利用高能外场控制金属结构材料的微观组织、进而改善材料的综合性能，是目前材料科学研究者广泛关注的热点之一。本文系统分析了几种典型的金属结构材料在电场/电流场–温度–应力等多物理场耦合作用下的强化及韧化行为。通过多场的耦合可以促进位错运动、增加空位浓度、导致相粗化和动态再结晶等，进而可以提高GH4169镍基高温合金、AZ31镁合金和纯钛的塑性。值得一提的是，除了传统的电致塑性效应外，近年来诸多研究表明，高能外场作用下通过控制原子扩散或相变行为，同样可以起到强化合金的效果。例如，适当的电脉冲电流密度可以促进GH4169镍基高温合金中纳米级γ′′相的形成及γ′′相粗化，因而同时提高了合金的强度和塑性；变形纯钛在多场耦合作用下，通过调控位错、孪晶等微观缺陷可以在不降低塑性的条件下提高其强度。本文归纳总结了多场耦合作用下不同类型金属结构材料的强韧化机理，揭示了多场耦合对结构材料的作用机理与合金的组织和缺陷演化有关，包括空位、退火孪晶、位错等，从而进一步影响了相的析出、粗化以及再结晶等行为，从而对材料的强化和韧化产生显著影响。本文不仅揭示了多场耦合对金属结构材料的作用机制，同时旨在为改善金属结构材料的强韧性提供一种可行的方法。最后，在现有工作的基础上，展望了多物理耦合场在结构材料中的应用前景。

金刚石/金属复合材料以其优异的导热性能和低膨胀性能被广泛应用于航空航天和电子封装领域。然而，化学性能的差异导致金刚石与金属的界面不相容，这对复合材料的性能有很大的影响。为了提高金刚石与金属的界面相容性，必须对复合材料的界面进行改性。本文系统的总结了近年来金刚石/金属复合材料及其界面结构优化和性能控制在热管理领域的重要研究进展。介绍了近年来计算模拟技术在金刚石/金属复合材料研究中的应用。金刚石/金属界面改性主要通过基体金属合金化、金刚石颗粒表面处理及界面构型设计三种方式实现。其中，界面相的组成及尺寸是影响复合材料热性能的关键因素。此外，通过复合材料界面构型设计，在材料内部形成连续的金刚石颗粒导热通道为提高复合材料热导率提供了新的思路。近年来，在优化金刚石/金属界面结构的同时，研究者们也通过计算模拟对复合材料的界面性质及导热行为展开了研究。虽然已有针对金刚石/金属界面改性的大量研究，复合材料导热机制的理论研究尚不完善，应进一步建立金刚石/金属复合材料界面相组成和比例与导热系数之间的定量关系，为实验提供理论指导。此外，今后还可以借助多尺度模拟技术和实验研究金刚石/金属复合材料的界面结合和热传导机理。

含铜云母是赞比亚铜矿带地表氧化矿中一种主要的的难处理含铜矿物。为了有效提取含铜云母中的铜，本研究采用超声波助浸技术对含铜云母进行强化浸出。试验结果表明，相对于常规加温浸出而言，超声波助浸能够使浸出时间由120 min缩短为40 min，硫酸浓度由0.5 mol·L⁻¹ 降低为 0.3 mol·L⁻¹。此外，当铜的浸出率都是78%时，浸出温度可由75°C 降低到45°C。超声波强化浸出机理研究结果表明，超声波能够对含铜云母进行有效剥离，使其比表面积由0.55 m²·g⁻¹ 显著增加到1.67 m²·g⁻¹。该研究结果表明超声波助浸技术能够使含铜云母中的铜得到有效回收，同时对于从层状硅酸盐中提取有价金属也具有一定的参考价值。

闪速炼铁技术（FIT）被认为是一种很有潜力的绿色炼铁技术。为了准确预测闪速炼铁过程，本文基于实验室规模的高温管式炉构建了包含颗粒反应动力学在内的计算流体动力学（CFD）模型。与此同时，在相同尺寸的滴管炉中进行了对应的闪速还原实验，用以验证CFD模型的准确性。矿石颗粒的还原度被选作模型预测主准确性的关键指标，最终结果表明，数值模拟与实验结果中的还原度吻合较好。本文还利用数值模型进一步研究该过程的影响因素，包括不同粒径（20-110 μm）、峰值温度（1250-1550℃）和还原气氛（H₂/CO）。高度随时间的变化表明，小颗粒（50 μm）比大颗粒具有更长的停留时间（3.6 s），在CO气氛中的颗粒停留时间略比长于H₂气氛。然而，实验和分析结果均表明，CO中颗粒的还原程度明显低于H₂气氛中的还原程度，这是由于在同等条件下，H₂还原铁矿石的动力学速率要快于CO还原。数值模拟的结果表明，制备90%以上高还原度颗粒的最佳实验粒度和峰值温度分别为氢气气氛下的50 μm和1350℃，CO气氛下的40 μm和1550℃。

