保持热舒适对维持人体正常生命活动至关重要。利用纤维和织物进行个人热管理不仅能提升热舒适度,还有助于降低建筑能耗。然而,传统的织物无法满足人类在不同环境下的热舒适需求,迫使研究人员开发新型可穿戴热管理材料。基于材料化学、物理和纳米技术,目前已经开发出许多具有优异热管理性能的纤维及织物。本文综述了体温调节的创新策略和可穿戴热管理材料的最新进展,重点介绍了各种先进的被动和主动热管理材料,旨在梳理热管理材料的工作机理,并为相关领域的研究人员提供全面的参考。首先介绍了人体体温调节的生理基础,随后详细探讨了被动和主动热管理纤维和织物的工作原理及在不同应用场景下的优缺点,最后从商业应用的角度对可穿戴热管理纤维及织物的未来前景和挑战进行了展望。

电致变色器件具有轻巧、响应速度快、可重复使用性能好、易于制备柔性器件等优点,在智能传感器、智能窗户、柔性可穿戴设备和储能设备等领域具有广泛应用。相较于易泄漏、安全性低的液态器件,全固态电致变色器件易于封装且安全性高,具有更好的综合应用性。本文首先介绍了电致变色器件的结构,详细综述了无机与有机固态电致变色器件的性能及应用,并对比分析了两者之间的优缺点。最后,从性能瓶颈、工艺难点及产业化等角度展望全固态电致变色器件的发展应用前景。

纤维素基光子晶体是以纤维素及其衍生物为主要构成材料的光子晶体,其结构通常由周期性排列的、具有不同折射率的纤维素材料或纤维素与其他材料的复合物构成,从而能够有效控制光子的传播特性。纤维素基光子晶体的优势在于纤维素材料的可持续性、生物相容性和生物降解性,使其在生物传感、光学器件和手性光子学等领域具有广泛的潜在应用价值。近年来,纤维素纳米晶(Cellulose nanocrystals,CNC)因其精细的纳米结构、优异的机械性能、较低的膨胀系数,以及出色的可塑性和黏结性,在光子晶体的制备与应用研究中备受关注。然而,关于其他类型的纤维素基光子晶体的研究进展,论述仍显不足。本文从纤维素基光子晶体的种类入手,首先介绍了其光学调控机制及制备方法,进一步综述了不同种类纤维素光子晶体在传感器件、光学防伪和其他智能材料中的应用。最后,总结了当前纤维素基光子晶体材料研究中亟待解决的问题,并展望了其未来的研究方向和发展前景。

偏振探测技术作为一种重要的光学探测手段,具有强抗干扰能力,并能有效提升探测距离,在光学遥感、环境监测、生物医学和水下成像等领域展现出重要的应用价值。传统偏振探测系统存在体积庞大、光路复杂等问题,在小型化和集成化方面存在严峻挑战。超构表面是由人工亚波长结构单元组成的二维周期性阵列,可根据入射光偏振态对光场进行精细调控,有效降低偏振探测系统的尺寸,提升器件的集成程度,为小型化偏振探测提供了全新的解决方案。本文分析超构表面与偏振探测相关的光场调控机理,在此基础上归纳基于超构表面的光子型与光热型偏振探测器件,并对现存问题与未来趋势进行总结与展望,以期为该领域的研究提供参考。

传统热控涂层发射率固定,难以满足我国航天事业的快速发展,VO₂智能热控涂层具有无源自适应和可设计性强等优点,成为国内外研究热点。本文从VO₂金属-绝缘体相变特性出发,通过分析VO₂智能热控涂层红外波段发射率调控机理,综述了法布里-珀罗(F-P)谐振腔、超表面、光子晶体和纳米复合薄膜四种结构的VO₂智能热控涂层光学设计方法和研究进展,提取在工程应用中导致VO₂智能热控涂层的空间稳定性降低的关键因素,对VO₂智能热控涂层的未来发展趋势进行展望。

钛及其合金因低密度、高强度、优异耐蚀性等优点而应用于诸多领域,但钛价格较为昂贵,限制了其更广泛的应用。在基体表面制备钛涂层可以较低的成本对钛的优异特性加以利用,实现远高于传统有机涂层的耐久性与力学性能,因而围绕钛涂层所展开的研究日益增多。本文系统介绍了钛涂层的常用制备技术及后处理方式,并综合国内外研究进展,对钛涂层在海洋工程、生物医疗、航空航天等领域的应用现状进行了综述,最后总结了当前钛涂层发展所面临的问题并对未来趋势进行了展望。

所有温度高于0 K的物体都会产生红外热辐射,这种辐射特性与其发射率密切相关,固定的发射率使多数物体只能呈现单一的热辐射特性。而实际应用场景中,为适应不同环境和功能要求,动态调控物体的热辐射特性至关重要。柔性电响应动态热辐射调控材料不受环境条件制约,调控幅度高,且轻质、灵活、便携,在使用和存储中都具有突出优势。本文总结了导电聚合物、碳基材料、可逆金属电沉积等几种典型的柔性电响应动态热辐射调控材料研究进展,介绍了柔性电响应动态热辐射调控器件的应用前景,并指明了其挑战及未来发展趋势。

