材料高通量试验及表征技术研究进展

随着美国于2011年率先提出材料基因组计划(materials genome initiative,MGI),为了解决传统材料研发“试错法”耗时长、成本高、效率低的问题,加速新材料的研发及应用,降低材料研发成本,近年来世界各国均开展了大量材料基因组计划相关研究。作为材料基因组计划的三大重要组成部分之一,材料高通量实验(试验及表征)技术已成为各国研究学者的重点关注对象。首先对材料高通量试验设计原理、实现思路及发展现状进行了梳理,分析了高通量试验在金属、非金属等材料体系制备及试验评价中的发展;同时总结了材料高通量表征技术的发展,根据表征参量不同,分析介绍了多种高通量表征技术;最后根据材料高通量试验及表征技术现状,对当前高通量试验及表征技术进行了总结及展望。

陶瓷纳米材料的制备与微观结构表征研究

本文主要研究陶瓷纳米材料的制备与微观结构表征。采用水热法和溶胶-凝胶法制备了纳米TiO_(2)和纳米Al_(2)O_(3)陶瓷粉体,并利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等手段对所制备的样品进行了微观结构表征。结果表明,水热法制备的TiO_(2)粉体为锐钛矿相,平均粒径约为20nm,而溶胶-凝胶法制备的Al_(2)O_(3)粉体为γ相,平均粒径约为50nm。两种方法制备的陶瓷粉体均具有良好的分散性和均匀性。通过对陶瓷纳米材料微观结构的深入研究,为其在绿色建筑领域的应用奠定了基础。

气凝胶材料的制备工艺及其性能表征研究

由于气凝胶密度极低,比表面积高,吸附性能优异,气凝胶材料的应用前景十分广阔,在热隔离、吸附分离和催化支撑等方面都有很好的应用。近年来,气凝胶材料的研究取得了长足的进步,其制备工艺不断完善,性能表征技术日益完善。本文旨在对气凝胶材料的制备过程及其性能表征研究的最新成果进行综述,以供相关研究参考与参考。

适用于催化剂和发光材料研究的并行合成和高通量表征技术

介绍了作者课题组近年来所发展的适用于催化材料和发光材料研究的并行合成和高通量表征技术,以及在新材料筛选方面开展的工作。在并行合成方面包括组合喷射合成仪、微型阵列式溶液燃烧技术以及结合四元掩模和连续掩模的磁控溅射和脉冲激光沉积系统;高通量表征部分包括真空紫外荧光照相系统和组合光谱扫描仪、红外热成像筛选装置和同步辐射红外光谱成像系统。最后,简要介绍了利用所发展的组合技术在稀土聚合物敏化发光材料、真空紫外荧光材料以及可见光响应光催化材料方面开展的工作。

气凝胶复合材料的制备及保温隔热应用进展

气凝胶复合材料由于具有密度低、比表面积大、孔隙率高和导热系数低等结构功能特性,成为最主要的新型保温隔热材料之一。本文简述了气凝胶复合材料的发展历程、制备工艺及方法,从气凝胶复合材料的微观形貌结构、热量传递组成、隔热传热表征等方面对其保温隔热性能及机理进行分析,重点介绍了近年来气凝胶复合材料的保温隔热性能应用在军事航空航天、建筑节能环保、能源存储转化、极端环境材料、电动汽车电池、冷藏(冻)运输以及供热锅炉管道等诸多领域中取得的新进展。同时,对其在各个领域应用中遇到的问题进行了详细讨论并给出建议。此外,文末对气凝胶复合材料在未来的研发、生产及应用中的研究方向进行了展望。

