关键词： 人工智能   高通量实验   高通量数据处理   X射线衍射谱   电化学阻抗谱  

摘要： 材料基因组技术中的高通量实验通过组合材料芯片技术、自动化实验平台和同步辐射光源等先进技术,可将原有的样品制备和实验表征效率提升成百上千倍,但随之产生的高通量表征数据多数仍处于人工逐条分析的状态,数据分析的智能化和自动化程度较低。面对这一现状,为构建材料基因组中的成分-显微结构-性能间的相关性,本论文利用机器学习、优化算法、信号处理和统计分析等人工智能相关方法,以材料显微结构及材料电化学性能中的电化学交流阻抗为落脚点,分析这两类数据的具体特征,开发高通量数据处理技术,实现材料显微结构和电化学性能高通量表征数据的高效自动化处理与分析。 材料相图的传统实验构建方法由于耗时的冶炼和低效的材料显微结构分析导致其制作周期漫长。本论文采用组合材料芯片技术和层次聚类分析分别从高通量实验和数据分析两个层面来加速实验相图的构建效率。利用物理气相沉积结合移动掩膜法制备出Fe-Cr-Ni组合材料芯片前驱体,再对前驱体进行退火处理从而完成材料库的制备。通过先进光子源的高能微束X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)和电子探针显微分析分别对材料库的结构和成分进行高通量表征。本论文提出XRD图谱的三步自动化预处理流程,该流程成功地为1200余条XRD图谱移除偏移基线、去除噪声并校准基线。人工对高通量XRD图谱(约1200条)逐条进行物相分析,再结合成分信息构建Fe-Cr-Ni相图以作为后续自动化构建相图的参考。通过在层次聚类分析中融合专业经验,可提高其XRD图谱物相识别精度,可将自动化构建相图的准确率从50%提升至91%以上。最终验证高通量数据处理技术能从高通量显微结构数据中自动获取成分和结构信息,从而提升组合材料芯片技术产生的大量表征数据的分析效率,进而把三元相图的构建周期从数月缩短到几天,并且可将此技术推广到其他三元、多元合金相图的快速构建。 电化学阻抗谱(Electrochemical impedance spectroscopy,EIS)作为一种二次信号测试技术,通常面临难以评估数据质量、难以选择合适的等效电路模型(Equivalentcircuitmodel,ECM),以及较难精确拟合ECM元件参数等数据处理问题。 为消除EIS异常点对数据质量的影响,本论文首次提出基于系统线性、残差敏感性和数据质量提升三个定性条件构成的EIS异常点定义。基于该定义,通过改进的线性Kramers-Kronig验证方法、Savitzky-Golay平滑算法、四分位数和各种残差组合,设计出EIS自动验证与改进(EIS validation and improvement,EIS-AVI)系统,该系统通过自动检测和删除异常点以改进EIS数据质量。通过在人为添加扰动的模拟EIS上验证EIS-AVI结合不同的运行参数时的异常点检测性能,得以确定EIS-AVI最佳的运行参数,进而实现更小的计算量和最高的检测率(85.1%)。同时还获得多种残差指标对于异常点的敏感度排序,并发现EIS-AVI更容易找到数据分布稀疏区域上的异常点。 本论文使用能从海量数据中学习的机器学习(Machine learning,ML)算法来解决难以为EIS选择合理的ECM的问题。通过从已发表文献中摘录的锂离子电池测试数据和微区电化学高通量实验数据,我们构建出包含七种类别、629条数据的EIS机器学习数据集。使用网格搜索为多种ML算法选择最佳的超参数组合,结合最佳的超参数及更多的训练数据可训练并筛选出在机器学习测试数据集上ECM预测性能最佳的AdaBoost和随机森林两种模型。相较于前人在五种ECM预测任务中46%的正确率,本论文最佳的ECM预测模型在更为困难的七种ECM预测任务中将正确率提升至57%。通过将EIS分成高频段阻抗、中频段阻抗和低频段阻抗三个输入来分析三者对预测结果的重要性程度,并和AdaBoost和随机森林的权重分析结果进行比较,可知改进的模糊曲面分析、人工经验分析和AdaBoost权重分析均认为:低频段阻抗的重要性>中频段阻抗的重要性>高频段阻抗的重要性,从而认为AdaBoost的ECM预测依据更为可信。通过进一步为AdaBoost提供数据背景信息,可帮助AdaBoost缩小预测目标范围,使其为微区电化学高通量实验EIS预测ECM时,达到83%的预测准确率。 为解决ECM元件参数自动拟合的问题,我们研究了基于进化、人类活动、物理规律和动物群体活动启发的四大类、二十种不同的全局优化算法(Global optimization algorithm,GOA)以代替广泛使用、但容易陷入局部最优的复数非线性最小二乘法。通过在九条模拟的EIS上测试二十种GOA的ECM元件参数拟合性能(拟合精度、拟合结果稳定性和运行时间),为每种ECM挑选出综合性能最佳的五种GOA并应用于后

