試析材料化工在材料科學(xué)與產(chǎn)業(yè)化中的地位和作用

摘 要：新材料是近年來發(fā)展較為迅速的行業(yè)，同時也是國家大力支持的領(lǐng)域。本文基于材料制備方法分析，從材料化工與材料化學(xué)的內(nèi)在聯(lián)系入手，探討了材料化工在材料科學(xué)與產(chǎn)業(yè)化中的地位和作用，對于指導(dǎo)材料化工和材料科學(xué)的發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：材料化工;材料科學(xué);產(chǎn)業(yè)化

1 引言

材料是人類社會不斷發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展與新材料的發(fā)展和應(yīng)用有著密切的聯(lián)系。近年來，國內(nèi)外高技術(shù)企業(yè)在新材料和元器件多樣化、產(chǎn)業(yè)化方面取得了較為明顯的成果。作為化學(xué)工程與材料工程的交叉學(xué)科，材料化工的主要目的是解決化工工藝從實驗室向工業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變、工業(yè)化流程設(shè)計和放大中試等問題，最終為化工生產(chǎn)企業(yè)提供整套生產(chǎn)技術(shù)。

2 材料制備方法分析

現(xiàn)階段主要的材料制備工藝分為化學(xué)方法和物理制備兩大類，部分研究人員也提出了化學(xué)與物理相結(jié)合的材料制備工藝路線?；瘜W(xué)法制備在高性能聚合材料、高分子材料中，金屬材料和無機(jī)材料的制備中應(yīng)用較多的是物理方法。

2.1 化學(xué)制備法

（1）液/固相反應(yīng)。該方法又可細(xì)分為噴霧法、沉淀法、水熱法、水解法、膠體化學(xué)法和溶劑揮發(fā)分解法等多個類型。

（2）氣/固相反應(yīng)。應(yīng)用較多的氣/固相反應(yīng)包括蒸發(fā)凝聚法，在低壓氣體、等離子體、流動油面等較多使用;氣相反應(yīng)法常常用于金屬氯化物、金屬有機(jī)物和含氧氰化物的反應(yīng)制備中。

2.2 物理制備方法

機(jī)械粉碎法高速旋轉(zhuǎn)沖擊剪切粉碎機(jī)、噴射粉碎機(jī)、球磨機(jī)、研磨機(jī)、介質(zhì)攪拌粉碎機(jī);氫脆性法;超聲波法;電火花、爆炸法。

3 材料化工在材料科學(xué)與產(chǎn)業(yè)化中的地位和作用

材料化工在材料科學(xué)與工業(yè)中占有特殊地位。正如“化學(xué)工程前沿”中指出的那樣，新材料產(chǎn)業(yè)向其他化學(xué)工業(yè)“依賴于化學(xué)工程師使制造工藝適應(yīng)產(chǎn)品要求及將產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計一體化，這正是其成功的重要原因之一”道出了材料化工的地位和作用。從材料科學(xué)與工程的發(fā)展及商品化的材料發(fā)展過程中，對材料化工的要求即材料化工的作用可歸納如下。

3.1 計算機(jī)輔助設(shè)計

在材料組成日趨復(fù)雜、材料功能更加多樣的時代背景下，使用計算機(jī)的高算力輔助完成材料設(shè)計非常有必要。現(xiàn)階段，國內(nèi)的科研院所和相關(guān)科技企業(yè)已經(jīng)著手建立大型材料數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，在材料結(jié)構(gòu)、成分、工藝等多個細(xì)分領(lǐng)域開展研究，并深度融合計算機(jī)信息系統(tǒng)，將大型實驗數(shù)據(jù)集合輸入系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)了諸多之前沒能得到的規(guī)律。同時，該種方式能夠大大降低試驗次數(shù)、實驗人工和材料的占用，降低了材料化工的資金投入，提升工作效率。

3.2 生產(chǎn)工藝與產(chǎn)品設(shè)計相結(jié)合

材料化學(xué)工程技術(shù)人員通過將加工制造工藝和工藝設(shè)計結(jié)合起來，實現(xiàn)了制造工藝與產(chǎn)品要求相適應(yīng)的目的，并進(jìn)一步優(yōu)化了材料合成的過程控制，增加成品產(chǎn)出率，提升了制備過程的可靠性。例如在電子和光子記錄材料的制備中，通過生產(chǎn)工藝與產(chǎn)品設(shè)計相結(jié)合，將原本分散的操作步驟整合到一起。

