新世纪的基石 新世纪的缤纷——新型材料与工程研究开发在中国科技大学之一斑

新材料、新技术是当今人类历史发展阶段的鲜明特征 ,也是 2 1世纪持续发展的基石。材料科学与工程学科领域的人才培养和先进材料的研究开发一直是我国重点高等学校的重要任务之一 ,本文简要回顾中国科技大学自建校以来在新型材料与工程研究开发的历程和现况 。

CIPs@Mn_(0.8)Zn_(0.2)Fe_(2)O_(4)-CNTs复合材料低频吸波性能研究

随着5G无线通信与低频雷达侦察技术的飞速发展,低频电磁波辐射已成为当代的严重问题。目前,中高频段吸波材料的研究已趋于成熟,而设计低频段吸波材料仍面临巨大的挑战,亟待研究者们解决。基于四分之一波长相消机制,本研究设计了0.5~3 GHz低频段复合吸波材料。采用简单的一步水热法,诱导铁氧体在羰基铁粉与碳纳米管表面生长,制备出CIPs@Mn_(0.8)Zn_(0.2)Fe_(2)O_(4)-CNTs三元复合材料,对比研究了碳纳米管含量对材料吸收峰频率的影响。实验结果表明,引入碳纳米管,一方面为材料带来了界面极化、偶极极化等额外的损耗机制,增加了材料的衰减系数;另一方面基于四分之一波长相消机制,高介电与高磁导率的耦合,使材料在低频段获得良好的阻抗匹配。最终,在4 mm厚度下,样品分别在2.11与1.75 GHz处,获得了–40.8与–32.1 dB的反射损耗,–10 dB带宽分别为1.70~2.70 GHz和1.40~2.20 GHz。该复合材料制备工艺简单,低频吸收性能良好,具有很大的应用潜力,为开发更有效的低频吸波材料提供了新的思路和方法。

新能源材料为高水平科技自立自强充电

习近平总书记在中央政治局第三次集体学习时强调要“加强基础研究,从源头和底层解决关键技术问题”。当前,新一轮科技革命和产业变革突飞猛进,科学技术和经济社会发展加速渗透融合,基础研究转化周期明显缩短,国际科技竞争向基础前沿前移。我国的新能源材料领域目前在科技革命中勇立潮头,这与能源、材料、化学等领域长期、大量基础研究的积累与关键技术的突破密不可分。

La_(1-x)Ca_xFeO_(3-δ)系阴极材料的GNP法合成及电性能研究

采用甘氨酸鄄硝酸盐(GNP)法合成了LaFeO3及La1-xCaxFeO3-δ(x=0.1￣0.5)系列粉体,用TG鄄DTA、XRD、TEM、SEM等对产物形成过程及微结构进行了表征。结果表明,所合成的系列样品均形成钙钛矿结构的单相固溶体。在x≤20mol%的Ca含量范围内,产物为正交钙钛矿结构;当x>30mol%时,转变为立方钙钛矿相。相同条件下产物的衍射峰强度、晶胞体积及晶粒尺寸都随Ca含量的增大而减小。采用直流四端子法测量了烧结体在中温(450￣800℃)区的电导率。掺杂使样品导电能力显著增强,电导率随Ca2+掺入量的增大先增大后减小,La0.6Ca0.4FeO3-δ样品的电导率最高。在低温段,各样品的导电行为符合小极化子导电机制,导电活化能为13.67￣22.70kJ·mol-1。

