材料化学工程的应用与发展

张世春

摘要： 材料化学工程是近年来现代化学工程的研究热点，它在储能、环保、能源、军工等方面有着举足轻重的地位，是发展众多高科技领域的基础和先导，开展其应用及发展趋势的研究对于其快速发展具有重要意义。本文简单介绍了目前材料化学工程的应用进展，分析讨论了材料化学工程的未来发展前景。

关键词： 材料化学；化学工程；工程应用

引言：近年来，伴随着科学技术的不断发展，传统的化学生产技术逐渐与现代工业技术相互融合，促使化工工程技术所能够应用的范围更加广泛化、深入化。化工企业工作在实际运作期间合理运用化学工程技术，能够极大程度提升化工企业自身的生产效率。

1 材料化学工程的概述

一是以新型功能材料为核心的化工单元操作过程，如吸附脱附过程、膜反应过程、蒸馏过程、膜分离过程等。该方向主要利用新型材料的物理及化学特性，实现化工生产的物理传递及化学反应过程，通过研究物质在材料微观结构中的传递及反应规律，总结材料性能与材料物质结构的关系，进而建立起新型材料设计及化工单元过程优化的理论和工程技术。二是利用化学工程的方法理论来解决材料生产过程中的关键问题，通过工艺条件的控制对材料的结构及性能进行改进，实现产品的定性定量生产，为材料生产的实验基础及工业放大提供参考。

2 材料化学工程的应用

2.1 纳米材料的应用

结合热力学、电磁学、化学、光学性质，纳米材料不仅能应用于光电领域，还能作为高效率的光热转换新材料。以纳米技术为基础的电池、塑料、油漆等技术已经取得了较大进展，同时正在逐渐推广。纳米材料应用于健康和生物系统近年来也成为研究的热点。在健康领域，基于纳米尺度的药物载体搭载抗肿瘤药物分子，通过载体的分子识别特定细胞，直接将化疗药物分子应用在特定细胞上（如肿瘤细胞）。在生物系统领域，将纳米材料技术应用于仿生科技也是研究热点之一，通过利用纳米材料制备的人造皮肤可以实现和人体的良好接触，具有透气性和柔软性的特性，成为新一代人体仿生技术的发展方向。在新能源领域，新能源汽车革命正如火如荼地进行着，基于纳米尺度的锂电池正极材料也是研究热点之一，其通过提升正极材料的锂离子交换效率从而极大提升了电池的效率。特斯拉公司计划将纳米材料技术应用在三元锂离子的正极材料上，以期提升正极材料的表面积从而达到提升锂离子交换效率的目的。可以说纳米技术是21世纪科学领域中最重要的技术革命。

2.2 先进陶瓷材料的应用

陶瓷材料是金属和非金属元素的复合物，通常是由氧化物、氮化物和碳化物等组成。例如，一些常见的陶瓷材料包括氧化铝、二氧化硅、碳化硅和氮化硅等，另外还有瓷器、水泥和玻璃。而先进陶瓷材料在原料、工艺方面有别于传统陶瓷，采用特殊的结构设计并结合不同性能的高纯度原料，通过新型的工艺技术生产出具有特殊用途和性能的陶瓷材料[1]。先进陶瓷材料按照性能不同分为功能陶瓷和结构陶瓷。功能陶瓷主要是通过对材料内部或基体的改性，从而使得陶瓷材料具有一定的光响应性、电响应性、热响应性或化学响应性。在光伏电池领域，可以通过在陶瓷中掺杂氧化锌、氧化锆等金属氧化物纳米粒子，从而提升陶瓷的导电率与透明性。在光电材料的关键组件方面，介电陶瓷材料是集成电路基板关键的元件材料，即陶瓷电容器。在先进制造领域，压电陶瓷在传感器领域有着重要的应用，是压力传感器的最关键的部件，而压力传感器作为机器人的压力感知、动作校正方面有着重要应用，是机器人的关键部件。结构陶瓷，其具有优异的化学、热学、力学性能，如耐高温、低蠕变速率、高硬度、耐腐蚀等，常用于各种结构的关键部件。它能够在很多苛刻的条件下工作，是实现很多新兴科学技术的关键。在空间技术领域，宇宙飞船与航天飞机需要耐超高温、强度高、质量轻的结构材料，而先进结构陶瓷材料能满足这些苛刻的要求。未来航空航天技术将更依赖于新型结构陶瓷的发展与应用，如陶瓷基复合材料目前已应用于制造液体火箭发动机喷管及导弹天线罩。在光通信产业，传统的氧化铝基板正在被具有高热导性的氮化铝陶瓷基板逐步取代。在这一领域，我国研制的氮化铝陶瓷基板材料的热导率是氧化铝的5-10倍，性能在国际上居于领先地位。