关键词： 碳纳米管   原位合成   钛基复合材料   微结构   力学性能  

摘要： 以Fe/Ni为催化剂，利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法在球形钛合金微米粉体表面原位合成了碳纳米管(CNTs)包覆的钛合金(钛合金@CNTs)复合粉末。以钛合金@CNTs粉体为原料，利用放电等离子体烧结(SPS)工艺制备了原位TiC与CNTs增强Ti基复合材料，采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、拉曼光谱仪、X射线衍射仪、电子探针、纳米压痕等对复合粉体及烧结复合材料的微观结构、物相成分及力学性能进行了表征分析。在此基础上探讨了催化剂前驱体含量、生长时间等对低温原位CNTs生长机理的影响，以及复合粉体烧结反应对复合材料组织结构的形成以及CNTs与Ti基体反应原位形成TiC的机理。结果表明，原位形成的TiC主要受CNTs的结晶度与SPS温度所影响。

关键词： AL2O3-H2O纳米流体   稳定性衰变模型   三元二阶黏度预测模型   导热系数支持向量机预测模型   复合微结构微流道  

摘要： 随着科学技术的进步,电子产品的与时俱进使得高速率、低时延、大数据的信息传输成为必然,导致电子产品的设计向微小型化、轻薄化、多功能化、智能化、大功率化发展,且集成度不断提高。集成度越来越高的同时,单位体积内的热流密度越来越高,热量聚集难以散发出去的问题也随之变得更为凸显。温度过高不仅会导致电子产品发生热和热应力失效,还会使得电子产品工作能效降低。因此,一种结构紧凑且散热高效的散热器以保障电子产品的质量和工作可靠性就尤为重要。微流道作为一种良好的被动式散热方式和散热结构在高密度集成电子系统散热方面具有巨大的应用前景。因此,面对急剧增大的大热流密度散热需求,充分发挥纳米流体与微结构对微流道的散热增强效应,提高微流道散热能力的同时减小能耗,开展复合微结构微流道中AL2O3-H2O纳米流体强化散热研究工作,具有重要的工程价值和现实意义。主要研究内容如下: 一、AL2O3-H2O纳米流体稳定性衰变模型研究。本文采用实验研究方法,建立颗粒粒径、颗粒质量分数、分散剂质量分数、搅拌时间和超声波振荡时间五参数三水平实验规划表,通过二步法制备AL2O3-H2O纳米流体,运用紫外光分度计测量其透射比,得到各参数作用下透射比随时间变化规律,运用最小二乘法提出了基于透射比平均增速的AL2O3-H2O纳米流体稳定性衰变模型。通过该模型,透射比平均增长速率越大,则透射比衰变越快,实现快速的纳米流体参数配置,延长其退化时间,增强其稳定性。 二、基于多参数代理模型的AL2O3-H2O纳米流体流动传热特性分析。本文采用分子动力学模拟计算了AL2O3-H2O纳米流体不同温度、颗粒形状、粒径和体积分数下的动力黏度和导热系数,分析了其在参数作用下的分布规律,基于逐步回归法和机器学习方法分别构建了三元二阶多项式黏度代理模型与支持向量机代理模型,并采用文献与实验相结合方法验证了模型的预测精确度。通过两个模型,可以实现准确度达90%以上的黏度与导热系数预测。进一步对比分析了基于多参数黏度与导热系数代理模型的纳米流体的流动传热特性变化规律,发现纳米流体的热工水力性能对温度、体积分数、球形度等都比较敏感,充分表明仅仅关联体积分数的黏度与导热系数模型不足以获得可靠的研究结果。 三、分形与多项式针鳍阵列微结构微流道散热研究。本文分别研究了具有分形微结构特征与针鳍阵列微结构特征的微流道中流动传热特性。分析了分形维数、均方根粗糙度、流道截面高度和流道长度对分形粗糙壁面微流道中温度分布、速度分布、努塞尔数、摩擦系数等的作用规律。发现增加粗糙壁面均方根粗糙度与分形维数,会增加综合散热性能,但其对散热量的增幅低于其导致的压降增幅。分析了在五种针鳍阵列形态下,针鳍高度与直径变化时对针鳍阵列微流道中温度分布、努塞尔数、综合散热性能系数等的影响规律。发现同等边界输入下,凹型抛物线针鳍阵列微流道降温效果最好,且能耗增加最少。 四、复合微结构微流道中AL2O3-H2O纳米流体强化散热研究。本文建立了粗糙壁面与凹型抛物线针鳍阵列复合微结构特征的微流道传热仿真模型,以AL2O3-H2O纳米流体为传热介质,分析了流道截面高度、均方根粗糙度、针鳍直径以及体积分数参数变化时,微流道中传热因子、摩擦系数、温度梯度、综合评价因子和场协同角等的变化规律,构建了基于支持向量机的综合评价因子与场协同角优化目标函数,运用NSGA2与TOPSIS算法进行多目标优化与决策,获取最优参数设置。发现采用这种方法,可以实现强化微流道综合散热能力的目的。 本文开展的研究工作丰富了纳米流体稳定性、黏度与导热系数方面的理论与模型,增强了粗糙形貌和针鳍微结构对微流道流动传热作用规律的认知。同时,基于综合评价因子与场协同的复合微结构微流道中纳米流体强化散热方法研究,可以有效的实现提高散热能力同时并减少泵功的目的。因此,本研究具有较好的现实意义和实用价值。

