本文统计和分析了2021年度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（E02）基金项目的申请、受理、评审、资助情况以及项目管理；并介绍了学科在落实科学基金改革措施、优秀人才与团队、学术交流与研讨、深化“十四五”及中长期发展规划等管理工作的相关情况。

电子设备的增多使得吸波材料在军事和民用领域具有广泛的应用。当前研究的重点在于制备吸收强、频带宽、质量轻、厚度薄的新型吸波材料。利用高温高压成功合成黑磷(BP)和硫掺杂黑磷(BP-S)晶体，并使用液相剥离的方法制备BP和BP-S纳米片。高频电磁参数测量发现相较于BP，硫元素的掺杂使得BP-S复数介电常数和介电损耗正切值在频率1.0~16.5 GHz情况下明显提高。BP-S在9.6 GHz处最小反射损耗可达到-41.1 dB；当厚度在1.0~2.0 mm范围内变化时，小于-10 dB的反射损耗频率范围为7.0~16.1 GHz。BP-S的最小反射损耗频率点与材料厚度符合λ/4阻抗匹配模型。综上，层状硫掺杂黑磷作为高性能介电损耗吸波材料具有广阔的应用前景。

传统光催化是光照射半导体催化剂时经表面光电耦合产生的载流子对有机污染物降解。这种外通光光催化模式使得光的利用率低、催化剂易失效、回收利用困难、难以实现连续水处理，制约了其在环保中的应用。本研究提出利用光的波导传输与界面耦合原理，通过在非晶光导纤维表面组装四氧化三锡纳米片，实现光的收集、传输及向纳米晶中注入，和内通光模式的光催化，从根本上解决上述问题。实验证明了四氧化三锡/光导纤维具有增强的光催化性能。这一研究首次提出光催化为目的非相干光波导传输和内通光光催化，拓宽了光波导理论并提出新的光催化反应机制，具有重要理论价值和巨大的工业应用前景。

针对盐害治理目前常用的表面贴敷法、浸泡法等易造成硅酸盐材料二次破坏的问题，采用新型的雾化水汽控盐-脱盐法，借助激光粒度分析仪、X射线衍射仪、可见短波红外高光谱成像系统和离子色谱仪等手段，检测了对表面即将发生盐害的试样治理前后内部盐分的分布变化。结果表明：雾化水汽进入试样后对试样的润湿面为以喷雾点为中心的半球面，试样浅表层的盐分被运移到半球状润湿面外，得到了雾化水汽法控盐的路线，初步验证了雾化水汽法预防性治理硅酸盐质材料盐害的可行性。

随着电子和能源科技的发展，基于纳米结构调控的新型热电材料以及热逻辑器件研究正受到越来越多的关注。本工作围绕几种具有应用潜力的热电材料，利用项目团队自主开发的微纳尺度热输运测试系统，从理论和实验上研究了原子及纳米尺度结构对热输运特性的调控机制，包括：全组分Si_1-xGe_x合金薄膜的原子合金化，Bi₂Ca₂Co₂O_y层状结构单晶的错配界面，超离子导体A_0.5RhO₂（A=K，Rb，Cs）单晶的离子局域共振，准一维结构ZrTe₅/HfTe₅单晶中的疏松微结构，以及SnSe单晶中的SnSe₂原子级插层，总结了不同尺度结构和原子间作用力对热传导性质的影响规律，为探索低热导率、高热电转换性能的新型热电材料提供有效的调控方案。最后，介绍了利用相变转换机制实现热导率高效动态调控的实验结果，及其在热逻辑器件方面的潜在应用。

全固态电池由于其具有高安全性、高能量密度等优势被认为是最有潜力的下一代储能技术之一。固态电解质是全固态电池的核心部件。对综合性能优异的固态电解质材料的开发与研究是全固态电池发展的关键。富锂（钠）反钙钛矿作为固态电解质的新成员，由于其良好的综合性能而备受关注。本工作基于目前研究成果，介绍近年来富锂（钠）反钙钛矿固态电解质的最新研究进展。

