论文部分内容阅读
为促进我国高性能陶瓷的研究和发展，扩大我国在该领域中的影响，1988年4月，经原国家计委和中国科学院批准，在中国科学院上海硅酸盐研究所建立高性能陶瓷和超微结构开放实验室；1991年纳入国家重点实验室序列，更名为高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室。实验室充分发挥在无机材料设计、制备、工程应用方面的基础和优势，积极承担国家重大科研项目，面向国家重大需求和无机材料学科前沿取得了一系列创新成果，科研综合竞争力得到持续提升。
1.在新材料性能预测、结构设计与快速筛选、多场/多功能超微结构分析表征新技术等方面取得重大进展
实验室建立了多尺度计算——高通量制备—跨尺度表征的材料基因系统研究平台，发展了以第一性原理为核心的高通量计算方法与物理化学性能预测模型、陶瓷及复合材料跨尺度结构设计与热力耦合计算方法，推进了能量存储与转换材料、高温结构陶瓷、陶瓷基复合材料的研发。
面向组合材料芯片和快速筛选技术需求，实验室提出并建立了激光加热微纳粉体高通量制备与多组元高温厚膜CVD沉积高通量制备新技术；提出了融合计算和数据库的组合化学新方案，实现了复合掺杂PbF2超快可见光闪烁材料、掺杂增强Bi4Si3O12（BSO）直接白光荧光材料等多种重大工程急需的关键材料的快速筛选与优化。面向微结构表征的精细化、多信息化发展需求，实验室建立了高/低温场和力/电原位TEM表征技术、基于MEMS驱动的纳米变形原位表征技术、基于GIFEELS能量过滤系统与CL阴极发光光谱仪相融合的微区元素组成/化学态/能级结构/缺陷/发光性能的多信息表征技术以及TEM结构-组成-性能统计映射表征新方法。发展了扫描电镜-电化学原位测试表征新技术，解决了电极表面微区氧化/还原电化学反应电流测量难题。
2.在制备科学研究方面，突破了大尺寸、复杂形状陶瓷及复合材料制备技术
实验室深入研究了复合材料制备工艺对其致密化过程及界面结构的影响机制，提出并建立了孔道构建反应熔渗与原位反应相结合的制备新方法，成功解决了Cf/SiC复合材料高模量与低热膨胀难以兼顾的技术难题；通过构建气孔/碳连续双相网络互穿结构，成功制备出高强度、高热导率的Cf/SiCZrC-ZrB2复合材料，大幅提升了复合材料部件的高温稳定性。针对超大尺寸陶瓷部件工程应用的迫切需求和陶瓷材料烧结极限尺寸的技术局限性，实验室提出了陶瓷/陶瓷以及陶瓷/金属焊接技术方案，通过界面结构和浸润性的设计与调控，成功实现了超大尺寸SiC陶瓷以及复合材料的低应力高强度焊接，突破了3m量级拼接式SiC光学部件制备关键技术。通过控制β-Si3N4低温转化生长，实现了具有高气孔率、单孔径分布、高强度的多孔Si3N4陶瓷制备，并攻克高精度大长径比的Si3N4陶瓷毛细芯制备技术。
Cf/SiC复合材料构件成功应用于航空动力系统以及“高分二号”等型号卫星的高分辨空间遥感系统；大尺寸SiC光学部件在11颗卫星、15台有效载荷上获得成功应用；Si3N4陶瓷毛细芯首次应用于“高分九号”“高景一号”等卫星相机焦平面温控技术中，在轨温度稳定度达到±0.4℃，显著优于±2℃的设计要求。结构功能一体化陶瓷材料和复合材料制备技术的突破，使我国在该领域的研制能力达到国际先进水平，打破了国外关键材料禁运和技术封锁的局面，为我国航空航天技术的跨越发展提供了关键材料保障。
3.在电热输运新效应、光电与热电材料结构设计与性能优化原理等方面取得原创性成果