发展新型节能制冷技术对实现建筑热管理与节能具有重大意义。辐射是自然界中最为普遍的一种传热方式,其中,太阳辐射和环境热辐射是两种重要的能量介质。光热调控是一种通过对太阳辐射和热辐射进行调控从而实现对物体内部温度管理的技术,具有极大的发展潜力。针对不同应用场景的需求,材料对太阳辐射与热辐射有不同的光谱的响应需求,可分为主动/被动型光热调控材料。主动型光热调控材料具有可调度高、能耗低等优点,被动型光热调控材料具有零能耗、温度调控能力强等优势,都备受研究人员的广泛关注。本文以主动电致变色与被动辐射制冷为新型光热调控技术的代表,重点概述了其相关的调控原理;基于光谱设计策略及其原理,综述了电致变色材料与辐射制冷材料的相关发展研究,并进一步对其存在的问题及未来的发展方向进行了总结和展望。

为有效提高装备在野外与不同的背景快速融合的需求,采用利于大面积生产和低成本的丝网印刷方法制备自适应温致变色迷彩涂层。利用氟碳树脂和丙烯酸树脂包覆变色材料,研究涂层制备体系和制备工艺,并通过对变色涂层进行性能测试,制备得到具有应用前景的可逆变色迷彩涂层。本研究利用升温辅助层与变色迷彩涂层共同作用,实现了变色迷彩涂层快速可逆自适应变化。利用色差仪、万能拉伸机、耐水色牢度测试仪、盐雾试验机等仪器对涂层的性能进行了测试。测试结果表明,使用聚氨酯树脂体系制备的温致变色迷彩涂层具有应用前景,当变色迷彩涂层厚度为0.6 mm时,涂层变色时间为6~9 s。将变色迷彩涂层放置于林地、荒漠中,可探测度分别约为0.51、0.56。

随着工业的发展和化石燃料的消耗,气候变化、能源短缺、环境污染等问题日益严峻。目前,使用绿色、环保的能源和资源开发可持续的新型材料已成为全球发展的共同趋势。光热转换技术可以将太阳能转换成热能并应用于诸多领域,已成为解决这些问题的重要途径之一。木材是地球上极丰富的可再生资源之一,凭借储量丰富、可再生、可降解、简单易得等特点得到了研究人员的广泛关注。在“双碳”战略目标的背景下,将光热转换技术和木材进行有效结合,不仅可以提高太阳能的利用效率,还能实现林木资源低碳、高效的利用。本文介绍了木基光热转换材料的作用机理,简述了光热转换技术、木材构建光热转换材料在当前取得的进展,概述了木基光热转换材料在水处理、产电、产氢、相变储能等领域的应用研究现状,以期为相关研究提供参考和借鉴,推动可持续发展。

近年来,现代军事探测技术和精确制导武器得到飞速发展,雷达及红外探测和制导手段的广泛应用推动雷达/红外兼容隐身材料成为目前隐身材料领域的研究热点。雷达探测和红外探测在探测原理上有根本性差别,导致对这两个波段的隐身材料电磁特性的需求完全不同。研究人员利用两个波段电磁波波长的差异实现对电磁波的差异化响应,开展了雷达/红外兼容隐身材料的设计。本文系统阐述了雷达/红外隐身的基础理论及设计原理,综述了雷达/红外兼容隐身材料的研究现状,并对其未来发展方向进行了展望。

为了深入研究湿热老化环境下碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymers,CFRP)力学性能退化行为,开展了30 ℃和50 ℃两种水温下CFRP材料的浸水老化试验,随后进行老化0、6、12、18、24、30 d后样件的拉伸和压缩性能测试,并结合SEM分析老化前后CFRP试件破坏形貌。基于有限元软件ABAQUS二次开发功能,构建了考虑湿热老化效应的层内断裂和层间分层失效的二维本构模型,并对老化前和饱和吸水状态下CFRP力学性能进行计算。结果表明:30 ℃和50 ℃两种温度下,CFRP吸湿行为均符合菲克定律;随温度提升和老化时间的延长,CFRP力学性能呈现出下降趋势。此外,相比拉伸性能,CFRP压缩性能受湿热环境影响更大,在50 ℃老化30 d后,CFRP压缩强度和模量降幅分别为39.3%和10.8%,远高于拉伸强度和模量的降幅(8.11%和7.08%)。分析原因是CFRP浸水老化过程中,水分子扩散会导致纤维-基体界面与基体性能恶化,而CFRP压缩性能对以上变化更敏感。

