仿生层状碳纳米材料增强金属基复合材料的制备方法

以碳纳米管(carbon nanotube, CNT)和石墨烯(graphene)为代表的新一代碳纳米材料,由于其优异的力学性能和独特的结构而成为金属基复合材料的理想增强体。材料复合化可以提高金属材料的强度,但是会导致"强韧性倒置"的矛盾,从而限制高性能复合材料的开发及其在工业上的应用。启迪于自然界贝壳珍珠层的"砖-泥"结构,进行仿生层状构型设计,是解决这一问题、制备轻质高强超韧复合材料的有效手段。文章就国内外仿生层状碳纳米材料增强金属基复合材料的制备工艺进行综述并提出一些思考。     

纳米碳复合材料的结构设计和功能仿生

高含量纳米碳复合材料能够更好地体现碳纳米管等纳米材料自身的性质.借助自然材料的结构设计和整合思想,使得高含量的纳米碳组装结构体及其复合材料具有结构的合理化、性能的优异化、材料的可控化和应用的高效化,这种方法也将成为未来纳米复合材料发展的重要方向.本文主要介绍了高含量仿生纳米碳复合材料加工过程、结构和界面的仿生设计思想,以及其在仿生智能驱动中的应用进展.     

颗粒增强材料热应力分析的空间周期函数法

陶瓷增强金属基复合材料、复相陶瓷等材料自制备温度冷却下来时,不可避免地要产生热应力.这种热应力对材料的力学性能有着重要的影响,因此,陶瓷增强金属基复合材料和复相陶瓷中热应力问题的研究已引起这一领域科学工作者的普遍重视.迄今有关的研究工作主要是以增强相(颗粒等)嵌入到空心基质模型为基础的,这种模型对于从整体上认识复合材料的热应力分布和增强体间相互作用等显得有些不足.本文建立了一个弹性模量和热膨     

三维连续网络结构增强金属基复合材料及其制备

在金属基复合材料中引入了三维连续网络结构增强相的概念并给出了制备这种特殊结构复合材料的一种方法,以Ａｌ－ＴｉＯ２－Ｃ系为例,对利用自蔓延高温合成方法（ＳＨＳ）制备的Ａｌ２Ｏ３－ＴｉＣ多孔连通网络陶瓷骨架进行真空高压浸渍Ａｌ液获得这种复合材料的整个制备过程进行了研究。     

仿贝壳珍珠母层状复合材料的制备及应用

贝壳珍珠母是一种典型的无机/有机复合生物材料,通常位于软体动物盔甲的内层来抵御捕食者的捕食和外力的侵扰,体现了优异的力学性能,实现了强度和韧性的完美结合.它由95%(体积比)的文石碳酸钙和5%(体积比)的生物高聚物规则堆叠而成,呈现出独特的"砖泥"结构,其优异的力学性能和这种独特的结构有重要联系.因此,贝壳珍珠母常被用来作为仿生材料设计的模板,引起了化学家、材料学家和生物学家的强烈关注.本文详细介绍了贝壳珍珠母的多尺度微观结构及其增强增韧机制;以仿生复合材料中无机物的种类作为分类依据,系统地总结了仿贝壳珍珠母层状复合材料的发展现状;从仿贝壳珍珠母层状材料的性能出发,探讨了其在轻质高强、阻燃、气障、传感器和超级电容器等领域的应用;简要地总结了现阶段仿贝壳珍珠母层状复合材料的发展优势以及遇到的挑战,为新一代仿贝壳珍珠母材料的研究提供依据.     

仿生结构及其功能材料研究进展

种类繁多的生物界经过45亿年长期的进化其结构与功能已达到近乎完美的程度, 实现了结构与功能的统一, 局部与整体的协调和统一. 仿生设计原理为创造新型结构及功能材料提供了新的方法和途径, 向自然学习是新材料发展的重要源泉. 近年来, 仿生结构及其功能材料受到越来越多的关注, 本文结合作者课题组的相关工作, 就光子晶体材料、仿生空心结构材料、仿生离子通道、仿蜘蛛丝超韧纤维、仿生特殊浸润性表面、仿生高强超韧层状复合材料、仿生高黏附材料及其他仿生材料的研究现状进行简要的综述, 并概要展望了其发展趋势.     

仿生石墨烯纳米复合材料及其在电子器件领域的应用

日益流行的柔性电子器件要求在反复变形状态下,材料仍能保持优异的力学和电学性能.而石墨烯作为一种二维(two dimensional,2D)碳纳米片,具有独特的力学和电学性能,成为构筑此类柔性电子器件的首选基元材料.然而,如何将石墨烯纳米片组装成高性能的石墨烯纳米复合材料,仍然存在巨大挑战.天然鲍鱼壳因其内部有序规整的层状结构和丰富的界面相互作用,而具有综合优异的力学性能.这种独特的界面结构设计,为2D纳米片仿生组装提供了新的思想源泉.本文按照"有所发现,有所发明,有所创造"的学术研究思路,总结了最近几年国内外课题组关于仿生石墨烯纳米复合材料(bioinspired graphene-based nanocomposites,BGBNs)的研究进展;分析了石墨烯层间不同的界面相互作用;详细讨论了基于协同效应,仿生构筑强韧一体化石墨烯纳米复合材料的策略;重点阐述了BGBNs的拉伸强度、韧性以及电导率等基本物理性能.最后,本文也简单概括了BGBNs在柔性电子器件领域的应用和潜在的挑战,并展望了BGBNs未来的发展方向.     

