材料化學(xué)工程的應(yīng)用與發(fā)展趨勢

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摘要：材料化學(xué)工程是近年來現(xiàn)代化學(xué)工程的研究熱點，它在儲能、環(huán)保、能源、軍工等方面有著舉足輕重的地位，是發(fā)展眾多高科技領(lǐng)域的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，開展其應(yīng)用及發(fā)展趨勢的研究對于其快速發(fā)展具有重要意義。本文簡單介紹了目前材料化學(xué)工程的應(yīng)用進展，分析討論了材料化學(xué)工程的未來發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：材料化學(xué)工程應(yīng)用發(fā)展趨勢

1材料化學(xué)工程的概述

材料化學(xué)工程是一門新興的交叉學(xué)科，研究領(lǐng)域交叉滲透了材料、化學(xué)、化學(xué)工程等專業(yè)。其發(fā)展方向主要分為兩方面：一是以新型功能材料為核心的化工單元操作過程，如吸附脫附過程、膜反應(yīng)過程、蒸餾過程、膜分離過程等。該方向主要利用新型材料的物理及化學(xué)特性，實現(xiàn)化工生產(chǎn)的物理傳遞及化學(xué)反應(yīng)過程，通過研究物質(zhì)在材料微觀結(jié)構(gòu)中的傳遞及反應(yīng)規(guī)律，總結(jié)材料性能與材料物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，進而建立起新型材料設(shè)計及化工單元過程優(yōu)化的理論和工程技術(shù)。二是利用化學(xué)工程的方法理論來解決材料生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵問題，通過工藝條件的控制對材料的結(jié)構(gòu)及性能進行改進，實現(xiàn)產(chǎn)品的定性定量生產(chǎn)，為材料生產(chǎn)的實驗基礎(chǔ)及工業(yè)放大提供參考。