采用半导体纳米晶（量子点，QD）作为吸光材料的量子点敏化太阳电池（QDSC）因具有高效率和低成本的潜质在新型太阳电池的研究中备受关注。近5年来，QDSC的光电转换效率发展迅速，由不足10%提高到了15%以上，具有良好的发展应用前景。其中，新型近红外CuInSe₂基量子点吸光材料的设计开发以及负载量的显著增加促进了QDSC效率的快速提升。本文对近年来CuInSe₂基量子点吸光材料的开发及其高负载沉积工艺的研究方面进行了总结评述。

硫铝酸盐水泥具有快硬早强、防腐抗渗和煅烧温度低等特性，目前已在一些领域中应用，但原材料成本高的缺点限制了其进一步推广。综述了利用固废煅烧硫铝酸盐水泥熟料的研究进展，讨论了煅烧工艺对熟料外观、矿物组成、水泥力学性能的影响，介绍了目前热门的固废种类选择方案及其作为生料煅烧硫铝酸盐水泥熟料的可行性，并归纳了水泥的水化性能，分析了现阶段研究的侧重点及主要研究结果，对目前存在的问题及发展方向进行了总结，以期为进一步研究和应用提供参考。

采用量热仪、X射线衍射仪、热重、扫描电镜、电感耦合等离子光谱等方法研究了苯丙共聚物（SA）对硫铝酸钙胶结料-无水石膏复合体系早期水化的影响。结果表明：SA会延缓水化进程，减少水化加速期钙矾石（AFt）、单硫型水化硫铝酸钙（AFm）和Al（OH）₃（AH₃）含量，促进AH₃与石膏和氢氧化钙反应生成AFt，并促进水化后期AFt向AFm转变。同时，SA会迅速降低体系孔溶液的表面张力，随着水化反应进行表面张力趋于稳定；SA也提高了孔溶液的pH值，增大OH^-浓度，影响了体系中Ca²⁺、SO_42-和[Al（OH）₄]^-的浓度和比例，减小水化初期水化产物的离子浓度积，降低水化产物析出速率，进而延缓水化进程、减少水化产物。

利用水热合成和高温活化处理对Li₄Ti₅O₁₂进行多孔碳包覆复合改性实验，制备了Li₄Ti₅O₁₂@porous-C复合材料，研究了复合材料微观结构和电化学性能。结果表明：Li₄Ti₅O₁₂完全被包覆在多孔碳层中，同时，Li₄Ti₅O₁₂@porous-C复合材料表面碳层孔洞分布均匀，碳层厚度约为（8.5±3.6） nm。其首次放电比容量为363 mAh/g，约为纯Li₄Ti₅O₁₂放电比容量的2倍；交流阻抗值降低，仅为纯Li₄Ti₅O₁₂的阻抗值的一半；Li₄Ti₅O₁₂@porous-C复合材料在循环200周后的放电比容量为251 mAh/g，容量保持率为97.7%（纯LTO的比容量为143 mAh/g，保持率为94.7%），放电比容量提高了近1倍，而且特别是在不同放电速率下进行倍率测试时，其可逆容量比Li₄Ti₅O₁₂提高超1.5倍。对Li₄Ti₅O₁₂表面进行多孔碳包覆改性，可以同时提高其比表面积和电子传输速率，这也是其电化学性能也显著提高的主要原因。

采用熔融淬冷法制备了含不同摩尔分数ZrO₂的锂铝硅酸盐玻璃，通过两步化学强化法对玻璃样片进行了化学强化，研究了ZrO₂对玻璃的稳定性、硬度和化学强化效果的影响。结果表明：随着ZrO₂的摩尔分数从0增加至5%，玻璃化转变温度随之升高，玻璃稳定无析晶现象。引入适量的ZrO₂会促进Li⁺-Na⁺离子交换，提高应力层深度，表面压应力随着ZrO₂浓度的增加而增加，并在摩尔分数为4%时达到最大值，为1 055.6 MPa。中心张应力随着ZrO₂浓度的增加先增加后缓慢减小，表明该系列样品具有较好的抗冲击能力。ZrO₂的浓度变化对强化后玻璃的硬度影响较小，在引入ZrO₂后其抗裂性有所降低，但仍具有较好的抗裂能力。

