固废利用与高性能陶瓷团队主要从事煤系固废资源化、冶金废渣的综合利用、碳材料的热防护涂层、先进功能陶瓷、金属材料热处理、机械零部件失效分析、燃烧合成技术、多孔材料、高性能激光薄膜、摩擦纳米发电机等为主要方向开展研究。
冶金废渣的综合利用：主要研究大宗固体废渣的大规模消纳，废渣规模处理的短流程和绿色低碳还原工艺，有价元素充分综合利用的全生命周期过程。以铜渣、粉煤灰等大宗废渣为主要研究对象，通过熔融还原法或湿法浸出工艺对废渣进行综合利用。研究的关键问题是根据固废中有价元素的种类和含量直接制备目标产品，流程短，减少元素分离环节，使各种元素分相富集，直接得到高价值产品。基于铜渣中同时含有铜铁，提出氢气还原铜渣直接制备铜铁合金的短工艺流程。铜铁合金兼具铜和铁的优良性能，可作为铜源制备含铜铸铁和含铜钢，避免铜的偏析。工艺充分利用高温铜渣的潜热，在熔融铜渣中通入氢气一步还原得到铜铁合金，锌铅在烟气中回收，将铜渣中各金属元素分相富集利用，高温尾渣直接缓冷制备水泥、耐火砖等建筑材料，实现铜渣利用的高值化、无渣化和短流程化。
先进铁电功能陶瓷：采取模拟仿真和实验设计相结合的手段，主要研究铁电陶瓷材料的介电和储能特性。在模拟仿真方面，开发了适用于线性电介质、铁电材料、复合电介质材料击穿分析的相场模型，为高耐压电介质材料的设计提供指导。利用有限元方法，可以模拟铁电材料电滞回线，设计多层储能陶瓷电容器的电极结构等。基于模拟仿真结果，通过组合铁电陶瓷的结构和组分优化，设计并制备了用于储能的层状介质陶瓷，根据不同层电介质材料的特点，优化了内电场的分布，同时结合界面效应，大幅地提高了电介质陶瓷的击穿场强，从而获得了超高的储能密度。进一步地，基于电极结构优化的仿真结果，设计并制备了多层储能陶瓷电容器，并通过两段式烧结工艺的优化，最终获得兼具高击穿场强、高能量密度、高储能效率和高可靠性的多层储能陶瓷电容器，极大的推进了储能陶瓷电容器的实际应用。此外，通过成分设计，制备出在-55℃至545℃超宽温度范围内满足介电常数变化率小于±15%的介质陶瓷，为陶瓷电容器在超高温领域的应用奠定基础。
碳材料陶瓷涂层：碳材料包括碳/碳复合材料、石墨等，具有低密度、高温力学性能、优异的高温抗热震性能等优点，在航空航天工业中得到了广泛的应用。然而，碳结构材料在高温下容易与氧发生反应，导致致命缺陷，使其现有结构遭到破坏。因此，随着碳结构材料需求的广泛增加，碳结构材料的抗氧化性成为其广泛应用的关键。对于抗氧化涂层来说，涂层对碳基体的氧化防护是一个动态过程，其氧化防护质量的好坏既与涂层制备工艺相关，又与涂层组分及结构在氧化环境下的氧化损耗与动态稳定性相关，导致碳等易氧化先进结构材料表面高质量抗氧化涂层的制备极为困难。
本方向依据高阻氧涂层概念，创建涂层高阻氧评价体系，提出从静态阻氧和动态阻氧两个方面来提升涂层抗氧化能力的新思路，依据过渡族金属硼化物与硅化物的特性，利用放电等离子烧结工艺在碳材料表面制备抗氧化涂层，通过涂层组分的精确调控与优化，综合优化涂层在宽温域下的结构阻氧和惰化阻氧能力，降低涂层氧化损耗，提升复相玻璃层的密封性，降低氧气渗透率，提升涂层的抗氧化能力。
难熔金属表面硅化物基高温抗氧化涂层：难熔金属铌、钼、钨、铼、钽等具有较高的熔点，适中的密度，良好的导热性能以及优异的高温力学性能，一直被认为是航空航天以及核工业中高温结构件的重要候选材料。但是难熔金属较差的抗氧化性限制了其在高温环境下的应用，例如，在600℃环境下，铌表面生成的粉状氧化物不断剥落并导致合金发生破裂。因此，难熔金属的抗氧化防护成为当下全球的研究热点。