2材料化學(xué)工程的應(yīng)用

（1）納米材料的應(yīng)用。納米材料的概念源于80年代初期，這類材料的一般尺寸介于0.1-100nm，因其特殊的微觀結(jié)構(gòu)，具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和界面效應(yīng)等，無法被常規(guī)材料取代，具有十分重要的意義。結(jié)合熱力學(xué)、電磁學(xué)、化學(xué)、光學(xué)性質(zhì)，納米材料不僅能應(yīng)用于光電領(lǐng)域，還能作為高效率的光熱轉(zhuǎn)換新材料。以納米技術(shù)為基礎(chǔ)的電池、塑料、油漆等技術(shù)已經(jīng)取得了較大進展，同時正在逐漸推廣。納米材料應(yīng)用于健康和生物系統(tǒng)近年來也成為研究的熱點。在健康領(lǐng)域，基于納米尺度的藥物載體搭載抗腫瘤藥物分子，通過載體的分子識別特定細胞，直接將化療藥物分子應(yīng)用在特定細胞上（如腫瘤細胞）。在生物系統(tǒng)領(lǐng)域，將納米材料技術(shù)應(yīng)用于仿生科技也是研究熱點之一，通過利用納米材料制備的人造皮膚可以實現(xiàn)和人體的良好接觸，具有透氣性和柔軟性的特性，成為新一代人體仿生技術(shù)的發(fā)展方向。在新能源領(lǐng)域，新能源汽車革命正如火如荼地進行著，基于納米尺度的鋰電池正極材料也是研究熱點之一，其通過提升正極材料的鋰離子交換效率從而極大提升了電池的效率。特斯拉公司計劃將納米材料技術(shù)應(yīng)用在三元鋰離子的正極材料上，以期提升正極材料的表面積從而達到提升鋰離子交換效率的目的。可以說納米技術(shù)是21世紀科學(xué)領(lǐng)域中最重要的技術(shù)革命。（2）先進陶瓷材料的應(yīng)用。陶瓷材料是金屬和非金屬元素的復(fù)合物，通常是由氧化物、氮化物和碳化物等組成。例如，一些常見的陶瓷材料包括氧化鋁、二氧化硅、碳化硅和氮化硅等，另外還有瓷器、水泥和玻璃。而先進陶瓷材料在原料、工藝方面有別于傳統(tǒng)陶瓷，采用特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計并結(jié)合不同性能的高純度原料，通過新型的工藝技術(shù)生產(chǎn)出具有特殊用途和性能的陶瓷材料[1]。先進陶瓷材料按照性能不同分為功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷。功能陶瓷主要是通過對材料內(nèi)部或基體的改性，從而使得陶瓷材料具有一定的光響應(yīng)性、電響應(yīng)性、熱響應(yīng)性或化學(xué)響應(yīng)性。在光伏電池領(lǐng)域，可以通過在陶瓷中摻雜氧化鋅、氧化鋯等金屬氧化物納米粒子，從而提升陶瓷的導(dǎo)電率與透明性。在光電材料的關(guān)鍵組件方面，介電陶瓷材料是集成電路基板關(guān)鍵的元件材料，即陶瓷電容器。在先進制造領(lǐng)域，壓電陶瓷在傳感器領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，是壓力傳感器的最關(guān)鍵的部件，而壓力傳感器作為機器人的壓力感知、動作校正方面有著重要應(yīng)用，是機器人的關(guān)鍵部件。結(jié)構(gòu)陶瓷，其具有優(yōu)異的化學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)性能，如耐高溫、低蠕變速率、高硬度、耐腐蝕等，常用于各種結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件。它能夠在很多苛刻的條件下工作，是實現(xiàn)很多新興科學(xué)技術(shù)的關(guān)鍵。在空間技術(shù)領(lǐng)域，宇宙飛船與航天飛機需要耐超高溫、強度高、質(zhì)量輕的結(jié)構(gòu)材料，而先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料能滿足這些苛刻的要求。未來航空航天技術(shù)將更依賴于新型結(jié)構(gòu)陶瓷的發(fā)展與應(yīng)用，如陶瓷基復(fù)合材料目前已應(yīng)用于制造液體火箭發(fā)動機噴管及導(dǎo)彈天線罩。在光通信產(chǎn)業(yè)，傳統(tǒng)的氧化鋁基板正在被具有高熱導(dǎo)性的氮化鋁陶瓷基板逐步取代。在這一領(lǐng)域，我國研制的氮化鋁陶瓷基板材料的熱導(dǎo)率是氧化鋁的5-10倍，性能在國際上居于領(lǐng)先地位。（3）新型薄膜材料的應(yīng)用。近年來，隨著膜技術(shù)的飛速發(fā)展，各種材料的薄膜化已經(jīng)成為一種普遍趨勢。薄膜材料種類繁多，應(yīng)用廣泛，目前常用的有：超導(dǎo)薄膜、導(dǎo)電薄膜、電阻薄膜、半導(dǎo)體薄膜等[2]。這些膜材料都具有光、電、磁、熱等方面的特殊性質(zhì)，并在一定作用下表現(xiàn)出特殊的功能。新型薄膜材料主要應(yīng)用于自動控制、集成電路、太陽能電池、交通等領(lǐng)域。像透明導(dǎo)電氧化物薄膜被廣泛應(yīng)用于太陽能電池、觸摸屏顯示器及透明視窗等設(shè)備中，是不可或缺的一類薄膜材料。透明導(dǎo)電氧化物薄膜將材料的光學(xué)性質(zhì)和導(dǎo)電性質(zhì)有效的進行結(jié)合，其具有很低的電阻率，在可見光波長內(nèi)保持透明，對紅外光具有較強的反射作用。這種薄膜材料由氧化物組成，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，同時還具有優(yōu)良的耐摩擦性，采用合理的制備方法能夠得到具有較強附著力的薄膜。由于具有這些良好的性能，透明導(dǎo)電氧化物薄膜在光電器件制備中具有廣泛、重要的應(yīng)用前景。

