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高熵二硼化物纳米颗粒的组分设计与催化降解抗生素研究

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中国科学:材料科学(英文版) 2023年第9期66卷 3582-3591页

作者：余仁旺刘译文孙晓红贺刚董恒邓书香李江涛褚衍辉 School of Materials Science and Engineering South China University of TechnologyGuangzhou 510641China College of Environmental Science and Engineering Nankai UniversityTianjin 300350China Tianjin Key Laboratory of Functional Crystal Materials Institute of Functional CrystalCollege of Material Science and EngineeringTianjin University of TechnologyTianjin 300384China Key Laboratory of Cryogenics Technical Institute of Physics and ChemistryChinese Academy of SciencesBeijing 100190China

开发高熵硼化物材料的功能特性对于拓宽其在极端环境中的潜在应用至关重要.为此,本文通过调控材料的组分开发出具有高效催化性能的高熵二硼化物(HEB_(2))纳米颗粒:首先基于对HEB_(2)的尺寸差异因子、混合焓以及体系自蔓延燃烧模式的理... 详细信息

开发高熵硼化物材料的功能特性对于拓宽其在极端环境中的潜在应用至关重要.为此,本文通过调控材料的组分开发出具有高效催化性能的高熵二硼化物(HEB_(2))纳米颗粒:首先基于对HEB_(2)的尺寸差异因子、混合焓以及体系自蔓延燃烧模式的理论分析,我们采用一种简便、快速、低成本的燃烧合成方法合成了6种不同组分的HEB_(2)纳米颗粒;然后,通过对材料的组分进行调控实现了HEB_(2)纳米颗粒活化过硫酸盐降解抗生素的高效催化能力(四环素的最高去除效率可达93.5%).不同吸附位点的吸附能和差分电荷密度的第一性原理计算结果进一步证实了HEB_(2)优异的催化性能主要归因于Ti组元,而非高熵效应.此外,基于检测到的活性氧和计算的反应能垒,我们提出了HEB_(2)活化过硫酸盐降解抗生素的潜在催化机理.本研究不仅为HEB_(2)高效催化降解抗生素的组分设计提供了理论依据,而且显示出HEB_(2)在去除自然水体中新污染物方面的潜在应用前景.

关键词：催化降解催化机理第一性原理计算潜在应用前景吸附能硼化物组分设计自蔓延燃烧

基于机器学习的轻质低膨胀幕墙玻璃组分设计研究

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硅酸盐通报 2023年第7期42卷 2603-2612页

作者：田静黄依平苗恩新李苑刘军波张本涛刘涌韩高荣浙江大学材料科学与工程学院硅材料国家重点实验室杭州310027 中国建筑第四工程局有限公司广州510665

随着机器学习技术的不断发展和玻璃材料数据的逐步积累,基于数据驱动的组分设计方法已成为玻璃新材料开发的一种有力手段。本文采用随机森林回归算法构建了包含56种氧化物的玻璃组分与性能预测模型,并采用SHAP分析等方法进行了可解释性... 详细信息

随着机器学习技术的不断发展和玻璃材料数据的逐步积累,基于数据驱动的组分设计方法已成为玻璃新材料开发的一种有力手段。本文采用随机森林回归算法构建了包含56种氧化物的玻璃组分与性能预测模型,并采用SHAP分析等方法进行了可解释性研究,实现了在高维组分空间对线膨胀系数、密度及弹性模量的准确预测。利用该预测模型在Si-Al-B-Ca-Mg-Na六元氧化物组分空间中对约118万个玻璃配方进行快速预测,并对优选的4组硼硅酸盐玻璃样品进行测试。结果表明,样品的线膨胀系数分布在(52.00~58.00)×10^(-7)℃^(-1),密度分布在2.34~2.39 g/cm^(3),弹性模量分布在67.00~74.00 GPa,与模型预测结果相符,且优于相关规范要求。

