无模板电沉积金属微纳米阵列材料研究进展

金属微纳米阵列材料以其独特的结构和物理化学性质,被广泛应用于电子、能源及生物等领域。无模板电沉积制备金属微纳米阵列材料具有形状尺寸可控性高、制备成本低、可大规模生产等优点,有广阔的应用前景。本文结合作者实验室近年来的研究工作,对无模板电沉积制备金属微纳米阵列材料的研究进行了系统总结,分别从无模板电沉积方法、金属微纳米阵列材料的研究现状和形成机理、金属微纳米阵列材料在各领域的应用现状及未来展望等方面进行了介绍和评述,以期对本领域未来的研究工作给予借鉴和启迪,从而进一步推动无模板电沉积金属微纳米阵列材料的应用与发展。     

模板沉积-去合金化法制备块体泡沫金

在聚苯乙烯微球表面直接镀覆具有自支撑金层的基础上,结合去合金化工艺成功制备出双模式孔径分布的块体泡沫金样品,建立模板沉积-去合金化法制备超低密度泡沫金的工艺方法,并对其制备工艺进行研究。研究表明:化学镀金后PS微球表面的金沉积层厚度为70～90nm;在Au/PS表面进行化学镀银后镀覆层厚度增至200～400nm;模板去除后,获得了完全自支撑的Au40Ag60金银合金空心微球结构泡沫;去合金化干燥后,样品由约10μm的空心球壳和平均系带尺寸47nm的双连续结构纳米多孔球壳层的双模式孔隙形貌组成,并且由于去合金化形成的纳米多孔球壳层,样品的密度进一步减小至0.8g/cm3。     

锂/硫电池用纳米硫的液相沉积法制备及性能

以升华硫粉为原料,采用液相沉积法在水溶液体系下制备纳米硫材料。采用激光粒度分析仪和扫描电镜,对纳米硫的合成条件进行分析与优化;通过恒流充放电测试、电化学阻抗分析等方法对所制备纳米硫的电化学性能进行表征。结果表明：在以甲酸为沉淀剂、PEG-400为分散剂、多硫化钠溶液浓度为0.2 mol/L的合成条件下,可制备出粒径范围为50~80 nm、平均粒径约65 nm且分散性较好的类球形纳米硫材料。基于该纳米硫组装的锂/硫电池在0.054 mA/cm2电流密度下,首次放电比容量达1050 mA?h/g,经10次循环后,放电容量仍可保持初始容量的70%左右(700 mA?h/g)。本方法工艺简单、操作方便、成本低廉,适合锂/硫电池用纳米硫材料的工业化制备。     

可溶性模板法制备块体泡沫金

在改性的二氧化硅微球表面直接镀覆具有自支撑性金层,采用类似粉浆浇注的方法将镀金的二氧化硅微球成形,再将成形热处理后的块体样品用氢氟酸去除二氧化硅模板,成功制备出圆柱体形状的泡沫金样品。建立了简便的二氧化硅模板法制备超低密度块体泡沫金的工艺,并对其制备工艺进行了研究。研究表明,化学镀金后SiO2微球表面的金沉积层厚度为100~200 nm;热处理后,化学镀金层的颗粒出现了明显的聚集长大现象;模板去除后金沉积层具有良好的自支撑性,获得的块体泡沫金样品由金空心球壳组成,圆柱体直径约2.3 mm,密度约0.6 g/cm3,孔隙率高达97%。     

化学气相沉积法制备Nd-Fe-B/α-Fe纳米复合磁体

采用化学气相沉积法制备单质铁包覆Nd-Fe-B复合磁粉,经放电等离子烧结得到Nd-Fe-B/α-Fe纳米复合磁体.SEM、XRD、XPS研究表明:采用化学气相沉积法可以实现纳米单质铁对Nd-Fe-B磁粉表面的均匀包覆,有效地改善软硬磁性相的分布,提高磁体的综合磁性能.化学气相沉积温度为120℃、沉积时间为30 min时,得到的包覆层致密均匀,单质铁颗粒尺寸50～100 nm.在优化工艺条件下制备出接近全致密的纳米复合磁体,其磁性能可达:Br=0.81 T,Hcj=1286kA/m,(BH)m=108.6 kJ/m3.     

硝酸诱导金纳米带的晶种法制备及光谱表征

采用硝酸诱导的晶种法制备金单晶纳米带,利用TEM、HRTEM和UV-vis技术对产物进行形貌、结构表征和吸收性能分析。发现产物的形态有纳米带、纳米片和纳米颗粒,但以纳米带为主。纳米带为面心立方结构金单晶。UV-vis显示,产物的微弱吸收峰位于550nm和强吸收峰位于975nm,分别起源于纳米带横轴直径与长度方向的表面等离子体共振。金纳米带的生长机制进是,小尺寸纳米片在硝酸诱导作用下通过表面偶极作用进行自组装。     

