材料化學工程的應(yīng)用與發(fā)展探析

徐昊

摘要：化學材料工程是近年來現(xiàn)代化學研究的熱點，它在節(jié)能、環(huán)保、能源、軍工等領(lǐng)域具有關(guān)鍵地位。它是許多高科技城市發(fā)展的基礎(chǔ)和先導，對其應(yīng)用和發(fā)展趨勢進行研究對其快速發(fā)展具有重要意義。本文簡要介紹了目前材料化學工程的應(yīng)用進展，并對材料化學工程的未來發(fā)展前景進行了分析和探討。

關(guān)鍵詞：化學材料;工程;化工

1材料化學工程的概述

材料化學工程是一門新興的跨學科學科，其研究領(lǐng)域跨越了材料、化學、化學工程和其他專業(yè)。發(fā)展方向主要分為兩個方面：一是以新型功能材料為核心的化工廠操作工藝，如吸附解吸工藝、膜反應(yīng)工藝、精餾工藝、膜分離工藝等。本方向主要利用新材料的物理和化學性能實現(xiàn)化工生產(chǎn)的物理傳遞和反應(yīng)過程，通過研究物質(zhì)在材料微觀結(jié)構(gòu)中的傳遞和反應(yīng)規(guī)律，總結(jié)材料性能與材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系，進而建立新材料設(shè)計和化工單元工藝優(yōu)化的工程理論和技術(shù)。二是利用化學工程方法和理論解決材料生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵問題，通過對工藝條件的控制改善材料的結(jié)構(gòu)和性能，實現(xiàn)產(chǎn)品的定性和定量生產(chǎn)，為材料生產(chǎn)的實驗基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)規(guī)模建立參考。

2材料化學工程的應(yīng)用

（1）納米材料的應(yīng)用

納米材料的概念在20世紀80年代初確立，這些材料的整體尺寸在0.1-100米之間。由于其特殊的微觀結(jié)構(gòu)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和界面效應(yīng)，它們無法被常規(guī)材料所取代，具有重要意義。結(jié)合熱力學電磁、化學和光學特性，納米材料不僅可用于光電子學，還可作為高效光電轉(zhuǎn)換的新材料。以納米技術(shù)為基礎(chǔ)的技術(shù)，如電池、塑料和涂料，已經(jīng)取得了很大的進展，并正在逐步推廣。近年來，納米材料在健康和生物系統(tǒng)中的應(yīng)用也成為一個熱點研究課題。在健康領(lǐng)域，納米級藥物載體被用來攜帶癌癥藥物分子，并通過使用載體分子識別特定細胞，將化療藥物分子直接應(yīng)用于特定細胞（例如癌細胞）。在生物系統(tǒng)中，納米材料技術(shù)在仿生技術(shù)中的應(yīng)用也是當前最重要的研究領(lǐng)域之一。用納米材料制成的人造皮膚可以實現(xiàn)與人體的良好接觸，具有透氣性和柔軟性，這將是下一代人體仿生技術(shù)的發(fā)展方向。在新能源方面，新能源汽車的革命如火如荼，納米級鋰電池正極材料也是研究熱點之一，通過提高正極材料中鋰離子的交換效率，可以大大改善電池性能。特斯拉計劃將納米材料技術(shù)應(yīng)用于三元鋰離子正極材料，以增加正極材料的表面積，提高鋰離子交換效率目標。可以說，納米技術(shù)是21世紀科學領(lǐng)域最重要的技術(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合體，通常由氧化物、氮化物和碳化物組成。常見的陶瓷材料包括，例如，氧化鋁、二氧化硅、碳化硅和氮化硅，以及瓷器、水泥和玻璃。先進的陶瓷在原材料和工藝方面與傳統(tǒng)陶瓷不同。他們采用特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過新的工藝技術(shù)將高純度原材料的不同特性結(jié)合起來，生產(chǎn)出具有特定用途和性能的陶瓷。

先進的陶瓷材料根據(jù)其特性分為功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷。功能性陶瓷主要是通過修改材料或基體，使陶瓷材料具有一定的光敏感性、電敏感性、熱敏感性或化學敏感性。在太陽能電池中，陶瓷的導電性和透明度可以通過在陶瓷中摻入金屬氧化物納米顆粒（如氧化鋅和氧化物）來改善。在主要的光電元件中，介電陶瓷是集成電路基材的重要材料，即陶瓷電容器。在先進制造業(yè)中，壓電陶瓷在傳感器中有著重要的應(yīng)用，是壓力傳感器中最關(guān)鍵的部件，而壓力傳感器是機器人的關(guān)鍵部件，因為它們在壓力感應(yīng)和運動校正中有著重要的應(yīng)用。

結(jié)構(gòu)陶瓷具有優(yōu)良的化學、熱和機械性能，如耐高溫、低蠕變率、高硬度、耐腐蝕等，通常被用作各種結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件。它可以在許多惡劣的條件下工作，對實現(xiàn)許多新技術(shù)至關(guān)重要。在空間技術(shù)方面，航天器和航天飛機需要具有非常高的耐溫性、高強度和低重量的結(jié)構(gòu)材料，而先進的結(jié)構(gòu)陶瓷材料可以滿足這些要求。

