三维有序大孔材料的合成及应用

胶晶模板法是制备三维有序大孔(3DOM)材料较理想的方法,制备过程一般包括组装胶晶模板、往模板间隙内填充前驱物和去掉模板及前驱物转化等3个步骤。每一步都对产物的三维有序大孔结构有很大的影响。这种材料兼具固体材料本身和有序结构两种特性,在用作光子晶体、载体、电极材料、气敏元件和分离材料等方面具有潜在应用性。本文着重介绍了大孔材料的合成及应用。     

三维有序多孔SiC陶瓷的制备及表征

采用三维有序氧化硅凝胶小球为模板, 以聚甲基硅烷(PMS)为先驱体, 经过先驱体的渗入、陶瓷转化和模板的去除, 制备了长程三维有序球形孔多孔SiC陶瓷. 研究结果表明: 所制备的多孔陶瓷中球形孔的孔径(84~658 nm)、BET比表面积(299.44~584.64 m²/g)和微孔体积(0.25~0.64 cm³/g)受氧化硅凝胶小球的粒径(112~700 nm)控制, 且该多孔陶瓷体系中存在3种孔, 即球形孔、“窗口”和小孔(2~5 nm). 其中球形孔以hcp结构有序排列、“窗口”使球形孔三维贯通、小孔的存在使该多孔陶瓷体系具有极高的BET比表面积和微孔体积.     

静动态力学条件下多孔金属的材料/结构多级优化设计研究

将微结构胞元内部构型设计、胞元排布设计和宏、细观跨尺度计算相结合,建立了基于同一微结构的材料/结构多目标拓扑优化的静动力学设计模型.分别给出了材料设计、结构设计和材料/结构一体化设计的灵敏度有限元列式,在此基础上以简支梁和悬臂梁为例进行了数值计算.结合多孔金属材料具有功能性特点,基于数值算例的结果,在结构承载方面讨论了多孔金属材料/结构静动力学优化设计中的材料设计、结构设计和一体化设计的异同和各自的适用范围.指出材料设计侧重于功能性,结构设计侧重于结构效率,而材料/结构一体化设计由于兼顾了功能性和结构效率特点,较好地实现了集成化设计;为多孔金属设计选取合适的设计方式提供依据.     

多孔氮化钒(VN)纳米带气凝胶的制备及其电化学性能

以NH_4VO_3为原料,通过180℃下水热反应和550℃下NH_3处理制备了多孔氮化钒(VN)纳米带气凝胶,并对多孔VN纳米带气凝胶的电化学性能进行了分析.SEM和TEM分析表明所制备的多孔VN纳米带的宽度为100~400 nm,孔尺寸为10~20 nm.电化学阻抗谱分析表明多孔VN纳米带气凝胶对I3.还原反应具有很高的催化活性,电荷迁跃电阻为1.36Ωcm~2.用多孔VN纳米带气凝胶电极组装的染料敏化太阳电池的光电转换效率为7.05%,与传统的Pt电极电池相近.循环伏安和恒流充放电实验表明多孔VN纳米带气凝胶具有较好的电容性能.当电流密度为0.5 A/g时,多孔VN纳米带气凝胶在2 mol/L KOH溶液中的比电容达到292.2 F/g.因此,所制备的多孔VN纳米带气凝胶可以作为高效的电极材料应用于染料敏化太阳电池对电极和超级电容器电极中.     

基于Te-PEDOT:PSS复合热电材料的柔性压力/温度传感系统

随着人工智能技术的快速发展,面向人机交互技术的新型柔性传感器的需求与日俱增.柔性传感器作为智能机械手、仿生假肢手等仿生智能系统获取外界信息的重要媒介,对实现仿生触觉感知能力以及提升系统智能化具有重要意义.当前,如何通过材料与结构设计,研制具有多模态感知能力的柔性触觉传感器,已成为柔性电子领域关键挑战之一.本文采用水热法制备了Te-聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(Te-PEDOT:PSS)复合热电材料.通过将其与三维多孔密胺泡沫骨架复合,并浸涂聚乙烯醇(PVA)薄层进行封装,实现了具有高界面稳定性的复合敏感材料体系可控制备.由此所组装的柔性触觉传感器件兼具Te-PEDOT:PSS的热电性能与三维泡沫电极板的电容性能,实现了压力/温度在接触/非接触模式下的双模态感知能力.进一步将其与智能机械手联用构建了感知反馈系统,对其在触觉感知方面应用性能进行了探索.     

