文摘辑要

石墨烯制备和应用中的表面科学与技术 石墨烯自2004年被发现以来,引起了世界范围的研究热潮,物理、化学和材料等领域的学者对其制备方法、性能表征和应用研发投入了极大兴趣。文中在简要综述石墨烯制备和应用研发现状的基础上,探讨了石墨烯制备和应用中涉及的表面科学和表面技术问题。文中指出,为促进石墨烯工程化应用,在石墨烯制备方法和应用研发中,应围绕石墨烯表面改性理论与方法、石墨烯材料及其产品制备表面工程技术方法等方面,多领域学者和工程师合作研究、协同创新。     

石墨烯在表面工程领域的研究进展

石墨烯是一种由碳原子sp2杂化构成的二维蜂巢式结构碳纳米材料。近十年来,石墨烯的研究成为很多领域的热点,并且在石墨烯的制备、性能表征以及潜在应用方面都取得了重要进展。文中简要综述了石墨烯的主要制备方法以及石墨烯作为纳米薄膜在组织工程、抗菌材料、透明导电薄膜和耐腐蚀涂层等方面的应用发展。石墨烯作为一种"未来材料",其制备技术和改性过程正日益完善,薄膜材料在表面工程领域的应用也将展现出蓬勃生机。     

CVD在介电材料表面直接制备石墨烯进展

石墨烯一种SP2碳杂化的二维平面材料,因其卓越的电学、机械、光学性能,在半导体、电子、光学、传感器等多领域具有巨大的应用潜力。虽然石墨烯可以通过直接从母材剥离或过渡金属上生长来制备,但不受控制的生产或额外的复杂转移过程对石墨烯膜层造成一定损伤,而在介电衬底上通过CVD法直接制备石墨烯成为一个有意义的研究方向。文章综述国内外介电材料表面CVD法直接制备石墨烯研究进展,系统的介绍了介电材料表面直接制备石墨烯的主要方法,阐明生长过程中催化条件、生长参数是介电材料表面制备石墨烯的关键。此外,由于介电材料表面的弱催化作用,其表面直接制备石墨烯晶畴尺寸小,电性能较差,因此实现介电材料表面石墨烯高质量、可控制备是今后研究的方向。     

石墨烯在镁合金表面防护技术中的研究进展

简要介绍了石墨烯及其氧化物在镁合金表面防护技术中的应用现状,分别对化学转化技术、微弧氧化技术、电化学沉积技术和有机硅烷技术制备的石墨烯及其氧化物复合膜层的表面结构和耐蚀性进行了综述,分析了不同复合方法的特点,并指出了石墨烯及其氧化物复合膜层在镁合金表面防护处理技术中的研究发展方向和建议。     

表面梯度复合材料制备及在耐磨件上的应用

通过热喷涂、激光重熔、堆焊、铸渗等方法在材料表面制备表面梯度复合层,以此来改善材料的性能,已成为提高材料使用性能和使用寿命的重要手段。以抗磨领域的耐磨件为应用背景,简要介绍了表面梯度复合材料的制备技术,以及在实际工况中的应用效果,为耐磨材料的制备、选择和开发提供参考。     

石墨烯增强铜基复合材料的研究进展

石墨烯由于独特的结构和优异的性能,成为复合材料中最具吸引力的碳质材料增强体。系统介绍了近年来石墨烯增强铜基复合材料的制备方法以及国内外相关研究现状。针对石墨烯表面润湿性和分散性差的问题,概述了石墨烯表面改性的方法及相关研究进展,提出了利用稀土对石墨烯进行表面改性的可行性。总结了目前石墨烯增强铜基复合材料研究中存在的主要问题,并对今后石墨烯增强铜基复合材料的研究方向及发展趋势进行了展望。     

C_n团簇注入制备石墨烯的研究进展

石墨烯是碳原子构成的单层二维晶体,在高频电子学和光电子器件领域具有广泛应用前景,厚度可控的大面积石墨烯的制备是实现规模化应用的前提。文中在介绍现有石墨烯制备技术优缺点的基础上,重点介绍了近几年离子注入过渡金属镍制备石墨烯的研究成果。研究表明:在低能碳团簇C_n注入制备石墨烯的过程中,离子能量、注入剂量、团簇尺寸、基体材料特性和退火条件是影响石墨烯物理性质的重要因素。团簇离子注入在基体表层引起的辐照损伤具有非线性效应,精确控制剂量的C_n团簇注入到基体中主要起到提供可控掺杂碳源的作用,高质量石墨烯的合成需要进行多晶基体预热处理以减少晶界密度,同时需采取精细的后续热处理工艺,控制碳原子在基体表面横向扩散和偏析,以满足石墨烯形核生长的关键条件。     