实验室将实验研究与理论计算紧密结合，聚焦能量转换材料的微观输运机制关键科学问题，发展了互为制约多种物理量的“双结构功能区”的晶体结构设计思想和“类液态”与“赝立方结构”热电材料设计新方法；设计合成了Cu2（S，Se，Te）等一系列新型环境友好热电材料，多种体系ZT值突破2.0，位居国际前列；建立了热电器件优化设计与集成新技术，器件转换效率达12%，为国际报道最高水平；逆向运用原子“相似相聚”规律，提出了多元材料体系制备的热力学逆向设计原则，发展了高铟利用率的铜铟镓硒太阳能电池非真空液相低成本制备新方法，电池效率18.2%（公开报道世界第二高效率值），并实现了技术转让。
实验室将量子力学方法与热力学相结合，揭示了锂空气电池中界面电荷转移、界面作用能及催化剂表面结构对Li2O2分解动力学的影响规律以及催化剂过电位降低的本质，提出了“催化剂/Li2O2/O2”三相界面催化理论模型和“表面酸性”定量描述界面催化活性的普适性判据，成功预测了Co3O4、TiC、TiN、Mo2C等兼具高活性和高循环稳定性的新型催化剂。解决了在高比表面积碳材料中高导电性和高活性氮共存的科学难题，设计合成了氮元素掺杂浓度高达8.5at.%的少层碳材料，比容量高达855F/g，优于碳材料双电层理论极限（550F/g）。
4.在生物材料方面，取得了系列创新性成果
基于临床肿瘤高效、精准诊疗的关键科学问题和对生物医用材料的特殊要求，实验室设计合成了介孔氧化硅基多孔载体材料、无机功能纳米颗粒、有机/无机杂化介孔有机硅基多孔颗粒，揭示了无机纳米材料生物学效应和生物安全性，实现了介孔硅基载体的可控降解，实现了肿瘤特异性、高效、精准诊疗功能，并利用杂化载体实现了逆转肿瘤细胞耐药性和化疗药效；基于无机纳米功能颗粒，提出新型化学动力学疗法、饥饿疗法、催化疗法、声动力疗法、高强度聚焦超声增效疗法、光热疗法、光动力学疗法等肿瘤低毒治疗新策略，成功实现功能纳米颗粒高效、安全的“无毒”肿瘤治疗。
实验室发现了生物材料的多级微结构与活性离子协同促进骨再生效应，发展了具有“主动成骨”的硅基新家族生物活性陶瓷，推动了生物陶瓷从传统磷酸钙体系拓展到具有“主动成骨”功能的硅基体系；提出了“生物材料介导的免疫调控成骨”新假说，阐明了生物活性材料通过调控免疫反应促进成骨的新机制，建立了骨修复材料的体外免疫反应与成骨效应的评价新方法；发展了兼具“骨修复与肿瘤治疗”双功能生物活性材料。实验室还利用等离子体电解氧化等表面改性技术，赋予生物材料表面特定的生物活性和功能，建立了具有“可调控生物学响应”的材料表界面构建原理，发展了基于肖特基接触的抗菌涂层、基于电偶腐蚀效应的抗菌成骨涂层以及基于细胞代谢方式差异性的抗癌涂层材料。研究成果推动了临床研究和产品开发。
5.在环境催化纳米材料设计合成、无机纳米纤维制备与应用技术等方面取得突破性进展
实验室揭示了材料表/界面结构、电荷转移特征、吸附性能等对材料化学与物理性质的影响机制，支撑和推进了环境催化材料、能源材料、生物医用材料的纳米结构设计与性能提升；发现了纳米结构光热协同催化的作用机制和光热协同催化新效应，成功利用光-热互补特性大幅提升了催化效率，并实现了光激发下催化剂的可再生；针对VOCs、NOx和甲醛降解研制了11种气相光催化用Ti、Bi和Mn体系新材料；提出了光催化固氮合成氨和光催化裂解生物质制氢两種新途径，开辟了光催化材料研究新方向；提出了构建以缺陷型半导体、原子尺度异质结构和多组分协同作用的创新思路，发展了多种新型太阳能转换光催化体系；设计合成了基于g-C3N4的系列复合光催化体系，阐明了复合体系中两组分在光催化还原CO2反应中的协同催化效应和双活化作用机制；设计合成了非贵金属介孔沸石基氧化物催化剂，获得了与贵金属Pt/C媲美的甲醇催化氧化性能。实验室提出并建立的基于羟基磷灰石超长纳米线的新型柔性无机生物材料及其制备新技术，在骨缺损修复、生物医用纸、抗菌纸、长久保存的书籍或重要文件、快速检测试纸等诸多领域具有良好的应用前景。
