低维氮化硼纳米材料

低维碳纳米材料的广泛研究,引起了人们对于纳米尺度范围内不同维度的同素异形体材料的极大关注.氮化硼纳米材料具有与碳纳米材料类似的结构,但具有完全不同的性质.不同于金属性和半导体性的碳纳米管,氮化硼纳米管是一种电绝缘体,其带隙不依赖于管子的几何构型,它具有高的热传导率、优异的化学稳定性和良好的机械性能.二维的氮化硼纳米薄膜具有同样的优点.这些独特的性能使得氮化硼纳米管和纳米薄膜在各种潜在的领域,如光电子器件、功能复合材料、储氢,催化等,具有重要的应用前景.本文概述了我们在一维氮化硼纳米管、二维氮化硼纳米薄膜方面的一些理论研究,包括氮化硼纳米管与单层材料的结构、缺陷、化学修饰、气体吸附以及三维氮化硼纳米超结构.     

离子束辅助沉积法制备TiAlN/TiB2纳米多层膜的研究

运用离子束辅助沉积法(IBAD)制备了一系列具有不同调制比例的TiAlN/TiB2纳米多层膜,利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和纳米压痕等表征手段研究了薄膜调制比例对其硬度、内应力和膜基结合力等力学性质的影响.结果表明:随着调制比例从8∶1变化到25∶1,多层膜的硬度在29～34 GPa之间变化,所有多层膜的硬度均高于TiAlN和TiB2两种各体层材料通过混合法则得的结果,结合XRD结果分析认为,TiAlN(111)择优取向是薄膜硬度升高的一个重要原因.     

Fe/Cu纳米多层薄膜中内应力对其力学性能的影响

利用直流磁控溅射方法制备了Fe/Cu纳米多层膜,使用扫描电子显微镜(SEM)、薄膜应力分布测试仪和纳米压痕技术研究了不同周期结构Fe/Cu纳米多层薄膜的内应力及其纳米力学性能.在Fe/Cu纳米多层薄膜中,由于铁和铜的结构和本征性能的差异,形成多层膜结构后存在张应力,其张应力在周期T=10时达到910.08 MPa,对应的纳米硬度为12.3 GPa.随着多层薄膜调制周期数T的增加而内应力逐渐降低,纳米硬度和弹性模量随着张应力缓释也出现下降.根据纳米薄膜内应力对其力学性能的影响,探讨了内应力与薄膜纳米力学性能的相关性.     

几种金属多层薄膜的形变与断裂行为及其机制

本文系统地报道了近年来所开展的有关金属多层薄膜的强度、变形与断裂行为的研究进展.着重介绍了本研究所开展的几种典型金属多层薄膜（Cu/Au、Cu/Cr、Cu/Ta等）的力学行为及其尺寸与界面效应.研究发现,随着多层膜的单层厚度减小,多层膜的强度明显升高,最后达到饱和.理论分析表明,不同种类金属多层膜的强度升高能力与界面结构有关.根据晶格失配与位错理论,所提出的统一模型可以很好地描述具有不同界面结构金属多层薄膜的界面强化能力.压痕诱发的具有不同尺度和界面结构的金属多层膜的塑性变形行为明显不同.当多层膜的单层厚度减小到纳米尺度时,压痕诱发的塑性变形倾向于剪切带变形 同时还在亚微米尺度下观察到了直接穿过界面的局部剪切行为.研究还发现,在单向拉伸载荷的作用下,纳米尺度Cu/Ta多层膜的裂纹尖端发生位移量为几纳米到几十纳米的面外剪切变形,最终导致Cu/Ta多层膜发生剪切型断裂.提出了位错运动所需应力和层/层界面阻力之间的竞争机制,从而证明了当金属多层膜的单层厚度小于某一临界尺度时将发生剪切型断裂这一物理本质.     

