晶体人生丨陶绪堂:从有机-无机复合材料走进多彩晶体世界

有机-无机复合材料因其涉及范围更广,材料设计的可选择性大,同时可以兼具无机和有机材料的优点,近年来受到国内外研究人员的高度关注。此次访谈中,陶绪堂教授首先回顾了山东大学晶体材料研究所和晶体材料国家重点实验室在蒋民华院士带领下,开展有机-无机复合非线性光学晶体材料(LAP)研究,并获得国家发明一等奖的历程,介绍了课题组目前在有机-无机复合晶体材料方面的研究进展,结合自身科研历程,重点分析了目前有机-无机复合材料发展的趋势和存在的主要问题,展望了有机-无机复合晶体薄膜在能源领域的应用潜力。最后指出要想从诸多有机-无机复合晶体中产生新的“中国牌”晶体,需要大家共同努力的方向。     

枝晶生长理论中的热-动力学协同

随加工工艺趋于复杂化和极端化,基于热力学驱动力和动力学能垒相对独立的枝晶生长理论已无法精确描述多种机制共同作用的非平衡凝固过程,大大限制了该理论与工业应用的结合。首先,本文综述基于热-动力学相对独立的枝晶生长理论的发展,分析其内涵的本征热-动力学相关性,并集成于以双辊薄带连铸技术为背景的基于热-动力学相关性的枝晶生长模型。其次,定量证明了热力学驱动力和动力学能垒的相关性,通过选择不同的驱动力-能垒组合,试图在双辊薄带连铸技术中实现合金设计和工艺优化。最后,通过分析现有模型的不足,对进一步枝晶生长模型的发展以及与工艺的结合进行展望。     

亚稳碘化汞(β-HgI2M)晶体生长与相变

采用溶液法,以α-HgI₂为原料,在DMSO和H₂O混合溶剂中生长了β-HgI₂^M晶体。通过XRD检测了晶体的结构特征,利用偏光显微镜研究了晶体生长的动态过程及β-HgI₂^M→α-HgI₂的相变过程。研究表明,生长的晶体为β-HgI₂^M,空间结构为Cmc2₁;晶体生长界面夹角为65.02°,与β-HgI₂^M单胞中(110)和(110)夹角(65.16°)吻合;β-HgI₂^M→α-HgI₂相变为结构重构的一级相变。     

仿生叠层构型石墨烯对铝基复合材料的纳米摩擦性能的影响

利用纳米压痕和纳米划痕试验表征了仿生叠层构型铝基石墨烯复合材料(Bio-inspired laminated graphene reinforced aluminum martrix composite, BAMC)与纯铝的力学性能和摩擦磨损性能. 鉴于摩擦力由黏着作用和犁沟作用两分量共同组成,对比探究了BAMC与纯铝在微观摩擦磨损过程中的弹塑性转变过程,分析了黏着作用与犁沟作用在摩擦力中的贡献度,揭示了其微观摩擦磨损机制. 结果表明:相较于纯铝,BAMC的纳米硬度提高了约24%,总摩擦系数(Friction coefficient)降低了约28%,黏着作用分量和犁沟作用分量分别降低了32%和16%. 换言之,复合材料中的异质界面产生异质变形诱导强化,进而增强了应变硬化,使仿生叠层石墨烯铝基复合材料的硬度得到明显提升,并且仿生叠层构型的石墨烯主要通过降低黏着作用来实现减磨. 从微纳米尺度揭示了BAMC的力学性能和摩擦磨损性能显著提升的机理,可为提升其摩擦磨损性能提供理论依据. 目前的工作通过纳米划痕和纳米压痕强调了叠层结构石墨烯的添加对块体复合材料的摩擦性能的影响,并表明仿生叠层构型铝基石墨烯是搭建仿生叠层结构的小尺寸理想增强体.      

定向凝固过程中枝晶侧向分枝生长行为与强制调控规律

采用相场法数值模拟研究了定向凝固过程中随机噪声条件下枝晶侧向分枝生成行为与强制扰动条件下侧向分枝调控规律. 模拟结果表明: 随机噪声条件下, 侧向分枝整体上并无规则性, 但产生频率存在一定分布范围, 且在一定时间段内会出现生成频率一致且具有极强相关性的一组侧向分枝, 即波包; 不同波包之间不具有相关性, 但不同波包内部的侧枝生成频率基本相同, 且与侧枝整体频谱曲线峰值位置处的频率基本相当; 强制周期扰动条件下, 当扰动频率处于侧向分枝整体生成频率范围内时, 可激发枝晶产生规则侧向分枝, 且扰动频率与波包内侧枝生成频率一致时侧向分枝最发达. 研究结果可为向定向凝固枝晶形态的调控提供理论指导.     

