电容为1.21 F/cm3, 该体电容是研究电子器件性能的关键性参数。上述表征结果对基于水溶 性二维材料纳米片的电子器件研究有着重要的科学与应用价值。

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法, 计算了Mn4Si7及Mo掺杂Mn4Si7的电子结构和光学性质。计算结果表明Mn4Si7的禁带宽度Eg=0.804 eV, Mo掺杂Mn4Si7的禁带宽度Eg=0.636 eV。掺杂使得 Mn4Si7费米面附近的电子结构发生改变, 导带底由Γ点转移为Y 点向低能方向下偏移, 价带顶向高能方 向上偏移, 带隙变窄。计算还表明Mo掺杂 Mn4Si7使介电函数、折射率、吸收系数及光电导率等光学性质增加。