关键词： 多孔碳   微结构   力学性能   超级电容器   纳米尺度   反应诱导相分离法  

摘要： 多孔碳材料是一种富含孔道的固体材料，因具有电导率高、酸碱及水热稳定性强、比表面积高和孔结构发达等特点而被广泛用作电极材料、电催化剂或催化剂载体，在新能源、新材料领域中具有举足轻重的作用。\n 国内外科学家对多孔碳材料微观结构的控制做了大量的研究工作，并取得了一系列丰硕的研究成果。发展出多种多孔碳微纳结构成型的方法，探索了孔的形成机理，拓展了多孔碳的应用。但是，传统方法制备的多孔碳多以粉末或者薄膜的形式存在，这限制了其应用领域。块体材料因具有易回收再利用，后续加工时不牺牲比表面积、机械性能好等优点，逐步引起人们的关注。同时，传统的多孔碳材料因孔径单一分布，在实际应用中受到诸多的限制。多级孔碳材料具有不同尺度孔径分布，兼具高比表面积、高通透性的特点，拥有很好的应用前景，国际科学研究的热点开始转向多级孔碳的可控制备及性能研究。\n 针对上述问题，我们按照微结构-功能一体化的理念，从酚醛树脂出发，利用酚醛树脂中含有羟基的特点，利用多种微结构控制的手段，实现了对多孔碳材料的微结构控制，制备了一系列多孔碳材料，并对其应用性能进行了初步研究。本论文主要从合成方法上突破创新，探索多孔碳新的合成方法，探讨微纳结构形成机理，为多级孔碳材料的制备提供了新的思路。\n 本论文主要分为三大部分:\n 1.利用反应诱导相分离法成功制备出高比表面积、无宏观缺陷的纳米孔块体碳材料。纳米孔分布均匀，孔径分布在10-60 nm，比表面积最高可达521 m2/g。通过调节致孔剂的用量、分子量及酚醛树脂的反应活性，实现了多孔碳形貌的可控调节。对碳材料的性能进行了研究，结果表明双连续结构能够提供气体逸出通道，减少内应力对碳骨架的破坏，有利于保持碳骨架的完整，提高碳材料的力学性能。拥有较窄孔径分布和双连续结构的多孔碳样品的压缩强度最高，达到35MPa，是致密碳样品压缩强度的7倍。\n 2.通过控制三种相分离（溶剂蒸发自组装法、聚合物-溶剂相分离法和聚合物-聚合物相分离法）的发生过程，将有机胺催化的酚醛、F127和PTMC快速固化，之后碳化、活化，成功制备了微孔-双级介孔-大孔四级结构的多级孔碳材料。对孔的形成过程进行了研究，结果表明，通过有机胺催化的酚醛强氢键相互作用，利用合成体系分子间的反应、聚合、自组装与相分离之间的不同，能够很好地控制相分离的发生过程。制备出的多级孔碳材料孔道结构丰富，孔径呈现多级分布(＜2nm，3-5 nm，20-60 nm和10-100μm)，比表面积为3014 m2/g，孔容为2.06cm3/g。并且表现出了良好的电容性能，比电容可达166 F/g。\n 3.通过控制反应诱导相分离的过程，能够实现对多孔碳素坯密度、孔径、孔隙率的可控调节。制备了不同密度、孔径、孔隙率的多孔碳素坯、含硅多孔碳素坯和多孔C/C复合材料，之后通过渗硅反应制备出相应的SiC材料。表征了多孔碳素坯和SiC材料的微观形貌和力学性能，系统地研究了多孔碳素坯的性能与反应形成SiC材料性能之间的关系。结果表明，当多孔碳密度为0.80 cm3/g，孔径为55.2 nm，SiC材料的弯曲强度可达238±23 MPa，残余Si含量为14.5％。向多孔碳素坯中引入Si粉不仅可以调控素坯碳含量和坯体的孔结构，而且硅粉熔化时吸热使渗硅反应时放热减缓，有利于减少烧结缺陷，细化SiC的晶粒尺寸，提高SiC材料的性能。

