固体氧化物燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的清洁、高效的能量转化器件。传统的金属陶瓷阳极材料存在碳沉积、硫中毒和氧化还原循环稳定性差等缺点，限制了其商业化应用。为了改善金属陶瓷阳极在实际应用中遇到的问题，近年来混合电子-离子导体的钙钛矿陶瓷阳极得到了长足的发展。其中，结构组成为Sr₂Fe_1.5Mo_0.5O_6-δ的阳极材料具有较好的稳定性、较高的电导率、合适的热膨胀系数和优异的电化学性能，因而被广泛研究，特别是元素掺杂。本工作根据钙钛矿ABO₃可掺杂的位置，分别从A位、B位和O位掺杂进行讨论，总结了各元素掺杂和掺杂量对Sr₂Fe_1.5Mo_0.5O_6-δ的容忍因子、晶体结构、稳定性、电导率、热膨胀系数和电化学性能等的影响。这些掺杂策略为改性Sr₂Fe_1.5Mo_0.5O_6-δ钙钛矿阳极提供了新颖的思路，此思路也可用于改性其他同类钙钛矿阳极材料。最后总结了Sr₂Fe_1.5Mo_0.5O_6-δ和典型钙钛矿陶瓷阳极材料的发展方向：一方面可通过阴离子掺杂和共掺杂策略进一步提高钙钛矿陶瓷阳极材料的性能；另一方面可采用密度泛函理论进一步阐明元素掺杂的作用机制。

MXene是一类新兴二维（2D）结构的过渡金属碳/氮化物材料，具有独特的层状结构、亲水性、高导电性和催化活性等特点，在水处理领域受到越来越多的关注。首先介绍了MXene及其合成方法，综述了MXene在吸附、光催化和膜分离等方面的应用。其次讨论了MXene的结构调控、表面改性以及复合等对MXene吸附性能的影响机制和有效异质结的形成、活性晶面的暴露以及贵金属沉积等对MXene基光催化剂催化性能的影响机制；详述了构建高效分离污染物、淡化海水的MXene基分离膜的方法。最后归纳并分析了目前MXene在水处理领域应用中存在的问题，对如何设计性能优异的MXene基水处理材料提出了展望。

碳纳米管（CNTs）作为纳米材料研究中的一个重要发现，自其诞生以来就成为碳材料领域的研究热点之一。金属有机框架（MOFs）凭借其独特的多孔结构，近年来在各领域的应用已经成为研究前沿之一。随着材料科学的不断发展，对具有不同功能特性材料的复合技术研究，已经成为解决材料应用领域中关键问题的主要方法。而碳纳米管和金属有机框架作为目前材料领域两类十分重要的纳米材料，通过复合技术将碳纳米管的高导电特性和金属有机框架材料的高比表面积、丰富孔道分布特性相结合是研究与应用的必然趋势。本文综述了近年来金属有机框架和碳纳米管的主要复合形式和制备方法，整理了复合材料在超级电容器、锂电池、催化、吸附等领域的最新研究进展，对两种材料性能的协同提升方面进行了讨论和总结，并指出CNTs与MOFs材料的复合以及CNTs的生长分布具有很高的随机性，对其实现进一步控制是未来的技术研究重点。

铝和铝合金是用途十分广泛的金属材料，当其作为设备表面置于零度以下工作时，设备表面的防冰保护对其安全运行具有重要意义。本文综述了两种类型的铝基防冰表面：超疏水型和有机润滑型。首先介绍了铝基表面微纳米结构的制备方法及其表面的低能化，并总结其优缺点。然后阐述了铝基表面防冰性能的表征手段，包括水滴延迟结冰和冰黏附强度，通过表征可判断不同铝基表面防冰性能的差异。最后提出铝基防冰表面未来的研究应聚焦于铝基表面的耐磨性及结冰/除冰循环下表面防冰的可持续性。