石墨烯基涂层的性质及在抗菌和组织工程中的应用

石墨烯材料--石墨烯纳米片(Graphene nanoflakes,GFs)、氧化石墨烯(GO)或还原氧化石墨烯(rGO)、化学气相沉积技术制备的石墨烯膜(CVD-G),自问世起,迅速成为社会各界广泛关注的新型碳纳米材料。通过转移方法或者溶剂助技术,可以将CVD-G和表面含有亲水基团的GFs或GO涂覆于基体表面,形成石墨烯基涂层,涂层以其独特的形貌、结构、物理化学性质,呈现出良好的抗菌活性和细胞外基质特点,显著影响细胞的粘附、增殖和分化等行为。经过近十年的研究,生物活性石墨烯基涂层材料在细胞培养、细胞生长、组织工程支架和生物医疗器械中展示出巨大的应用潜力。着重围绕石墨烯涂层的成分和制备方法,总结具有抗菌活性的石墨烯材料所取得的重要成果与最新进展,围绕石墨烯基二维涂层(涂覆于基底的二维表面)和石墨烯基三维结构(基底为三维支架)对多种哺乳细胞的相容性和细胞行为调控,综述了石墨烯材料在组织工程支架和植入体表面改性中的研究进展,提出了生物活性石墨烯基涂层的研制方向与应用展望等。     

石墨烯类材料在膜分离领域中的应用与研究

二维材料石墨烯具有超薄片层结构,其片层间隙尺寸可实现对特定物质的截留;同时,石墨烯具有极好的化学稳定性,能够作为表面防氧化保护层。近年来,利用石墨烯类材料改性分离膜的性能已成为该领域的研究热点。为探索石墨烯类材料在膜分离领域中的应用,对石墨烯的分类及其制备方法进行简要的概述,重点讨论了石墨烯改性在提高分离膜的通量、选择性、机械性能、热稳定性、耐氯性和抗污染性方面的机理。石墨烯类材料主要通过掺杂或表面沉积对分离膜进行改性,石墨烯类材料改性膜在脱盐、油水分离、染料脱色、有机物脱水、水溶液中脱除微量挥发性有机物、有机物-有机物分离和气体分离等领域均表现出优异的分离特性。石墨烯类材料片层内部及片层之间的空间可以为目标分离物提供传输通道,其表面基团和带电特性又增强了石墨烯改性膜与目标分离物之间的亲和作用,从而可以同时提高通量和选择性。调控石墨烯类材料自身的结构,改善其在高分子材料内的相容性,提高石墨改性膜的稳定性,是石墨烯类材料在膜分离领域未来的研究重点。     

中科院合肥研究院等在石墨烯材料的等离子体制备及应用研究中获进展

前不久,中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所研究员王奇主持的安徽省重点研究与开发计划项目《等离子体技术制备高质量功能化石墨烯》通过安徽省科技厅组织的结题验收;来自中国科学技术大学、合肥工业大学、安徽大学、安徽辰龙会计师事务所、安徽华安会计师事务所等单位组成的专家组听取了结题汇报,对项目取得的成绩表示肯定,通过了结题验收.近年来,在石墨烯材料的等离子体制备及应用方面,研究团队解决了等离子体技术制备石墨烯及石墨烯复合材料工艺难题,减小了液相路线中石墨烯材料的团聚程度,节约了能耗;开展了石墨烯复合材料在能源、环保、生物医药等领域的应用研究,并取得进展.     

氧化石墨烯膜的制备、改性及应用研究进展

石墨烯的衍生物——氧化石墨烯(GO)因可实现逐层堆叠,在片层之间形成一定间距的纳米通道,通过粒子的尺寸大小不同,进行尺寸筛分,故可应用于物质的选择性分离,在膜材料领域引起了研究者们的广泛关注.基于氧化石墨烯独特的二维结构,为探索氧化石墨烯在膜分离领域的应用,对氧化石墨烯分离膜的制备技术及改性进行简要地概述.在氧化石墨烯...     