（3）新型薄膜材料的應(yīng)用

近年來，隨著薄膜技術(shù)的快速發(fā)展，由各種材料制成的薄膜技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。有各種各樣的薄膜材料，目前被廣泛使用的有：超導膜、導電膜、電阻膜、半導體膜等等。這些薄膜材料具有光、電、磁、熱等方面的特殊性能，并在一定程度上發(fā)揮著特殊功能。新的薄膜材料主要應(yīng)用于自動化、集成電路、太陽能電池、交通等方面。透明導電氧化膜被廣泛用于太陽能電池、觸摸屏、透明窗和其他設(shè)備。它是一類不可缺少的薄膜材料。透明導電氧化膜有效地結(jié)合了低電阻材料的光學和導電性能，在可見光波段保持透明，對紅外光有很強的反射作用。這種薄膜材料由化學性質(zhì)穩(wěn)定的氧化物組成，具有良好的耐摩擦性。由于這些良好的特性，透明的導電氧化物薄膜在光電設(shè)備的制造中具有廣泛而重要的應(yīng)用前景。

3材料化學工程技術(shù)的進展

利用材料的物理和化學特性來實現(xiàn)化工生產(chǎn)中的轉(zhuǎn)移過程和化學反應(yīng)過程是材料化學工程的主要研究內(nèi)容。南京理工大學開發(fā)的以陶瓷膜材料為核心的集成裝置技術(shù)，在中國形成了以陶瓷膜為基礎(chǔ)的新產(chǎn)業(yè)，同時開發(fā)了陶瓷膜催化集成工藝、生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇的工藝、陶瓷膜生產(chǎn)中藥L-art等先進技術(shù)。中國已經(jīng)形成了以陶瓷膜為基礎(chǔ)的新產(chǎn)業(yè)，并開發(fā)了先進的技術(shù)，如陶瓷膜催化綜合工藝、生物質(zhì)乙醇生產(chǎn)工藝和陶瓷膜生產(chǎn)中藥。天津大學開發(fā)的吸附蒸餾技術(shù)以吸附材料為基礎(chǔ)，將吸附過程和蒸餾過程耦合在同一塔中，提高了分離系數(shù)，增加了解吸效率，同時還具有連續(xù)操作和大的物料處理能力的優(yōu)點。

在控制反應(yīng)和工藝條件方面，應(yīng)用化學工程方法和理論來控制材料的處理是材料化學的另一個關(guān)鍵因素。

中國在這一領(lǐng)域取得了很大進展，北京化工大學結(jié)合超重力場技術(shù)實現(xiàn)了生產(chǎn)中對材料形態(tài)的控制，解決了從實驗室階段到工業(yè)階段的放大效應(yīng)問題。超重力場可以改善材料轉(zhuǎn)移過程，并通過改變強度來控制產(chǎn)品的粒度。

該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種工業(yè)化設(shè)備，可以生產(chǎn)納米級的碳酸鍶、碳酸鈣、碳酸鋇和其他納米粉末。清華大學將流化床工藝應(yīng)用于碳納米管的生產(chǎn)，促進了碳納米管的大規(guī)模生產(chǎn)，大大降低了生產(chǎn)成本，給中國帶來了巨大的經(jīng)濟效益。

4展望材料化學工程

作為材料科學、化學和化學工程的交叉學科，它不僅在技術(shù)上支持了材料科學的發(fā)展，而且還開辟了化學工程的新分支。國內(nèi)外許多大學都在逐步設(shè)立化學工程課程，加強與其他學科的交叉融合。主要集中在材料性能和生產(chǎn)工藝之間的關(guān)系，以及微觀結(jié)構(gòu)和材料性能之間的關(guān)系。盡管化學材料工程學科近年來取得了很大的進步，但技術(shù)上的挑戰(zhàn)依然存在，如材料微觀結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)用中的變化，以及基于新材料的質(zhì)量和熱量傳輸機制。此外，還需要進一步改進材料的加工和提煉方法，以減少原材料開采造成的污染和環(huán)境破壞。因此，能夠進行能量轉(zhuǎn)換、能量儲存、二次回收和環(huán)境友好型材料制造工藝的新材料是材料化學技術(shù)未來發(fā)展的重點。

5結(jié)束語

生命、能源和環(huán)境是現(xiàn)代世界各國都特別重視的領(lǐng)域，化學材料工程各分支學科的主要研究應(yīng)與這些領(lǐng)域密切相關(guān)。環(huán)境友好和綠色化學材料的研究以及與公共安全有關(guān)的材料化學問題將是未來研究的重要課題。

參考文獻

[1]方玉誠.材料化學工程的應(yīng)用與發(fā)展[J].化工設(shè)計通訊，2019：59.

[2]劉亞康.探析高分子材料工程的應(yīng)用與發(fā)展[J].產(chǎn)城（上半月），2019：0221-0221.

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