耐高温吸波材料的研究进展

摘要:雷达探测技术的发展对武器装备热端部件提出更高的隐身要求,而耐高温吸波复合材料是解决雷达隐身问题的关键材料,具有重要应用前景和战略意义,因此国内外研究学者针对吸波材料进行了大量研究。本文介绍了电磁波的不同吸收原理,包括磁损耗型、介电损耗型、电损耗型。综述了碳基、金属基、三元层状化合物以及陶瓷基吸波复合材料等常用耐高温吸波材料的最新研究进展。碳基材料(石墨、炭黑、石墨烯、碳纳米管等)多采用复合耐高温材料的方式发挥其吸波性能并解决高温氧化问题;金属氧化物材料(ZnO、MnO2、Fe3O4等)采取调整材料微结构的方式来增加界面极化损耗;三元层状化合物材料(主要为TisSiC2)主要配合AlO3、董青石等不同的热稳定性基体中使用,以此解决纯度以及高温氧化的问题。而陶瓷吸波材料因其出色的热稳定性成为在相对高温下研究最多的类别,本文总结了SiC二元以及SiCN、SiOC、SiBCN多元陶瓷吸波材料的最新研究进展,SiC二元吸波材料多采用元素掺杂及微结构调控的方式来提升吸波性能;SiCN三元吸波材料介电性能优异,目前的研究大多数采用复合磁性颗粒(Fe、Co、Ni)的方法;SiOC三元吸波材料成本低、导电性好,研究人员通过添加超高温陶瓷、BN等第二相组元方式来进一步发挥其吸波性能;而针对SiBCN四元吸波材料的吸波性能提升措施主要包括材料复合(高介电常数材料或者过渡金属)以及前驱体分子结构调整两种方式。最后本文从吸波频宽、耐温性能、多频谱兼容隐身等方面展望了耐高温吸波复合材料的发展趋势,旨在为未来新型吸波材料的发展提供新的研究思路。

超构透明吸波体的研究前沿与展望

摘要:吸波材料在电磁隐身技术中发挥着至关重要的作用. 与非透明材料相比, 透明材料实现电磁吸收面临更复杂和独特的挑战. 经典透明吸波体在光学透过率、厚度、电磁吸收带宽、倾角与极化稳定性等多项指标存在难以调和的矛盾. 随超构材料应用于透明吸波体, 上述核心性能指标得到显著改善, 从而促进了其在电磁隐身领域的实际应用. 本文针对超构透明吸波体研究工作进行了综述, 首先介绍了透明吸波体的光学透明与电磁隐身原理, 并对经典透明吸波体工作原理与局限进行分析与总结. 随后对超构材料改善透明吸波体在宽带电磁吸收、倾角与极化稳定性经典性能的研究进展与设计方法进行了总结. 为预示未来发展方向, 本文详细阐述了近年来透明吸波体在混合机制设计、多光谱设计、动态可调性能的技术原理与研究前沿, 并展望了新兴方向为透明吸波体带来的多机制、多功能、智能化的发展机遇.

面向未来的智能材料物质科学

摘要:智能材料自20世纪80年代以来逐渐兴起,成为材料科学的重要方向,催生了一系列重要的概念材料。近几年来,人工智能的长足进步促使人们对智能材料的内涵和外延进行深入的反思:智能的物质基础是什么?是否存在集成思考、响应、自复制等多重能力的智能物质?如何理解、设计、合成和改造智能物质?当前化学、生命、材料、信息科学等学科的高速发展为回答这些问题提供了极佳的契机。针对智能物质的系统研究,不仅将带来对智能的全新认识,还将对先进材料、合成细胞、生命起源等相关领域产生重要影响,在为科学界提供全新研究对象的同时,也将为解决国家重大需求带来变革性的突破。本文基于国家自然科学基金委员会第391期“双清论坛”,总结了智能材料的研究现状、发展趋势及机遇挑战,凝练出未来相关领域的重点研究内容和亟需解决的关键科学问题。

先进原子级刻蚀材料与关键工艺研究进展

摘要:长期以来半导体产业界都遵循着“摩尔定律”,晶体管尺寸不断微缩、工艺节点不断向前更新。刻蚀技术作为集成电路制造中图形转移的一个重要手段, 一直备受人们关注。目前,集成电路产业中先进制程已经进入3纳米级的工艺节点,需要刻蚀工艺有极高的精度和选择比。常规的反应离子刻蚀,由于连续刻蚀的滞后效应已不能满足要求。先进原子层刻蚀技术,因其反应过程的自限制特性,为实现纳米级尺寸和精度的器件制作工艺提供了一个可行的解决方案。本文针对国际先进原子层刻蚀材料、机制与工艺方面的进行综述,先说明了反应离子刻蚀目前遭遇的瓶颈以及对先进原子层刻蚀这一先进刻蚀技术的重要需求,讲述了原子层刻蚀的起源、概念、特点等内容,接着展开介绍了热原子层刻蚀和等离子原子层刻蚀这两种原子层刻蚀的实现方式,总结与阐述了能被原子层刻蚀加工的材料、工艺的最新研究进展, 最后对该技术进行了总结,讲述了其未来发展趋势,分析讨论了原子层刻蚀的机遇和挑战。

