关键词： 纳米复合永磁合金   熔体快淬   元素添加   晶化热处理   磁性能   微结构  

摘要： 纳米复合稀土永磁材料是将具有高饱和磁化强度的软磁性相和具有高各向异性的硬磁性相的稀土金属化合物在纳米量级复合,通过相邻原子磁矩的交换耦合相互作用而形成的一类新型永磁材料。与传统永磁材料相比,纳米晶复合永磁材料稀土含量少,成本低,具有硬磁性相的高矫顽力和软磁性相的高饱和磁化强度,温度稳定性以及抗氧化性均有提高,有望成为新一代高性能稀土永磁材料。 本文主要采用熔体快淬和晶化退火工艺制备Pr-Fe-B/a-Fe纳米复合永磁合金。采用振动样品磁强计(VSM)、X射线衍射分析(XRD)、原子力显微镜(AFM)、扫描电镜以及能谱分析(SEM&EDS)、透射电镜(TEM)等方法研究了快淬速度、微量元素添加、退火温度和时间对纳米合金材料的磁性能、相组成以及微结构的影响。 首先,快淬速度对合金的相形成以及磁性能的影响显著,在最佳快淬速度下,样品的磁滞回线具有单相特征,当快淬速度高于或低于最佳淬速时,合金的磁滞回线具有双相铁磁性特征。1号合金在34m/s时有最佳磁性能,高于或低于34m/s的快淬速度对合金的磁性能都有一定的影响,其最佳磁性能为：Mr/Ms=0.749,(BH) max=56.56(kJ/m3), jHc=452(kA/m), Br=0.749(T)。 其次,在Pr-Fe-B系纳米复合永磁合金中综合添加Co、Ga两种微量元素,能同时提高合金的剩余磁化强度、矫顽力和磁能积。与Pr-Fe-B原始合金相比,添加了Co、Ga合金的剩磁、矫顽力和磁能积分别提高了：13.1%、12%和31.8%。 在非晶晶化处理Pr-Fe-B/a-Fe纳米复合永磁合金过程中,退火处理的时间和温度对材料的微结构和磁性能影响较大。晶化退火温度为680℃、退火时间为8min时,添加了Co、Ga的Pr-Fe-B系合金具有最佳磁性能,晶化退火温度过高和过低,晶化退火时间过长或过短都会破坏合金的最佳微结构,使合金的磁性能降低。 通过对不同合金成分在不同快淬速度、不同时间和温度下退火处理所得材料的实验结果的比较分析,在添加了Co、Ga的Pr-Fe-B系合金在快淬速度为22m/s、退火温度为680℃、退火时间为8min的条件下得到了最佳磁性能,其剩磁、矫顽力和磁能积分别为：Br=0.836T(8260Gs), jHc=526.3kA/m(6600Oe),(BH) max=75.45kJ/m3(9.55MGOe)