关键词： 碲铋基热电材料   制备工艺   热电性能   宏观层状结构   掺杂改性   梯度结构  

摘要： 热电材料是一种能够实现热能和电能相互转换的功能材料，并且对环境无污染，故在发电和制冷领域有着广泛的应用前景。碲化铋合金是目前应用最成熟的室温热电材料，但其ZT值长期徘徊在1左右，高ZT值所对应的温度区间比较窄，导致热电转换效率比较低，工作温度范围比较窄。为了解决以上问题，本文采用高能球磨和热压烧结相结合的方法制备样品，通过微结构、杂质和梯度结构的设计来调制p型碲铋基热电材料的热电性能，调制温差发电模块的工作温度范围。\n 首先，采用高能球磨和热压烧结相结合的方法制备了Bi0.45Sb1.55Te3.02(BST)合金和石墨烯(GN)/Bi0.45Sb1.55Te3.02(BST)合金。通过X射线衍射(XRD)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、拉曼光谱和拉曼成像、场发射扫描电子显微镜(FESEM)等表征技术证明了石墨烯的掺入和宏观层状结构的存在，分析讨论了宏观层状结构快速形成的原因。并通过热电性能的测试研究了宏观层状结构对BST合金热电性能的影响。实验结果表明:随着石墨烯的掺入和致密织构的出现，BST的电导率（σ）几乎没有明显的变化，轴向的Seebeck系数（S//）、径向的Seebeck系数(S⊥)分别增加了6.65％和2.96％，而轴向的热导率（κ//）、径向的热导率(κ⊥)分别降低了8.09％和2.78％，轴向的ZT值(ZT//)和径向的ZT值(ZT⊥)分别增加了21.74％和12.5％。GN/BST沿着轴向方向的最大ZT值在90.9℃时从1.15增加到1.40。由此可以得出结论:掺入石墨烯改变了BST的织构，即形成更多的层状结构，而层状结构可以过滤低能载流子和散射长波声子，从而导致更高的S和更低的κ，进而提高材料的ZT值，并且在轴向方向上有更多的层状结构，故ZT//更高。此外，我们提出石墨烯也可以用来调制其它合适材料的织构。\n 其次，高ZT值所对应的工作温度范围（最佳工作温区）比较窄，即超过其最佳工作温区，其ZT值大幅度的下降，导致超出最佳工作温区的热电转换效率较低。但有时温差发电模块的工作温差恰好在ZT值较低的温度范围内。为了调制高ZT值的工作温度范围，本文在BST合金中掺杂Cu元素。通过X射线衍射(XRD)证明了所得样品均为BST合金化合物，并通过热电性能的测试研究了掺杂Cu元素对BST合金最佳工作温度范围的影响。实验结果表明:随着掺Cu量的增加，电导率、热导率增加，Seebeck系数减少。综合电学性能和热学性能，最终导致BST合金最大ZT值的降低。但是随着掺Cu量的增加BST合金的最大ZT值所对应的温度也升高了。x=0，0.0075，0.0105，0.015，0.0225的CuxBi0.45-2/3xSb1.55 Te3.02合金分别在90.4℃，114.5℃，166℃，216℃，216℃取得最大ZT值1.40，1.31，1.19，1.13，1.08。这说明适当的掺杂Cu元素可以调制BST合金的最佳工作温度范围。此外，我们提出这种掺杂的方法也可用于调制其他热电材料的最佳工作温度范围。\n 最后，调制热电材料的工作温度范围还有另外的途径，即通过不同工作温度范围的热电模块的集成来获得更宽的工作温度范围。具体来说，本文把适于不同温度区间工作的掺杂Cu的BST合金复合成梯度材料。通过热电性能的测试研究了浓度梯度材料对BST合金最佳工作温度范围的影响。实验结果表明:浓度梯度材料在整个温区(40-240℃)内的ZT值都较高(0.87-1.25)。这说明浓度梯度材料可以扩大BST合金的最佳工作温度范围，进而提高其热电转换效率。我们提出这种方法也可用于扩大其他热电材料的最佳工作温度范围。此外，由于浓度梯度材料在温差的作用下，各部分的费米能级不同，在界面处产生空间电场，故对材料的电学性能有一定的影响;又由于界面可以散射声子，故对材料的热导率也有一定的影响，所以浓度梯度材料的界面对热电性能的参数有一定的影响。

