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探索材料化学工程的运用及发展趋势

2019-12-30 258 上传者：管理员

摘要：材料化学工程作为当前新材料界研究的热点项目，成为了许多高科技项目得以发展的基础和先导，被广泛应用于环保、能源、航空、军工等领域，因此分析材料化学工程的实践与未来发展方向意义非凡。本文主要结合当前材料化学工程的实践活动，解析了材料化学工程的发展趋势。

关键词：
发展前景
学科实践
实践
材料化学工程
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当前化学工程在发展中与其他学科发生融合，与材料学科的交叉诞生了材料化学工程。材料化学工程采用化学方法研究合成新型材料。基于材料化学工程产生出的新材料具有多方面潜在的优势，材料可以广泛应用于尖端领域，体现出重要的价值。

1、材料化学工程的概述

作为近年来新兴发展起来的交叉学科，材料化学工程是材料学、化学的重要分支，也是当前高科技发展的重点领域。材料化学借助化学合成产生新型材料，研究物质在化学反应后性能的变化，确定材料性能与物质变化的关系，建立起基于新型材料的化工生产理论和工程技术。化学工程可以解决材料合成中的关键问题，借助对工艺条件的控制实现对材料结构性能的改进，实现定性定量生产，为材料的工业化生产创造基础。

2、当前材料化学工程的实践领域

2.1 纳米材料

纳米材料的概念提出最早是在20世纪80年代，材料尺寸位于0.1~100nm，因外形特别小，具有独特的结构，存在小尺寸效应，因此材料本身体现出表面效应与界面效应，材料的性能超越了常规材料，具有重要的价值。纳米材料存在特殊的热力性能、电磁效应、光学特性，因此不仅可以用于光电领域，还可以作为高效率材料应用于光热转换。当前基于纳米技术生产的电池、塑料、油漆实现了多方面的突破，已具有了推广应用价值。纳米材料还可以应用于医学领域和生物领域。在医学领域，药物制成纳米尺度可以加载肿瘤药物分子，借助具有载体功能的分子可以识别肿瘤等特殊细胞，将化疗药物分子直接作用于靶向细胞。在生物领域，纳米材料推动了仿生科技的发展。比如利用纳米技术生产出的人造皮肤，可以与人体直接接触，并体现柔软透气的特性，成为当前人体仿生的发展趋势。在新能源研究领域，新能源汽车在快速发展，利用纳米尺度材料生产的锂电池正极是当前新能源领域研究的热点。基于纳米技术生产的正极材料可以改善锂离子交换效率，电池的性能也因此得到了提升。

2.2 陶瓷材料

陶瓷材料是典型的金属与非金属复合物，主要成分包括氧化物、氮化物、碳化物等。常见的陶瓷材料如瓷器、水泥、玻璃含有氧化铝、碳化硅、氮化硅、二氧化硅等多种成分。性能优良的陶瓷材料在组织性能方面不同于传统陶瓷，借助特殊的加工工艺设计可以生产出性能更加突出的材料，新型陶瓷材料具有特殊用途和性能。陶瓷材料依据性能可以分为功能性陶瓷与结构陶瓷。功能陶瓷材料的内部组织与基体发生了改变，陶瓷材料体现出独特的光响应性、电响应性，此外热响应性、化学响应性也具有特殊性。当前光伏电池通过在陶瓷加入氧化锌、氧化锆等纳米粒子，陶瓷材料的导电率、透明性得以提升。光电材料的关键是介电陶瓷，这类材料是集成电路基板生产的关键材料，比如陶瓷电容器的生产。在制造领域，传感器的制造应用压电陶瓷提升了传感器的性能。比如压力传感器是机器人感知压力的重要部件，对于保证动作的精准发挥着重要的作用。

结构陶瓷体现出独特的化学和力学性能、热学特性，如具有高硬度、耐高温、低蠕变、耐腐蚀等优势，可以用于关键结构件的制作。此类产品可以工作在苛刻条件下，是许多新兴领域的关键材料。比如应用于空间技术，宇宙飞船、航天飞机的材料要保证耐超高温、高强度、密度低。而结构陶瓷可以满足这些苛刻条件的要求。未来航天技术的发展将更加于依赖于新型纳米结构陶瓷。当前陶瓷基复合材料已成功应用于火箭发动机喷管与天线罩的制作。在通信领域，原有的氧化铝基板变为具有高热导性的陶瓷基板。