关键词：机器学习数据驱动幕墙玻璃硼硅酸盐氧化物玻璃组分设计

3D打印钙镁硅多元素生物活性陶瓷的组分设计及免疫成骨研究

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3D打印钙镁硅多元素生物活性陶瓷的组分设计及免疫成骨研究

作者：冯健朗华南理工大学

学位级别：硕士

免疫反应是早期影响骨再生效果的重要因素之一。免疫反应中巨噬细胞的表型和功能的变化对骨再生起重要作用。M1型巨噬细胞主导机体的免疫排斥反应,但是长期存在会加剧炎症反应,对骨再生起负面作用。在炎症后期,巨噬细胞从M1表型向M2表... 详细信息

免疫反应是早期影响骨再生效果的重要因素之一。免疫反应中巨噬细胞的表型和功能的变化对骨再生起重要作用。M1型巨噬细胞主导机体的免疫排斥反应,但是长期存在会加剧炎症反应,对骨再生起负面作用。在炎症后期,巨噬细胞从M1表型向M2表型的及时转化能促进骨组织的自我愈合。对材料进行组分的优化设计是赋予生物活性陶瓷更高成骨活性和免疫调控特性的有效策略。本研究合成了两种生物活性陶瓷粉体,并以此为原料设计和构建了钙镁硅多元素生物活性陶瓷支架,从免疫调控的角度研究了钙镁硅多元素生物活性陶瓷调控巨噬细胞向M2极化增强骨再生和成血管的机理,为生物活性陶瓷在骨再生植入体的应用提供了新思路。论文主要包括以下内容:(1)钙镁硅多元素生物活性陶瓷的组分设计及制备采用液相法结合水热法合成了镁白磷钙石(WH)粉体,采用液相法合成掺镁硅酸钙(Mg-CS)粉体,对热处理前后两种粉体的物理化学性能进行了研究。热处理后的两种粉体形貌更趋于类球状,提高浆料的流动性,从而更有利于支架的3D打印。采用光固化3D打印技术构建了多孔结构不同配比钙镁硅多元素生物活性陶瓷。体外细胞实验结果表明,当Mg-CS含量为10 wt%时支架具有良好的细胞相容性,Mg-CS含量更高的组分会显著抑制小鼠骨髓间充质干细胞(m BMSCs)增殖,因此后续实验采用Mg-CS含量为10 wt%的钙镁硅多元素生物活性陶瓷(WH-CS10)与β-磷酸三钙(β-TCP)和WH组进行免疫调控性能对比研究。XRD实验结果表明Mg-CS和WH在高温烧成过程中不发生化学反应。三组生物活性陶瓷支架相比WH-CS10的体外降解速率最快,WH与β-TCP无明显区别,Mg-CS的复合加速了生物活性离子的释放,并导致周围环境的弱碱性(p H值约为7.4-7.5)。(2)钙镁硅多元素生物活性陶瓷的体外免疫调控及成骨分化性能研究首先从免疫调控角度研究钙镁硅多元素生物活性陶瓷介导免疫微环境对成骨和成血管的调控。