2.3 新型薄膜材料的应用

薄膜材料种类繁多，应用广泛，目前常用的有：超导薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜等[2]。这些膜材料都具有光、电、磁、热等方面的特殊性质，并在一定作用下表现出特殊的功能。新型薄膜材料主要应用于自动控制、集成电路、太阳能电池、交通等领域。像透明导电氧化物薄膜被广泛应用于太阳能电池、触摸屏显示器及透明视窗等设备中，是不可或缺的一类薄膜材料。透明导电氧化物薄膜将材料的光学性质和导电性质有效的进行结合，其具有很低的电阻率，在可见光波长内保持透明，对红外光具有较强的反射作用。这种薄膜材料由氧化物组成，化学性质稳定，同时还具有优良的耐摩擦性，采用合理的制备方法能够得到具有较强附着力的薄膜。由于具有这些良好的性能，透明导电氧化物薄膜在光电器件制备中具有广泛、重要的应用前景。

3 材料化学工程技术的进展

目前，南京工业大学开发的以陶瓷膜材料为核心的集成单元技术，在国内形成了以陶瓷膜为基础的新产业，同时发展出了陶瓷膜催化集成工艺、生物质乙醇制备工艺、陶瓷膜生产中药工艺等先进技术，带来明显的经济效益[3]。天津大学开创的以吸附材料为核心的吸附蒸馏技术，使吸附过程与蒸馏操作耦合在同一塔中，提高了分离因数，加强了脱附作用，同时还具有操作连续以及物料处理量大的优点[4]。通过控制反应及工艺条件，运用化学工程的方法理论对材料的加工过程进行控制是材料化学工程的另一重点内容。我国在这一领域已经取得较大进展，北京化工大学结合超重力场工程技术，在生产中实现了对材料形貌的控制，解决了从实验室阶段到工业化阶段的放大效应问题。超重力场能够强化物质的传递过程，通过改变其强度便可控制产品粒径。目前已经发展成了工业化技术体系，能够生产碳酸锶、碳酸钙、碳酸钡等纳米级粉体。清华大学将流化床工艺运用于生产碳纳米管，促进了碳纳米管的规模化生产，大幅降低了生产成本，为我国带来了巨大的经济效益。

4 展望

新型材料设计制备及化工过程优化是材料化学工程的研究目标，其关键问题是材料特性与生产过程的关系，材料微观结构与性能的关系。尽管在过去的几年中材料化学工程学科取得了巨大的进步，但仍然存在技术挑战，如材料微观結构在不同应用中的变化、基于新型材料的传质传热机理等。此外，材料加工和精炼方法需要进一步改进，减少污染，减少开采原材料对环境的破坏。因此，能够实现能量转化、具有储能、可供二次回收利用的新型材料及无污染的材料生产工艺是未来材料化学工程的发展重点。

结束语：

随着科技进步与发展，材料化学工程将渗透到各个行业，与其他学科专业的交叉越来越广，技术挑战越来越大。生命、能源和环境是当今世界各国都特别重视的领域，材料化学工程的各个分支学科的主要研究也应与这些方面密切相关。强化环境与绿色化学材料的研究，关注与公共安全相关的材料化学问题的研究将是未来研究的重要课题。

参考文献

[1]刘祺.材料化学工程的应用及趋势分析[J].信息记录材料，2018，19（09）：8-9.

[2]陶韶华.我国材料化学工程研究进展[J].中国战略新兴产业，2017（44）：21.

[3]洪昆.试析化学工程学科未来的发展动向[J].化工管理，2014（08）：34.

[4]胡文.材料化学工程的理论研究与应用发展[J].中国教师，2013（S2）：66-67.