水热条件下二氧化钛晶体同质变体的形成

以二氧化钛为对象,对水热条件下晶体同质变体的形成过程进行了研究.根据实验结果和理论分析,可将水热条件下晶体同质变体的形成过程概括为一个"基元过程”,它包括了生长基元的形成、生长基元之间的聚合反应导致晶核的形成、晶粒的生长等基本阶段.环境相与生长条件对同质变体形成的作用主要体现于生长基元结构的不同.例如,改变反应介质的酸碱度,水热反应体系中稳定能最高的生长基元的结构不同,这是不同水热条件下可以制得二氧化钛不同变体的原因.生长基元在不同晶面族上的吸附、运动、结晶或脱附主要与晶相结构有关.晶相内部缺陷的形成又与过程受到干扰有关.     

水热反应条件二氧化锆同质变体的形成

直接选用氧氯化锆水溶液为前驱物,经水热反应得到粒度小且分布窄的单斜相二氧化锆晶粒. 但是,无论直接选用锆盐水溶液中加碱液得到的胶状沉淀为前驱物,还是将得到的沉淀进行分离、清洗及干燥后作为前驱物,水热反应产物都是单斜相和四方相变体的混合物. 随着介质pH值的增大,产物中四方相变体的含量、晶粒生长形态及粒度均发生变化. 水热条件下晶粒的形成分为“均匀溶液饱和析出机制”、“溶解_结晶机制”和“原位结晶机制”3种类型. 水热反应条件（如前驱物形式、介质的酸碱度等）的改变,使得晶粒的形成依据不同的机制进行. 这是产物物相、晶粒生长形态和粒度发生变化的原因.     

KDP晶体生长基元与形成机理

从结晶化学角度出发,研究ＫＤＰ晶体的生长基元和形成机理,研究了固－液界面边界层在不同面族上厚度的变化,并采用Ｒａｍａｎ光谱对生长过程中溶液结构的变化进行实时观察,发现边界层处溶液结构怀晶体结构相似,提出晶体生长基元为「Ｈ２ＰＯ４」＾－。     

二氧化钛晶粒的水热制备及其形成机理研究

进行了ＴｉＯ２晶粒水热制备实验,水热条件下ＴｉＯ２晶粒同质变体的生成与反应介质酸碱度,前驱物有关,从“生长基元”模型出发,建立了ＴｉＯ２晶体各同质变体相应生长基元的空间格点图,进行了反应介质酸碱度不同情况下生长基元稳定能计算,结合制备实验结果,对水热条件下ＴｉＯ２晶粒同质变体的形成进行了讨论。     

水热条件下晶粒的聚集生长(Ⅱ): 氧化亚铜晶粒生长形态及其稳定能计算

报道了水热法制备氧化亚铜晶粒的实验结果. 大部分晶粒呈长柱状, 间有长柱状晶粒沿某些特定方向联生而成的晶粒, 包括6个线度基本等长的柱状晶粒沿3个相互垂直的方向联生而成的晶粒, 锥面在柱体顶端显露. 这表明在晶粒的形成过程中, 发生了由于某些显露的晶面之间结构相容而使得晶粒取向连生为主要内涵的第2类聚集生长. 从氧化亚铜晶体结构出发, 选定了其生长基元的基本结构单元, 通过各类基元稳定能的计算, 确定正方柱状和三轴生长基元为有利生长基元. 第1类聚集生长在水热条件下晶粒生长过程普遍存在, 但是, 并不是所有的晶粒都能在水热条件下发生第2类聚集生长. 晶粒是否可发生第2类聚集生长取决于其自身的结构.     