以超级电容器的电极材料制备、性质研究及对组装非对称超级电容器的性能研究为核心内容，提高超级电容器电化学性能为主要目的，采用原位聚合法制备羧基化多壁碳纳米管（PI-MWCNTs）接枝的聚酰亚胺溶液，将其作为氮掺杂碳的前驱体，实现复合物在碳布表面的生长，并作为电极材料。以二氧化锰-碳布（MnO₂-CC）为正极，多壁碳纳米管接枝的聚酰亚胺-碳布为负极（PI-MWCNTs-CC），构建非对称超级电容器。采用扫描电子显微镜、拉曼光谱、X射线衍射、比表面积及孔径测试、循环伏安、恒电流充放电及电化学阻抗谱对电极材料的结构和电化学性能进行表征。结果表明：当扫描速率为20 mV/s时，非对称电容器的电势窗口可增至1.3 V，其体积比容量为1.80 F/cm³；当功率密度为14.08 mW/cm³时，能量密度可达到0.423 mWh/cm³。

为了充分利用纳米纤维膜的多孔特性，同时克服其低机械强度的缺陷，以聚丙烯腈（PAN）为主要原料，采用静电纺丝法在石墨电极表面制备PAN纳米纤维膜，形成隔膜-电极一体化结构单元（SAA），并对SAA的孔道结构、力学性能、电解液性能、热尺寸稳定性及电池性能进行系统研究。结果表明：SAA中PAN隔膜与石墨电极的粗糙表面结合紧密，PAN隔膜呈现出发达的孔道结构，电解液亲和性良好；在150℃热处理0.5 h，SAA表面隔膜的热收缩率小于2%，显著优于市售聚烯烃隔膜。基于良好的理化特性，SAA装配的钴酸锂全电池表现出优异的循环容量和倍率容量保持性，如在0.2 C下，经历200次循环后电池的放电容量保持率为98%，在32 C下电池的放电容量为0.5 C下的44.3%。因此，电极表面直接制备纳米纤维膜可形成完整的隔膜-电极一体化单元，在充分发挥纳米纤维膜优势的同时，可优化电极与隔膜的界面相容性、改善电池的充放电性能，并能够提高电池的装配效率。

富锂锰基正极材料作为极具潜力的下一代锂离子动力电池正极材料，在不同温度下电化学性能表现出很大差异，严重限制了其在实际环境中的应用。采用多种电化学测试表征了富锂锰基材料在5~45℃温度范围内电化学性能的差异，从极化的角度分析了材料性能与温度依赖关系的影响因素。结果表明：富锂锰基材料的充放电容量随着温度的降低而降低，主要源于高电压和低电压区间内氧/锰离子反应随温度降低极化显著增大，造成其贡献的容量显著降低。这主要是因为氧/锰离子本征动力学性能差使电荷转移过程具有较高的表观活化能。此外，氧/锰离子参与电荷补偿反应使材料结构发生较大变化，一方面诱发界面膜成分发生变化，增加了低电压区间界面锂离子传输表观活化能，另一方面造成充放电末期锂离子固相扩散具有较高的表观活化能。因此，改善富锂锰基材料氧/锰离子反应动力学是提高其环境适应性的主要措施。

钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells，PSCs）因其制备简单、光电转化效率较高等优点而备受关注。静电纺碳纳米纤维膜（carbon nanofiber films，CNFs）具有高比表面积、良好的电学性能和化学稳定性，但其脆性限制了它的应用。利用静电纺丝法结合水热法制备柔性导电Ag/ZrO₂/C复合纳米纤维膜，然后将其应用于PSCs的对电极，研究不同Ag纳米颗粒添加量对柔性复合纳米纤维膜和电池的性能影响。结果表明：当银前驱体溶液质量浓度从0 g/mL增加至0.030 g/mL时，Ag/ZrO₂/C复合纳米纤维表面的Ag纳米颗粒的包覆越来越好，薄膜显示良好的柔韧性，其抗弯弹性模量为0.479 MPa，电导率从866 S/m增加到4862 S/m，提高了薄膜的空穴电子传输能力，进而增强PSCs的性能。当溶液质量浓度为0.030 g/mL时，器件具备最优的光电转换效率（6.05%）和最大电流（18.44 mA/cm²）。

