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。

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。

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。

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。

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。

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。

针对工程应用中不可避免的振动、冲击和噪声等引起的零件失效、精度下降和结构损伤等一系列负面影响,材料阻尼性能的研究和预测显得尤为重要。碳纤维增强复合材料作为结构材料,其阻尼性能受到国内外专家学者的广泛关注。本文阐述了碳纤维增强复合材料的阻尼来源和预测阻尼性能的主要方法,以树脂基、陶瓷基、碳质基、金属基和夹层材料为例,介绍了国内外专家学者在基体改性、夹层材料和损伤破坏对碳纤维增强复合材料阻尼性能的影响方面的主要研究成果,并对碳纤维增强复合材料阻尼性能的研究进行了总结。

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。

锆基生物医用合金材料因弹性模量低、强度高、在生理环境中耐腐蚀性能好、生物相容性好等优点逐渐引起人们的关注,被用作人体硬组织替代材料。本文综述了目前Zr-Nb系、Zr-Mo系及Zr-Ti系医用锆合金的研究进展;基于生物医用材料的性能要求,概括了合金成分对医用锆合金力学性能、耐腐蚀性能、生物相容性等的影响。此外,表面改性技术是提高合金表面性能的重要手段,本文从不同的技术和功能涂层方面入手,综述了锆合金表面改性在生物医学领域的研究进展。最后,对生物医用锆合金及其表面改性技术的发展方向进行了展望,以期为生物医用锆合金的研发提供有价值的参考。

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。

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。

生物质基硬碳因成本低廉、碳源丰富而广泛应用于钠离子电池负极材料的制备。但由于生物质前驱体组分和结构特性的局限,直接碳化制备的生物质基硬碳材料电性能难以满足需求。因此,通过在特定条件下对生物质前驱体进行预处理,调整和优化生物质前驱体的组分和结构,增强其电化学性能成为当下的研究热点。本文从预处理角度出发,首先总结了近年来生物质资源化利用预处理工艺、作用以及机理,然后综述了化学法、物理法与生物法等三种生物质基硬碳钠离子电池负极材料预处理方法的研究进展,以期为后续研究者在生物质基硬碳材料预处理工艺的选择、应用上提供参考。

重稀土晶界扩散技术是目前制造高矫顽力钕铁硼磁体最重要的一种技术手段。本文简要介绍了重稀土晶界扩散的概念及用于工程化制备高性能钕铁硼磁体的应用现状,重点分析了重稀土晶界扩散技术近年来最新的代表性研究成果,提出了该技术当前亟待攻克的几个主要问题。文章对重稀土晶界扩散制备高性能钕铁硼磁材的进一步发展和工程化应用具有一定的指导意义。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

在光伏单晶硅片冲洗过程中,产生的最大应力可能导致硅片损伤,硅片上应力的分布及硅片上最大应力位置的确定对于降低硅片的损伤程度有重要意义。首先基于矩形板的Levy解模型,计算冲洗过程中不同尺寸硅片上的挠度和应力值;然后,运用ABAQUS有限元软件对硅片冲洗过程中产生的应力进行仿真。结果表明,运用矩形板Levy解模型计算时,特定比值下,当硅片的长宽比b/a=2、 1、 0.5时,最大应力值出现在自由边上(y=b)或固支边上(y=0)。当硅片宽度a固定、长度b逐渐增加时,在固支边上长宽比b/a=0.5时应力值最大,在自由边上长宽比b/a=0.9时应力值最大;当硅片的长宽比b/a=0.1～1.5时,硅片的最大应力分布在固支边上;当硅片的长宽比b/a=1.5～2时,硅片的最大应力分布在自由边上。通过最大挠度确定最大应力位置,虽然能减少大量计算,但是不够全面和准确。运用ABAQUS有限元分析得出的结果与矩形板Levy解模型计算得出的应力分布规律一致,但是应力值存在一定的误差。将矩形板Levy解模型得出的结果与莫尔理论结合,推导出硅片上冲洗压力与硅片厚度的关系公式。利用该公式,当硅片厚度确定时,能计算出硅片上承受的最大冲洗压力;当冲洗压力确定时,能得出硅片冲洗时不被破坏的最小厚度。