关键词： 刚玉-莫来石坩埚   镍基高温合金   微结构设计   抗侵蚀性能   热失配  

摘要： 目前,由于高温合金涉及国家战略性产业,美国、日本等发达国家熔炼高温合金用的耐火材料和熔炼工艺都处于保密状态。真空感应熔炼法作为合金熔炼的第一步,也是冶炼高温合金的最基本工艺,高温合金熔炼时需盛装在坩埚耐火材料中。高温低压服役过程中坩埚耐火材料的分解、溶解以及与高温合金元素反应导致合金的纯净度降低进而影响合金性能。并且高温合金从等轴晶、柱状晶向单晶方向发展,对合金的洁净度以及耐火材料提出更高的要求。发达国家和中国现用熔炼镍基高温的坩埚多为刚玉-莫来石耐火材料,但国产坩埚因抗侵蚀和抗热震等性能较差导致其中的非金属氧化物进入合金熔体,为此需要对其结构进行优化设计以降低对镍基高温合金的影响。 为此,本论文针对目前镍基高温合金熔炼用刚玉-莫来石耐火材料所存在的问题,对刚玉-莫来石耐火材料进行微结构优化设计及其与镍基高温合金作用机理进行分析研究。通过热力学计算、数值模拟以及抗镍基高温合金熔体侵蚀实验,明确刚玉-莫来石耐火材料熔炼高温合金过程中的损毁和侵蚀机理;基于Dinger-Funk方程和不同原料的烧成线变化率对原料配比进行优化调整,提高骨料与基质间界面的致密性;对刚玉-莫来石耐火材料的界面/表面结构进行优化,提高刚玉-莫来石耐火材料的抗侵蚀性能;优化骨料与基质界面结构和基质结构,降低骨料与基质间因热失配产生的热应力;将本课题制备的改良坩埚进行工业实践应用,分析改良坩埚的实际服役状况。通过上述研究,取得了如下的研究结论: （1）刚玉-莫来石耐火材料熔炼高温合金过程中的损毁和侵蚀机理:刚玉-莫来石材料熔炼镍基高温合金过程中三氧化二铝较为稳定,莫来石在高温下会被金属还原,生成单质硅进入到高温合金熔体中,与合金被氧化后生成的氧化物在高温下形成熔渣;气孔弥散分布在材料中时存在部分气孔与气孔间的材料较窄,导致出现较大的热应力;坩埚的底部为球形时是较优设计结构,热应力较小;显气孔率较低的刚玉-莫来石耐火材料与镍基高温合金熔体间的接触角较大;刚玉-莫来石坩埚在熔炼镍基高温合金过程中所受到的侵蚀包括物理侵蚀（热震损伤和粘连剥落）和化学侵蚀（莫来石中二氧化硅被还原、刚玉和莫来石与镍基高温合金被氧化生成的金属氧化物形成熔渣）。 （2）耐火材料中骨料与基质间界面的结构优化:选用原料的粒径及添加量的粒度分布符合Dinger-Funk最紧密堆积模型;分布模数为0.20的方案的生坯具有较高密度,制备的样品经1400℃及以上基质反应完全,热处理温度较高时会因为骨料和基质间的线膨胀率不同而在两者间产生间隙;与骨料烧成线变化率较为接近的是红柱石+三氧化二铝微粉组合,红柱石的添加量为4 wt.%是较优方案,提高了骨料与基质间界面的致密性。 （3）刚玉-莫来石耐火材料的表面结构优化:以铝溶胶作为结合剂制备的刚玉-莫来石耐火材料表面较为致密,引入0.2 wt.%V2O5可进一步提高刚玉-莫来石耐火材料表面的致密度;溶胶结合和在铝溶胶中进行真空浸渍降低显气孔率可以增大刚玉-莫来石耐火材料与镍基高温合金熔体间的接触角;选用铝溶胶作为结合剂添加助烧剂V2O5所制备的刚玉-莫来石耐火材料的抗镍基高温合金熔体侵蚀性能较优;进行溶胶浸渍后试样在熔炼镍基高温合金后的表面保留较好的完整性,经铝溶胶浸渍4次制备试样的侵蚀深度相较于以PVA结合试样降低21.32%。 （4）耐火材料中骨料与基质间的热失配调控:添加莫来石包覆白刚玉骨料后在白刚玉颗粒与基质间有一层硅含量较高的莫来石层,可降低两者间的热失配;增加纳米氧化锆溶胶的添加量使试样的抗热震性能提高、强度降低,氧化锆在试样的基质中呈弥散分布;氧化锆短切纤维的添加量为0.4 wt.%,热处理温度为1550℃和1600℃的试样具有较好的强度;热震后试样的抗折强度保持率与显气孔率增长率具有负相关性。通过引入包覆骨料和不同维度氧化锆,均可有效控制的刚玉-莫来石耐火材料中骨料与基质间的热失配。 （5）改良坩埚的实际服役状况:本工作制备的改良坩埚相较于现用坩埚体积密度高、显气孔率低、强度高,莫来石含量低;改良坩埚不粘连高温合金熔体,改良坩埚与镍基高温合金熔体的接触角较大;在相同的工艺条件下,改良坩埚的抗热震性能和抗镍基高温合金熔体侵蚀性能优于现用坩埚。