关键词： 钒酸铋   二氧化钛   异质结   光催化   传感  

摘要： 半导体材料已经无处不在地应用于我们的生产生活。这不仅要归因于它具有优异的物理化学性质以及廉价节能的优势，更重要的是，半导体功能的可调控性为研究和应用带来了无限的可能和希望。目前，已经有大量的研究工作投入到了功能性半导体材料的设计合成和功能优化。研究证实，半导体材料宏观功能的开发和优化可以通过微结构的调控来实现。因此，阐明半导体的微结构对功能的调控机制对于新型功能半导体材料的开发有着非常重要的意义。钒酸铋(BiVO)和二氧化钛(TiO)是两种具有代表性的典型的半导体材料。BiVO自身拥有窄能带而被作为一种新型的有前景的可见光光催化剂用于光催化降解有机物以及光解水产氧。TiO则以其廉价，无毒，耐酸碱性，特别是优异稳定的物理化学性质而被广泛地研究和应用于染料、催化剂、气敏材料、光催化剂、光学器件以光伏电池等。 本论文基于BiVO和TiO的新型功能材料的可控制备，研究了BiVO和TiO的微结构对于其光电及光催化功能的调控。这项研究不仅进一步清晰了半导体材料的微结构对于功能的调控机制，也为新型半导体功能材料的开发提供了有价值的依据和参考。 首先，利用胶体碳球辅助合成了具有大孔结构的VO-BiVO异质结复合半导体材料。该复合材料在降解MB的光催化性能研究中表现了先进的可见光光催化效率。通过表面光电压谱和瞬态光电压技术系统地研究了材料中的光生电荷的行为，结果证明在VO-BiVO复合物中形成的异质结构显著地影响了光生电荷的动力学行为(包括分离、传递和复合)。异质结构极大地增加了复合物中光生电荷的分离程度，并有效地延长了光生电荷的寿命。 其次，利用光驱动的方法制备出了一种富含活性氢的钒掺杂多孔二氧化钛(V-TiO(H))半导体材料，该材料被证明是一种具有可再生能力的绿色有效的还原剂。V-TiO(H)可以在没有催化剂参与的条件下快速(<10s)并且选择性地将芳香硝基还原为相应的芳香胺。研究证明，钒的掺杂有效地增加了产物中活性氢的含量，进而促进了V-TiO(H)还原剂的还原能力。 再次，通过一种新的“自掺杂”方法设计合成了一种三价钛高度自掺杂的多孔二氧化钛材料(Ti3+-TiO)。该材料可以作为室温下一氧化碳(CO)气体的半导体传感材料，并表现出了高度的选择性和快速的响应恢复能力。研究证明，大量自掺杂的Ti3+一方面有效地降低了TiO的本征电阻。另一方面极大地促进了氧在材料表面的吸附，进而促进了材料的表面反应活性。因此，这种“自掺杂”的方法有效地克服了半导体基传感器实现室温操作的两大障碍，即“高电阻”和“低反应活性”。 最后，研究了多孔无定形二氧化钛的自发室温晶化形成高比表面积的锐钛矿相二氧化钛。该自发晶化过程无需溶剂、添加剂以及催化剂的参与。获得的锐钛矿相二氧化钛材料是光解水产氢的有效的光催化剂，它的光催化活性是基准P25(商业二氧化钛)的两倍以上。优异的性能都归功于温和的晶化手段，即自发的室温晶化合成方法。它不仅保持了该材料光催化性质的优势晶相，同时保持了材料的孔道结构以及大比表

关键词： 界面强度   C/C-SiC   微结构   力学性能  

摘要： C/C-SiC复合材料具有优异的高温热化学稳定性和苛刻环境极强的适应性等特点,使得其在航天飞行器的热防护系统、航空发动机以及火箭发动机的高温热结构部件上拥有巨大的应用潜力。由于该类材料的性能在很大程度上依赖于其微结构特征和基体中陶瓷含量,而研究发现制备过程中CFRP素胚体的界面性能对C/C-SiC的微结构和性能有显著影响。因此,本文研究了CFRP素坯体中纤维/基体界面强度对C/C-SiC复合材料微结构和性能的影响。制备工艺采用树脂裂解与硅熔渗原位反应法。主要研究内容归纳如下： （1）采用热处理改变纤维表面结构状态,从而调整CFRP中纤维/基体界面强度;分析了不同热处理温度下纤维热失重、纤维表面官能团以及纤维力学性能变化情况,并采用宏观力学（短梁剪切测试：Short-Beam Shear Test）和微观力学测试（单纤维压出实验：Single Fiber Push-out Test）方法对CFRP界面性能进行了表征分析;研究表明两种测试方法获得界面强度虽然不同,但均能有效表征纤维/基体界面强度,测量差异主要是由于加载方式和失效方式不同引起;高温热处理（1500℃）对纤维力学性能没有明显的影响,但能够有效改变CFRP中纤维/基体界面结合强度。 （2）试验研究了具有不同界而强度的CFRP在高温裂解后形成C/C预制体的微观形貌和微结构特征;通过比较分析发现,CFRP界面强度对C/C预制体中微孔/微裂纹产生有着显著的影响,不同的C/C预制体微结构在液硅熔渗反应后将会形成不同微结构特征和不同陶瓷含量的C/C-SiC复合材料。 （3）在washburn模型的基础上,建立了适合熔融Si渗入多孔C/C预制体反应熔渗动力学的数学模型,并综合考虑熔渗温度对熔融Si性能：密度、扩散系数、粘度、表面张力的影响,进而导出熔渗温度、时间对熔渗高度、反应速率、毛细孔半径、SiC层厚度的影响,这部分研究结果为熔熔渗反应过程的工艺参数优化与调控提供了一定的理论依据。 （4）利用不同界面强度CFRP获得的C/C预制体,采用液硅熔渗反应法制备了不同的C/C-SiC复合材料。通过对微观形貌、相组成、弯曲力学性能和抗氧化性能的测试与分析,表明采用低界面强度的CFRP素坯体制备的C/C-SiC复合材料的力学性能较低,但能增加基体中SiC相含量并改善其分布的均匀性,同时材料的抗氧化性能得到显著提高。