颗粒增强铝基复合材料的制备及力学性能

简要介绍了金属基复合材料的分类和发展现状,并重点介绍了颗粒增强铝基复合材料的几种常用制备方法,包括搅拌铸造法、挤压铸造法、液态金属浸渗法、粉末冶金法、喷射沉积法和比较新颖的原位反应复合法;同时综述了颗粒增强铝基复合材料力学性能的研究进展,包括实验进展、理论模型和模拟的进展;最后展望了颗粒增强铝基复合材料的发展方向。     

天然树木和竹子纤维材料的力学性能及仿生研究进展

大自然中的天然生物纤维材料通常具有成分简单、结构精细、高强高韧和低摩擦系数等特性,是新材料设计的灵感源泉.仿生纤维复合材料在现代工业中有广泛的应用.揭示生物纤维复合材料的纤维素纤维丝分布、角度和密度以及界面结构、结合方式与力学性能、摩擦磨损性能之间的相互关系及机理,对相关材料仿生具有重要指导意义.树木和竹子是典型的具有优异力学性能的生物纤维复合材料,广泛被应用于各种传统建筑和舰船部件.本文对以树木和竹子为典型代表的生物纤维复合材料,及其仿生复合材料的纤维特征、力学性能和摩擦磨损性能在近期研究进展进行了综述,以期为相关仿生高强度、耐磨复合材料的设计、制备提供参考.     

碳基纳米材料电催化氮气还原合成氨研究进展

以可再生电能为能源, H2O为质子和电子源,温和条件下将氮气(N2)还原为氨气(NH3)将成为替代传统高能耗合成氨工艺(Haber-Bosch方法)的有效途径之一. N2分子的高反应活化能和析氢反应(hydrogen evolution reaction,HER)导致的产NH3速率和法拉第效率低,是目前电催化氮气还原(nitrogen reduction reaction, NRR)合成NH3面临的主要挑战.过渡金属基催化剂可通过反馈π电子过程吸附、活化N2分子,然而d轨道电子同样有利于质子吸附,进而促进HER竞争反应,导致合成NH3法拉第效率降低.碳基纳米材料因其出色的电导率、优异的化学稳定性以及可调的电子结构、形貌特征,成为当前电催化NRR合成NH3领域的研究热点.结合上述研究工作,本文从电催化NRR合成NH3机理出发,介绍了碳基纳米材料的种类和结构,重点综述了碳基纳米材料电催化NRR合成NH3活性提高策略,包括杂原子掺杂、单原子活性中心设计、缺陷工程.最后总结了该领域目前存在的问题与挑战以及未来发展趋势.     

纤维增强陶瓷基复合材料与金属钎焊研究进展

纤维增强陶瓷基复合材料在高温使役性能方面表现出超越传统陶瓷材料的优异性能，与金属的连接构件在航空航天、核能、化工等高温系统中应用潜力巨大。纤维增强陶瓷基复合材料与金属的连接技术被广泛研究，钎焊是实现二者连接的最佳选择。文章重点论述钎焊纤维增强陶瓷基复合材料与金属所面临的挑战和科学问题，列举C_f/C、C_f/SiC和SiO_2f/SiO₂三种研究最为广泛的纤维增强陶瓷基复合材料与金属的钎焊实例，讨论钎料润湿行为、界面反应调控和接头应力调节的最新研究成果。可靠连接技术的发展，将会推动纤维增强陶瓷基复合材料的研究和应用。     

石墨烯在锂离子电池材料中大有可为

锂离子电池是一种典型的可充电电池,在储能技术领域占主导地位,应用极为广泛。近年来,科技发展对锂离子电池提出了更高要求,包括高能量密度、高安全稳定性等,驱动着电池材料与结构不断创新发展。研制石墨烯基复合正极负极材料,是极为活跃的方向。在此,对锂离子电池的结构、面临的突出挑战以及石墨烯基正极和负极材料研究前沿进行了介绍,重点围绕石墨烯增强电极材料电学特性的基本原理和复合材料制备技术作了阐述,也提出了未来发展动向。     

