新材料科学技术

新材料科学技术物理学院“国培计划”讲座肖循新材料科学技术一二三五

材料科学概述碳纤维复合材料超导材料新型陶瓷纳米科学技术四六光纤七石墨烯一、材料科学概述

材料是人类生存和发展的物质基础，是社会生产力的重要因素；材料的发展推动了人类的物质文明，成为标志人类社会进步的重要里程碑。20世纪中叶以来，世界各国对新材料的研究和开发都十分重视，出现了一个“材料革命”的新时代。当前人类进入知识经济时代，材料与信息、能源并称为现代科学技术的三大支柱，成为现代科学技术发展的物质基础。材料科学技术本身也是高新科学技术的的重要组成部分。1、材料的重要性一、材料科学概述

1、材料的重要性低损耗光导纤维———光纤通信

超高纯半导体———超大规模集成电路和计算机技术

一、材料科学概述

2、材料原因导致的灾难

1986年挑战者号，升空72秒爆炸。费曼调查：火箭助推器某处O型密封圈在摄氏10度以下失去弹性，造成液氢泄漏。1912年泰坦尼克号沉没原因：钢材含硫高，脆性断裂。

一、材料科学概述

天然材料３、材料的发展

烧炼材料

合成材料

可设计材料

智能材料石器陶器青铜器钢铁的使用合成材料的使用新型材料的使用一、材料科学概述原始人打造的石器印地安人用的石斧石器时代青铜鼎青铜器时代青铜宝剑青铜编钟铁器时代铁斧铁犁陶鹰鼎——仰韶文化庙底沟类型高36cm三彩——我国古代陶器中一颗璀灿的明珠

日用陶瓷－盘子建筑陶瓷－墙面砖化工陶瓷结构陶瓷－陶瓷刀

功能陶瓷－电子陶瓷

饰面瓦－鱼鳞瓦电瓷绝缘子氧化锌避雷器

纺织瓷件氧化铝陶瓷电阻

氧化铝髋关节

高纯氧化铝透明陶瓷管

高压钠灯氮化硅陶瓷刀具氮化硅轴承球氮化硅陶瓷涡轮转子

氮化硅陶瓷吸管光电信息材料新型材料半导体材料制成的芯片碳纤维材料制成的自行车前叉新型材料塑料制成的MP3外壳记忆合金(镍钛合金)新型材料一、材料科学概述

按化学组成：金属、无机非金属、高分子和复合４、材料的分类

按结构：晶体、非晶体、液晶

按性能：结构、功能

按应用：电工、电子、光电子、信息、能源、生物医学、航天航空、光学一、材料科学概述

新材料：指新出现或正在发展中的、具有优异特性和功能并能满足技术进步所需的材料

光电子信息材料

先进复合材料：树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳纤维复合材料

一、材料科学概述

新型高分子材料：导电塑料做成的塑料电池、人工器官、可降解材料、高吸水性高分子新型陶瓷材料

新型金属材料：记忆合金、铝合金、金属玻璃超导材料二、纳米科学技术

1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。

1982年，德国科学家发明研究纳米材料的重要工具——扫描隧道显微镜，揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米技术发展产生了极大的促进作用。

1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。

1991年，碳纳米管被发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的100倍，成为纳米技术研究的热点。纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。1、纳米技术的发展历程

二、纳米科学技术

1989年美国斯坦福大学搬动原子团“写”下斯坦福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”。

1993年中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。

1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。

1999年，美国和巴西科学家在进行碳纳米管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。

1、纳米技术的发展历程

跳蚤头发红细胞病毒从宏观世界到微观世界Pt/TiO2

催化剂DNA2nm单壁碳管1.4nmC600.7nmUnderstandingSizeHowbig(small)arewetalkingabout?10centimeters1centimeterUnderstandingSize100micrometersUnderstandingSize10micrometersUnderstandingSize1micrometerUnderstandingSize100nanometersUnderstandingSize10nanometersUnderstandingSize1nanometerUnderstandingSize碳纳米管制造人造卫星的拖绳

在航天事业中，利用碳纳米管制造人造卫星的拖绳，不仅可以为卫星供电，还可以耐受很高的温度而不会烧毁。用碳纳米管做绳索，是惟一可以从月球上挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球—月球的电梯，人们在月球定居就很容易了。二、纳米科学技术