多孔NiTi合金的微观结构及超弹性能

用ＳＥＭ、图像分析和ＸＲＤ等研究了元素粉末烧结制备多孔ＮｉＴｉ合金的微观结构、孔隙度、相组成和超弹性能。结果表明：用元素粉末烧结方法制备多孔ＮｉＴｉ合金是可行的;实验所得合金的孔隙度在３６．０％￣４１．５％之间,孔隙相互连通、呈网状分布。１２２３Ｋ－９ｈ烧结合金的ＸＲＤ分析未发现游离态Ｎｉ。同时,多孔ＮｉＴｉ合金具有优良的超弹性能。粉末烧结多孔ＮｉＴｉ合金在一定程度上满足了生物医用材料的医学使用条     

SPS过程中导电粉体的显微组织演变规律及机理

放电等离子烧结(spark plasma sintering, SPS)是最近几年国际上兴起的粉末烧结新技术, 具有升温速度快、保温时间短、冷却迅速等独特优势, 尤其适于纳米及非晶块体材料、陶瓷和梯度材料等先进材料的制备. 然而, 与利用SPS技术探索新材料制备的实验报道相比, 有关其特殊烧结机制的研究极为缺乏. 基此, 选用导电的纯金属铜粉作为烧结原料, 设计了一系列烧结实验, 研究得出了SPS过程几个重要的特征烧结阶段及其中显微组织演变的规律. 提出了SPS过程中烧结体显微组织演变的“自调节机制”, 由此揭示了制备高致密度、均匀、细晶材料的SPS技术优势的内在机理; 还对SPS烧结体的致密化过程进行了定量预测, 实验测定值证实了模型预测结果.     

确定复杂多孔材料有效导热系数的新方法

从Lattice-Boltzmann(LB)方程出发, 推导了二维LB 导热模型(D2Q5),计算了具有复杂结构的多孔材料的有效导热系数, 计算结果与其他文献中的实验结果符合较好. 分析了多孔材料有效导热系数与材料孔隙率、单位面积孔隙数、骨架形状等参数之间的关系并给出了估算公式. 给出的二维LB 导热模型能方便地计算各种小尺度上具有复杂边界或复合材料中的导热问题, 且二维模型能方便地扩充到三维.     

超临界CO2在制备PCL/水杨酸甲酯控释体系中的应用研究

本文利用超临界二氧化碳（SCCO2）对生物可降解材料--聚己内酯（PCL）进行溶胀和塑化,进而将其作为携带剂,将水杨酸甲酯嵌入到PCL中,制备含有水杨酸甲酯的PCL多孔材料,即PCL/水杨酸甲酯控释体系,并研究超临界流体条件下水杨酸甲酯的插嵌规律.研究结果表明,PCL对水杨酸甲酯有很好的吸附能力,通过测定所制备的多孔材料PCL/水杨酸甲酯体系的缓释行为,表明其多孔结构对药物分子具有一定的缓释功能,药物分子释放时间最长可达18 h以上.     

乙醇热解制备C/C复合材料工艺及组织结构研究

以整体碳毡为预制体,无水乙醇为前躯体,N2做为载气和稀释气,在负压条件下,沉积温度为1050~1200°C,采用压力梯度ICVI工艺制备出C/C复合材料制品,采用偏光显微镜、扫描电镜、透射电镜分析材料的组织结构和断口形貌,利用三点弯曲测定了材料的弯曲强度.结果表明：制备的C/C复合材料基体组织结构在1050°C条件下为中织构与高织构并存的组织,当沉积温度上升为1100~1200°C时,热解碳为均一的高织构组织.制备试样的弯曲破坏应力应变曲线及断口形貌分析表明：断裂特征受热解碳与基体界面结合强弱的影响,弯曲断口以纤维断裂、纤维拔出为主,材料具有假塑性断裂特征,并且随着沉积温度的提高,热解碳基体与纤维的界面结合逐渐增强,断裂方式由假塑性断裂向脆性断裂逐渐转变.     

