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膜电极（membrane electrode assembly，MEA）是质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）的核心部件，为PEMFC提供了多相物质传递的微通道和电化学反应场所。为了实现燃料电池商业化目标，需要制备高功率密度、低Pt载量、耐久性好的MEA。在MEA中除了催化剂以外，各功能层结构、层与层之间的界面都对MEA的性能具有重要影响。传统方法（CCS法和CCM法）制备的MEA在结构上有很多缺陷，明显制约了Pt的利用率和系统传质能力。通过优化各功能层结构消除缺陷，将有利于进一步提升PEMFC综合性能。本文从传统MEA结构存在的问题出发，梳理了近年来关于催化层、质子交换膜和气体扩散层结构优化方面的文献，归纳总结了各先进结构的制备方法、构效关系以及优缺点，对未来高性能、低成本和长寿命的MEA的开发具有指导意义。
类石墨烯氮化碳具有与石墨烯非常相似的结构特征，已在光催化、润滑等领域表现出极优越的性能，成为二维纳米功能材料领域的新热点。本文重点介绍了基于微波辐照合成类石墨烯氮化碳的研究进展，并通过与氧化刻蚀、液相超声剥离、热聚合等传统合成方法的比较，分析了微波合成在制备效率、效果上的优势；并指出采用高功率微波设备和石墨粉、短切碳纤维等对微波具有强烈响应的微波吸收剂，通过增强能量传递与吸收效率，强化微波电磁场环境下合成反应的非稳态程度，有助于提高合成效率、效果，并获取得到特殊形态、结构的新产物。
利用国产三代SiC纤维通过化学气相渗透工艺（CVI）制备不同界面厚度和基体体积分数的SiC纤维束复合材料，并对其拉伸力学行为进行研究；同时，通过有限元方法研究界面厚度和基体体积分数对SiC纤维束复合材料热残余应力的影响。有限元分析结果表明：该纤维束复合材料的界面存在较为明显的径向和环向热残余应力，而且这两种应力均随着界面厚度增加而减小，随着基体体积分数的增加而增加。拉伸实验结果表明：随着界面厚度增加SiC纤维束复合材料的拉伸强度有增大趋势，且纤维拔出长度也相应增加；但在界面厚度相同的情况下，过高的基体体积分数将导致复合材料拉伸强度和韧性下降。
静电纺丝纤维膜因为具有高孔隙率、大的比表面积和良好的电解液润湿性而被广泛地应用于锂离子电池隔膜的研究，但对于锂离子电池安全性能至关重要的隔膜穿刺强度的研究还比较匮乏。本工作采用静电纺丝技术制备得到PPESK纤维膜，并采用热处理提高纤维膜的力学性能，然后通过穿刺实验测得一系列不同厚度热处理PPESK纤维膜的穿刺强度，并建立起穿刺强度与纤维膜厚度之间的线性关系。通过对穿刺破坏区域的微观分析，探究热处理PPESK纤维膜穿刺破坏机理，结果表明：各向同性的热处理PPESK纤维膜穿刺过程是由纤维受挤压产生弯曲、变形和断裂造成的破坏，破坏区域呈近似圆形穿刺孔，而PP微孔膜的破坏区域则是由脆性断裂造成的长条形裂缝，相比之下热处理PPESK纤维膜的穿刺破坏过程更加缓和，可以降低锂枝晶刺穿隔膜带来的风险，但是热处理PPESK纤维膜的穿刺强度还有待增强。