光热发电是极具发展前景的可再生能源技术,不仅可实现电力能源的梯次利用,还能与风电、光电等互补运行。基于国内外对光热发电技术的研究,本文综述了光热发电用储能熔盐的研究进展。熔盐是光热发电热能存储系统中理想的传储能介质,具有高热容量、高导热性和低黏度等优异的热物理性质。熔盐储能具有储能容量大、储存周期长和成本低等优点,在光热发电、熔盐反应堆、供暖和余热回收等领域广泛应用。本文首先介绍了光热发电技术的优势和发展,接着归纳总结了光热发电用储能熔盐的主要特性和发展,并对新开发配比的熔盐以及熔盐纳米流体热物理性质进行了阐述,最后总结和展望了下一代光热发电储能熔盐的发展。期望了解光热发电储能熔盐的技术发展,为下一代热能传储系统的设计、制造和运行维护提供参考。

氨是重要的化工原料和能源载体。传统的哈伯法制氨工艺需要高温高压条件,消耗大量能源且排放大量二氧化碳。近年来,利用常温常压催化技术将硝酸盐还原合成氨成为可持续合成氨的研究热点。本文首先概述了硝酸盐催化还原合成氨的反应机理,然后深入分析了光/电催化硝酸盐还原合成氨的研究进展。在电催化硝酸盐还原合成氨方面,重点讨论了催化剂改性方法及其在电催化还原硝酸盐过程中增强产氨性能的原因。接着,详细探讨了设计光电催化剂的策略,包括元素掺杂、异质结构建和缺陷工程,以提高催化效率和选择性。最后,总结了硝酸盐催化还原合成氨领域面临的挑战,例如提高反应动力学和改进催化剂稳定性,并展望了未来的发展方向。硝酸盐催化还原合成氨技术有望为氨的生产带来革命性变革,减少对传统高能耗工艺的依赖,降低环境负担,为可持续发展贡献力量。

将石墨负极胶体分散体浆料涂覆在无孔刚性基底上并干燥时,干燥过程中产生的各种应力可能会使薄膜出现裂纹。这些裂纹会影响电池性能,加速电池损伤,缩短电池寿命。因此,掌握裂纹特性及其形成机制是防止极片开裂的关键。目前尽管已有众多关于胶体分散体薄膜干燥开裂的研究和模型,但对电池极片开裂行为的探讨却相对匮乏。本文系统地揭示了极片在干燥过程中的开裂机理及影响因素,深入剖析了极片微观结构变化与内应力发展的模型,并概述了极片干燥开裂的研究进展。研究表明,毛细管压力引发的应力是导致干燥开裂的主因,这一过程主要受极片材料特性和薄膜边界条件的影响。同时,本文还对抑制极片干燥开裂的技术挑战进行了展望,以期为解决极片开裂问题提供有价值的参考和启示。

光催化是一种绿色清洁的生产工艺,是目前缓解能源与环境问题的有效方法。半导体材料因合适的带隙而成为一类优良的光催化剂,由于比表面积小、太阳光利用率低且在光催化反应过程中光生电子-空穴对易复合,导致其光催化反应性能不理想。碳量子点是一种类球形碳纳米材料,除了高比表面积、低毒性及良好的生物相容性外,其独特的上转换发光特性和良好的电子转移性能对提高光催化效率至关重要。因此,将碳量子点与半导体材料耦合改性是提高半导体材料光催化效率的重要方法。本文介绍了碳量子点的制备方法,阐明了其独特的光学与电学性质,并着重阐述了碳量子点在光催化产氢、光催化降解有机污染物、光催化还原CO₂、光催化去除重金属污染和光催化灭菌领域中的应用,最后简要总结了目前碳量子点在光催化应用中的不足及对其未来的发展进行了展望。

近年来大量研究表明,自掺杂可定向调控有机-无机金属卤化物钙钛矿材料导电类型(P型或N型),优化其光吸收与载流子传输性能,进而提升器件光电转换效率。连续沉积自掺杂类型相反的两种钙钛矿,可制得新型双钙钛矿层异(同)质结(P-P结)太阳能电池。与传统钙钛矿太阳能电池相比,自掺杂P-P结太阳能电池的光活性层存在额外内建电场,可促进载流子的传输,从而减少非辐射复合。同时,钙钛矿双极性电荷传输的特性使其可充当电子传输层和空穴传输层。这允许P-P结太阳能电池摒弃传输层结构,简化器件结构、优化制备流程,为钙钛矿太阳能电池的进一步发展提供新方向。本文围绕有机-无机金属卤化物钙钛矿材料,详细阐述了调控其自掺杂类型的方法,讨论了自掺杂P-P结太阳能电池的物理机制及影响因素,梳理并总结了自掺杂钙钛矿在制备太阳能电池方面的应用,最后对其当前的技术难点和未来发展进行了总结与展望。