诺贝尔物理学奖（一）G.Binning

和

H.Rohrer发明了STMG.Binning

和

H.Rohrer1986年诺贝尔物理学奖48个Fe原子形成“量子围栏”二、纳米科学技术

纳米材料学、纳米电子学、纳米机械学、纳米生物学和纳米医学等

２、纳米技术的研究内容和前景

纳米自洁产品、纳米药物、纳米飞行器、新一代计算机

二、纳米科学技术

二、纳米科学技术

二、纳米科学技术

英特尔几乎所有的处理器都基于45纳米技术。一般来讲，处理器使用的纳米技术标准越小，处理器的速度越快，能效越高。英特尔将于09年12月17日展示其用于笔记本电脑的新型处理器。此次展示具有重要意义，因为这将是英特尔首次展示其即将投入商用的下一代32纳米技术。

三、碳纤维复合材料

2010年7月，波音公司的787“梦幻客机”（Dreamliner）第一次飞出美国，在英国范堡罗国际航空展亮相。“梦幻客机”包含了许多重要的技术创新，采用高科技的复合材料代替铝是最重要的一点，该飞机50％的主要结构如机身和机翼采用了碳纤维合成材料。相比之下，波音777的复合材料用量只有17%。复合材料不仅强度高，大大降低飞机的重量，所以“梦幻客机”与同等载客量客机相比耗油量可减少20%。同时复合材料还抗腐蚀，提高了飞机寿命，每架787预期可飞行50年。

1、碳纤维复合材料

三、碳纤维复合材料

一根碳纤维由数千条更微小的碳纤维所组成，在原子层面的碳纤维跟石墨很相近，由一层层以六角型排列的碳原子构成。碳纤维与石墨两者的差别在于层与层之间的连接，石墨是晶体结构，层间连接松散；而碳纤维不是晶体结构，层间连接是不规则的，这样可防止滑移，增强物质强度。碳纤维具有低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高热导、低热膨胀、耐辐射等优良特性，还具有纤维的柔曲性，比强度和比模量优于其它纤维增强体。碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成碳纤维复合材料。1、碳纤维复合材料

三、碳纤维复合材料

1、碳纤维复合材料

三、碳纤维复合材料

宇航航空工业２、应用领域

体育运动器材

压力容器

土木建筑领域四、新型陶瓷

新型陶瓷采用人工合成的高纯度无机化合物为原料，在严格控制的条件下经成型、烧结和其他处理而制成具有微细结晶组织的无机材料。新型陶瓷以其独特的优异性能，已成为航天、航空、建筑、冶金、机械、化工、电子、生物等工程技术中的关键材料，且应用领域仍不断扩展.

１、新型陶瓷的性能与用途

四、新型陶瓷

２、工程陶瓷

在工程结构上使用的陶瓷称为工程陶瓷。高温下强度高、硬度大、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、耐烧蚀等优点。

四、新型陶瓷

３、功能陶瓷

利用陶瓷对声、光、电、磁、热等物理性能而制造的陶瓷材料称为功能陶瓷。

四、新型陶瓷

诺贝尔物理学奖（二）历史上，仅1～3%的磁电阻曾经在磁记录和传感器等领域取得过辉煌的成就。磁场引起的电阻变化1988年发现高达百分之几十的巨磁电阻，引发人们对其起因和应用研究的浓厚兴趣，自此之后以磁电子(magnetoelectronics)或自旋电子(spintronics)等作为关键词的文章频繁地出现在国际顶尖刊物上磁电阻效应1986年德国克鲁伯格教授首先在由非磁金属层隔开的铁磁金属多层膜中观察到相邻铁磁层之间有反铁磁交换耦合作用铁磁金属非磁金属层铁磁金属重要的发展过程(GiantMagnetoresistance

