关键词： 材料学   二氧化钛   复合材料   遗态材料   上海交通大学   生物模板   探索之路  

摘要： 随着社会发展和生活水平的不断提高,各行各业对材料性能的要求也越来越高。材质、结构、功能单一的传统材料已远远满足不了社会的需求,追求多组分、多结构、多功能一体化的优质材料成了材料科学的发展方向,同时也给当前的材料设计、合成

关键词： 遗态材料   单鳞片   蓝闪蝶   角分辨反射谱   各向异性   FDTD  

摘要： 当今社会信息量日益膨胀,迫切需要对目前以电子为信息载体的器件进一步集成化与微型化。然而,由于电子本身所固有的物理特性所带来的局限性,该过程遇到了越来越多的技术瓶颈,迫使人们探索除电子以外的新信息载体。1987年,Yablonovitch等首次提出了通过控制高维周期性介电体结构,可人为制造光带隙的学术思想。这类结构在空间各个方向上可禁止一定波长的电磁波在其内部传递,被称为光子晶体(Photonic Crystals)。类似电子器件中利用半导体带隙对载流子输运进行控制,光子器件中可利用光子晶体的光带隙对光子输运进行调控,在新的纳米技术、光子计算机、光子芯片等领域有广泛的应用前景。然而,光子晶体特别是三维(3D)光子晶体的制备非常困难,极大的阻碍了基础及应用研究的开展。可以对可见光及近红外光进行调控的3D光子晶体需要有亚微米尺度的3D周期性结构,在目前的科技水平下,世界范围内尚无成熟有效的方法可以制得。因此探索新的光子晶体获取手段对于深化光子晶体理论研究、拓展其潜在应用具有重要的学术价值与现实意义。 近年来研究发现,自然界物种经过亿万年的进化,在适者生存的自然法则筛选下演变出了多种多样的多尺度复杂精细结构。其中多种物种具有亚微米级的周期性结构,并表现出天然的光子晶体特征。某些蝴蝶翅膀天然呈现出具有金属光泽的蓝色,研究表明这种颜色与蝴蝶翅膀上鳞片的分级精细结构有关。蝴蝶翅膀鳞片这种结构类似于光子晶体结构,对光存在调制作用。 本课题组从2003年开始研究蝴蝶翅膀上复杂的鳞片结构。并采用先进的合成方法成功的将原始蝴蝶模板转化成为能够保持原始结构的ZnO、TiO2、ZrO2等功能氧化物材料,并率先研究其结构与性能之间的耦合效应。然而之前的研究工作主要以整块蝴蝶翅膀为研究对象,而实际上蝴蝶翅膀包含有复杂的结构,并且分别实现不同的功能。整块蝴蝶翅膀相当于一个复杂的系统,通过叠加不同结构的鳞片实现特定的功能。研究表明,蝴蝶翅膀上真正的结构和功能单元是尺寸约为00×50μm的单鳞片。因此本研究率先提出以单个蝶翅鳞片作为研究对象,并在已有的浸渍方法的基础上提出了一种新的合成方法。选用两种典型的蓝闪蝶(Morpho Didius和Morpho Menelaus)为研究对象,详细研究了其前翅背面能折射金属光泽般蓝光的蓝色鳞片(Ground scales)和透明鳞片(Cover scales)的反射、透射特性;找到了一种具有棱状周期结构所具有的、共性的光学特性,即对光的空间取向性(折光的空间各向异性);并在此基础上探讨了以单鳞片为模板的合成工艺。新工艺中采用真空预处理的方式成功的控制高温去模板过程中模板的收缩方向,从而在合成的材料中保持了原始模板的部分周期尺寸,并得到了能够保留原始模板折光空间各向异性光学性能的ZrO2、ZnO、BaTiO3等材料。本论文的主要工作和结果如下: 1.蝶翅上覆盖的单鳞片所具有鳞片结构具有折光空间各向异性,其反射特性由反射参数θ和φ决定(θ:入射光在鳞片所在平面的投影与鳞片主棱之间的夹角;φ:入射光与鳞片法线的夹角)。 2.蓝闪蝶前翅背部的ground scale,是一种非严格周期的主棱条纹结构,其主要折射蓝光区域集中在θ=90o±10o和270o±10o;偏离最强反射区10o,反射强度将降低10倍;由于这种鳞片结构不具备严格的周期尺寸,因此反射谱在θ分别为90o±10o和270o±10o的区域不具备对称性。 3.蓝闪蝶前翅背部的cover scale,是一种白色透明的鳞片,具有一种三维的光子晶体结构以及多达三种以上的周期单元,并且每种周期都具有严格的周期尺寸。当入射光在θ=180o附近时,鳞片折射蓝光,而当入射光分别在θ=90o,270o附近时,鳞片折射红光。其主周期尺寸(两主棱之间的距离),决定红光波段反射峰的位置;而主棱上面的次级“肋骨”结构则决定蓝光波段反射峰的位置。 4.通过重新设计反射、透射光谱测试装置,以研究单鳞片反射、透射特性在空间取向上的关系。研究表明,蝶翅鳞片结构的细微差别能够影响其角分辨反射光谱。通过对角分辨反射光谱的测试能够找到光与结构之间耦合关系的信息。 5.重新设计合成工艺。以单鳞片为模板制备具有鳞片原始结构的ZrO2、ZnO、BaTiO3等功能材料。研究表明控制原始模板分解温度是单鳞片薄膜合成过程中最重要的因素。对于蓝闪蝶前翅ground scale,采用先真空800℃碳化处理,后500℃马弗炉烧结的工艺能够得到结构保持完整的单鳞片薄膜;而对于蓝闪蝶前翅cover scale,热处理工艺为先真空500℃碳化处理,后500℃马弗炉烧结。