无机功能晶体材料的结晶过程研究

功能晶体材料作为光、声、电等转换的重要介质,已经被广泛应用于能源、信息、航空航天等高新技术领域,是目前国际材料科学与工程学科发展的热点和前沿课题.结晶过程是制备功能材料的核心环节,结晶习性直接影响材料的光、电、磁、催化等功能特性.在无机材料的结晶过程中,晶体组成在微观上经历了从自由态离子到结晶态固体的相变过程.可以借助晶体组成离子的电负性及基团微观对称性的变化,研究结晶过程中聚集体的形成和结构演变规律.利用分子振动光谱能够从分子尺度上揭示非线性光学晶体材料在水溶液结晶过程中结晶学结构的形成过程,克服了传统原位观测手段中缺乏对非长程有序结构的确定.利用结晶生长的化学键合理论从热力学和动力学两个方面指导大块晶体的生长实践,合理调控晶体的生长表/界面热力学和动力学.将结晶生长的化学键合理论应用到大尺寸晶体提拉生长参数的设计和优化,成功搭建了大尺寸晶体智能生长系统,并成功生长了φ2″蓝宝石晶体、φ3″YAG晶体和φ4″铌酸锂晶体.     

高温应变下的亚晶界湮没与位错旋转机制的晶体相场模拟

采用先进的晶体相场模型,分别模拟了不同高温条件下的小角对称倾侧晶界,在施加应变下的晶界分解和亚晶界湮没的过程.研究表明:对于不靠近固-液共存温度的高温(T1)预熔化样品,施加应变下的晶界位错发生滑移运动,生成亚晶界和新的晶粒.随后,具有相反Burgers矢量的位错亚晶界相向运动,新晶粒不断吞噬旧晶粒而长大,最后发生亚晶界相遇湮没,亚晶界和预熔化区域消失,双晶转变为完整单晶.对于靠近固-液共存温度的高温(T2)预熔化样品,在应变作用下,生成的亚晶界相向运动,当接近到一定距离时,形成位错对偶极子,发生亚晶界位错结构二次转换,之后亚晶界运动反向,往回迁移运动,最后与另一列返回的亚晶界相向靠近,相互作用转变成"之"字形的亚晶界,然后湮没消失,整个体系转变为单晶.对于高温T2预熔化亚晶界,在应变作用下,形成位错对偶极子的过程中,偶极子的2个位错对的预熔化区域开始扩张、连通,形成近似棒状区域.这一过程的实质是高温预熔化区内部的原子晶格变软,使得在应变作用下,原子排列可以较容易的发生滑移和扭转变形,发生了不同类型的位错相互作用,出现了位错萌生、形核和增殖,位错分解和湮没等一系列位错反应,由此引起了位错的Burgers矢量方向的改变和亚晶界位错类型交换.     

配位多面体生长机理模型与晶体的生长习性

从阴、阳离子在界面上互相配位的角度介绍一种新的生长机理模型——配位多面体生长机理模型. 指出了生长基元进入晶格的驱动力为离子之间的静电引力,其相对大小由界面上的离子络合母相中一个离子后的静电键强近似测定.讨论了NaCl,ZnS,CaF₂和CsI晶体的生长习性,提出了一种新的生长习性规则. 即当晶体的生长速度由台阶产生速度决定时,晶体的生长习性与晶体结构中配位能力最小的离子在界面上的配位数有关,离子在界面上的配位数越小,该晶面的生长速度越快. 当晶体生长依靠台阶移动速度时,晶体的生长习性与晶体结构中配位能力最小的离子在界面上的密度有关,在界面上离子的密度越小,该晶面的生长速度越快.     

热液条件下BaTiO3纳米晶的形成机理

研究了热液条件下ＢａＴｉＯ３纳米晶的生长基元与结晶习性，提出ＢａＴｉＯ３的生长基元为Ｔｉ（ＯＨ）６＾２－八面体，表面均ＯＨ＾－化，通过对溶液中ＯＨ＾－量的测定和在高压釜内加直流电场的实验，得出了溶液中电流强度的变化和晶体形貌之间的关系。根据对生长基元稳定能的计算得出了不同条件下有利的生长基元和晶粒结晶形貌之间的关系，从结晶化学角度提出锐钛矿与ＢａＴｉＯ３的结构具有相似相容性，从而合理地解释了在常温     

利用光子晶体抑制大气窗口发射辐射的优化设计及实验研究

利用传输矩阵法讨论了光子晶体对大气窗口（8～14μm）内发射辐射的抑制作用.根据材料的光学特性,选择了Ge与ZnS作为光子晶体的组成材料.对光子晶体的结构进行了优化,优化值为Ge与ZnS的厚度分别为0.63和1.11μm,光学厚度比为1：1,周期数为8.利用蒸发镀膜制备了光子晶体,并对制得的光子晶体的光学性质进行了测定,验证光子晶体对大气窗口发射辐射的抑制作用.     