简称GMR)巨磁电阻随后发现，金属多层膜中铁磁金属层间的耦合随中间层厚度的变化耦合既可能是铁磁的也可能是反铁磁的，呈现周期性振荡，振荡周期约为1nm

铁磁金属非磁金属层铁磁金属d1988年法国费尔小组在非磁金属层隔开的铁磁金属多层膜中观察到磁场引起电阻大幅度下降，磁电阻值高达百分之几十，第一次出现“巨磁电阻”的名词CrFeCrFeCrFeFe在巨磁电阻发现后不久，很快就研制出各种各样磁电子器件，如：磁传感器（1994）、自旋晶体管（1993）、读出磁头（1997）、存储器（1997）等。这些磁电子器件的成功研制使得信息科学与技术发生了革命性的变化。巨磁电阻效应是科学研究从基础理论创新转化为高新技术最后占领市场的一个成功范例！2007年度分享诺贝尔物理学奖法国费尔德国克鲁伯格以巨磁电阻为标志一门新的学科－磁电子学诞生在ABO3型Mn基钙钛矿氧化物(A为三价稀土元素或二价碱土)中观察到特别大的磁电阻，因磁电阻值远大于GMR或TMR，故称之为庞磁电阻（CMR

）过渡金属钙钛矿氧化物强磁性绝缘体（1950年前后）铁磁性金属（1950年前后）庞磁电阻（1989年以后）磁-电耦合（近年来研究热点问题之一）ColossalMagnetoresistance

简称CMR庞磁电阻强磁性绝缘体五十年代合成了大量钙钛矿型过渡金属氧化物，如：RFeO3、RCrO3

、RMnO3，目的是获得绝缘性好同时又具有强磁性的材料磁性，严格讲是亚铁磁性，即磁矩不相互抵消的反铁磁有序，源于磁性离子间的超交换作用由于磁性离子局域磁矩间的反平行取向，电子不能在两者之间迁移，因此，这些化合物具有良好的绝缘性超交换作用超交换庞磁电阻材料Mn-O层是铁磁的，但相邻Mn-O层间呈反铁磁性耦合，类似铁磁金属多层膜的情况铁磁层铁磁层反铁磁耦合是否会表现出类似在多层膜中观察到的GMR或TMR效应？

La1-xBx

Mn3+1-xMn4+x

O3LaMnO3晶体结构和磁特征始于1989年研究的初衷实验表明，磁场引起居里温度附近电阻的大幅度降低，相应的磁电阻远大于GMR或TMR，故称为庞磁电阻五、超导材料

超导材料是具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线性质的材料。超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同，主要有以下性能：1）零电阻性。超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。2）完全抗磁性。超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线就不能透入，超导材料内的磁场恒为零。

１、超导材料性能及研究历史

五、超导材料

3）约瑟夫森效应。两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1纳米）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压，或者也可加一电压，这时直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波。4）同位素效应。超导体的临界温度Tc与其同位素质量有关，质量越大而Tc越低，这称为同位素效应。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Tc是4.18K，而原子量为203.4的汞同位素，Tc为4.146K。

１、超导材料性能及研究历史

五、超导材料

1911年，荷兰物理学家昂尼斯（Onnes）发现，水银的电阻率并不象预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近时，水银的电阻突然降到零。1933年，迈斯纳（Meissner）和奥森菲尔德（Ochsenfeld）将金属放在外加磁场中，然后设法使金属由非超导态转变为超导态以观察磁力线变化，发现在非超导态时磁力线将穿过金属体内部；而在超导态时，磁力线被排斥在金属体外。这一现象称为超导体的抗磁性，或称迈斯纳效应。

１、超导材料性能及研究历史

五、超导材料

1973年，科学家发现超导合金——铌锗合金具有当时最高的临界温度Tc=23.2K。1986年4月，美国国际商用机械公司设在瑞士苏黎世的实验室发现Tc达30K的超导材料，其组成是钡、镧、铜的氧化物。这一发现，使保持了13年的23.2K超导转变记录被打破，并开创了用金属氧化物做超导材料的新领域。1986年12月，日本东京大学工学部又将Tc提高到37K，而中国科学院物理研究所赵忠贤等人将Tc提高到48.6K，并在70K有超导迹象。中国科学家所取得的进展打破了美国科学家、诺贝尔奖获得者麦克米伦（E.M.Mcmillan）关于超导转变温度上限为40K的极限论，鼓舞了世界各国的同行。美国《纽约时报》1987年1月8日发表美国贝尔实验室卡瓦博士的评论说：如果北京的研究结果受到重视，“世界将会完全不一样”。而哥伦比亚大学教授关键熊博士说：“这是中国的第一个具有历史意义的实验成就”。日本科学家则称这为“世界第一流”成就。同年12月，美国休斯顿大学朱经武教授宣布获得了40.8K的超导材料；1987年2月15日朱经武教授与吴茂昆教授又宣布获得了98K的超导材料。