结果表明,与β-TCP和WH组相比,在炎症后期WH-CS10组能下调巨噬细胞RAW264.7的促炎相关因子表达(IL-6、i NOs),上调抑炎相关因子表达(IL-10、Arg-1),有效调控巨噬细胞向M2表型极化,并分泌相关的抑炎细胞因子(IL-10)、成骨(BMP-2、TGF-β3)及成血管(VEGF、PDGF-bb)细胞因子,通过旁分泌作用促进体外小鼠骨髓间充质干细胞(m BMSCs)的成骨相关基因ALP、Runx-2、COL-1、OCN和人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的成血管相关基因VEGF、CD31和b FGF表达,并刺激m BMSCs的细胞迁移。另一方面,我们也研究了钙镁硅多元素生物活性陶瓷体外促成骨分化能力,结果表明相较于β-TCP和WH组,m BMSCs与WH-CS10共培养7天和14天后,成骨相关基因ALP、Runx-2、OPN和COL-1的表达量显著上调,ALP蛋白表达量也明显更高,表明WH-CS10的促进体外成骨分化效果更显著。综上所述,钙镁硅多元素生物活性陶瓷能在炎症后期为骨缺损部位提供良好的骨免疫微环境,从而加速血管新生及骨再生过程。此外,钙镁硅多元素生物活性陶瓷也能通过钙、镁、硅等多种生物活性元素的可控释放,诱导骨髓间充质干细胞的成骨分化,从而进一步促进新骨生成。(3)钙镁硅多元素生物活性陶瓷的体内免疫调控及促骨再生性能研究采用小鼠肌袋植入实验研究支架的体内免疫调控性能。活细胞提取RNA后的PCR实验结果表明,支架植入肌袋7天后,钙镁硅多元素生物活性陶瓷组与对照组β-TCP和WH相比能显著降低巨噬细胞M1表型的标志物CCR7的表达,同时显著提高了M2表型的标志物CD206及CD163的表达,表明钙镁硅多元素生物活性陶瓷在炎症后期促进M1型巨噬细胞向M2表型极化。采用新西兰兔的胫骨平台缺损模型进行体内成骨植入实验。大体观察、Micro-CT及组织学切片实验的检测结果表明,三组支架均具有很好的生物相容性,且能与骨组织紧密结合。其中,钙镁硅多元素生物活性陶瓷能加速新骨长入的进程,血管、哈弗氏管等成熟的骨组织结构出现时期更早,数量更多,新生骨组织成熟度更高。综上,本研究以两种新型陶瓷粉体为原料,通过光固化3D打印成型,成功制备了钙镁硅多元素生物活性陶瓷,实现了支架组分优化设计,多元素生物活性陶瓷支架钙、镁、硅离子的溶出能在炎症反应后期及时调控巨噬细胞M2的极化表型,有效刺激巨噬细胞分泌促成骨及促血管生成相关因子,同时诱导骨髓间充质干细胞的增殖和成骨分化,进而加速骨再生过程,为新一代生物活性陶瓷的组分设计提供一定参考。

