材料科学前沿学习报告

材料科学前沿学习报告

张敏，材料化学，2012141421056

一、现代压电铁电材料（朱建国）

朱建国老师从压电效应展开论述，详尽阐述了压电材料的原理、结构和功能。从老师的讲述中我了解到了：

压电效应就是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷的现象。压电又分为正压电（外力去掉后恢复到不带电的状态）和逆压电（当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失）。最早发现这种现象是水晶晶体在机械力的作用下会在表面上激发出电荷，二战期间朗之万等人为对付德国纳粹的潜水艇利用石英制作水下探测器拉开压电材料运用的帷幕，到97年PZN-PT，PMT-PT单品制作成功。

朱建国老师还讲了铁电材料，从老师的讲述中我了解到了：

多铁性材料(multiferroics)是指材料中包含两种及两种以上铁的基本性能，这些铁的基本性能包括铁电性（反铁电性），铁磁性（反铁磁性、亚铁磁性）和铁弹性。磁滞回线当铁磁质达到磁饱和状态后，如果减小磁化场强H，介质的磁化强度M（或磁感应强度B）并不沿着起始磁化曲线减小，M（或B）的变化滞后于H的变化，这种现象叫磁滞；在磁场中，铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示，当磁化磁场作周期的变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线叫做磁滞回线。用多铁材料制作的电容介电常数高，体积小。

从朱老师的讲述中，最大的收获是了解到潜艇声纳技术的原理与制作材料，以及多铁材料用于小体积电容器的应用。

二、高效太阳能材料与太阳电池（李卫）

李卫老师主讲的是太阳能材料，但是他先从现有能源的局限性开始讲起，步步引入，突出了太阳能材料的研制的迫在眉睫和如火如荼。这种娓娓道来、循循善诱的讲课方式很容易激发我的学习兴趣，跟着老师的思路走。在现有能源中，石油、天然气即将枯竭且不可再生；煤炭虽然还可用百余年的时间但是对大气污染和地质结构破坏非常大，黑煤矿对工人的压榨和环境的破坏时毁灭性的。为了利用清洁、廉价、永不枯竭、基本不受地域限制的太阳能，如何高效的收集、利用和储存太阳能，成为了当前太阳能材料研究迫在眉睫有待解决的问题。太阳能材料以太阳能电池材料为主，是指能将太阳能直接转换成电能的材料，只有半导体材料具有这种功能，可做太阳电池材料的材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等。用于空间的有单晶硅、GaAs、InP。用于地面已批量生产的有单晶硅、多晶硅、非晶硅，其他尚处于开发阶段；目前致力于降低材料成本和提高转换效率，使太阳电池的电力价格与火力发电的电力价格竞争，从而为更广泛更大规模应用创造条件。

从1939年光生伏打效应的发现，然而知道1954年才发明了太阳能电池效率仅6%，从此太阳能技术得以快速发展，到目前为止太阳能电池的效率已经提高到了25%，历经了单晶硅到多晶硅到非晶硅微晶硅的发展历程，到如今还出现了化合物半导体（GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等）制作太阳能电池。

从李卫老师所讲的太阳能材料，最大的收获是了解了太阳能运用的原因、历程和目前的发展，更加深入的了解到太阳能电池的发展所需攻克的难关，树立了新能源研究的意识。三、聚合物复合材料（朱基亮）

朱基亮老师从聚合物复合材料的重要性能、发展历程、应用前景和技术基础四个方面展开详细介绍了聚合物复合材料的相关知识。聚合物复合材料与他的组成材料相比优点有①具有很高的比强度和比模量（刚度）②可以在广泛的温度范围内使用，同时其使用温度均高于

其组成材料③良好的尺寸稳定性④良好的化学稳定性(聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料具有良好的抗腐蚀性)⑤良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性.

朱老师讲聚合物复合材料发展历程时,引用的例子生动形象,自然界的复合材料就举例了树干竹子;还结合中国历史讲了修筑万里长城的糯米石灰浆,铜雀台的核桃油浸地砖;也结合现代生活实际讲了钢筋混凝土.最早出现的聚合物复合材料是1932在美国的研制的FRP,1944用于了飞机的机身和机翼;1961年法国研制了SMC,1972年美国改进了这项技术;到如今千变万化的聚合物复合材料.聚合物复合材料大多应用于尖端科技产品,航空航天器材,和详细介绍了空客和播音两家公司的飞机运用的聚合物复合材料,中国的大部分名航客机都进口于这两家公司.

