材料基础绪论

任课教师简介299

#2-5F-32C2015

2.

.

.zhangyb@sh

200620112011-20122012-20132013-2015UCLALBNLUC

BerkeleyOmar

M.

YaghiJACS绪论为什么学？学什么？怎么学？3—

材料科学的重要性推动人类社会发展与文明科学研究的前沿阵地解决未来能源、环境问题的关键4•5材料是时代进步的标志61030001000018001950璀璨的青铜器文明（西周时期）7青铜器的铸造工艺8••1084.5℃15%960℃25

%810℃••Pb

2.79%Cu

84.77%832.84kg112

cmSn

11.64%133cm79.2cm越王勾践剑（春秋时期）955.7cm4.6cm铜锡合金及少量铝、铁、镍、硫剑脊含铜量高、剑刃含锡量高、剑纹含硫量高陶器与瓷器10陶器瓷器Al2O3

14-15% Fe2O3~

6%Al2O3

>17%

Fe2O3<3%600~1100℃1200~1400℃(Mullite)釉的色彩釉层是附着在胚体表面的平均厚度为120~140m的硅酸盐玻璃11绿釉（汉）Cu/Fe<3%白釉（唐）彩釉（唐）Cu/Fe/Co/Mn青釉（宋）Cu/Fe<3%蓝釉（清）Co红釉（清）Fe玫瑰红釉（北宋）Fe/Cu青花（清）Co古代陶瓷出口贸易1213196019701980KORJPNCHN2000201020201990YearsGDP

(Trillion

US

$)0EUUUSA10152025中华民族的伟大复兴211.2材料科学与科技发展14物理学奖15化学奖1617汤森路透引文桂冠奖有机发光二极管（OLED）功能介孔材料纳米线激光器新多铁性材料拓扑绝缘体敏化

能电池、多孔金属有机骨架、树形聚合物、光子晶体、量子点、铁基超导体……超导材料181987石墨烯19导电聚合物20富勒烯21宇宙尘埃对碳原子簇合物发生并非起源于化学，于天体物理学研究。科学家发现宇宙尘埃中有几十种状团簇。都无法在实验室里出这些团簇状化合物。1984年，斯莫利的研制了一台名叫“第二代团簇束流发生器”的仪器。并用这台仪器发现了SiC2的一种成三角形的特殊结构。能不能用这台仪器来出碳原子簇呢？？？？克罗托经过精密的实验设计，利用这台仪器氦气流中以

化蒸发石墨，发现了一个60个碳原子组成的分子可以试一试斯莫利富勒烯20个六元环和12个五元环连接而成的具有足球状空心对称分子获得了1996年的

化学奖化学奖奖章以C60为代表的富勒烯有良好的化学性质富勒烯的拓展26谢素原教授厦门大学郑兰荪厦门大学1.3材料科学与可持续发展技术27纳米科学与技术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

材料科学的内容•二

材料科学的内容组织结构性能表征•加工器件模拟•55Cohen,

Flemings,

R.

Cahn师昌绪材料科学与工程学科的建立56••。上材料方向本科生培养计划57类型专业课程学分年级学期必修课材料科学基础I3二1材料科学基础II3二2材料性能I（物理性能）3二2材料性能II（化学性能）3三材料化学三材料研究方法三材料体系与设计三高分子材料三选修课材料工艺基础三晶体材料

与表征2三2生物材料学2三2计算材料学2四1半导体材料基础2四1纳米材料导论2四1功能薄膜材料2四1材料电化学2四1课程内容581、绪论：了解材料的发展史、材料科学的研究对象和内容以及学习本课程的目的意义和要求。2、原子结构和键合：了解物质是由原子组成，而组成材料的各元素原子结构和原子间的键合是决定材料性能的重要因素。物质的组成；原子结构；原子间的键合；化学键、物理键和氢键；高分子链。3、固体结构：固态原子按其原子（或分子）的状态，可划分为晶体与非晶体两大类。晶体中的原子在空间呈有规则的周期性重复排列；而非晶体中的原子则是无规则排列的。材料的性能与材料各元素的原子结构和键合密切相关，也与固态材料中原子或分子在空间的分布排列和运动规律以及原子集合体的形貌特征密切相关。晶体学基础；金属的晶体结构；合金的相结构；离子晶体结构；共价晶体结构；聚合物晶态结构；非晶态结构。594、晶体缺陷实际晶体常存在各种偏离理想结构的区域晶体缺陷。根据晶体缺陷分布的几何特征可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。了解晶体缺陷有利于分析研究结构敏感性能的变化规律和相变、扩散、塑性变形、再结晶以及氧化、烧结等现象，对探索材料晶体中的奥秘和推动材料科学的发展起着重要作用。点缺陷：空位与间隙原子；点缺陷的运动；点缺陷的平衡浓度；线缺陷—位错概念的引入；位错的基本结构；位错的运动；位错的弹性性质；实际晶体中的位错；面缺陷：晶界，孪晶界，相界，外表面。5、材料的形变与再结晶：分析研究材料在外力作用下的塑性变形过程、机理、组织结构与性能的影响规律以及变形材料在加热过程中产生回复再结晶现象，不仅对正确选择控制材料的加工工艺、保证产品质量是十分必要的，而且对合理使用材料、研制和发展新材料也是很重要的。材料受力情况下的力学行为；弹性变形与粘弹性；单晶体的塑性变形；多晶体的塑性变形；变形后的组织与性能；合金的塑性变形；变形晶体加热时的变化；回复；再结晶；再结晶后晶粒的长大；动态回复与动态再结晶；高聚物的塑性变形；超塑性。课程内容60课程内容6、固体中原子及分子的运动描述固体中原子扩散的表象理论：扩散第一、第二定律和原子理论：扩散中

原子的迁移机制。了解影响扩散速率的因素。理解金属和离子晶体中扩散差

异的原因以及高分子（聚合物）分子运动对力学行为的影响。表象理论；扩

散问题的热力学分析；原子理论；扩散激活能；影响扩散的因素；反应扩散；离子晶体中的扩散；高分子的分子运动。交通大学交通大学出：材料科学基础（第三版）；胡庚祥、蔡珣、戎咏华；社，ISBN978-7-313-02480-0/TB材料科学基础辅导与习题（第三版）；蔡珣、戎咏华；版社，ISBN978-7-313-03412-0/TB∙064参考书目：材料科学与工程基础（第五版）；William

F.Smith,

Javad

Hashemi；机械工业

，ISBN978-7-111-32461-4材料科学与工程基础（第一版）；Donald

R.

Askeland；

，ISBN9787302099819三

材料科学的特点学科交叉与时俱进产学互动61课程的培养目标•思考解决问题寻找资料基础知识62成绩评定平时成绩（40%）+期末考试(60%)63希望大家学有所获，并取得好成绩！国外英国散裂先进光子源APSSPring-8等国内同步辐射光源中国散列等1.高强度：如用X光机拍摄一幅晶体缺陷，通常需要7-15天的感光时间，而利用同步辐射光源只需要十几秒或几分钟，工作效率提高了几万倍。2.宽波谱：同步辐射从红外线、可见光、真空紫外、软X射线一直延伸到硬X射线。3.

高准直性：利用同步辐射光学元件引出的同步辐射光源具有高度的准直性，经过聚焦，可大大提高光的亮度，可进行极小样品和材料中微量元素的研究。脉冲性：利用这种特性，可研究与时间有关的化学反应、物理激发过程、生物细胞的变化等。偏振性：可用来研究样品中特定参数的取向问题。光源——SSRFSS