高压烧结致密非晶SiBCN块体陶瓷的组织结构演化与力学性能

非晶SiBCN陶瓷是一类独特的结构材料，具有低比重、高比强度、优异的高温损伤容限等特殊结构和性能，因此在高温防热结构部件上极具应用潜力。通过合理的结构与化学成分协同设计，可探索陶瓷形貌/微观结构演化及断裂行为的基本特征，从而进一步提高其力学性能，以满足实际应用需求。因此，文章以石墨、六方氮化硼、立方硅和硼等元素粉末为原料，提出了采用机械合金化结合高压烧结技术(1 000 ^oC/3~5 GPa/30 min)制备致密非晶Si₂ByC₂N(y=1.5~4)块体陶瓷的方法。通过XRD、SEM、TEM、TG等表征手段，研究了烧结压力诱导该系非晶陶瓷的组织结构演化、相变及热稳定性，并对其力学性能，特别是断裂行为进行了详细讨论。结果表明，提高烧结压力促使陶瓷基体由完全非晶态向晶态转变，部分块体陶瓷由大量非晶相、少量c-Si和/或t-BN(C)纳米晶相组成，显示出依赖于硼含量的物相组成。高压烧结有效地促进了陶瓷的烧结致密化，导致材料内自由体积的湮灭和“河流状”断裂形貌的产生。随着烧结压力的提高，陶瓷材料的体积密度、纳米硬度和杨氏模量单调增加。在相同烧结条件下，硼含量的增加削弱了非晶Si₂ByC₂N(y=1.5~4)块体陶瓷的力学性能和热稳定性。1 000 °C/5 GPa/30 min烧结制备的致密非晶Si₂B_1.5C₂N块体陶瓷的体积密度、纳米硬度和杨氏模量分别为2.69 g/cm³、33.6±2.2GPa和414.2±16.5 GPa。     

金属衬底上石墨烯生长机理研究进展

石墨烯作为一种新型的二维碳材料,在高性能纳米电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域具有非常重要的应用前景.然而,大规模可控合成高质量的石墨烯仍然面临巨大的挑战,其中比较有效的方法之一是在金属衬底上生长石墨烯.本文总结了近年来在金属衬底上生长石墨烯的机理研究方面取得的重要进展,从初始阶段、成核阶段、长大过程3个方面进行了介绍,最后还介绍了氢气在石墨烯生长过程中所起的重要作用,以期对石墨烯生长机理的深入研究及大规模可控制备提供帮助.     

Study Progress of FRP Rebars in Concrete Structures

Fiber reinforced plastics (i. e. FRP) rebars are one kind of high-performance composite materials used in concrete structures of civil engineering. Compared with ordinary steel rebars, FRP rebars have the characteristics of high tensile strength, antisepsis, light weight, low elastics modulus and low shear strength, et al. At present time, FRP rebars have been studied and applied in Europe, America and Japan. Since 2000, in the Fund of NSFC, we systematically carried out experimental and theoretical studies on FRP rebars. The progress of our research is briefly introduced in this paper.     

纳米材料的安全性研究及其评价

随着纳米材料和纳米技术的迅速发展和广泛应用, 人们接触不同种类的纳米材料的机会大大增加. 纳米材料与人体接触会不会引起不良的后果? 纳米材料对环境是否有危害? 当纳米材料和纳米技术与人类的关系越来越紧密的时候, 其引起的伦理学、社会和法律问题也越来越引起人们的关注. 本文就纳米安全性研究以及相关的一系列伦理学问题, 结合国内外各研究机构的实验结果和流行病学调查资料, 从纳米材料本身的安全性、纳米材料合成及使用过程中涉及的其他物质与纳米材料的共同作用、纳米材料暴露的安全性评价、纳米材料的风险评估以及纳米材料和纳米技术的有力监管5 个方面, 简要阐述如何正确认识纳米材料和纳米技术的安全性.     

超临界流体技术制备有序材料研究进展

超临界流体由于其特殊的性质, 是制备在纳米及微米尺度范围有序结构的一种良好的溶剂, 其中包含超临界二氧化碳. 超临界流体根据其特殊性, 可扩展“自上而下”的方法, 包括沉积法、清洁法、刻蚀法和表面修饰法, 从而达到最精细的雕琢. 当采用“自下而上”的方法时, 由于二氧化碳分子与聚合物的相互作用, 尤其是与嵌段共聚物模板的作用, 可促使完全的结构精细化, 因此超临界流体中纳米粒子和纳米线的合成近年来发展迅速, 由此制备的有序结构材料在微电子、探测技术、能量转换等领域显示了令人欣喜的应用前景. 本文就有关领域, 对超临界流体技术的基础及其应用进行了评述.     

Growth of Magnetite Nanoparticles under Magnetic Fields

1 Introduction Over the past several years, the preparation and characterization ofnanoscale magnetic materials, especially one-dimensional (1D) nanostructure, have attracted much attention as the nanomaterials would allow investigating the fundamental aspects of magnetic-ordering phenomena in magnetic materials with reduced dimensions and could lead to new potential applications such as data storage technology[1-6].