項目名稱：    納米微粒及納米復相陶瓷的制備科學與性能研究

推薦單位：    上海市

項目簡介：    本項目屬無機非金屬材料學科。

系統(tǒng)地研究了納米微粒和納米復合粉體在合成過程中有關晶相與形貌控制、分散、復合及表面改性等方面的科學規(guī)律，發(fā)現(xiàn)表面電場力是決定其大小、形貌和團聚的最重要因素。提出了改變表面電荷來控制表面電場力的原理和方法，合成了種類和形貌各異的氧化物納米微粒和納米復合粉體；提出了利用氧化物納米微粒的高反應活性和熱解氨氣的強還原-氮化特性低溫合成氮化物納米微粒的新思路，研究成功了多種新型氮化物納米微粒。相關工作獲中國發(fā)明專利授權20項。其中有關納米級四方相鈦酸鋇的專利在廣東肇慶風華電子工程開發(fā)有限公司實施，形成年產30噸的生產規(guī)模，直接經濟效益400萬元。

提出了陶瓷材料晶內型結構通過弱化基體晶粒、增強晶界而實現(xiàn)穿晶斷裂的強韌化機理；在國際上率先用放電等離子技術實現(xiàn)了陶瓷材料的超快速燒結，將通常需幾到十幾小時的陶瓷致密化過程縮短在幾分鐘內完成，極大地節(jié)約了能源和設備占用率，而且使材料顯微結構可控，力學性能提高。六篇相關研究論文被SCI他引175次，研究工作得到國際陶瓷界的廣泛認同。通過對材料微觀結構的調控研制出各種高力學性能的納米復相陶瓷和功能性納米復相陶瓷，對降低陶瓷脆性、提高可靠性以及實現(xiàn)性能突破有重要意義。在碳納米管純化、分散、表面功能化及碳納米管復合材料的合成方面也開展了一系列創(chuàng)新性的研究。提出并創(chuàng)建了用光譜技術表征碳管穩(wěn)定性的原理和方法，被國際同行沿用。發(fā)展了"反微乳非共價鍵鍵合法"等新方法，合成了13種碳管無機納米微粒組裝體系，研制了力學性能大幅度提高或具有顯著功能性的碳納米管復合材料。

本項目出版學術專著四部，總印數(shù)33000冊，有三部在臺灣出版了繁體字本。發(fā)表學術論文129篇，被SCI收錄119篇。論文和專著被SCI他引1750次，被CSCD他引351次，單篇論文被他引90篇次。申請中國發(fā)明專利48項，33項已獲授權。曾獲得上海市科學技術進步一等獎兩項。

主要發(fā)現(xiàn)點：  1. 發(fā)現(xiàn)了在納米微粒形成過程中，表面電場力是決定其大小、形貌和團聚的最重要因素。提出了改變表面電荷來控制表面電場力的原理和具有普適性的"沉淀包裹"新概念，在這一概念指導下通過調控納米微粒間的庫侖作用力，合成了多種形貌、晶相可控的納米氧化物，實現(xiàn)了包裹型納米復合粉體各組分間分子水平或納米尺度的均勻復合；發(fā)現(xiàn)了在較低氮化溫度下合成多種氮化物納米顆粒的普遍規(guī)律，利用氧化物納米微粒的高反應活性及氨氣更強的氮化能力，發(fā)展了由超細高分散納米氧化物或前驅體經氨氣直接氮化合成各種新型納米氮化物的方法，深入研究了納米氮化物的特性，如GaN、InN等具有良好發(fā)光性，F(xiàn)e2N有優(yōu)異的磁性能，Ta3N5有可見光催化活性等。研制了TiN-Al2O3、TiN-Si3N4和BN-Si3N4等兼有高力學性能、高導電性及可切削性等功能性的納米氮化物復相陶瓷。相關工作獲授權中國發(fā)明專利20余項。（學科分類名稱：無機非金屬材料學，無機合成化學；代表作2，7, 9, 10）

2. 發(fā)現(xiàn)了放電等離子燒結（SPS）中傳熱過程在瞬間完成的特殊機制，其原理是坯體中每顆晶粒因快速隨機高頻放電而迅速成為熱源，在國際上率先用SPS技術實現(xiàn)了陶瓷材料Al2O3，ZnO以及Al2O3、ZrO2、莫來石(mullite)、Si3N4和YAG(Y3Al5O13)為基體的納米復相陶瓷的超快速燒結，將陶瓷材料的致密化過程由至少幾小時縮短至可在幾分鐘內完成。節(jié)約了能源和設備占用率，而且使材料顯微結構可控。（學科分類名稱：無機非金屬材料學；代表作1, 3）