关键词： 遗态材料   麻纤维   纳米氧化物  

摘要： 介绍了遗态材料国内外的研究现状，详细论述了遗态材料的制备、微观组织、性能（力学性能、摩擦性能和其他性能）及应用进展，预测了今后的发展趋势，提出了利用麻纤维和纳米氧化物浸渍制备纳米氧化物／麻纤维遗态材料的设想。

关键词： 多孔结构   纳米碳   电磁屏蔽   吸波材料  

摘要： 近年来,由于电磁干扰现象日趋严重,因而研究新型轻质、高效、宽频以及能满足不同环境和应用场合的电磁屏蔽和吸波材料已成为重要而且迫切需要解决的问题。设计研究新型电磁屏蔽/吸波材料要求基于电磁波的传播及电磁波与物体的相互作用原理,结合材料的微观结构、组分与功能的内在关系,构造形态、组分、结构屏蔽/吸波相结合的设计思路,研制多种屏蔽/吸波机制于一体的新型材料。而当前纳米材料和多孔结构的前沿研究为新型电磁屏蔽/吸波材料的设计和制备提供了新的思路和途径。在自然界中,植物材料秉承自然界亿万年进化的结果,具有精细的微米、纳米分级多孔结构。可以设想通过选取具有分级多孔结构的植物材料为模板,利用化学物理耦合处理方法遗传植物材料原有的精细形貌和多孔结构,并通过调控工艺改变和组装各种所需的纳米结构和成分,可制备既具有植物材料天然的分级多孔结构,又有人为赋予特性的新型电磁屏蔽和吸波材料。 基于上述学术思想,本研究选取三种典型植物材料为模板,利用化学物理耦合处理方法,遗传了植物材料原有的精细形貌和多孔结构,并通过调控工艺,控制并组装碳/金属纳米结构,从而制备了具有分级多孔结构和碳/金属纳米结构特征的遗态功能复合材料。根据应用目的不同,分别利用遗态功能复合材料为填料制备了酚醛基复合材料和石蜡基复合材料。利用热失重分析法和X射线衍射法分析制备过程的成分反应和变化;运用扫描电镜、透射电镜分别研究微米孔、碳纳米结构组织与形貌;利用氮吸附法表征纳米孔结构;用四探针法和波导管法分别测定酚醛基复合材料的直流电导率和X波段电磁屏蔽效能;利用同轴法测定石蜡基复合材料在2-18GHz的电磁参数,并在此基础上,通过理论数值分析,研究了遗态功能复合材料的吸波性能。主要研究结果如下: 遗态功能复合材料具有分级多孔和碳/金属纳米组织的结构特点:以多孔碳为基体,遗传保留了植物材料天然的微米、纳米级的多孔结构特征,同时在无定形碳基体中自组装碳/金属纳米结构。碳/铁纳米结构的形成临界温度为700oC,而碳/镍和碳/钴纳米结构的形成临界温度超过800oC。当处理温度高于1000oC时,遗态功能复合材料具有典型的三维碳纳米网络结构特征。无定形碳基体中的碳/金属纳米结构的生长机制符合“溶解-析出”模型。 酚醛-遗态功能复合材料在X波段的电磁屏蔽效能随着频率变化基本保持稳定,具有“宽频”的特征。处理温度从500oC提高至1000oC时,酚醛-多孔碳模板的电磁屏蔽效能从小于5dB提高至15dB,而酚醛-遗态功能复合材料的电磁屏蔽效能从小于5dB提高至40dB,表明碳/金属纳米结构的形成极大提高了复合材料的电磁屏蔽效能。遗态功能复合材料对电磁波的屏蔽机理为成分和结构的耦合效应:无定形碳石墨化和碳/金属纳米结构的形成提高电磁波反射和吸收效能,而分级多孔结构对进入复合材料内部的电磁波起多重反射作用,提高了材料的吸收损耗。 遗态功能复合材料的电磁性能与多孔结构、碳/金属纳米结构相关联,可通过处理温度加以控制。多孔结构减小复合材料的介电常数,而碳/金属纳米结构的形成提高复合材料的介电常数。处理温度为600-1000oC时,遗态功能复合材料的介电常数随着处理温度的升高而增大,而磁导率变化甚小。遗态功能复合材料对电磁波的吸收损耗主要为介电损耗,磁损耗很小。 通过理论建模和分析,利用遗态功能复合材料的电磁参数进行单层薄层吸波材料设计,研究结果表明遗态功能复合材料可作为低反射、宽频、薄层的单层介电吸波材料。随处理温度的提高,无定形碳石墨化和碳/金属纳米结构的形成提高了复合材料的介电常数实部和介电损耗,扩宽了低反射率的频率范围,并提高了最大损耗值。单层遗态功能复合材料对电磁波的吸收由“本征损耗”和“结构效应”耦合决定。5mm厚单层遗态功能复合材料在4.2GHz最大反射损耗可达40dB。 本研究利用植物纤维制备了具有分级多孔和碳/金属纳米结构特征的遗态功能复合材料,并对合成工艺、组织结构和电磁性能之间的内在关系进行了研究。对新型电磁屏蔽/吸波材料的研制进行了有益的探索,为新型电磁屏蔽/吸波材料的研制和相关领域的应用提供了理论设计依据和实用途径。

