硅酸盐学报

Journal of the Chinese Ceramic Society

水泥基材料基因与智能设计专题_水泥基材料基因与智能设计专题—编者按

  • 探索水泥基材料基因本源,AI赋能材料设计新范式

    刘加平;元强;胡张莉;叶家元;

    <正>传统的基于经验和实验的“试错法”依然是材料的主要研发模式,存在研发效率低、效果差、周期长、成本高的缺点。借鉴“人类基因组”的研究理念,2011年美国政府启动了“材料基因组”计划,材料基因工程融合了材料科学、物理、化学、数学、信息科学、先进制造、大数据和人工智能等不同学科,是以人工智能和大数据为基础的新兴研究领域。通过跨学科、跨领域和跨技术的深度融合,突破传统材料学科发展的局限性,显著拓展了材料科学与工程技术的内涵。近年来,全球各国政府和企业加大了材料基因组研究的资助力度,在相关领域科研人员的努力下,金属和高分子等材料在基因组工程方面取得了重要进展,已成为材料科学最重要的前沿热点领域之一。

    2026年03期 v.54;No.444 821-822页 [查看摘要][在线阅读][下载 526K]
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水泥基材料基因与智能设计专题_水泥基材料基因与智能设计专题—研究论文

  • 基于多目标靶向性能的超高韧性地聚物复合材料智能化设计

    郭孟环;谢咏菲;周英武;程铸昕;周俊豪;

    为提升超高韧性地聚物复合材料(EGC)配合比设计效率,降低试错成本,本工作构建了基于机器学习的EGC性能“预测—优化—反馈”闭环智能设计框架。首先,选取矿粉掺量、粉煤灰掺量、碱激发剂模数等11个变量作为输入参数,选定抗压强度、抗拉强度、拉伸应变率为目标性能参数,采用可逆神经网络等5类模型进行正向预测,预测精度高达0.99。其次,引入SHAP可解释性机制,量化解析关键配比参数对EGC性能的影响机制及贡献度。最后,融合CatBoost与NSGA-Ⅲ算法实现多目标性能优化与最优平衡解自动搜索,并通过开展试验研究,验证了所建智能设计框架的准确性与可行性。本工作提出的EGC智能设计框架解决了材料设计中难以避免的高强与高韧权衡问题,突破了传统EGC设计中的“黑匣子操作”与“经验驱动”局限,推动材料设计向智能化、精准化方向发展。

    2026年03期 v.54;No.444 823-841页 [查看摘要][在线阅读][下载 5615K]
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  • 基于条件生成对抗网络与马尔可夫链蒙特卡洛双驱动的超高性能混凝土数据增强及智能预测方法

    余睿;李旺;范定强;

    随着建筑行业智能化转型,人工智能在混凝土材料研发与应用中备受关注,但超高性能混凝土(UHPC)存在数据库质量不稳定、数据量过小的问题,现有数据增强方法难以处理其高维异构数据,严重制约了UHPC的智能化发展。对此,本工作构建了基于条件生成对抗网络(CGAN)与马尔可夫链蒙特卡洛(MCMC)算法协同驱动的UHPC数据增强模型:首先对原始数据进行预处理,然后借助CGAN算法生成虚拟样本,并基于MCMC模型进行统计修正,最后采用贝叶斯优化的XGBoost模型验证智能预测准确性与可靠性。结果表明,增强后训练集规模可扩至1500组,增强数据与原始数据分布高度一致,平均Jensen Shannon距离<0.05,Kolmogorov-Smirnov检验证明分布具有高度同源性。采用增强数据模型后,XGBoost模型的各评估指标均证明了预测精度的显著提升,其中3 d累计水化放热量、中值孔径、抗压强度、抗折强度及工作性能的测试集的R~2分别提升了62%、55%、18%、46%和35%。最后,基于实际工程数据的模型验证结果表明,建立的模型可用于工程材料性能预测(R~2=0.92),证明了该方法的显著可靠性和泛化能力。研究成果为解决UHPC数据库难题提供了新思路,对推动建材行业转型升级和促进智能建造发展具有显著价值。

    2026年03期 v.54;No.444 842-856页 [查看摘要][在线阅读][下载 4965K]
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  • 基于生成式优化算法的多流态场景修补砂浆配合比优化设计

    李琴飞;张波;郭翔宇;王琳;李长姣;侯鹏坤;陈衡;程新;杨波;