铁尾矿与采剥废石基多孔陶瓷复合相变储能材料的制备与表征

将铁尾矿与采剥废石制成的多孔陶瓷作为相变储能材料基体,同时将熔融石蜡、石墨、石墨烯混合搅拌30 min作为相变材料,最后采用熔融真空压注法将相变材料注入相变储能材料基体得到一种铁尾矿与采剥废石基多孔陶瓷复合相变储能材料(IT-WR@SCY/PCMs)。通过抗压、耐酸碱性和热导率测试及热循环试验等对IT-WR@SCY/PCMs的力学和物理化学性质进行了研究,并采用扫描电子显微镜(SEM)、差热-热重分析仪(DSC-TG)等对IT-WR@SCY/PCMs的微观结构进行了表征,结果表明:5种配比下IT-WR@SCY/PCMs的平均抗压强度为14.73 MPa;在微沸酸碱溶液中浸泡2.5 h的平均质量损失率分别为5.9%和2.4%;相较于石蜡,添加20%石墨和20%石墨烯的复合相变储能材料(IT-WR@SCY/GPCPCMs20和IT-WR@SCY/GCPCMs20)的导热率分别提高了120.83%、266.67%,为0.53、0.88 W/(m·K),相变潜热分别损失了44.50%、27.09%,为126.22、165.92 J/g;经100次熔化-凝固热循环后,IT-WR@SCY/PCMs的质量损失率仅为0.621%。IT-WR@SCY/PCMs的物理强度高,储热性能稳定,具有较长的使用寿命,在军事伪装、建筑节能等领域具有广阔的应用前景。

“碳纳米管/SnS_(2)光阳极材料制备”综合性大学化学实验

在科研工作的基础上设计了一个综合性化学实验:利用溶剂热法制备碳纳米管/SnS_(2)光阳极催化剂材料;采用SEM(扫描电镜)、XRD(X射线衍射)、UV-Vis(紫外-可见吸收光谱)等技术进行表征;运用瞬态光电流响应、电化学阻抗、线性伏安扫描等方法分析材料的分解水性能。该实验让学生掌握材料的制备、表征及应用,培养学生的科研素养;利用实验验证所学知识,培养学生分析问题的能力;结合材料的性能及应用,培养学生能源危机及环保意识。

中科院上硅所低温共烧陶瓷材料的高通量设计、制备与表征技术研究获系列进展

7月4日,国家高技术研究发展计划(“863”计划)新材料技术领域“高性能合金与陶瓷材料跨尺度设计与精确控制制备技术”项目验收会在北京举行,项目顺利通过验收。其中,由中国科学院上海硅酸盐研究所研究员刘志甫负责,上海硅酸盐所与电子科技大学共同承担的“LTCC材料的高通量设计、制备与表征技术研究”课题已于2月8日由科技部在上海组织了验收会,全面完成各项考核指标和研究目标,顺利通过课题验收。

基于数字孪生技术的金属材料力学标准试样高通量制备与原位铸造性能测试系统

高通量计算、高通量实验和数据库技术为材料基因工程的3大关键技术,旨在高效地加速新材料的设计与开发。在我国新一代智能制造的驱动下,数字孪生技术已成为数据驱动的集成计算材料工程关键技术。面向精密铸造技术领域,建立了集成金属材料铸造性能测试与标准试样高通量制备的方法和系统,包括浇铸系统优化设计、铸造性能测试系统和标准试样高通量制备阵列组合系统。通过集成3D打印技术,实现了系统设计和制备的数字孪生。结果表明,采用试样高通量制备阵列组合系统制备的蜡模精度高,功能模块单元组合灵活、方便,可节省传统压模工具,降低成本、减少力学性能试样的加工量和原材料消耗、缩短制备时间。该集成系统还可用于砂型、金属型和精密铸造等试样的制备过程。