关键词： 微结构   反射比   漫反射比   均匀度   反射罩  

摘要： 微光学元件具有体积小、质量轻、设计灵活、易于大批量复制形成阵列化等优点,因而广泛用作微光学体系中的微型元件。通过在聚合物基材表面构造球冠型微透镜及其阵列,可以得到聚合物微透镜光学材料,其表面微结构可以赋予聚合物材料许多特殊的功能。聚合物光反射材料的内部组成以及表面添加的球冠型微透镜阵列的微结构对于反射光的利用起着决定性的作用。本文以具有球冠型微透镜阵列微结构的聚合物漫反射复合材料为研究对象,采用理论研究、仿真试验、成型试验和光效对比相结合的方法,对微结构聚合物漫反射复合材料的体系进行了设计,给出了其反射性能表征及测试方法;在仿真试验的基础上,采用挤出辊压技术制备了具有球冠型微透镜阵列微结构的漫反射复合材料,最后注塑成型了漫反射罩,并对其光学性能进行了分析。研究的主要内容如下： (1)对微结构聚合物漫反射材料的体系进行了设计。提出在聚合物基材内部添加具有高折射率的反射粒子的同时在聚合物基材表面添加球冠型微透镜阵列的微结构,得到一种微结构漫反射复合材料;通过理论分析,材料可以具备较好的反射性能和光照均匀度。 (2)基于蒙特卡洛光线追迹法,建立了漫反射材料光学性能测试仿真模型。采用光学设计软件(Light Tools)分别建立了漫反射复合材料、微结构漫反射材料以及微结构漫反射复合材料光学性能测试模型,给出了测试方法并对所建模型进行了误差分析。 (3)基于光学设计软件对不同漫反射材料分别进行了仿真实验。重点研究了反射粒子的添加浓度、粒径以及折射率对漫反射复合材料光学性能的影响。结果表明,当粒子的添加浓度为90万个/mm3,粒径4μm,粒子折射率为2.4时,漫反射复合材料具有较好的反射性能和光照均匀度。 (4)研究了微结构的高度、半径以及排布方式对微结构漫反射材料光学性能的影响。结果表明,当基材表面添加以优化正六边形排布的球冠型微透镜阵列的微结构,且微结构的高度和半径均为0.1mm时,微结构漫反射材料具有较好的光学性能。在此基础上,向基材内部添加反射粒子,当粒子的添加浓度为90万个/mm3,粒径41μm,粒子折射率为2.4时,微结构漫反射复合材料具有较好的光学性能。 (5)对微结构漫反射复合材料的成型工艺进行了研究。采用挤出辊压法成型了微结构漫反射复合材料,研究了二氧化钛的添加浓度,微结构的高度、半径以及排布方式对漫反射材料光学性能的影响。结果表明,漫反射复合材料总反射比为91.4%,漫反射比为88.7%,漫反射比占总反射比的97%,光照均匀度为61.3%;微结构漫反射材料总反射比为90.6%,漫反射比为86.2%,漫反射比占总反射比的95.1%,光照均匀度为62.9%;微结构漫反射复合材料总反射比为93%,漫反射比为91%,漫反射比占总反射比的98%,光照均匀度为63%。试验结果和仿真结果具有很好的一致性。 (6)采用超细电火花技术在反射罩模具型芯表面制作了球冠型微透镜阵列的微结构。通过挤出成型,注塑成型,得到具有微结构的漫反射罩;和金属反射罩进行光效对比,结果表明所制得的漫反射罩光能利用率高,光照均匀度较好。