关键词： 聚丙烯无纺布   β-环糊精   聚乙烯亚胺   吸附   双酚类化合物  

摘要： 随着工业的快速发展,双酚类化合物（BPs）已在多种水生环境中被检测到。作为一类内分泌干扰物,BPs即使在较低的浓度下,也会对水生生物产生毒性,甚至危害人类健康,且其难以在环境中自然降解。吸附法被广泛用于水体中BPs的分离,但吸附材料大多为粉末或细小颗粒态材料,回收利用较为困难,也容易造成二次污染。另一方面,膜材料因其易回收和优异的机械性能脱颖而出,并通常考虑在膜中掺入络合剂以增强吸附性能。吸附作用主要依靠的是吸附剂的多孔结构和表面官能团,考虑到膜材料的比表面积一般比较低,且表面官能团有限,所以如何在大型宏观膜材料上构建有效的微结构用于高效吸附是研究的重点。本文选择机械性能高、价格低廉且耐酸碱的聚丙烯（PP）无纺布作为基底膜,采用γ射线预辐射的方法在PP织物上接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）单体,得到PP-g-GMA。GMA的环氧基团很容易与羟基、羧基和氨基等官能团发生开环反应,这为后续反应提供了可能。随后选择β-环糊精（β-CD）和一些胺类物质（EDA、PEI-x）作为活性物质,以GMA为桥梁,分别在膜上构建带有疏水环糊精空腔和亲水胺基的有效微结构,最终用于吸附BPs。具体的工作总结如下: 在第一部分工作中,以GMA基团为桥梁,将马来酸酐改性的β-CD接枝到PP无纺布上。其中马来酸酐改性的β-CD具有更长的化学链,可以有效降低与PP-g-GMA开环反应的空间位阻,得到接枝率更高的PP-g-MAH-β-CD。基于非平衡热力学,通过各种阻力分析计算,进一步研究了材料接枝率对吸附的影响。研究发现接枝率并非越高越好,Dg2为36%的PP-g-MAH-β-CD织物最适用于吸附BPA。吸附符合准二级动力学模型,属于化学吸附。根据吸附等温线拟合得到的理论饱和吸附容量可达146.55 mg/g。该吸附剂易于回收且化学结构稳定,对BPA的吸附容量在15次吸附-脱附循环中几乎没有变化,展现出优异的可重复使用性。结合DFT计算和FTIR表征结果发现PP-g-MAH-β-CD对BPA的吸附主要取决于β-CD与BPA的主客体包合机制、疏水相互作用和氢键作用。 在第二部分工作中,依然以PP-g-MAH-β-CD作为吸附剂,重点研究以疏水空腔为主要作用的环糊精改性PP织物对各种双酚类污染物（BPA、BPB、BPE、BPF和BPAF）吸附的普遍适用性。实验发现,由于BPs相似的分子结构和理化性质（酸度系数p Ka）,初始溶液的p H值对吸附的影响基本一致。吸附均符合准二级动力学模型,化学吸附占主导。根据吸附等温线拟合结果,BPB、BPE、BPF和BPAF的理论饱和吸附容量分别为133.31 mg/g、116.80 mg/g、96.53 mg/g和145.72 mg/g,表明PP-g-MAH-β-CD对各种BPs均具有较为优异的吸附能力。根据FTIR表征和吸附数据,并结合BPs的分子结构和理化性质发现,以β-CD为主要活性物质的PP-g-MAH-β-CD织物可以依靠多种作用机制实现对各种BPs的吸附,其中疏水相互作用占主导,同时空间匹配效应也会对吸附产生一定的影响。 在第三部分工作中,仍以GMA为桥梁,将亲水性的胺类物质PEI（或EDA）通过开环反应接枝在PP上,在膜上成功构建亲水微结构,得到PP-g-PEI-x（或PP-g-EDA）。综合对比实验结果发现PP-g-PEI-300对BPA具有更好的吸附效果。相对于PP-g-MAH-β-CD,PP-g-PEI-300受离子强度、无机离子和腐殖酸的影响都比较小。吸附符合准二级动力学模型,属于化学吸附,且PP-g-PEI-300的吸附速率明显快于PP-g-MAH-β-CD,这主要是因为材料上亲水基团形成的微域可以有效降低吸附时的界面扩散阻力,从而加速吸附和扩散过程。吸附符合Sips等温线模型,拟合得到的理论饱和吸附容量高达225.25 mg/g。PP-g-PEI-300易于回收,无二次污染,并表现出与PP-g-MAH-β-CD一样优异的循环使用性能。探究其吸附机理,发现PP-g-PEI-300上的伯胺和仲胺易与BPA的羟基形成氢键是起吸附作用的主要原因,且伯胺占主导作用。