磷硅酸盐玻璃因有着良好的生物活性和光学性能，已广泛用于生物材料、光纤等领域。运用分子动力学模拟方法研究Li₂O含量对Na₂O-Al₂O₃-SiO₂-P₂O₅玻璃的微观结构以及扩散性能影响，着重讨论了其微观结构与维氏硬度，扩散系数之间的关系。结果表明：玻璃的磷网络聚合度（Q^p）随着Li₂O逐渐替代Na₂O而增加，硬度随着Q^p的增加而增大。体系中Li⁺的自扩散系数比Na⁺大，即Li⁺比Na⁺更易扩散。Li⁺的势垒随着Li₂O增加而逐渐变小，Li₂O对Na₂O取代有益于Li⁺扩散。

以再生粗骨料取代率、试件尺寸为变化参数，设计并制作了45个再生骨料混凝土试件。通过直剪试验，观察了不同尺寸下再生骨料混凝土的破坏形态，分析了取代率和试件尺寸对再生骨料混凝土直剪性能和损伤本构的影响情况，建立了不同尺寸下再生骨料混凝土的损伤本构模型。结果表明：峰值变形、延性系数均具有明显的尺寸效应，普通混凝土损伤发展速度变慢，再生骨料混凝土损伤发展变快；随取代率的增加，峰值变形先减小后增大，延性系数先增大后减小，损伤发展规律与取代率不成线性关系。采用的本构模型能较好地反映不同尺寸再生骨料混凝土的剪切荷载-变形关系以及损伤演化过程。

通过改变粉煤灰掺量，观察了焙烧水滑石增强的胶凝材料力学性能、水化及微观结构特性。抗压强度测试表明，焙烧水滑石能极大提高水泥-粉煤灰砂浆抗压强度。通过X射线衍射及综合热分析实验对硬化水泥浆体相组成进行了测试，结果显示焙烧水滑石能促进水泥-粉煤灰胶凝材料水化，进而提高了水化产物含量。通过扫描电子显微镜观察到，焙烧水滑石能促进粉煤灰溶解，且其成核作用有利于水化产物的生成。

采用0.01~0.50 mol/L的硝酸溶液，对水灰比0.50的净浆、砂浆和混凝土开展加速溶蚀实验和数值模拟反演分析，从宏、微观角度研究溶蚀评价指标的演变规律，建立加速效应与浸泡液浓度之间的定量关系。结果表明：随着硝酸浸泡液浓度的提高，基于溶蚀深度和钙离子累计相对溶蚀量表征的Fick扩散定律中的比例系数分别呈线性和负指数函数的增长规律，溶蚀区相同深度处的碳酸钙衍射峰线性降低；净浆、砂浆和混凝土的等效加速扩散系数均与硝酸浸泡液浓度呈线性正比关系，加速倍率分别是浸泡液浓度（以mol/L计）的3.9×10³、1.6×10³和1.0×10³倍；6.00 mol/L硝酸铵、0.50 mol/L硝酸、6.00 mol/L氯化铵和去离子水对水灰比0.50的净浆的加速倍率分别为4 507、2 018、464和47，且净浆的等效加速扩散系数是同水灰比混凝土的2.3倍。化学浸泡液浓度过高，将导致溶解-扩散过程明显偏离淡水环境下的溶蚀机理，采用硝酸溶液进行加速溶蚀实验时，浸泡液浓度以0.10 mol/L为最佳。

研究了混凝土模拟孔溶液中钢筋在氯离子、硫酸根离子、氯离子-硫酸根离子共存、模拟海水等环境下钢筋腐蚀行为与演变规律，并分析了钢筋在氯盐、硫酸盐作用下腐蚀产物。结果表明：硫酸根离子的存在使得钢筋极化电阻进一步降低，而腐蚀电流密度升高；钢筋腐蚀电位与极化电阻演变呈现一定幂函数关系；钢筋在氯离子、硫酸盐侵蚀作用下腐蚀产物种类无明显差别，主要为纤铁矿、针铁矿、水铁矿、赤铁矿和方铁矿等。