选择K49和F-Ⅲ两种芳纶纤维及其5224A环氧树脂基复合材料为研究对象，以单丝拉伸强度、FTIR、DSC、SEM、复合材料力学性能和介电性能作为表征手段，研究太阳辐照对芳纶纤维的结构性能以及芳纶/环氧复合材料的结构透波性能的影响作用。结果表明：K49在辐照过程中表现出显著的自我屏蔽效应，400h的强度保持率为82%，F-Ⅲ未观察到明显的自我屏蔽效应，强度保持率为50%。辐照前后的FTIR，XPS，DSC，SEM结果证明纤维表层出现了降解，氢键破坏与结晶度下降是引起纤维性能下降的主要原因。太阳辐照前后复合材料的性能测试结果证明辐照对材料的性能无明显影响，辐照后复合材料的弯曲、层间剪切和介电性能基本无变化，拉伸强度略有升高，压缩强度轻微下降，K49/5224A的压缩强度下降了11.8%，F-Ⅲ/5224A的压缩强度下降了6.6%，这主要是由于太阳辐照老化仅引起复合材料表面树脂基体轻微降解所造成的。
将二维蒙脱土和零维纳米TiO2共同复合到环氧树脂中，成功地制备出一种高性能有机蒙脱土/纳米TiO2/环氧树脂复合材料。力学性能测试和热分析显示，该复合材料在拉伸模量、拉伸强度、弯曲模量、弯曲强度、缺口冲击强度、玻璃化转变温度、热分解温度上都明显优于纯环氧树脂，也优于有机蒙脱土/环氧树脂复合材料和纳米TiO2/环氧树脂复合材料。XRD检测和透射电子显微镜观察显示，在有机蒙脱土/纳米TiO2/环氧树脂复合材料中，蒙脱土被完全剥离为纳米单片，和纳米TiO2交错分布于环氧树脂中。选择适宜的两种维度的纳米材料复合于聚合物中，是制备新型高性能复合材料的成功思路。
利用高压均质液相剥离法，以鳞片石墨为原料，水为介质，制备高浓度石墨烯水分散液。采用紫外可见光谱研究表明活性剂浓度、高压均质压力和循环次数对石墨烯水分散液浓度CG的影响。通过拉曼光谱、扫描电镜、透射电镜、激光粒度仪分析水分散液中石墨烯的结构和形貌。结果表明：通过调节各工艺参数，获得了浓度为324.3mg·L-1的石墨烯水分散液，所得浓度是超声液相剥离法的10倍；石墨烯水分散液中石墨烯缺陷少、厚度薄、片径大，具有良好的品质；将所得石墨烯分散液制备石墨烯自支撑膜，其电导率可达3.2×104S·m-1。
石墨烯与金属间过高的接触电阻严重影响了其在微纳电子领域的应用，B掺杂可以有效降低石墨烯的接触电阻。利用第一性原理研究了不同浓度B掺杂对石墨烯吸附多层Au原子的影响。首先计算了不同浓度B掺杂石墨烯的结合能，验证了掺杂石墨烯的稳定性；然后对掺杂石墨烯进行了结构优化并在其表面置入多层Au原子，计算了吸附模型的吸附能、赝能隙、局部态密度、电荷密度分布和电荷转移量。B掺杂浓度分别为1.39%，4.17%，6.94%，9.72%，12.50%和15.28%。结果表明：随着B掺杂浓度的提高，石墨烯吸附多层Au原子体系的赝能隙变宽，吸附能增加，结构稳定性得到提升；B原子与Au原子间杂化作用明显，具有较高的电荷密度和电荷转移量，可有效地降低石墨烯与多层Au原子间的接触电阻；但掺杂浓度为15.28%时，由于浓度过高吸附模型中石墨烯几何结构变形过大。
采用一步水热法制备尖晶石型钴酸锌（ZnCo2O4）及钴酸锌/石墨烯（ZnCo2O4/rGO）复合材料，通过XRD，SEM和RST5000电化学工作站对材料的组分、表面形貌及电化学性能进行表征。通过改变水热温度，制备出具有辐射状花簇团结构、褶皱片层结构和表面光滑的球体结构的ZnCo2O4电极材料。结果表明：加入石墨烯后，ZnCo2O4呈规则的多边形结构，附着在石墨烯片上，两者的协同作用可有效改善电极材料的电化学性能；钴酸锌与氧化石墨烯的质量比为6：1时得到的ZnCo2O4/rGO复合材料的比电容为205F/g，比纯ZnCo2O4的比电容提升了约114%。