La_(1-x)Sr_xFeO_(3-δ)系钙钛矿材料的表征和性能

采用甘氨酸-硝酸盐(GNP)法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料La1-xSrxFeO3-δ(x=0.0￣0.6)系列粉体。用FTIR、TG-DTA、XRD等对产物形成过程及结晶学特征进行了研究,考察了合成样品与Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)的化学相容性;利用碘滴定法测定了该系列产物中Fe元素的平均表观化合价和氧的非化学计量值。结果表明,所合成的系列样品均形成具有ABO3型结构的钙钛矿固溶体。随A位取代Sr含量的增加,IR谱图上560cm-1附近B-O键伸缩振动的红外吸收峰蓝移,意味着钙钛矿产物中Fe-O键的共价性成分增强。实验还发现,Fe元素的平均化合价先随样品中Sr含量的增加而升高,并以La0.6Sr0.4FeO3-δ样品达最高,而后降低;样品中氧的非化学计量值则随掺Sr量的增加单调增大。四探针法电导测量结果表明,在x≤0.4时,La1-xSrxFeO3-δ系列陶瓷烧结体在中温(450￣800℃)区的电导率,随Sr掺入量的增大而增大,La0.6Sr0.4FeO3-δ样品的电导率最高,进一步增大Sr含量导电性能变差。在低温段,样品的导电行为符合小极化子导电机制。该系列材料与SDC电解质材料具有良好的化学相容性。

基于Nano-CT技术研究多孔陶瓷材料的三维结构

陶瓷材料体内的多孔结构对其性能影响很大,因此研究陶瓷的多孔结构具有重要的意义。但现有的表征技术均不能够观察这种多孔的三维结构。本文采用Nano-CT成像技术对相转化制备的陶瓷中空纤维管壁内的孔结构进行了三维无损观察,得到了壁内孔的形状、走向、孔径分布以及三维结构图,并计算了孔径的大小为0.4–1.5μm,孔隙率为38.31%。从而可以为改善其制造工艺、优化结构参数提供依据,使其更好地在化工、能源、环保等多个领域得到广泛应用。

La_(0.5)RE_(0.3)Sr_(0.2)FeO_(3-δ)(RE=Nd、Ce、Sm)体系双稀土阴极材料的制备与电性能

采用甘氨酸-硝酸盐法(GNP)合成了La0.5RE0.3Sr0.2FeO3-δ(RE=Nd、Ce、Sm)系列复合氧化物粉体.用X射线衍射(XRD)和TG-DSC分析了样品钙钛矿物相的形成过程,用Archimedes排水法测量体积密度并计算烧结样品的相对密度,用四端子技术测量电导率.结果显示,掺Nd的样品1200℃烧结2h成为单一立方钙钛矿结构,掺Ce样品有明显的CeO2立方相析出,掺Sm样品主相为钙钛矿结构伴有微弱的杂峰.1250℃烧结2h的La0.5Nd0.3Sr0.2FeO3-δ在600℃时电导率高达100S·cm-1以上,明显高于La0.5Ce0.3Sr0.2FeO3-δ及La0.5Sm0.3Sr0.2FeO3-δ样品的电导率,预示着La0.5Nd0.3Sr0.2FeO3-δ可能是一种良好的中温固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极材料.

Ba0.4Sr0.6Co1-xFexO3-δ系阴极材料的制备和表征

采用甘氨酸-硝酸盐(GNP)法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料Ba_0.4Sr_0.6Co_(1-x)Fe_xO_(3-δ)(x=0.0～0.8)系列粉体。利用XRD和SEM对材料的结构和微观形貌进行分析,用直流四端子法测量了烧结陶瓷体在中温(450～800℃)范围内的电导率。结果表明,制备的样品为单一钙钛矿相,随着Fe含量增加,XRD衍射峰值向高角度方向稍有偏移。电导率随着温度及Fe含量的变化出现极大值,在x<0.2时,Ba_0.4Sr_0.6Co_(1-x)Fe_xO_(3-δ)系列烧结体在中温(450～800℃)区的电导率,随Fe掺入量的增大而增大,x=0.2样品的电导率最高,800℃时达244.7S·cm^-1,远超过文献报道值,进一步增大Fe含量导电性能变差。

一种新型的湿敏陶瓷材料体系

在碱金属氧化物掺杂的ZnSnO_4系气、湿敏材料中掺入LiZnVO_4,既可提高ZnSnVO_4系的湿敏性能,又大大地改善了元件的机械强度,同时使其低温(11%RH)阻值也适中(约10MΩ).通过控制烧结温度、时间及LiZnVO_4的掺杂量,可制得灵敏度高、稳定性较好的湿敏元件.显然,对Zn_2SnO_4-LiZnVO_4系湿敏性能的系统研究,有助于Zn_2SnO_4材料的气、湿敏多功能化.

