天津大学材料学院先进金属材料研究所赵乃勤教授

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赵乃勤，天津大学教授，“万人计划”领军人才，教学名师。研究专长为“复合材料的制备与界面改性，纳米材料的合成与应用研究，新型高性能金属材料的设计与制备”。出版专著教材5部，主持和参加了国家863高技术课题、国家自然基金重点项目和面上项目、973科技支撑项目、科技部国际合作项目、天津市自然基金和重点基金，教育部博士点基金等项目三十余项。在Adv. Mater., ACS Nano, Carbon, Chem. Mater., J. Mater. Chem.等国内外学术期刊发表论文160余篇，论文他引1270余次，获得授权发明专利30余项。研究成果获天津市自然科学一等奖1项（2010年，第一完成人），指导的博士生何春年获得全国优秀博士学位论文。

赵乃勤 教授
金属材料系
电话： 无
Email： nqzhao@tju.edu.cn
研究所： 先进金属材料研究所

个人简历
教育背景：
1993/09－1997/03，天津大学理学院，材料物理/博士
1985/09－1988/04，天津大学材料科学与工程学院，材料学/硕士
1979/09－1983/07，天津大学机械系, 金属材料及热处理，本科/学士.

工作经历：
2001/06－至今，主要从事碳纳米复合材料合成及其在锂离子电池、超电容中的应用研究；金属基复合材料的制备、表征和性能研究；
2014/03—2014/06，国家公派高级研究学者，在美国范德堡大学从事纳米材料电学与热学性能研究；
2010/07—2010/09，日本东北大学金属研究所，应日本邀请作为访问教授从事非晶与碳纳米复合材料合作研究；
2003/02－2003/12，应香港理工大学邀请，从事激光材料表面改性合作研究；
2000/06－2001/02，国家公派访问学者，在美国伊利诺斯理工学院，铝基复合材料的制备与性能研究；
1985/06－2000/06，在天津大学任教，从事弹性合金、铜合金、铝合金及其复合材料制备和性能研究。

研究方向
研究领域：
1.复合材料的制备与界面改性。
   通过控制组成相的成分、含量、结构，制备高性能的复合材料；通过增强组元的表面改性，以及结构、组成和工艺的控制，改善界面结构，以获得具有优良力学性能和功能特性的复合材料。
2.纳米材料的合成与应用研究
   主要开展用化学气相沉积制备碳纳米材料，包括零维碳纳米洋葱，一维碳纳米管和二维、三维网络石墨烯的原位合成及其在结构与锂离子电池和超电容电极中的应用研究。特别是在金属基体上进行的原位碳纳米材料的合成、以及三维网络石墨烯原位合成方面形成了研究特色。另外还开展其它纳米材料合成如TiO2，ZrO2及其包覆等，用于光催化、染料敏化太阳能电池与电极材料的研究。
3.新型高性能金属材料的设计与制备
   主要针对航空航天、汽车零部件轻量化的要求，开展新型铝合金、镁合金的研究，通过材料成分设计，特别是稀土元素的微量添加，制备高强高韧合金。目前在863课题支持下正在开展轻质高强铝钪合金与细晶铸旋成形及其应用技术的研究。


主持和参加了国家863高技术课题，国家自然基金重点项目和面上项目，973科技支撑项目，科技部国际合作，天津市自然基金和重点基金，教育部博士点基金等项目三十余项。在Adv. Mater., ACS Nano, Carbon, Chem. Mater., J. Mater. Chem.等国内外学术期刊发表论文160余篇，论文他引1270余次，获得授权发明专利30余项。研究成果获天津市自然科学一等奖1项（2010年，第一完成人），指导的博士生何春年获得全国优秀博士学位论文。


