材料基礎(chǔ)緒論

任課教師簡介299

#2-5F-32C2015

2.

.

.zhangyb@sh

200620112011-20122012-20132013-2015UCLALBNLUC

BerkeleyOmar

M.

YaghiJACS緒論為什么學(xué)？學(xué)什么？怎么學(xué)？3—

材料科學(xué)的重要性推動人類社會發(fā)展與文明科學(xué)研究的前沿陣地解決未來能源、環(huán)境問題的關(guān)鍵4?5材料是時代進(jìn)步的標(biāo)志61030001000018001950璀璨的青銅器文明（西周時期）7青銅器的鑄造工藝8??1084.5℃15%960℃25

%810℃??Pb

2.79%Cu

84.77%832.84kg112

cmSn

11.64%133cm79.2cm越王勾踐劍（春秋時期）955.7cm4.6cm銅錫合金及少量鋁、鐵、鎳、硫劍脊含銅量高、劍刃含錫量高、劍紋含硫量高陶器與瓷器10陶器瓷器Al2O3

14-15% Fe2O3~

6%Al2O3

>17%

Fe2O3<3%600~1100℃1200~1400℃(Mullite)釉的色彩釉層是附著在胚體表面的平均厚度為120~140m的硅酸鹽玻璃11綠釉（漢）Cu/Fe<3%白釉（唐）彩釉（唐）Cu/Fe/Co/Mn青釉（宋）Cu/Fe<3%藍(lán)釉（清）Co紅釉（清）Fe玫瑰紅釉（北宋）Fe/Cu青花（清）Co古代陶瓷出口貿(mào)易1213196019701980KORJPNCHN2000201020201990YearsGDP

(Trillion

US

$)0EUUUSA10152025中華民族的偉大復(fù)興211.2材料科學(xué)與科技發(fā)展14物理學(xué)獎15化學(xué)獎1617湯森路透引文桂冠獎有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）功能介孔材料納米線激光器新多鐵性材料拓?fù)浣^緣體敏化

能電池、多孔金屬有機(jī)骨架、樹形聚合物、光子晶體、量子點(diǎn)、鐵基超導(dǎo)體……超導(dǎo)材料181987石墨烯19導(dǎo)電聚合物20富勒烯21宇宙塵埃對碳原子簇合物發(fā)生并非起源于化學(xué)，于天體物理學(xué)研究。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙塵埃中有幾十種狀團(tuán)簇。都無法在實(shí)驗(yàn)室里出這些團(tuán)簇狀化合物。1984年，斯莫利的研制了一臺名叫“第二代團(tuán)簇束流發(fā)生器”的儀器。并用這臺儀器發(fā)現(xiàn)了SiC2的一種成三角形的特殊結(jié)構(gòu)。能不能用這臺儀器來出碳原子簇呢？？？？克羅托經(jīng)過精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，利用這臺儀器氦氣流中以

化蒸發(fā)石墨，發(fā)現(xiàn)了一個60個碳原子組成的分子可以試一試斯莫利富勒烯20個六元環(huán)和12個五元環(huán)連接而成的具有足球狀空心對稱分子獲得了1996年的

化學(xué)獎化學(xué)獎獎?wù)乱訡60為代表的富勒烯有良好的化學(xué)性質(zhì)富勒烯的拓展26謝素原教授廈門大學(xué)鄭蘭蓀廈門大學(xué)1.3材料科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展技術(shù)27納米科學(xué)與技術(shù)28多孔材料29Crystal

Engineering

→

Building/Functional

Block

Arrangement

→Designable

MaterialsGeometry

FunctionalityCooperation

effectRef.:

Science,

2010,327,

846anic

strutRef.:

Science

2003,300,1127Ref.:

Nature

2003,

423,

705Metal-anic

Frameworks

(MOFs)MOF-5SBET

=

3800

m2g-1MOF-177SBET

=

4750

m2g-1MOF-205SBET

=

4460

m2g-1MOF-210SBET

=

6240

m2g-1Nature

1999,

402,

276;

Nature

2004,

427,

523;