    混凝土结构在服役过程中易受环境与荷载作用而产生损伤,亟须开发与应用高性能修补材料。然而,不同施工场景对修补材料的流变性、工作性和力学性能等存在差异化需求,传统配合比优化方法难以兼顾不同流态场景的实际性能需求并实现高效优化。围绕有机改性贝利特硫铝酸盐水泥砂浆体系,提出一种基于变分自编码器的生成式优化算法(VAE-GOA)来解决该挑战。以流动度作为场景约束,以7 d抗压、7 d抗折与7 d黏结强度构建加权综合性能作为评估指标,VAE-GOA利用“多场景锦标赛选择—自适应全局探索—高低流态协同迭代”的优化流程,直接在全局配合比空间中估计并聚焦高性能解的概率分布,同时兼顾探索有潜力的区域以避免陷入局部最优区域。结果表明:VAE-GOA结合全局探索策略和多轮迭代技术可有效提高发现高潜力配合比的能力,使高流态砂浆综合性能提升约20%,低流态提升则超过25%;同时识别出不同流态下的最佳配合比范围,为不同流态场景提供多样化的配合比选择。

    2026年03期 v.54;No.444 857-867页 [查看摘要][在线阅读][下载 3759K]
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  • 基于扩散生成模型的高延性水泥基复合材料三维渗流通道智能推演与渗流行为预测

    鲁聪;郝哲昕;庞志明;

    高延性水泥基复合材料(ECC)的裂后渗流行为对其安全服役及耐久性至关重要,但传统方法难以进行原位渗流评估。本工作在基于计算机视觉的“表面裂纹–内部裂隙”表征基础上,提出了一种基于扩散生成模型的三维渗流通道智能推演方法,并结合格子玻尔兹曼法对推演所得裂隙进行了渗流模拟,验证了其在渗透性能预测方面的有效性。结果表明:推演裂隙在裂隙几何参数(曲折度、粗糙度、平均宽度)方面与CT得到的真实裂隙差别小于5%,水力隙宽与几何缝宽比值误差小于9%,为裂后ECC结构的抗渗性能原位评估提供了新途径,对土木工程材料的耐久性设计具有指导意义。

    2026年03期 v.54;No.444 868-877页 [查看摘要][在线阅读][下载 2156K]
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  • 基于多目标寻优的低碳混凝土智能设计

    元强;夏瑞;刘易;马嘉璐;

    本工作基于人工智能(AI)的低碳混凝土性能预测与配合比优化设计方法。建立了低碳混凝土数据集处理模块,采用归一化处理和基于密度的空间聚类算法(DBSCAN)显著提升了数据质量。建立了粒子群优化算法(PSO)优化的极限梯度提升(XGB)模型,实现了低碳混凝土抗压强度和电通量的准确预测。为实现低碳混凝土性能与碳排放的最优平衡,引入了碳强度指标(C_i)和抗氯离子渗透碳效指标(Q_i)并建立了相关预测优化模型,并通过沙普利加性解释方法(SHAP)分析讨论了各组分的影响机制。最后,采用第三代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅲ)进行了碳排放、经济成本、力学性能与耐久性能间的协调寻优,在工程性能与环境影响中寻找最优平衡,确定了针对不同设计需求的最佳配比。研究发现,在满足力学性能要求(抗压强度>50 MPa)和抗氯离子渗透性(电通量<500 C)的前提下,通过优化再生骨料和辅助胶凝材料掺量,可将碳排放控制在240~260 kg/m~3范围内。该研究为低碳混凝土材料性能和碳排放之间的平衡设计提供了新思路和方法,推动了AI技术在低碳混凝土配合比设计中的应用。

    2026年03期 v.54;No.444 878-893页 [查看摘要][在线阅读][下载 5142K]
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  • 基于混合反向传播神经网络的双输出预测模型构建

    王琰帅;万承鹏;董必钦;王鹏辉;

    实现碱激发混凝土多种性能的同步准确预测是其广泛应用的重要条件。对此,提出了一种基于混合反向传播神经网络的双输出模型构建方法,以碱激发混凝土的28 d抗压强度和坍落度双参数预测为例进行阐述。通过元启发式优化算法(包括蚁群优化算法、遗传算法、灰狼优化算法和鲸鱼优化算法)对神经网络模型的初始权重和阈值进行优化,构建了包含前驱体成分、激发剂成分、骨料、养护条件和外加剂等11个输入变量的双输出模型。结果表明:4种算法优化后的混合神经网络模型在训练过程中均能实现对碱激发混凝土双性能的高精度预测。其中,蚁群优化–神经网络(ACO–BPNN)模型在性能评估时表现出最高预测精度,抗压强度和坍落度的R~2分别达到0.932和0.929。特征重要性分析显示,矿渣粉含量和粗骨料与细骨料质量比分别是对抗压强度和坍落度影响最大的因素。基于主成分分析的综合得分计算进一步从数据库中筛选出兼顾高抗压强度和高坍落度的配合比。本工作为双输出模型构建提供了新思路,尤其适用于碱激发混凝土的多性能同步预测场景。

