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1、Introduction to Materials一，通过本课程的学习，了解了哪些新材料性能及潜在应用。通过课程的学习，我了解了很多新的材料以及相关的性能和应用1，新能源材料类的石墨烯。2，通过稀土金属掺杂制备纳米尺寸TiO2可见光活性掺杂最新进3，轻质合金材料 Mg5.6%Sn4.4%Zn2.1%Al的微结构和特性。4，TiO2纳米管阵列和以TiO2纳米管阵列为基础的染料敏化太阳能电池。5，硅酸盐纳米复合材料聚合物的玻璃化转变和加强机制。6，生物模板法合成水溶性导体聚合物纳米线。7，高柔韧性全固态纸状聚合物超级电容器。8，碳纳米管作为原子力显微镜探针技术。9，自模板方法制备TiO2微胶囊。
2、1，新能源材料类的石墨烯。单原子层石墨烯，拥有独特二维结构，高导电性和和电荷迁移能力、高的比表面积、高的透明度、良好的力学性能，同时，在能源储存和转化中也受到关注以石墨烯为基的材料已经被成功的应用到超级电容器，锂离子电池。关于石墨烯的发现还有一个小故事。石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈杰姆和克斯特亚诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后
3、，制备石墨烯的新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。 因此，两人在2010年获得诺贝尔物理学奖。 石墨烯的性能及潜在应用。 第一：石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约100 纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂；第二：石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。 石墨烯的应用范围广阔。根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料等。根据其优异
4、的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。另外石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由于其高传导性、高比表面积，可适用于作为电极材料助剂2，通过稀土金属掺杂制备纳米尺寸TiO2可见光活性掺杂最新进展。掺杂金属和非金属是一种流行的技术。有利于增进可见光活性TiO2的研究。稀土金属已显示出巨大的潜力作为掺杂剂不只有在红色的吸收，但也提高了TiO2的光催化转移。湿化学技术及其关联的影响相，吸附，表面积和纳米TiO2的光催化活性。新
5、的技术，如静电纺丝，磁控溅射法，共沉淀，络合，以及使用还讨论了纳米管和物理支持来制备TiO2。基于金属氧化物载体与金属离子间的氧化还原反应特性，在氧化物载体上原位可控生长贵金属纳米粒子的方法。通过这种方法得到的材料有如下特点：金属粒子尺寸2nm;粒子尺寸可控，且分布均匀;可得到粒子尺寸不同，而负载量相同的复合材料;也可得到粒子尺寸相同，而负载量不同的复合材料 。3，轻质合金材料 Mg5.6%Sn4.4%Zn2.1%Al的微结构和特性。镁合金具有轻质、高比刚度、良好的铸造性和加工性。因此，它可以减轻汽车部件的质量，近些年也得到了广泛的应用，一种商品化的合金，比如AZ91，包含大量的Al和一些Zn
6、,Al能提高可铸造性、耐腐蚀性和室温下的力学强度，然而这种合金在高温条件下表现出差的蠕变性。差的抗蠕变性能的主要原因是在 Mg17-Al12相在晶界上的沉淀。为了开发铝的优良性能，同时减少高温下的有害影响，把铝的质量比降到了2%以下。在之前的研究中，主要合金元素选取的是Zn和Sn，Zn能增加抗蠕变性能，同时和Mg形成几层坚固的金属中间相。在之前的研究中，以MgSnZn为基的合金，在高温条件下，表现出稳定性的不足，为了提高可铸造性和耐腐蚀性，把质量比2.1%的Al加到了Mg5.6%Sn4.4%Zn的合金中，在铸态条件下，扫描电镜微结构显现出精细的微结构，中间没有不好的相。其实也就是添加了一定质量
7、比之后的铝，材料的性能有了大幅提高。4，TiO2纳米管阵列和以TiO2纳米管阵列为基础的染料敏化太阳能电池。在染料敏化电池领域用有序的微结构代替无规则的纳米晶体半导体，高度有序的TiO2纳米结构以其独特的形态，显著的光电性能以及氢的敏感性，引起了广泛关注，在自然光照射下，这种太阳能电池的转化效率为5.44%。新一代具有可控微结构及高光电转换效率的染料敏化太阳能电池提供了有益思路。染料敏化太阳能电池（DSSC）具有成本低、无毒无污染、制造工艺条件温和、适合大面积连续化生产等优点，是当前新型太阳能电池的研究热点。具有纳米多孔结构的半导体光阳极是DSSC的核心组成部分，采用有序、多功能的新型纳米结构
8、替代传统由纳米颗粒构成的无序光阳极，是DSSC基础研究领域的前沿和难点。5，硅酸盐纳米复合材料聚合物的玻璃化转变和加强机制。6，生物模板法合成水溶性导体聚合物纳米线。7，高柔韧性全固态纸状聚合物超级电容器。8，碳纳米管作为原子力显微镜探针技术。9，自模板方法制备TiO2微胶囊。二，巩固了哪些基本知识巩固了有关材料性能学方面的基本知识，比如材料的加工性能和硬度、塑性、抗蠕变性等等；有机化学方面的知识，电化学方面的知识，有机化学和光催化,以及各种化学键。以及材料测试方法方面的内容。比如扫描电镜和透射电镜在实验中的实际应用以及在新材料进行研发方面的应用，了解了透射电子显微镜的成像基本原理及其应用，利
9、用二次电子信号成像来观察样品的表面形态。电子“探针”扫描，激发样品表面放出二次电子，探测器收集二次电子成像。可以进行材料断口的分析。直接观察原始表面，观察厚试样，观察各个区域的细节。扫描电镜的另一个重要特点是景深大，图象富立体感。扫描电镜的焦深比透射电子显微镜大10倍，比光学显微镜大几百倍。由于图象景深大，故所得扫描电子象富有立体感，具有三维形态，能够提供比其他显微镜多得多的信息，这个特点对使用者很有价值。扫描电镜所显示的断口形貌从深层次，高景深的角度呈现材料断裂的本质。电化学方面的知识，有机化学和光催化还有导电玻璃的相关知识。 石墨烯的制备石墨烯的合成方法主要有两种：机械方法和化学方法。机械