关键词： 遗态材料   制备   性能   应用  

摘要： 介绍了遗态材料的研究理念和国内外的研究进展。针对遗态材料在植物模板的选取、熔融浸渍体的种类以及不同的制备工艺路线进行了详细论述,并分析了遗态材料作为结构功能一体化材料的应用性能及影响因素,最后总结了遗态材料存在的不足及发展方向。

关键词： 植物材料   遗态转化   微观组织   植物结构  

摘要： 经亿万年的遗传、进化和演变，自然界中的植物结构呈现出一种天然的分级结构构造，具有多层次、多维、多组分的有序性组织形貌特征和优异的功能自适应性。在材料及其结构设计的过程中，自然界生物系统的这种自适应结构形态与性能给予了人们很多启示。 受自然界的启发，材料研究者一直以来都在研究天然材料的开发利用，探索钻研新型结构功能材料的设计和制备方法。近年来，材料研究者通过对植物材料的研究发现，利用天然植物系统的有序性优化结构形貌，通过工艺控制与复合，可以在不同程度及范围内制备出各类复合材料。但是，目前的研究工作仅是利用植物材料的宏观结构进行特殊处理制备材料，并未涉及从宏、微观角度和植物材料的整体结构对材料的设计、制备及其影响因素的研究分析，并且，植物材料原有的精细本征结构在制得的材料中往往已经消失或受到严重破坏，从而限制了其特殊结构性能的开发利用。为此，本文系统研究了借用自然界经亿、万年优化的植物材料自身多层次、多维的本征结构和形貌作为模板，采用人工控制植物结构和形态的遗传、化学组分的变异处理，可制得保持有自然界植物材料精细结构和形貌的新型材料，同时，对采用不同制备工艺控制调节材料微观结构形貌进行了研究。由植物模板的结构和形貌向新型材料的转化和处理过程，称为“材料的遗态过程”，得到的新型材料可称为“遗态材料”。 本文研究采用具有不同结构形貌特征的木材和棉纤维为模板材料，通过制备工艺的控制，制备了SiC/C、TiC/C、SnO2和Al2O3遗态材料，并运用热失重仪、差热分析仪、差示扫描量热分析仪、X射线衍射仪、傅立叶红外光谱仪、扫描电镜、透射电镜、压汞仪、物理吸附比表面仪、HWC-30A气敏性测试系统和激光脉冲法热扩散率测定仪等分析仪器对遗态转化过程中的化学变化、物相、微观组织结构及性能进行了研究。所得主要研究结论如下： 1.利用木材结构为模板，通过优化的遗态转化工艺，可制得SiC/C遗态多孔材料和TiC/C遗态多孔材料。在宏微观尺度上，碳化物遗态材料保持了模板材料原有的有序多孔结构特征。在遗态转化过程中，随着烧结温度的升高，沉积在模板材料中的浸渍剂发生自身化学变化，其分解产物不断向多孔模板的孔壁内层渗透扩散，并在1400℃时与外层孔壁的碳相发生反应，生成碳化物(SiC或TiC)相。生成的碳化物相主要分布在遗态多孔材料的外层孔壁部分，内层是未参与反应的C相。遗态材料中碳化物相和碳的比例含量，可以通过制备工艺来调节。 2.以棉花作为纤维模板，通过选择性浸渍控制，经遗态转化过程，可制得纤维状氧化物遗态材料。通过以SnCl4和C2H5OH为主配制的溶液浸渍棉纤维模板，可制得纤维状SnO2遗态材料;通过以AlCl3和H2O为主配制的溶液浸渍棉纤维模板，可制得纤维状Al2O3遗态材料。 3.