    2026年03期 v.54;No.444 894-908页 [查看摘要][在线阅读][下载 5252K]
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  • AI赋能的混凝土材料基因数据库智能设计及应用

    刘楚瑶;罗梓轩;杨柳;胡金其;刘赞群;张增起;杨文萃;徐慧宁;陈梦妮;

    针对混凝土数据多源、异构、多尺度的特点,本工作面向材料数据管理、基因智能分析到材料智能研发的典型任务,建立一套AI赋能的混凝土材料基因数据库智能设计框架,框架以标准化的混凝土材料基因关系型数据库与图数据库为数据存储基础,设计分层密度聚类算法提取对混凝土材料典型性能产生重要影响的基因组结构。利用机器学习正向设计混凝土材料典型性能预测方法,R2相较其他机器学习模型提升约4%,实现了从特征选择、模型预测到贡献量化的可解释性推理路径,设计融合ACO与NSGA-Ⅱ的、以性能目标驱动的混凝土材料配比逆向优化算法,突破传统配比经验依赖与单目标优化局限,通过全局搜索避免陷入局部最优解。系统化智能化框架旨在突破传统数据库在材料计算与智能分析方面的瓶颈,可为材料基因智能化研究提供借鉴。

    2026年03期 v.54;No.444 909-921页 [查看摘要][在线阅读][下载 3211K]
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  • 水化铝硅酸钙织构模型与跨尺度力学性能演化机理

    周傲;卓靖博;余泽川;王振宇;刘铁军;

    水化铝硅酸钙(CASH)是铝掺杂水泥体系的主要黏结相,其纳米尺度的本征力学性能从根本上决定了宏观水泥基材料的性能上限,理解跨尺度构效关系有助于设计CASH性能提升策略。本工作旨在提出CASH由单晶到多晶的织构建模方法,阐明多尺度结构演化、Ca/Si与Al/Si耦合作用及多态水对CASH物理与力学性能的影响。开发了一种将粗粒化模型映射为全原子模型的跨尺度算法,由随机取向的CASH颗粒组成,展现出与实验一致的结构特征。分子动力学模拟表明,结构均质化是CASH由纳米尺度各向异性向亚微米尺度各向同性演化的根本机制。CASH亚微米结构在Ca/Si为1.50、Al/Si为0.10时力学性能最优,进一步提高Ca/Si会因桥联Si—O键减少而降低强度,而增加Al/Si对硅链连接和骨架影响有限。CASH的内聚力依赖颗粒间的接触,湿度作用下晶界区域的吸附水转变为自由水,削弱颗粒间内聚力,使强度降低超40.80%。在原子尺度上促进了对CASH亚微米多晶结构与力学行为的认识,有助于开发可持续、长寿命的水泥基材料。

    2026年03期 v.54;No.444 922-934页 [查看摘要][在线阅读][下载 9987K]
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  • 小样本深度学习优化固废基胶凝材料——以赤泥超硫酸盐水泥为例

    宁帅;王若愚;赵丹;马洋;王琳;侯鹏坤;杨波;程新;

    利用工业固废作为辅助胶凝材料部分替代水泥熟料可有效降低能耗和碳排放,开发了大掺量矿渣/粉煤灰水泥、超硫酸盐水泥等胶凝材料体系,实现了工业固废的高效利用、变废为宝。然而,仍有海量堆存赤泥、煤矸石等工业固废尚未得到有效利用,在制备胶凝材料时,普遍面临活性低、成分/性能波动大等难题。传统试错法难以应对其配比与性能间的复杂关系,而深度学习方法则常受制于小样本问题,且获得的单点最优配比难以适应原料波动。针对上述挑战,提出了一种基于小样本深度学习的胶凝材料配比优化方法,通过构建变分信息瓶颈预测模型,并结合配比可行域进行优化,以提升配比方案对原料波动的适应性。本工作以热活化赤泥替代矿渣制备超硫酸盐水泥为例。结果表明,该方法在小样本条件下成功获得了兼顾抗压强度与碳排放的配比可行域,为性能波动的工业固废在低碳胶凝材料中的应用提供了有效的品质控制方法。

    2026年03期 v.54;No.444 935-946页 [查看摘要][在线阅读][下载 3880K]
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  • 水泥基材料中钢筋腐蚀智能预测与风险分级

    吕余辉;纪豪栋;余倩倩;叶海隆;