10、方法包括微机械分离法、取向附生法和加热SiC的方法 ； 化学方法是化学分散法。用到。有的先进的科学实验，可能技术方面的难度不大，但是却会发现材料的某种性能，借助先进的实验仪器，也会对我们实验的创新发展起到极为重要的作用 石墨烯的制备石墨烯的合成方法主要有两种：机械方法和化学方法。机械方法包括微机械分离法、取向附生法和加热SiC的方法 ； 化学方法是化学分散法。 微机械分离法最普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。2004年Novoselovt等用这种方法制备出了单层石墨烯，并可以在外界环境下稳定存在。典型制备方法是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦，体相石
11、墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。 但缺点是此法是利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本。 取向附生法晶膜生长取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，首先让碳原子在 1 1 5 0 下渗入钌，然后冷却，冷却到850后,之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片形状的单层的碳原子“ 孤岛” 布满了整个基质表面，最终它们可长成完整的一层石 墨烯。第一层覆盖 8 0 后，第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用，而第二层后就几乎与钌完全分离，只剩下弱电耦合，得到的单层石墨烯薄片表现
12、令人满意。 但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影 响碳层的特性。另外Peter W.Sutter 等使用的基质是稀有金属钌。 加热 SiC法该法是通过加热单晶6H-SiC脱除Si，在单晶(0001) 面上分解出石墨烯片层。具体过程是：将经氧气或氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加热，除去氧化物。用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后，将样品加热，使之温度升高至12501450后恒温1min20min，从而形成极薄的石墨层，经过几年的探索，Berger等人已经能可控地制备出单层或是多层石墨烯。 其厚度由加热温度决定，制备大面积具有单一厚度的石墨
13、烯比较困难。 一条以商品化碳化硅颗粒为原料，通过高温裂解规模制备高品质无支持（Free standing）石墨烯材料的新途径。通过对原料碳化硅粒子、裂解温度、速率以及气氛的控制，可以实现对石墨烯结构和尺寸的调控。这是一种非常新颖、对实现石墨烯的实际应用非常重要的制备方法。 化学分散法化学分散法是将氧化石墨与水以1 mg/mL的 比例混合， 用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质，加入适量肼在1 0 0回流2 4 h ，产生黑色颗粒状沉淀，过滤、烘干即得石墨烯。Sasha Stankovich 等利用化学分散法制得厚度为1 nm左右的石墨烯。三，有哪些创新思路的启发以及未来的发展我们可以利用仿生法，
14、比如蝴蝶的翅膀特有的纳微米结构。来帮助我们研究TiO2薄层。通过宏观性能的表现，进一步去观察材料的微观结构，结构决定性能，通过对微观结构的改变，也可以改善材料的相关性能。我们同时应该更多的学习相关的知识，比如物理知识，有机化学、无机化学、高分子方面的知识，多领域的涉猎，有利于启发自己的思路，也开拓了自己的视野。我们也应该提高自己的动手能力。这个学期开设了“材料工程实验”，实验中曾经用到的以铁盐和氢氧化钠为主要原料，采用化学共沉淀法制备Fe3O4纳米粉体材料，其中的一些技术，比如旋涂法老师在讲课中也曾经提到。这种技术也会在一些先进的研究中当然，我们也可以利用一些先进的技术设备来开展实验。比如利用
15、高分辨的电子扫描显微镜来更好地观察材料微观性能，并且通过实验的不断尝试和改进，来提高材料的表面硬度和塑性。然而，试验并不是简简单单将试剂与材料进行反应，因为也会有原料的成本和仪器的成本。比如稀土掺杂中，某些稀土原料的价格也十分昂贵，做扫描电镜的成本也很高。当然，某些材料的是将价格虽然很高，但是我们可以通过实验自己制作来降低成本。 前几天，我看新闻的时候，发现这样一则消息瓦良格倒逼中国产业升级。目前，中国钢产量世界第一，但特种钢却严重依赖进口。原中国工程院院长徐匡迪曾表示，我国装备制造业主要在核心技术和核心部件上受制于人。核心技术主要指控制系统和软件，核心部件主要是材料不过关。尤其是飞机起落架、
16、高速列车车轴、轴承等抗疲劳高强钢，核电站用耐高温、抗辐射不锈耐热钢管，燃气轮机、涡扇发动机的高温合金叶片等材料，尚不能实现国产化。 以发动机为例，飞机发动机以高温、高压、高转速、高负荷这“四高”为技术难点，考验的是一个国家材料工业和制造工艺最尖端的加工能力。路透社曾评论，中国搞出了核导弹，又将航天员送上了太空，但中国迄今仍未能造出一台可靠的、高性能的飞机发动机。 我也希望自己能够通过不断的学习，丰富自己的知识，对生活和工业生产中一些关于材料的方面的内容能够了解。并且利用一些新的知识来对材料的改进做出自己的一份力量，比如汽车器件或者航空发动机的改进与创新。当然，这条路不会一帆风顺。但是我愿意去努力。 最后以华罗庚先生的话作为结尾“难”也是如此，面对悬崖峭壁，一百年也看不出一条缝来，但用斧凿，能进一寸进一寸，得进一尺进一尺，不断积累，飞跃必来，突破随之。5