采用真空熔炼与固溶相结合的方法获得原子分数为Ni30-xFexMn70（x=0，10，20）的前驱体合金，通过脱合金化方法制备纳米多孔Ni及Ni-Fe合金，采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）分析合金相组成和微观结构，运用线性扫描伏安法、交流阻抗、方波电位法及计时电位法研究电极的析氢电催化性能。结果表明：加入Fe获得了片状结构的纳米多孔Ni-Fe合金，提高了纳米多孔Ni的表面积，且Fe与Ni产生协同效应，能够有效提高合金的析氢电催化活性。当Fe含量为10%（原子分数）时，脱合金化得到的纳米多孔Ni-Fe合金表面积最大，析氢电催化性能最好，在0.1A/cm2电流密度下，析氢过电位仅56mV，经10h连续电解，表现出良好的电催化活性和电化学稳定性。
采用多醇热解法制备3种不同粒径的超顺磁性氧化铁纳米粒子（SPIONs），合成的SPIONs含Fe3O4晶相，分散性好，平均粒径分别为8.7，12.6nm和15.3nm，且在300K下，3种SPIONs均呈超顺磁性。将不同粒径、不同浓度的SPIONs水分散液置于频率为425kHz、磁场强度为5.3kA·m-1的交变磁场（ACMF）中进行升温实验。探讨比能量吸收率值与SPIONs粒径之间的关系，计算布朗弛豫时间及尼尔弛豫时间。结果表明：SPIONs水分散液的升温速率随SPIONs的粒径增大而增大，初始温度为20℃时，粒径为8.7，12.6nm和15.3nm的SPIONs水分散液（2mg·mL-1）在480s内温度分别升高了25，27，35℃。尼尔弛豫时间比布朗弛豫时间小，说明磁热效应主要来自于尼尔弛豫损耗。SPIONs粒径越大，比能量吸收率SAR值越高，最高可达810W·g-1，且SAR值与SPIONs水分散液的浓度呈负相关关系。
采用共沉淀法和溶胶-凝胶法制备了纳米Ni0.5Zn0.5Fe2O4粉体。通过X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、矢量网络分析（VNA）等方法对4种不同添加比例的样品进行微观结构和电磁性能表征。结果表明：通过650℃煅烧，在4种添加比例下都得到了纯Ni0.5Zn0.5Fe2O4。制备的Ni0.5Zn0.5Fe2O4为球形，随着共沉淀过程中添加比例的增加，粒径先减小后增大，添加比例为60%时粒径最小，平均粒径约为44nm。在2~12.4GHz时，材料厚度越大，Ni0.5Zn0.5Fe2O4有效吸波频带越接近低频波段，且最大吸波强度达到-24.94dB。当添加比例为60%时，Ni0.5Zn0.5Fe2O4有效吸波频段为5.0~9.9GHz，有效吸波频带最宽，微波吸收性能最佳。
采用多次阳极氧化技术，在金属钛表面制备（001）晶面族择优生长的TiO2纳米管阵列，研究电解液成分对锐钛矿TiO2不同晶面相对比例的影响并考察其生物学活性。采用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等方法分析纳米管阵列的形貌特征和晶体结构，通过生物矿化CaP盐的沉积和蛋白吸附实验评价样品晶面对生物活性的影响。结果表明：通过改变电解液中H2O的含量，能够便捷调控锐钛矿TiO2纳米管中不同晶面的相对比例。当H2O含量为2%（体积分数）时，制备得到的TiO2纳米管阵列（004）晶面的织构系数Tc（004）可达4.76。而具有（001）优势晶面族的TiO2纳米管，在类人体环境中能够为生物矿化和蛋白吸附提供更多的活性位点，加速羟基磷灰石的沉积并增加蛋白吸附量，表现出更优异的生物学活性。