朱基亮老师讲课的方式以结合实例的方式展开,更加生动形象,带动课堂气氛更加活跃.当时他讲到我国进口大量客机这个例子时,让人感慨万千,我国的科学家深入研究聚合物复合材料,寻求技术突破,相信我国的飞机制造行业也能得到迅猛直飞.一个国家的强大和材料的先进有着密切的联系.

四、石墨烯材料及其应用（朱小红）

朱小红老师主要从石墨烯的发现、制备、性能和应用等几个方面详细为我们介绍了这个从2004才被出实验室研制出来，2010就获得了诺贝尔奖的新兴热门材料。朱老师还给我们讲了关于石墨烯第一次制备出来的趣闻：来自曼彻斯特大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov 首次成功分离出稳定的石墨烯，而他们分离的方法也极为简单，他们把石墨薄片粘在胶带上,把有粘性的一面对折，再把胶带撕开,这样石墨薄片就被一分为二。通过不断地重复这个过程,片状石墨越来越薄，最终就可以得到一定数量的石墨烯。这个故事让人启发颇深，科学研究不在于多么高深的探寻，联系生活实际用巧妙的思维方式来灵活解决问题反而能起到事半功倍的效果；研究在于兴趣、探索，而不是一味的跟风，为了发文章而做科研，在石墨烯没有被制备出来以前是无人问津和违背理论的，但是那两位教授却敢想敢做，取得了巨大的成就。

石墨烯作为一种新兴的热门材料，必然有着它的独特之处。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。中无质量的相对论性准粒子(狄拉克费密子 )由狄拉克方程描述，在凝聚态物理与量子电动力学之间架起一座桥梁； (2)两种新的量子霍尔效应、室温弹道输运、弱局域化、电声子相互作用等，为基础物理的研究提供模型； (3)其他石墨类材料(0维巴基球、1维碳纳米管、3维体石墨)的性质来源于2维的 Graphene，因此 Graphene的研究不仅可以对以上材料特性给出补充性的解释，反过来又可以借鉴以上材料研究结果来发展 Graphene； (4)优异的电学、磁学等性质，使得 Graphene将在纳米电子学、自旋电子学等领域得到广泛应用。石墨烯的这些优良性能用于计算机芯片有望继续延续摩尔定律，使计算机技术得以快速发展。

五、多铁材料与新型器件（吴家刚）

吴家刚老师以铁酸铋为例子详细的介绍了多铁材料这一前沿材料的性质和运用，还为我们科普了无铅压电材料的相关知识。铁酸铋（BiFeO3 ），属于多铁性（multiferroic）材料的一种，具有铁电性和反铁磁性，是当前多铁材料研究的热点之一。其铁电居里温度830℃，反铁磁奈尔温度370℃，因此在室温下具有多铁性，其具有广阔的应用前景。一般来说ABO3型钙钛矿结构的铁电性的主要来源于相变时B位的离子正电荷中心相对于氧八面体的中心发生了位移从而产生电偶极矩。BiFeO3结构中Bi3+的6S2孤对电子与其6P空轨道或者O2-轨道进行杂化，而导致电子云的非对称中心扭曲是BiFeO3产生铁电性的主要原因。

吴家刚老师的讲解运用中英文双语教学，为我们介绍了很多关于多铁材料的专业单词，丰富我们的专业英语词汇量。吴家刚老师还介绍了自己在川大学习经历，他曾经获得了川大

每年都只有一个名额的宝钢奖，讲述到了他在台上做报告的经验，开始几分钟较为紧张，后面就很自然了，鼓励我们多展示自我。他以获得宝钢奖的材料学院学长得口吻来讲课，使得课堂氛围更加亲切。

六、制氢材料与新能源（王瑞林）

王瑞林老师首先介绍我们学院新能源专业的由来，组建这个专业时当初有85%的人反对的，是王老师力挽狂澜，最终确定新能源专业的成立。王老师2003年回国，一再强调自己是材料学院最有资格开设双语课程的教授，但是王老师为了避免学生听不懂，切身的为我们学生考虑，也就没有实施这一教学方式。王老师为人很有原则，下学期由他教学的电化学这门课程，对我们将严格要求，绝不姑息。