采用放电等离子扩散连接方法，实现了TiAl/Ti₂AlNb合金扩散连接，对焊后的接头进行不同温度的热处理，分析热处理后接头显微组织，并检测接头抗拉强度和显微硬度。结果表明：热处理后Ti₂AlNb母材、TiAl母材和界面处显微形貌无明显变化；Ti₂AlNb热影响区发生B2相向O相转变，由于针状O相的析出，热影响区的显微硬度较焊态显著增加。随着热处理温度的升高，Ti₂AlNb热影响区的显微硬度逐渐减小，接头的室温抗拉强度逐渐增加。当热处理温度为900℃时，接头抗拉强度最大为376 MPa。热处理后接头的断裂方式为脆性断裂。

近β钛合金的等温相转变具有多样性和复杂性的特点，对温度敏感性强，直接影响其时效后的力学性能。本工作所用合金为自主研发的Ti-Al-V-Mo-Cr-Zr-Fe-Nb超高强β钛合金，采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、硬度计等分析表征手段对等温处理后合金的微观组织演变及力学性能进行系统研究。结果表明，合金300℃时效时只析出等温ω相，等温ω相随时效时间的延长发生长大。合金400℃时效时先析出等温ω相，随着时效时间的延长，α相依附于ω/β界面处形核。合金500℃时效时无ω相析出，针状α相直接从β基体中析出，呈"V"字形均匀分布在β基体中。400℃时效12 h时抗拉强度为1716.1 MPa，伸长率为2%。500℃时效12 h时抗拉强度为1439.8 MPa，伸长率为9.84%，具有良好的强塑性匹配。

利用XRD技术对静态压缩和高速压缩高锰相变诱发塑性（TRIP）钢中γ（奥氏体）、ε-M （六方马氏体）和α'-M （体心马氏体）的体积分数进行计算，以确定应变速率对γ→ε-M和ε-M→α'-M相变动力学特征的影响。利用EBSD技术和相变晶体学计算对高速压缩样品中的γ→ε-M和ε-M→α'-M相变取向依赖性进行分析。结果表明：应变速率对γ→ε-M和ε-M→α'-M相变具有不同的影响。与静态压缩相比，高速压缩使得γ→ε-M相变被抑制、ε-M→α'-M相变被促进，这是由于两阶段相变分别受层错能和应力的影响较大。高应变速率使得变形初期的马氏体相变速率显著提高。高速压缩变形样品仍具有马氏体相变取向依赖性，这取决于不同取向γ晶粒内相变机械功的大小。γ→ε-M相变难易与ε-M的相变机械功有关；ε-M→α'-M相变难易则同时取决于ε-M和α'-M的相变机械功。

利用不同硬度Grade 91钢试件的持久强度数据研究该钢硬度与持久强度和最大许用应力的相关性。结果表明，采用系列硬度试件所做确定温度和外力下的持久实验同时存在性能高估和低估现象，将这些数据综合在一起预测/外推钢的持久强度与实际值差距较大，利用由此确定的10⁵ h持久强度计算得到的最大许用应力对应用产生不完全符合实际的影响。同时研究得到Grade 91钢在确定温度下满足最大许用应力的硬度下限的确定方法：对于硬度在201（205） HBW及其以上的Grade 91钢部件，在575（600）℃及其以下温度运行时可满足ASME BPVC 2019版规范对Type 1和Type 2型材料最大许用应力的要求；硬度在204HBW及其以上的Grade 91钢部件在575℃及其以下温度运行时可满足ASME BPVC 2017版规范对壁厚大于75 mm部件最大许用应力的要求。因此，在已有硬度范围规定（ASME BPVC 2017-2019对Grade 91钢：190~250HBW）的情况下，下调最大许用应力的ASME BPVC 2019新规范给现有硬度范围下限的实施带来一定困难，即满足该硬度下限要求却不能满足最大许用应力要求。为解决这一问题未来有必要上调硬度下限值。此外，研究了Grade 91钢运行/剩余寿命评估算法中利用短时实验数据外延10⁵ h持久强度的函数优化。结果表明，现用算法采用幂函数拟合存在性能高估现象，若采用对数函数将不同硬度试件的持久数据分开拟合则可明显提高与实验数据的吻合性；在此基础上研究所得已知运行条件下部件厚度-硬度-运行/剩余寿命的关系将安全性评估的技术参数融为一体，可体现该方法的适用性、可靠性和直观性。以上研究结果可供相关标准修订和工业实际应用参考。