关键词： ZK60复合材料   粉末冶金   显微组织   力学性能   异质结构  

摘要： 镁合金由于其密度低、比强度高等优点是航空航天、新能源汽车以及电子产品等领域用的理想材料。相较于其它商用镁合金,ZK60合金有着好的强度和塑性,提高其强度和塑性一直以来是研究的重点,亟待开发出新的提高性能的制备方法,以拓宽ZK60合金的应用。开发镁基复合材料是获得高性能ZK60合金的重要方法。目前,镁基复合材料的制备,其强度的提升往往以牺牲塑性为代价,选择合适的增强相、成分结构设计以及制备工艺是获得强度与塑性协同提升镁基复合材料的关键。鉴于此,本文以气雾化ZK60合金粉末为基材,通过粉末冶金法及热挤压工艺制备ZK60镁基复合材料,从原子尺度、纳米尺度、微米尺度以及宏观（毫米）尺度设计出发,基于成分设计以及微观组织调控,分别研究了稀土Y元素、纳米Y2O3以及异质纤维结构、异质成分梯度结构对ZK60镁合金组织与力学性能的影响,揭示了ZK60复合材料相应的强韧化机制。本论文的研究成果可以为高性能ZK60镁基复合材料的研制提供科学基础和实验依据。论文的主要研究内容和结论如下: （1）在原子尺度上,基于稀土Y元素添加有效增强ZK60镁合金,阐明了稀土Y元素增强ZK60合金的规律,揭示了稀土Y元素对微观组织的作用机理和相应的强化机制。稀土Y元素的加入,主要固溶到Mg基体中,一方面,细化了晶粒尺寸,弱化了{0001}<11-20>基面织构,促进了非基面滑移系的开动,提升了材料的塑性;另一方面,促进了孪生行为和第二相析出行为,通过第一性原理计算,当Zn和Y元素同时固溶到Mg中,Mg基体的层错能下降49%,3.63Y/ZK60样品的孪晶界占比达到23.4%,内部的Mg Zn2相更细长、密度更高,而ZK60样品中孪晶界占比仅为0.5%,内部的Mg Zn2相较短、密度较小,提高了材料的强度。相比于ZK60合金,3.63Y/ZK60材料的综合拉伸性能最好。主要强化贡献为固溶强化、弥散强化和Orowan强化。 （2）在纳米尺度上,基于纳米Y2O3颗粒添加有效增强ZK60镁合金,阐明了纳米Y2O3颗粒增强ZK60合金的规律,揭示了纳米Y2O3颗粒对微观组织的作用机理和相应的强化机制。