主要讲授课程：
合金固态相变
曾主讲材料科学与工程专业本科生《金属X射线学》、《金属材料及热处理》,
硕士生《合金热力学》


承担项目
主要承担项目：
国家自然基金重点，碳纳米相三维网络增强金属基复合材料的力学性能与界面结构 ，342万，2016.1-2020.12，51531004 (Project supported by the State Key Program of National Natural Science of China(Grant No. 51531004)
国家863课题， 轻质高强铝钪合金与细晶铸旋成形及其应用技术， 2013.1-2015.12，745万元，负责人。High Technology Research and Development Program of China (No. 2013AA031002).
科技部中欧国际合作项目，三维多孔碳杂化结构的原位合成及储能应用，300 万元，负责人，2015.1-2017.12。China-EU Science and Technology Cooperation Project ，SQ2013ZOA100006
天津市重点专项，三维碳基柔性薄膜超极电容器制备关键技术，500万元，负责人，2016.10-2019.10.   16ZXCLGX00110
国家重点基础研究发展计划课题，新型碳纳米纤维的制备及其复合材料的结构设计、界面和性能，2010-2014，700万元，主要参加人。2014年12月完成。
国家自然科学基金面上项目：石墨烯三维多孔杂化结构的原位合成及其储能特性，82万元，51472177，负责人：赵乃勤，2015.1-2018.12。
国家自然科学基金，中空碳纳米洋葱宏量可控制备及其超电容储能机理研究，2013.1-2016.12，80万元，负责人。51272173
国家自然科学基金，金属基体上碳纳米相的原位生长机理和低温可控制备， 2011.1-2013.12，38万元，负责人。
博士点基金，染料敏化太阳能电池用TiO2纳米管中线阵列的可控制备与形成机理，2013.1-2015.12，12万元，负责人。
天津市科技支撑计划，锂离子电池用高容量富锂锰层状固溶体正极材料，50万元，2012.4-2015.3，负责人。
天津化学化工协同创新中心（2011）“多孔微纳结构与高能化学电源”团队骨干成员。

标志性成果
主要学术成就、获奖及荣誉：
1.国家高层次人才特殊支持计划（万人计划，教学名师），中组部、教育部，2013
2.全国三八红旗手，中华全国妇女联合会，2013
3.国务院特殊津贴专家，2013
4.宝钢教育奖--优秀教师特等奖，2012年
5.天津市德业双馨十佳教师奖，天津市教委，2012
6.第六届全国高等学校教学名师奖，教育部，2011
7.全国优秀博士学位论文指导教师，国务院学位委员会，2010
8.天津市自然科学奖，碳纳米相增强金属基复合材料的基础研究，一等奖，第一获奖人，2010
9.国家教学成果二等奖，材料类复合型人才培养实践教学体系的综合改革与实践，第一获奖人，2009
10.天津市教学成果一等奖，材料类复合型人才实践教学体系的综合改革与实践，第一获奖人，2008