石墨烯纳米复合涂层在纤维织物表面的制备与应用进展

石墨烯因其导电性能优异、比表面积大、杨氏模量高等独特性能受到科研人员的广泛关注,将石墨烯应用于纤维表面改性以赋予纤维织物导电、紫外线防护、电磁屏蔽等性能,是目前的主要研法目标。以石墨烯基复合涂层纤维织物制得的材料在医疗器械,电子器件,传感器领域都呈现巨大的应用前景。从机理、制备方法、性能与应用等三个方面介绍了石墨烯基纳米复合涂层,并阐述了石墨烯基纳米复合涂层的作用机理。归纳了石墨烯纳米复合涂层纤维与织物的制备方法,其中,浸渍法具有操作简便、污染小、耗能小、重复性好等优势,且通过壳聚糖、牛血清蛋白、聚氨酯等方法改性纤维织物表面,能增强石墨烯涂层与基底牢固性,提高石墨烯基纳米复合涂层的综合性能。总结了石墨烯基纳米复合涂层纤维与织物在电磁屏蔽材料、疏水材料、柔性电极、超级电容、传感器等方面的应用研究现状,并对其发展进行了展望。     

表面抗菌不锈钢的研究进展

抗菌不锈钢是一种新型的抗菌材料,拥有抗菌性强、耐高温塑性好、自身无菌等良好的特性,在医疗、食品、公共卫生等领域有很好的应用前景.在实际应用中,抗菌不锈钢主要应用其表面的抗菌性能,因此,表面抗菌不锈钢较之其他产品有更高的研究价值.综述了表面抗菌不锈钢的研究进展,主要包括表面涂层型抗菌不锈钢和表面改性型抗菌不锈钢的制备工艺,以及不同类产品的抗菌能力.结果表明,目前表面抗菌不锈钢在制备及使用过程中所面临的问题主要是对生产设备和技术要求高,产品耐磨性差,当前的技术难以达到大量制备表面抗菌不锈钢的要求.结合电沉积法的特点及扩散特性,以及利用电沉积扩散法在制备抗菌不锈钢方面的应用情况,指出利用电沉积扩散法在不锈钢基体表面制备抗菌镀层将是未来制备表面抗菌不锈钢的主要发展方向.     

钛合金激光表面处理的进展及应用

钛及其合金由于质轻、耐腐蚀性能好、强度高、弹性模量低、生物相容性佳和骨整合性优异,已成为应用最广泛的航空航天与生物医学金属材料之一。然而,较低的塑性、低硬度、和耐磨损性能限制了其发展和应用。激光表面处理（LST）技术在不改变材料体积的情况下增强表面性能,成为钛合金表面改性的一种有利手段。综述了利用LST技术对钛及其合金材料进行表面改性的研究进展和应用现状。分析了激光相变硬化、激光表面重熔、激光冲击喷丸、激光表面合金化、激光熔覆和复合LST的机理、工艺参数、表面特性和微观结构。总结了LST在航空航天、医学等领域的应用,介绍了现有的局限性,提出了未来的研究方向,并对LST在钛及其合金材料上的发展趋势进行了展望,以推进LST创新,为钛合金在多领域中的应用开辟新途径。     

激光复合加工制备超疏水金属表面的研究进展

随着我国工业化进程的不断推进,金属材料已经广泛应用到生产生活的各个领域.仿生超疏水金属表面不仅能够延长金属材料在各种环境下的使用寿命,而且还能赋予材料表面自清洁、减阻、油水分离等新的性能.目前,研究人员已采用多种工艺在金属基体上制备出超疏水表面,超疏水金属表面的制备已经成为仿生学研究中的一个热点.首先介绍了润湿理论的发展,引出了制备超疏水金属表面的各种工艺方法,进一步归纳总结了激光加工制备超疏水金属表面的优势、特点和表面微结构.在此基础上,重点论述了近年来将激光加工工艺与化学刻蚀工艺、沉积工艺、离子注入工艺、涂层工艺和氧化工艺相结合的激光复合加工工艺,以及运用激光复合加工工艺制备的超疏水金属表面的结构和特点.激光复合加工不仅能够在金属表面形成更加丰富的微/纳米复合结构,而且能够使金属表面更快地获得超疏水性能,从而制备出稳定持久的超疏水金属表面.此外,复合加工能够降低对单一制备工艺的依耐性,扩大加工范围,降低生产成本.激光复合加工制备超疏水金属表面在实际应用中具有巨大的潜力.     

石墨烯及石墨烯/金属层状复合材料辐照损伤性能进展

随着航天器、核动力船舶、核聚变发电等领域的不断发展,不仅要求材料拥有优异的性能,还要求材料在极端条件下(辐照、高温等)仍满足正常工作。那么如何保证材料在长时间辐照条件下的使用寿命？设计和制备抗辐照性能强的金属复合材料已成为国防领域和核聚变发电的热点问题,此外,金属及其复合材料在辐照条件下的结构演化、性能变化及内在机理也是设计、制备抗辐照材料的关键所在。石墨烯具有优异的抗辐照能力,将石墨烯加入金属中又将会产生什么新变化呢？本文综述了离子辐照技术在石墨烯/金属复合材料及石墨烯的裁剪、修饰改性、结构设计及产业功能化等方面的研究进展。进一步理解石墨烯/金属复合材料辐照后的机理,为石墨烯/金属复合材料在核工业的应用提供理论依据。     

