使用化学气相沉积法在a面蓝宝石衬底上同步外延生长氧化锌(ZnO)竖直纳米棒阵列和薄膜,研究了阵列和薄膜的光电化学性能。结果表明,纳米结构中的竖直单晶纳米棒有六棱柱形和圆柱形,其底部ZnO薄膜使竖直纳米棒互相联通。与ZnO纳米薄膜的比较表明,这种纳米结构具有优异的光电化学性能,其入射光电流效率是ZnO纳米薄膜的2.4倍；光能转化效率是ZnO纳米薄膜的5倍。这种纳米结构优异的光电化学性能,可归因于其高表面积-体积比以及其底部薄膜提供的载流子传输通道。本文分析了这种纳米结构的生长过程,提出了协同生长机理：Au液化吸收气氛中的Zn原子生成合金,合金液滴过饱和后ZnO开始成核,随后在衬底表面生成了ZnO薄膜。同时,还发生了Zn自催化的气-固(VS)生长和Au催化的气-液-固(VLS)生长,分别生成六棱柱纳米棒和圆柱形纳米棒,制备出底部由薄膜连接的竖直纳米棒阵列。

通过控制沉积时间制备S5-C/ZrC-SiC、S15-C/ZrC-SiC、S30-C/ZrC-SiC和S50-C/ZrC-SiC等不同热解碳界面层厚度的复合材料,研究了不同热解碳界面层厚度C/ZrC-SiC复合材料的密度与微观组织、烧蚀性能的变化规律及其机理。结果表明：随着热解碳界面层厚度的增大,C/ZrC-SiC复合材料SiC基体含量、密度和气孔率不断降低,但是裂解ZrC基体的含量表现出先降低而后增大的变化规律。S30-C/ZrC-SiC复合材料20 s短时间氧乙炔烧蚀性能最优,其质量烧蚀率和线烧蚀率分别-0.84 mg/s和3.00 μm/s；但是S15-C/ZrC-SiC复合材料长时间循环60 s烧蚀性能最优,其质量烧蚀率和线烧蚀率分别为1.22 mg/s和3.80 μm/s。其原因是,C/ZrC-SiC复合材料20 s氧乙炔烧蚀作用机理主要为机械冲刷,而C/ZrC-SiC复合材料的第二次60 s氧乙炔烧蚀发生了由机械冲刷向热物理和热化学烧蚀机理的转变。

用真空压力浸渗法制备了新型三向正交碳纤维增强铝基(CF/Al)复合材料,根据其内部纱线截面形状和机织结构特征建立了考虑界面作用的细观力学有限元模型,并将数值模拟与实验相结合研究了复合材料在经向拉伸载荷作用下的渐进损伤与断裂力学行为。结果表明,铝基复合材料拉伸弹性模量、极限强度与断裂应变的实验结果,分别为120.7 GPa、771.75 MPa和0.83%。数值模拟的计算误差分别为-3.21%、1.75%和-9.63%,宏观应力-应变曲线的计算结果与实验曲线吻合得较好。在经向拉伸载荷作用下复合材料的基体合金与Z向纱之间的界面先发生失效,随着拉伸应变量的增大纱线交织处基体合金的损伤逐渐累积并先后发生Z纱和纬纱的局部开裂失效,在拉伸变形后期基体合金的失效和经纱断裂最终使复合材料失去承载能力。铝基复合材料的拉伸断口呈现出经纱轴向断裂以及纬纱和Z向纱横向开裂的形貌,起主要承载作用的经纱其轴向断口较为平齐且纤维拔出长度较短,复合材料经向拉伸时表现出一定的脆性断裂特征。

基于分子动力学模拟,从原子水平研究了单晶镍刮擦诱导的微结构演变和塑性去除,重点分析了不同晶面的微结构演变特征和塑性去除差异,阐明了在滑动刮擦和滚动刮擦工况下塑性的去除规律,揭示了微结构演化和塑性去除的机制。结果表明,在紧密接触区产生的应力集中不仅是单晶镍位错滑移的源动力,而且是FCC结构向HCP结构转变和材料塑性去除产生磨屑的主因。发生磨粒刮擦时Ni(110)晶面出现最大的水平切向力,磨粒刮擦时在Ni(110)晶面内形成了具有水平滑移特征的HCP结构,其中位错滑移是其磨屑比Ni(100)和Ni(111)晶面多的主因。在同等刮擦条件下,Ni(110)晶面的塑性环脱落行为滞后。同时,密排堆垛层错行为和磨损表面的剪切应变都表现出显著的晶面选择性。与滑动刮擦相比,滚动刮擦时镍原子显著地粘附于磨粒的外表面,是切向力在刮擦过程中大幅度振荡的主要原因。