高熵合金作为新型合金材料,因其复杂的成分和优异的性能而备受关注。机器学习方法通过高通量处理数据计算结果,识别筛选影响高熵合金结构与性能的重要因素,达到可以快速预测高熵合金相结构、性能和优化合金成分的目的,为新型高熵合金的设计提供科学方法。本文基于机器学习辅助高熵合金研究的相关文献,对机器学习辅助高熵合金相结构预测、成分设计、性能预测及多目标优化方面进行综述。已有的研究表明,高熵合金成分是影响相结构的重要因素,机器学习模型能通过正向预测或逆向设计在高熵合金巨大的成分空间中搜索更优的成分及比例。通过机器学习分类模型结合经验特征可以有效辅助高熵合金相结构高效、高精度预测。回归模型可有效预测高熵合金的性能,高精度预测的性能可以辅助高熵合金相结构的预测。NSGA-Ⅱ算法与Pareto最优解结合可通过进行交叉变异生成多目标优化后的最优解集。机器学习模型的发展需要搭建高质量高熵合金数据库,以及构建以数据驱动为基础的高熵合金“成分-相结构-性能”关系。

人工细胞是一类具有活细胞结构和功能特性的人造微囊体,因相关研究对于探寻生命起源、构筑生物活性材料的重要意义,成为近年来材料、化学、生物医学等多学科交叉领域的研究热点。根据构筑方法是从微观到宏观尺度,还是相反地从宏观到微观尺度,构筑人工细胞的方法可分为“自下而上”和“自上而下”两大类,两者各具特色、互为补充。其中,由自下而上方法构筑的人工细胞具备更为丰富的生物分子构筑单元和灵活的功能性,因而在生物医学领域展现出巨大的应用前景。基于如上背景,本文综述了由各类方法构筑的人工细胞模型,包括脂质体囊泡、多糖囊泡、蛋白类囊泡、聚合物囊泡和无机胶体囊泡等;并根据不同种类人工细胞的功能特性,讨论了它们作为生物分子运输载体、微型反应器、生物传感器和信号调节器等在生物医学领域尤其是医学诊断和治疗中的应用现状。

由于水凝胶的含水量较高,其力学性能和耐低温性能普遍较低。通常多采用降低水含量提高水凝胶力学性能和耐低温性能,但这不利于水凝胶的应用。本工作采用一步浸泡法利用聚乙烯醇(PVA)水凝胶的Hofmeister效应诱导PVA高分子链自组装形成均匀的疏水缠结交联网络和氢键交联网络结构,结合Hofmeister效应中引入的无机盐离子与水分子的水合作用,赋予PVA水凝胶良好的机械柔韧性和耐低温性能,构建了一种具有较高机械柔韧性(断裂强度和断裂伸长率分别为25.02 MPa和935%)和耐低温性能(凝固点为-47.6 ℃)的PVA水凝胶。此外,盐离子的引入还可以同时为水凝胶的离子导电提供自由移动离子。这种综合性能优异的水凝胶可以应用于具有较宽工作温度和力学性能要求的柔性离子导电领域。

采用纤维直接喂入注射成型(DFFIM)“一步法”工艺制备了玻璃纤维增强聚丙烯复合材料(GF/PP),研究了注射速度和塑化温度对DFFIM制备复合材料性能的影响规律,并与“两步法”技术进行实验对比探究DFFIM技术的优势。结果表明:当注射速度从5 mm/s增加到45 mm/s时,GF/PP复合材料的力学性能呈现先提高后降低的趋势,在注射速度为15 mm/s时拉伸、弯曲和无缺口冲击强度分别取得最大值95.0 MPa、133.9 MPa和61.7 kJ/m²;塑化温度从205 ℃增加到250 ℃时,复合材料的力学性能逐渐提高,当塑化温度继续增加到265 ℃时,复合材料的拉伸和冲击强度增强趋势大幅降低,而弯曲强度由250 ℃时的133.9 MPa降低到132.9 MPa。与“两步法”成型技术相比,DFFIM制备的GF/PP复合材料有明显的纤维长度优势,但玻纤含量超过30%以后,其力学性能低于长玻纤增强聚丙烯(L-GFPP)粒料通过“两步法”制备的复合材料。

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。

陶瓷材料具有高硬度、耐高温、电绝缘和生物相容性等优点,是航天、机械、电子和医学等领域的理想应用材料,但传统陶瓷制备方法无法满足当下对复杂结构以及定制化的需求。熔融沉积(FDM)陶瓷3D打印技术因具有成本低、适用范围广、效率高等优点,受重视程度和研究广度日益增加。这有望解决陶瓷高效打印及复杂结构研制困难问题。本文介绍了FDM打印陶瓷材料的工艺过程,包括原料制备、挤出成型和脱脂烧结,并阐述了其在纤维增强复合陶瓷材料领域的研究现状,分析了影响打印效果与陶瓷性能的主要因素,最后对陶瓷材料FDM的应用与发展进行了展望。