未来，高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室将进一步发展具有中国特色的新材料、新工艺和有创建性的理论，保持和加强自身在高性能陶瓷材料领域的优势地位，使之成为国际著名的国家重点实验室之一。
1.在新材料性能预测、结构设计与快速筛选、多场/多功能超微结构分析表征新技术等方面取得重大进展
实验室建立了多尺度计算——高通量制备—跨尺度表征的材料基因系统研究平台，发展了以第一性原理为核心的高通量计算方法与物理化学性能预测模型、陶瓷及复合材料跨尺度结构设计与热力耦合计算方法，推进了能量存储与转换材料、高温结构陶瓷、陶瓷基复合材料的研发。
面向组合材料芯片和快速筛选技术需求，实验室提出并建立了激光加热微纳粉体高通量制备与多组元高温厚膜CVD沉积高通量制备新技术；提出了融合计算和数据库的组合化学新方案，实现了复合掺杂PbF2超快可见光闪烁材料、掺杂增强Bi4Si3O12（BSO）直接白光荧光材料等多种重大工程急需的关键材料的快速筛选与优化。面向微结构表征的精细化、多信息化发展需求，实验室建立了高/低温场和力/电原位TEM表征技术、基于MEMS驱动的纳米变形原位表征技术、基于GIFEELS能量过滤系统与CL阴极发光光谱仪相融合的微区元素组成/化学态/能级结构/缺陷/发光性能的多信息表征技术以及TEM结构-组成-性能统计映射表征新方法。发展了扫描电镜-电化学原位测试表征新技术，解决了电极表面微区氧化/还原电化学反应电流测量难题。
2.在制备科学研究方面，突破了大尺寸、复杂形状陶瓷及复合材料制备技术
实验室深入研究了复合材料制备工艺对其致密化过程及界面结构的影响机制，提出并建立了孔道构建反应熔渗与原位反应相结合的制备新方法，成功解决了Cf/SiC复合材料高模量与低热膨胀难以兼顾的技术难题；通过构建气孔/碳连续双相网络互穿结构，成功制备出高强度、高热导率的Cf/SiCZrC-ZrB2复合材料，大幅提升了复合材料部件的高温稳定性。针对超大尺寸陶瓷部件工程应用的迫切需求和陶瓷材料烧结极限尺寸的技术局限性，实验室提出了陶瓷/陶瓷以及陶瓷/金属焊接技术方案，通过界面结构和浸润性的设计与调控，成功实现了超大尺寸SiC陶瓷以及复合材料的低应力高强度焊接，突破了3m量级拼接式SiC光学部件制备关键技术。通过控制β-Si3N4低温转化生长，实现了具有高气孔率、单孔径分布、高强度的多孔Si3N4陶瓷制备，并攻克高精度大长径比的Si3N4陶瓷毛细芯制备技术。
Cf/SiC复合材料构件成功应用于航空动力系统以及“高分二号”等型号卫星的高分辨空间遥感系统；大尺寸SiC光学部件在11颗卫星、15台有效载荷上获得成功应用；Si3N4陶瓷毛细芯首次应用于“高分九号”“高景一号”等卫星相机焦平面温控技术中，在轨温度稳定度达到±0.4℃，显著优于±2℃的设计要求。结构功能一体化陶瓷材料和复合材料制备技术的突破，使我国在该领域的研制能力达到国际先进水平，打破了国外关键材料禁运和技术封锁的局面，为我国航空航天技术的跨越发展提供了关键材料保障。
3.在电热输运新效应、光电与热电材料结构设计与性能优化原理等方面取得原创性成果
实验室将实验研究与理论计算紧密结合，聚焦能量转换材料的微观输运机制关键科学问题，发展了互为制约多种物理量的“双结构功能区”的晶体结构设计思想和“类液态”与“赝立方结构”热电材料设计新方法；设计合成了Cu2（S，Se，Te）等一系列新型环境友好热电材料，多种体系ZT值突破2.0，位居国际前列；建立了热电器件优化设计与集成新技术，器件转换效率达12%，为国际报道最高水平；逆向运用原子“相似相聚”规律，提出了多元材料体系制备的热力学逆向设计原则，发展了高铟利用率的铜铟镓硒太阳能电池非真空液相低成本制备新方法，电池效率18.2%（公开报道世界第二高效率值），并实现了技术转让。