采用溶胶-凝胶法制备铜掺杂的纳米二氧化钛颗粒。应用X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、扫描透射电子显微镜（STEM）、X射线光电子能谱（XPS）和紫外-可见分光光度计（UV-Vis）技术对纳米二氧化钛颗粒的物相组成、平均晶粒尺寸、微观结构、化学态及光吸收性能进行表征。结果表明：Cu掺杂抑制TiO2的相变，在650℃时Cu的氧化物CuO在TiO2颗粒表面出现，掺杂的Cu离子以Cu+的形式存在。掺杂Cu的TiO2光吸收带边显著红移，随着Cu掺杂量的提高，样品光吸收度提高，随着温度的升高，样品紫外-可见光光谱吸收带边红移。
采用Gleeble-3500型热模拟试验机对Ti-2.7Cu合金进行等温恒应变速率压缩实验，研究其在变形温度740~890℃，应变速率0.001~10s-1范围内的热变形行为；并在Arrhenius型双曲正弦函数方程基础上引入应变量构建了基于应变补偿的本构模型，同时构建了基于PSO-BP神经网络的本构关系模型。结果表明：合金的流变应力对变形温度和应变速率较为敏感，变形温度升高和应变速率减小都会使流变应力降低；在高温和低应变速率条件下，流变曲线大多呈现稳态流动特征。经过误差计算得出，基于应变补偿的本构模型，预测值偏差在15%以内的数据点占85.28%；采用PSO-BP神经网络建立的本构模型，预测值偏差在15%以内的数据点占96.67%，PSO-BP神经网络模型具有更高的精度，能准确预测Ti-2.7Cu合金的高温流变应力。
选取定向凝固镍基高温合金DZ444不同方向片状试样，利用电子背散射衍射等技术表征晶体取向和微观组织，利用脉冲回波技术分析纵波声速和声衰减系数。结果表明：两声学特性呈各向异性，随着试样平面法向与凝固方向之间夹角φ由0°到45°再到90°，纵波声速由5533m/s增大到6595m/s后又降至5634m/s，而声衰减系数逐渐增大，变化约0.19dB/mm；对信号频谱分析发现，表面回波与一次底波的主频差值、主频幅值差值及表观积分反射系数均逐渐增大，这主要是由微观组织和晶体取向差异造成的。
针对传统颗粒增强复合材料韧性较差的问题，以WC/H13为增强区材料，Inconel625为韧化区材料，采用激光熔覆的方法制备空间夹层分布的结构韧化复合材料。借助光学显微镜、超景深三维显微镜、扫描电子显微镜分析复合材料及其冲击断口的微观结构与组织，利用夏比冲击试验机、摩擦磨损试验机研究复合材料的冲击韧性与磨损性能。结果表明：增强区为20%（体积分数，下同）WC/H13复合材料，以WC颗粒和反应生成的碳化物M6C为主要增强相；韧化区为Inconel625合金，主要组织为柱状晶、树枝晶和沉淀相。Inconel625平均硬度为230.5HV，WC/H13硬度由强韧界面向中心区域逐渐升高到402HV。结构韧化复合材料的平均冲击功为13.8J/cm2，是传统10% WC/H13复合材料的5.5倍。在室温干滑动磨损条件下，结构韧化复合材料的耐磨性达到传统10% WC/H13复合材料相同水平，是淬火态H13钢的5倍，结构韧化复合材料的平均摩擦因数为传统10% WC/H13复合材料的81%，淬火态H13钢的80%，具有良好的减摩效果与耐磨性。结构韧化可以在保证优异耐磨性的同时，大幅度提高颗粒增强复合材料的冲击韧性。
对双辊铸轧3003铝合金板材进行了3种预处理退火，研究不同预处理工艺下的冷轧板材在380~500℃退火时晶粒组织和再结晶织构的变化规律。结果表明：最优化预处理工艺为610℃/12h+460℃/12h，高温阶段第二相尺寸发生粗化，低温阶段基体中Mn的过饱和固溶度显著降低，两者均有利于提高后续退火时的再结晶形核率。500℃退火时，在粗大第二相的附近产生了粒子诱发形核机制，降低了再结晶织构强度；并且退火时几乎不存在析出，析出相对再结晶形核的抑制作用甚微，从而得到了晶粒细小、织构弱的再结晶组织。
