材料領(lǐng)域的登高者
——高性能陶瓷和超微結(jié)構(gòu)開放實驗室

為促進我國高性能陶瓷的研究和發(fā)展，擴大我國在該領(lǐng)域中的影響，1988年4月，經(jīng)原國家計委和中國科學院批準，在中國科學院上海硅酸鹽研究所建立高性能陶瓷和超微結(jié)構(gòu)開放實驗室；1991年納入國家重點實驗室序列，更名為高性能陶瓷和超微結(jié)構(gòu)國家重點實驗室。實驗室充分發(fā)揮在無機材料設計、制備、工程應用方面的基礎(chǔ)和優(yōu)勢，積極承擔國家重大科研項目，面向國家重大需求和無機材料學科前沿取得了一系列創(chuàng)新成果，科研綜合競爭力得到持續(xù)提升。

1.在新材料性能預測、結(jié)構(gòu)設計與快速篩選、多場/多功能超微結(jié)構(gòu)分析表征新技術(shù)等方面取得重大進展

實驗室建立了多尺度計算——高通量制備—跨尺度表征的材料基因系統(tǒng)研究平臺，發(fā)展了以第一性原理為核心的高通量計算方法與物理化學性能預測模型、陶瓷及復合材料跨尺度結(jié)構(gòu)設計與熱力耦合計算方法，推進了能量存儲與轉(zhuǎn)換材料、高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、陶瓷基復合材料的研發(fā)。

面向組合材料芯片和快速篩選技術(shù)需求，實驗室提出并建立了激光加熱微納粉體高通量制備與多組元高溫厚膜CVD沉積高通量制備新技術(shù)；提出了融合計算和數(shù)據(jù)庫的組合化學新方案，實現(xiàn)了復合摻雜PbF2超快可見光閃爍材料、摻雜增強Bi4Si3O12（BSO）直接白光熒光材料等多種重大工程急需的關(guān)鍵材料的快速篩選與優(yōu)化。面向微結(jié)構(gòu)表征的精細化、多信息化發(fā)展需求，實驗室建立了高/低溫場和力/電原位TEM表征技術(shù)、基于MEMS驅(qū)動的納米變形原位表征技術(shù)、基于GIFEELS能量過濾系統(tǒng)與CL陰極發(fā)光光譜儀相融合的微區(qū)元素組成/化學態(tài)/能級結(jié)構(gòu)/缺陷/發(fā)光性能的多信息表征技術(shù)以及TEM結(jié)構(gòu)-組成-性能統(tǒng)計映射表征新方法。發(fā)展了掃描電鏡-電化學原位測試表征新技術(shù)，解決了電極表面微區(qū)氧化/還原電化學反應電流測量難題。

SiC陶瓷被廣泛用于機械、化工、航空航天及軍事領(lǐng)域

2.在制備科學研究方面，突破了大尺寸、復雜形狀陶瓷及復合材料制備技術(shù)

實驗室深入研究了復合材料制備工藝對其致密化過程及界面結(jié)構(gòu)的影響機制，提出并建立了孔道構(gòu)建反應熔滲與原位反應相結(jié)合的制備新方法，成功解決了Cf/SiC復合材料高模量與低熱膨脹難以兼顧的技術(shù)難題；通過構(gòu)建氣孔/碳連續(xù)雙相網(wǎng)絡互穿結(jié)構(gòu)，成功制備出高強度、高熱導率的Cf/SiCZrC-ZrB2復合材料，大幅提升了復合材料部件的高溫穩(wěn)定性。針對超大尺寸陶瓷部件工程應用的迫切需求和陶瓷材料燒結(jié)極限尺寸的技術(shù)局限性，實驗室提出了陶瓷/陶瓷以及陶瓷/金屬焊接技術(shù)方案，通過界面結(jié)構(gòu)和浸潤性的設計與調(diào)控，成功實現(xiàn)了超大尺寸SiC陶瓷以及復合材料的低應力高強度焊接，突破了3m量級拼接式SiC光學部件制備關(guān)鍵技術(shù)。通過控制β-Si3N4低溫轉(zhuǎn)化生長，實現(xiàn)了具有高氣孔率、單孔徑分布、高強度的多孔Si3N4陶瓷制備，并攻克高精度大長徑比的Si3N4陶瓷毛細芯制備技術(shù)。

Cf/SiC復合材料構(gòu)件成功應用于航空動力系統(tǒng)以及“高分二號”等型號衛(wèi)星的高分辨空間遙感系統(tǒng)；大尺寸SiC光學部件在11顆衛(wèi)星、15臺有效載荷上獲得成功應用；Si3N4陶瓷毛細芯首次應用于“高分九號”“高景一號”等衛(wèi)星相機焦平面溫控技術(shù)中，在軌溫度穩(wěn)定度達到±0.4℃，顯著優(yōu)于±2℃的設計要求。結(jié)構(gòu)功能一體化陶瓷材料和復合材料制備技術(shù)的突破，使我國在該領(lǐng)域的研制能力達到國際先進水平，打破了國外關(guān)鍵材料禁運和技術(shù)封鎖的局面，為我國航空航天技術(shù)的跨越發(fā)展提供了關(guān)鍵材料保障。