关键词： SiCp/AZ91镁基复合材料   微电偶腐蚀   微观结构   负差数效应  

摘要： 镁合金以其优良的性能现在被应用于机械制造、交通工具、航空、航天、军事等各个领域。在镁合金中添加适量的增强相是提高挤压态镁合金基体物理和力学性能的一个重要手段，但是却使耐腐蚀性能显著恶化，而成为制约镁基复合材料应用和发展的瓶颈。为建立相关科学理论，拓宽镁基复合材料的应用范围，本文系统研究了微米SiC颗粒对SiCp/AZ91镁基复合材料（MMCs）横、纵截面显微结构的影响规律。研究了增强相SiC颗粒体积分数分别为2%、5%、10%和15%的SiCp/AZ91MMCs，25℃条件下，在含有饱和Mg(OH)2的3.5wt.%NaCl溶液中的腐蚀行为。探讨了增强相SiC颗粒及体积分数、β相在SiCp/AZ91MMCs腐蚀过程中的作用机制，建立SiCp/AZ91MMCs腐蚀模型并揭示SiCp/AZ91MMCs腐蚀机理;同时研究了SiCp/AZ91MMCs负差数效应。 通过SEM及TEM观察研究了SiC颗粒对SiCp/AZ91MMCs组织结构的影响，结果表明：（1）SiCp/AZ91MMCs主要的相组成为SiC颗粒、α-Mg基体、β相和Al-Mn相。（2）SiC颗粒和β相在纵截面上均沿挤压方向富集并呈流线型分布，在横截面上均呈弥散分布。（3）SiC颗粒同时促进α相和β相的再结晶过程。对于α相，使晶粒尺寸变小。对于β相来说，一方面使β相晶粒细化;另一方面改变了β相优先再结晶的位置。使β相在AZ91基体的晶粒内部析出，且在SiC颗粒与AZ91基体界面处析出明显增多，并随SiC颗粒体积分数增加，β相在SiC颗粒周围析出增多。 SiC颗粒对SiCp/AZ91MMCs腐蚀行为的影响的研究结果表明：（1）SiCp/AZ91MMCs的腐蚀速度明显大于AZ91镁合金，并且随SiC颗粒体积分数的增加而增大。（2）SiC颗粒不与AZ91基体直接构成微电偶，但是SiC颗粒的加入改变了SiCp/AZ91MMCs的显微结构从而提高了腐蚀速度。主要原因体现在两个方面：一个方面，随着SiC颗粒的加入β相晶粒细化，使β相与α相间的微电偶腐蚀电流密度增大;另一方面，SiC颗粒的加入使大量的β相在SiC颗粒与AZ91基体界面处优先再结晶，致使该界面处β相与α相间的微电偶腐蚀加速，间接导致SiCp/AZ91MMCs的腐蚀加速。（3）SiCp/AZ91MMCs横纵截面腐蚀性能的差异是由横纵截面上SiC颗粒的面积分数的差异引起的。（4）SiC颗粒使SiCp/AZ91MMCs的负差数效应增强;并随SiC颗粒体积分数增大，SiCp/AZ91MMCs的负差数效应增强。