基于自冲铆接技术研究TA1工业纯钛（TA1）与1420铝锂合金（AL1420）异质薄板组合的可铆性，并采用硬度≥ 44HRC和≥ 46HRC的铆钉分别制备TA1/AL1420（TAF），AL1420/TA1（ATF）和TA1/AL1420（TAS）3组接头。在拉伸-剪切实验的基础上进行了高周疲劳实验，拟合出各组接头的F-N曲线，进一步利用电子扫描显微镜和能谱仪分析了各组接头的微动磨损机理。结果表明：ATF接头的疲劳强度相对较优，TAS接头则在中高载荷水平下优于TAF接头；各组接头的疲劳失效均始于微动磨损区域，微动磨损导致疲劳裂纹的萌生；微动磨屑现象的剧烈程度是影响疲劳强度的重要因素。在不同疲劳载荷水平下，发生剧烈微动磨损的区域不同，使得疲劳裂纹的萌生区域存在差异，最终导致同种接头出现不同的失效模式。
为了研究多重结构对铝基复合材料力学性能的影响，将气雾化态Al2024合金粉末与球磨不同时间的Ti-10%（质量分数，下同）B4C复合粉末混合，采用热压烧结和热挤压的方法制备多重结构Ti-B4C/Al2024复合材料。通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和拉伸试验机对不同材料的显微组织与力学性能进行观察和测试，并对多重结构复合材料的强韧化行为进行讨论。结果表明：Ti-B4C/Al2024复合材料多重结构包括基体Al2024、核壳结构Ti/Al18Ti2Mg3组织和B4C颗粒。向Al2024中加入5%预先球磨6h后的Ti-B4C粉末时，其屈服强度从107MPa提高到122MPa，并且表现出与热挤压Al2024合金几乎相同的伸长率。当球磨时间延长至12h时，试样5TB-12h的伸长率可达到16.4%。然而，复合材料的伸长率随着Ti-B4C添加量的增加而降低。
选用粒度为60~80μm的国产磨料级碳化硅颗粒作为增强体、以无压浸渗法制备高体份SiCp/Al复合材料，采用超声清洗工艺对比研究颗粒表面吸附质对颗粒浸渗性以及复合材料力学性能的影响。结果表明：国产磨料级碳化硅颗粒表面普遍存在少量吸附质（< 0.5%），吸附质以粒度更小（< 5μm）的碳化硅颗粒为主，个别情况含有少量的游离碳。颗粒表面吸附质的存在严重影响了颗粒表面与熔融铝液的润湿性，并且会大幅度降低复合材料的密度和力学性能。超声清洗工艺可以有效去除碳化硅颗粒表面的吸附质，去除吸附质之后颗粒的浸渗成功率从25%提升至100%，复合材料的抗弯强度从320MPa提升至390MPa，弹性模量从203GPa提升至232GPa。
铁铬镍合金具有良好的高温强韧性和抗蠕变性，广泛应用于航空发动机、工业燃气轮机等设备中。利用原位合成和无压烧结工艺制备nano-MgO（34.9%）/Fe-Cr-Ni（质量分数，下同），micro-MgO（34.9%）/Fe-Cr-Ni，micro-MgO（25.7%）/Fe-Cr-Ni，micro-MgO（17.0%）/Fe-Cr-Ni 4种多孔复合材料。采用DTA，XRD和SEM等测试方法，研究不同MgO晶粒大小和含量对多孔金属基复合材料的常温和高温抗弯强度、高温抗氧化性能的影响。结果表明，在相同的烧结工艺条件下，不同原始粉末引起不同的反应热焓，导致烧结后得到的试样具有不同的气孔率和相组成。制备出的多孔复合材料主要由Cr0.7Fe0.36Ni2.9，Cr-Fe固溶体的金属基体和MgO陶瓷增强相组成。当温度从室温升至1000℃左右，4种复合材料的抗弯强度值均随着温度的升高而降低，但其抗氧化性能优异。在4种多孔复合材料中，多孔nano-MgO（34.9%）/Fe-Cr-Ni复合材料的高温抗氧化能力优于其他3种多孔复合材料。