一方面,纳米Y2O3颗粒的加入,在Mg基体中主要分布在晶界,增加了晶粒形核的质点,促进了动态再结晶行为,细化了晶粒尺寸,提升了材料的强度与塑性;另一方面,纳米Y2O3颗粒加入,降低了复合材料的热膨胀系数（CTE）,增加了Y2O3/ZK60复合材料的热错配度,提高了尺寸的稳定性以及热错配强化贡献。同时,纳米Y2O3颗粒与Mg基体的界面为弹性变形的共格界面,能够有效传递载荷,纳米Y2O3颗粒附近位错密度较高,阻碍了位错的运动,提升了材料的强度。前提是建立在适量纳米Y2O3颗粒添加,0.3Y2O3/ZK60材料的综合拉伸性能最好。主要强化贡献为晶粒细化、热错配强化和Orowan强化。 （3）在微米尺度上,基于异质纤维结构制备有效增强Mg/ZK60复合材料,阐明了异质纤维结构增强Mg/ZK60复合材料的规律,揭示了异质纤维结构对微观组织的作用机理和相应的强化机制。异质纤维结构Mg/ZK60复合材料,其中纤维结构区域为ZK60合金,有许多析出相且平均晶粒尺寸为0.8μm,而Mg为基体,无析出相且平均晶粒尺寸为3.5μm,在两者的界面处存在晶粒尺寸与析出相的双重异质结构特征,产生了额外的背应力强化,强度与塑性得到协同提升;随着复合材料基体中异质纤维结构界面越长、间距越小以及数量越多,其弱化基面织构的能力就越强,非基面滑移越容易启动,提升了复合材料的塑性。50Mg/50ZK60复合材料的综合力学性能最优,弯曲性能强塑积甚至超过ZK60合金。主要强化贡献是晶粒细化、位错强化以及背应力强化等。 （4）在宏观（毫米）尺度上,基于异质成分梯度结构制备有效增强（Mg/ZK60）+ZK60复合材料,阐明了异质成分梯度结构增强（Mg/ZK60）+ZK60复合材料的规律,揭示了异质成分梯度结构对微观组织的作用机理和相应的强化机制。异质成分梯度结构复合材料,表层为100%ZK60合金,芯部为不同比例的x Mg/y ZK60复合材料,因此该复合材料具有表层硬芯部韧的异质结构特点,具有“蛋壳效应”,随着芯部异质纤维结构的增加,背应力强化效果更强,芯部承受住高强度表层变形的能力增大,有效传递表层的应力,从而延缓了材料的失效,提高了材料的强度与塑性。梯度复合材料以基面滑移和锥面滑移为主,TD-50-50样品具有更优的综合弯曲性能,其中弯曲强度为932.6 MPa,挠度位移为10.53 mm,弯曲强塑积为9820,远超过ZK60合金和50Mg/50ZK60复合材料。主要强化贡献是晶粒细化、位错强化以及背应力强化等。