TiO_2-V_2O_5-Li_2O系湿敏陶瓷材料的改性研究

研究了掺杂ZnO对TiO_2-V_2O_5-Li_2O系湿敏材料结构及性能的影响.结果表明:掺杂ZnO改善了材料微结构,提高了材料的硬度、烧结温度、湿度灵敏度及稳定性.改性材料以TiO_2为主相,粒界生成LiZnVO_4.感湿玻璃,其中低V_2O_5掺杂的材料A孔隙率及灵敏度较高,高 V_2O_5掺杂的材料B固有阻值低.掺杂材料的烧结温度为900～1100℃.

Bi2O_3－Fe_2O_3系陶瓷材料的气－湿－温多功能特性

利用Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）分析了烧结温度及Ｂｉ／Ｆｅ比对Ｂｉ２Ｏ３－Ｆｅ２Ｏ３系物相组成的影响。初步探讨了材料的导电类型、气敏性能及阻－湿特性。

从文学和物理学到地球科学:漫谈时间

笔者从文学、物理学、地球科学到地质年代学论及时间点和时间段的定年问题。同位素地质年代学定年起源于欧洲,已有近百年的历史相当成熟,但只能测定地质事件峰值(时间点)迄今的年龄;我们倡导的构造地质年代学速率法定年为近年的探索,可以直接测定地质事件过程(时间段)历经的年龄。同位素地质年代学定年与构造地质年代学定年两者相互补。

添加石墨粉对锐钛矿型TiO_2－V_2O_5系湿敏材料的影响

研究了添加石墨粉、烧结温度及时间对锐铁矿型ＴｉＯ＿２－Ｖ＿２Ｏ＿５系多孔湿敏材料的微结构及湿敏性能等的影响。结果表明：添加石墨粉改善了材料的微结构，提高了湿敏元件的湿度灵敏度和长期稳定性；材料以添加ｗ为５％～１０％的石墨粉，９００℃烧结２ｈ湿敏性能最好。

碱金属掺杂的铁系陶瓷湿敏材料特性研究

本文报导了碱金属掺杂对以 Fe_2O_3为基的陶瓷材料湿敏特性影响的研究结果。碱金属掺杂对改善材料敏感性与微组织结构有显著作用。研究发现,K^+,La^(3+)等离子的掺杂能明显降低材料固有阻值,提高低湿区敏感特性,改善阻—湿特性的线性关系。文中对水法处理与多元掺杂对减小材料湿滞,提高感湿灵敏度的作用机制给予了讨论。

中空二氧化硅微球的制备及其对聚合物复合材料导热系数的影响

中空微球/聚合物复合材料的热导系数与中空微球的含量和结构密切相关.本文以微米级单分散聚苯乙烯(PS)微球为牺牲模板,通过调控PS微球和正硅酸四乙酯(TEOS)的相对含量,制备了一系列表面包覆不同厚度SiO_(2)的PS@SiO_(2)核壳结构微球,用高温煅烧去除PS模板后,得到不同球壁内外径比(r/R)的中空SiO_(2)(H-SiO_(2))微球.通过红外光谱、扫描和透射电子显微镜等对H-SiO_(2)微球的化学成分和形貌进行了表征,并进一步测定了不同含量和r/R的H-SiO_(2)与聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合后得到的H-SiO_(2)/PDMS复合材料的导热系数,探究了H-SiO_(2)微球的含量和r/R对复合材料导热系数的影响.通过与中空微球/聚合物复合材料导热系数的理论模型计算结果相比较,证实了只有当H-SiO_(2)具有完整结构且r/R高于0.963时,其添加到PDMS中才能降低复合材料的热导系数,且下降程度随H-SiO_(2)含量增加而增大,从而提高复合材料的隔热性能.与此同时,当H-SiO_(2)添加量在质量分数5%以内时,H-SiO_(2)/PDMS复合材料的力学性能也随着H-SiO_(2)含量增加而有所增加.H-SiO_(2)质量分数为5%时,复合材料的拉伸强度和断裂伸长率分别提高了100%和360%.本工作为高性能中空微球填充聚合物基隔热材料的设计制备提供了理论和实验指导.