3. 發(fā)現(xiàn)了納米復相陶瓷晶內型結構通過弱化基體晶粒、增強晶界而實現(xiàn)穿晶斷裂的強韌化機理，通過納米復合研制出多種力學性能有顯著突破的晶內型納米氧化物復相陶瓷如SiC-Al2O3，SiC-ZrO2-mullite，SiC-YAG、YAG-Al2O3和NdAlO3-Al2O3等。（學科分類名稱：結構陶瓷學；代表作1, 4, 5）

4. 提出并創(chuàng)建了用光譜技術表征碳管穩(wěn)定性的原理和方法，被國際同行沿用并獲中國發(fā)明專利授權。在國際上首次提出"反微乳非共價鍵合"的概念，實現(xiàn)了無機納米粒子在碳納米管內外管壁的組裝。首次利用分形理論定量揭示了沉積物形貌分維值與漿料分散狀態(tài)的內在關系；發(fā)現(xiàn)了分散劑與金屬離子形成配位鍵的強弱對小分子型分散劑性能的影響規(guī)律。(學科分類名稱：無機非金屬材料學；代表作6, 8, 10)

5. 發(fā)現(xiàn)功能性納米顆粒和碳納米管在基體中的均勻彌散分布是納米復相陶瓷獲取優(yōu)異的功能性和顯著的強韌化效果的有效途徑，解決了添加相在基體材料中的均勻分散、與基體鍵合等科學問題，研究成功了一系列具有高力學性能并兼具功能性的碳納米管復相材料，如導電性有數(shù)量級提高的MWNTs/Fe3O4、有生物活性的MWNTs/HAp和良好充放電性能的MWNTs/Co3O4等。（學科分類名稱：無機非金屬材料學、結構陶瓷學；代表作4, 8）

主要完成人：  1.   高濂

主持參加本研究項目的立項申請，組織和部署研究計劃的實施。對部分第1發(fā)現(xiàn)點，第2發(fā)現(xiàn)點，部分第3發(fā)現(xiàn)點，部分第5發(fā)現(xiàn)點做出了創(chuàng)造性貢獻。本人在該項研究中的工作量占本人工作量的80%。

2.   郭景坤

參與組織和實施本項目的研究。對部分第1發(fā)現(xiàn)點，部分第3發(fā)現(xiàn)點，部分第5發(fā)現(xiàn)點作出了創(chuàng)造性貢獻。本人在該項研究中的工作量占本人工作量的60%。

3.   孫靜

參與組織和實施本項目的研究。對部分第1發(fā)現(xiàn)點，部分第3發(fā)現(xiàn)點，第4發(fā)現(xiàn)點，部分第5發(fā)現(xiàn)點作出了創(chuàng)造性貢獻。本人在該項研究中的工作量占本人工作量的90%。

4.   張青紅

參與實施本項目的研究。對部分第1發(fā)現(xiàn)點，部分第5發(fā)現(xiàn)點作出了創(chuàng)造性貢獻。本人在該項研究中的工作量占本人工作量的90%。

5.   靳喜海

參與實施本項目的研究。對部分第3發(fā)現(xiàn)點，部分第5發(fā)現(xiàn)點做出了創(chuàng)造性貢獻。本人在該項研究中的工作量占本人工作量的90%。

10篇代表性論文：  1.   Mechanical Properties and Microstructure of Nano-SiC-Al2O3 Composites Densified by Spark Plasma sintering/ J. Eur. Ceram. Soc.

2.   Effect of Calcination on the Photocatalytic Properties of Nanosized TiO2 Powders Prepared by TiCl4 Hydrolysis / Appl. Catal. B: Environ.

3.   Bending Strength and Micstructure of Al2O3 Ceramics Densified by Spark Plasma Sintering/ J. Eur. Ceram. Soc.

4.   Colloidal Processing of Carbon Nanotube/Alumina Composites / Chem. Mater.

5.   Microstructure and Mechanical Properties of SiC/Zirconia-Toughened Mullite Nanocomposites Prepared from Mixtures of Mullite Gel, 2Y-TZP and SiC Nanopowders /J. Mater. Res.

6.   Production of Aqueous Colloidal Dispersions of Carbon Nanotubes / J. Colloid Interf. Sci.

7.   Preparation of Ultrafine InN Powder by the Nitridation of In2O3 or In(OH)3 and Its Thermal Stability /J. Mater. Chem.

8.   Noncovalent Attachment of Oxide Nanoparticles onto Carbon Nanotubes by Water-in-Oil Microemulsions / Chem. Comm.

9.   專著：《納米氧化鈦光催化材料及應用》

10.  專著：《納米粉體的分散及表面改性》