国家自然科学基金重点项目中期成果专题（2025）
专题论文汇编
无机非金属材料学科重点项目资助成果与改革举措
谭业强;郝亚楠;<正>无机非金属材料是现代工业与高科技发展的基石，不仅引领着第三代半导体、固态电池、量子信息等新兴领域，也为航空航天、集成电路、生命健康、能源环境等国家重大战略需求提供关键支撑，是我国实现高水平科技自立自强的重要保障。国家自然科学基金委员会工程与材料科学部无机非金属材料学科以“有限目标、有限规模、重点突出”为原则，针对学科已有较好基础的研究方向或学科生长点，以重点项目的形式支持开展深入、系统的创新性研究。自1991年起，学科共计资助重点项目259项，近十年年均资助9～12项。围绕国家战略需求与领域发展前沿，资助领域涵盖功能陶瓷、信息材料、能源材料、晶体材料、生物材料、超导与磁性材料、结构陶瓷、超硬材料、复合材料和基础材料等研究方向。通过统筹重要类型项目管理，学科持续优化资助布局，推动无机非金属材料前沿交叉与重大需求领域的发展与突破，提升服务国家重大需求能力。
Fe位Co掺杂Fe_2VAl全哈斯勒合金的热电磁性能
周龙;余健;梁栋;叶先峰;贺丹琪;聂晓蕾;魏平;赵文俞;张清杰;热电磁材料是新型热电/磁卡复合制冷技术的关键材料，但目前常用的磁卡/热电复合材料存在异质界面扩散反应恶化综合性能的问题，研制具有本征热电磁性能的单相材料对推动该技术发展具有重要意义。本研究采用电弧熔炼方法制备了系列名义组成为Fe_(2–x) Co_x VAl(x=0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0)的全哈斯勒合金，系统研究了Co掺杂对其物相组成、磁热性能和热电性能的影响。结果表明，所有Fe_(2–x) Co_x VAl合金均为单相材料，Fe位Co掺杂可以显著提高Fe_(2–x) Co_x VAl合金的居里温度，x=1.5和2.0样品的居里温度分别提高到210 K和287 K，在2.5 T磁场下的最大磁熵变分别为1.04 J kg~(–1)·K~(–1)和0.81 J kg~(–1)·K~(–1)；发现Co掺杂可同时显著提升电导率和Seebeck系数，同时晶格热导率明显下降，材料zT大幅提升；x=0.5样品的最大z T在600 K时达到0.073，比Fe_2VAl基体提高了260倍。表明Fe位Co掺杂可以协同调控Fe_2VAl基全哈斯勒合金的磁热性能和热电性能。
织构化氧化铝陶瓷的烧结机制
陈晗;王研;毛小建;章健;王士维;在传统模板晶粒生长法中，多模板相互碰撞与基体粗化是氧化铝陶瓷织构化的主要形成机制。通过将不同晶面取向[A–(110)、C–(001)、M–(100)、R–(012)]的氧化铝单晶片埋入多晶颗粒堆积体，在无液相添加的固态烧结条件下制备单晶–陶瓷复合体，揭示了单晶片的吞并生长现象及诱导晶粒定向机制。不同温度下的显微结构演变结果表明，未掺杂Mg O烧结助剂时，A、C晶面单晶径向吞并距离相近，约为200μm；掺杂Mg O助剂后可抑制晶粒异常生长并致使吞并距离较未添加体系显著降低(115～118μm)。电子背散射衍射表征发现，C晶面界面处存在400μm的梯度取向分布，远超其物理吞并范围，而A晶面诱导范围仅200μm。这种差异源于氧化铝在C轴方向具有更大的热膨胀系数，所产生的内应力驱动周围晶粒再取向。因此，单晶对多晶的定向作用包含双重机制：基于晶界能量最小化的局部吞并；由各向异性热应力产生的长程取向诱导作用。单晶模板吞并与非接触长程诱导取向协同烧结机制为使用模板晶粒生长法制备织构化氧化铝透明陶瓷提供了理论依据。
圆形截面、高性能单壁碳纳米管纤维的可控制备
柳钰可;张有权;石超;侯鹏翔;刘畅;单壁碳纳米管纤维(SWCNTF)具有低密度、高电导率、高强度、高韧性等优点，被认为是高频交流传输线、电磁屏蔽、天线、轻量化增强用理想候选材料。然而，传统湿法纺丝制备的SWCNTF易形成皮芯结构导致其径向结构不均匀、多褶皱，限制了其性能提升和实际应用。针对以上问题，本研究选择N-甲基吡咯烷酮作为凝固浴，降低氯磺酸和凝固浴之间的双扩散速率，显著抑制皮芯结构形成，获得了圆形截面SWCNTF；通过调节凝固浴的成分，提高纤维的最大拉伸比，进一步提高了纤维的电学性能和力学性能。与以丙酮为凝固浴制备的SWCNTF相比，本研究所得纤维的截面圆形度提高了135%，其拉伸强度和弹性模量分别提高了41%和133%。