发表文章、专利、专著（代表作）：
编写专著与教材：
1.赵乃勤、何春年等编撰, 原位合成碳纳米相增强金属基复合材料，“纳米科学与技术丛书”（白春礼主编）之一，科学出版社，2014
2.赵乃勤主编，合金固态相变，中南大学出版社，2008
3.赵乃勤主编，材料热处理原理与工艺，机械工业出版社，2012
4.耿香月，赵乃勤主编，工程材料学，天津大学出版社，2001
5.杨福玲，赵乃勤主编，《材料科学与工程》专业英语，上海外语研究出版社，2003
发表主要学术论文（近五年）：（*为通信作者）
1.Jingwen Zhou, Jian Qin, Xiang Zhang, Chunsheng Shi, Enzuo Liu, Jiajun Li, Naiqin Zhao*, Chunnian He*. 2D Space-confined synthesis of few-layer MoS2 anchored on carbon nanosheet for lithium-ion battery anode. ACS Nano 9 (4), 3837-3848,2015.
2.Kaiqiang Qin, Jianli Kang,* Jiajun Li, Chunsheng Shi, Yuxiang Li, Zhijun Qiao, Naiqin Zhao*. Free-Standing Porous Carbon Nanofiber/Ultrothin Graphite Hybrid for Flexible Solid-State Supercapacitors. ACS Nano 9(1) 481-487 (2015).
3.Lichao Guo, Naiqin Zhao,* Jiajun Li, Cunnian He, Chunsheng Shi, Enzuo Liu.* Surface double phase network modified lithium rich layered oxides with improved rate capability for Li-ion batteries. ACS Appl. Mater. Interfaces 7 (1), 391-399, 2015.
4.Jian Qin, Chunnian He*, Naiqin Zhao*, Zhiyuan Wang, Chunsheng Shi, En-Zuo Liu, Jiajun Li. Graphene Networks Anchored with Sn@Graphene as Lithium Ion Battery Anode，ACS Nano, 8 (2), pp 1728–1738, 2014.
5.Junwei Sha, Naiqin        Zhao*, Enzuo Liu, Chunsheng, Shi, Chunnian He, Jiajun Li. In situ synthesis of ultrathin 2-D TiO2 with high energy facets on graphene oxide for enhancing photocatalytic activity, Carbon, 68,pp 352–359, 2014.
6.Chunnian He, Shan Wu, Naiqin Zhao*, Chunsheng Shi, Enzuo Liu, Jiajun Li. Carbon-Encapsulated Fe3O4 Nanoparticles as a High-Rate Lithium Ion Battery Anode Material. ACS Nano 7 (5) ,pp 4459-4469, 2013 .
7.Shan Wu, Zhiyuan Wang, Chunnian He, Naiqin Zhao*, Chunsheng Shi, Enzuo Liu, Jiajun Li. Synthesis of uniform and superparamagnetic Fe3O4 nanocrystals embedded in a porous carbon matrix for a superior lithium ion battery anode. J. Mater. Chem. A, 1(36), pp 11011-11018,2013.
8.Naiqin Zhao, Shan Wu, Chunnian He*, Zhiyuan Wang, Chunsheng Shi, Enzuo Liu, Jiajun Li. One-pot synthesis of uniform Fe3O4 nanocrystals encapsulated in interconnected carbon nanospheres for superior lithium storage capability. Carbon,57, pp 130-138,2013.
9.Xudong Yang, Enzuo Liu, Chunsheng Shi, Chunnian He, Jiajun Li, Naiqin Zhao*, Katsuyoshi Kondoh. Fabrication of carbon nanotube reinforced Al composites with well-balanced strength and ductility. J. Alloys Comp. , 563,pp 216-220,2013.
10.Haipeng Li, Jianli Kang, Chunnian He, Naiqin Zhao*, Chunyong Liang, Baoe Li. Mechanical properties and interfacial analysis of aluminum matrix composites reinforced by carbon nanotubes with diverse structures. Mater. Sci. Eng. A, 577, 120-124,2013.
  11.Miao Zhang, Naiqin Zhao*, Wei Li, Chunnian He, Jiajun Li, Chunsheng Shi, Enzuo Liu. A novel synthesis of CNTs/TiO2 nanocomposites with enhanced performance as photoanode of solar cell. Mater. Lett. 109,pp 240-242,2013 .
12.Jian Wang, Naiqin Zhao*, Philip Nash, Enzuo Liu, Chunnian He, Chunsheng Shi, Jiajun Li. In situ synthesis of Ti2AlC-Al2O3/TiAl composite by vacuum sintering mechanically alloyed TiAl powder coated with CNTs. J. Alloys Comp., 578, pp 481-487,2013.
13.Chunnian He, Long Chen, Chunsheng Shi, Chenguang Zhang, Enzuo Liu, Jiajun Li, Naiqin Zhao*, Xinmin Wang, Akihiro Makino, Akihisa Inoue. Direct synthesis of amorphous carbon nanotubes on Fe76Si9B10P5 glassy alloy particles. J. Alloys Comp. , 581,pp 282-288,2013.
14.Chunnian He,Naiqin Zhao*. One-step solid-phase synthesis of ultrasmall homogeneous face-centered tetragonal FePt nanoparticles encapsulated in thin carbon shells, J Mater. Chem., 22,pp 1297-1304,2012.
15.Chenguang Zhang, Jiajun Li, Enzuo Liu, Chunnian He, Chunsheng Shi, Xiwen Du, Robert H. Hauge, Naiqin Zhao*. Synthesis of hollow carbon nano-onions and their use for electrochemical hydrogen storage，Carbon, 50 (10),pp 3513-3521,2012.
16.Jianli Kang, Kaiqiang Qin, Hu Zhang, Akihiko Hirata, Junqiang Wang, Mingwei Chen, Naiqin Zhao*, Ronglu Sun, Takeshi Fujita, Chunsheng Shi, Zhijun Qiao. Direct synthesis of fullerene-intercalated porous carbon nanofibers by chemical vapor deposition，Carbon, 50(14),pp 5162-5166,2012
17.Naiqin Zhao, Shan Wu, Chunnian He*, Chunsheng Shi, Enzuo Liu, Xiwen Du, Jiajun Li. Hierarchical porous carbon with graphitic structure synthesized by a water soluble template method, Materials Letters, 87,pp 77-79,2012.
18.Xudong Yang, Chunsheng Shi, Enzuo Liu, Chunnian He, Xiwen Du, Jiajun Li, Naiqin Zhao*. Low-temperature synthesis of multi-walled carbon nanotubes over Cu catalyst, Mater. Lett. ,72,pp 164-167,2012.
19.Enzuo Liu, Jian Wang, Jiajun Li, Chunsheng Shi, Chunnian He, Xiwen Du, Naiqin Zhao*. Enhanced electrochemical hydrogen storage capacity of multi-walled carbon nanotubes by TiO2 decoration, Inter.J.Hydro.Energy, 36,pp 6739-6743,2011.
20.Zhang Chen-guang, Li Jiajun, Shi Chunsheng, Liu Enzuo, Du Xiwen, Feng Wei, Naiqin Zhao*. The efficient synthesis of carbon nano-onions using chemical vapor deposition on an unsupported Ni-Fe catalyst, Carbon, 49, pp 1151-1158,2011.