在当今集成电路技术飞速发展的时代背景下,随着工艺节点不断缩小至纳米级,互连结构及其工艺技术的挑战愈发严峻。钴(Co)作为一种新兴的金属材料,凭借其出色的热稳定性、优异的空隙填充能力和对铜(Cu)布线的强附着力,正逐步成为Cu互连阻挡层及潜在互连布线的热门选择。然而,随之而来的是对材料表面平整度与清洁度的极高要求,这直接促使了化学机械抛光(Chemomechanical polishing,CMP)工艺及其后清洗技术的发展与创新。本综述旨在回顾Co作为Cu互连阻挡层和新型互连布线在集成电路中的应用现状,深入分析CMP工艺中抛光液的不同组分对Co去除速率、电偶腐蚀和去除速率选择比等方面的影响。同时,探讨了在CMP清洗过程中清洗剂的关键作用,通过精确设计的化学配方,有效剥离纳米颗粒、有机残留等污染物,确保Co表面达到高度清洁与平整度标准。此外,还敏锐地指出了当前研究中的局限,并对Co的CMP及后清洗技术在追求更环保、更高效方向进行了前瞻性展望。

清水混凝土因直接采用现浇混凝土的自然质朴外观作为饰面,可实现建筑美学表达与低碳节能的完美融合,在工程中得到广泛应用。混凝土表面气孔缺陷调控是制备清水混凝土的关键难题,究其根源,在于影响混凝土表面气孔的因素众多,且各因素间耦合作用,但气孔形成的本质尚不明晰。近年来,人们从混凝土材料与施工工艺等角度,尝试提出关于混凝土表面气孔的定量影响规律,以望指导清水混凝土的制备及施工。本文总结了混凝土表面气孔的形成与调控的研究进展(从气泡转变为表面气孔的全过程),梳理了其中的关键作用机制(气泡形成-粗化-迁移-黏附),介绍了混凝土表面气孔缺陷评价、拌合物气泡结构演化、振动时流变状态对气泡逃逸的作用以及模板/脱模剂对气孔形成的影响这四个方面的内容,总结了主要的结论与存在的问题,最后对混凝土表面气孔形成机理与调控方法的发展及应用进行了展望。

在全球环境污染和能源危机日益严重的背景下,绿色清洁能源的开发和利用变得极为重要。太阳能电池作为一种有效的能源利用技术已经开展了大量的研究,其中,钙钛矿太阳能电池因其带隙可调、光电转换性能优异、资源丰富、制备工艺简单等优势得到了广泛关注,功率转换效率也从2009年的3.8%发展到现在的26.1%。近些年来,许多研究人员尝试将实验室旋涂制备扩展到大规模的涂层和印刷制备,卷对卷技术(R2R)便是实现这一器件升级的重要工艺方式。本综述介绍了与卷对卷技术相兼容的各类基板和可扩展沉积技术,并对相关的钙钛矿薄膜形态控制策略和器件性能优化方式进行详细的介绍,此外,对大面积钙钛矿太阳能电池未来的发展和挑战进行了简单的论述。

沥青复杂的微观组成特征与其宏观性能密切相关,且会随沥青材料服役时间推移发生改变,致使其性能表现出高度不确定性。以化学沥青组分为桥梁来搭建微观组成与宏观性能间的靶向关系,对高性能沥青路面材料的研发具有重要意义。本文系统地介绍和展望了沥青组分特征与宏观性能间的潜在关联,着重分析其对沥青路面材料优化设计的指导作用。首先,从微观组成视角回顾了沥青胶体结构理论、沥青质结构模型、化学组分分子结构模型研究进程及发展趋势;其次,总结了目前沥青化学组分常用的分离方法,并着重分析了饱和分、芳香分、胶质和沥青质的基础物理化学特性;综述了沥青工程指标、多温度域流变特性、热稳定性、老化及再生特性等宏观性能与沥青化学组分特征间的有机联系,进一步分析了沥青性能转变过程中各组分的迁移特征,揭示了沥青化学组分特征对宏观性能演变的影响机制,从而为未来沥青材料的靶向设计、靶向阻燃及靶向再生体系的构建提供一定参考。最后,提出了借助分子动力学模拟手段辅助沥青材料化学组分设计的方法,基于材料基因组思想展望了沥青化学组分特征与宏观性能关系研究的应用构想。

随着我国人口老龄化的加速,皮肤慢性创面的发病率持续上升。由于其愈合周期长且易复发,慢性创面不仅严重威胁患者的身心健康,也对我国医疗系统造成了沉重负担。慢性创面的愈合是一个涉及多种细胞和信号因子精密协作的复杂过程,因此单一的治疗手段,如抗炎治疗,难以有效应对这一多维生理过程。近年来,生物活性水凝胶凭借其优异的生物相容性、精准调控细胞行为以及调节信号因子释放的能力,在改善创面微环境、促进细胞增殖等方面表现出显著优势。本文系统阐述了生物活性水凝胶在皮肤创面修复过程中的作用机制,涵盖止血、抗炎、细胞增殖促进、胶原沉积及细胞外基质重塑等关键阶段。最后,本文展望了生物活性水凝胶在临床应用中的广阔前景,并针对当前在临床转化过程中面临的主要挑战和亟需解决的问题进行了深入探讨,为未来慢性创面修复相关的研究和技术开发提供参考。