基于高通量的原位制备网状结构TiC增强TC4复合材料的组织与性能

以不同粒度的TC4合金粉末为基体材料,以VC作为碳源,采用高通量热压烧结工艺,原位制备具有不同网状结构尺寸和不同TiC体积分数(分别为2%、4%和6%)的TiC/TC4钛基复合材料,研究TiC含量和TC4粉末粒度对复合材料组织与性能的影响。结果表明,TiC/TC4复合材料中的TiC增强颗粒呈网状分布。与TC4合金相比,TiC/TC4复合材料的组织明显细化。随TiC含量增加,TiC网状结构的厚度增大,材料的抗拉强度与伸长率先升高后下降,TiC含量为2%的复合材料综合性能最优。随TC4粉末粒度减小,TiC/TC4复合材料中的基体组织逐渐细化,基体的连通性提高,材料抗拉强度与伸长率同时提高。采用粒度为40-80μm的TC4合金粉末为原料制备的2%TiC/TC4复合材料,网状结构尺寸小,综合性能最优,屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为946 MPa、1058 MPa和18.1%,较TC4合金分别提高29.6%、31.6%和118.1%。

无铅压电材料的高通量制备与模型模拟

基于现有无铅压电材料的压电性都很低的现状,文章设计并建立了无铅钙钛矿模型,将高通量组合材料的理论和实验融合并协同,通过理论模型对可能的组合进行预计算仿真。在压电材料的纤维内引入金属芯,形成含金属芯压电纤维增强聚合物基复合材料是现阶段制备优异材料的可行方法。在已有相关成果基础上,进一步开展基于变分渐近理论的含金属芯压电纤维聚合物基复合材料(MPF-PMCs)性能表征和多尺度模拟,提出在原材料连续介质力学和均匀化理论的基础上,利用非均质性等固有小参数构建一种无需特定假设的MPF-PMCs多尺度模型,以准确预测其时变、非线性压电-黏弹-塑性性能,揭示微观尺度信息对损伤失效性能的影响机理,为今后高通量制备无铅压电材料提供了新的思路。

材料高通量制备与表征技术研究进展

材料基因组(MGI)技术是近年来出现的一种材料科学研发新理念,代表着当今世界材料科学研发领域的前沿趋势。通过构建快速响应的材料研发新模式,材料基因组技术可大幅度提高新材料研发效率、减少研发成本、推动材料的工程化应用。作为材料基因组技术的关键组成部分,材料高通量实验技术目前已形成了一系列具有代表性的材料高通量制备与表征技术。阐述了高通量实验在材料基因组技术中的地位与作用,回顾了高通量实验的研究发展历程,介绍了薄膜、块体、粉体材料高通量制备技术以及光学、电磁学等材料性能的材料高通量表征技术。最后指出了在新型材料高通量表征设备开发方面的不足,并结合数据与人工智能对材料高通量实验技术的未来发展方向做出展望。

连续纤维增强树脂基复合材料的高通量制备技术平台设计

针对连续纤维增强树脂基复合材料,设计了宏观尺度上的高通量制备技术平台和典型工艺的实现方案。高通量制备技术平台的设计结合了复合材料真空热压工艺和先进预浸料拉挤工艺连续制备复合材料的特点,调整平台的压力和温度即可连续制备大批量的不同工艺流程的复合材料样品。与传统热压罐工艺相比,平台制备不同工艺的样品周期能显著缩短。与传统的连续升温相比,平台的台阶式升温过程使得厚度方向的温度梯度略有减小,升温方式对复合材料固化度的演变过程影响很小。

金属材料多尺度高通量制备研究进展

材料高通量实验是在短时间内完成大量样品的制备与表征,可帮助研究者快速筛选新材料的成分和工艺组合,高效探索材料创新的“基因”,从而促进自主创新迭代能力,是材料基因组工程的关键技术之一。高通量制备技术是高通量实验的基石,其技术发展方向可归纳为两类,第一类是通过并行试验的方法提高制备效率,第二类是在同一样品上实现成分或工艺参数梯度变化。按照制备样品单元的尺度可分为纳微观样品制备方法和宏观样品制备方法,以界面法、薄膜法为代表的纳微观尺度高通量制备技术已被广泛用于各类新材料的成分设计。目前该领域的重要发展方向之一是块体样品的高通量制备技术,用以实现对样品宏观力学性能的直接表征。发展中的宏观尺度样品的高通量制备方法总体上可分为成分高通量制备和工艺高通量制备两大类。本文按照样品尺度归纳了各类高通量制备方法的优缺点及应用特点,特别是高通量方法与激光增材制造技术结合制备块体材料的思路,重点介绍了高通量制备技术在高熵合金、非晶合金和新型结构材料设计开发中的应用案例,分析了高通量制备技术未来发展的重点和趋势,包括均匀块体样品的高效高通量制备、高通量制备与表征的一体化协同以及发展高通量数据采集管理学习的一体化云数据平台,以期为金属新材料成分及工艺设计提供技术思路。