碳纤维增强纸基摩擦材料磨损机理研究

以碳纤维为主要增强纤维,采用湿法工艺制备出1种纸基摩擦材料.研究了不同制动次数条件下样品的摩擦磨损行为,通过分析不同制动次数后样品磨损表面的粗糙度特征、三维轮廓形貌、微观形貌和热失重过程,探讨了碳纤维增强纸基摩擦材料的磨损机理.结果表明：随着制动次数的增加,磨损表面粗糙度大幅度降低,材料磨损过程经历了从＂跑合磨损＂到＂稳定磨损＂的转变;材料在磨损过程中微凸体逐渐被磨平,孔隙逐渐被填充,表现出疲劳磨损的特征;磨损后样品表层的热重曲线在320～450℃之间出现了新的剧烈失重峰,表明产生了热磨损;但是磨粒磨损的特征并不明显.     

ZnS衬底表面亚波长增透结构的设计及制备

ZnS是长波红外窗口优选材料之一,而其表面反射率较高;为了减小表面反射,利用耦合波理论,对ZnS衬底表面的亚波长结构参数进行优化设计,得到了具有良好增透效果的最佳亚波长结构参数;并利用掩膜光刻、反应离子刻蚀技术在ZnS衬底表面制备出在8—12 μm波段范围内有明显增透效果的二维亚波长结构,这为ZnS衬底的增透提供了一种新的方法. 关键词： 耦合波理论 表面亚波长增透结构 反应离子刻蚀 硫化锌     

SiO2纳米颗粒与聚氧乙烯对Pickering乳液的协同稳定作用简

研究了聚氧乙烯(PEO)与SiO2纳米颗粒对水/二甲苯体系Pickering乳液的协同稳定作用. 实验发现,PEO的存在减小了乳液液滴的平均直径,抑制了乳液的相反转,有效阻止了乳液的熟化,使乳液具有更好的稳定性. 进一步对纳米颗粒膜的流变性质进行研究,结果表明,PEO高分子促进了纳米颗粒形成更大尺寸的聚集结构,提高了其在界面上的吸附性,增强了颗粒膜的力学性能,在较小颗粒用量条件下使得Gibbs稳定性判据得到满足.     

碳包覆纳米铁镍磁性颗粒的合成

通过在双温控的化学气相沉积炉中热解四吡啶并卟啉铁镍混合物,合成了碳包覆铁镍纳米颗粒。原料中四吡啶并卟啉铁镍的质量比为7∶3;扫描电镜和透射电镜的结果显示碳包覆铁镍纳米颗粒形貌均匀,直径为100~300 nm;能谱结果显示碳包覆铁镍纳米颗粒是由铁、镍和碳组成;拉曼光谱证明产物有大量的缺陷存在,可能是由于球状结构上的碎片引起的;此外,磁性能测试表明室温下,碳包覆铁镍纳米颗粒有很高的饱和磁化强度,为56.3 emu·g^-1;而其产物的矫顽力趋近于零,呈超顺磁性,适合用于催化剂载体。     

碳纳米管含量对炭炭复合材料组织及力学性能的影响

炭纤维上原位合成了均匀生长且具有伸张形貌的碳纳米管,借助化学气相渗透制备了碳纳米管增强的炭炭复合材料,研究了不同含量的碳纳米管对炭炭复合材料组织和力学性能的影响。结果表明：炭纤维上生长碳纳米管改变了热解炭的沉积行为,诱导了各向同性热解炭的生成,且随着碳纳米管含量的增加,各向同性热解炭的厚度增加,但是复合材料的d002值却明显降低。微量的碳纳米管即可显著提高复合材料的力学强度,随着其含量的增加,复合材料的力学强度和模量迅速提高,但材料的断裂行为却急剧恶化,断裂模式由最初的假塑性断裂转变为脆性断裂。