    提出了一种融合物理先验知识与不确定性量化的高斯过程回归(GPR)框架,用于预测水泥基材料中钢筋腐蚀速率,并拓展至腐蚀风险等级划分与工程响应决策。通过在模型中嵌入电化学相关参数并开展不确定性评估,结果显示,该框架在预测精度、泛化能力及边界条件下的稳定性方面均优于传统GPR,尤其在高腐蚀环境中能够有效降低预测的系统性偏差。进一步分析表明,当水泥基材料孔溶液的氯离子与氢氧根离子浓度比处于0.2~0.6的区间时,模型的误差与不确定性显著增加,建议将该区间作为后续实验的重点关注范围。基于预测值及其置信区间,构建了包括常规监测、确认复核、谨慎使用与紧急应对的风险响应策略,以支撑耐久性评估与工程决策。

    2026年03期 v.54;No.444 947-956页 [查看摘要][在线阅读][下载 1140K]
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  • 锰离子在低钙固碳胶凝材料中的固溶倾向及对其碳化性能的影响

    武琦翔;王祚麟;王雨晗;李根深;刘松辉;管学茂;王心昊;刘彤景;朱建平;

    全球水泥工业的碳排放问题日趋严峻,冶金固废中重金属离子的迁移与积累也带来潜在环境风险。本工作以锰渣等典型固废中所含的锰(Mn)离子为研究对象,综合运用第一性原理计算与多尺度实验方法,系统探讨了Mn离子在低钙固碳胶凝材料(LCCB)中的固溶倾向及对其碳化硬化性能和碳化活性的作用机制。结果表明,Mn离子在LCCB各矿物相中倾向于取代Ca位点。适量Mn离子可显著提升材料的碳化硬化性能,在最优掺量下,碳化8 h后试样的抗压强度较空白组提高80.70%,孔隙率降至20.29%,CaCO_3生成量增加47.42%,方解石含量及其热稳定性提高,碳化反应放热增强。机理分析表明,Mn离子的掺杂降低了Ca—O键的总键序密度,削弱了晶格对Ca~(2+)的束缚,从而促进其溶出并加快碳化反应进程。本工作为含锰固废在高性能固碳材料中的资源化利用提供了理论依据与技术参考。

    2026年03期 v.54;No.444 957-969页 [查看摘要][在线阅读][下载 4846K]
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  • 基于集成学习与多目标优化的石灰石煅烧黏土水泥智能配比设计

    杨嘉轩;王仕奇;卓峰谊;弓扶元;

    石灰石煅烧黏土水泥(LC~3)以其低碳排放量和优异性能迅速成为新型胶凝材料的研究热点,但其性能常受到原料组分、处理工艺、制备方法等因素的影响,其中,基体配比是决定其性能的关键因素,基于此,本工作搜集整理了涵盖不同材料组分参数、制备条件、处理工艺的数据库,采用多种单一机器学习模型进行抗压强度预测,并通过贝叶斯优化优化各模型参数,提升模型性能,进而采用Boosting方法提升单一模型性能,得到性能良好的LC~3基体抗压强度预测模型,在此基础上,提出了结合抗压强度、成本与碳排放的多目标优化框架,并利用遗传算法获得LC~3基体的最优配合比。结果表明,该方法能够兼顾力学性能与可持续性,显著提升设计的科学性与工程适用性。本工作为新型低碳水泥材料的智能配比设计提供了有效思路。

    2026年03期 v.54;No.444 970-981页 [查看摘要][在线阅读][下载 2953K]
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  • 基于生成对抗的钢纤维混凝土强度预测及沙普利加性解释分析

    杨哲;张悦;徐衍;侯东帅;王攀;王慕涵;王鑫鹏;

    为研究多因素耦合作用下钢纤维混凝土(SFRC)抗压性能的影响机制,本工作采用机器学习方法对其抗压强度进行预测。研究基于141组样本和11个关键参数,构建并评估了多种ML模型,结果表明,这些模型在强度预测中具有较高精度。为解决试验数据有限的问题,引入生成对抗网络(GAN)进行数据增强,并显著提升了模型的泛化性能。进一步的SHAP分析表明,水泥与硅灰含量对强度影响最大,其配比直接作用于最终强度的发展。通过将ML建模、GAN增强与SHAP机理分析相结合,为SFRC的设计与工程应用提供了有效的预测工具和理论依据。

    2026年03期 v.54;No.444 982-992页 [查看摘要][在线阅读][下载 3752K]
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  • 基于干燥处理调控的水泥基材料碳化梯度形成机制

    洪舒贤;余欣禧;周隆炎;江侨侨;彭毅;王煦;范圣新;董必钦;