关键词： 正电子湮没技术   纳米氧化物   缺陷   粒径   磁性来源  

摘要： 稀磁半导体材料(Diluted magnetic semiconductors, DMS)由于同时兼具载流子的自旋和电荷自由度,使其可用于制备磁、电集于一体的半导体器件。替代传统的半导体器件后将提高半导体数据处理、非易失性、降低能耗等方面的性能。室温铁磁半导体的制备是目前半导体自旋电子学领域中的热门课题,并为实现替代传统半导体器件提供了现实基础。但这些材料中磁性的来源仍是一个没有解决的问题,尤其是近年来在很多未掺杂及非磁性掺杂的半导体及氧化物中也发现了室温铁磁性,这更增加了磁性来源的复杂性。找到室温铁磁性的来源,进而实现铁磁性的可控性,对于磁性半导体的制备及其在自旋电子学中的应用中均具有重要的现实意义。 本论文首先概述半导体和氧化物磁性的研究进展,总结目前磁性来源的不同观点。然后设计本论文的实验方案,选取了一批有代表性的纳米氧化物材料,对这些未掺杂的材料中磁性的来源进行了研究。并利用正电子湮没测量技术对多种纳米氧化物的微观结构进行了较为细致的分析,特别对界面缺陷的进行了深入的研究,结合材料在高温热处理过程中缺陷以及磁性的变化,找到磁性与缺陷之间的直接联系。主要研究内容如下： 1、将未掺杂的纳米MgO压制成片状,在100-1400℃范围内间隔100℃空气中退火2小时。利用XRD测量纳米材料的结晶质量,发现经过高温退火后,材料的结晶性得到提高,并且晶粒尺寸逐步增大。利用正电子湮没寿命及多普勒展宽测量研究了纳米MgO界面缺陷变化。其测量结果显示在界面区域存在大量的单空位及空位团,还有少量的尺寸较大的晶粒间界围成的孔洞。经过高温退火这些孔洞能保持稳定,而单空位和空位团随着退火温度的升高而逐渐恢复。经过1400℃高温退火后,界面缺陷基本消除。多普勒展宽测量也显示了同样的缺陷恢复过程,且多普勒展宽S及W参数间的相互变化关系(S-W曲线)表明在退火过程中缺陷种类并没有发生变化。磁性测量结果表明未掺杂的纳米MgO存在室温铁磁性,经过1000℃退火后磁性有所减弱,但仍可看到清晰的磁滞回线。经过1400℃退火后磁性才消失。这与界面缺陷的恢复过程非常一致,可判定界面缺陷与磁性有一定的联系。但由于MgO粒径在退火过程中同时也在增大,因此也不能排除粒径变化带来的尺寸效应影响磁性。在另一种纳米氧化物Ce02中验证上述结论,我们也得到了相似的结果。XRD测量显示衍射峰的主峰随退火温度的升高而尖锐。计算得到的晶粒尺寸随退火温度升高而增大。正电子湮没测量表明界面缺陷在退火过程中逐渐消除,此变化规律同时和饱和磁矩随退火温度的变化规律基本一致,可以再次判断纳米CeO2的磁性与界面缺陷有很大的联系。 2、我们将高纯的纳米ZrO2材料同样经过一系列不同温度下退火2小时。XRD表征结果揭示了ZrO2纳米晶在退火过程晶粒生长比较缓慢,退火1000℃以下晶粒基本没有生长。透射电镜也证明了这一结果。正电子湮没测量显示界面缺陷在500℃以上退火后开始恢复,经过1200℃退火后基本消除。我们再次发现了在纳米ZrO2中铁磁性的变化与晶粒界面空位缺陷有很好的对应关系。100℃及500℃退火后的样品中有明显的铁磁性,而经过700℃退火后磁性明显变弱,1000℃退火后磁性基本消失。与之前的研究结果相比较,排除晶粒的影响之后,基本可以确定铁磁性与界面缺陷有直接关系,与晶粒粒径大小几乎无关。另外,在纳米NiO中我们同样观察到了室温铁磁性消失和缺陷恢复过程的一致性。经过1000℃退火后,界面缺陷与磁性同时消失。XRD测量显示NiO的粒径在退火过程中也在增大,经过1000℃退火后从30nm增大至近80nm。然而,我们选取了另外一种粒径为400nm的NiO样品,在未经过高温热处理时仍然观察到了室温铁磁性,表明控制磁性的因素主要是界面缺陷,而不是晶粒尺寸的影响。 3、我们还对Co掺杂ZnO纳米复合物进行了研究。使用固相反应法制备了不同比例Co掺杂ZnO纳米复合物。正电子湮没测量显示界面缺陷在经过1000℃以上退火后基本得到消除。磁性测量结果表明,1000℃退火后,在低掺杂含量的复合物中观察到了室温铁磁性。在掺杂含量高于2at.%时,没有观察到铁磁性。XRD测量显示在Co含量较高的ZnO样品中,经过高温退火后有CoO新相生成。这表明Co掺杂的ZnO中磁性不再是来源于缺陷,可能来源于Co的掺杂效应。当Co的含量过高后,由于Co在ZnO中的固溶度有限,部分Co会以CoO的形式存在,使得样品不再表现出铁磁性。