碳酸钠辅助碳热还原钒钛磁铁矿工艺具有一步熔炼，高效分离提取钒、钛的优势。然而，碳酸钠在反应中的作用以及反应机理尚未系统研究。 本文在1073–1473 K的反应温度和氩气气氛下，研究了在碳酸钠辅助下钒钛磁铁精矿的碳热还原过程，并通过X射线衍射和扫描电子显微镜研究了反应过程的相转变。研究结果表明，钒钛磁铁矿、石墨和碳酸钠的质量比为100：25：60，温度为1473 K为较好的反应条件。通过研究碳酸钠和钒钛磁铁矿的焙烧过程，发现熔融碳酸钠和酸性氧化物（如Fe₂O₃, TiO₂, Al₂O₃和SiO₂）结合，破坏钒钛磁铁矿的结构，形成富含钠的熔体，同时释放出FeO和MgO。因此，碳酸钠加快了铁氧化物的还原速率。此外，碳酸钠的加入降低了熔渣的黏度，有利于还原铁颗粒的团聚和渣-铁分离。因此，碳酸钠辅助碳热还原是一种具备良好前景的低温处理钒钛磁铁矿的方法。

MnO–SiO₂二元系作为废旧锂离子电池、海洋锰结核还原熔炼过程中的基础渣型，测定有价金属（如镍）在渣中的溶解度、活度及活度系数热力学数据十分必要。为此，本文测定了温度1623 K、氧分压10⁻⁷，10⁻⁶，和10⁻⁵ Pa时SiO₂饱和的MnO–SiO₂渣和Al₂O₃饱和的MnO–SiO₂–Al₂O₃渣中NiO的溶解度和活度系数。结果表明：在试验条件下，镍在MnO–SiO₂渣和MnO–SiO₂–Al₂O₃渣中主要以NiO形式存在，且渣中NiO的溶解度随着氧分压增加而增加；向MnO–SiO₂渣中加入Al₂O₃可以降低渣中镍的溶解度，增加NiO的活度系数。此外，SiO₂饱和的MnO–SiO₂渣和Al₂O₃饱和的MnO–SiO₂–Al₂O₃渣中NiO的活度系数（γ_NiO，以纯固体NiO为参考态）可分别按如下公式计算：γ_NiO = 8.58w(NiO) + 3.18; γ_NiO=11.06w(NiO) + 4.07, 其中，w(NiO)为渣中NiO的质量分数。

轻量化是世界汽车发展的方向，中高锰钢因高强、高塑、高加工硬化率等优异的力学性能引起了人们的很大关注。除Mn含量高外，该钢种通常含有较高的Al以降低材料密度、防止氢延迟断裂等。因合金含量高，钢液中的溶质元素和顶渣会发生较强的渣/钢反应，进而对钢液、顶渣、洁净度等产生重要影响。本文旨在研究不同Al含量的中锰钢与精炼渣的反应及其影响。本文采用渣/钢平衡的实验方法研究了不同Al 含量(0.035wt%, 0.5wt%, 1wt%, 2wt%)的Fe−10Mn−xAl 合金体系与CaO−SiO₂−20wt%Al₂O₃−6wt%MgO (CaO/SiO₂ = 4)精炼渣之间的反应，及其对钢液和炉渣成分、非金属夹杂物的影响；在实验基础上，对钢液和炉渣成分变化以及夹杂物转变进行了热力学分析与讨论。研究结果表明，渣/钢反应后，钢中Al含量显著降低，初始Al含量对反应后钢、渣的成分有重要影响。随着初始Al含量增加，钢中的Si和渣中的Al₂O₃逐渐增加，而渣中的SiO₂和MnO逐渐减少。造成该变化的原因是：随着初始Al含量增加，钢液中的Al逐渐替代Mn与渣中SiO₂反应，即渣/钢之间的主控反应由2[Mn] + (SiO₂) = 2(MnO) + [Si]转变为4[Al] + 3(SiO₂) = 2(Al₂O₃) + 3[Si]。随着初始Al含量增加，钢中夹杂物类型也发生很大变化，转变路线为：MnO → MnO−Al₂O₃−MgO → MgO → MnO−CaO−Al₂O₃−MgO 和 MnO−CaO−MgO，相应的夹杂物形状由球形变为不规则状，最后又变为类球形。其转变机理是：随着初始Al含量增加，钢中Al逐渐替代Mn与渣中SiO₂反应，且Mg、Ca依次从渣中还原进入钢液，故而夹杂物类型发生上述转变。