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二维金属硫化物/三维石墨烯复合材料的原位构筑与原子改性及其储钠性能研究
批准号        51972225       
项目负责人        赵乃勤       
依托单位        天津大学
资助金额        60.00万元       
项目类别        面上项目       
研究期限        2020 年 01 月 01 日 至2023 年 12 月 31 日

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在国家自然科学基金重点基金、优秀青年基金（面上）、军委科技委重点基金和天津市新材料重大专项等项目的支持下，我院赵乃勤教授领导的纳米及复合材料团队应邀撰写的综述论文“The superior mechanical and physical properties of nanocarbon reinforced bulk composites achieved by architecture design–a review”于2020年4月在国际著名综述期刊《材料科学进展》(Progress in Materials Science)上在线发表。论文中天津大学材料学院为唯一单位，张翔博士为第一作者、赵乃勤教授为第二作者、何春年教授为通讯作者，综述全文6万2千余字，分为7个大章节，60个小章节，共计74张图片。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100672。

       《材料科学进展》是国际材料科学研究领域的著名综述性学术期刊，主要邀请材料领域内的著名学者撰写综述，对学科前沿的现状和未来进行评述，在材料领域具有重要影响，该期刊每年出版6至8期，每期刊登3至6篇文章；2019年影响因子为23.72，5年影响因子33.01。该论文是材料学院首次在该期刊上发表的学术论文。
        近年来，碳纳米材料作为复合材料的增强体凭借其优异的力学和物理性能以及自身结构的独特性，引起人们的极大关注而成为复合材料研究领域的热点。其中，具有一维结构的碳纳米管和二维结构的石墨烯是研究最广泛的两类碳材料。在复合材料中，增强相的空间构型结合了增强相的空间分布、取向性和连续性的设计，其实现技术手段及其对力学、物理性能的影响规律是该领域最具挑战的前沿课题之一。文章系统总结了碳纳米相（包括碳管与石墨烯）在复合材料（金属、陶瓷、聚合物基体）中的构型设计思路及其对复合材料力学与导电、导热性能的影响机制，提出了具有不同维度（一维、二维和三维）和空间构型（均匀分布构型、叠层构型、取向构型和网络构型等）的          碳纳米相增强复合材料的新规律与新理论。该文章可为进一步实现碳纳米相增强复合材料的可控构型设计及结构功能一体化性能的实现提供有益借鉴。
纳米及复合材料团队多年来致力于高性能碳材料与传统金属的复合技术与理论的研究，陆续开发了具有普适性的原位化学气相沉积法制备碳纳米管增强金属基复合材料、二维石墨烯、非连续与连续三维石墨烯网络增强结构及功能复合材料的技术及理论，并积极推动部分材料应用于航天航空与电子信息等领域。相关成果发表在Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano、Nano Today、Carbon、Journal of Materials Science & Technology等国内外高水平学术期刊。