关键词： 纳米金刚石薄膜   硼掺杂   离子注入   微结构   电学性能  

摘要： 采用热丝化学气相沉积(HFCVD)法与离子注入法制备硼掺杂纳米金刚石(BDND)薄膜,并对薄膜进行真空退火处理,系统研究退火温度、掺杂浓度、掺杂方法对BDND薄膜微结构和电学性能的影响,对于制备高电导率高Hall迁移率的p型纳米金刚石(NCD)薄膜具有重要的科学意义和工程价值。 对掺硼浓度为500ppm(NLB)的样品经退火处理后,其载流子迁移率提高为28.1-62.9cm2V-1s-1.1000℃退火后,薄膜的迁移率为53.3cm2V-1s-1,面电阻率降低为132.2Ω/cm2,远低于未退火样品的面电阻率223.5Ω/cm2,说明适宜退火温度提高了薄膜的电学性能。高分辨透射电镜、紫外和可见光拉曼光谱测试结果表明,经1000℃退火后,薄膜中纳米金刚石相含量较未退火时增大,说明薄膜中部分非晶碳转变为金刚石相,为晶界上B扩散到纳米金刚石晶粒中提供了机会,使得晶粒中B浓度提高,增强了纳米金刚石中晶粒与晶界的导电能力,提高薄膜电学性能。 对掺硼浓度为5000ppm(NHB)样品经退火处理后, Hall效应测试结果表明NHB样品的电阻率较NLB样品的低,载流子浓度高,Hall迁移率下降。1000℃退火后,样品的迁移率为39.3cm2V-1s-1,电阻率降低。高分辨透射电镜、紫外和可见光拉曼光谱测试结果表明,NHB样品的金刚石相含量较NLB样品低,高的硼掺杂浓度使薄膜中的金刚石晶粒产生较大的晶格畸变;1000℃C退火能够修复由硼掺杂引起的晶格缺陷,减小由掺杂引起的内应力,恢复纳米金刚石晶粒的晶格完整性,从而提高薄膜的电学性能。1000℃C退火后,NHB与NLB样品的Raman谱图中TPA的1140cm-1峰消失,此时薄膜电学性能较好,说明TPA减少有利于提高薄膜的电学性能。 在NCD薄膜中注入剂量为1×1013cm-2的硼离子,经700℃退火后,薄膜呈p型电导,其迁移率为0.483cm2V-1s-1;800℃退火后,薄膜呈n型电导;1000℃退火后,薄膜呈n型电导,其迁移率为236cm2V-1s-1。XPS测试结果显示,随着退火温度升高,离子注入样品表面的碳含量明显降低,氧含量升高,经900和1000℃退火后,薄膜中氧元素的含量(～11%)远较其他退火温度高;说明900℃以上的高温退火使薄膜表面发生了一定程度的氧化,这可能与薄膜的导电类型转变有关。