１、超导材料性能及研究历史

五、超导材料

1987年2月，中国科学院物理研究所在北京举行的中外记者招待会上宣布获得了100K以上的超导温度，并公布了该超导材料的组成。1987年3月2日，日本科技厅金属材料研究所小川惠一等人，按照中国科学院公布的超导材料组成配置验证，也宣布获得了100K的超导温度；次日，该所的户叶一正领导的小组则获得了123K的超导温度。1987年3月4日，中国科学院也宣布获得了123K的超导温度。1987年3月9日，日本北海道大学宣布获得175K超导温度；同一天中国科技大学宣布获得130K的超导温度。1987年3月19日，中国科技大学宣布获得215K的超导温度。1987年3月28日，美国韦恩大学宣布获得240K的超导迹象。1987年4月6日，苏联科学院宣布获得250K的超导温度。苏联这一成果表明，超导转变已可在室温下实现，不过美国科学家中有人对苏联这一成果表示怀疑。1987年5月27日，美国纽约一家能源转换设备公司宣布获得260K的超导温度。1987年5月28日，印度国立物理研究所宣布获得299K的超导温度。1987年6月4日，苏联莫斯科大学低温研究所宣布获得308K的超导温度。从此，超导发展进入了高温超导阶段。１、超导材料性能及研究历史

五、超导材料

超导技术是研究物质在超导状态下的性质、功能以及超导材料、超导器件的研制、开发和应用的技术。

２、超导强磁技术五、超导材料

２、超导强磁技术超导托卡马克核聚变实验装置五、超导材料

２、超导强磁技术

在列车车轮旁边安装小型超导磁体，在列车向前行驶时，超导磁体则向轨道产生强大的磁场，并和安装在轨道两旁的铝环相互作用，产生一种向上浮力，消除车轮与钢轨的摩擦力，起到加快车速的作用。五、超导材料

超导弱磁技术的理论基础是约瑟夫森效应。利用这种效应制成的超导电子器件，将具有功耗低、噪声小、灵敏度高、反应速度快等特点，可进行高精度、弱信号的电磁测量，也可用作超高速电子计算机元器件等。

３、超导弱磁技术六、光纤

1966年7月，英国电机工程师学会的学报登载了人称“光纤之父”的英籍华裔科学家高锟博士一篇题为“光频率的介质纤维表面波导”的论文。文中提出，用石英基玻璃纤维进行长距离信息传递，将带来一场通讯事业的革命。并指出当玻璃纤维损耗率下降到20分贝/公里时，光纤通讯即可成功，这在科学界掀起了光纤研究的热潮。

１、光纤的发明

六、光纤

光纤为光导纤维的简称，由折射率较高的纤芯和折射率较低的包层组成。光纤透明、纤细，虽比头发丝还细，却具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的性能。通常为了保护光纤，包层外还往往覆盖一层塑料加以保护，其中纤芯的芯径一般为50或62.5微米，包层直径一般为125微米。光纤通信就是因为光纤的这种神奇结构而发展起来的以光波为载频，光导纤维为传输介质的一种通信方式。纤芯区域完成光信号的传输，包层则是将光封闭在纤芯内，并保护纤芯，增加光纤的机械强度。

２、光纤的结构与光信号传输

六、光纤

频带宽、损耗低、重量轻、抗干扰能力强、保真度高、工作性能可靠、成本不断下降

３、光纤传输的优点

六、光纤

诺贝尔物理学奖（三）六、光纤

高锟，华裔物理学家，拥有英国、美国国籍并持中国香港居民身份，目前在香港和美国加州山景城两地居住。高锟为光纤通讯、电机工程专家，华文媒体誉之为“光纤之父”、普世誉之为“光纤通讯之父”（FatherofFiberOpticCommunications），曾任香港中文大学校长。2009年，与威拉德·博伊尔和乔治·埃尔伍德·史密斯共享诺贝尔物理学奖。七、石墨烯

2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(AndreK.