不同的工艺可以控制纤维状SnO2遗态材料的形貌特征。在浸渍工艺A控制下制得了纤维状SnO2遗态管状材料。烧结温度的改变对遗态材料比表面积和微孔结构的影响较大，700℃时制得的SnO2遗态管状材料具有最大的比表面积和微孔孔容。不周的浸渍剂配比浓度对SnO2遗态纤维材料的比表面积与微孔结构没有明显影响。在浸渍工艺B控制下可制得具有实心结构的纤维状SnO2遗态材料。SnO2遗态管状材料的气敏性能研究结果表明：SnO2遗态管状材料对C2H5OH、HCHO、90＃petrol和LPG具有良好的灵敏性。与氨水化学沉淀法制备的SnO2材料相比，700℃时制得的SnO2遗态管状材料对90＃Petrol和C2H5OH的灵敏度都有所提高，其最大灵敏度值分别提高了1.3倍和1.6倍。 ***2O3遗态材料继承了棉纤维模板材料原有的纤维状形貌结构。不同的烧结温度对Al2O3遗态材料宏观形貌的变化影响较小，而对遗态材料的比表面积和微孔结构参数的变化作用明显，特别是在相变温度时，比表面积和微孔数量大幅降低。浸渍剂配比浓度的变化对制得的Al2O3遗态纤维材料的结构和形貌具有一定影响。纤维状Al2O3遗态材料的导热性能研究结果表明：在温度由100℃升至800℃时，Al2O3遗态纤维材料的最佳导热系数由0.042W/m·K升至0.103W/m·K。与离心甩丝法制备的常规Al2O3纤维棉材料相比，Al2O3遗态纤维材料在100℃和800℃时的导热系数分别降低了约53﹪和46﹪，表现出良好的保温隔热性能。

关键词： 遗态材料   微观组织   植物模板   孔径分布   多孔材料  

摘要： 通过选用以白松、黑胡桃木和水曲柳等植物结构为模板, 预处理后经硅树脂和钛酸丁酯等物质的浸渍与耦合处理, 制备了具有保持植物纤维原始形态的多孔碳化物遗态材料. 研究结果表明: 制备得到的遗态材料均为多孔材料, 其组织特征继承了所选用的天然植物模板材料的原有组织形态, 具有不同尺寸层次的孔径分布结构.

关键词： 电磁屏蔽   复合材料   多孔结构   植物纤维   遗态结构   化学浸渍  

摘要： 本实验利用具有多孔结构的植物纤维为原材料，通过选择性化学浸渍和组装，利用浸渍剂、植物纤维的遗态结构和固有成分的耦合，制备了遗态电磁屏蔽复合材料，并研究了工艺参数对复合材料电磁屏蔽效能的影响以及复合材料的电磁屏蔽机理，对利用生物遗态制备电磁屏蔽和吸收材料这一新的领域做了基础性研究。\n实验结果显示碳化温度、含镍量和成型压力等工艺参数影响复合材料的电磁屏蔽性能。碳化温度对含镍复合材料的电磁屏蔽效能有较大影响，在800 oC, 1200 oC 和 1400 oC温度下碳化得到的含镍6wt％的复合材料在30~1500MHz频率范围内的电磁屏蔽效能分别为60~45 dB, 80~57dB和70~45dB；一定范围内镍含量和成型压力的提升有利于提高复合材料的电磁屏蔽性能。\n本文进一步从组分和结构的角度研究了遗态复合材料的电磁屏蔽机制。镍的引入改变了复合材料的组分，使复合材料中非晶碳的石墨化温度和SiC的生成温度分别降低到800 oC和1200 oC以下；本文就多孔结构对复合材料的电磁屏蔽效能的影响提出了理论模型。