    利用二氧化碳养护水泥基材料可以提高其密实性及力学性能,是制备绿色低碳建筑材料的可行方案,需要形成有效的性能调控方法。然而,由于表征技术的缺乏,目前仍然缺乏有效调控孔隙含水空间分布及碳化梯度的方法,进而未能有效实现性能调控。因此,本工作利用X射线成像技术追踪监测水泥基材料失水前后密度变化和碳化前后衰减系数变化,并结合酚酞、热重和低场核磁的测试结果进行对比验证,最后揭示了预干燥时间对失水梯度和碳化梯度的影响机制,及其对早期强度的调控机制。结果表明,较短干燥周期样品总失水量少且失水梯度平缓(表面与内部失水均匀),此时表面的高残余含水量有利于原位碳化反应,但限制了CO_2向内部的传输,进而形成较高的表面碳化程度及较浅的碳化深度,即陡峭的碳化梯度。而长干燥周期样品总失水量大且失水梯度陡峭(表面失水量增大),表面的低残余含水量有利于CO_2扩散,但会抑制钙离子溶解,最终表面碳化程度相对较低但碳化深度增大,即形成平缓的碳化梯度。陡峭的失水梯度驱动CO_2向内部扩散,提升整体碳化反应程度,可显著降低总孔隙率,孔隙率的降低提升了材料抗压强度。

    2026年03期 v.54;No.444 993-1005页 [查看摘要][在线阅读][下载 2586K]
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  • 基于计算机视觉的净浆流动扩展过程表征

    尹锐;刘建忠;夏薇薇;申健;李洪文;周新文;

    为解决传统水泥净浆流动扩展过程表征存在的数据处理依赖人工、操作繁琐和耗时较长等不足,提出了一种基于计算机视觉的流动扩展过程高精度表征方法。以Segment Anything Model 2(SAM2)为核心,采用You Only Look Once v11(YOLOv11)模型确定提示点,通过透视变换与光线折射的双重几何校正方法降低误差。结果表明,计算的最终扩展度与试验结果高度一致(平均绝对误差<1 mm),同时能够获取扩展度、速率随时间变化的曲线。对这些动态过程信息的分析,有助于更加全面地表征净浆的流动行为,为反演净浆的流变性能提供了数据基础。

    2026年03期 v.54;No.444 1006-1015页 [查看摘要][在线阅读][下载 1829K]
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水泥基材料基因与智能设计专题_水泥基材料基因与智能设计专题—综合评述

  • 人工智能驱动可持续混凝土:方法、机遇、挑战

    姜占;滕乐;童昕阳;程博远;元强;龙武剑;蒙维娜;保义;

    人工智能(AI)技术为可持续混凝土研发开辟了新途径,能够在保障材料性能的同时,有效平衡成本、碳足迹和能耗等可持续性指标。本文系统回顾了面向可持续混凝土的AI技术,重点讨论了其可解释性和可信赖性提升方法。首先,总结了传统AI与先进AI方法在提升混凝土可持续性方面的应用现状;随后,分析了数据“质”与“量”、预测可靠性、多目标优化设计以及更广泛的社会性考量等当前面临的关键挑战;同时探讨了将AI与机理模型、全生命周期评估模型及信息物理系统相结合,以实现自动化与自适应混凝土生产的潜在路径;最后,提出了未来的研究方向,并规划了基于AI的可持续混凝土基础设施发展路径。旨在启发研究人员与工程师利用AI技术,共同推动绿色建筑环境的构建。

    2026年03期 v.54;No.444 1016-1031页 [查看摘要][在线阅读][下载 2388K]
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研究论文

  • 注射成型结合热等静压制备高性能细晶氧化锆增韧氧化铝陶瓷

    熊新锐;应纪昀;刘子玉;刘鹏;杨现锋;谢志鹏;

    采用注射成型结合热等静压烧结(HIP)工艺制备了细晶氧化锆增韧氧化铝(ZTA)陶瓷,研究了骨架黏结剂及固相含量对喂料流变性能的影响;使用热重–红外联用技术分析喂料中黏结剂的热分解行为;研究了ZTA陶瓷经过不同温度空气预烧及HIP处理后的微观形貌和力学性能。结果表明:以聚丙烯为骨架黏结剂的喂料呈现典型的剪切稀化流变行为,固相含量为56%(体积分数)时,喂料具有最低非牛顿指数;黏结剂混合未改变其降解顺序及产物,说明黏结剂之间具有良好的工艺兼容性;经过1500℃空气预烧结合1450℃HIP处理获得的ZTA陶瓷综合力学性能最优:其相对密度为98.81%(4.15 g/cm~3);硬度为(21.73±0.42) GPa;抗弯强度为(656±24) MPa。采用该工艺制备的陶瓷劈刀具有良好的精度及表面光洁度。