关键词：多元素生物活性陶瓷组分设计骨免疫调控

ABO3结构高熵陶瓷的组分设计及介电性能研究

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ABO3结构高熵陶瓷的组分设计及介电性能研究

作者：周世昱陕西科技大学

学位级别：硕士

介电陶瓷电容器是所有电容器中使用最广的一种。随着电力电子领域对新型高性能电容器需求的日益增长,陶瓷电容器材料的研发面临巨大挑战,如设计开发高可靠性高温电容器材料和高储能密度电容器材料。在当前传统介电陶瓷材料设计思路逐渐... 详细信息

介电陶瓷电容器是所有电容器中使用最广的一种。随着电力电子领域对新型高性能电容器需求的日益增长,陶瓷电容器材料的研发面临巨大挑战,如设计开发高可靠性高温电容器材料和高储能密度电容器材料。在当前传统介电陶瓷材料设计思路逐渐定式化,体系复杂化、相似化的局面下,是否能从全新角度设计高性能介电陶瓷材料体系并挖掘其中蕴含的机理仍是一大难题。高熵钙钛矿氧化物是近年来根据“熵工程”理念设计出的一种多组元化合物,该种材料通过改变离子种类、减小各离子摩尔分数差异实现构型熵增大,以获得高相稳定性。高熵钙钛矿氧化物也为介电材料设计提供了启发,一方面钙钛矿两个阳离子位点均能接受多种阳离子替换,另一方面对钙钛矿介电材料高熵化（也即弛豫化）的过程利于实现高温介电稳定性和储能密度。本文主要针对ABO3型高熵陶瓷进行组分设计与合成探索,表征其基本介电性能,利用该种新型材料实现介电性能提高。首先研究单相高熵钙钛矿陶瓷粉体的合成。采用固相法制备六种B位高熵钙钛矿氧化物粉体:Ba（Zr0.2Ti0.2Sn0.2Hf0.2Me0.2）O3（Me=Y3+,Nb5+,Ta5+,V5+,Mo6+,W6+）,其中Me=Y3+,Nb5+,Ta5+的组分可以形成单相。探究形成单相条件时发现只有容差因子t＜1.03是可靠的必要条件。验证单相组分熵稳效应时发现减少一种阳离子后,四元组分在五元组分形成单相的温度下显示出多种杂相。对于由纯相粉体Ba（Zr0.2Ti0.2Sn0.2Hf0.2Me0.2）O3（Me=Nb5+,Ta5+）所制得的陶瓷,SEM照片发现陶瓷晶粒尺寸均在1 μ m左右。对于Sr（Zr0.2Ti0.2Sn0.2Hf0.2Nb0.2）O3陶瓷,SEM照片显示其晶粒尺寸在0.68 μm左右,通过紫外漫反射光谱发现其禁带宽度为3.76 eV。进一步研究单相高熵陶瓷的基本介电性能。Ba（Zr0.2Ti0.2Sn0.2Hf0.2Me0.2）O3（Me=Nb5+,Ta5+）两种陶瓷介电性能相似。介温图谱中没有发现任何介电异常峰,介电常数随频率变化图谱中,1 kHz频率下的介电常数均小于100,损耗均小于0.002。测量电滞回线发现两种陶瓷均具有高击穿电场,Me=Nb5+组分在290 kV/cm电场下放电能量密度为0.55 J/cm3,Me=Ta5+组分在370 kV/cm电场下放电能量密度为0.68 J/cm3。Sr（Zr0.2Ti0.2Sn0.2Hf0.2Nb0.2）O3陶瓷也具有类似介电特征,即具有低介电常数（1 kHz下为57.5）、低损耗（1 kHz下tanδ＜0.01）和高击穿强度（Eb=375 kV/cm）。进一步将高熵钙钛矿氧化物与铁电体基体结合,旨在实现高介电温度稳定性及储能性能。用固相法将 Sr（Zr0.2Ti0.2Sn0.2Hf0.2Nb0.2）O3 引入 Na0.5Bi0.5TiO3中,写作（1-x）NBT-xSZSHTN（x=0.15-0.35）。由于多种B位阳离子的存在,介温图谱中（1-x）NBT-xSZSHTN陶瓷的居里峰被大幅展宽,掺杂量x=0.2时展现出优异高温介电温度稳定性:ε’150℃＞2000,52.4-362℃范围内TCC＜5%,90-341℃范围内tanδ＜0.01。此外,该组分放电能量密度为3.52 J/cm3,20℃至150℃范围内Wrec和η分别变化了±6.08%和±7.4%,兼具优异储能性能。用固相法将 Bi（Zn0.2Mg0.2Al0.2Sn0.2Zr0.2）O3（BZMASZ）引入BaTiO3-Na0.5Bi0.5TiO3 基体中,写作（1-x）（0.75BT-0.25NBT）-xBZMASZ（x=0-0.2）。结构精修后发现随着掺杂量增加陶瓷相结构由四方相转变为四方相和立方相共存再转变为立方相。TEM观察未掺杂和掺杂0.1 BZMASZ样品发现掺杂后陶瓷内部畴结构从大尺寸薄层状90°电畴转变为大量纳米极化微区（PNRs）与零星介观尺寸畴共存状态,PFM测试也证实了这种内部极化结构。室温下,0.9（0.75BT-0.25NBT）-0.1BZMASZ陶瓷最终在273 kV/cm击穿电场下放电能量密度高达3.74 J/cm3,储能效率为82.2%。充放电测试中,在200 Ω负载140 kV/cm电场下该组分放电能量密度Wdis为0.72 J/cm3,67 ns即可放出该能量密度的90%。变温下该组分在-30℃到200℃宽温区间内120 kV/cm电场下放电能量密度仅变化±4.5%（-4.5%～+1.8%）,储能效率变化±7.8%（-7.8%～0）。