为降低工程渣土再生路基填料的碳排放与成本,并提高工业固废资源化利用率,以铸余渣(单一或协同硅酸钠)为主要材料,固化工程渣土制备路基填料。试验结果显示:铸余渣相较水泥可更快将渣土脱水,并团聚渣土为加州承载比大于8%(路基在一般水文和荷载条件下的规范建议值)的填料;填料微观上可见不同发育程度的硅(铝)酸盐水化产物,但有较多孔隙,故压实填料的承载力主要依赖铸余渣颗粒的联锁效应与填料压硬性。协同硅酸钠后,渣土脱水进一步加快,填料颗粒级配与稳定性改善;硅酸钠刺激铸余渣中的硅酸二钙结晶破坏并水化为硅铝酸盐胶结和包裹颗粒,填料微观结构致密,压实后的加州承载比提高,7 d饱和无侧限抗压强度超过1 MPa;由于硅酸钠易转化为具有吸湿和膨胀性的NaHSi₂O₅·3H₂O反应凝胶,其过量掺加后会导致压实填料在高湿度下开裂,强度降低。根据试验结果和填料使用场景推荐了两种配合比,用于一般水文和荷载条件时,固化剂为渣土湿重的4.5%~6%铸余渣、3%生石灰、3%粉煤灰;在填料需要更佳水稳性和承载能力时可掺入0.2%~0.3%硅酸钠。研究所提出的填料制备方法及建议的配合比可实现工程渣土与工业固废协同处置,并降低工程建设的碳排放与成本。

热膨胀是材料在温度升高时几何尺寸增大,温度降低时几何尺寸减小的现象。目前,国内外的研究重心多聚焦于零膨胀和负膨胀材料,相比之下,对正膨胀材料的研究则显得较为稀缺。在金属材料、陶瓷材料、聚合物材料和复合材料中,聚合物材料拥有最高的热膨胀能力,其中常用的聚合物以尼龙-66(PA-66)线膨胀系数最高,在25~85 ℃时为162.3×10^-6 K^-1。在柔性传感器和软机器人等领域要求材料有更高的热膨胀能力甚至对材料热膨胀能力进行调控,热膨胀能力不适配的多种材料一起使用会造成材料表面产生裂纹或者界面剥落等缺陷,从而限制材料的应用。近年来,对提高聚合物材料热膨胀能力的研究方法大致可以分为基体优化、分子设计和结构设计三种方式。本文综述了近年来正膨胀聚合物材料的研究进展,重点介绍了分子设计和结构设计两种方法,并指出这两种方法均显著提升了材料的线膨胀系数,为后期对尺寸变化随温度变化呈线性关系的高热膨胀能力聚合物材料的研究提供文献支撑。

超高性能混凝土(UHPC)因其优异的力学与耐久性能在结构修复与加固领域具有显著的优势和巨大潜力,UHPC-普通混凝土(NC)界面粘结性能对于实现良好的加固效果至关重要。本工作基于斜剪试验,分析了UHPC强度和加固厚度对UHPC-NC界面粘结性能的影响。结果表明,UHPC与NC界面粘结性能优异,斜剪试件破坏形式多表现为NC破坏、界面和NC同时破坏。UHPC-NC界面粘结强度随着UHPC强度的提高而小幅度提升,UHPC强度等级从C100提升至C140,试件的界面粘结强度提升幅度在10.63%~14.66%之间;UHPC加固厚度对界面粘结强度影响更加显著,相较75 mm厚的试件,厚度为150 mm的试件的界面粘结强度最大可提高38%。基于试验结果建立了考虑UHPC-NC界面粗糙度、基体NC强度、UHPC强度和厚度的UHPC-NC界面抗剪强度计算公式,计算结果与试验结果吻合良好。

随着航空航天领域新型超高速飞行器及高推比发动机等装备的开发应用,颗粒增强耐热钛基复合材料由于具有轻质、耐热、高强、加工变形性能优异等特性受到研究人员的广泛关注。通过向钛合金基体中添加多元、多尺度的颗粒增强相,以控制其形成特定构型的微观组织结构是提高该类材料耐热性的有效途径之一。本文从钛合金基体选择、增强相调控方式、复合材料的制备技术等方面综述了目前国内外颗粒增强耐热钛基复合材料的研究现状,并结合先进制造技术提出该类复合材料的研究展望。