页岩有机质纳米力学性质研究进展

 页岩有机质纳米尺度下的力学行为目前不够明确且利用常规实验仪器无法准确获得，表征其纳米尺度下的力学性质，对于搭建微观-宏观岩石力学模型和实现高效水力压裂是极具现实意义的。基于近年国内外关于页岩有机质纳米力学性质表征等方面所取得的研究进展，总结了目前常用的表征技术、力学性质主要特征及主控因素。综合结果表明，纳米压痕和原子力显微镜是目前表征纳米力学性质常用的技术与方法，两者在精度、分辨率、设备技术等方面都存在各自的优势或缺陷；目前有机质纳米力学性质的测定主要集中在弹性模量和硬度，成熟度和温度在不同程度上改变着有机质的内部结构，从而改变其力学性质；提出了“多尺度”“多技术”“多角度”“多学科”等工作设想与建议。     

基于点矩阵技术的纹层页岩微观力学性质研究

页岩是一种非均质多相复合体,具有多尺度特征的力学性质,组成成分高度非均质性.本文将来自渤海湾盆地湖相纹层页岩的4个岩样进行了大量压痕实验(一种点矩阵技术),得到其力学性能的空间分布,揭示了渤海湾盆地湖相纹层页岩的微观力学性质,证实了测试微尺度窗口中纹层页岩强烈的非均质性.然后,通过高斯混合建模解卷积(GMM)进行分析,将每个样品基于压痕数据聚类分成了3个独立簇(物理相),三个不同物理相和相应的百分比通过反卷积从网络压痕数据得到.最后,利用Mori-Tanaka, Dilute以及Self-consistent方法得到样品弹性均质化后的性质,将纳米压痕的数据升级到宏观尺度.结果表明,在所研究的样品中, Self-consistent求得的等效弹性模量和解卷积的结果最接近.均质化以及解卷积方法得到的样品杨氏模量范围在17.73–33.55 GPa,证明了纳米压痕技术在研究纹层页岩地层地质力学特性方面的适用性.     

MoS2基复合涂层潮湿储存后的摩擦学性能分析

利用摩擦学试验及XPS测试考察了非平衡纳米复合等离子体镀膜技术沉积的MoS2基纳米复合薄膜的抗潮湿性和耐磨寿命等.结果表明,在相对湿度(RH)为60%～70%的环境下储存后,TiN-MoS2薄膜的摩擦学性能迅速降低直至失效;而TiN-MoS2/Ti和TiN-MoS2/TiN复合膜的抗潮湿性能显著提高.因而Ti和(或)N2的适量添加显著增强了MoS2基复合薄膜的抗潮湿及耐磨性能.     

磺化聚苯乙烯/二氧化钛有序交替纳米复合多层膜的制备、结构表征及其微观摩擦学行为

利用离子自组装技术在石英片表面制备了TiO2/PSS有序交替的层状纳米多层膜.采用透射电子显微镜、接触角测量仪和原子力显微镜对所制备的TiO2溶胶粒子和TiO2/PSS有序纳米多层膜进行了结构表征并研究了其微观摩擦学性能.结果表明:摩擦力随着薄膜层数的增加而减小.     

量子阱、量子线及量子点

半导体纳米材料是纳米材料的一个重要组成部分,由于能带工程而实现的半导体超晶格、量子阱、量子线和量子点这类低维结构具有的独特物理性质,使得纳米薄膜、纳米微粒、纳米团簇、纳米量子点等所显示出的新颖的电、磁、光以及力学性质,令它们与电子学、光电子学以及通信技术、计算机技术的发展密切相关。纳米结构的电子和光子器件将成为下一代微电子和光电子器件的核心。     

人造纳米材料生物安全性研究进展

纳米材料具有独特的物理化学性质,如小尺寸效应、巨大比表面积、极高的反应活性、量子效应等,这些特性使纳米科学成为当今世界三大支柱科学(生命科学、信息科学、纳米科学)之一.随着纳米技术的产业化, 各种形式的纳米尺度的物质已经以不同途径进入人们的生活,纳米材料的生物安全性问题正受到世界各国科学家的广泛关注.介绍纳米材料生物安全性研究的重要性,系统讨论本课题组在纳米金属氧化物和碳纳米材料生物安全性研究领域的一系列成果,并展望将来的研究重点.     