以固溶少量Al的Ti₃SiC₂粉体为原料，采用热压烧结工艺制备出致密度大于99%的Ti₃SiC₂陶瓷块体材料，其硬度、抗弯强度和断裂韧度分别为775HV，520.46 MPa和7.62 MPa·m^1/2。对Ti₃SiC₂块体在无冷却条件下进行抗氧乙炔焰烧蚀实验，结果表明：烧蚀10 s内Ti₃SiC₂陶瓷保持表面平整，烧蚀25 s内样品未出现宏观裂纹。SEM和XRD观察分析表明，Ti₃SiC₂陶瓷在高温乙炔焰和氧气的高热流冲击作用下，表面发生分解和氧化，Si和C被氧化为Si-O化物和C-O化物气体逸出，Ti元素被氧化成高温稳定的TiO₂金红石相覆盖在表面；氧化层呈3层结构分布，最外层为结构疏松的TiO₂，次表层则为TiO₂和Al₂TiO₅组成的致密复合层，内氧化层为致密Al₂O₃富集层，Al₂O₃来源于固溶在原料Ti₃SiC₂中Al元素的氧化，并在高温下与TiO₂反应生成了Al₂TiO₅。具有高黏度和高熔点的Al₂O₃富集层可以有效阻碍O₂和热流向基体的扩散，从而降低基体的氧化速率，提高Ti₃SiC₂材料的抗烧蚀性能。

通过化学气相渗透和前驱体浸渍裂解复合工艺对三向碳纤维织物进行致密化，获得密度为1.95 g/cm³的高导热3D C/C复合材料。利用SEM，XRD，导热系数测试，线膨胀系数测试和三点弯曲实验，研究2350，2550，2850℃不同热处理温度对3D C/C复合材料微观形貌、结构、导热系数、线膨胀系数和弯曲性能的影响。结果表明：随着热处理温度的升高，中间相沥青基碳纤维石墨片层结构更加明显，均匀包裹在碳纤维周围的热解碳片层排列的有序度提高，且片层之间排列更加致密；3D C/C复合材料的石墨化度和导热系数提高；在测试温度250~1400℃区间，线膨胀系数随着测试温度的升高略微增大，不同热处理温度后的3D C/C复合材料线膨胀系数均在-1×10^-6~2×10^-6℃^-1，表现出良好的"零膨胀性"。此外，当热处理温度升高，3D C/C复合材料的碳纤维与基体的结合减弱，导致材料的弯曲强度和弯曲模量降低，2850℃高温热处理后的材料弯曲断裂面出现大量长纤维拔出，总体来说，3种不同热处理温度后的断裂均表现出"假塑性"断裂特征。

以PIP方法制备界面层、CVI工艺制备基体，制备以Si-C-N陶瓷为基体、以莫来石为界面的碳纤维增强陶瓷基复合材料（C/mullite/Si-C-N）。采用热膨胀仪和激光导热仪分别测试C/mullite/Si-C-N的热膨胀性能和热扩散性能，采用SEM和XRD分析材料的组织和形貌，采用DSC/TG同步分析仪分析基体材料的结构变化。结果表明：在25~1200℃范围内，C/mullite/Si-C-N复合材料的平均热膨胀率为1.58×10^-6℃^-1，线膨胀率为0.18%。复合材料的热扩散率与温度呈指数下降关系，这种指数关系是由基体的非晶结构造成的。热处理后的C/mullite/Si-C-N相对于未热处理的试样室温下的热扩散率显著下降，300℃以上的高温区段则略有升高，其在1000℃以下结构稳定，能满足工程应用需求。