关键词： 拓扑优化   均匀化理论   材料微结构   优化设计  

摘要： 材料的微观结构对其宏观性能有显著的影响，通过对材料的微观结构进行优化设计，可以获得具有特殊宏观性能的材料。本文基于均匀化理论求解微结构的等效弹性性能，利用拓扑优化技术对材料的微观构型进行优化设计，以得到具有极限弹性性能和极限负泊松比特性的微观构型。\n 首先，基于均匀化理论求解材料微结构的等效弹性矩阵，为利用成熟的拓扑优化技术，将基于均匀化理论的等效弹性矩阵表达成基于应变能等效的能量表达式，通过与相关权威文献的计算结果进行对比，以验证本文基于能量均匀化方法求解材料微结构等效弹性性能的正确性和有效性。相关数值算例表明，对于材料组分比相同但截取自不同周期性结构的不同微结构单胞，其等效弹性性能差异明显，但不同的网格数目对等效弹性性能的影响足以忽略，对于截取自同一周期性结构的不同微结构单胞具有完全相同的等效弹性性能。\n 然后，基于改进的SIMP材料插值模型，以微结构的等效弹性矩阵中的某项或某几项加权组合最大作为优化目标，以材料组分比为约束，实现了具有最大水平抗拉压刚度、最大竖直抗拉压刚度、最大抗剪切刚度、最大水平竖直双向模量之和以及最大体积模量的材料微结构的最优拓扑构型设计。分析表明，对于较简单的优化目标，如水平抗拉压刚度最大、竖直抗拉压刚度最大、抗剪切刚度最大、水平竖直双向模量之和最大，不同材料组份比和网格数目对最优拓扑构型、等效弹性矩阵及优化目标值的影响较小，对于较复杂的目标，如体积模量最大，不同材料组分比和网格数目对最优拓扑构型、等效弹性矩阵的影响较大，但对其最优目标值的影响较小；不同初始结构布局下的最优拓扑构型和等效弹性矩阵差异明显，特别对于如体积模量最大这种较复杂的目标，但其最优目标值差异较小，表明初始结构布局对材料微结构的最优拓扑构型具有指引性作用，并使其优化迭代过程稳定。\n 最后，通过预先设定目标弹性矩阵，采取优化目标与预先设定目标平方差的加权组合最小为优化目标，以材料组份比为约束，实现了具有极限负泊松比的材料微结构构型的优化设计。分析表明，不同材料组份比下的最优拓扑构型与等效弹性矩阵差异明显，但其优化目标值?的差异较小，在不同网格数目下的最优拓扑构型、等效弹性矩阵及优化目标值?的差异均较小；不同初始结构布局对材料微结构的最优拓扑构型具有指引性作用，并使其优化迭代过程稳定。

关键词： 球面射电望远镜   反射面节点   机械运动特性   设备布设   靶标混淆分析   测量分区规划  

摘要： FAST（500米口径球面射电望远镜）是中国在贵州依托当地特有的喀斯特地貌建造的球面射电望远镜，建成后它将成为全世界最大的单天线射电望远镜。其反射面由4450块三角形单元面板拼接而成，每一块单元面板都能根据观测要求实时进行位置调整。在望远镜观测时，反射面将会实时在照明方向形成300米口径的瞬时抛物面。为了实现对反射面形状的精确控制，整个反射面所有单元面板的位置必须在有限时间内得到足够精确的测量。由于反射面尺度大，这是一项具有挑战性的工作。\n 本文主要完成了以下几项工作:\n 1.针对FAST反射面测量要求，对目前常见的几种高精度测量方法的原理、特点、使用范围、以及优缺点进行了研究和比较。\n 2.针对FAST反射面单元面板的测量，比较了几种测量方案后提出一种单相机多基线摄影测量方案，并进行了实验验证。\n 3.对FAST反射面节点测量系统的激光全站仪测量方案进行了介绍，并详细介绍了设备布设、靶标混淆分析和测量分区规划等问题。\n 4.将差分处理方法应用在FAST反射面测量的数据处理上，并提出一种新的多基准联合差分方法。经过实验验证，该方法可提高70％-80％的测量精度并提高测量稳定性，现已应用在反射面测量工程中。\n 5.针对反射面节点的机械运动特性，研究了会造成节点位置误差的四个因素，并进行了计算和补偿分析。