微生物细胞溶胶-凝胶法磁性化研究

以微生物细胞为模板可制备具有多样形状的磁性或导电微颗粒．本文探讨微生物细胞溶胶一凝胶法磁性化的可行性,以尺寸在微米级的具有天然螺旋形体的微生物材料螺旋藻的细胞为模板进行细胞溶胶．凝胶法包覆磁性材料铁氧体的工艺研究,并通过光学显微镜、扫描电镜、电子能谱、透射电镜、X射线衍射对其细胞形态、表层成分、相结构进行观察与分析．结果表明,螺旋藻细胞经溶胶．凝胶处理后表面能包覆上铁氧体材料;其天然螺旋形体可保持良好,得到的单体表面磁性层厚度、成分基本均匀,在文中试验条件下,细胞表层铁氧体为立方尖晶石结构的Fe3O4;还可观察到细胞内部有纳米颗粒产生,同时细胞间横壁也有沉积．还探讨了微生物细胞溶胶．凝胶法磁性化工艺过程的物理化学反应机理．     

图案化SiC和SiCN陶瓷微结构的制备

采用毛细管微模塑技术和转移微模塑技术, 以硅片为栽片, 以图案化聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体为模板, 以聚碳硅烷(PCS)和聚硅氮烷(PSZ)为先驱体, 经过先驱体的渗入、先驱体的交联固化、弹性模板的去除以及图案化先驱体的无机化, 制备了图案化SiC和SiCN陶瓷微结构. 研究结果表明, 所制备的陶瓷微结构的尺寸和形状受模板的图案化尺寸和形状控制. 由于SiC和SiCN非氧化物陶瓷自身的优良性能将使得所制备的图案化SiC和SiCN陶瓷微结构在高温、高压等环境下具有非常广泛的应用前景.     

多孔阳极氧化铝在纳米结构合成中的应用

合成具有特定结构或性能的纳米结构体系是研究其相关物性和应用的重要前提。金属铝在酸性溶液中阳极氧化得到的多孔性氧化铝薄膜具有有序排布的纳米量级的孔阵列。本文综述和讨论了多孔阳极氧化铝在纳米结构合成中的应用。重点介绍了如何充分利用多孔阳极氧化铝的多孔性，开发制备新型纳米结构体系的美好前景。     

LiAlSiO4基固体氧化物锂离子导电材料的研制

以LiNO3、Al（NO3）3·9H2O和（C2H5O）4Si为原材料,通过以聚乙烯醇位聚合剂的化学合成方法制备了LiAlSiO4基固体氧化物锂离子导电材料.材料的X射线衍射分析表明,实验获得了具有四方结构的单相材料,晶格常数为a=b=0.5170 nm、c=0.6295 nm.所制备的材料体现具有锂离子导电性,同时得出材料的导电性与材料体系中存在的锂离子的空位有关,适当地调整体系中锂离子缺陷可以提高材料的锂离子导电性.     

聚合物胶体晶模板技术制备三维有序铟锡氧化物大孔材料

以单分散性聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球自组装形成的有序胶体晶体结构为模板, 制备了铟锡氧化物(ITO)有序大孔材料. 以扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)以及低温N2吸附/脱附等方法对ITO大孔材料的形态及其比表面积进行了表征. 结果表明, 烧结温度在500℃时, 能够得到较为完善的三维ITO大孔材料, 空间排布高度有序, 其有序结构与模板中PMMA微球自组装方式完全相同. 孔径大小均匀(~450 nm), 较之PMMA微球有所收缩, BET比表面积为389 m² · g^-1, 孔容为0.36 cm³ · g^-1. 此外, 发现Sn掺杂率物质的量比为5%时, 在真空中退火, ITO大孔材料的导电性能最好, 电阻率为8.2×10^-3 W · cm, 初步讨论了ITO大孔材料的导电机制, 认为氧缺位是获得较好电性能的主要原因.     