温度曲线是复合材料热压罐成型的重要工艺参数，对成型时间和构件的固化质量有着直接影响。对温度曲线进行合理的优化设计，可以实现对固化时间与固化质量的协同控制。本工作基于复合材料固化成型模拟计算方法，针对复合材料C形构件开展固化成型的数值预测，预测结果与实验测试结果吻合较好，验证了计算方法的合理性；在此基础上，考虑成型时间与固化质量的协同控制，采用实验设计（DOE）与粒子群算法集成的优化策略开展复合材料C形构件的固化温度曲线优化设计，并对优化结果进行实验验证。结果显示通过温度曲线优化设计，在满足固化均匀性、固化程度与固化变形约束的同时，可以有效减少成型时间，两个优化算例的成型时间分别减少了64%和45%。

以钢渣为原料合成了磷酸根型水滑石（P-LDHs），并用十二烷基硫酸钠（SDS）插层P-LDHs得到改性水滑石（SDS-P-LDHs）。分别将P-LDHs，SDS-P-LDHs和膨胀石墨、EVA共混，发泡得到EVA复合发泡材料。利用XRD，XRF，FT-IR，SEM，TEM对P-LDHs和SDS-P-LDHs的形貌结构进行表征。结合极限氧指数（LOI），垂直燃烧（UL-94），SEM，TG，拉伸强度、断裂伸长率等测试，讨论了P-LDHs和SDS-P-LDHs用量对EVA复合发泡材料的阻燃性能和力学性能的影响。结果表明，P-LDHs和SDS-P-LDHs的加入显著提高了EVA复合发泡材料的阻燃性能，可起到良好的成炭作用。相比P-LDHs，SDS-P-LDHs与EVA基体相容性更好，当SDS-P-LDHs添加量为30%（质量分数）时，LOI达到27.5%，UL-94达到V-0级别，拉伸强度和断裂伸长率分别为2.27 MPa和251%，体系综合性能达到最佳。

利用聚醚P123对双金属材料Fe-Zr进行改性合成介孔材料Fe-Zr （P），再利用四乙烯五胺（TETA）对Fe-Zr （P）进行功能化制得TEPA （n）/Fe-Zr （P）。采用X射线衍射、X射线光电子能谱、红外光谱、N₂吸附-脱附、热重分析等技术对材料结构和热稳定性进行表征，并对CO₂吸附性能进行测试。结果表明：P123存在于载体孔道内部；利用TETA对Fe-Zr （P）进行功能化，通过N与Zr配位，从而固载于Fe-Zr （P）表面；温度低于182℃时，TEPA （n）/Fe-Zr （P）保持稳定；TEPA （n）/Fe-Zr （P）中羟基和氨基同时与CO₂反应，产生化学吸附，从而提高化学吸附量和N利用率；TEPA质量分数为30%，温度为75℃，气体流速为10 mL/min时，TEPA （30）/Fe-Zr （P）的吸附量可达211.3 mg/g，N利用率为62.7%。循环20次，CO₂吸附量保持稳定。

具有特殊润湿性材料的应用是近年来研究的热点。疏水改性的Bi₂O₃涂层在紫外-可见光光照和暗室存储的条件下可以实现超疏水-超亲水的可逆转换，本工作研究了在不同润湿性条件下Bi₂O₃涂层在抗菌和油水分离中的应用。结果表明，超疏水表面对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有良好的抗细菌黏附作用，而超亲水表面则表现出选择性的抗菌活性。在油水分离方面，超疏水表面可以阻隔水，使油通过滤网，分离效率达93%以上，而超亲水表面在预润湿处理后可以阻隔油，使水通过滤网。因而具有可逆润湿性Bi₂O₃涂层可作为一种智能的抗菌油水分离膜材料，在油水分离领域具有潜在的应用前景。