基于银栅格透明电极的柔性钙钛矿太阳能电池是一种极具前景的便携式和可穿戴电子设备的理想电源。然而,卤素离子和金属离子之间的相互扩散会影响器件的效率和稳定性,对制备高性能柔性器件提出了挑战。本研究采用聚氨酯(PU)聚合物添加剂钝化钙钛矿薄膜晶界,结合界面阻隔层的策略制备柔性钙钛矿电池。Pb²⁺与C=O之间的强相互作用改善了钙钛矿薄膜的结晶特性,降低了薄膜的缺陷态密度。因此,基于银栅格电极的柔性钙钛矿电池光电转换效率(PCE)提高到20.21%,是迄今为止非ITO柔性电极上钙钛矿电池最高效率之一。由于聚氨酯填充晶界和界面阻隔层的双重作用阻碍了卤素和金属的相互扩散,柔性钙钛矿电池还表现出较高的湿度稳定性和运行稳定性。器件在30%的相对湿度下暴露150 h后仍能保持92.1%的初始PCE值,在最大功率点下工作1 000 h后仍能保持95%的初始PCE值。最后,柔性钙钛矿电池显示出良好的机械稳定性,在4 mm的曲率半径下弯曲1 000次后,还保持了86%的初始PCE。此研究可为高性能柔性钙钛矿光电器件的设计提供思路和实验指导。

胃滞留水凝胶是一种具有潜在减肥效果的材料,可有效解决口服药物疗法中药物生物利用度低的问题。本工作旨在开发一种可降解的水凝胶,且其能够长时间滞留在胃部,起到药物释放的效果。本工作合成了两种可降解大分子交联剂,以丙烯酰胺为主要单体,将其与壳聚糖溶液混合,通过氧化还原引发剂引发聚合后形成具有半互穿网络结构的可降解水凝胶。通过扫描电子显微镜和傅里叶变换红外光谱等分析手段,对所制备的水凝胶的形貌和化学结构进行了表征。体外药物释放实验表明,该壳聚糖半互穿网络水凝胶能够实现可控的药物释放,延长药物在胃内的滞留时间。本工作还评估了水凝胶的溶胀性能、生物相容性和在模拟胃液中的降解性能,结果显示该水凝胶(交联剂比例4∶6)的溶胀率达到2 700%,对L-929细胞具有良好的生物相容性,在模拟胃液中5 d失重达到7%。4∶6水凝胶在60%变形情况下的压缩模量大于13 kPa,能够耐受胃部蠕动挤压。因此,基于丙烯酰胺的壳聚糖半互穿网络水凝胶在胃部疾病治疗方面具有潜在的应用前景。

针对核电高经济性和高安全性的目标,高燃耗(大于62 GWd/MTU)成为核燃料的发展趋势,然而,燃耗加深势必会导致芯块和包壳性能衰退甚至失效,引发安全隐患。本文首先回顾和梳理高燃耗状态传统UO₂芯块-Zr合金包壳核燃料系统所面临的挑战,如芯块边缘高燃耗结构(HBS)形成-迅速扩展、裂变气体释放份额增大、燃料棒内压增大、包壳腐蚀和吸氢量加剧以及失水事故(LOCA)工况芯块碎裂-迁移-重置现象等,并以相关问题为切入点厘清关键对策。然后,归纳总结现阶段核工业界近期型事故容错燃料(ATF)方案研究进展和成果,重点阐述主流Cr涂层锆合金包壳和大晶粒UO₂芯块ATF候选材料的关键服役性能,包括裂变气体释放、芯块-包壳接触压力、包壳水侧腐蚀及高温蒸汽氧化-淬火行为等。同时,对比分析Cr涂层锆合金包壳+大晶粒UO₂芯块相较于传统核燃料系统服役优势,尤其是高燃耗状态,研究表明近期型ATF方案在高燃耗项目中极具应用潜力。本文概述的内容有助于加深核工业工作者对高燃耗项目的理解,同时为我国自主研发ATF和高燃耗项目相结合提供参考,助力提升核电经济性、安全性与可靠性。

铅铋合金具有优异的核性能、高导热率、高沸点和化学惰性等特点,以其作为冷却剂的铅铋快中子增殖反应堆是最具发展前景的第四代先进核能系统的六种堆型之一。铅铋合金冷却剂对反应堆结构材料较强的腐蚀性是限制铅铋快堆发展的重要因素;然而,控制铅铋合金中溶解氧在特定的范围是实施结构材料在液态铅铋环境下腐蚀防护的有效手段之一,因此要求铅铋系统必须实现溶解氧的测量与控制,以保障反应堆的安全运行。近年来,随着铅铋快堆研发的深入,材料腐蚀防护关键共性技术不断突破,本文总结了面向反应堆结构材料腐蚀防护的铅铋溶解氧测量和控制技术研究进展,介绍了铅铋合金氧测氧控国内外研究现状,重点对比分析了不同氧控模式在铅铋快堆的应用前景,最后对面向铅铋快堆的氧测氧控技术的发展及应用进行了展望。