    2026年03期 v.54;No.444 1032-1041页 [查看摘要][在线阅读][下载 2925K]
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  • Cu置换及LiF辅助对CoTi0.2Zr0.8Nb2O8陶瓷低温烧结及微波性能的影响

    曲奇;马兴华;张振路;

    A~(2+)B~(4+)Nb_2O_8体系(A=Co、Ni、Zn等;B=Ti、Zr等)因优异的微波介电性能备受关注,但烧结温度过高,严重阻碍其在LTCC领域的应用。本工作采用Cu~(2+)部分置换Co~(2+)的策略,成功制备了Cu_xCo_(1–x)Ti_(0.2)Zr_(0.8)Nb_2O_8(0.0≤x≤0.3)陶瓷体系。通过系统分析不同组分陶瓷的品质因数(Q×f),确定Cu~(2+)最优置换量(x=0.2)。在此基础上,进一步引入Li F作为烧结助剂,成功将Cu_(0.2)Co_(0.8)Ti_(0.2)Zr_(0.8)Nb_2O_8陶瓷的烧结温度降低至950℃。结果表明,添加30%(摩尔分数)Li F的Cu_(0.2)Co_(0.8)Ti_(0.2)Zr_(0.8)Nb_2O_8陶瓷在950℃烧结温度下不仅表现出优异的银电极兼容性,同时展现出最优的微波介电性能:ε_r=30,Q×f=44,571 GHz,τ_f=–42.0×10~(–6)/℃。

    2026年03期 v.54;No.444 1042-1051页 [查看摘要][在线阅读][下载 2752K]
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  • 氧化锆四方到单斜相变的原子弛豫机制

    孙雨萌;罗文东;张思岩;孙鲁超;王杰民;王京阳;

    抑制氧化锆在高温时从四方相到单斜相的相变过程是其作为热障涂层等高温结构材料领域应用的核心需求。目前,实验上广泛采用掺杂的方法实现这一目标,但是对于抑制相变的动力学原理尚不清楚。基于第一性原理计算和过渡态搜索的方法,系统研究了氧化锆从四方相向单斜相转变的可能路径和不同相变路径对应的能垒和原子弛豫机制。计算结果表明,单斜相中3配位和4配位氧原子混合的结构比四方相全4配位氧原子结构具有更高的平均键合强度,是其低温下热力学稳定的根源。四方相向单斜相转变有2条路径:第1条路径以原子面切变方式一步转变为单斜相,对应能垒低(2.4 meV/f.u.)、动力学阻力小;第2条路径以一个亚稳相过渡,经历配位数改变和不同配位氧原子空间分布重构2步完成,相变过程最高能垒达27.03 meV/f.u.。不同配位氧原子空间分布重构对应的能垒远大于配位数改变的能垒,是阻碍四方相向单斜相转变的重要动力学机制。

    2026年03期 v.54;No.444 1052-1062页 [查看摘要][在线阅读][下载 1811K]
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  • 多组分共掺杂In2O3基陶瓷靶材的显微结构与电性能

    李婷;吴芳洲;许积文;杨玲;朱归胜;徐华蕊;

    为满足太阳能电池对高迁移率透明导电氧化物薄膜的需求,本工作提出一种利用ZrO_2、CeO_2、Ta_2O_5和TiO_2多组分共掺杂方案,制备In_2O_3基陶瓷靶材(IZCTO),并研究烧结温度和时间对靶材结构与性能的影响。结果表明,IZCTO靶材呈现单一立方铁锰矿In_2O_3相结构,具有细小致密堆积的晶粒及均匀的元素分布。随着烧结温度升高和保温时间延长,靶材中的气孔得到有效消除,致密性显著提升。尤其在1550℃烧结6 h后,靶材的综合性能达到优异水平,其相对密度高达99.35%,电阻率低于1.181×10~(–3)Ω·cm。因此,本工作设计及制备的IZCTO靶材可为磁控溅射沉积高迁移率TCO薄膜提供研究基础。

    2026年03期 v.54;No.444 1063-1071页 [查看摘要][在线阅读][下载 2645K]
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  • 基于碘化胍体相掺杂的碳基钙钛矿太阳能电池性能调控

    朱粮苹;赵文燕;付少剑;田传进;张彩龙;韩曦曦;刘钰旻;汪长安;谢志鹏;