关键词： 立方焦绿石   Bi1.5MgNb1.5O7陶瓷及纳米晶   介电性能   Raman谱   微结构  

摘要： 焦绿石结构(A2B207)氧化物主要以立方相离子型晶体存在,在该结构的A和B位可进行元素取代,由此产生十分丰富的物理性贡,如电学、磁学、光学、催化等特性。这些物理性能主要由焦绿石结构中的A和B位离子半径、离子极化、电子结构等因素决定。近年来,立方焦绿石相BiMgNbO(BMN)陶瓷由于在低温多层共烧和微波介电调谐等方面具有十分诱人的应用前景,日益受到人们的广泛关注。尽管BMN的介电性能和微波介电调谐性能已被多方报道,然而人们对其内部的介电弛豫机制和微波介电调谐机理仍然不十分清楚。这主要是由于缺乏微结构方面的信息,尤其是原子尺度的微结构信息。高分辨透射电子显微电镜(HRTEM),具有很高的分辨率,它是利用电子束与样品的相互作用进行成像,可在原子尺度直接观察材料的原子结构及缺陷结构,从而在实空间原子尺度确定材料的微结构信息。另一方面,在倒空间,选区电子衍射技术,其衍射斑点的拉伸和强度分布对于材料的局域结构有序度及其结构弛豫性非常敏感,很适合于测定材料的内部微结构,尤其是局域微结构。 本论文利用固相反应法制备了立方焦绿石结构BMN,利用X射线衍射(XRD)、拉曼散射(Raman scattering)、高分辨透射电镜(HRTEM)和选区电子衍射(SAED)对样品的微观结构进行了表征,并测量其介电性能。 XRD分析结果表明,合成的BMN介电陶瓷具有立方相焦绿石结构,其晶胞参数为a=1.052nm。利用拉曼散射谱考察了BMN介电陶瓷内不同原子基团的振动模式,从另一方面证实了BMN介电陶瓷内具有立方相焦绿石结构。选区电子衍射谱图和HRTEM像也证实了BMN介电陶瓷具有立方相焦绿石结构,同时在一些晶粒内部,发现沿[110]and[121]方向存在超结构现象,三角晶界具有原子尺度光滑的晶界结构。介电频谱测量结果表明,BMN介电陶瓷的介电常数随测量频率的增加基本保持不变,具有良好的频率稳定性;不同温度下合成的BMN介电陶瓷,1MHz下的介电常数在120140,介电损耗在0.005左右。这些良好的介电性能与BMN介电陶瓷晶粒内部的超结构现象及原子尺度光滑的三角晶界结构密切相关。 本论文还利用溶胶-凝胶法合成了BMN的纳米颗粒,并利用XRD和TEM研究了其相结构和纳米颗粒的形貌、尺寸。实验表明溶胶-凝胶法确实有效的降低了合成温度,大约在600℃就能成功地合成以立方焦绿石结构为主相的纳米颗粒,其粒径分布在50-200nm之间,晶胞参数为1.068nm。

关键词： 纳米TiO2   光催化   介孔   微孔   锐钛矿  

摘要： TiO2作为一种只有优良光电效应和光敏感性的半导体材料,被广泛地应用于光催化降解水中的污染物,光解水,光敏太阳能电池,光生电储能等装置。本文旨在制备性能优良的TiO2材料,采用BET, XRD, SEM, TGA/DSC等表征手段来表征分析样品的特性,通过降解偶氮染料（甲基橙,甲基蓝,罗丹明B）来考察其光催化性能。 以NH4F为刻蚀剂,通过溶胶-凝胶法与水热处理相结合的方法制备出了含有微孔和介孔混合结构的纳米TiO2样品。分析发现该样品不仅具有良好的热稳定性和良好的结晶程度,而且具有优良O的光催化活性;其光催化活性主要归结于TiO2的良好结晶程度和暴露在样品表而的高活性而。 以C球为硬模板剂,采用沉积法合成Ag/TiO2结构。分析发现该方法合成出的样品为簇状结构,在TiO2表面有丰富的孔道,Ag颗粒在TiO2颗粒上均匀分布,这样的结构可以防止贵金属的团聚,从而提高了催化剂的稳定性。 制备介孔TiO2微米球时,通过条件优化当前驱体选择TBOT,表面活性剂为CTAB,孔模板剂为葡萄糖,酸源为盐酸时,所制备的样品光催化活性最佳。样品的光催化活性不仅与样品的表面特性有关,也与其结构特性有关,是二者共同作用的结果。