海洋工程用系泊链钢经常遭受因阴极过保护导致的应力腐蚀开裂。因此，研究外加电位对系泊链钢的应力腐蚀影响规律及机制具有重要意义。本文旨在研究外加阴极电位对系泊链钢应力腐蚀行为的影响规律及机制。慢应变速率拉伸、电子背散射衍射和扫描电镜被用于本研究。以此为基础阐明了一类R5级别高强系泊链钢（21Cr2NiMo）在外加阴极电位下的应力腐蚀行为及机制。研究结果表明，21Cr2NiMo钢在强阴极极化下氢脆的敏感性较高；当外加电位在−775 mV vs. SCE时应力腐蚀敏感性最低；当外加电位低于−950 mV vs. SCE时应力腐蚀敏感性迅速升高。随着外加电位的降低断口形貌由穿晶型向沿晶型转变。随着外加阴极电位降低，沿晶型开裂从沿着板条贝氏体晶界开裂向沿着原奥氏体晶界开裂转变。扫描电镜结果表明点蚀促进了应力腐蚀裂纹萌生。随着外加电位降低，应力腐蚀机制由阳极溶解和氢脆机制混合控制转变为单一氢脆机制控制。

我们研究了2-巯基苯并噻唑浓度对API X60管线钢在25°C含H₂S环境中和0、2.5、5.0、7.5和10.0 g/L的2-巯基苯并噻唑抑制剂条件下的酸腐蚀行为的影响。我们利用开路电位 (OCP)、动电位极化和电化学阻抗谱(EIS)测试来研究这种腐蚀行为，利用能量色散光谱和扫描电子显微镜来分析腐蚀产物。OCP 和动电位极化测试结果表明，2-巯基苯并噻唑降低了阳极和阴极的反应速度。关于抑制剂的吉布斯自由能的评估表明其值在−20 kJ·mol⁻¹和−40 kJ·mol⁻¹之间。因此，2-巯基苯并噻唑对API X60管线钢表面的吸附既是物理也是化学吸附，其中后者是自发的。此外，由于吉布斯自由能值为负，我们可以得出结论，2-巯基苯并噻唑在管线钢表面的吸附是自发发生的。EIS结果表明，随着2-巯基苯并噻唑抑制剂浓度的增加，API X60钢的耐腐蚀性能提高。对腐蚀产物的分析表明，其表面形成了硫化铁化合物。总之，结果表明，缓蚀剂浓度的增加导致腐蚀速率的降低和缓蚀效率的增加。此外，我们发现在含H₂S的环境中API X60钢表面上的2-巯基苯并噻唑吸附行为遵循Langmuir吸附等温线并自发发生。

制备高质量的钙钛矿薄膜对于高性能的钙钛矿太阳能电池非常重要。然而，钙钛矿晶体中的缺陷会影响钙钛矿太阳能电池的光电转化效率和稳定性。为了解决这个问题，本研究将CdS和络合物Cd(SCN₂H₄)₂Cl₂掺入到CH₃NH₃PbI₃活性层中，并进一步分析了CdS和络合物Cd(SCN₂H₄)₂Cl₂的不同掺杂浓度对钙钛矿太阳能电池性能和稳定性的影响。结果表明，CdS和Cd(SCN₂H₄)₂Cl₂在CH₃NH₃PbI₃中的适当的掺杂浓度可以提高钙钛矿太阳能电池的性能。研究结果发现，CdS和Cd(SCN₂H₄)₂Cl₂可以有效降低钙钛矿晶体中的缺陷，减少电池内部的电荷复合，促进电荷在TiO₂和钙钛矿界面的分离和输运。同时，由于钙钛矿晶体中缺陷的减少和CdS:Cd(SCN₂H₄)₂Cl₂:CH₃NH₃PbI₃体异质结薄膜质量的优化，钙钛矿太阳能电池的稳定性也明显提高。