电沉积法制备纳米晶材料

电沉积法是制备完全致密的纳米晶体材料最有前途的方法之一。本文综述了电沉积法制备纳米晶镍及其合金的研究现状及制备方法对纳米晶材料性质的影响。     

活性模板法制备纳米镍粉体

采用活性模板法制备了高纯纳米镍(Ni)粉体。研究了影响纳米粉体性能的各种因素，通过X射线衍射(xRD)、透射电子显微镜(TEM)和激光粒度分析仪等手段对样品的成分、形貌、粒度及其分布进行了分析，探讨了活性模板的作用机理。结果表明：模板介质炭黑具有微反应器作用、空间位阻效应和较强的还原性，活性模板法制得的纳米Ni粉呈规则的球形链状分布，无明显团聚体，平均粒径为45．7nm，粒径分布窄，粒径范围在16．0nm～59．1nm。     

热丝化学气相沉积法制备优质微米亚微米级单晶金刚石的研究

利用热丝化学气相沉积法（HFCVD）,在硅片衬底上进行微米级（〉1μm）及亚微米级（〈1μm）单晶金刚石的沉积研究。微米级金刚石是以高温高压法（HPHT）制备的1μm金刚石颗粒为籽晶,通过甩胶布晶的方法,在衬底上均匀分布晶种,并通过合理控制沉积工艺参数,在衬底上形成晶形完好的单晶金刚石。在沉积2 h后,可消除原HPHT籽晶缺陷,沉积6 h后,生长出晶形良好的立方八面体金刚石颗粒（约4μm）;对于亚微米级单晶金刚石,是直接在衬底上进行合成,通过调控沉积参数（如衬底预处理方法,偏流大小,沉积时间）对单晶金刚石的分布密度和颗粒度进行控制,经过2 h的沉积,最终获得了0.7μm的二十面体单晶金刚石。     

液/液界面反应法合成金纳米颗粒膜

通过光学显微镜、接触角与紫外可见光谱分析、扫描电镜、原子力显微镜、透射电镜和X光衍射分析等手段,分析了液/液界面反应生成金纳米颗粒膜的过程和形成条件,研究了不同还原剂和有机溶剂等对界面产物形貌的影响,结果表明甲苯和THPC的使用对制备金纳米晶颗粒膜具有重要作用,同时还对反应物Au( PPh3)Cl和THPC的分解与界面...     

生物医学诊疗用磁性微纳材料

磁性微气泡是由包膜微气泡和磁性纳米粒子组成的微纳复合结构,由于其具有超声对比剂和核磁共振对比剂的双重特性,已被应用于双模造影领域。声致穿孔现象（Sonoporation）使得磁性微气泡能介导多种生物学效应,使其在药物输运和基因转染等方面有潜在的应用价值,而磁性微气泡与各种生物分子（抗体、肿瘤标记物等）的偶联,又扩展了磁性微气泡的应用领域,可用于分子影像诊断和靶向治疗肿瘤等方面,可以说磁性微气泡是新一代的生物医学诊疗用磁性微纳材料。总结了磁性微气泡的制备方法,磁性纳米颗粒与微气泡的结合方式,磁性微气泡的功能扩展,以及磁性微气泡在生物医学诊疗领域的实验研究,最后对磁性微气泡在未来的发展方向提出了一些构想,展望了磁性微气泡在诊疗学上广阔的应用前景。     

无机-有机复合组织器官工程材料的微纳制造

无机-有机复合组织器官工程支架的微纳制造是近年来兴起的生物材料研究领域,相对传统的生物材料与组织工程材料制造技术,微纳制造整合了微纳米技术、计算机辅助设计、数字化制造等先进技术手段,为新型生物医用材料的开发以及生物材料制造新技术、新设备的研发提供了新的技术路线。综述了生物医用材料、特别是组织器官工程与组织修复材料微纳制造技术现状及发展趋势,主要内容包括生物材料的微纳米化及实现途径、组织器官工程支架材料的数字化设计、组织器官工程支架材料的数字化制造新技术等,对我国组织器官工程（修复）材料数字化微纳制造新技术的优先发展领域提出了展望。     

微细电极丝的最优张力控制

针对微细电极丝强度低、易断丝的特点,研制了采用主从结构的微细电极丝最优张力控制系统.在线切割加工过程中,上位机根据监测到的放电能量实时对电极丝张力进行优化,下位机则以优化后的张力为目标值对微细电极丝的张力进行跟踪控制.应用该系统进行了实验加工,在确保不断丝的前提下实现了高精度加工.     

铜离子催化作用下单晶硅表面微纳结构的制备

目的结合金属辅助化学湿法刻蚀原理,在单晶硅表面制备高效减反的微纳米结构。方法以单晶硅为基体,提出用Cu2+作为催化剂,在单晶硅表面两步化学刻蚀出多种微纳米减反结构,运用SEM/AFM表面分析方法,对形成的表面形貌和制备工艺进行分析,详细介绍了铜离子催化作用下制备微纳米结构的机理、反应现象及主要影响因素。结果铜离子催化化学刻蚀单晶硅可以得到均匀分布的微纳米减反结构,所得结构在250~800 nm范围内的反射率达5%以下。结论与传统碱性刻蚀技术相比,该技术所得微结构具有更高的光吸收率,并且稳定性好,容易控制。     