随着全球能源需求不断增长,化石燃料资源有限和二氧化碳排放对气候变化的影响愈加严重,减少二氧化碳排放已迫在眉睫。基于绿电的电化学还原二氧化碳(CO₂ RR)方法是缓解化石燃料消耗和温室气体排放的理想途径。传统催化剂的研发模式主要依赖实验试错方法,难以满足对高效催化剂的研发需求。快速发展的机器学习等数据科学技术为催化剂研发带来范式变革的契机。高通量计算结合机器学习已经成为近年来电催化剂配方设计中的重要手段之一。基于此,本文概述了近年来高通量计算结合机器学习指导催化剂开发的研究成果,包括催化剂设计的原理、模拟计算的策略以及机器学习模型的构建。通过将高通量计算和机器学习结合,可以加速催化剂设计过程,为CO₂ RR催化剂的高效筛选和开发提供了新方法,拓宽人工智能在催化剂筛选设计中的应用。

8%(摩尔分数,如无特别说明,下同)氧化钇稳定的氧化锆(8YSZ)薄膜是固体氧化物燃料电池(SOFC)的核心部件,直接影响SOFC的输出性能。本文介绍了氧化锆电解质薄膜化工艺,详细地分析了烧结助剂、粘结剂体系以及浆料流变性对氧化锆浆料的影响,总结了流延速度、干燥环境等流延工艺参数对氧化锆流延生带厚度以及品质的作用,并对近年来氧化锆生带的先进烧结方式进行了阐述,讨论了电解质厚度及结构对氧化锆电解质薄膜致密度与离子电导率的影响,最后对流延成型工艺制备高品质的氧化锆薄膜的前景和方向进行了展望。

室内空气污染已被公认为是影响人类健康的重要因素,因此控制室内空气污染对人体健康具有重要意义。金属有机框架和碳基材料在治理室内空气污染中展示了良好的潜力。本文综述了金属有机框架和碳基材料作为吸附剂和光催化剂在室内空气污染控制中的研究进展,详细讨论了活性炭、生物炭、活性炭纤维、金属有机框架、石墨烯及石墨烯衍生物和石墨相氮化碳在室内空气污染控制中的利用现状,厘清了吸附材料和光催化材料在治理室内挥发性有机物和颗粒物中的效果,并探讨了其影响因素及存在问题。针对金属有机框架和碳基材料目前存在的问题,提出了金属有机框架和碳基材料在室内空气污染控制方面的发展方向,这将有助于开发廉价高效的吸附材料和光催化材料,为实现室内空气污染控制提供技术支撑。

多硫化物(LiPSs)的穿梭效应和迟缓的氧化还原动力学严重阻碍了锂硫电池的发展。鉴于此,本工作制备了一种负载于掺氮多孔碳(NPC)基体上的超细α-MoC纳米晶材料MoC/NPC,并通过调控碳源和钼源比例优化了碳对MoC纳米晶的限域作用。适当的MoC纳米晶尺寸和NPC含量的MoC/NPC对LiPSs具有最强的吸附作用并能够充分暴露亲硫反应活性位点,从而在有效抑制穿梭效应的同时加速Li₂S沉积形核的反应动力学。最优产物MoC/NPC-12(碳源与钼源的质量比为12)用作硫载体且负载量约1.2 mg·cm^-2时,表现出良好的倍率性能(4C,634.4 mAh·g^-1)、高放电比容量(0.2C,1 203.9 mAh·g^-1)以及优异的循环稳定性(1C倍率下循环400次的每圈容量衰减率仅为0.093%)。当硫负载量增加到3.8 mg·cm^-2时,MoC/NPC-12@S的初始放电面容量为4.7 mAh·cm^-2。本工作为锂硫电池催化剂载体材料的合理设计和优化提供了参考。

混凝土制备产生的碳排放占建筑业碳排放的28%,固碳技术成为实现“双碳”目标的关键。混凝土固碳技术是指利用CO₂与混凝土孔溶液中碱金属离子(如Ca²⁺和Mg²⁺)或水化产物的碳化反应生成稳定的碳酸盐来实现CO₂的封存。碳化反应会影响孔溶液、孔结构和水化产物的特性,进而影响混凝土的力学和耐久性能。本文围绕混凝土全寿命周期(拌合、养护、服役、二次利用),对混凝土固碳技术进行总结,对不同固碳技术的碳化机理、技术特点和固碳潜力进行了论述。拌合阶段注入CO₂可促使混凝土主动碳化,但会消耗能量并产生新的碳排放。碳化养护可提高混凝土早期强度,但致密的碳化产物限制了碳化的进一步发展。服役阶段的碳化无需人为干预,固碳潜力大,但其碳化速率较低。二次利用阶段的碳化不仅可实现CO₂封存,还可改善再生骨料的品质。对现有技术进行优化、引入新材料和新结构形式有助于提升全寿命周期混凝土的CO₂封存效率。