关键词： 稀土永磁材料   放电等离子烧结   晶体结构   脉冲电流比   各向异性   磁性能   热稳定性  

摘要： 稀土永磁材料是磁性功能材料范畴的重要组成部分，其在科技和经济发展中中具有十分重要的应用地位。Nd-Fe-B系和SmCo系磁体是目前应用最广泛，关注度最高的两种稀土永磁材料，其磁性能的提升是目前研究的核心问题之一。目前，提高这两类永磁材料的重要手段包括了晶粒纳米化和多相复合两个重要途径。相对于微米晶烧结磁体，纳米晶磁体具有高温度稳定性、高断裂韧性等优势。而双相复合永磁材料则是根据需求选取分别具有高磁晶各向异性以及高饱和磁化强度的两相进行复合，期望得到这两项优势兼而有之的新磁体。本文正是在这两类思路的基础上，分别针对Nd-Fe-B系和SmCo系各自的特点与问题系进行了研究，以期获得对性能的改善。\n 常规烧结工艺由于升温速率慢、烧结温度高和保温时间长等缺点，不适用于制备高致密度纳米晶磁体。而放电等离子烧结(SPS)技术能够较好解决这一问题。但是在SPS烧结过程中，脉冲电流会使颗粒之间产生局部高温，使晶粒长大形成粗晶区。这种粗晶区在热变形过程中不易变形，影响了磁体的各向异性及磁性能。本文从脉冲电流比这一参数出发，通过在热压过程中调节不同的脉冲电流比(2∶2;5∶2;9∶2;12∶2)，成功地减少了Nd-Fe-B热压和热变形磁体中的粗晶区厚度，从而优化了各向同性和各向异性磁体的磁性能。随着脉冲比由12∶2降低到2∶2，热压磁体剩磁由7.43kGs提高到8.39kGs，方形度由4.81提高到5.75，最大磁能积由11.93MGOe提高到15.23MGOe。热变形磁体获得了更好的织构，剩磁由13.70kGs提高到14.22kGs，方形度由11.58提高到13.2，最大磁能积由44.26MGOe提高到48.24MGOe。\n SmCo系永磁体具有较好的热稳定性，强磁晶各向异性。但是其较低的饱和磁化强度限制了它的广泛应用。与SmCo5具有同样晶体结构的PrCo5虽然各向异性场较低，但是其具有更高的Ms且更容易变形获得织构。因此，本文中将二者进行复合，希望利用二者的优势相互补充和协调，在获得良好变形织构的同时也能改善磁体的综合磁性能。实验中采用直接熔炼Sm0.6Pr0.4Co5铸锭及分别熔炼SmCo5和PrCo5铸锭再进行复合两种方式制备了热压和热变形复合磁体，在进行微结构特征及各项磁性能参量测试和分析的基础上，研究两种复合方式对磁体内部的相组成，结构以及磁性能的影响。研究发现第一种复合方式的热压和热变形磁体SmCo5和PrCo5进行了更充分的化合，具有更优的磁性能，热压磁体Ms=8.29kGs，Mr=6.40kGs，Hci=31.70kOe，(BH)max=9.48MGOe，930℃热变形磁体Ms=10.11kGs，Mr=9.10kGs，Hci=17.18kOe，(BH)max=19.42MGOe。同时第一种复合方式的热变形磁体具有更好的织构，而且随着变形温度的升高织构变强。

