材料領域的登高者
——高性能陶瓷和超微結構開放實驗室

為促進我國高性能陶瓷的研究和發展，擴大我國在該領域中的影響，1988年4月，經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構開放實驗室；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構國家重點實驗室。實驗室充分發揮在無機材料設計、制備、工程應用方面的基礎和優勢，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新成果，科研綜合競爭力得到持續提升。

1.在新材料性能預測、結構設計與快速篩選、多場/多功能超微結構分析表征新技術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研究平臺，發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構設計與熱力耦合計算方法，推進了能量存儲與轉換材料、高溫結構陶瓷、陶瓷基復合材料的研發。

面向組合材料芯片和快速篩選技術需求，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；提出了融合計算和數據庫的組合化學新方案，實現了復合摻雜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鍵材料的快速篩選與優化。面向微結構表征的精細化、多信息化發展需求，實驗室建立了高/低溫場和力/電原位TEM表征技術、基于MEMS驅動的納米變形原位表征技術、基于GIFEELS能量過濾系統與CL陰極發光光譜儀相融合的微區元素組成/化學態/能級結構/缺陷/發光性能的多信息表征技術以及TEM結構-組成-性能統計映射表征新方法。發展了掃描電鏡-電化學原位測試表征新技術，解決了電極表面微區氧化/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

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構的影響機制，提出并建立了孔道構建反應熔滲與原位反應相結合的制備新方法，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難題；通過構建氣孔/碳連續雙相網絡互穿結構，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極限尺寸的技術局限性，實驗室提出了陶瓷/陶瓷以及陶瓷/金屬焊接技術方案，通過界面結構和浸潤性的設計與調控，成功實現了超大尺寸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光學部件制備關鍵技術。通過控制β-Si3N4低溫轉化生長，實現了具有高氣孔率、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。

Cf/SiC復合材料構件成功應用于航空動力系統以及“高分二號”等型號衛星的高分辨空間遙感系統；大尺寸SiC光學部件在11顆衛星、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”等衛星相機焦平面溫控技術中，在軌溫度穩定度達到±0.4℃，顯著優于±2℃的設計要求。結構功能一體化陶瓷材料和復合材料制備技術的突破，使我國在該領域的研制能力達到國際先進水平，打破了國外關鍵材料禁運和技術封鎖的局面，為我國航空航天技術的跨越發展提供了關鍵材料保障。

3.在電熱輸運新效應、光電與熱電材料結構設計與性能優化原理等方面取得原創性成果

實驗室將實驗研究與理論計算緊密結合，聚焦能量轉換材料的微觀輸運機制關鍵科學問題，發展了互為制約多種物理量的“雙結構功能區”的晶體結構設計思想和“類液態”與“贗立方結構”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；建立了熱電器件優化設計與集成新技術，器件轉換效率達12%，為國際報道最高水平；逆向運用原子“相似相聚”規律，提出了多元材料體系制備的熱力學逆向設計原則，發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），并實現了技術轉讓。

實驗室將量子力學方法與熱力學相結合，揭示了鋰空氣電池中界面電荷轉移、界面作用能及催化劑表面結構對Li2O2分解動力學的影響規律以及催化劑過電位降低的本質，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，成功預測了Co3O4、TiC、TiN、Mo2C等兼具高活性和高循環穩定性的新型催化劑。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，取得了系列創新性成果

基于臨床腫瘤高效、精準診療的關鍵科學問題和對生物醫用材料的特殊要求，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，實現了介孔硅基載體的可控降解，實現了腫瘤特異性、高效、精準診療功能，并利用雜化載體實現了逆轉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，成功實現功能納米顆粒高效、安全的“無毒”腫瘤治療。

實驗室發現了生物材料的多級微結構與活性離子協同促進骨再生效應，發展了具有“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控成骨”新假說，闡明了生物活性材料通過調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，賦予生物材料表面特定的生物活性和功能，建立了具有“可調控生物學響應”的材料表界面構建原理，發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品開發。

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

實驗室揭示了材料表/界面結構、電荷轉移特征、吸附性能等對材料化學與物理性質的影響機制，支撐和推進了環境催化材料、能源材料、生物醫用材料的納米結構設計與性能提升；發現了納米結構光熱協同催化的作用機制和光熱協同催化新效應，成功利用光-熱互補特性大幅提升了催化效率，并實現了光激發下催化劑的可再生；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制氫兩種新途徑，開辟了光催化材料研究新方向；提出了構建以缺陷型半導體、原子尺度異質結構和多組分協同作用的創新思路，發展了多種新型太陽能轉換光催化體系；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，在骨缺損修復、生物醫用紙、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域具有良好的應用前景。

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