2.3 薄膜材料

当前膜技术在快速发展，材料向着薄膜化的方向发展。薄膜材料包括多个种类，可以应用于许多领域。当前成熟的产品包括超导薄膜、导体薄膜、导电薄膜等。膜材料在热、光、电、磁方面具有独特的优势，体现出特殊的性能。薄膜材料可以应用于自动化控制、新型电池、集成电路等领域。比如导电氧化类薄膜可以用于太阳能电池、触摸屏的生产。透明导电类薄膜材料实现了光学性能与导电性能的共同作用，电阻率很低，在可见光波范围内可以保持透明，对于红外光具有反射作用。薄膜材料的性能稳定，体现很好的耐摩擦性，可以保持很强的附着力，因此透明导电氧化物薄膜的应用范围很广。

3、材料化学工程的未来发展分析

借助材料的化学特性来保证应用效果是材料化学工程要解决的重点问题。将技术突破向生产传递化是材料化学工程的价值所在。近年来国内许多研究机构在材料化学工程方面取得了很大的突破。比如南京工业大学以陶瓷膜材料为基础开发出集成生产单元技术，打造出以陶瓷膜为基础的新兴产业，陶瓷膜催化集成工艺、生物乙醇制备、陶瓷膜中药加工工艺等一批新技术也实现应用，产生出多方面的经济效益。天津大学以吸附材料作为突破点开发出吸附蒸馏技术，工业生产中的吸附与蒸馏可以耦合在同一装置中，分离因数明显提升，并保证脱附效果，还体现出生产连续、材料处理效率高等优势。在未来的发展中，通过控制反应条件与工艺参数，借助化学工程的理论对材料合成加以控制是材料化学工程发展的方向。国内在这方面已经取得突破，如北京化工大学利用超重力场技术实现了对材料合成中的形貌干预，保证实验室向工业化生产的规模效应。超重力场可以保证物质传递的效果，材料的强度得以改变，产品粒径同步发生变化。

材料化学工程是材料学、化学工艺、化学合成等多个学科的交叉，可以为材料的创新提供理论与技术上的支持，材料化学工程在工业生产中的带动作用会更加突出。当前国内许多高校正在加强材料化学工程专业的建设，并注重与其他学科融合。在学科的发展中，新型材料的开发与化工过程的进一步优化是研究方向，其主要问题是解决材料特性如何适用于实际的工业生产，借助技术上的突破解决材料的微观结构与性能。材料化学工程当前最主要的应用体现在军事领域与节能环保方面，在技术的发展中，对于提升国家的综合竞争力具有推动作用。未来的发展要将水资源利用、环境保护、能源的高效利用结合起来，消除工业发展中的瓶颈问题。比如碳纳米粉体材料制备技术的突破，扩大了纳米材料的应用范围。工业生产的实践表明，传统流化床技术发生改变后生产成本得以大幅减少，该技术应用于工业生产中，会产生可观的综合效益。

在材料化学工程的发展中，如果借助超重力场技术合成纳米材料，纳米材料的性能会进一步提升，其形貌控制效果更好。基于此技术生产的纳米粉体，工业化后会促进领域的发展。虽然近年来材料化学工程在发展取得了很大的发展，但是仍然多方面的技术挑战，比如还要解决材料微观条件下应用条件存在的局限性，新型材料传热机理的进一步分析等。另外，材料的精炼与加工工艺还要进一步优化，以控制生产中的污染，消除原料开采中对环境产生的破坏作用。所以实现能量的高效转化，保证储能效果，保证无污染、可回收利用的新型材料的生产是材料化学工程未来发展的重点方向。

4、总结

材料化学工程由于技术的发展，并渗透于许多领域，推动了许多行业的发展，并实现了与其他学科的融合。材料化学工程衍生出的许多分支学科是当前研究的重点。在未来的发展中，材料化学更加注重环境友好型绿色材料的开发，更加关注公共安全，材料化学的研究有了新的方向。

参考文献：

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