关键词： 抗热震性能   颗粒尺寸   体积比   超高温陶瓷   微结构  

摘要： ZrB2-SiC两相陶瓷因具有高热导率、高电导率、优异的化学稳定性、抗高温腐蚀性能和良好的抗热震性能，成为研究最为广泛的超高温陶瓷之一。然而，当其用于高温结构构件时，在高温使役过程中遭受环境温度的骤变（热震）仍然会产生裂纹甚至失效，降低了其高温结构可靠性，制约了其高温应用。因此，进一步提高抗热震性能对于ZrB2-SiC陶瓷广泛应用于高温结构构件具有重要意义。本文通过有限元数值模拟，研究了不同SiC颗粒尺寸和SiC相体积比对ZrB2-SiC两相陶瓷的临界热震温差和热震裂纹斑图的影响。\n 1、建立了不同SiC颗粒尺寸和不同SiC相体积比的ZrB2-SiC两相陶瓷微观结构模型，统计表征了模型中颗粒的大小、分布均匀性和颗粒圆度误差。\n 2、基于陶瓷热震裂纹演化的统计细观损伤模型，针对SiC相体积比为20％的两相ZrB2-SiC陶瓷，获得了不同SiC颗粒尺寸下两相陶瓷的临界热震温差;通过对试样在300℃热震温度下的最大拉应力的比较，探讨了SiC颗粒尺寸对材料临界热震温差的影响机制;统计表征了600℃热震温度下不同SiC颗粒尺寸试样的热震斑图，分析了SiC颗粒尺寸对热震裂纹扩展的影响，提出了具有高抗热震性能两相ZrB2-SiC陶瓷的最优颗粒尺寸。\n 3、基于陶瓷热震裂纹演化的统计细观损伤模型，针对SiC颗粒半径为125μm的两相ZrB2-SiC陶瓷，获得了不同SiC相体积比下两相陶瓷的临界热震温差，分析了SiC相体积比与临界热震温差变化的内在关联;统计表征了不同SiC相体积比试样在600℃热震温度下的裂纹斑图，分析了SiC相体积比对热震裂纹扩展的影响，提出了具有高抗热震性能两相ZrB2-SiC陶瓷的最佳SiC体积含量。

关键词： 光纤光子器件   微结构光纤   微流材料   集成控制   导光特性   调谐机制  

摘要： 微结构光纤横截面上具有独特的微结构分布，通过灵活地设计，可以实现无截止单模、大模场面积、高非线性等优异的导光特性。此外，微结构光纤包层中的空气孔，为将功能材料引入光纤内部提供了空间和有利条件，为实现光纤材料集成技术开启了一扇崭新的大门。利用微流材料集成技术，可以自由地将功能材料集成到微结构光纤的一个、数个或是全部空气孔中。利用功能材料对温度、电场、磁场、光场等物理参量的高灵敏度响应，可以实现对微结构光纤导光特性的调控，从而设计出多功能、高性能的光纤光子器件，广泛地应用于光通信、光传感和非线性光纤光学等领域的研究。同时，将微结构光纤与生物、化学材料相结合，也可以挖掘其在生物分子检测或是化学反应监测等交叉学科领域的应用潜力。\n 本文结合国家973计划、国家自然科学基金、天津市自然基金重点等项目的研究内容和目标，利用微结构光纤微流材料集成技术，将多种具有独特性质的微流材料与微结构光纤相结合，实现了可调谐滤波器件、光纤传感器、光纤全光开关等光纤光子器件，并结合理论分析与实验研究，对藉由微流材料集成所引入的新型控制机理和导光特性进行了诠释。论文的主要研究工作和创新性成果如下:\n 1、利用有限元分析方法，理论分析了选择性微流注入高双折射微结构光纤的可调控双折射特性。基于微流材料集成高双折射微结构光纤的双折射可调谐特性，提出其在光通信和光传感领域的应用潜力。\n 2、基于单孔微流材料集成高双折射微结构光纤，发现、研究并诠释了其谐振区域最强共振点附近的导光特性和调谐机制。利用模式耦合理论，分析了纤芯基模和液芯高阶模式之间耦合的具体过程，并提出最强共振点这一特殊位置的存在。对最强共振点附近的偏振相关性、谐振峰分布、中心区域形状、温度响应和轴向应力响应等特性进行了数值模拟及实验研究。实验中在部分谐振峰波长位置实现了约20dB的偏振消光比，并对谐振峰温度灵敏度和轴向应力灵敏度进行了测量，分别为约-5.5nm/℃和3pm/με。基于该光纤所具有的特性，提出了其在可调谐光纤偏振滤波器和双参量传感方面的应用。\n 3、基于微流材料集成光子带隙光纤，提出并实现了两种新型光纤全光开关机制。首先，对微流材料集成光子带隙光纤的温度特性进行了研究，并利用532nm激光对材料集成微结构光纤进行侧向的照射，在超过200nm的带隙波长范围内实现了消光比大于20dB、开关响应时间约500ms的光开关效应。通过深入的理论和实验研究，揭示了该光开关效应的产生机理。之后，基于光子带隙光纤超模激发的原理，实现了一种基于离子液体的全光纤全光开关。在离子液体集成光子带隙光纤透射谱的多个波长位置，观察到了光开关效应，并根据离子液体所具有的高非线性系数，提出进一步缩短开关响应时间的可能性。\n 4、研究了几种基于液晶集成微结构光纤的可调控光器件。首先，在单孔液晶集成微结构光纤中，观察到了谐振区域的非线性温度响应。在温度从84℃上升到85℃过程中，观察到谐振峰值漂移超过70nm，并在1490nm处观察到了消光比大于20dB的光开关效应。之后，研究了两种基于液晶集成光子带隙光纤的光开关，观察到液晶材料具有降低光开关阂值功率、增大透射谱的光响应这一特点。最后，在直流高电压击穿的空气层中，观察到液晶集成光子带隙光纤的光开关效应，该光开关效应具有大消光比、可重复的特性。通过对比实验，对该光开关的机理进行了初步探究。