从团簇物理到原子级制造

摘要:原子级制造是人类制造技术向极微观深入发展的必然趋势,也是新一代制造体系中向极微观探索的核心方向。团簇作为物质中介于原子和固体之间的相对独立层次,是实现原子级制造的重要研究载体,团簇物理的基础研究,更是推动原子级制造从理论走向实践的关键支撑。从团簇物理研究出发,厘清原子级制造与传统制造的本质区别,探索团簇在材料创制、器件加工等领域的实际应用,能够为原子级制造的发展搭建完整的技术路径,推动这一前沿领域向产业化落地迈进。

力学超构材料的结构设计与增材制造的研究进展

摘要:力学超构材料可以被定义为一类结构材料,它前所未有的力学性能源自人工结构设计而非其组成材料。虽然宏观尺度和简单设计的结构可以通过传统的自上而下方式来制备,但许多不同尺度下的复杂设计仍然难以实现。增材制造(AM)的最新进展导致了许多新的超构材料理念的实现。AM方法能够制造具有高精度、极其复杂和高特征保真度的微尺度结构,使力学超构材料的快速发展成为可能,并大大降低了设计计算和实验验证周期。本文首先基于所需的力学性能详细地回顾了各种拓扑结构,包括刚度、强度和负泊松比超构材料,然后讨论了能够制造这些超构材料的AM技术。最后,我们讨论了目前面临的挑战,并提出了AM和力学超构材料的未来发展方向。

声学超材料和拓扑声子晶体研究进展

摘要:声学超材料和声子晶体是近30年发展起来的新型声学人工结构材料, 这类声学材料通常由“人工原子”构成, 具有天然材料所不具备的物理特性, 如负折射率、负有效参数等. 这些独特的物理特性为声振动的精确可控调制提供了新手段, 实现了许多有趣的物理现象, 如声隐身、隔声、声反常折射/反射、声自弯曲等. 目前, 声子晶体和声学超材料已发展出许多新的研究方向, 如非互易声学超材料、拓扑声子晶体等, 这类物理系统引起了研究人员的广泛关注, 成为近些年的研究热点. 本文回顾了声子晶体和声学超材料的研究历史和最新进展, 简要介绍了其中代表性的研究成果, 包括等效声学参数、拓扑声子晶体和声学超材料的非平庸特性等, 阐述了这类声学人工结构材料的设计方法和应用前景, 展望了该领域的未来发展方向.

纳米酶

摘要:纳米酶(Nanozymes)是由我国科学家首次提出的新概念,它是一类具有生物催化功能的纳米材料,能够基于特定的纳米结构催化天然酶的底物并作为酶的代替品。自2007年首次报道以来,全球已有来自于55个国家的420多个研究机构证实了纳米酶的普遍规律。纳米酶的发现第一次揭示纳米材料蕴含一种独特的纳米效应——类酶催化效应。纳米酶作为一种新材料,既有纳米材料本身的理化性质,又有类似酶的催化功能,兼具天然酶与人工酶的优势于一身。其中,纳米结构不仅赋予纳米酶高效催化功能,而且使纳米酶比天然酶稳定,易于规模化生产。另外,纳米酶独特的多酶活性将为设计廉价、稳定、各种各样全新的催化级联反应提供功能分子。纳米酶是多学科交叉融合的典范, 2022年被IUPAC评为十大化学新兴技术。在全球从事化学、酶学、材料学、生物学、医学、理论计算等多领域科学家的共同推进下,如今纳米酶已经成为新的研究热点。我国科学家在这一新兴领域一直发挥着引领作用,解析了纳米酶的构-效关系,将其催化活性提高了约1万倍,实现了超越天然酶的理性设计,创造了全球首个纳米酶产品,出版了纳米酶学英文专著,发布纳米酶术语及中国/国际标准化。更可喜的是,纳米酶新领域汇集了一大批多学科交叉融合的优秀青年科学家,推动纳米酶进入高速发展阶段,纳米酶的种类已经超过1200多种,其催化机制研究也更加深入,应用研究也从当初的检测逐步拓展到纳米酶催化医学、传感检测、绿色合成、新能源、环境治理等多个领域。本文向读者介绍纳米酶自发现以来的主要进展,包括最近发现的天然纳米酶,期待纳米酶从新概念、新材料衍生出新技术、新产品、新商品,服务人类健康,并带动新学科发展。

电子材料新奇物性研究中的关键科学问题

摘要:基于国家自然科学基金委员会第298期“双清论坛”,本文介绍了5d电子相关材料的新奇物性以及相关材料体系的研究意义,从理论、制备、表征、器件四个主要方向回顾了这一研究领域的研究现状以及面临的主要挑战,并进一步提出了亟需关注和解决的重要基础科学问题和重点研究方向。