专业导论10-1课件

1、材料物理与化学专业概论材料物理（1）引 言材料物理与化学系两个专业材料物理： 材料化学： 功能高分子材料 (具有特殊物理性能) 材料科学最前沿的领域引 言-目的选专业了解材料物理与化学 重要性，干什么的，有什么用，前途如何扩大知识面，对于材料特别是高科技新材料有更多的了解，对材料产生兴趣培养科学素质：好奇心、思考、质疑、创新了解各门课程的重要性，提高学习的动力仰望天空，脚踏实地温家宝总理在同济大学讲： “如果一个民族只是关心脚下的事情，那是没有未来的 （黑格尔） 。 我希望同学们经常仰望天空，学会做 人，学会思考，学会知识和技能，做一个关心世界 和国家命运的人。 ” 要关注国家乃至人类发展需要

2、，这是有前途的领域 只有把自己的发展与社会责任联系起来，才能有前途 材料物理对我国科技发展乃至社会发展承担的责任 就 业 问 题麦可思（MyCOS）调查公司关于各专业就业情况的调查，按就业预期将专业划分红黄绿牌，以指导专业调控。其中绿牌专业是就业率居全国专业前50名，并且就业率或薪资增加最快（或金融危机时下降最慢）的前10名，为需求增长型专业。绿牌专业: 第一石油工程，第二材料物理 就 业 问 题为什么有这样预测? (根据学院统计材料物理就业率历来不低) 学会自己分析形势做出判断 就业包含两个问题: 1）社会的需求 2）如何能够得到好的职位有前途的领域迫切需要的领域，高速发展的领域是最有前途的

3、高速发展的：信息-计算机，通讯迫切需要的：能源（新能源，节能） 环境（二氧化碳排放） 这些都是材料物理的用武之地 这些领域是否大量需要人呢？生产第一大国我国钢产量世界第一，占世界1/3以上，我校很多人到钢厂我国自2007年就成为生产太阳能电池第一大国 目前国内60余家太阳能电池生产企业年生产能力超过3000MWp，2008年产量达到2600MWp，已经超过当年世界光伏电池产量的1/3。我国2/3地区年日照时间超过2000小时。预计2020年太阳能光伏电池装机容量超过2000万KW，2008年仅40MWp，加上其他可再生能源也与可再生能源中长期发展规划提出的2020年可再生能源占总量15%的目标

4、相去甚远。 还要有大发展-需要材料物理毕业生 无锡尚德太阳能电力有限公司 -施正荣特 点我国还有很多世界产量第一 如光纤等等这些材料领域的共同特点：（1）与科技发展相关的高科技材料，需求越来越大（2）产品还在不断更新，有广阔的发展前景（3）不仅需要材料知识还需要较多物理知识 （即需要材料物理） 这也正是麦可思公司调查看好材料物理的根据学 会 求 职要学会求职，这是一种能力 国外有很多关于如何求职的专门书求职基本需要： 了解希望进入的行业，主动求职 掌握足够的相关知识-面试 惰性会耽误人的一生根据以前毕业生的情况，发展比较好的大部分是开始找工作不太顺利的同学内 容 及 目 的本课下面将通过几个最

5、常见的重要领域的介绍 高科技新材料的广泛应用（市场），基本原理1）说明为什么材料物理非常重要、有前途 （为什么很多材料领域必须要材料物理专业） -材料物理承担的责任2）对这些领域有所了解 关注这些领域，学习相关知识，了解新进展 关注相关的企业单位 为将来求职早做准备 王刚在大学讲时往往最后强调： “青年朋友们，长本事吧，别的都是瞎说。” 广泛地摄取各种将来有用的知识材料物理是干什么的？材料物理学科是干什么的？ 研究材料中的物理问题 材料的物理性质 材料中的物理变化 （内部结构及变化） 材料为什么会有不同性质或简单说： 研究、发展高科技新材料高科技新材料为什么重要？科学技术的进步促进社会进步 高

6、科技新材料是科学技术发展的基础 材料进步科技就进步，材料突破科技就突破新材料在发展高技术、改造和提升传统产业、增强综合国力和国防实力方面起着重要的作用。世界各发达国家都非常重视新材料的发展。没有半导体材料的发展就没有现代计算机 也就没有现代信息科学（电学性质）没有激光材料、光纤就没有现代通讯技术（光学性质）没有太阳能电池，卫星就不能工作（光电性质）能源危机也有待于材料的发展来解决高科技新材料为什么需要材料物理？高科技新材料大量用的是材料的物理性质 （电学性质、光学性质、光电性质、磁学性质） 研究这些材料 不仅需要材料知识，更需要很多物理知识材料物理就是为了此领域研究的需要而设置的 培养发展这些