    无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池(C-PSC)因其制造成本低、稳定性好和制造工艺简单而成为商用太阳能电池的有力竞争者。然而,基于一步溶液法制备的钙钛矿薄膜依然存在由薄膜质量引起的效率和稳定性问题,这将会阻碍其商业化进程。为了解决这些问题,本工作引入胍盐(GAI)以调节钙钛矿结晶过程,改善薄膜质量。GAI能够少量掺入钙钛矿晶格,且通过形成强氢键网络(N—H…I)抑制缺陷生成,稳定晶格结构。此外,GAI被证明能够促进薄膜生长、减少体相缺陷以及抑制载流子的非辐射复合。结果表明,基于GAI掺杂的器件实现了17.33%的功率转换效率,而对照组仅为15.7%。同时,器件的稳定性也得到了较大的提升,未封装的器件在空气中存放600 h后,掺入GAI的器件保持初始效率的95%,而对照组不足90%。这为开发高效、稳定的碳基钙钛矿太阳能电池提供了新的思路。

    2026年03期 v.54;No.444 1072-1082页 [查看摘要][在线阅读][下载 2681K]
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综合评述

  • 泡沫前驱体制备高性能陶瓷的研究进展与展望

    杨金龙;赵士晖;乔坚栗;陈鹏非;李泳娇;张由飞;李昊;董晔;张晨;夏尊;陈哲;席小庆;

    泡沫前驱体制备高性能陶瓷工艺是结构陶瓷领域的一个新兴的研究方向。本文阐述了该制备方法在多种陶瓷体系中的应用,包括氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化硅、碳化硼等陶瓷。探讨了其对陶瓷微观结构、力学性能的影响以及增韧增强机制,并分析了不同工艺参数的作用。研究表明,该方法能有效调控陶瓷微观结构,显著提升陶瓷的强度和韧性等性能,在众多领域具有广阔的应用前景。同时,对未来研究方向进行了展望,为该领域的进一步研究提供参考。

    2026年03期 v.54;No.444 1083-1096页 [查看摘要][在线阅读][下载 2175K]
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  • 钛酸钡基压电材料的压电催化研究进展

    梁乾森;谢兵;高文鹏;刘智勇;姜胜林;张海波;

    随着社会经济的快速发展,能源短缺和环境污染等问题日益凸显,压电催化技术得以发展。钛酸钡(BaTiO_3)因其优异的压电性能、较低的制备成本与良好的机械稳定性,被广泛应用于压电催化领域。当前,BaTiO_3基压电材料的应用研究主要集中在降解有机污染物、分解H_2O制H_2、生产H_2O_2以及医学应用等方面。随着研究的深入,BaTiO_3基压电材料在压电催化应用领域的研究也逐渐拓展到了CO_2还原、氮气(N_2)固定、重金属离子去除等新兴领域。本文围绕BaTiO_3基压电材料,首先讨论其压电催化机理,然后介绍其能量来源。随后,将集中探讨BaTiO_3在压电催化领域的众多应用,系统回顾其在污染物降解(如有机染料和抗生素降解)、能源制备(如H_2O_2、H_2制备)、CO_2还原、固氮以及医学等多个领域的重要进展,深入分析BaTiO_3基压电催化剂在应用中面临的挑战,并探讨潜在的优化策略,以推动其在压电催化中的进一步发展和应用。

    2026年03期 v.54;No.444 1097-1116页 [查看摘要][在线阅读][下载 5339K]
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  • 面向工程应用的先进结构陶瓷材料强度可靠性研究进展

    曹娟;吴西士;刘泽华;裴兵兵;韩建燊;刘欢;杨亦天;吴海波;黄政仁;

    先进结构陶瓷材料具有良好的耐磨耐腐蚀性能,高比强度,高温蠕变小,高导热和低密度等优点,是高新技术或重大工程中的关键材料。先进结构陶瓷材料实现工程化应用最大的挑战就是保持其高的可靠性以实现更稳定的机械性能。然而先进结构陶瓷材料因自身脆性以及由材料组成、晶粒尺寸及缺陷分布不均匀所导致的强度离散等可靠性问题,限制了其作为工程结构材料的更广泛应用。基于工程应用的迫切需求及潜在的实际应用价值,文章梳理归纳了先进结构陶瓷材料断裂强度可靠性理论基础、评价方法和提升方法,并对先进结构陶瓷断裂强度可靠性改善途径进行了讨论,最后对未来高可靠性先进结构陶瓷的发展方向进行了展望。

    2026年03期 v.54;No.444 1117-1132页 [查看摘要][在线阅读][下载 4414K]
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  • 纳米多孔氧化铝隔热材料研究进展

    刘阳明;冯军宗;姜勇刚;李良军;胡艺洁;冯坚;