导电水凝胶由于优异的韧性与生物相容性,在人机交互、电子皮肤领域有良好的应用前景,然而在实际的应用场景中为了得到准确响应的信号则需要更优异的粘附性和灵敏度。本工作以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)和丙烯酰胺(AM)共聚制备了导电水凝胶材料,该水凝胶在紫外光照条件下通过巯基攻击碳碳双键快速聚合。其对猪皮肤的粘附强度达到525 kPa,对铝片的粘附强度高达817 kPa。区别于传统的制备方法,本工作在不添加任何导电填料的条件下所制得水凝胶的电导率达到1.08 S/m,且灵敏度因子(GF)达到9.28,避免了因导电填料分散不均而导致的力学性能差且灵敏度不高的问题。此外,该水凝胶有良好的抗冻性,即使在-60 ℃的条件下仍能正常工作。得益于高灵敏度和强粘附性,P(AMPS-co-AM)水凝胶可组装成柔性应力或应变传感器精确地检测人体不同部位的微小与大幅度动作,具有准确响应性和良好稳定性,在电子皮肤及柔性可穿戴设备领域有很大的应用潜力。

骨修复用钛合金-羟基磷灰石(HA)复合材料因兼具良好的生物相容性与力学性能而备受关注。材料的金属部分构成了具有良好力学性能的基体骨架,由钙磷化合物组成的非金属部分则能有效促进骨细胞生长,确保材料具有良好的生物相容性。该类材料现有制备工艺有高温烧结和搅拌摩擦焊接两大类,其中高温烧结主要包括热压烧结、无压传热烧结、放电等离子烧结、微波烧结与激光烧结。目前高温烧结存在着烧结温度低时力学性能不足与烧结温度过高时钙磷化合物热分解严重的问题,而搅拌摩擦焊接制备工艺尚不成熟。本文介绍了骨修复用钛合金/HA复合材料的上述制备工艺的工作原理与特点,分析和讨论了各制备工艺对材料的相组成、微观组织形貌、力学性能与生物相容性的影响,阐述了高温烧结机理、烧结过程是否加压等工艺因素是影响材料性能的重要原因的观点,认为对钙磷化合物影响较小的搅拌摩擦焊接和微波烧结这两种制备工艺具有较好的发展潜力,并总结了各制备工艺的优缺点与评价其发展前景,最后提出骨修复用钛合金/HA复合材料制备工艺的三个研究方向。

空间核动力是未来实现深空探测和载物运输的关键技术之一,空间核动力具有工作寿命长、机动性能好和受太空环境影响小的特点,是空间环境中可提供能量的优质能源。核燃料是空间核动力反应堆的核心部件,处于长时、高温和强辐射的服役环境,是影响空间核反应堆能否高效稳定运行的关键材料,与传统压水堆UO₂燃料存在较大不同。本文综述了以空间核电源与核推进为代表的空间核动力反应堆燃料的发展趋势与研究进展,对比分析了不同空间核动力系统燃料体系的区别,从燃料设计、工艺制备、性能分析与服役评价等方面系统阐述了影响空间核动力燃料应用的关键问题,提出了未来我国空间核动力燃料的技术方向与研究重点,为我国先进空间核动力反应堆燃料的优化设计与性能提升提供支持。

锂离子电池因高能量密度、长循环寿命、无记忆效应等特点在便携式电子器件和电动汽车中得到了广泛的应用。锗基负极材料以高理论比容量(约为碳的4倍)、低嵌锂电位以及良好的导电性(约为硅的10⁴倍)等优点成为当前锂离子电池领域的研究热点之一。近年来研究者们对其合成与改性进行大量研究并取得突破性的成功,然而锗基负极材料在循环稳定性方面仍存在诸多挑战,这主要因为锗基负极材料在充放电过程中存在严重的体积效应且界面不稳定。本文从低维度纳米化、多孔化、碳材料复合和合金化四种改性策略入手,介绍各类锗基负极材料的制备方法、形貌、结构以及电化学性能。最后,讨论了锗基负极材料改性方法和手段的研究进展以及未来研究的方向。

以药型罩为主要部件的聚能战斗部是小型智能飞行器打击装甲、地堡等目标的主要手段。本文基于药型罩的侵彻机理和“高穿深、大扩孔、强后效”的发展趋势,首先从药型罩的增效方式入手,综述了结构设计及惰性材料改性等传统方式的效果,并明确了传统增效方式在实现药型罩纵向和径向毁伤能力同步提升方面的不足;其次,对释能结构材料增强药型罩技术的研究现状进行了综述,通过相关研究说明了采用释能结构材料可有效增强药型罩综合毁伤威力,同时明确了传统释能结构材料在综合力学性能方面的不足;最后,介绍了多主元合金的基本概念及其在释能结构材料增强药型罩技术领域的应用潜力。本文既可为新一代高毁伤药型罩及其材料发展提供借鉴,也可为新型材料的应用提供新的思路。