大蓝闪蝶翅鳞微纳结构的光学隐身特性研究

为了探究大蓝闪蝶翅鳞的光学功能特性及其仿生应用潜力,对其进行了响应性光学性能测试与微观结构表征,并构建了翅鳞的可视化仿生模型,进而揭示了大蓝闪蝶翅鳞多尺度分级微纳结构与可见光-近红外波段响应功能特性之间的映射关系及影响规律。研究表明,该蝶翅上下两层鳞片具有周期性精细结构,脊结构分别被几丁质片层堆叠成梳齿状堆栈结构与塔状光栅结构,瑞利散射、多层膜干涉、光子禁带等光学效应协同作用赋予它对外部环境介质填充、光照入射角度等因素变化具有独特的敏感性变色响应特征,并在近红外波段兼容有反射率可调特性。大蓝闪蝶翅鳞具有的独特光学特性可为自适应变色变发射率仿生隐身功能材料与元器件的研制提供新思路。     

柠檬酸金钾电铸微小金结构试验研究

柠檬酸金钾含氰量低,以它为主盐的金溶液稳定性好且具有可添加性。为解决传统有氰电铸金溶液氰化物含量高、溶液危害大、处理困难及无氰电铸金溶液稳定性较差且不具备可添加性等问题,选用以柠檬酸金钾为主盐的金溶液进行电铸试验。通过对比不同加工参数,研究电流密度、阴阳极间距和冲液速度等对电铸层的影响,得到优化后的加工参数,最终在钛基片上电铸出微小金结构。     

热处理温度对钛表面微纳米分级多孔膜结构特征影响规律

采用碱液处理医用钛表面制备出微纳米分级多孔结构膜层,通过酸处理以及不同温度热处理对微纳米分级多孔膜改性以提高其生物活性。利用SEM、EDS和XRD分析钛表面微纳米分级多孔膜的形貌、化学组成和物相组成,探讨热处理温度对钛表面微纳米分级多孔膜结构特征的影响规律。结果表明,当热处理温度低于750℃时,样品表面的微纳米分级多孔膜层形貌特征保持不变;当热处理温度为550℃时,钛表面微纳米分级多孔膜物相主要是结晶良好的锐钛矿型二氧化钛,具有良好的生物活性。     

微量润滑工况下纳米粒子协同微织构对刀具切削性能的影响

目的 探究微量润滑工况下纳米粒子与织构协同作用对刀具切削性能的影响及其变化规律。方法 通过有限元数值模拟软件ABAQUS对不同工况下刀具的等效塑性应变、等效应力以及切削力的变化进行仿真和预测评估。同时,通过切削试验进行验证分析,并结合刀具前刀面的磨损状态、前刀面磨损区主要元素含量、切屑形貌及其变化以及已加工表面质量对刀具的切削性能进行综合评价,以探究纳米粒子与织构刀具的协同作用对刀具切削性能的影响机制。结果 仿真结果表明,N-O-M切屑的等效塑性应变较小,切屑层较薄,与N-O-T相比,最大等效应力值降低了26.4%,平均切削力为232 N,刀具减摩效果最为明显;不同工况下平均切削力误差均控制在10%以内,试验值与仿真值高度一致;N-O-M磨损面积仅为1.95×10⁻² mm²,刀具表面无明显的黏结物和崩刃现象,磨损面积仅为N-O-T的39.8%;N-O-M切屑卷曲半径最小,已加工工件表面脊线较长,工件表面质量较优。结论 微量润滑工况下纳米粒子与表面织构的协同作用对提高刀具切削加工性能具有重要意义。微液滴在一定的压力下能渗入刀-屑界面接触区形成液膜,织构沟槽中的纳米粒子随着液膜中润滑介质的流动能够周期性释放到摩擦副的接触表面,持续作用于切削区域改变原有的摩擦接触状态和润滑方式,促进摩擦副间摩擦形式由滑动摩擦向滚动摩擦状态转变,实现减摩降磨的目标。     

微纳米LiFePO4正极材料的研究进展

纳米LiFePO4正极材料由于具有颗粒小、比表面积大的优势,是改善其动力学性能的有效手段,但由于较差的加工性能使其发展受限。通过纳微组装制备一次粒子为纳米颗粒,二次粒子为微米颗粒的微纳米LiFePO4正极材料可以改善纳米材料的加工性能。本文综述了近期微纳米LiFePO4正极材料的研究方向,主要介绍了规则形貌的微纳米LiFePO4正极材料的研究进展。     

场致射流微细放电加工实验研究

对场致射流微细放电加工单晶硅进行了工艺实验研究,分析在不同加工极性下的加工机理,发现在正极性加工时,蚀坑在工件表面存在电解液残留是由电火花蚀除和电化学蚀除共同作用的结果,而在充分放电的情形下,是由电火花放电来实现材料蚀除的;在负极性加工时,蚀坑仅仅是由电火花蚀除作用的结果。通过单因素实验获取喷管内径、极间距离、极间电压及工作液浓度对单次放电蚀坑直径的影响曲线,通过优化工艺参数在单晶硅表面加工出宽度为1μm、长度为5μm的微细沟槽。研究结果充分证明了场致射流微细放电加工的加工能力。