用种子生长法合成小型金纳米棒,改变合成参数可调控其形貌和性能。使用紫外-可见-近红外分光光度计和透射电子显微镜(TEM)测试和观察了金纳米棒的消光特性和形貌,研究了AgNO₃、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和籽晶的用量对金纳米棒的形貌和性能的影响。结果表明：在不同条件下制备的金纳米棒具有良好的重现性。在(0.01 mol/L) AgNO₃用量为0.035 mL、(0.1 mol/L) CTAB用量为11 mL、籽晶用量为1.1 mL的最佳条件下合成的金纳米棒,其长径比约为3.8,平均长度约为34 nm,形貌均匀性和分散性良好。这种小型金纳米棒可用于检测残留物福美双(Thiram)。

用水热法合成了不同长径比的钛酸钡纳米线(BaTiO₃ nanowires (BTN)),用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)调节其表面化学能和静电力(标记为P-BTN)。将P-BTN加入聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)基体中制备出P-BTN含量(质量分数)为10%的介电复合材料P-BTN/PMIA。研究了合成温度对BTN长径比的影响、P-BTN对P-BTN/PMIA复合材料介电性能和电学性能的影响以及P-BTN/PMIA复合材料在不同温度下的介电性能和电学性能。结果表明：随着BTN合成温度的提高其长径比明显增大,从130℃时的7.2增大到250℃时的46；随着PMIA复合材料中P-BTN长径比的增大其介电常数从6.6增大到9.8,其介电损耗在整个频率范围内小于0.025并保持了良好的绝缘性能；在-20℃-200℃复合材料P-BTN-250-10介电常数和介电损耗保持稳定。高长径比的BTN更利于提高耐高温聚合物基复合材料的介电常数,进而提高其储能密度。

在1060系铝基体表面镀镍碳纤维作为增强体,进行真空热压扩散制备出碳纤维/铝复层材料。研究了制备工艺参数(加热温度、保温时间、压力大小)和碳纤维体积分数对碳纤维/铝复层材料的微观组织、界面结合、性能强度和断口形貌的影响。结果表明：碳纤维与铝基体界面结合良好,镀镍层与铝基体在碳纤维附近反应生成的Al₃Ni阻止了铝基体与碳纤维之间生成脆性相Al₄C。随着碳纤维体积分数的提高,材料的抗弯强度先提高后降低。

为研究直流电流对亚包晶合金凝固过程的影响,选用与亚包晶合金都存在相似凝固过程的AMPD-4.1%SCN透明亚包晶模拟物为研究对象。使用显微镜感光器件(CCD)和智能通讯测温仪表对实验过程进行实时拍照和温度记录,研究了亚包晶透明模拟物在电场作用下的结晶过程和晶体生长规律。结果表明：在电场的作用下,由电迁移效应使定向结晶的亚包晶模拟物的初生β相颗粒逐渐向正极方向迁移,使凝固界面前沿的液相成分与包晶点的成分(0.05%SCN,原子分数)接近,从而促进包晶反应的进行；电场的作用使电流偏聚产生的焦耳热效应和溶质富集引起的成分过冷,使定向凝固的枝晶尖端产生特殊分裂的生长形貌,使枝晶尖端分裂,枝晶间距减小。

用水热合成法和冻干操作制备石墨烯/聚苯胺/二氧化锰三元复合材料(rGO/PANI/MnO₂),使用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)对其进行了表征。结果表明,用这种简单高效的方法制备的复合材料,具有相互交联的网络状结构和自支撑特性。在反应过程中MnO₂与聚苯胺形成不规则的块状结构,共沉积在石墨烯自组装形成的网络片层上。这种复合材料具有良好的电容性能,比电容为388 F·g^-1(0.5 A·g^-1),优于单纯的石墨烯(rGO,234 F·g^-1)和聚苯胺电极(PANI,176 F·g^-1)。使用这种复合材料作为正极、rGO作为负极组装的一种不对称超级电容器,能在0~1.6 V范围内可逆循环,功率密度为17.48 W·kg^-1时最大能量密度为13.5 Wh·kg^-1。