关键词： 掺钛氧化锌薄膜   磁控溅射   保温时间   微结构   光电性能  

摘要： 采用射频磁控溅射法,以不同保温时间的掺钛氧化锌为靶材在普通玻璃衬底上制备了TZO（掺钛氧化锌）薄膜样品,测试其微结构和光电性能,从而获得制备性能优越的TZO 薄膜所需靶材的最佳条件.测试结果表明,所有样品均为具有c 轴择优取向的六角铅锌矿多晶纳米薄膜;靶材烧结温度和保温时间对薄膜微结构和光电性能有较大影响;以经1500 ℃烧结并保温6h的靶材所制备的薄膜光电性能较好,具有较大晶粒尺寸,在可见光区（400-760nm）有较高的平均透过率91.16%,较低电阻率1.07×10^-4 Ω·cm,较高的载流子浓度和较大迁移率.

关键词： 锂离子电池   负极材料   钴酸锌   合成工艺   微观结构   石墨烯   电化学性能  

摘要： 作为锂离子二次电池负极材料，尖晶石型多元金属氧化物钴酸锌(ZnCo2O4)具有能量密度高、放电平台长和安全性好等优点，并且不同金属之间具有协同储锂效应，吸引了研究者的极大关注。但是，ZnCo2O4也存在导电性较差与体积膨胀效应较明显的缺陷。因此，急需对ZnCo2O4材料进行必要的改性，以综合提升其循环性能、倍率性能和安全性能等。本论文主要通过调控微观结构和复合石墨烯两种改性方法来综合提高其电化学性能。\n (1)采用水热法合成介孔球状ZnCo2O4材料，利用XRD、SEM、HRTEM、BET和TGA等方法对材料物相组成和形貌结构进行表征。电化学性能测试结果表明:介孔球状结构能有效改善材料的电化学性能，在放电电流密度100mA/g下，首次放电比容量高达1600mAh/g，循环100周后，可逆比容量保持在1256mAh/g左右;在放电电流密度1000mA/g下，循环200周，可逆比容量维持在770mAh/g。该材料还表现出良好的倍率性能，电流密度从500mA/g依次增加至1000、2000和4000mA/g时，平均放电比容量分别为1103、1000、760和430mAh/g，当电流密度再次恢复到500mA/g时，放电比容量重新恢复到900mAh/g，表明材料具有良好的快速充放电能力。\n (2)通过调整组元成分、溶剂比例、反应温度及PH值等实验参数，采用水热法合成风梨状ZnCo2O4材料，并探究了组元、微结构与电化学性能之间的关系。该材料呈现出介孔球状结构，并附有一层特殊的纳米立方块外壳层。这种结构不仅有利于在充放电过程中Li+的传输，也能缓解材料的体积膨胀效应，同时增强了材料的循环稳定性。电化学测试显示:凤梨状ZnCo2O4材料在放电电流密度100mA/g下，循环120周，可逆比容量高达1130mAh/g左右;放电电流密度为1000mA/g时，循环200周后，可逆比容量维持在800mAh/g左右。这些测试结果表明凤梨状结构能有效改善材料的综合电化学性能。\n (3)为改善大电流、长循环过程中比容量衰减的问题，采用恒温水浴与水热技术合成ZnCo2O4/RGO复合材料。活性颗粒镶嵌在石墨烯的网络结构中，导电石墨烯不仅为电子提供快速传输路径，而且柔性石墨烯支撑结构缓冲了钴酸锌在充放电过程中的体积膨胀，电化学测试结果表明:在放电电流密度1000 mA/g时，石墨烯复合材料首次放电容量为1400mAh/g，长循环500周后，可逆比容量依旧维持在800mAh/g左右;在大电流密度为2A/g、4A/g和5A/g时，长循环1000周后，比容量分别维持在605、445和305mAh/g。