纳米压痕法测量纳米晶金属Cu薄膜力学性能的研究

采用纳米压痕法测量了不同厚度（180～1000nm）的纳米晶Cu膜的硬度和弹性模量.结果表明,Cu膜硬度与厚度的关系类似于Hall-Petch关系,而弹性模量与厚度无关,其值相比块体粗晶Cu下降了约20%,分析位移-载荷曲线发现晶粒尺寸越大的Cu膜其位移跳跃现象越明显.另外,对于不同厚度的Cu膜其临界剪切应力的范围约在3.02～4.07GPa之间,基本接近粗晶Cu的理论剪切强度,位错塞积依然是其塑性变形的主要机制.     

沉积温度对VC纳米薄膜摩擦学性能的影响

采用磁控溅射技术沉积碳化钒(VC)纳米薄膜, 研究温度对VC薄膜的微观结构、 力学及摩擦磨损性能的影响, 并分析其内在关系. 结果表明, 沉积温度升高对VC薄膜的相结构和摩擦系数影响较小, 有利于降低薄膜中的应力和粗糙度, 可提高薄膜的硬度.     

纳米陶瓷及其摩擦学研究进展

纳米陶瓷具有不同于传统陶瓷的独特性能,经典的陶瓷烧结理论已不完全适用于纳米陶瓷粉体的烧结行为.基于纳米陶瓷的烧结问题,概述了纳米陶瓷的成型与烧结行为的研究概况,对其力学与摩擦学的研究进展进行了综述,并提出了纳米陶瓷烧结过程和纳米陶瓷摩擦学有待研究的课题.     

Freestanding single-walled carbon nanotube bundle networks: Fabrication, properties and composites

As a type of thin film, two dimensional (2D) reticulate architectures built of freestanding single-walled carbon nanotube (SWCNT) bundles are suitable for scalable integration into devices and nanocomposites for many applications. The superior properties of these films, such as optical transparency, unique electrical properties and mechanical flexibility, result not only from the outstanding properties of individual SWCNTs but also from the collective behavior of the individual tubes, with additional properties arising from the tube-tube interactions. In this review, the synthesis, structure and fundamental properties, such as conductivity, transparency, optical nonlinearity and mechanical performance, of ??freestanding SWCNT bundle network?? thin films and nanocomposites, as well as their application as supercapacitors are highlighted. Some long-standing problems and topics warranting further investigation in the near future are addressed.     

BCN薄膜的硬度和剩余应力的研究

类金刚石结构的立方“BCN”材料由于兼有金刚石和立方氮化硼超硬、低摩擦的优点, 如有低摩抗磨、高的热稳定性和化学稳定性,并克服了它们的缺点,因而BCN薄膜材料被作为耐磨保护层,在电学、光学方面的性能也得到广泛应用。应用反应磁控溅射法将高质量的BCN 薄膜沉淀在硅基底上,通过用微压痕测量和弯曲技术研究了他们硬度和剩余应力,发现施于薄膜沉淀物上的偏压对其硬度和剩余应力均有重要影响。     

Improvement of corrosion performance of 316L stainless steel via PVTMS/henna thin film

Metallic materials are the most used materials as orthopedic or dental implants due to their excellent mechanical properties. However they are not able to create a natural bonding with the mineralized bone and occasionally suffer localized corrosion. This work describes the electrochemical behavior of a hybrid sol–gel thin film with the addition of green inhibitor. These films enhance the ability of the implant to make a union with the existing bone and improve its resistance to aggressive environment. An ethanol solution of the polymerized vinyltrimethoxysilane (PVTMS) was mixed with an aqueous solution of henna extract (Lawsonia inermis) and refluxed to give homogeneous sols. Nanostructure hybrid PVTMS/henna thin films were deposited on the stainless steel 316L by spin-coating. The morphology, composition and adhesion of hybrid sol–gel coatings have been examined by SEM, EDX and pull-off test, respectively. Addition of high additive concentrations (0.1%) did not disorganize the sol–gel network. Direct pull-off test recorded a mean coating-substrate bonding strength larger than 20.6 MPa for the hybrid sol–gel coating. The effect of henna extract, with various added concentrations from 0.012% to 0.1%, on the anticorrosion properties of sol–gel films have been characterized by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and potentiodynamic polarization tests in simulated body fluid (SBF) solution and has been compared to the bare metal. Henna extract additions (0.05%) have significantly increased the corrosion protection of the sol–gel thin film to higher than 90%. The in vitro bioactivity of prepared films indicates that hydroxyapatite nuclei can form and grow on the surface of the doped sol–gel thin films. The present study shows that due to their excellent anticorrosion properties, bioactivity and bonding strength to substrate, doped sol–gel thin films are practical hybrid films in biomedical applications.     