由于其独特的物理化学性质，纳米二氧化铈是一种良好的无机紫外线屏蔽剂。纳米二氧化铈的制备方法有水热法、溶胶–凝胶法、均相沉淀法、电化学方法等，这些方法通常有操作流程复杂、周期较长等缺点。本文旨在探索一种操作简单，周期短的纳米二氧化铈制备方法。本文以氯化铈为铈源、柠檬酸为沉淀剂，采用络合沉淀法成功合成了纳米二氧化铈。通过元素分析计算了前驱体的组成，并采用比表面积测试、显微组织观察、紫外-可见光透过率曲线研究了纳米二氧化铈的物理性能、微观组织与紫外屏蔽性能的关系。研究结果表明，随着pH的升高，前驱体中Ce(H₂Cit)₃的比例下降，而Ce(OH)₃的比例上升，当pH = 6.5时，前驱体由CeCit和Ce(OH)₃组成；随着柠檬酸与Ce³⁺的摩尔比(n)的增加，前驱体中Ce(H₂Cit)₃的比例升高，而Ce(OH)₃的比例下降。当柠檬酸与Ce³⁺的摩尔比(n)为0.25、pH为5.5时，纳米二氧化铈在长波紫外线波段的平均透过率为4.42%，在中波紫外线波段的平均透过率为1.56%。良好的紫外屏蔽性能离不开纳米二氧化铈的物理性能和微观组织：比表面积的增大可以提高纳米二氧化铈的紫外屏蔽性能，当柠檬酸与Ce³⁺的摩尔比(n)为0.25、pH为5.5时，纳米二氧化铈的比表面积最大，为83.17 m²/g。纳米二氧化铈低指数晶面的晶面间距也影响着纳米二氧化铈的紫外屏蔽性能，在合理变化区间内，晶面间距越大，原子排列越密集，紫外屏蔽性能越好。由此得出这样的结论：络合沉淀法制备出的纳米二氧化铈具有优异的紫外屏蔽性能，但是，柠檬酸与Ce³⁺的摩尔比(n)不宜过大，pH不宜超过5.5。

我们采用一种简易的沉淀法在室温下合成了NH₄ZnPO₄粉体。我们研究了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、葡萄糖和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶液对制备的样品形貌和结构的影响，然后利用X射线衍射和扫描电镜分别对制备的样品进行了物相组成和形貌表征。研究发现在不同的聚合物下，加入CTAB后，由水的非表面活性剂制备的六方结构完全转变为单斜结构。我们采用X射线吸收近边结构(XANES)和X射线光电子能谱(XPS)对制备的样品进行的局部结构和表面电子结构研究确定了P离子和Zn离子的氧化态分别为5+和2+。在电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-OES)分析结果的基础上，NH₄ZnPO₄粉末可以归类为在24小时内只有不到15%的离子被释放出的缓释肥料。研究结果表明这种简易的使用水,PVP, PVA,蔗糖和CTAB作为溶液模板的沉淀方法可以用来合成NH₄ZnPO₄粉末；该方法还可推广应用于其它氧化物材料的制备。

本研究调查了氧化石墨烯 (GO) 对 Mg–Zn–Mn (MZM) 纳米复合材料的力学和腐蚀行为、抗菌性能和电池响应的影响。通过半粉末冶金方法制备了具有不同含量 GO（0.5wt%、1.0wt% 和 1.5wt%）的 MZM/GO 纳米复合材料。通过硬度、压缩、腐蚀、抗菌和细胞毒性测试分析了GO对MZM纳米复合材料的影响。实验结果表明，随着GO含量的增加（0.5wt%和1.5wt%），MZM纳米复合材料的硬度值、抗压强度和抗菌性能增加，而细胞活力和成骨水平降低。添加 1.5wt% GO。此外，电化学检测结果表明，在 0.5wt% GO 中封装后 MZM 合金的腐蚀行为显着增强。总之，GO增强的 MZM 纳米复合材料可用于植入物应用，因为它们具有抗菌性能和较好的力学性能。

为改善巴氏合金的性能，解决石墨增强相在巴氏合金中的均匀分布问题，采用选择性激光熔化方法制备了镍包石墨增强巴氏合金复合材料试样。采用扫描电子显微镜研究了复合材料的显微组织，采用剪切试验和干滑动磨损试验测试了复合材料的力学性能和摩擦学性能。结果表明，大部分镍包覆石墨）颗粒易于在激光焊道的边界处聚集，并形成微孔和微裂纹。随着镍包石墨含量的增加，复合材料的剪切强度和摩擦系数均降低，并且摩擦机制从塑性成形沟转变为脆性切削。6wt%镍包石墨复合材料的剪切强度和摩擦系数分别比单一巴氏合金低约20%和33%。通过选择具有较厚镍层的镍包石墨，并控制激光能量输入，有利于改善复合材料中镍包石墨的分散均匀性，从而制备出兼具低摩擦系数和足够强度的新型巴氏合金材料。