关键词： 纳米复合材料   层状结构   铌元素   钛化镍   制备工艺   显微结构  

摘要： 发展具有高强度、高韧性和大弹性应变等优异性能的材料一直是研究者追求的目标之一，传统的单一相金属或合金很难实现上述目标。设计具有特定显微组织结构的纳米复合材料，如纳米线材料、纳米多层膜材料和析出强化材料等，已被证明是实现该目标的可行性方法。已探知，纳米材料具有区别于体材料的超常力学性能，被认为是复合材料的理想增强组元。但到目前为止，已制备出的纳米复合材料的力学性能大多都远低于其理论预测值。其原因主要包括:纳米增强相体积分数小且分布不均匀，两相界面结合强度低，以及基体弹性应变难以与纳米增强相的大弹性应变匹配等。层状复合材料由于具有丰富、可控的微观结构特征，如材料的晶体结构、调制结构参数（调制周期λ和调制比η）、界面属性（晶体/晶体界面和晶体/非晶体界面）以及界面结构特性（界面匹配关系与取向关系）等，给科学工作者提供了一种全新的材料设计的方法。以纳米片层为增强相，制备具有大块体形式的纳米层状复合材料，为在大块体材料中实现纳米材料的超常力学性能提供了可能性。有望解决纳米材料的本征超常力学性能难以在结构材料中应用的困难。\n 本文设计制备了Nb/NiTi纳米层状复合材料，并对制备的Nb/NiTi纳米层状复合材料的显微组织、取向分布、化学成分及相变行为等进行了分析。本课题的主要研究结果如下:\n (1)利用应力传递和应变耦合机制，基于Nb纳米片层的大弹性和NiTi合金的相变伪弹性相匹配的材料模型，设计并采用创新的累积叠轧焊技术制备了Nb/NiTi纳米层状复合材料。\n (2)制备得到的Nb/NiTi层状复合材料两相结合牢固，界面清晰，Nb片层平直、均匀、连续地分布于NiTi基体中。随着轧制道次的增加Nb片层和NiTi基体的厚度逐渐减小:每增加1个轧制道次，Nb和NiTi的层厚减小90％。到第4轧制道次后，Nb片层厚度达到50nm左右。\n (3)随着轧制道次的增加，Nb和NiTi的晶粒都被逐渐拉长、细化。到第4轧制道次后，Nb片层呈现准单晶组织，即Nb由跨越整个Nb片层厚度、长度至少为400nm的细条状单晶组成。\n (4)制备得到的Nb/NiTi层状复合材料在Nb-NiTi界面处出现中间层。第二道次的中间层厚度大于第一道次的中间层厚度，此后随轧制道次的增加，中间层的厚度逐渐减小。\n (5)在轧制和热处理过程中，NiTi和Nb会发生相互扩散。随着轧制道次的增加，NiTi基体中的Ni和Ti比例基本保持稳定，Nb含量增加;Nb片层中，Ni和Ti元素逐渐增加，Nb元素含量逐渐减少，第4轧制道次后，Nb含量减小到80％左右;中间层中，Ni元素含量逐渐减少，Ti元素和Nb元素含量增加，最后三种元素稳定于近似等原子百分比。\n (6)随轧制道次的增加，Nb/NiTi层状复合材料在500℃热处理30min后的相变温度变化不大。而R相变的开始和结束温度随轧制道次增加逐渐下降。