    纳米多孔氧化铝隔热材料主要包括氧化铝气凝胶隔热材料和纳米氧化铝压制隔热材料等,其具有低密度、低热导率、耐高温的特点,在工业及航空航天等领域具有广阔的应用前景。氧化铝气凝胶隔热材料目前主要通过溶胶凝胶法结合干燥技术进行制备,研究方向聚焦在前驱体合成、干燥方式以及增强体/遮光剂复合的优化等方面,而纳米氧化铝压制隔热材料则主要采用干法和湿法成型2种工艺进行制备,研究重点在于保证隔热材料较低密度的同时实现其热导率低、耐高温和力学性能的提升。本文综述了纳米多孔氧化铝隔热材料在制备工艺及性能提升方面的研究进展,对存在的问题进行了分析,展望了未来的研究方向。

    2026年03期 v.54;No.444 1133-1147页 [查看摘要][在线阅读][下载 2837K]
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  • 锌离子电池正极材料MnO2/rGO的研究进展

    乔明涛;刘畅;苟倩誌;田玉蕾;魏剑;

    锌离子电池(ZIBs)因环境友好、成本低、容量高且氧化还原电位适宜等优点,在可再生能源中展现出广阔的应用前景。与锌负极相匹配的众多正极材料中,锰氧化物价态多样、价格低廉,成为当前最有潜力的正极材料。然而,锰氧化物仍存在着结构坍塌、电极溶解和副产物复杂等问题,同时,ZIBs的储能机理存在争议,严重制约了锰氧化物正极材料的进一步发展。还原氧化石墨烯(rGO)具有独特的二维结构和优异的柔韧性、导电性,使其可作为导电基底与锰基氧化物复合。这不仅提高了锰氧化物的比容量,还能改善MnO_2的比表面积,防止团聚。本文综述了MnO_2/rGO纳米复合材料在锌离子电池正极材料方面的研究进展;对比分析3种不同晶型MnO_2(α、δ和γ)的结构特点,探讨出最适合ZIBs的MnO_2晶型;揭示出最有益于电池循环稳定性的MnO_2/rGO制备方式;探寻储能机理中的共性规律;并对高性能ZIBs正极材料的发展方向与优化策略进行展望。

    2026年03期 v.54;No.444 1148-1160页 [查看摘要][在线阅读][下载 3265K]
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  • 普鲁士蓝材料在水系离子电池中的研究进展

    罗雯;许骥玉;傅凯;蔡红伟;

    水系离子电池由于具有低成本和高安全性等优点,在规模储能场景下被认为具有广阔的应用前景,近年来发展迅速。在各种水系离子电池电极材料体系中,普鲁士蓝类似物(PBAs,A_2T[M(CN)_6],其中,A=Li, K, Na; T=Fe, Co, Ni, Mn, Cu,等;M=Fe, Mn, Co,等)由于其大的开放框架、丰富的离子嵌入位点和易于制备的特点,已经成为具有良好电化学性能的、有发展前景的材料之一。本文系统总结普鲁士蓝类似物材料的结构、合成策略以及其在水系锂离子、钠离子、钾离子、铵根离子和质子电池中的应用,同时,还指出了PBAs材料在未来作为水系离子电池电极材料发展中存在的关键挑战。

    2026年03期 v.54;No.444 1161-1176页 [查看摘要][在线阅读][下载 3274K]
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  • 第16届无机非金属材料专题研讨会暨无机非金属材料学科优秀青年学者论坛第一轮通知

    <正>为了促进学科繁荣与发展,充分发挥中国硅酸盐学会的学术交流优势,以及《硅酸盐学报》、Journal of Materiomics、《无机材料学报》和npj Computational Materials作为开展学术交流、学术争鸣重要园地的作用,第16届无机非金属材料专题研讨会暨无机非金属材料学科优秀青年学者论坛将于2026年9月4日~6日在上海市举办。本届研讨会由中国硅酸盐学会主办,中国科学院上海硅酸盐研究所、关键陶瓷材料全国重点实验室、功能晶体与器件全国重点实验室等承办。

    2026年03期 v.54;No.444 816页 [查看摘要][在线阅读][下载 388K]
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  • 《硅酸盐学报》电化学储能材料计算与设计专题

    <正>1.专题介绍在电化学储能材料开发过程中难以满足产业界对高性能材料的迫切需求,且单一尺度/精度的计算方法难以应对当前电化学储能材料设计中所面临的化合物种类庞杂、数据多源异构和多目标性能评估等挑战。因此,为了突破瓶颈,通过智能计算与优化设计衔接基础理论知识和科学问题,研究模式由“经验指导实验”向“数据驱动建模与性能预测的AI赋能材料设计”转变已成为新的研究范式。

    2026年03期 v.54;No.444 1178页 [查看摘要][在线阅读][下载 314K]
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