石墨烯/热固性树脂是以石墨烯粉体作为增强体、热固性树脂作为基体构成的复合材料。石墨烯粉体的添加可以显著增强热固性树脂的力学、抗烧蚀、电学、耐腐蚀和耐磨性能。石墨烯粉体的有效分散是提升热固性树脂性能的关键。利用表面改性和合理的混料方式可以显著提高石墨烯在树脂基中的分散程度。同时,如何对基体内石墨烯粉体的分散程度进行表征,也是石墨烯/热固性树脂复合材料制备的关键。本文综述了石墨烯粉体的表面改性技术、石墨烯粉体与树脂的混合方式、石墨烯粉体分散程度表征手段以及石墨烯粉体对热固性树脂复合材料宏观性能的影响和机理,并展望了石墨烯/热固性树脂复合材料未来的发展方向。

水泥熟料粉磨能量有效利用率不足60%,大量以热能方式损耗。水泥混凝土中大量使用的聚羧酸减水剂(PCE)合成又需要消耗能量。利用水泥粉磨损耗能量原位合成PCE,制备具有自减水性能的水泥,是降低水泥和减水剂生产能耗的创新途径。本工作根据机械力化学合成原理,将PCE的单体掺入到水泥熟料粉磨过程中,利用粉磨过程的机械能和热能合成PCE,制备具有自减水性能的新型水泥,测试了PCE原料配比对水泥粒径和净浆流动度的影响。采用结合激光拉曼光谱和热分析方法表征了PCE在水泥表面的状态。结果表明,PCE合成原料可以在粉磨过程中发生反应并吸附在水泥颗粒表面,与空白组相比,在最佳原料配比下,相同粉磨时间自减水型水泥平均粒径减小21.5%,初始流动度提升110.0%,3 d抗压强度提高20.3%,28 d抗压强度提高15.9%,累积放热量降低17.1%。结果表明利用水泥粉磨能量原位合成PCE能够起到助磨和减水作用。

耐热合金因其优异的抗氧化性能在高温领域具有重要的应用,其中镍基和铁基耐热合金的应用更为广泛。随着“双碳”战略目标的提出,航空航天及能源技术不断发展使耐热合金的服役环境更加苛刻,这对耐热合金服役性能提出了更大挑战,因此亟需开发具有更优异高温抗氧化性能的新型耐热合金。合金化元素Al所形成的Al₂O₃膜具有较低生长速率、较高致密性及优异的热稳定性,因此含Al耐热合金成为近年来的研究热点。本文通过系统梳理相关研究成果,比较了3种抗氧化元素所形成保护性氧化膜的优劣,回顾了含Al耐热合金的发展历程,归纳了影响含Al镍基和铁基合金氧化行为的关键因素,总结分析了其高温氧化的微观机制并归纳了共性规律。最后,对含Al耐热合金现阶段存在的问题及未来发展方向进行了展望。

聚丙烯(PP)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)复合材料具有良好的力学性能和耐热性,但PP与PMMA相容性较差,导致材料力学性能和热稳定性受限。本工作采用乳液聚合法制备了尺寸约118 nm的聚苯乙烯共聚甲基丙烯酸甲酯/聚苯乙烯(P(St-co-MMA)/PS) Janus不对称乳胶纳米粒子(P(St-co-MMA) Janus NPs),将其以不同比例添加到PP/10% PMMA和PP/30% PMMA体系中,经熔融共混、注塑成型技术得到PP/PMMA/P-(St-co-MMA) Janus NPs复合材料,并进行了相关表征分析。结果表明,引入的P(St-co-MMA) Janus NPs分散在PP/PMMA复合材料中的两相界面处,其可显著改善复合材料的力学性能和热稳定性能。PP/10% PMMA/0.9% P(St-co-MMA) Janus NPs相比PP/10% PMMA,冲击强度和拉伸强度分别提高15.53%和14.03%;PP/30% PMMA/0.9% P(St-co-MMA) Janus NPs相比PP/30% PMMA,冲击强度和拉伸强度分别提高37.09%和32.35%,且热失重5%和50%对应的温度(T₅和T₅₀)分别升高39.51%和33.37%。P(St-co-MMA) Janus纳米粒子对PP/PMMA复合材料的增强作用归因于其能够阻碍相分离、增强界面结合等。