阳极氧化制备新颖的TiO_2多孔纳米结构膜及其形成机理与应用

采用两步阳极氧化法在钛箔片上制备了TiO_2多孔薄膜,随着阳极氧化的进行,Ti片表面依次出现上下双层纳米多孔结构、内外双层(芯壳)纳米管阵列结构和单层纳米管阵列结构等典型形貌,结合不同时间段的阳极氧化膜的表面形貌、晶体结构、X射线光电子能谱、电流密度随时间变化曲线等,分析了随着氧化进行钛片表面多孔TiO_2纳米膜典型形貌可能的形成机理.上下双层结构纳米多孔膜可能是因为纳米孔孔径强烈依赖于电流密度,而起始阶段的电流密度大小指数下降导致出现上层大孔下层小孔的双层结构;内外双层结构纳米多孔膜的形态可能来自于氧化钛纳米多孔膜从内至外由成分和可溶性不同的氧化钛构成导致;随着氧化进行,内层可溶性大的氧化钛结构逐渐溶解,形成的常见的TiO_2纳米管阵列结构.将阳极氧化得到的稳定的TiO_2纳米管薄膜作为光阳极组装成染料敏化太阳能电池,研究了其光电性能.基于未经修饰处理的TiO_2纳米管阵列光阳极,其组装电池的能量转换效率(η)可达5.88%,将TiO_2纳米管阵列光阳极进一步采用常用的TiCl_4溶胶处理后,其效率提高到8.47%,在能源转化方面展现了较好的应用前景.     

微生物细胞金属化工艺研究

为生物约束成形加工制备单体, 对微生物材料固囊酵母菌和蜡状芽孢杆菌细胞的化学镀镍磷工艺、细胞形态、镀层成分和相结构进行了研究. 结果表明细胞壁厚的固囊酵母菌金属化后不破裂、不变形；蜡状芽孢杆菌在适当镀层厚度下仍能保持原来形状；镍磷镀层成分及厚度均匀, 为非晶态结构. 还探讨了菌体金属化工艺过程的化学反应机理.     

微米、亚微米与纳米超细晶粒钢的研究进展

晶粒尺寸＜10μm的超细晶粒钢具有高强度和优异的韧性从而成为先进结构材料的研发热点之一.本文介绍了国内外微米级、亚微米级和纳米级超细晶粒钢研究的最新进展,并从工业应用角度简要分析了制约超细晶粒钢应用的组织稳定性和塑性稳定性等问题.指出,对现有制备方法的改进和完善以及更先进工艺的创新,是未来超细晶粒钢研究的关键内容.     

微生物细胞电镀磁性金属化研究

本文以钝顶螺旋藻细胞为模板,通过电镀工艺在其表面沉积磁性合金来制造螺旋形磁性微粒,对微生物细胞电镀磁性金属化工艺进行研究.通过光学显微镜、扫描电子显微镜、电子能谱、X射线衍射、振动样品磁强计等对电镀磁性化后螺旋藻的细胞形态、表层成分、相结构及静磁性能进行观察与分析.结果表明螺旋藻细胞经电镀处理后表面包覆上一层不含非金属相的铁磁性材料,实现了微生物细胞电镀磁性金属化,这为生物约束成形技术提供了新工艺.在金属化过程中,微生物形体保持良好,细胞表面镀层厚度均匀,镀层为面心立方结构的NiFe合金,颗粒具有软磁特性.此外,对微生物细胞电镀磁性金属化工艺过程的电化学反应机理进行了分析,表明NiFe合金在微生物表面的沉积为异常共沉积.     

形状记忆聚合物微纳米纤维膜在生物医学中的应用进展

形状记忆聚合物作为一种新兴的智能材料能够记忆暂时形状,并在外界激励条件下实现主动回复到初始形状的驱动过程.基于静电纺丝技术获得的形状记忆聚合物微纳米纤维膜与天然细胞外基质具有相似的三维结构,因此在生物医学领域,特别是组织工程中显示出巨大的应用前景.形状记忆微纳米纤维膜作为智能可变形材料为生物医疗的快速发展带来个性化、智能化的机遇.本文综述了形状记忆聚合物微纳米纤维膜的制备技术、结构形貌及驱动方法,总结了形状记忆聚合物微纳米纤维膜在骨组织支架、骨组织修复、神经支架及细胞培养等方面的应用研究,分析了形状记忆聚合物材料的其他结构在生物医疗领域的应用现状,进一步阐述了形状记忆聚合物材料未来面临的挑战及发展方向.