实验室将量子力学方法与热力学相结合，揭示了锂空气电池中界面电荷转移、界面作用能及催化剂表面结构对Li2O2分解动力学的影响规律以及催化剂过电位降低的本质，提出了“催化剂/Li2O2/O2”三相界面催化理论模型和“表面酸性”定量描述界面催化活性的普适性判据，成功预测了Co3O4、TiC、TiN、Mo2C等兼具高活性和高循环稳定性的新型催化剂。解决了在高比表面积碳材料中高导电性和高活性氮共存的科学难题，设计合成了氮元素掺杂浓度高达8.5at.%的少层碳材料，比容量高达855F/g，优于碳材料双电层理论极限（550F/g）。
4.在生物材料方面，取得了系列创新性成果
基于临床肿瘤高效、精准诊疗的关键科学问题和对生物医用材料的特殊要求，实验室设计合成了介孔氧化硅基多孔载体材料、无机功能纳米颗粒、有机/无机杂化介孔有机硅基多孔颗粒，揭示了无机纳米材料生物学效应和生物安全性，实现了介孔硅基载体的可控降解，实现了肿瘤特异性、高效、精准诊疗功能，并利用杂化载体实现了逆转肿瘤细胞耐药性和化疗药效；基于无机纳米功能颗粒，提出新型化学动力学疗法、饥饿疗法、催化疗法、声动力疗法、高强度聚焦超声增效疗法、光热疗法、光动力学疗法等肿瘤低毒治疗新策略，成功实现功能纳米颗粒高效、安全的“无毒”肿瘤治疗。
实验室发现了生物材料的多级微结构与活性离子协同促进骨再生效应，发展了具有“主动成骨”的硅基新家族生物活性陶瓷，推动了生物陶瓷从传统磷酸钙体系拓展到具有“主动成骨”功能的硅基体系；提出了“生物材料介导的免疫调控成骨”新假说，阐明了生物活性材料通过调控免疫反应促进成骨的新机制，建立了骨修复材料的体外免疫反应与成骨效应的评价新方法；发展了兼具“骨修复与肿瘤治疗”双功能生物活性材料。实验室还利用等离子体电解氧化等表面改性技术，赋予生物材料表面特定的生物活性和功能，建立了具有“可调控生物学响应”的材料表界面构建原理，发展了基于肖特基接触的抗菌涂层、基于电偶腐蚀效应的抗菌成骨涂层以及基于细胞代谢方式差异性的抗癌涂层材料。研究成果推动了临床研究和产品开发。
5.在环境催化纳米材料设计合成、无机纳米纤维制备与应用技术等方面取得突破性进展
实验室揭示了材料表/界面结构、电荷转移特征、吸附性能等对材料化学与物理性质的影响机制，支撑和推进了环境催化材料、能源材料、生物医用材料的纳米结构设计与性能提升；发现了纳米结构光热协同催化的作用机制和光热协同催化新效应，成功利用光-热互补特性大幅提升了催化效率，并实现了光激发下催化剂的可再生；针对VOCs、NOx和甲醛降解研制了11种气相光催化用Ti、Bi和Mn体系新材料；提出了光催化固氮合成氨和光催化裂解生物质制氢两種新途径，开辟了光催化材料研究新方向；提出了构建以缺陷型半导体、原子尺度异质结构和多组分协同作用的创新思路，发展了多种新型太阳能转换光催化体系；设计合成了基于g-C3N4的系列复合光催化体系，阐明了复合体系中两组分在光催化还原CO2反应中的协同催化效应和双活化作用机制；设计合成了非贵金属介孔沸石基氧化物催化剂，获得了与贵金属Pt/C媲美的甲醇催化氧化性能。实验室提出并建立的基于羟基磷灰石超长纳米线的新型柔性无机生物材料及其制备新技术，在骨缺损修复、生物医用纸、抗菌纸、长久保存的书籍或重要文件、快速检测试纸等诸多领域具有良好的应用前景。
未来，高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室将进一步发展具有中国特色的新材料、新工艺和有创建性的理论，保持和加强自身在高性能陶瓷材料领域的优势地位，使之成为国际著名的国家重点实验室之一。