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文檔簡介
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?學什么?怎么學?3—
材料科學的重要性推動人類社會發(fā)展與文明科學研究的前沿陣地解決未來能源、環(huán)境問題的關(guān)鍵4?5材料是時代進步的標志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材料科學與科技發(fā)展14物理學獎15化學獎1617湯森路透引文桂冠獎有機發(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撲絕緣體敏化
能電池、多孔金屬有機骨架、樹形聚合物、光子晶體、量子點、鐵基超導體……超導材料181987石墨烯19導電聚合物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,于天體物理學研究。科學家發(fā)現(xiàn)宇宙塵埃中有幾十種狀團簇。都無法在實驗室里出這些團簇狀化合物。1984年,斯莫利的研制了一臺名叫“第二代團簇束流發(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)過精密的實驗設(shè)計,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
化學獎化學獎獎?wù)乱訡60為代表的富勒烯有良好的化學性質(zhì)富勒烯的拓展26謝素原教授廈門大學鄭蘭蓀廈門大學1.3材料科學與可持續(xù)發(fā)展技術(shù)27納米科學與技術(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
材料科學的內(nèi)容?二
材料科學的內(nèi)容組織結(jié)構(gòu)性能表征?加工器件模擬?55Cohen,
Flemings,
R.
Cahn師昌緒材料科學與工程學科的建立56??。上材料方向本科生培養(yǎng)計劃57類型專業(yè)課程學分年級學期必修課材料科學基礎(chǔ)I3二1材料科學基礎(chǔ)II3二2材料性能I(物理性能)3二2材料性能II(化學性能)3三材料化學三材料研究方法三材料體系與設(shè)計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2三2計算材料學2四1半導體材料基礎(chǔ)2四1納米材料導論2四1功能薄膜材料2四1材料電化學2四1課程內(nèi)容581、緒論:了解材料的發(fā)展史、材料科學的研究對象和內(nèi)容以及學習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動規(guī)律以及原子集合體的形貌特征密切相關(guān)。晶體學基礎(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的發(fā)展起著重要作用。點缺陷:空位與間隙原子;點缺陷的運動;點缺陷的平衡濃度;線缺陷—位錯概念的引入;位錯的基本結(jié)構(gòu);位錯的運動;位錯的彈性性質(zhì);實際晶體中的位錯;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動描述固體中原子擴散的表象理論:擴散第一、第二定律和原子理論:擴散中
原子的遷移機制。了解影響擴散速率的因素。理解金屬和離子晶體中擴散差
異的原因以及高分子(聚合物)分子運動對力學行為的影響。表象理論;擴
散問題的熱力學分析;原子理論;擴散激活能;影響擴散的因素;反應(yīng)擴散;離子晶體中的擴散;高分子的分子運動。交通大學交通大學出:材料科學基礎(chǔ)(第三版);胡庚祥、蔡珣、戎詠華;社,ISBN978-7-313-02480-0/TB材料科學基礎(chǔ)輔導與習題(第三版);蔡珣、戎詠華;版社,ISBN978-7-313-03412-0/TB?064參考書目:材料科學與工程基礎(chǔ)(第五版);William
F.Smith,
Javad
Hashemi;機械工業(yè)
,ISBN978-7-111-32461-4材料科學與工程基礎(chǔ)(第一版);Donald
R.
Askeland;
,ISBN9787302099819三
材料科學的特點學科交叉與時俱進產(chǎn)學互動61課程的培養(yǎng)目標?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希望大家學有所獲,并取得好成績!國外英國散裂先進光子源APSSPring-8等國內(nèi)同步輻射光源中國散列等1.高強度:如用X光機拍攝一幅晶體缺陷,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.
高準直性:利用同步輻射光學元件引出的同步輻射光源具有高度的準直性,經(jīng)過聚焦,可大大提高光的亮度,可進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)的化學反應(yīng)、物理激發(fā)過程、生物細胞的變化等。偏振性:可用來研究樣品中特定參數(shù)的取向問題。光源——SSRFSS
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