二硅化钼作为一种非常有潜力的高温材料，在高温含氧环境下（8000-1700℃）其表面会形成一层具有良好流动性和低氧扩散性的二氧化硅薄膜，能有效密封涂层表面孔洞和裂纹。本方向基于硅钼棒的高温抗氧化特性，在钼和铌等金属表面制备厚度可控，形貌致密，结合良好的高温抗氧化涂层。通过添加具有高熔点、低热膨胀系数的难熔金属氧化物，减少涂层中裂纹的生成，提高复相氧化膜的高温稳定性，降低氧气渗透率，改善阻氧性能。通过研究涂层在宽温域（1200-1500℃）的扩散层生长行为，建立对应的扩散层生长动力学模型，为难熔金属表面新型硅基抗氧化涂层的开发和应用提供理论支撑和技术支持。
燃烧合成制备二硅化钼：1967年，前苏联科学家Merzhanov等人在研究钛硼混合坯块燃烧时发现固体火焰现象，命名为自蔓延高温合成(Self-propagation High temperature Synthesis，SHS)，后统称燃烧合成(Combustion Synthesis，CS)，根据燃烧模式不同，CS分为SHS、TE（热爆反应）和SCS（溶液燃烧合成）三类，已经用来制备硅化物、碳化物、氧化物等千余种陶瓷、金属间化合物及其复合材料。
本课题组以Mo粉和Si 粉为原料，通过自蔓延高温合成工艺合成了MoSi2，采用粉末冶金工艺制备了耐高温抗氧化长寿面二硅化钼发热元件（硅钼棒），在国内外半导体、耐火材料、特种焊接和军工等行业获得广泛应用，提高了电炉的使用温度，延长了电炉的寿命，工艺先进，使用效果好，尤其在复杂形状MoSi2电热元件制备技术方面达到国际领先水平。同时废弃MoSi2电热元件为原料，在钼、铌合金以及碳材料表面制备了抗高温氧化涂层，实现了废弃资源的再利用。
溶液燃烧合成纳米氧化物材料：溶液燃烧合成（Solution combustion synthesis, SCS）是一种简单、快速、低成本制备纳米金属氧化物的方法，通常SCS以金属硝酸盐(作为氧化剂)和尿素、羧酸等有机物燃料(作为还原剂)为反应物，利用两者之间放热的氧化还原反应达到自蔓延燃烧的目的，即产物形成能由其内部化学能来提供。SCS具有点火温度低（150~400℃），燃烧火焰温度较低（1000~1400℃）、产生大量气体，可获得高比表面积粉体的特点，SCS产物的物相、形貌、颗粒尺寸、比表面积等可以通过燃料种类选择、燃料/氧化剂比例、溶液pH值等参数进行控制。本课题组以溶液燃烧合成为基础，通过加入稀释剂或模板剂，运用自创的超声雾化SCS装置成功合成了具有优良光催化性能的多孔Ag-CeO2、纳米晶组装的中空多孔微球结构BiOCl、纳米片状Bi/BiOCl等单一或复合纳米氧化物粉体。
热爆反应结合脱合金制备微纳米多孔金属材料：燃烧合成利用反应物自身释放的化学反应热合成新材料，具有过程简易，反应迅速，能耗低，产物纯度高等优点。热爆反应作为燃烧合成的一种，具有放热均匀、产物开孔率高的特点，因而成为一种制备微米尺度多孔材料的重要方法。本课题组采用热爆反应技术制备了Ti-Al、Fe-Al、Ni-Al等开孔隙率高达84%的高孔隙率多孔金属间化合物，系统研究了该类材料在650℃空气气氛中的氧化行为，预期为煤气化等苛刻条件的过滤和催化提供候选材料。