3.在電熱輸運新效應、光電與熱電材料結(jié)構(gòu)設計與性能優(yōu)化原理等方面取得原創(chuàng)性成果

實驗室將實驗研究與理論計算緊密結(jié)合，聚焦能量轉(zhuǎn)換材料的微觀輸運機制關(guān)鍵科學問題，發(fā)展了互為制約多種物理量的“雙結(jié)構(gòu)功能區(qū)”的晶體結(jié)構(gòu)設計思想和“類液態(tài)”與“贗立方結(jié)構(gòu)”熱電材料設計新方法；設計合成了Cu2（S,Se,Te）等一系列新型環(huán)境友好熱電材料，多種體系ZT值突破2.0，位居國際前列；建立了熱電器件優(yōu)化設計與集成新技術(shù)，器件轉(zhuǎn)換效率達12%，為國際報道最高水平；逆向運用原子“相似相聚”規(guī)律，提出了多元材料體系制備的熱力學逆向設計原則，發(fā)展了高銦利用率的銅銦鎵硒太陽能電池非真空液相低成本制備新方法，電池效率18.2%（公開報道世界第二高效率值），并實現(xiàn)了技術(shù)轉(zhuǎn)讓。

實驗室將量子力學方法與熱力學相結(jié)合，揭示了鋰空氣電池中界面電荷轉(zhuǎn)移、界面作用能及催化劑表面結(jié)構(gòu)對Li2O2分解動力學的影響規(guī)律以及催化劑過電位降低的本質(zhì)，提出了“催化劑/Li2O2/O2”三相界面催化理論模型和“表面酸性”定量描述界面催化活性的普適性判據(jù)，成功預測了Co3O4、TiC、TiN、Mo2C等兼具高活性和高循環(huán)穩(wěn)定性的新型催化劑。解決了在高比表面積碳材料中高導電性和高活性氮共存的科學難題，設計合成了氮元素摻雜濃度高達8.5at.%的少層碳材料，比容量高達855F/g，優(yōu)于碳材料雙電層理論極限（550F/g）。

4.在生物材料方面，取得了系列創(chuàng)新性成果

基于臨床腫瘤高效、精準診療的關(guān)鍵科學問題和對生物醫(yī)用材料的特殊要求，實驗室設計合成了介孔氧化硅基多孔載體材料、無機功能納米顆粒、有機/無機雜化介孔有機硅基多孔顆粒，揭示了無機納米材料生物學效應和生物安全性，實現(xiàn)了介孔硅基載體的可控降解，實現(xiàn)了腫瘤特異性、高效、精準診療功能，并利用雜化載體實現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)腫瘤細胞耐藥性和化療藥效；基于無機納米功能顆粒，提出新型化學動力學療法、饑餓療法、催化療法、聲動力療法、高強度聚焦超聲增效療法、光熱療法、光動力學療法等腫瘤低毒治療新策略，成功實現(xiàn)功能納米顆粒高效、安全的“無毒”腫瘤治療。

實驗室發(fā)現(xiàn)了生物材料的多級微結(jié)構(gòu)與活性離子協(xié)同促進骨再生效應，發(fā)展了具有“主動成骨”的硅基新家族生物活性陶瓷，推動了生物陶瓷從傳統(tǒng)磷酸鈣體系拓展到具有“主動成骨”功能的硅基體系；提出了“生物材料介導的免疫調(diào)控成骨”新假說，闡明了生物活性材料通過調(diào)控免疫反應促進成骨的新機制，建立了骨修復材料的體外免疫反應與成骨效應的評價新方法；發(fā)展了兼具“骨修復與腫瘤治療”雙功能生物活性材料。實驗室還利用等離子體電解氧化等表面改性技術(shù)，賦予生物材料表面特定的生物活性和功能，建立了具有“可調(diào)控生物學響應”的材料表界面構(gòu)建原理，發(fā)展了基于肖特基接觸的抗菌涂層、基于電偶腐蝕效應的抗菌成骨涂層以及基于細胞代謝方式差異性的抗癌涂層材料。研究成果推動了臨床研究和產(chǎn)品開發(fā)。

5.在環(huán)境催化納米材料設計合成、無機納米纖維制備與應用技術(shù)等方面取得突破性進展

實驗室揭示了材料表/界面結(jié)構(gòu)、電荷轉(zhuǎn)移特征、吸附性能等對材料化學與物理性質(zhì)的影響機制，支撐和推進了環(huán)境催化材料、能源材料、生物醫(yī)用材料的納米結(jié)構(gòu)設計與性能提升；發(fā)現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)光熱協(xié)同催化的作用機制和光熱協(xié)同催化新效應，成功利用光-熱互補特性大幅提升了催化效率，并實現(xiàn)了光激發(fā)下催化劑的可再生；針對VOCs、NOx和甲醛降解研制了11種氣相光催化用Ti、Bi和Mn體系新材料；提出了光催化固氮合成氨和光催化裂解生物質(zhì)制氫兩種新途徑，開辟了光催化材料研究新方向；提出了構(gòu)建以缺陷型半導體、原子尺度異質(zhì)結(jié)構(gòu)和多組分協(xié)同作用的創(chuàng)新思路，發(fā)展了多種新型太陽能轉(zhuǎn)換光催化體系；設計合成了基于g-C3N4的系列復合光催化體系，闡明了復合體系中兩組分在光催化還原CO2反應中的協(xié)同催化效應和雙活化作用機制；設計合成了非貴金屬介孔沸石基氧化物催化劑，獲得了與貴金屬Pt/C媲美的甲醇催化氧化性能。實驗室提出并建立的基于羥基磷灰石超長納米線的新型柔性無機生物材料及其制備新技術(shù)，在骨缺損修復、生物醫(yī)用紙、抗菌紙、長久保存的書籍或重要文件、快速檢測試紙等諸多領(lǐng)域具有良好的應用前景。

未來，高性能陶瓷和超微結(jié)構(gòu)國家重點實驗室將進一步發(fā)展具有中國特色的新材料、新工藝和有創(chuàng)建性的理論，保持和加強自身在高性能陶瓷材料領(lǐng)域的優(yōu)勢地位，使之成為國際著名的國家重點實驗室之一。