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        教育部重點實驗室年度報告(2016年1月—— 2016年12月)2018年9月11日
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        國際材料科學領域基礎研究的最新成果-復合材料

        發布時間:2012-06-07    瀏覽次數:1374

        (1)碳纖維復合材料。針對現代航空器高損傷容限的要求,提出了“離位”復合的新概念,將碳纖維復合材料進行2-2周期性層狀結構化設計,并在每個韌化層內部獲得梯度分布的3-3雙連續顆粒結構,同時與相鄰的碳纖維層產生“互鎖”機制,從而大幅度提高材料的總體損傷阻抗和損傷容限。目前,“離位”概念和“離位”技術體系已形成了以約10項國際國內發明專利等為核心的自主知識產權保護體系,并已經得到國際認可和高度評價。
        (2)原位熱壓工藝合成致密氮化鋁鈦-氮化鈦復合塊體材料。武漢理工大學發明了原位熱壓工藝合成致密氮化鋁鈦-氮化鈦復合塊體材料,其組成及成分范圍為:以Ti粉、Al粉、TiN粉為原料;三種原料的摩爾比為n(Ti)∶n(Al)∶n(TiN)=1∶(0.5~ 1.2)∶(1.1~2.4)。本材料的制備步驟包括:按配比稱取原料,原料混合均勻后置于石墨模具中,在熱壓燒結系統,氬氣氣氛保護中燒結;以5~100℃/min的升溫速率升至1200~ 1400℃,保溫1~8小時,壓力為20~80MPa;燒結完成后,在惰性氣氛保護下,關掉電源,自然冷卻。所合成的Ti2AlN-TiN復合材料兼具氮化鋁鈦和氮化鈦兩者的優點,并且比單相Ti2AlN具有更好的力學性能和耐腐蝕耐氧化性能。申請專利其申請號為200610124843.8。
        (3)復合導電高聚物修飾一維納米碳為載體的電催化劑及制備。該材料是一種燃料電池電催化劑,特點是以含有大π鍵結構的復合導電高聚物修飾的一維納米碳為載體。該催化劑中導電高聚物對一維納米碳進行修飾,可以使二者通過π-π鍵合效應而緊密結合;同時,催化劑中的金屬粒子與導電高聚物的結合力也較與一維納米碳之間的結合力增強,而且金屬粒子的分散性及粒徑的可控性均得到提高。本發明將導電高聚物與導電填充材料復合,制備了具有更高導電特性的復合導電高聚物。本電催化劑的制法是:先制備復合導電高聚物修飾的一維納米碳,然后再在其表面負載Pt或Pt合金。本發明的電催化劑的金屬粒子平均粒徑≤5nm,且分散性較好,將制備的電催化劑復合成燃料電池芯片的單電池的功率密度達到0.42~0.50W/cm2。專利申請號為200510018286.7。
        (4)長春應化所半導體/絕緣高分子復合材料研究取得重大突破。中國科學院長春應用化學研究所楊小牛研究員課題組在半導體/絕緣體高分子復合材料研究取得重大突破,其研究結果被國際著名期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials 2010, 20, 1714)以“卷首插畫”(Frontispiece)的形式予以重點報道。
        在人們的傳統觀念中,絕緣體會阻礙電荷的傳輸。因此,一般來講,在半導體/絕緣體復合材料中,絕緣相往往扮演著降低材料電學性能的角色。然而,近年來人們發現,在特定外場條件下復合材料二維表面處的載流子遷移率并不比預想的差。楊小牛研究員課題組首次在體相半導體/絕緣高分子復合材料中發現并確認了絕緣基質增強的半導體電荷傳輸現象(Macromolecules 2007, 40, 6579), s隨后他們將這一規律推廣到無特定外場條件下的三維體系,并用更普適性的物理量—電導率來論證這一點,獲得以上研究成果。
        通過控制聚噻吩/絕緣聚合物共混物制備過程中結晶和相分離的競爭關系,可抑制大尺度的兩相分離,由此得到均勻的半導體/絕緣體復合材料。這種材料表現出了絕緣基質增強的半導體電荷傳輸現象。我們認為,載流子以極化子形式在復合材料中進行傳導,由于絕緣基質極化率較低,極化子在半導體/絕緣體界面處傳輸時受到周圍極化環境的影響較小,這有助于降低界面處的電荷傳輸活化能,由此提高了兩相界面處的載流子遷移率。從這個意義上講,對于兩相共混體系,增強的體相電荷傳輸性質需要滿足下列三個條件:首先,鑒于電荷主要在共混兩相界面傳輸,絕緣聚合物的介電常數必須足夠低才可能降低電荷傳輸活化能,從而有效提高半導體相的載流子遷移率;其次,半導體/絕緣體兩相相分離尺度需要足夠小,才能大幅提高兩相接觸界面;最后,要求半導體相要有較好的連續性,有利于減小電荷傳輸的阻力。
        在半導體聚合物中通過共混引入通用絕緣聚合物,不僅可以提高其電學性能,而且可降低基于塑料的柔性電子器件的成本,提高其柔韌性和環境穩定性。本工作通過討論半導體/絕緣體共混物電荷傳輸增強的物理機制,明確了獲得具有高導電能力復合材料的制備工藝和途徑。
        該研究得到國家自然科學基金(20874100, 20925415, 20990233)和創新研究群體科學基金(50621302)的支持。

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