拓扑量子材料的合成、性质及应用

拓扑量子材料因其潜在的奇妙物性和在电子器件上的应用,已成为凝聚态物理领域研究的前沿和焦点。目前在拓扑量子材料中,拓扑超导材料和拓扑磁性材料是两类极具吸引力的体系。尽管对这些材料的研究已取得很大进展,然而对其合成、性质及应用,尤其是在合成方面,仍缺乏系统性的综述。因此,本文重点介绍了两类典型拓扑量子材料的实验制备,并简要介绍了他们潜在的物理性质及应用。最后,我们对拓扑量子材料体系的研究现状和未来发展提出了自己的思考。

用于电卡制冷的聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)(55/45)/0.75BiFeO_(3)-0.25BaTiO_(3)复合材料的制备及热导率增强

以聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)(55/45)(P(VDF-TrFE)(55/45))作为聚合物基体,0.75BiFeO_(3)-0.25BaTiO_(3)(BFO-BTO)纳米纤维作为填料以提高共聚物的热导率。结果表明,少量的BFO-BTO纳米纤维即可实现共聚物热导率的提高。在75℃时,纳米纤维含量为2%的复合材料的热导率为0.21 W·m^(-1)·K^(-1),几乎是P(VDF-TrFE)(55/45)共聚物膜的2倍。同时,加入纳米纤维后共聚物的电热效应(ECE)几乎没有变化。这些结果表明少量BFO-BTO纳米纤维的加入在有效提高P(VDF-TrFE)(55/45)共聚物热导率的同时能够保持共聚物较高的ECE。

从光的生-灭机制阐述量子力学

通过引入有序算符内的积分理论,从光子产生–湮灭的观点出发来阐述量子力学理论,显示表象的正态分布,在数学上支持量子力学的几率假设;指出如何从经典变换直接过渡到量子幺正算符,自然地引入纠缠态表象,并指出数学物理研究的新方向.

YFe_(1-y)Co_yO_3半导体气敏材料的制备和性能研究

用化学共沉淀法制备了ＹＦｅ１－ｙＣｏｙＯ３(０．０≤ｙ≤０．５０)固溶纳米晶微粉,并对其制备条件、物相组成、微结构、电导和气敏效应作了系统研究．结果表明:钴Ｂ位掺杂铁酸钇材料呈典型的Ｐ型半导体导电行为,同温下固溶体电导不仅大于纯相ＹＦｅＯ３的电导而且随湿度增加其电阻迅速下降;２４３℃下ＹＦｅ０．９Ｃｏ０．１Ｏ３传感器元件对乙醇有较高的灵敏度和良好的选择性．有望开发为一类新型Ｃ２Ｈ５ＯＨ信息敏感材料．

Sol—Gel法制备钙钛矿型复合氧化物YFeO3气敏材料

用溶胶-凝胶法制备了YFeO3气敏材料，并对其制备条件，导电行为和气敏效应作了系统研究.结果表明：铁钇物质的量之比n(Fe3+)：n(Y3+)=1:1，800℃下热处理2h可得纯相钙钛矿型复合氧化物YFeO3；电导测量显示，该材料呈p型半导体导电行为.2h预烧凝胶粉在800℃下热处理3h所得微粉制作的元件的电导突变温度为400℃，对乙醇有较高的灵敏度和良好的选择性，有望开发为一类新型酒敏传感器.