球状晶体的演化和形态稳定性

建立了在过冷熔体中包括表面能、界面动力学和远场来流的球状晶体生长模型, 研究了在小的远场来流引起的熔体对流对球状晶体界面的演化和形态稳定性的影响, 导出了受远场来流作用的界面表达式和扰动振幅的变化率满足的色散关系. 结果表明: 远场来流导致的对流使得正在生长的球状晶体的界面在迎风方向加速生长, 在背风方向减缓生长; 正在衰减的球状晶体的界面在迎风方向加速衰减, 在背风方向减缓衰减. 迎面来流的方向球状晶体的生长和背向来流的方向球状晶体的萎缩使得球状晶体倾向于演变为卵形. 理论结果证实了熔体的对流促进球状晶体的生长和衰减; 界面的稳定性取决于球状晶体半径的某个值, 使得当球状晶体的半径超过临界值Rc时, 球状晶体的生长是不稳定的; 当半径低于临界值Rc时, 球状晶体的生长是稳定的; 表面能和界面动力学系数对于球状晶体的生长有强烈的稳定作用. 同时当界面生长时, 界面动力学系数是界面的稳定性因素; 当界面衰减时, 它是界面的不稳定性因素.     

南越王宫遗址出土罕见巨型釉砖的科技研究

在我国古代建筑材料史上, “秦砖汉瓦”享誉全世界. 根据以往的考古资料, 规格较大的空心砖在一般情况下, 长约1 m, 宽约30~40 cm, 而实心方砖的尺寸则一般要小得多. 但在广州老城区中心发现的 2000 年前的南越国宫苑遗迹中, 发现了各种规模宏大构造精妙的建筑遗迹, 出土了大量颇具特色的陶质建筑材料构件, 尤其是一些西汉时期的纹饰和造型各异、但厚度和尺寸惊人的实心釉砖, 其中尺寸大的方砖可达1米见方, 厚度也达20多厘米, 重量达500 kg, 被考古发掘者称为“天下第一砖”. 这些即使在现代也具有一定制作难度的巨型釉砖, 在当时的工艺技术条件下是如何制作的, 引起了人们的极大关注. 受广东南越王宫署博物馆及相关部门的委托, 中国科学院上海硅酸盐研究所开展了相关的研究工作, 通过系统的科技测试分析, 从大砖的组成、结构以及各种物理性能等方面研究了其物理化学形成机理, 并探讨了其技术特点和成就.     

二维四方排列半圆铝管／空气声子晶体的禁带特性

采用时域有限差分法,分析了声波在二维四方排列半圆铝管,空气组合声子晶体中的禁带特性．通过对半圆铝管壁厚、旋转角度的计算,得到了比整圆铝管结构具有更宽完全禁带的半圆铝管结构,并利用实验测试验证了理论分析的正确性．分析了不同凹形截面散射体沿IX方向的禁带特性,指出了半圆管形散射体在实现最大禁带宽度方面的优越性．     

不同粒径聚苯乙烯微球的制备及其胶体晶体的组装

通过控制聚合反应时间、体系离子强度、离子共聚体(苯乙烯磺酸钠)浓度等因素,采用无皂乳液聚合方法,成功制备了单分散性聚苯乙烯(PS)胶体微球,并使之形成面心立方(fcc)密堆积为主的胶体晶体.利用FDTD方法计算了胶体晶体表面的显色特性,和实验结果相符.     

