材料化學工程的應用與發展趨勢

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

關鍵詞：材料化學工程應用發展趨勢

1材料化學工程的概述

材料化學工程是一門新興的交叉學科，研究領域交叉滲透了材料、化學、化學工程等專業。其發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特性，實現化工生產的物理傳遞及化學反應過程，通過研究物質在材料微觀結構中的傳遞及反應規律，總結材料性能與材料物質結構的關系，進而建立起新型材料設計及化工單元過程優化的理論和工程技術。二是利用化學工程的方法理論來解決材料生產過程中的關鍵問題，通過工藝條件的控制對材料的結構及性能進行改進，實現產品的定性定量生產，為材料生產的實驗基礎及工業放大提供參考。

2材料化學工程的應用

（1）納米材料的應用。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，因其特殊的微觀結構，具有小尺寸效應、表面效應和界面效應等，無法被常規材料取代，具有十分重要的意義。結合熱力學、電磁學、化學、光學性質，納米材料不僅能應用于光電領域，還能作為高效率的光熱轉換新材料。以納米技術為基礎的電池、塑料、油漆等技術已經取得了較大進展，同時正在逐漸推廣。納米材料應用于健康和生物系統近年來也成為研究的熱點。在健康領域，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用在特定細胞上（如腫瘤細胞）。在生物系統領域，將納米材料技術應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的發展方向。在新能源領域，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應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。可以說納米技術是21世紀科學領域中最重要的技術革命。（2）先進陶瓷材料的應用。陶瓷材料是金屬和非金屬元素的復合物，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陶瓷，采用特殊的結構設計并結合不同性能的高純度原料，通過新型的工藝技術生產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構陶瓷。功能陶瓷主要是通過對材料內部或基體的改性，從而使得陶瓷材料具有一定的光響應性、電響應性、熱響應性或化學響應性。在光伏電池領域，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，從而提升陶瓷的導電率與透明性。在光電材料的關鍵組件方面，介電陶瓷材料是集成電路基板關鍵的元件材料，即陶瓷電容器。在先進制造領域，壓電陶瓷在傳感器領域有著重要的應用，是壓力傳感器的最關鍵的部件，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用，是機器人的關鍵部件。結構陶瓷，其具有優異的化學、熱學、力學性能，如耐高溫、低蠕變速率、高硬度、耐腐蝕等，常用于各種結構的關鍵部件。它能夠在很多苛刻的條件下工作，是實現很多新興科學技術的關鍵。在空間技術領域，宇宙飛船與航天飛機需要耐超高溫、強度高、質量輕的結構材料，而先進結構陶瓷材料能滿足這些苛刻的要求。未來航空航天技術將更依賴于新型結構陶瓷的發展與應用，如陶瓷基復合材料目前已應用于制造液體火箭發動機噴管及導彈天線罩。在光通信產業，傳統的氧化鋁基板正在被具有高熱導性的氮化鋁陶瓷基板逐步取代。在這一領域，我國研制的氮化鋁陶瓷基板材料的熱導率是氧化鋁的5-10倍，性能在國際上居于領先地位。（3）新型薄膜材料的應用。近年來，隨著膜技術的飛速發展，各種材料的薄膜化已經成為一種普遍趨勢。薄膜材料種類繁多，應用廣泛，目前常用的有：超導薄膜、導電薄膜、電阻薄膜、半導體薄膜等[2]。這些膜材料都具有光、電、磁、熱等方面的特殊性質，并在一定作用下表現出特殊的功能。新型薄膜材料主要應用于自動控制、集成電路、太陽能電池、交通等領域。像透明導電氧化物薄膜被廣泛應用于太陽能電池、觸摸屏顯示器及透明視窗等設備中，是不可或缺的一類薄膜材料。透明導電氧化物薄膜將材料的光學性質和導電性質有效的進行結合，其具有很低的電阻率，在可見光波長內保持透明，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，化學性質穩定，同時還具有優良的耐摩擦性，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，透明導電氧化物薄膜在光電器件制備中具有廣泛、重要的應用前景。

3材料化學工程技術的進展

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

4展望

材料化學工程作為材料科學、化學和化學工程專業的交叉學科，不僅為材料科學的發展提供了技術支持，也為化學工程領域開辟了新的分支。許多國內外高校正在逐步建設材料化學工程專業，旨在加強與其他學科的交叉滲透。新型材料設計制備及化工過程優化是材料化學工程的研究目標，其關鍵問題是材料特性與生產過程的關系，材料微觀結構與性能的關系。盡管在過去的幾年中材料化學工程學科取得了巨大的進步，但仍然存在技術挑戰，如材料微觀結構在不同應用中的變化、基于新型材料的傳質傳熱機理等。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境的破壞。因此，能夠實現能量轉化、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工藝是未來材料化學工程的發展重點。

5結束語

隨著科技進步與發展，材料化學工程將滲透到各個行業，與其他學科專業的交叉越來越廣，技術挑戰越來越大。生命、能源和環境是當今世界各國都特別重視的領域，材料化學工程的各個分支學科的主要研究也應與這些方面密切相關。強化環境與綠色化學材料的研究，關注與公共安全相關的材料化學問題的研究將是未來研究的重要課題。

參考文獻

[1]侯嘉凝.材料化學的應用與發展[J].中國高新區，2018（05）:37.

[2]羅斌.薄膜材料的應用與發展[J].科技經濟市場，2008（09）:14-15.

[3]徐南平.無機膜分離技術與應用[M].化學工業出版社，2003.

[4]周明，許春建，余國琮.吸附蒸餾-復合新分離過程[J].自然科學進展: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，2002.

作者：王昊哲 單位：淄博實驗中學