为探明膨润土及其掺量对3D打印砂浆可打印性能的影响规律，采用流动度评价砂浆的可挤出性，并以高度保留率和贯入阻力评价其可堆叠性。此外，采用动态、静态剪切测试浆体的流变行为，从流变学角度分析膨润土对砂浆可打印性能的影响。结果表明：可打印砂浆流动度与净浆的塑性黏度存在良好的线性关系，与动态屈服应力存在良好的对数关系；高度保留率则与静态屈服应力存在良好的指数关系。一方面，膨润土增大了浆体的塑性黏度与动态屈服应力，从而导致砂浆的可挤出性能降低。另一方面，膨润土提高了浆体静态屈服应力和结构重建速率，从而提高砂浆的可堆叠性能。因此，适宜掺量的膨润土可使砂浆保持良好可挤出性，且改善砂浆的可堆叠性。当膨润土掺量2%时，打印试件顶底宽度比为0.96。

结合烧失量与单轴拉、压实验，研究了空气及热水（1 d，60 ℃热水+2 d空气）养护条件下混杂钢纤维超高性能混凝土（UHPC）试件的3 d龄期水化程度与力学性能，同时利用数字图像相关技术与光学显微镜对拉伸试件表面的开裂特性进行了表征，并通过扫描电子显微镜对其微观结构进行了分析。结果表明：与空气养护相比，热水养护加快了UHPC基体的水化反应进程，温度的升高是促进水化反应的主要因素；热水养护UHPC试件的初裂、抗拉及抗压强度明显提高，但其拉伸应变性能的变化并不明显；试件的最大裂缝宽度总体上有所降低；基体变得更加致密，纤维与基体的界面粘结也更强。随着纤维掺量的增加，UHPC的拉伸应变有所提高，总体积掺量为2.5%（长、短纤维比例分别为1.25∶1.25，1.5∶1.0）试件的拉伸应变均超过了2×10^-3；混掺1.5%（体积分数）长纤维与1.0%短纤维试件在热水养护下产生了较多宽度小于50 μm的微裂缝。DIC技术获得的理论应变与单轴拉伸实测应变之间具有较好的吻合度。

制备不同粗骨料含量、水胶比、钢纤维含量的超高性能混凝土（UHPC）棱柱体试件，分析了粗骨料含量、水胶比和钢纤维体积掺量等对UHPC弯拉强度及尺寸效应的影响。结果表明：含粗骨料UHPC的弯拉强度随水胶比和粗骨料含量的提高呈下降趋势。随粗骨料含量的提高，UHPC弯拉强度尺寸效应趋于显著。含粗骨料UHPC弯拉强度尺寸效应随水胶比的提高而逐渐减弱。建议了含粗骨料UHPC弯拉强度尺寸换算系数，提出了尺寸效应律参数计算公式，可预测含粗骨料UHPC的弯拉强度。

为提升超高性能混凝土（UHPC）工作性能，制备了聚氧乙烯基（EO）聚醚型与环氧丙烷嵌段聚氧乙烯（EO/PO）聚醚型两种不同结构的减水剂（分别简称PCE-1和PCE-2）。通过测试净浆流动度、浆体黏度、总有机碳、表面张力，研究了上述两种减水剂在低水胶比水泥-硅灰浆体中的性能差异，并对相关作用机理进行了探讨。结果表明：在硅灰掺量（质量分数）5%~25%，水胶比0.16条件下，PCE-2相比PCE-1对硅灰具有更强的吸附-分散作用，水泥-硅灰浆体流动度更高；嵌段聚醚结构可调节间隙液的表面张力和黏度，降低水泥-硅灰浆体黏度。

水泥基材料脆性突出、易开裂是其工程应用亟须解决的关键难题。对水泥基材料各物相的微观脆性进行解析，并建立与其水泥基材料整体脆性之间的联系，是对水泥基材料进行增韧设计的基础和关键。采用微米划痕实验，获得断裂韧性-位移曲线，并联合高分辨扫描电子显微镜分析划痕区域所对应的物相，实现了水泥浆体及其微观物相断裂韧性的定量表征，从而建立了水泥浆体整体脆性与水化硅酸钙凝胶脆性之间的联系。