Thin films of fullerene-like MoS2 nanoparticles with ultra-low friction and wear

The tribological properties of solid lubricants such as graphite and the metal dichalcogenides MX2 (where M is molybdenum or tungsten and X is sulphur or selenium) are of technological interest for reducing wear in circumstances where liquid lubricants are impractical, such as in space technology, ultra-high vacuum or automotive transport. These materials are characterized by weak interatomic interactions (van der Waals forces) between their layered structures, allowing easy, low-strength shearing. Although these materials exhibit excellent friction and wear resistance and extended lifetime in vacuum, their tribological properties remain poor in the presence of humidity or oxygen, thereby limiting their technological applications in the Earth's atmosphere. But using MX2 in the form of isolated inorganic fullerene-like hollow nanoparticles similar to carbon fullerenes and nanotubes can improve its performance. Here we show that thin films of hollow MoS2 nanoparticles, deposited by a localized high-pressure arc discharge method, exhibit ultra-low friction (an order of magnitude lower than for sputtered MoS2 thin films) and wear in nitrogen and 45% humidity. We attribute this 'dry' behaviour in humid environments to the presence of curved S-Mo-S planes that prevent oxidation and preserve the layered structure.     

5083铝合金表面化学镀Ni-P镀层的力学性能

采用化学镀方法在5083铝合金基体上制备了Ni-P非晶薄膜,采用纳米压痕技术在不同应变速率下研究Ni-P非晶薄膜的硬度、弹性模量和变形行为.结果表明,Ni-P非晶薄膜硬度不是一个恒定值,与纳米压痕的压入深度有关,而弹性模量基本保持不变;载荷-深度曲线出现跳跃及台阶现象与应变速率有关,应变速率愈慢,曲线出现台阶现象越明显;跳跃台阶源于单个剪切带的开动,而在高的应变速率条件下,由于多个剪切带的开动,曲线上便不出现跳跃台阶.     

N-掺杂石墨烯薄膜的超电容性质研究

采用自组装/源位还原法相结合制备了自支撑褶皱N-掺杂石墨烯薄膜。运用场发射扫描电镜、X射线粉末衍射和光电子能谱仪等表征手段对所制备的韧性薄膜进行了表征。电化学性能测试表明所制备的N-掺杂石墨烯薄膜具有良好的超电容特性:在1 A/g的电流密度下,其比容量为210 F/g;当电流密度增加10倍时,仍然具有初始容量的71.0%。在5 A/g的电流密度下循环1 000次后比容量值为原来的95.3%。     

MPTS/MPTES复合自组装薄膜的制备及摩擦磨损特性分析

采用分子自组装技术,在单晶硅表面制备3-巯丙基三甲氧基硅烷(MPTS)、3-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(MPTES)薄膜以及MPTS/MPTES复合自组装薄膜,利用原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱仪（XPS）及接触角测定仪对MPTS/MPTES复合薄膜的结构进行分析,并采用DF PM型动/静摩擦系数精密测定仪评价其摩擦磨损性能.结果表明,与MPTS薄膜和MPTES薄膜相比,MPTS/MPTES复合薄膜具有优异的疏水性和摩擦磨损性能,其原因在于MPTS/MPTES复合薄膜的分子体积较大并具有可移动性和特殊的柔韧性,其基底附近呈现出类似于固体紧密排列的结构并具有一定的刚性和承载能力.