Science

2010,

239,

424.ZnOCSBUs

(Secondary

building

units)Increasing

Number

of

New

Materials31Science,

2013,

341,

1230444.Record

Breaking

of

High

Surface

Area32Science,

2013,

341,

1230444.Industrial

Scale

Up

and

Sha33250

kg

batchesSh d

BodiesHeading

to

Market34Why

we

need

clean

energy?35Data

plot

from:

NOAA's

National

Centers

for

Environmental

InformationCarbon

Dioxide

Information ysis

Center,

ORNL0510152025301.00.80.60.40.20.0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.035GasLiquidsSolidsProductionFlaringCO

Emission

(billion

ton)2Anual

Temperature

Anomaly

(oC)2005201020150246810GermanyChina1880

1900

19201940

1960

1980

2000

1990

1995

2000Year

YearCO

Emission

(billion

ton)2USAFossil

fuels

are

limitedand

has

negative

impact

to

environmentMolecules

Changing

the

World36→

HydrogenThe

cleanest

fuel→

MethaneCleaner

fuelthan

petroleum→

WaterDaily

Life

Need,

Heat

carrier→

Carbon

DioxideGreenhouse

gas,

Carbon

sourceOn-board

Hydrogen

StorageMercedes-Benz

F

125Energy

density:H2

(142

MJ/kg),

CH4

(55MJ/kg)Gasoline

(46MJ/kg),

Coal

(24MJ/kg)For

a

vehicle

having

a

range

of

400

km4

kg

of

hydrogen

(electric

fuel

cell)MOFs

for

Hydrogen

StorageJ.

Am.

Chem.

Soc.

2007,

129,

14176MOF-5High

uptakeFast

charge

rateExcellent

durability77

KMOF-5Bulk

H2MOF-5Fine

Tuning

of

Pore

MetricsY.-B.

Zhang,

H.-L.

Zhou,

R.-B.

Lin,

C.

Zhang,

J.-B.

Lin,

J.-P.

Zhang*,

X.-M.Chen,

Nature

Commun.

2012,

3,

642.Hydrogen

Uptake

OptimizationSimultaneous

Control

of

Pore

Sh &

Size39Increasing

pore

volume2.5cC2.01.51.00.50.0Ia

IIa

IIb

IIIaIIIb

IIIc

IVa

IVb

IVc

Va

Vb

Vc

VdPore

Volume/cm3g-1cBcA40Methane

Storage2/3

of

global

natural

energy

resources>1/2

of

natural

gas

is

“STRANDED

GAS”World

consumes

90

Tcf/yr

(190

Tcf

in

2020)Methane

hydrate

deposits41MOF

Fuelis

Onboard

/Methane

Storage

in

MOFsNatural

gas

vehicleMOF

for

CH4

storage

ANGCH4CH4CH4MOF-177MOF-177J.

Am.

Chem.

Soc.

2014,

136,

5271424333

cases……Y.-B.

Zhang,

H.

Furukawa,

N.

Ko,

W.

Nie,

H.

J.

Park,

S.

Okajima,

K.

E.

Cordova,

H.

Deng*,

J.

Kim*,

O.

M.

Yaghi*,J.

Am.

Chem.

Soc.,

2015,

137,

2641.10

casesLargely

Expansion

of

MOF-177

familyAdsorptive

Thermal

BatteryMaterial

requirements:Steep

water

uptake

at

low

P/P0

<

0.1Large

water

uptake

capacityHigh

cycling

performanceEasy

regenerationThermal

ConductivityReasonable

high

QstNew

AC

Control

for

Boosting

Range

of

EV45Qst

of

water

is

ca.

60kJ/mollatent

energy

of

water

(40.7

kJ/mol)Water

Uptake

of

MOF-801(a)(b)(c)(e)(f)(d)Mechanism

StudySynchrotron

X-ray

diffractionNeutron

DiffractionCollaboration

with

Dr.

Felipe

GándaraCollaboration

with

Dr.

Wendy.

L.