新一代高通量薄膜制备及原位表征技术研发获进展

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心技术部电子学仪器部郇庆/刘利团队一直致力于科研仪器装备的自主研发;超导国家重点实验室金魁/袁洁团队专注于基于高通量组合薄膜技术的新超导体探索和物理研究。近些年来,两个团队密切合作、联合攻关,共同指导SC2组博士生何格(目前在德国做洪堡学者)、魏忠旭、冯中沛等成功研制并搭建了一台高通量连续组分外延薄膜制备及原位局域电子态表征系统。

纳米材料研究进展Ⅱ——纳米材料的制备、表征与应用

本文综合介绍近十年来（１９８５～１９９６）纳米材料的制备、表征与应用，探讨了各种方法的特点与适用性。

介孔材料的制备、表征、组装及其应用

介孔材料因具有一系列独特性质而成为近年来材料研究的热点。对介孔材料的制备技术进行了简要介绍并分析了其影响因素,概括了常用的表征方法,进一步系统阐述了介孔材料的组装及应用,并展望了介孔材料研究的发展前景。

聚苯胺/石墨导电复合材料的制备与表征

根据石墨的层状结构 ,以可膨胀石墨 (KP)或膨胀石墨 (EP)为模板 ,应用原位聚合法成功制备了聚苯胺 (PANi) /石墨导电复合材料。通过 FT- IR、XRD、SEM和电导率测量等手段表征了其结构和性能。结果表明 ,PANi/EP的电导率与单一组分相比 ,都有大幅度提高 ,而 PANi/KP的电导率介于两组分之间 ,PANi/EP的电导率高于 PANi/KP复合材料 4～ 5倍。XRD证明 ,膨胀石墨与聚苯胺复合大大提高了聚苯胺的结晶度 ,改善了聚苯胺的结构缺陷。FT- IR表明聚苯胺的特征吸收峰发生了位移 ,表明 KP或 EP的表面官能团与聚苯胺之间发生了氢键或共轭作用。

高分子纳米复合材料研究进展(Ⅰ)──高分子纳米复合材料的制备、表征和应用前景

综述了高分子纳米复合材料的发展研究现状，将高分子纳米复合材料的制备方法分为四大类：纳米单元与高分子直接共混（内含纳米单元的制备及其表面改性方法）；在高分子基体中原位生成纳米单元；在纳米单元存在下单体分子原位聚合生成高分子及纳米单元和高分子同时生成。介绍了高分子纳米复合材料的表征技术及其应用前景。

软骨修复用HA／PU多孔支架材料的制备与表征

研制了用于软骨的组织工程的HA/PU多孔支架材料,采用气体发泡法制备了三维贯通的多孔HA/PU支架材料,通过XRD、IR对其结构组成进行了分析,用DSC测量了玻璃化转变温度,用SEM观察了微观形貌和孔径尺寸,并计算了孔隙大小和孔隙率的分布.通过燃烧试验分析了HA/PU复合材料中HA的百分含量,并对力学性能进行了评估.结果表明,多孔HA/PU复合支架材料,其大小孔道相互贯通,孔径范围在100～800μm,大孔中含有微孔,孔隙率可达到78%～80%,HA含量达到30wt%,力学强度达到271kPa.多孔HA/PU复合材料具有一定的弹性,是一类性能很好的可望用于软骨修复的支架材料.