       【论文概要】
       通常复合材料的设计性体现在三个方面：增强相选择、界面改性和空间构型设计。增强相的选择依赖于对增强体材料本征性能的认知程度；界面改性则取决于原子尺度上对缺陷和掺杂的调控；而空间构型设计则是增强相的分布、取向和连续性在基体空间内协同耦合的结果。更确切来说，增强的分布是构型设计首要考虑的因素，根据三维空间内分布的均匀性与否可以分为均匀分布和非均匀分布。均匀分布是指增强相分布于基体内无差别的位置，而非均匀分布则意味着增强相按照某种规律选择性地分布于特定位置；增强相的取向是实现复合材料功能特性的基石，反映出材料对于外界激励的选择性反馈。连续性则决定了增强相和基体的之间相互作用的尺度规模，连续性的提升往往可以通过增强相的相互连接效应突破其自身的尺度局限性。因此构型设计集成了增强相的拓扑结构、选择性和与基体的作用尺度设计，是连接微观增强相和宏观性能的桥梁。显然，构型设计在以上三个方面中是最为复杂和具有挑战性的。近些年来，纳米科技的迅猛发展使研究者们对自然材料中多尺度下的精细特征机构的理解日益深入，并开发出比肩乃至超越自然材料的人工复合材料。然而受制于人工合成工艺的局限性，生物材料中多级结构调控往往难以全部实现。因此为了方便大规模工业化生产需求，研究者们通过模仿生物材料中对性能影响最为显著的特征结构基元（Structural motif），成功开发出多种理想的复合材料。
通常来说，构型设计的优势可以归纳为以下三个方面：（1）突破强韧倒置瓶颈；（2）获得随机分布复合材料无法企及的特殊性能；（3）较单一组元材料获得潜在的多组元协同效应。
       构型设计依赖于增强相的维度和内在性能。碳纳米材料，尤其是一维（1D）的碳纳米管（CNTs）和二维（2D）的石墨烯在过去数十年间的快速发展，为构型设计带来了新的契机。与传统的复合材料增强相相比，碳纳米增强相最为独特的特征在于（1）高纵横比（碳纳米管：高长径比；石墨烯：高面厚比），使其具有与陶瓷刚性增强相不同的可弯曲特性；（2）大比表面积，增大了其与基体之间的界面结合效应。并且，CNTs和石墨烯具有弥散粉末、取向纤维、随机或取向薄膜、泡沫或海绵宏观体等多种存在形式，为其构型的多样化设计提供了可能。
       本综述中，首先针对碳纳米增强复合材料中四种基本构型给出定义，之后对三种不同属性基体材料中的构型设计典型方法进行介绍；进一步综合分析了不同构型对复合材料性能的影响因素与内在机制。最后，针对性能需求如何选择并优化构型设计进行了总结和展望。


       本综述主要结论总结如下：
      （1） 均匀构型被设计为有效解决碳纳米材料的团聚问题。通常实现均匀构型的方法主要依赖机械力破碎增强相团聚体、利用化学法对碳纳米相表面进行化学修饰以提高增强相和基体之间的润湿性或通过特殊的原位制备工艺在一种相内部生成另外一相。对于均匀构型而言，需要特别注意制备过程中增强相的结构完整性保持以获得较好的力学性能。碳管或石墨烯的内在因素如增强相的选用类型、纵横比、表/界面化学状态，和外在因素如分散状态等都会对复合材料的性能产生重要影响。
      （2） 叠层构型实现了增强相和基体在厚度方向的间隔并形成交替排列，较均匀构型的制备可控性更强。实验和理论的研究都表明这种特殊构型具有提高对裂纹萌生和传播过程的较强相互作用从而提高了韧化效果。并且通常条件下复合材料面内方向的力学性能显著优于面外方向。碳管或石墨烯的纵横比、层数、层厚与界面结合强度是影响这类构型复合材料力学性能的决定性因素；
      （3） 取向构型实现了1D-CNTs和2D-石墨烯在基体空间内的高度有序排列。取向性可以通过碳纳米相的合成工艺实现，如碳管阵列；也可以通过复合材料制备过程中通过机械力、电场或磁场力的作用实现取向排列。这一构型的主要优势在于通过增强相之间的搭接于基体内形成了连续的导通通道从而提高导电、导热性能。增强相的纵横比、取向程度是力学和物理性能的重要影响因素；
     （4） 网络构型充分利用了碳管与石墨烯的结构可设计性优势，并于基体内构筑连续（或局部连续）的骨架结构。通过预制体骨架填充或粉末致密化策略，网络构型的组成要素（如孔结构、壁层厚度和组成元素等）可以获得有效调控。研究表明网络构型有望同时实现复合材料力学和物理性能的全面提升。三维碳纳米相网络的内在性能和界面结构对复合材料的最终性能起决定性作用。
     （5） 对于碳纳米相增强高分子基和陶瓷基复合材料，取向构型、叠层构型和网络构型可以被用来在保持较好增强效果的同时提高脆性基体的韧性。更为重要的是，以上构型可以提高复合材料的物理性能（如导电和导热性）几个数量级，从而拓展了其应用范畴；
     （6） 对于碳纳米相增强金属基复合材料，已有报道表明叠层和网络构型可以有效突破强韧倒置的瓶颈问题。此外，对于结构功能一体化性能需求的基体，如铜，叠层材料可以有效提高面内方向的输运性能，而网络构型则有望提高各向同性的导电和导热性。