3材料化學(xué)工程技術(shù)的進展

利用材料的物理及化學(xué)特性實現(xiàn)化工生產(chǎn)中的傳遞過程及化學(xué)反應(yīng)過程是材料化學(xué)工程的重點研究內(nèi)容，南京工業(yè)大學(xué)開發(fā)的以陶瓷膜材料為核心的集成單元技術(shù)，在國內(nèi)形成了以陶瓷膜為基礎(chǔ)的新產(chǎn)業(yè)，同時發(fā)展出了陶瓷膜催化集成工藝、生物質(zhì)乙醇制備工藝、陶瓷膜生產(chǎn)中藥工藝等先進技術(shù)，帶來明顯的經(jīng)濟效益[3]。天津大學(xué)開創(chuàng)的以吸附材料為核心的吸附蒸餾技術(shù)，使吸附過程與蒸餾操作耦合在同一塔中，提高了分離因數(shù)，加強了脫附作用，同時還具有操作連續(xù)以及物料處理量大的優(yōu)點[4]。通過控制反應(yīng)及工藝條件，運用化學(xué)工程的方法理論對材料的加工過程進行控制是材料化學(xué)工程的另一重點內(nèi)容。我國在這一領(lǐng)域已經(jīng)取得較大進展，北京化工大學(xué)結(jié)合超重力場工程技術(shù)，在生產(chǎn)中實現(xiàn)了對材料形貌的控制，解決了從實驗室階段到工業(yè)化階段的放大效應(yīng)問題。超重力場能夠強化物質(zhì)的傳遞過程，通過改變其強度便可控制產(chǎn)品粒徑。目前已經(jīng)發(fā)展成了工業(yè)化技術(shù)體系，能夠生產(chǎn)碳酸鍶、碳酸鈣、碳酸鋇等納米級粉體。清華大學(xué)將流化床工藝運用于生產(chǎn)碳納米管，促進了碳納米管的規(guī)模化生產(chǎn)，大幅降低了生產(chǎn)成本，為我國帶來了巨大的經(jīng)濟效益[5]。

4展望

材料化學(xué)工程作為材料科學(xué)、化學(xué)和化學(xué)工程專業(yè)的交叉學(xué)科，不僅為材料科學(xué)的發(fā)展提供了技術(shù)支持，也為化學(xué)工程領(lǐng)域開辟了新的分支。許多國內(nèi)外高校正在逐步建設(shè)材料化學(xué)工程專業(yè)，旨在加強與其他學(xué)科的交叉滲透。新型材料設(shè)計制備及化工過程優(yōu)化是材料化學(xué)工程的研究目標(biāo)，其關(guān)鍵問題是材料特性與生產(chǎn)過程的關(guān)系，材料微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。盡管在過去的幾年中材料化學(xué)工程學(xué)科取得了巨大的進步，但仍然存在技術(shù)挑戰(zhàn)，如材料微觀結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)用中的變化、基于新型材料的傳質(zhì)傳熱機理等。此外，材料加工和精煉方法需要進一步改進，減少污染，減少開采原材料對環(huán)境的破壞。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)能量轉(zhuǎn)化、具有儲能、可供二次回收利用的新型材料及無污染的材料生產(chǎn)工藝是未來材料化學(xué)工程的發(fā)展重點。

5結(jié)束語

隨著科技進步與發(fā)展，材料化學(xué)工程將滲透到各個行業(yè)，與其他學(xué)科專業(yè)的交叉越來越廣，技術(shù)挑戰(zhàn)越來越大。生命、能源和環(huán)境是當(dāng)今世界各國都特別重視的領(lǐng)域，材料化學(xué)工程的各個分支學(xué)科的主要研究也應(yīng)與這些方面密切相關(guān)。強化環(huán)境與綠色化學(xué)材料的研究，關(guān)注與公共安全相關(guān)的材料化學(xué)問題的研究將是未來研究的重要課題。

參考文獻

[1]侯嘉凝.材料化學(xué)的應(yīng)用與發(fā)展[J].中國高新區(qū)，2018（05）:37.

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[3]徐南平.無機膜分離技術(shù)與應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[4]周明，許春建，余國琮.吸附蒸餾-復(fù)合新分離過程[J].自然科學(xué)進展:國家重點實驗室通訊，1995（2）:147-152.

[5]魏飛，劉唐，羅國華，等.碳納米管及其批量制備研究進展[J].微納電子技術(shù)，2002.

作者：王昊哲 單位：淄博實驗中學(xué)