3.3 合成與加工一體化

在傳統(tǒng)的化工概念中，材料合成與加工是相對獨立的兩個領(lǐng)域，但是新材料的發(fā)展要求盡可能提升產(chǎn)品生產(chǎn)和迭代的速度，在此背景下，材料化學(xué)工程人員提出了合成與加工一體化的發(fā)展思路，以化學(xué)工程為媒介，在材料合成過程中，引入初級加工的內(nèi)容及要求，得到功能和結(jié)構(gòu)更加多樣和科學(xué)的產(chǎn)品。

3.4 生產(chǎn)和制備放大

在物理制備和化學(xué)制備新材料的過程中，都設(shè)計物能量、物質(zhì)和動量的傳遞，與此同時，在化學(xué)反應(yīng)過程中要求質(zhì)量穩(wěn)定、均勻，這就是傳統(tǒng)材料制備中要求的“三傳一反”條件。這種條件在實驗室內(nèi)能夠較為容易的滿足，但是想要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和批量生產(chǎn)，放大生產(chǎn)過程是一個較難解決的問題?，F(xiàn)階段實驗室內(nèi)、或者是科研論文領(lǐng)域的新材料非常多，但是能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和工業(yè)應(yīng)用的只是其中的一小部分。在材料化學(xué)的研究中，應(yīng)投入更多的資源和資金，開展工程放大研究。

3.5原材料純度不斷提升

隨著材料化學(xué)的不斷發(fā)展，對于高純度材料的需求也逐漸提升，對參與反應(yīng)的成分要求也更加嚴(yán)格，超純和超高純度物質(zhì)越來與更多的應(yīng)用于材料化學(xué)工程中。為此，研究能夠應(yīng)用于材料化學(xué)的超純分離技術(shù)，低成本、快速的從自然資源中獲取原材料，是材料化學(xué)進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)要求之一。

3.6 過程控制

借助于材料化學(xué)的計算方法，材料科學(xué)工程人員能夠獲取更多的考察方法和技術(shù)，為先進(jìn)技術(shù)在問題解決中應(yīng)用提供了更多的選擇。部分研究人員提出使用在線模擬優(yōu)化控制手段，更加便捷的實現(xiàn)操作過程，同時質(zhì)量控制更加精確。與此同時，還可借助于高靈敏度的傳感器，實時監(jiān)測生產(chǎn)過程，并分析各種工況條件下的物質(zhì)反應(yīng)過程和化學(xué)組成，提升了材料制備的效率。優(yōu)化和提升過程控制能力，一方面有利于實現(xiàn)材料合成和加工質(zhì)量的控制，為材料科學(xué)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供支撐，另一方面，能夠有效降低殘次品的出產(chǎn)率，提升合成和加工的經(jīng)濟(jì)效益，為材料工程企業(yè)帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益。

3.7 生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化

材料化工中的生產(chǎn)系統(tǒng)化主要是器材和材料的系統(tǒng)化，實質(zhì)上是非化學(xué)反應(yīng)過程和化學(xué)反應(yīng)過程的優(yōu)化組合。材料化學(xué)工程師是實現(xiàn)優(yōu)化組合，使之達(dá)到應(yīng)用單位和使用單位要求的主體。材料化學(xué)工程師通過研究新的化工單元，并從全系統(tǒng)角度，優(yōu)化和評估質(zhì)量、能耗、成本和效率等影響因素，最終得到有競爭力的化工商品。與此同時，還可以借助于數(shù)學(xué)模型和模擬計算，一定程度上替代室內(nèi)試驗和中試試驗，大大降低環(huán)境污染和稀缺資源的占用，是綠色化學(xué)的發(fā)展方向之一。

4 結(jié)語

結(jié)合上文的分析，材料化工在材料化學(xué)的發(fā)展中占據(jù)重要地位，未來材料化工的發(fā)展應(yīng)加強(qiáng)以下幾方面工作，首先是增強(qiáng)材料科學(xué)工程化基礎(chǔ)研究，尤其是在新材料微觀結(jié)構(gòu)和反應(yīng)容器的研究領(lǐng)域，超純分離技術(shù)和界面/表面化學(xué)技術(shù);其次是建立和完善效率更高的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，新材料領(lǐng)域的迭代和更新速度非?？?，這就要企業(yè)更快的完成材料化工從設(shè)計到中試直至產(chǎn)業(yè)化的過程;最后，國家應(yīng)出臺扶持政策，支持和引導(dǎo)企業(yè)建立材料化工示范工程，推動材料化工產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，并加強(qiáng)基礎(chǔ)人才的培養(yǎng)和培訓(xùn)工作。

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作者簡介：劉建軍（1987.10—）;性別：男，民族：漢，籍貫：山東省沾化縣，學(xué)歷：本科;現(xiàn)有職稱：助理工程師;研究方向：化工工程。