QueenCycling

Performance

of

MOF-801-P02000600080008090100110120130Sample

weight

under

30

%RH4000Time

(min)Weight

(%)4080120160200TemperatureTemperature

(oC)15

kg

MOF-801

(capacity

20

wt%and

Qst

60

kJ/mol)

will

release10

MJheat.492H+

+

2e-2H+

+

2e-4H+

+

4e-6H+

+

6e-8H+

+

8e-e-HCO2HCOHCHO+

H2OCH3OH+

H2OCH4

+

2H2OCO2?-CO2vs

NHEE0

=

-0.53VE0

=

-0.61VE0

=

-0.48

VE0

=

-0.38VE0

=

-0.24VE0

=

-1.9

VCO2

Capture

and

ConversionCO2

Conversion50High-Performance

Catalysis:Low-overpotential,

high

energy

efficiency,fast

turn

over

rate,

Environmentally

friendly,Selectivity,

Cycling

performance,

long

working

lifeRef:

Chem.

Soc.

Rev.

2009,

38,

89COF

catalyst

for

CO2

reduction51S.

Lin,

C.

S.

Diercks,

Y.-B.

Zhang,

N.Kornienko,

E.

M.

Nichols,

Y.

Zhao,

A.

R.

Paris,

D.Kim,

P. ,

O.

M.

Yaghi,

C.

J.

Chang,

Science,

2015,

349,1208s:

Heterogeneity

within

OrderH.

Furukawa,

U.

Müller,

O.

M.

Yaghi,

Angew.

Chem.

Int.

Ed.

2015

(:

10.1002/anie.201410252)53?。54二

材料科學(xué)的內(nèi)容?二

材料科學(xué)的內(nèi)容組織結(jié)構(gòu)性能表征?加工器件模擬?55Cohen,

Flemings,

R.

Cahn師昌緒材料科學(xué)與工程學(xué)科的建立56??。上材料方向本科生培養(yǎng)計(jì)劃57類型專業(yè)課程學(xué)分年級學(xué)期必修課材料科學(xué)基礎(chǔ)I3二1材料科學(xué)基礎(chǔ)II3二2材料性能I（物理性能）3二2材料性能II（化學(xué)性能）3三材料化學(xué)三材料研究方法三材料體系與設(shè)計(jì)三高分子材料三選修課材料工藝基礎(chǔ)三晶體材料

與表征2三2生物材料學(xué)2三2計(jì)算材料學(xué)2四1半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)2四1納米材料導(dǎo)論2四1功能薄膜材料2四1材料電化學(xué)2四1課程內(nèi)容581、緒論：了解材料的發(fā)展史、材料科學(xué)的研究對象和內(nèi)容以及學(xué)習(xí)本課程的目的意義和要求。2、原子結(jié)構(gòu)和鍵合：了解物質(zhì)是由原子組成，而組成材料的各元素原子結(jié)構(gòu)和原子間的鍵合是決定材料性能的重要因素。物質(zhì)的組成；原子結(jié)構(gòu)；原子間的鍵合；化學(xué)鍵、物理鍵和氫鍵；高分子鏈。3、固體結(jié)構(gòu)：固態(tài)原子按其原子（或分子）的狀態(tài)，可劃分為晶體與非晶體兩大類。晶體中的原子在空間呈有規(guī)則的周期性重復(fù)排列；而非晶體中的原子則是無規(guī)則排列的。材料的性能與材料各元素的原子結(jié)構(gòu)和鍵合密切相關(guān)，也與固態(tài)材料中原子或分子在空間的分布排列和運(yùn)動規(guī)律以及原子集合體的形貌特征密切相關(guān)。晶體學(xué)基礎(chǔ)；金屬的晶體結(jié)構(gòu)；合金的相結(jié)構(gòu)；離子晶體結(jié)構(gòu)；共價晶體結(jié)構(gòu)；聚合物晶態(tài)結(jié)構(gòu)；非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。594、晶體缺陷實(shí)際晶體常存在各種偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域晶體缺陷。根據(jù)晶體缺陷分布的幾何特征可分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三類。了解晶體缺陷有利于分析研究結(jié)構(gòu)敏感性能的變化規(guī)律和相變、擴(kuò)散、塑性變形、再結(jié)晶以及氧化、燒結(jié)等現(xiàn)象，對探索材料晶體中的奧秘和推動材料科學(xué)的發(fā)展起著重要作用。點(diǎn)缺陷：空位與間隙原子；點(diǎn)缺陷的運(yùn)動；點(diǎn)缺陷的平衡濃度；線缺陷—位錯概念的引入；位錯的基本結(jié)構(gòu)；位錯的運(yùn)動；位錯的彈性性質(zhì)；實(shí)際晶體中的位錯；面缺陷：晶界，孿晶界，相界，外表面。5、材料的形變與再結(jié)晶：分析研究材料在外力作用下的塑性變形過程、機(jī)理、組織結(jié)構(gòu)與性能的影響規(guī)律以及變形材料在加熱過程中產(chǎn)生回復(fù)再結(jié)晶現(xiàn)象，不僅對正確選擇控制材料的加工工藝、保證產(chǎn)品質(zhì)量是十分必要的，而且對合理使用材料、研制和發(fā)展新材料也是很重要的。材料受力情況下的力學(xué)行為；彈性變形與粘彈性；單晶體的塑性變形；多晶體的塑性變形；變形后的組織與性能；合金的塑性變形；變形晶體加熱時的變化；回復(fù)；再結(jié)晶；再結(jié)晶后晶粒的長大；動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶；高聚物的塑性變形；超塑性。課程內(nèi)容60課程內(nèi)容6、固體中原子及分子的運(yùn)動描述固體中原子擴(kuò)散的表象理論：擴(kuò)散第一、第二定律和原子理論：擴(kuò)散中