通过具有不同激光参数的振动辅助激光熔覆，将 Stellite-21/WC 纳米粉末沉积在 Inconel 上。 采用光学和扫描电子显微镜、硬度测量和磨损表征来了解纳米复合材料的微观结构和力学性能。 研究结果表明，改变冷却速率对包覆复合材料的微观结构产生显着影响。 此外，当激光功率从 150 W 增加到 250 W 会增加热输入和稀释度。 在 250 W 的高激光功率下，扫描速率和送粉速率会影响稀释度。当加入 WC 纳米颗粒作为增强材料时，稀释幅度加剧，同时硬度值从 HV 350 增加到 HV 700。磨损特性表明， 含有 3wt% WC 纳米颗粒的复合材料具有最高的耐磨性。

水泥水化是水泥基材料强度产生的根本原因。通过阐明硅酸钙的结构特性和电子性质可以揭示其水化活性的差异。本文通过密度泛函理论对β-C₂S和M3-C₃S进行了综合比较，研究了它们在单胞、表面重构过程和单个水吸附后的原子结构以及Bader电荷。通过考虑成键特性和Bader电荷，确定了β-C₂S和M3-C₃S中不同类型的原子。在β-C₂S中Ca和O原子分别被划分为两组和四组，M3-C₃S中Si、Ca和O原子分别被分为三组、四组和四组。在M3-C₃S的单胞中，作者注意到一种高活性的O原子具有特殊特征（即无O–Si键）,这可能是M3-C₃S活性更高的根本原因。β-C₂S和M3-C₃S表面的价电子分布比其单胞分布的更加均匀，因此表明一些表面原子在弛豫后活性增强。在水的吸附过程中，β-C₂S和M3-C₃S的电子通过位置的改变和键的形成/断裂从表面转移到吸附的水分子上。Bader电荷分析表明：Ca/O原子的平均价电子数在β-C₂S中为6.437/7.550，在M3-C₃S中为6.481/7.537，M3-C₃S中Ca和O原子的反应活性普遍高于β-C₂S。此外，H₂O在β-C₂S和M3-C₃S上的价电子的平均变化分别为0.041和0.226，H₂O在M3-C₃S表面获得的电子数比β-C₂S更高。这项研究进一步解释了硅酸钙水化反应活性的差异，对高反应性和环境友好型水泥的设计大有裨益。

尾砂胶结充填体（Cemented tailings backfill，以下简称CTB）是由尾矿、胶凝材料和水制备的水泥基复合材料。类似于混凝土，充填体在外载荷作用下其表现出明显的脆性，易发生垮塌、连锁破坏等现象。本文提出采用聚丙烯纤维和玻璃纤维的组合形式，探究上述纤维对充填体单轴抗压强度的影响机制。在本文中，作者们进行了一系列的实验室测试，包括单轴压缩试验、数字图像相关测量和纤维增强充填体（Fiber reinforced cemented tailings backfill，以下简称FRCTB）的扫描电子显微镜特征，以获得FRCTB试样的单轴抗压强度（UCS）、破坏演变和微观结构特征。结果表明，添加纤维可以使CTB的UCS值提高6.90%至32.76%。FRCTB的UCS值随着聚丙烯纤维含量的增加而增加。此外，PP纤维对CTB的增强效果优于玻璃纤维的增强效果。纤维的加入可以使FRCTB的峰值应变增加0.39%到1.45%。FRCTB的峰值应变随着玻璃纤维含量的增加而增加。FRCTB的破坏模式是拉伸和剪切破坏相结合的。纤维的加入有效地抑制了裂缝的扩展，纤维对裂缝的桥接作用有效地改善了FRCTB的力学性能。本研究的结果可以为矿山回填设计和优化回填方法提供依据。

利用液相化学包覆法成功合成了3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTS）和甘氨酸（GLY）改性的两种氨基改性硅藻土（DE）复合材料（即：APTS/DE和GLY/DE），并对气相甲醛进行了高效吸附研究。通过实验，确定了两种复合材料的最佳制备条件，并对其微观结构和形貌进行了表征和分析。通过系列甲醛吸附实验，对两种氨基改性硅藻土复合材料的甲醛吸附性能进行了对比，结果表明：准二级动力学和朗缪尔等温吸附模型能准确地描述吸附过程；在20℃时，最佳条件下制备的APTS/DE和GLY/DE复合材料对气相甲醛的最大吸附量分别为5.83 mg·g⁻¹和1.14 mg·g⁻¹。复合材料的热力学参数计算表明，该吸附过程是自发且放热的；在硅藻土表面接枝的丰富氨基及其引发的席夫碱反应对复合材料高效吸附甲醛起到了关键作用。