硅酸钙矿物碳酸化胶凝材料是极具发展潜力的新型低碳建筑材料。在硅酸钙矿物中，γ型硅酸二钙具有较高的常温碳酸化反应活性。以γ型硅酸二钙润湿粉末为研究对象，探明了其碳酸化程度随反应时间、颗粒粒径、温湿度、分压和水固比等的发展规律，结合优化的缩核模型和经验方程，建立了碳酸化反应动力学方程。结果表明：动力学模型和实际结果的拟合程度良好，由于碳酸化产物的包裹阻碍溶出离子的扩散是碳酸化反应的主要控制因素。

测试了不同水灰比、不同养护龄期水泥石的导热系数，并对比了并联模型、串联模型、Maxwell模型、Mori-Tanaka模型、有效介质理论模型和Self-consistent模型对水泥石导热系数的预测效果。利用分子动力学方法计算了水泥石中各相的导热系数。结果表明：水泥石的导热系数随着养护龄期和水灰比的增大而减小。SC模型适用于不同水灰比和养护龄期水泥石导热系数的计算，其计算结果与试验值的相对误差在0.3%~4.7%之间。Maxwell模型和MT模型可以用于对水灰比较大且养护龄期较长的水泥石的导热系数进行计算。

为了解负温时超高性能混凝土（UHPC）的弯曲疲劳性能，对20 ℃和-10 ℃两种温度下的UHPC进行了不同应力水平下的弯曲疲劳试验。结果表明：随着温度的降低，由于试件开裂截面钢纤维的冷脆特征，使得循环荷载作用下UHPC弯曲疲劳性能的退化明显加剧，疲劳强度也明显降低。与20 ℃的结果相比发现，-10 ℃ UHPC的疲劳强度降低了15.6%；虽然低温试件的疲劳强度低于常温试件，但两类试件与各自疲劳强度对应的疲劳变形模量比E_n/E₀相近，均在0.48左右；无论是常温试件还是低温试件，经历200万次循环而未发生弯曲疲劳破坏的UHPC试件，其疲劳后的剩余强度均与单调加载时的静力强度接近。基于试验结果，提出了20 ℃和-10 ℃两种温度下UHPC的疲劳寿命方程。

开裂玻璃层残余作用是评估夹层玻璃开裂后性能的重要指标，玻璃裂纹形态对其有显著影响。对于夹层玻璃广泛使用的物理钢化玻璃，其裂纹形态受玻璃表面应力、厚度、开裂位置等因素影响，目前缺乏其形态表征相关研究。首先对81组物理钢化玻璃进行碎裂试验，围绕碎片面积、周长、圆度、分布密度等形态及空间分布指标进行统计分析，明确在表面应力60~105 MPa、厚度6~12 mm和3种开裂位置条件下的裂纹形态和碎片空间分布变化规律。随后，基于控制碎片全局密度和最近邻距离原则，提出了一种新的碎片形心布设方法，并结合Voronoi形态方法对物理钢化玻璃的裂纹形态进行表征。通过与试验结果比较验证，所提出的裂纹形态表征方法具有较高的重构精度。

为预防地铁运营产生的杂散电流对混凝土结构造成腐蚀损伤，制备出28 d电阻率大于3 kΩ/m且抗压强度大于120 MPa的地铁工程用高阻抗超高性能混凝土（HI-UHPC），通过交流阻抗谱揭示了不同因素对HI-UHPC交流阻抗性能的影响，最终提出了适用于HI-UHPC的等效电路模型。结果表明：钢纤维和PVA乳胶粉的掺入可显著提高HI-UHPC的抗压强度。普通水泥基材料的高频弧在水化10 h时出现，HI-UHPC的高频弧则在水化1 h时出现。钢纤维会使HI-UHPC内部形成钢纤维搭接而成的导电通道，增加自由电子转移的可能并降低基体体积电阻。PVA乳胶粉在HI-UHPC内部会形成基体-PVA乳胶粉膜界面并改变孔结构，减少其内部的有效导电路径，最终提高HI-UHPC的阻抗。HI-UHPC的等效电路模型由连通导电路径、不连通导电路径以及绝缘路径组成。随着龄期的增长，水化产物和聚合物膜逐渐形成，基体内自由水被消耗，孔隙结构逐渐致密，导致孔隙中载流子的传输通道被阻断，使得连通导电通道的电阻和非连通导电通道的电阻逐渐变大，而非连通导电通道的电容和绝缘导电基体的电容逐渐减小。