王老师在介绍制氢材料时，首先从自洁玻璃讲起，利用太阳能氧化玻璃上附着的有机物，使玻璃实现自洁。目前氢能利用的三大问题是制氢、储氢和运氢，制氢技术多种多样，有化石燃料制氢、电解水制氢、硫化氢制氢、光解水制氢和生物制氢，目前工业制氢的主要来源于化石燃料，但是化石燃料是不可再生资源；在新能源研究的方向主要是利用光解水制氢，因为太阳能不会枯竭，目前的问题在于寻找能高效催化光解水制氢的材料。提高催化效率的主要方法有光催化剂纳米化、离子掺杂、半导体复合、染料光敏化、贵金属沉积、电子捕获、表面螯合及衍生作用和外场耦合。

迄今为止，人们所研究和发现的光催化剂和光催化体系仍然存在诸多问题，如光催化剂大多仅在紫外光区稳定有效，能够在可见光区使用的光催化剂不但催化活性低，而且几乎都存在光腐蚀现象，需使用牺牲剂进行抑制，能量转化效率低，这些阻碍了光解水的实际应用。光解水的研究是一项艰巨的工作，虽然近期取得了一些进展，但是还有很多工作需要进一步研究，如研制具有特殊结构的新型光催化剂、新型的光催化反应体系，对提高光催化性剂性能的方法进行更加深入的研究等，这些都是今后光解水的研究重点

七、太阳能发电技术（黎兵）

黎兵老师上课的方式灵活多样，集魔术、视频、讲解和演算于一体，把极客这一词诠释得淋漓尽致。现代的Geek含义虽然与过去有所不同,但大多还是相似的.现在Geek更多有一种在互联网时代创造全新的商业模式、尖端技术与时尚潮流.总之是一群以创新、技术和时尚为生命意义的人,这群人不分性别,不分年龄,共同的战斗在新经济、尖端技术和世界时尚风潮的前线,共同为现代的电子化社会文化做出自己的贡献.特别是黎老通过视频蜘蛛侠片段，对蜘蛛侠要用的力进行演算，感觉科学和我们的生活已经是零距离接触了。表演的硬币魔术也相当吸引眼球。

太阳能发电有两大类型：一类是太阳光发电（亦称太阳能光发电），另一类是太阳热发电（亦称太阳能热发电）。太阳能光发电是将太阳能直接转变成电能的一种发电方式。它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电四种形式，在光化学发电中有电化学光伏电池、光电解电池和光催化电池。太阳能热发电是先将太阳能转化为热能，再将热能转化成电能，它有两种转化方式。一种是将太阳热能直接转化成电能，如半导体或金属材料的温差发电，真空器件中的热电子和热电离子发电，碱金属热电转换，以及磁流体发电等。另一种方式是将太阳热能通过热机（如汽轮机）带动发电机发电，与常规热力发电类似，只不过是其热能不是来自燃料，而是来自太阳能。

黎兵老师还讲述了未来能源的发展趋势，太阳能为主，风能为辅，可再生能源必将取代现有不可再生能源，新能源行业方兴未艾，正是大家努力专研攻克的时候。

八、纳米材料与纳米技术（孙小松）

孙小松老师结合纳米材料与技术的发现、发展和最新前沿，详细的介绍了材料学中的这一分支学科。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。纳米技术

（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等。

1861年，随着胶体化学的建立，科学家们开始了对直径为1~100nm的粒子体系的研究工作。真正有意识的研究纳米粒子可追溯到20世纪30年代的日本的为了军事需要而开展的“沉烟试验”。到了20世纪60年代人们开始对分立的纳米粒子进行研究。1963年，Uyeda 用气体蒸发冷凝法制的了金属纳米微粒，并对其进行了电镜和电子衍射研究。1990年7月在美国召开了第一届国际纳米科技技术会议（International Conference on Nanoscience&Technology)，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。

自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来，从研究内涵和特点大致可划分为三个阶段：第一阶段（1990年以前）：主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能；研究对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。

第二阶段（1990~1994年）：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米复合材料，复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。

第三阶段（1994年至今）：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。

孙小松老师在讲解的时候秉承一贯严谨治学的风格，讲述清晰严密，这种一丝不苟的态度，值得我们在将来的研究学习中借鉴。