应用于热光伏电池的一维Si／SiO2光子晶体滤光器研究

光谱控制方法被广泛应用于热光伏系统以提高系统的热电转换效率．针对锑化镓（GaSb）电池热光伏系统的光谱控制要求,选用Si和SiO2设计了8层一维光子晶体滤光器结构;重点结合滤光器与高温辐射源辐射光谱功率分布和GaSb电池量子效率的匹配,对设计结构加以改进优化得到最佳匹配滤光器结构;采用光学镀膜技术加工了滤光器结构,并测试其光谱特性,根据测试结果计算滤光器的光谱控制效率、系统转化效率和能量密度．最后,测试了滤光器的抗高温性能．     

高速切削中切削速度对工件材料力学性能和切屑形态的影响机理

首先根据不同应变率阶段金属材料的塑性变形机制,分析工件材料强度和塑脆性随切削速度提高的变化规律,通过理论计算说明这种变化对切屑锯齿化的作用机制,揭示不同切削速度下产生不同形态切屑的控制机理;然后,在40~7000m/min切削速度范围对Inconel718,AerMet100,7050-T7451进行直角切削实验,分析切屑形态及工件材料脆化现象,验证随切削速度提高工件材料脆化及相应的切屑形态;最后,根据切削速度与切屑形态的对应规律,提出基于切屑形态的切削速度阶段划分方法.研究表明：随切削速度提高,材料强度提高、塑性降低,使得主变形区材料易于发生热塑性剪切失稳和断裂失效而使切屑锯齿化;对一般塑脆性金属材料,随切削速度提高,第一变形区材料热塑性剪切失稳的发生早于断裂失效的发生;对同一种工件材料,可根据切屑形态将切削速度划分为普通切削速度阶段、高速切削速度阶段、超高速切削速度阶段.     

银凝固过程中亚临界晶核和晶体团簇的分子动力学模拟

用分子动力学模拟方法研究了冷却速度对银最终构型的影响规律．通过分析银的径向分布函数、HA键对和最大晶体团簇中的原子数,确定出了银凝固后形成非晶的冷却速度．在此基础上,研究了周期性边界条件下银在凝固过程中亚临界晶核和晶体团簇的平衡结构．结果表明：在一定的冷却速度范围内,银熔体凝固后得到的组织是晶体团簇与非晶的混合体,最大晶体团簇尺寸随冷速的增加而减小,当冷速达到一个临界值时,晶体团簇完全消失．银熔体在凝固过程中的晶体团簇及结晶后的晶体是由面心立方和密排六方构成的层状偏聚结构．该层状偏聚结构起源于熔体中的晶胚,在形核阶段就已经生成,并非在生长阶段才开始产生．     

应用于热光伏电池的一维Si/SiO_2光子晶体滤光器研究

光谱控制方法被广泛应用于热光伏系统以提高系统的热电转换效率.针对锑化镓(GaSb)电池热光伏系统的光谱控制要求,选用Si和SiO2设计了8层一维光子晶体滤光器结构;重点结合滤光器与高温辐射源辐射光谱功率分布和GaSb电池量子效率的匹配,对设计结构加以改进优化得到最佳匹配滤光器结构;采用光学镀膜技术加工了滤光器结构,并测试其光谱特性,根据测试结果计算滤光器的光谱控制效率、系统转化效率和能量密度.最后,测试了滤光器的抗高温性能.     

立方氮化硼晶体的电学性质与电流控制微分负阻

研究了非故意掺杂的n型cBN晶体的电学性质．所研究的cBN晶体是由六角氮化硼在高温高压下以镁粉为催化剂转化而来．在室温下，测量了cBN晶体的伏安特性，为非线性伏安特性．当电场强度在10^5～1.5×10^5V／cm范围内时，cBN晶体发生电击穿．同时，cBN晶体发出波长为380～400nm的蓝紫光．继续测量cBN晶体伏安特性，发现cBN晶体出现电流控制型微分负阻．这些实验现象是可以重复的．     

KDP(DKDP)晶体中液相包裹散射的形成

利用原子力显微镜(AFM)观察、研究了杂质对KDP (DKDP)晶体中液相包裹散射形成的影响. 对液相散射形成机理和溶液过饱和度的影响进行了探讨, 结果表明杂质和溶液的过饱和度是加重晶体散射的重要原因.