原子的遷移機(jī)制。了解影響擴(kuò)散速率的因素。理解金屬和離子晶體中擴(kuò)散差

異的原因以及高分子（聚合物）分子運(yùn)動對力學(xué)行為的影響。表象理論；擴(kuò)

散問題的熱力學(xué)分析；原子理論；擴(kuò)散激活能；影響擴(kuò)散的因素；反應(yīng)擴(kuò)散；離子晶體中的擴(kuò)散；高分子的分子運(yùn)動。交通大學(xué)交通大學(xué)出：材料科學(xué)基礎(chǔ)（第三版）；胡庚祥、蔡珣、戎詠華；社，ISBN978-7-313-02480-0/TB材料科學(xué)基礎(chǔ)輔導(dǎo)與習(xí)題（第三版）；蔡珣、戎詠華；版社，ISBN978-7-313-03412-0/TB?064參考書目：材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)（第五版）；William

F.Smith,

Javad

Hashemi；機(jī)械工業(yè)

，ISBN978-7-111-32461-4材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)（第一版）；Donald

R.

Askeland；

，ISBN9787302099819三

材料科學(xué)的特點(diǎn)學(xué)科交叉與時俱進(jìn)產(chǎn)學(xué)互動61課程的培養(yǎng)目標(biāo)?思考解決問題尋找資料基礎(chǔ)知識62成績評定平時成績（40%）+期末考試(60%)63希望大家學(xué)有所獲，并取得好成績！國外英國散裂先進(jìn)光子源APSSPring-8等國內(nèi)同步輻射光源中國散列等1.高強(qiáng)度：如用X光機(jī)拍攝一幅晶體缺陷，通常需要7-15天的感光時間，而利用同步輻射光源只需要十幾秒或幾分鐘，工作效率提高了幾萬倍。2.寬波譜：同步輻射從紅外線、可見光、真空紫外、軟X射線一直延伸到硬X射線。3.

高準(zhǔn)直性：利用同步輻射光學(xué)元件引出的同步輻射光源具有高度的準(zhǔn)直性，經(jīng)過聚焦，可大大提高光的亮度，可進(jìn)行極小樣品和材料中微量元素的研究。脈沖性：利用這種特性，可研究與時間有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)、物理激發(fā)過程、生物細(xì)胞的變化等。偏振性：可用來研究樣品中特定參數(shù)的取向問題。光源——SSRFSS