关键词： 太阳能转换   ZnIn2S4   MoReS3   替位Cd掺杂   肖特基接触   空穴提取  

摘要： 能源危机和环境污染问题的日益加剧使得寻找可以替代化石燃料的可再生清洁能源成为人类当下的迫切议题。太阳能是离地球最近的清洁能源,其储量丰富,若能有效地将太阳能加以利用,使其替代化石能源,将极大地满足人类的能源需求。近年来,光电化学（PEC）水分解和太阳能CO2转换作为两种将太阳能转换为化学能储存在清洁燃料中的可行策略而被广泛研究。半导体材料的选择和微结构设计对于实现太阳能的高效吸收和转换至关重要。相较于金属氧化物,金属硫化物具有更合适的能带结构和更良好的可见波段响应,使其在太阳能转换领域极具应用价值。然而,金属硫化物较高的载流子复合效率和缓慢的表面氧化反应动力学等因素限制了其广泛应用。本文以Zn In2S4、CdS两种金属硫化物半导体作为模型材料,通过一系列微结构调控与界面设计策略来优化金属硫化物的光生载流子动力学,从而突破其在太阳能转换领域的应用瓶颈。实现高效的载流子分离效率、丰富的表面活性位点和快速的表面反应动力学的太阳能转换体系。为此,本文的研究主要包含以下两部分: （1）通过选择性在二维ZnIn2S4（ZIS）基面上的Zn位点引入替位Cd掺杂剂,成功地调制了掺杂Cd-Zn In2S4（Cd-ZIS）纳米片阵列光阳极的能带结构和表面电化学活性。深入的测试表征表明,Cd掺杂引入的的浅受主能级和优异的电化学活性使得表面Cd掺杂剂同时作为捕获中心和活性位点,介导半导体/电解液界面处的光空穴动力学。深入的光生载流子动力学分析表明,Cd掺杂剂的高效光空穴捕获带来了高效的光生载流子空间分离和加速的表面反应动力学。因此,最优化的2D Cd-ZIS在1.23 VRHE下光电流密度达到5.1 m A cm-2,外加偏压下的光电转换效率（ABPE）达到3%,实现了优异的PEC太阳能转换效率。这项工作揭示了一种可以有效调控下一代PEC半导体光阳极光空穴动力学的新型微结构设计策略。 （2）通过原位生长在CdS纳米线表面构筑了具有充分界面耦合的二维MoReS3纳米片。实验结果表明,二维MoReS3极高的比表面积为异质结构筑提供了丰富的表界面,功函数差异使界面处形成了由CdS指向MoReS3的界面内建电场。因此,1T`金属相MoReS3纳米片与CdS纳米线之间形成了肖特基接触。界面能带弯曲不仅显著提升了CdS纳米线的光生载流子分离效率、延长了光电子寿命,同时使得MoReS3纳米片能够有效地从界面处提取CdS中的光空穴,而MoReS3纳米片丰富的表面活性位点,有效地加速了表面光空穴氧化反应动力学,从而显著提高了太阳能驱动CO2转换效率,使得最优化的CdS@MoReS3的CO产率达到15.7μmol g-1 h-1,是CdS的7倍。这项工作不仅揭示了金属相MoReS3作为半导体共催化剂的潜力,更为基于异质结界面操纵调控载流子动力学行为提供了新思路。