由氨基酸N-羧酸环内酸酐开环聚合得到的聚氨基酸材料是一类重要的生物医用材料。通过功能化单体和聚合后修饰的设计,能够赋予聚氨基酸材料针对内源性和外源性刺激的响应性,使其能够特异性地对组织微环境做出结构响应,实现偶联或包载药物的选择性释放。因此,刺激响应性聚氨基酸材料在药物递送、组织工程、免疫调节和抗菌等生物医学领域具有广泛应用。迄今为止,国内外学者们通过合理的聚氨基酸材料结构设计,实现了针对不同刺激、多种模式的载药纳米颗粒的结构改变,并成功将其应用到癌症等疾病的诊疗中。本综述从聚氨基酸的刺激响应化学出发,总结归纳了不同生理环境下不同模式的纳米药物设计及其在生物医学领域的应用,并对刺激响应性聚氨基酸材料领域的发展提出了自己的理解。

离子液体(Ionic liquids,IL)作为一种创新的环保绿色溶剂,具有可调控的物理化学性质、广泛的溶解能力、较好的生物相容性以及卓越的离子导电性,使得其作为结构导向剂、反应溶剂、还原剂和溶剂等在纳米材料制备领域得到了广泛的应用。本文针对不同种类的离子液体在纳米材料制备与改性领域的突出性能,详细阐述了离子液体在纳米材料制备领域的应用,分析了离子液体在金属、金属氧化物、碳纳米管和纳米纤维素等纳米材料制备中的应用进展,同时对离子液体在调控纳米材料的稳定性、形貌以及性能等方面的功能特点进行了总结,为未来离子液体在纳米材料制备方面的应用提出了新的建议,指出离子液体精确调控制备特定功能的纳米材料是未来的重要研究方向。

本文简要介绍了电火花沉积(ESD)技术的原理及优点,并详尽阐述和总结了相关工艺参数对电火花沉积涂层性能的影响。综述了近年来传统电火花沉积工艺的改良措施,以及电火花沉积与其他表面技术结合的复合工艺技术。最后,对电火花沉积工艺的发展趋势进行了展望。

为响应“双碳”目标,推进能源绿色低碳转型,锂离子电池在新能源领域得到了广泛的研究与应用。传统铝箔集流体与正极活性物质粘附性弱且在电解液中的耐蚀性差,容易生成氧化铝膜,从而影响锂离子电池的使用寿命。涂碳铝箔能够有效提高其与正极活性物质的粘附性,抑制电池极化,降低电池内阻,改善电池的倍率性能和循环性能,在锂离子电池领域应用前景广阔。本文基于最新研究成果,系统地介绍了铝箔的制备工艺,阐述了铝箔常用的表面处理方法及其对后续涂碳层的影响,总结了典型的涂碳工艺与涂碳材料,展望了未来涂碳铝箔的研究重点与发展趋势,为涂碳铝箔的发展和工艺研究提供参考。

我国的钛矿资源约占全球钛资源储量的1/3,但主要以钛、铁共生的原生钛(磁)铁矿形态存在,高效利用的工艺复杂,难度大。本文综述了钛铁矿提取TiO₂并制备钛白粉的工艺现状,分析了各种方法的特征及优缺点。分析表明,制备方法主要有硫酸法、盐酸法、氟化法、亚熔盐法及碱性焙烧法。硫酸法对原料的要求较低,是我国生产钛白粉的主流工艺,但存在生产流程长、产品质量偏低、副产物难处理以及三废排放等问题。盐酸法采用萃取工艺分离铁,存在钛铁共萃以及盐酸易挥发导致设备腐蚀的问题,还存在萃取剂的价格高和回收利用难等缺陷。氟化法采用NH₄F或 NH₄HF₂为浸出剂,具有反应条件温和的优点,但存在设备腐蚀问题。亚熔盐法采用高浓度的KOH液相介质分解钛铁矿,虽然反应条件较为温和,三废排放也较少,但存在亚熔盐消耗量大、碱液循环利用难度大的缺陷。碱性焙烧法采用弱酸分解焙烧后的钛铁矿,工艺上具有优越性,但存在碱性物质消耗大、成本高的问题,仍处于研究阶段。以钛铁矿为原料制备钛白粉,仍需要优化和完善传统工艺,并加大新工艺研发投入,以消除现有制备方案的缺点,促进钛白粉行业的健康发展。