原子力显微镜和白光干涉仪在表面材料测试中的应用研究

目的验证原子力显微镜和白光干涉仪分别在表面材料测试中的分辨率及其在不同类型表面材料测试中的适用性。方法分别采用原子力显微镜和白光干涉仪,对不同厚度级别的ZnO薄膜、石墨烯、磨斑等几种不同类型的表面材料进行了具体的测试研究。结果白光干涉仪10×镜头和50×镜头及原子力显微镜皆可以准确地测试百纳米级别的ZnO薄膜厚度,测得的膜厚分别为148.668、123.354、111.648 nm。原子力显微镜也可以准确地测出十纳米级别的ZnO薄膜厚度,测得的膜厚仅为6.152 nm,而白光干涉仪则不能测试出十纳米级别的ZnO薄膜厚度。原子力显微镜可以准确地测试出石墨烯片的大小、厚度和层数等三维数据,测得的厚度为0.665 nm左右,层数为单层或双层,而白光干涉仪则没有如此高的分辨率。白光干涉仪可以准确地测试出磨斑的宽度、深度等三维数据,测得的磨斑深度为4.245μm,而原子力显微镜则不适合测试表面如此粗糙的样品。结论原子力显微镜适合于测试相对光滑的表面材料的三维形貌和数据,如测试十纳米级别以上的薄膜厚度、超薄石墨烯片厚度和层数。白光干涉仪则适合于测试相对粗糙的表面材料的三维形貌和数据,如测试百纳米级别以上的薄膜厚度、微米级别磨痕深度等。     

钢铁材料电镀镉的研究现状

钢铁材料广泛地应用于诸多工业领域中,但其表面耐蚀性差,发生于材料表面的腐蚀会导致材料失效。镉与空气接触时会迅速氧化并形成致密的保护性氧化膜,因此表面镀镉可以有效地提高钢铁材料表面的耐蚀性。从电镀镉技术的具体应用出发,综述了用于钢铁表面防护的电镀镉技术和用于表面修复的电刷镀镉技术的应用现状。镀镉层作为阳极保护层,实现了对钢铁材料的防护。在镀液中添加钛盐后,形成的镉钛镀层比单纯的镀镉层具有更优异的耐蚀性和更好的低氢脆性。电刷镀镉作为一种特种镀镉技术,可用作镀镉局部破损件的补镀和修复。针对电镀镉废水对环境和人体的高危害,简要阐述了化学法、物理化学法、生物法三种电镀镉废水的处理方法,且微生物法具有良好的发展前景。最后,展望了钢铁材料电镀镉技术的相关研究思路和方法。     

镁合金的应用及其表面处理研究进展

镁合金质轻,具有许多优良的性能,应用日益受到关注,但耐磨、耐蚀性差却制约着其广泛应用,需进行合适的表面处理以提高防护性能.综述了镁合金的主要应用及其表面处理研究的进展.目前,镁合金已广泛应用于汽车、电子、航空、航天等领域,所采取的表面处理方法主要有化学处理、阳极氧化、金属涂层、有机涂层、微孤氧化等,重点介绍了镁合金微弧...     

耐久超疏水表面的研究进展

超疏水表面在油水分离、腐蚀防护、防水抗冰等领域具有广泛的研究和应用价值。然而，其实际应用并未达到预期的广泛程度，主要制约因素在于表面的耐久性不足。超疏水表面的失效主要体现在两个方面：一方面，由于表面粗糙结构在承受机械载荷时容易遭受高局部压力而受损；另一方面，由于低表面能分子在高温、光照和强氧化剂等刺激下容易发生分解失效。为了解决上述问题，从耐久型超疏水表面的特点入手，提出了提高超疏水表面耐久性的典型策略。这些策略包括：（1）构建弹性基底，这可以将微结构上的载荷转移至基体，减少微结构受损的可能性；（2）微结构保护，这种方法通过构筑刚性的护盾，保护了更低尺度的纳米结构免于受损；（3）胶黏+涂装，该策略是通过中间层连接，强化基体与表面微纳结构的结合力；（4）利用低表面能物质的自修复能力，这种方法可以在表面受损后通过自我修复特性恢复其超疏水性；（5）微结构的重建，可以在表面粗糙结构遭破坏后，使其恢复原貌。最后，对耐久超疏水表面的发展提出了前瞻性的展望，提出了耐久超疏水表面绿色可持续发展的新方向。