关键词：熵工程高熵陶瓷组分设计介电温度稳定性储能性能

P型碲化铋基材料组分设计及宽温域热电性能优化

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P型碲化铋基材料组分设计及宽温域热电性能优化

作者：陈李栋中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)

学位级别：硕士

热电材料可实现热能与电能直接相互转换,具有温差发电和热电制冷两大应用。碲化铋（BiTe）基合金是目前唯一实现商业化应用的热电材料体系,然而存在着机械性能差、随温度升高热电性能急剧降低等问题。本论文以p型碲化铋材料为主要研究对... 详细信息

热电材料可实现热能与电能直接相互转换,具有温差发电和热电制冷两大应用。碲化铋（BiTe）基合金是目前唯一实现商业化应用的热电材料体系,然而存在着机械性能差、随温度升高热电性能急剧降低等问题。本论文以p型碲化铋材料为主要研究对象,通过第二相复合、阳离子位Bi/Sb比例调节以及阴离子位Se固溶等组分设计方案,不仅实现了300-500 K宽温域内热电性能的全面优化,还提升了材料的机械性能。具体研究内容如下:1.选用六方相BN颗粒作为第二相与p型BiSbTe复合,采用便于批量制备的区熔生长工艺制备BiSbTe-xwt%BN+3wt%Te样品,协同优化材料的热电性能和力学性能。BN颗粒在晶界聚集抑制了碲化铋晶粒生长,晶界散射降低了载流子迁移率,但异质界面引起的“能量过滤”效应增大了材料的态密度有效质量,提升了赛贝克系数和功率因子。同时复合材料晶粒内部产生大面积位错团簇,有利于增强声子散射和降低晶格热导率。最终BN复合BiSbTe材料的ZT值达到375 K时的1.3（x=0.10）,相对于基体材料提升了30%。此外,得益于晶粒细化和位错团簇的强化作用,p型BiSbTe/BN复合区熔材料的维氏硬度和抗压强度分别提升至0.36 GPa和9.5 MPa。2.为进一步优化p型碲化铋材料的综合性能,采用球磨热压法制备了300-500 K宽温域内具有优良热电性能的p型BiSbTeSe烧结材料,并由此制备碲化铋基热电发电器件。考虑到热压熔融过程中“类施主效应”导致p型碲化铋材料空穴浓度过高,首先通过调整阳离子Sb/Bi比例,提高整体功率因子和优化温度升高后的ZT值;进一步补充过量Te,在微调载流子浓度的同时降低了总热导率,制备得到宽温区内热电性能最优化的BiSbTe+3wt%Te作为基体材料;在此基础上选择阴离子位Se掺杂,增大有效带隙并抑制温度升高后的双极扩散效应,提升赛贝克系数并降低了双极热导率,同时引入的晶界和位错缺陷增强了声子散射并降低晶格热导率。最终在425 K时实现ZT峰值1.2和300-500 K平均ZT值1.1,由此制备的碲化铋基发电器件在200℃温差下转换效率达到5.24%。

关键词： p型碲化铋热电性能组分设计平均ZT值转换效率

钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的组分设计与性能调控研究进展

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功能材料 2013年第7期44卷 913-917页

作者：李方旭刘超肖定全四川大学材料科学与工程学院四川成都610064

钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5TiO3,BNT)基无铅压电陶瓷是目前研究最多且极具应用前景的钙钛矿(ABO3)型无铅压电材料之一。最近几年,BNT基无铅压电陶瓷仍然是国际压电铁电材料研究的热点之一。从BNT基无铅压电陶瓷A位和/或B位取代、多组元复合、... 详细信息

钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5TiO3,BNT)基无铅压电陶瓷是目前研究最多且极具应用前景的钙钛矿(ABO3)型无铅压电材料之一。最近几年,BNT基无铅压电陶瓷仍然是国际压电铁电材料研究的热点之一。从BNT基无铅压电陶瓷A位和/或B位取代、多组元复合、掺杂离子改性以及制备技术改进等方面,综合介绍了2006年以来国内外的研究进展,特别是准同型相界的构建以及组分设计与性能调控的研究进展,并对今后的研究进行了展望。