7、高科技新材料的人才 材料物理任重道远从世博会谈起吧中国馆 主题馆高科技展示 世界最新重大成果都首先在世博会展示 上海世博会将成为历史上第一个“低碳世博会” -造物记中国馆和主题馆的房顶太阳能总装机容量高达3127千瓦。一旦投入使用，两座“绿色电站”年均发电量约284万度，每年即可节约标准煤约1000吨，年均减排二氧化碳约2500吨、二氧化硫84吨、氮氧化物42吨、烟尘762吨，无愧于“绿色”的称号。为什么都重视太阳能电池？全球面临能源、环境问题能源危机 (石油)人类工业革命的代价，是肆意挥霍大自然亿万年积攒的“阳光罐头”，直到很晚才发现地球的不可再生资源将在百年之后坐吃山空。 现代化开采才仅一

8、百多年1851年伦敦世博会水晶宫展示煤矿采掘流程1933年芝加哥世博会展示石油开采和提炼的整个工艺 石油储量仅够用几十年 （开发深海油田，墨西哥湾） 煤也不过还够用一百来年，开采、运输问题 怎么办？为什么都重视太阳能电池？二氧化碳排放，温室效应 工业革命前, 8万年间大气中二氧化碳含量在180-270ppm，如今已经到385ppm 造成地球气候异常，灾害频发 1997年12月，84个国家签定了限制温室气体派放的京都协议书2009年12月，100多个国家首脑出席联合国气候变化大会，并发表了哥本哈根协议 我国投入几百亿解决节能减排 太阳能电池是理想的能源地球上的能源大部分是直接或间接利用太阳能 石

9、油，煤-几亿年前的太阳能 “阳光罐头” 水电，风力发电-受条件限制，生态 光合作用-美国利用植物制酒精最好的办法：直接把太阳能转变成电-太阳能电池 （光伏电池） 无排放，最清洁的能源 同时解决了能源问题和环境问题太阳能是取之不尽的能源2006年世界消耗能源共计455EJ（Exa-万亿） 仅相当于地球1小时6分钟接收到的太阳辐射 即：每小时到达地球上的太阳能可以满足全世界 一年的能量需求，一秒钟相当500万吨煤 照射在撒哈拉沙漠0.3%面积上的阳光， 就能够整个欧洲的能源需要 我国太阳能资源21万亿千瓦太阳能是最好的解决办法：取之不尽，无排放，不用水 解决能源问题的必然选择 太阳能是取之不尽的能

10、源欧洲安装太阳能电池国家给补贴仅2009年第四季度德国安装光伏电池2.3GW西班牙2008年安装光伏电池2.5GW南非计划建一个1GW光伏电站无锡尚德产能在2009年基础上增加85% ，2010年达1.3GW2010年第一季度总收入5.88亿美圆,同比增长86.3% 英利绿色能源公司第一季度净收24.5亿元人民币，毛利率达33.3% 被定单追着走太 阳 能 电 池航天的唯一能源 卫星 空间站 （GaAs）神 7为什么光照就产生电？ 原理是什么 用什么材料做的太阳能电池需要材料物理 半导体太阳能电池 单晶Si，多晶Si，非晶Si， GaAs等 光照使p-n结两侧产生电位差（为什么） 用什么材料既

11、导电又透明？ 显然涉及很多物理知识，仅材料知识是不够的 发展太阳能电池必须要材料物理单晶Si金属导电膜p-n 结防反射膜透明导电膜太阳能电池需要解决问题需要解决的问题价格 单晶Si片价格高（起作用的部分仅微米） Si薄膜转换效率低 光伏发电系统组件30元/瓦 目前已降到15元/瓦 转换效率 目前一般小于20% 哪些因素影响，如何进一步提高？这些都是要材料物理解决的问题为太阳能电池做贡献降低成本，大规模生产的关键问题之一：透明导电薄膜要让光能够进入，又要把产生的电导出来，就必须要透明导电薄膜要求：透光率高，电阻率低 ITO（氧化铟锡）膜，半导体材料 含In 90%，成本，储量 我国已经是生产太阳

12、能电池第一大国必须找一种价格低，储量丰富的材料 IZO，AZO-性能 （还有很多应用） 正在开展此研究项目，研究经费1000万元 （为什么要材料物理来研究？）性 能 与 寿 命寿命 （功能失效，减退）为什么会失效？如何提高使用寿命?也是材料物理 要解决的问题勇气号火星车900天(06年7月，原计划90天)太阳能电池研究进展国际上还在不断研究新型电池单晶Si电池实验室40%（规模生产20%）TiO2 /有机染料敏化电池 (7月报道：台湾高雄大学杨干信降低 染料成本，转换率9%)光电化学电池 （有机高分子）太阳能电池研究进展2008年1月13日电 美国加州大学圣克鲁兹分校张劲教授领导的包括中国、美