关键词： Ashby设计思想   点阵结构   微结构设计   多层级构造   力学性能   结构效率  

摘要： 材料科学家Ashby教授总结了材料的发展规律，并提炼了一系列新材料的设计准则，包括运用化学知识创造新合金或聚合物、调控微结构和设计混杂材料。近年来涌现出来的点阵材料，由于轻质高效的结构形式及开放的内部空间，而被认为是最有应用潜力的结构功能一体化材料。这些超轻点阵材料既可以应用于高科技领域，如航天器、航母平台、大飞机中，也可以在风力发电、家用汽车等民用领域占据一席之地。大力发展轻量化材料，能推进相关工程技术的更新与发展，也可以促进节约型社会的建设。 第1章首先回顾了金属点阵结构的构型发展情况，并对复合材料点阵结构的国内外研究现状进行了综述，接着介绍了多层级结构的概念与研究概况，最后总结了微纳尺度点阵材料的相关制备技术及研究进展。相比于金属点阵结构的研究，以纤维复合材料为母体材料的点阵结构及微尺度点阵材料尚处于初级研究阶段，结构形式及杆件类型都显单一，且在低密度时易发生杆件屈曲破坏从而降低了这类结构的性能。为此，本文的研究目的是以Ashby的一系列设计思想为指导，从原始设计上提高结构的抗屈曲特性并发展新型点阵结构，希望可以丰富现有材料的结构形式，并在最终性能上填补现有材料的空白，从而为实际应用提供更多的选择。 第2章基于微结构设计的思想发展了空心金字塔型复合材料点阵结构，并利用热膨胀模塑成型法首次制备出不同相对密度的空心点阵结构。面外压缩试验证明了空心复合材料点阵结构在低密度下的抗屈曲特性得以提高，压缩强度为相同相对密度下实心点阵结构的2倍;单臂剪切实验结果表明空心点阵结构的剪切强度与点阵杆件及杆件节点处的强度均有关，且高于相同相对密度下的实心金字塔型点阵结构;在承受面内压缩载荷时，空心金字塔型点阵结构与实心金字塔型点阵结构的承载效率相同，经最小质量设计后的点阵结构，在承受相同载荷时分别比聚合物泡沫夹芯结构和金属泡沫夹芯结构减重17%和21%。 第3章基于材料混杂设计的思想，提出了混杂杆件复合材料点阵结构的概念。选择了轻木和硅橡胶两种杆内芯材，并制备出相应的混杂杆件金字塔型复合材料点阵结构。轻木芯混杂杆件点阵结构的比强度较实心点阵结构提高了19%;而橡胶芯混杂杆件点阵结构在单位体积上的能量吸收能力超过了空心点阵结构，但单位质量吸收的能量有所降低;另外，杆内填充橡胶后，点阵结构的抗局部冲击特性得以增强，等效阻尼损耗因子却由于杆内橡胶较小的应变能贡献率而略低于空心点阵结构。然而研究表明，混杂杆件复合材料点阵结构经合理设计后，可扩大材料比强度性能库，同时又能实现点阵结构的多功能化。 第4章基于多层级构造思想，发展了拉伸或弯曲主导构型在不同尺度上混合的多层级结构，分别为宏-细观尺度上的拉-拉及拉-弯混合型两类多层级复合材料点阵结构，并提出了相应的制备方法。对这些结构的压缩效率进行评估，发现这两类多层级结构与优化后的空心金字塔型复合材料点阵结构效率相当，且优于其它易屈曲的低阶多孔芯材。接下来，详细探讨了不同尺度结构构型对多层级结构性能的影响，发现对于经过优化设计的多级结构，宏观尺度结构拓扑构型的效率直接决定了多层级结构的效率，而细观尺度结构拓扑构型则影响不大。另外，研究表明复合材料点阵杆件的铺层方式会影响点阵结构的效率，在承受面外压缩时，按面内方向铺层形成的点阵结构压缩效率更高，本章中所发展的按面内方向铺层的拉-弯混合型多层级复合材料点阵结构，由于宏观尺寸小、结构效率高及制备工艺简单而被认为最有应用前景。 第5章对美国加州HRL实验室的聚合物微点阵材料在不同应变率下的惯性稳定性效应进行了研究。首先，利用自蔓延波导法制备了七类不同几何尺寸的柔性聚合物微点阵材料及其夹芯结构。通过DSC和DMA实验对聚合物材料的热力学性能进行了表征，其中DMA试验结果表明聚合物的玻璃化转变温度随着测试频率（对应着加载应变率）的减小而降低。微点阵结构随着应变率的增加出现了强化现象，对实验结果进行分析后发现，点阵杆件的惯性稳定性效应是出现结构强化的主要原因，且在高应变率下对高弦长比的聚合物微点阵结构更加明显，这一结论可以用于指导动态应用中的柔性结构设计。