关键词：无铅压电陶瓷钛酸铋钠组分设计性能调控相界构建

工业废物微晶玻璃组分设计和制备工艺的研究进展

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材料导报 2016年第3期30卷 105-108页

作者：管艳梅孙道胜刘开伟王爱国张燕安徽建筑大学先进建筑材料安徽省重点实验室合肥230022

工业废物微晶玻璃是一种以工业废物为主要原料制备的含有微晶相的绿色材料。在讨论不同化学成分对基础玻璃熔融和晶化行为影响的基础上,总结了工业废物微晶玻璃的配方设计;综述了不同制备工艺对工业废物微晶玻璃结构与性能的影响,最后... 详细信息

工业废物微晶玻璃是一种以工业废物为主要原料制备的含有微晶相的绿色材料。在讨论不同化学成分对基础玻璃熔融和晶化行为影响的基础上,总结了工业废物微晶玻璃的配方设计;综述了不同制备工艺对工业废物微晶玻璃结构与性能的影响,最后展望了工业废物微晶玻璃的应用前景。

关键词：微晶玻璃工业废物组分设计制备工艺

KNN基无铅压电陶瓷组分设计与相界构建研究进展

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功能材料 2014年第1期45卷 1-5页

作者：刘超李方旭肖定全朱建国四川大学材料科学与工程学院成都610064

碱金属铌酸盐(KNN)系无铅压电陶瓷因其优异的压电介电性能,尤其是以准同型相界(MPB)或多晶型相界(PPB)附近优越的压电性能受到极为深入和广泛的研究。结合近年相关文献报导,综述了KNN基无铅压电陶瓷的组分设计和相界构建与性能调控的最... 详细信息

碱金属铌酸盐(KNN)系无铅压电陶瓷因其优异的压电介电性能,尤其是以准同型相界(MPB)或多晶型相界(PPB)附近优越的压电性能受到极为深入和广泛的研究。结合近年相关文献报导,综述了KNN基无铅压电陶瓷的组分设计和相界构建与性能调控的最新研究进展;概括总结了相界构建与组分的依赖关系;阐述了组分设计和相界构建在无铅压电陶瓷研究领域中的重要意义;分析并展望了相界构建在无铅压电陶瓷中的研究前景。

关键词：无铅压电陶瓷碱金属铌酸盐组分设计相界构建性能调控

稀土强化Al_2O_3/Ti(C,N)陶瓷材料的组分设计及其使用性能研究

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人工晶体学报 2007年第2期36卷 400-404页

作者：许崇海慈国庆商锡佐山东轻工业学院机械工程学院山东省科技厅济南250011 济南新立机器制造厂济南250116

以稀土强化Al2O3/Ti(C,N)陶瓷材料为基础,进行了基于抗冲击性能、抗热震性能和耐磨性能的组分设计。结果发现,与最佳的抗冲击性能、抗热震性能和耐磨性能相对应,弥散相Ti(C,N)的最优体积含量分别为27.7%、26.5%和30.7%,其最优性能分别比... 详细信息

以稀土强化Al2O3/Ti(C,N)陶瓷材料为基础,进行了基于抗冲击性能、抗热震性能和耐磨性能的组分设计。结果发现,与最佳的抗冲击性能、抗热震性能和耐磨性能相对应,弥散相Ti(C,N)的最优体积含量分别为27.7%、26.5%和30.7%,其最优性能分别比纯Al2O3陶瓷提高约71.4%、40.4%和28.9%。在此基础上,实验研究了稀土强化Al2O3/Ti(C,N)陶瓷材料用于刀具时的切削特性。表明该材料具有良好的耐磨性能,可以作为刀具材料使用。

关键词：陶瓷材料稀土氧化铝组分设计使用性能