13、国和墨西哥三国研究人员的研究小组研制成功 将太阳能转换成电能的纳米薄膜材料 二氧化钛膜的厚度在150纳米至1100纳米之间，二氧化钛粒子的平均尺寸是100纳米。他们将二氧化钛晶格材料掺杂了氮原子，同时用化学方式将硒化镉制成的量子点连接在其上，用于敏化。光电转化率 提高3倍太阳能电池研究新进展2010年7月24日报道，美国南加州大学的研究人员最近成功研制出一种柔韧性很好的碳原子薄膜透明材料，并用它制作出有机光伏电池。研究人员说，这种碳原子材料用途广泛，比如有望用来生产太阳能窗帘和自行发电的衣服。 太阳能电池新进展据英国每日邮报2010年8月11日报道，英国莱斯特大学与一家挪威公司合作研发的新型太

14、阳能电池，能像玻璃贴膜一样使用，既透光又发电。这项革命性技术可在5年内投入使用，有望把每一扇窗子都变成一台太阳能发电机。 新型的“贴膜”太阳能电池由挪威EnSolAS公司设计，原材料来自莱斯特大学研究人员合成的一种金属纳米粒子。这些直径10纳米左右的金属粒子，被嵌入排列在透明化合物的矩阵中。 其“贴”在玻璃门窗、透明屋顶及外墙的表面后，会让使用者感觉像装了浅淡的有色玻璃。这种膜非常薄即使大面积铺设，也比传统太阳能装置的投资要节省许多。甚至它还能加在汽车顶棚上为电池充电 目前，小块的电池片材料已经成型，研发的下一个目标是系统化完善该技术，让电池效率达到20%或更高。 太阳能电池进展(太阳能电池汽

15、车)在澳大利亚太阳能汽车挑战赛 密歇根大学的车 3000km，150km/h我国早期的 一辆太阳能汽车上海电力学院太阳能研究所长 赵春江 22块太阳能电池板太阳能电池进展(太阳能电池飞机)有人驾驶太阳能飞机连续飞行26小时可连续飞行3天半的太阳能飞机(英)核 电 站 材 料解决我国能源问题的另一途径：核电核电站 可解决排放，运输问题核反应堆-铀235裂变，E=mc2世界439台机组，占总发电16%美国103台（20%），法国78%我国11台，占1. 9%2007年11月，国务院批准并公布了国家核电发展专题规划(2005-2020年)，预计到2020年，我国核电比重将从不到2%提高到4%，将建设

16、30多座核电站。 核电站材料对材料特殊要求苛刻的工作环境 高温、高压、高辐照材料会发生什么变化，为什么使用什么材料确保安全（契尔诺贝利）我校 4亿多元的“大项目” 重大工程中的材料服役问题（核电站）核能源中的材料问题核电燃料储量也有限核反应堆-铀235 仅0.72% 铀238 99.28%利用铀238的快中子反应堆 辐照更强，温度更高 用液态Na 导出热大量材料问题需要解决2010年7月我国第一座快中子反应堆中国实验快堆(CEFR)达到首次临界, 其热功率为65兆瓦，电功率20兆瓦 核能源中的材料问题国际热核聚变实验反应堆（人造太阳）(International Thermonuclear E

17、xperimental Reactor, “ITER”) 核聚变-氘，氚聚变七方代表06年11月21日在法国巴黎正式签署了联合实验协定及相关文件，全面启动了这一人类开发新能源的宏伟计划 关键还是材料问题可以解决能源问题 海水中有大量的氘，氚关键是两个问题：如何控制反应 用什么材料（抗高温、辐照）几千度高温，强辐照用什么材料做反应器用什么材料把热能导出来(Li) 强磁场把反应约束起来 超导体我系万发荣教授等已加入材料研究队伍超 导 材 料电阻为零 输电没有损耗（15%损耗） 得到超强磁场-线圈很大电流 Q = I 2 R t -没有电阻不发热 核磁共振 实验仪器 发电机，电动机超 导 材 料19

18、11年，昂纳斯研究液氦温区电阻时，发现4.2K以下时，汞的电阻突然降为零1957年，巴丁、库帕和施瑞弗基于电子和声子相互作用建立微观理论（量子问题） 诺贝尔奖发现很多种超导体，最好的Nb3Ge-23.2K 希望：液氮温度77K（-196C） 理论预测不能超过30K超 导 材 料1986年，柏诺兹和缪勒发现 La-Ba-Cu-O超导转变温度35K(钙钛矿结构) 不仅打破记录 提出新思路 1987年2月90K，1988年2月125K 高温超导体 为什么氧化物会出现超导机理还不清楚 长线材，滤波器，限流器（50kA） 也需要材料物理小 结社会发展要靠科学技术发展 现代高科技的发展都要靠材料高科技材料大量用的都是材料的物理性质发展这些材料必须有相当的物理基础这正是材料物理专业的重要性材料物理是大有可为的社会发展科学技术高科技材料材料物理21世纪的光源-LED解决能源问题-新能源，节能 上海世博会展示的另一亮点 这次有最多和最大的显示屏北京馆世博会上的LED英国馆-6万根透明亚克力杆顶端都带有一个细小的彩色光源，可以组合成多种图案和颜色夜景照明总规划师、总设计师、同济大学建筑学院郝洛西教授 :上海世博会正成为全球最大的LED秀场，世博园区也正成为全球最大