随着国家蓝色海洋战略的推进，混凝土在各项海洋工程设施（跨海大桥、海底隧道、海港码头等）中得到了广泛应用。混凝土在服役期间会受到物理、化学以及生物作用的协同破坏，最终导致其劣化，其中物理和化学作用导致混凝土劣化的机理已研究的比较详尽，然而在海洋环境中生物作用所引发的混凝土劣化，尤其是宏观生物（植物型和动物型）对混凝土的劣化作用鲜有研究人员探讨。因此，对海工混凝土宏观生物的腐蚀机理、影响宏观生物附着行为的因素以及防护措施等方面进行综述。以期得到国内外专家学者的关注，寻求一种更加合理、高效、经济且环保的海工混凝土腐蚀治理措施。

服役于氯盐和硫酸盐耦合环境的钢筋混凝土结构，很容易因为氯盐和硫酸盐的侵蚀引起性能退化。本文从氯盐和硫酸盐的侵蚀机理出发，系统地分析了硫酸盐侵蚀造成混凝土损伤前后氯离子和硫酸根离子的扩散-结合过程。基于经典的扩散-反应模型以及化学-损伤-传输理论框架，详细阐述离子活度、环境温湿度、微观结构、钙溶蚀等因素对化学-损伤-传输体系的影响，并从热力学角度介绍了氯离子和硫酸根离子耦合传输的热力学模型。基于上述分析，对目前研究存在的问题进行了展望。

近年来，天然植物纤维用来增强水泥基材料受到了广泛关注。与合成纤维相比，天然植物纤维具有绿色环保、质量轻、低成本、可再生等众多的优点，在许多领域都有大量应用。然而，天然植物纤维易吸水膨胀、与水泥基体相容性差，不能直接应用于水泥基材料中，需通过对天然植物纤维进行适当的预处理改善其对水泥基复合材料性能的不利影响。基于天然植物纤维的结构及材料组成，综述了天然植物纤维的水处理、涂覆处理、蒸汽处理、碱处理、酸处理、硅烷偶联剂处理、混合处理等方法以及这些预处理方法对天然植物纤维增强水泥基复合材料性能影响的最新进展。

水泥水化是十分复杂的物理与化学反应过程，这一过程直接决定了硬化水泥浆体的微观结构和宏观性能。传统的实验方法普遍存在耗时费力、成本高等不足。利用计算机模拟来阐明水泥水化和微结构演变机制已成为当前的研究热点。首先介绍了水泥水化模型的发展演变过程，并对比分析了不同模型的优缺点。然后，结合水泥水化模拟的最新研究进展，着重介绍了非球形水泥颗粒的水化模型、水化硅酸钙凝胶纳米尺度的研究现状。最后，基于相关模型的应用情况，探讨了矿物掺合料对水泥浆体水化过程和微观结构的影响，并对水泥基材料的宏观性能（如介质传输、氯离子扩散和微裂纹扩展）进行了预测。

混凝土材料在实际服役阶段常常受到力学和环境因素的耦合作用，因“湿-热-化学-力”复杂应力使其内部较易产生微裂缝，有利于水分及腐蚀性离子的侵入，从而加速了钢筋混凝土结构耐久性劣化过程。为了延缓严酷环境下混凝土力学及耐久性能劣化过程，目前学者们通过微生物矿化技术对混凝土裂缝自愈合机理展开了大量研究。基于混凝土自愈合机理，针对微生物愈合的实现方式及其对耐久性的影响，对矿化作用下水泥基材料微生物自愈合研究进行了总结和讨论，最后综述了不同类型微生物诱导碳酸钙沉淀技术在水泥基材料中的应用。