纳米多孔金属是一类具有孔隙和韧带双连续结构的金属多孔材料，因其具有高比表面积、低密度、高通透性和结构灵活可调等特点，有望在传感、催化、分离、能源等领域得到广泛应用。传统的脱合金法难以深度腐蚀致密金属并获得大块纳米孔材料，制约了纳米多孔金属的应用，然而热爆反应产生丰富的微米尺度连通孔隙，恰好为腐蚀剂提供了通道，可以解决深腐蚀困难的问题。因此，本课题组提出在热爆反应制备微米级高孔隙率多孔材料的基础上，结合脱合金原位嵌套纳米孔的新思想，形成微纳米跨尺度多孔金属材料，实现高孔隙率、高比表面积、高活性位点结构功能一体化催化剂的设计和制造。
热爆反应快速连接异种材料：异种材料连接作为材料加工中的重要手段，在提高材料利用率、减轻结构重量、降低能耗和成本等方面具有独特的优势。热爆连接是将连接与自蔓延热爆反应结合在一起的新型连接方式，即通过混合粉末发生剧烈放热反应，其反应放热作为热源，同时反应产物作为中间层或基体，该方式具有节约能源、反应时间短、生产效率高等优点。热爆连接技术主要用于同种或异种黑色或有色金属、难熔金属、陶瓷、金属间化合物、金属与陶瓷等材料的焊接。
本课题组对热爆反应快速连接异种金属、金属与金属间化合物等方面进行了深入研究，分析了热爆反应放热行为、工艺参数对产物物相、界面结构和力学性能的影响规律，同时确立了界面扩散层生长行为并阐明接头的形成机理。
高性能激光薄膜研究：设计和搭建了高温激光损伤阈值测试平台，研究薄膜在不同温度区间的损伤阈值，探索高温下材料与激光耦合的新效应。采用溶胶凝胶法制备高性能的激光薄膜，通过寻找合适的添加剂与抑制剂，探寻材料在激光诱导下的本征损伤的极限阈值，进一步理解激光损伤的内在机理。
摩擦纳米发电机研究：重点探索摩擦纳米发电机中的接触起电机制，证实了不同固体材料间的接触起电主要源于电子转移，揭示了接触起电产生的电荷能够贮存于材料表面的机制，并提出了一种通用的电子云-势阱模型。采用了抑制热电子发射的方法，开发出了一种能够应用于673 K高温下的纳米发电机，同时揭示了引入温度效应的普适机制，为后续开发极端条件下使用的纳米发电机提供理论基础。
煤系固废资源化利用：粉煤灰的大量堆存侵占土地，污染环境，威胁到人们的身体健康，粉煤灰主要成分是二氧化硅与氧化铝。氧化铝纤维导热率、加热收缩率和热容都较低，具有较好的化学稳定性，可在酸性环境、氧化气氛、还原气氛和真空条件下使用。高铝粉煤灰碱浸溶出得到铝酸钠、硅酸钠，采用铝酸钠做铝源，硅酸钠做硅源，加入聚乙烯醇等添加物合成氧化铝纤维，不仅可以加强对粉煤灰的利用，还可以节省有机物原料，降低成本，且有机物的较少加入，使得最终产品在热处理时有更少的缺陷和气孔，最终制得高长径比的氧化铝长纤维。以煤系高岭土为原料制备多孔莫来石保温材料，采用造孔剂法、发泡法和冷冻干燥法对多孔莫来石的制备进行研究，使煤系高岭土实现了资源回收利用，并对组织结构和性能的影响。
纳米复合电介质：聚合物复合电介质具有击穿场强高、介电损耗低以及良好的加工性能等优点，在高压直流输电、脉冲功率技术等领域具有广泛的应用前景。但纳米填料极易团聚，且容易在两相界面处生成微孔隙等结构缺陷，降低界面处陷阱能级，导致载流子脱陷参与电荷输运，形成击穿。因此，优化纳米填料的界面，提高两相界面相容性，是提高复合电介质储能密度的关键。油相纳米材料表面具有油酸、油胺或三辛基氧膦等分子配体，能够抑制纳米颗粒的团聚，改善其与聚丙烯基体的界面相容性，提高界面陷阱能级，实现聚丙烯复合电介质极化和耐压强度的同步增强，获得高储能密度的纳米复合电介质材料。