为分析表面接枝有硅烷偶联剂KH550的石墨烯对聚二甲基硅氧烷(PDMS)性能的影响,本工作采用分子动力学的方法对纯PDMS、未接枝KH550的石墨烯改性PDMS,以及表面接枝KH550的石墨烯(接枝密度分别为6%和12%)改性PDMS进行建模,从微观角度对比分析改性后PDMS热力学性能的提升。模拟结果表明,在PDMS中掺杂石墨烯或在石墨烯表面接枝KH550后再与PDMS混合,均能改善PDMS热导率、玻璃化转变温度、自由体积、均方位移及水分子的扩散系数和结合能等热力学性能。在含水模型中,接枝密度为6%和12%的表面接枝KH550石墨烯改性PDMS相较于纯PDMS 250 K热导率分别提高25.6%和21.6%,玻璃化转变温度分别提高70 K和77 K。对比接枝KH550的石墨烯改性PDMS的含水与不含水的模型可知,水分子能够提高均方位移,降低玻璃化转变温度和减小自由体积,同时水分子扩散系数及结合能随温度与接枝密度的不同而有所差异。本研究的结果可为减少冰闪电压对电力系统影响的实验研究提供参考,同时对研发输电线路融冰、疏水性材料提供理论支撑。

锂硫电池(Li-S电池)因其高能量密度和高比容量等优势被公认为是极具前景的先进储能系统之一。但Li-S电池由于复杂的电化学反应机制,仍存在许多未被解决的难题,例如穿梭效应、过高的电化学能垒、硫的低导电性以及硫阴极体积变化等。这些问题导致锂硫电池的实际库仑效率低下、真实容量不能达到理论预期、循环稳定性难以满足使用需求,使得锂硫电池至今未能商业化。而设计合理的电池正极材料,优化功能性隔膜是较为可行的途径。二维碳基材料具有丰富的物理、化学以及电化学性质,具备非常高的可调控性。得益于这些优势,二维碳基材料在锂硫电池中逐渐得到广泛应用。本文综述了包括石墨烯、二维缺陷碳基材料、非金属掺杂碳基材料、金属掺杂碳基材料、非金属碳化物和金属碳化物等多种二维碳基材料在锂硫电池中的研究进展和性能表现,总结了目前仍然存在的一些问题,并对其未来的发展进行了展望。

吸附剂除磷是水体除磷的常用方式,镧基磷结合剂与其他磷吸附剂相比具有磷亲和性强、pH适用范围广、环境友好等优势。镧基磷结合剂中,氢氧化镧含镧量高,具有更大的除磷潜力。本研究采用沉淀法制备了纳米氢氧化镧用于水体除磷,通过正交设计得到材料最佳的制备条件为反应温度80 ℃、氯化镧溶液浓度0.12 mol·L^-1、反应时长1 h。使用透射电镜观察到制备的纳米氢氧化镧为长约65 nm、直径为5.8 nm的纳米棒。实验表明,纳米氢氧化镧可在较宽的pH范围(1~7)内有效吸附溶液中的磷,并且升高温度有利于磷吸附过程,在310 K、pH=3条件下纳米氢氧化镧的磷吸附容量可达131.11 mg·g^-1。纳米氢氧化镧磷吸附过程符合准二级动力学模型和Freundlich等温方程。X射线衍射、傅里叶红外光谱和X射线光电子能谱研究表明,纳米氢氧化镧除磷机制包括溶解沉淀、静电吸附以及磷酸盐与纳米氢氧化镧中的OH^-发生配体交换,最终形成稳定的内球配合物。

TiAl基合金以其低密度、高比强度、耐烧蚀、良好的高温力学性能等优点成为新型轻质高温结构候选材料,自20世纪70年代以来备受关注。随着各种强韧化措施的研究不断深入,TiAl基合金的室温脆性问题逐步得到了解决。TiAl基合金成功应用于航空发动机叶片、航天飞行器蒙皮、舵翼、汽车排气阀等。
然而,TiAl基合金高温抗氧化性能不足,限制了其作为高温零部件的应用。目前,主要通过整体合金化以及表面改性两种方式来改善TiAl基合金的高温抗氧化性能。整体合金化是在合金中添加Nb、Si、Mo、W、稀土等合金元素,促使合金表面形成致密的氧化层并提高氧化层与基体的结合力;表面改性主要包括表面合金化和表面涂层两种途径,表面合金化技术一般采用热扩散、离子注入、预氧化、激光表面合金化等方法,表面涂层技术是利用不同种类的涂层改善基体的表面性能,例如Ti-Al-X体系涂层、MCrAlY热障涂层、陶瓷涂层、复合涂层。
热障涂层,作为一种表面改性中的涂层材料,具有优异的抗氧化性能以及长期服役性能。当应用于TiAl基合金表面时,热障涂层能够有效提升合金的高温抗氧化性能。但两者结合也存在如下问题,热生长氧化物的过度生长导致界面失效,以及涂层与基体元素互扩散严重,导致热障涂层/TiAl合金体系长期服役性能减弱。
本文归纳并分析了TiAl基合金的高温氧化行为,分别从整体合金化以及表面改性两个方面综述了TiAl基合金高温防护的影响因素和作用机理,分析了热障涂层应用在TiAl合金表面所面临的问题并提出了改进方案,以期为提高TiAl基合金的抗高温氧化性能及发展热障涂层/TiAl合金体系提供参考。