从生物矿化到碳矿化：仿生材料制备新策略
陈靖泽;徐信刚;刘志超;杨露;胡曙光;王发洲;自然界历经数十亿年的自然选择，孕育出具备精妙微观结构、优异力学性能与独特功能特性的生物材料，其温和的制备过程和极高的资源利用效率，为人造材料的发展提供了重要借鉴。然而，当前关于仿生材料的研究存在性能与能耗之间的矛盾，呈现出“性能优先”与“工艺滞后”的失衡局面。而碳矿化材料作为一种将气态CO_2矿化转化为固态碳酸钙的新型无机非金属复合材料，具有反应条件温和、高强高耐久、组成结构可调控等优势，又称为可设计的人造石材，即Engineered LimeStone(ELS)，成为仿生材料绿色制备的理想载体。本文总结了仿生材料制备的最新研究进展，综合分析了性能、能耗、效率等指标，并对仿生材料的未来发展趋势进行展望，提出了基于碳矿化体系的仿生材料制备策略。
3D打印混凝土流变性能调控研究进展
张泽的;贾子健;贾鲁涛;赵倚琳;王伟;张亚梅;陈宇;近年来，混凝土3D打印技术因其自动化程度高、效率高且经济性好等特点，在建筑领域受到广泛关注。然而，该技术对流变性能提出了更为严格的要求，材料需在泵送与挤出阶段具备良好流动性，同时在建造阶段表现出优异的可建造性。深入理解流变性能的演变规律与作用机制，是制备高性能3D打印混凝土并保障其可打印性的基础和关键。为此，本文首先介绍了3D打印混凝土的主要流变参数及测试方法；然后从颗粒间作用力和水化反应两方面探讨了流变性能的演变机制；进而以2种典型的具有不同物化性质的固废钢渣粉和再生砖粉为例，分析了其对水泥基材料流变性能的影响和调控机制，同时分析了3D打印工艺中剪切作用对流变性能的影响。最后，对未来的研究方向进行了展望。该文可为3D打印混凝土的流变性能调控和打印工艺优化提供理论依据与实践指导。
高温度梯度凝固成形超高温氧化物共晶陶瓷组织演变及力学性能研究进展
姜浩;苏海军;余明辉;王若彤;申仲琳;郭一诺;张卓;郭敏;为满足航空发动机等高端装备对超高温结构材料的严苛需求，基于熔体生长，兼具高熔点、优异抗氧化/耐腐蚀性能的氧化物共晶陶瓷已成为高温长时服役的关键候选材料。然而，如何突破氧化物共晶陶瓷大尺寸构件成形、凝固缺陷控制、强各向异性小平面共晶取向调控、以及强韧化等是推进该类材料工程化应用的关键。本文概述了提拉法、激光悬浮区熔、激光定向能量沉积及激光粉末床熔融4种制备超高温氧化物共晶陶瓷凝固成形技术的原理与发展现状，介绍了凝固过程中缺陷的形成机理和控制策略。重点阐述了氧化物共晶陶瓷的凝固组织演变规律与均细化调控方法、晶体取向选择影响因素和调控机制，以及氧化物共晶陶瓷的室温/高温力学性能与失效机理、高温组织稳定性及高温熔盐腐蚀性能研究进展。最后，展望了超高温氧化物共晶陶瓷在高梯度凝固成形、非平衡凝固缺陷抑制和多级协同强韧化3个方面的发展趋势。
中/高熵碳化物陶瓷及其基体/涂层改性碳/碳复合材料研究现状与展望
李佳宸;张雨雷;李涛;张建;付艳芹;吕君帅;李贺军;碳/碳(C/C)复合材料超高温环境下的抗烧蚀性能提升是实现其作为高速飞行器热防护部件应用的前提。然而，传统硅化物及碳化物陶瓷改性C/C复合材料存在高温稳定性不足、长寿命抗烧蚀性能差及防护温区窄等问题。近年来，中/高熵碳化物(M/HEC)陶瓷独特的“四大效应”以及成分和微观结构的可调性，赋予了它们比传统硅化物及碳化物陶瓷更优异的综合性能，这为解决上述问题提供了新思路。本文综述了M/HEC陶瓷以及M/HEC基体/涂层改性C/C复合材料的制备方法及其对材料结构和性能的影响，概述了不同烧蚀组元对复合材料抗烧蚀性能的影响规律，并对M/HEC陶瓷及其改性C/C复合材料未来发展提出了展望。
无机非金属类红外透明导电薄膜的研究进展
吴彬;段超;黄易;高岗;朱嘉琦;无论在军事领域还是民用领域，3～5μm和8～12μm波段在红外探测成像、空间光通信以及红外传感等关乎国家发展、国防安全、民生改善等技术领域具有重要的应用前景。飞行器红外探测制导前端的整流罩既要高红外透过率又需要高电导以实现电磁屏蔽，同时红外光调制器需要低损耗导电薄膜以制备高效、低能耗且尺寸小的调制器单元，因此，发展红外波段的透明与导电薄膜材料具有重大意义。本文系统阐述了薄膜红外透明与导电性能之间的矛盾与协同原理，随后回顾了该领域具有代表性的研究进展，最后对这类功能薄膜材料的未来发展方向及应用前景进行了总结与展望。