项目名称：    纳米微粒及纳米复相陶瓷的制备科学与性能研究

推荐单位：    上海市

项目简介：    本项目属无机非金属材料学科。

系统地研究了纳米微粒和纳米复合粉体在合成过程中有关晶相与形貌控制、分散、复合及表面改性等方面的科学规律，发现表面电场力是决定其大小、形貌和团聚的最重要因素。提出了改变表面电荷来控制表面电场力的原理和方法，合成了种类和形貌各异的氧化物纳米微粒和纳米复合粉体；提出了利用氧化物纳米微粒的高反应活性和热解氨气的强还原-氮化特性低温合成氮化物纳米微粒的新思路，研究成功了多种新型氮化物纳米微粒。相关工作获中国发明专利授权20项。其中有关纳米级四方相钛酸钡的专利在广东肇庆风华电子工程开发有限公司实施，形成年产30吨的生产规模，直接经济效益400万元。

提出了陶瓷材料晶内型结构通过弱化基体晶粒、增强晶界而实现穿晶断裂的强韧化机理；在国际上率先用放电等离子技术实现了陶瓷材料的超快速烧结，将通常需几到十几小时的陶瓷致密化过程缩短在几分钟内完成，极大地节约了能源和设备占用率，而且使材料显微结构可控，力学性能提高。六篇相关研究论文被SCI他引175次，研究工作得到国际陶瓷界的广泛认同。通过对材料微观结构的调控研制出各种高力学性能的纳米复相陶瓷和功能性纳米复相陶瓷，对降低陶瓷脆性、提高可靠性以及实现性能突破有重要意义。在碳纳米管纯化、分散、表面功能化及碳纳米管复合材料的合成方面也开展了一系列创新性的研究。提出并创建了用光谱技术表征碳管稳定性的原理和方法，被国际同行沿用。发展了"反微乳非共价键键合法"等新方法，合成了13种碳管无机纳米微粒组装体系，研制了力学性能大幅度提高或具有显著功能性的碳纳米管复合材料。

本项目出版学术专著四部，总印数33000册，有三部在台湾出版了繁体字本。发表学术论文129篇，被SCI收录119篇。论文和专著被SCI他引1750次，被CSCD他引351次，单篇论文被他引90篇次。申请中国发明专利48项，33项已获授权。曾获得上海市科学技术进步一等奖两项。

主要发现点：  1. 发现了在纳米微粒形成过程中，表面电场力是决定其大小、形貌和团聚的最重要因素。提出了改变表面电荷来控制表面电场力的原理和具有普适性的"沉淀包裹"新概念，在这一概念指导下通过调控纳米微粒间的库仑作用力，合成了多种形貌、晶相可控的纳米氧化物，实现了包裹型纳米复合粉体各组分间分子水平或纳米尺度的均匀复合；发现了在较低氮化温度下合成多种氮化物纳米颗粒的普遍规律，利用氧化物纳米微粒的高反应活性及氨气更强的氮化能力，发展了由超细高分散纳米氧化物或前驱体经氨气直接氮化合成各种新型纳米氮化物的方法，深入研究了纳米氮化物的特性，如GaN、InN等具有良好发光性，Fe2N有优异的磁性能，Ta3N5有可见光催化活性等。研制了TiN-Al2O3、TiN-Si3N4和BN-Si3N4等兼有高力学性能、高导电性及可切削性等功能性的纳米氮化物复相陶瓷。相关工作获授权中国发明专利20余项。（学科分类名称：无机非金属材料学，无机合成化学；代表作2，7, 9, 10）

2. 发现了放电等离子烧结（SPS）中传热过程在瞬间完成的特殊机制，其原理是坯体中每颗晶粒因快速随机高频放电而迅速成为热源，在国际上率先用SPS技术实现了陶瓷材料Al2O3，ZnO以及Al2O3、ZrO2、莫来石(mullite)、Si3N4和YAG(Y3Al5O13)为基体的纳米复相陶瓷的超快速烧结，将陶瓷材料的致密化过程由至少几小时缩短至可在几分钟内完成。节约了能源和设备占用率，而且使材料显微结构可控。（学科分类名称：无机非金属材料学；代表作1, 3）

3. 发现了纳米复相陶瓷晶内型结构通过弱化基体晶粒、增强晶界而实现穿晶断裂的强韧化机理，通过纳米复合研制出多种力学性能有显著突破的晶内型纳米氧化物复相陶瓷如SiC-Al2O3，SiC-ZrO2-mullite，SiC-YAG、YAG-Al2O3和NdAlO3-Al2O3等。（学科分类名称：结构陶瓷学；代表作1, 4, 5）

4. 提出并创建了用光谱技术表征碳管稳定性的原理和方法，被国际同行沿用并获中国发明专利授权。在国际上首次提出"反微乳非共价键合"的概念，实现了无机纳米粒子在碳纳米管内外管壁的组装。首次利用分形理论定量揭示了沉积物形貌分维值与浆料分散状态的内在关系；发现了分散剂与金属离子形成配位键的强弱对小分子型分散剂性能的影响规律。(学科分类名称：无机非金属材料学；代表作6, 8, 10)

5. 发现功能性纳米颗粒和碳纳米管在基体中的均匀弥散分布是纳米复相陶瓷获取优异的功能性和显著的强韧化效果的有效途径，解决了添加相在基体材料中的均匀分散、与基体键合等科学问题，研究成功了一系列具有高力学性能并兼具功能性的碳纳米管复相材料，如导电性有数量级提高的MWNTs/Fe3O4、有生物活性的MWNTs/HAp和良好充放电性能的MWNTs/Co3O4等。（学科分类名称：无机非金属材料学、结构陶瓷学；代表作4, 8）

主要完成人：  1.   高濂

主持参加本研究项目的立项申请，组织和部署研究计划的实施。对部分第1发现点，第2发现点，部分第3发现点，部分第5发现点做出了创造性贡献。本人在该项研究中的工作量占本人工作量的80%。

2.   郭景坤

参与组织和实施本项目的研究。对部分第1发现点，部分第3发现点，部分第5发现点作出了创造性贡献。本人在该项研究中的工作量占本人工作量的60%。

3.   孙静

参与组织和实施本项目的研究。对部分第1发现点，部分第3发现点，第4发现点，部分第5发现点作出了创造性贡献。本人在该项研究中的工作量占本人工作量的90%。

4.   张青红

参与实施本项目的研究。对部分第1发现点，部分第5发现点作出了创造性贡献。本人在该项研究中的工作量占本人工作量的90%。

5.   靳喜海

参与实施本项目的研究。对部分第3发现点，部分第5发现点做出了创造性贡献。本人在该项研究中的工作量占本人工作量的90%。

10篇代表性论文：  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.   专著：《纳米氧化钛光催化材料及应用》

10.  专著：《纳米粉体的分散及表面改性》