材料化学工程的应用与发展探析

徐昊

摘要：化学材料工程是近年来现代化学研究的热点，它在节能、环保、能源、军工等领域具有关键地位。它是许多高科技城市发展的基础和先导，对其应用和发展趋势进行研究对其快速发展具有重要意义。本文简要介绍了目前材料化学工程的应用进展，并对材料化学工程的未来发展前景进行了分析和探讨。

关键词：化学材料;工程;化工

1材料化学工程的概述

材料化学工程是一门新兴的跨学科学科，其研究领域跨越了材料、化学、化学工程和其他专业。发展方向主要分为两个方面：一是以新型功能材料为核心的化工厂操作工艺，如吸附解吸工艺、膜反应工艺、精馏工艺、膜分离工艺等。本方向主要利用新材料的物理和化学性能实现化工生产的物理传递和反应过程，通过研究物质在材料微观结构中的传递和反应规律，总结材料性能与材料结构的关系，进而建立新材料设计和化工单元工艺优化的工程理论和技术。二是利用化学工程方法和理论解决材料生产过程中的关键问题，通过对工艺条件的控制改善材料的结构和性能，实现产品的定性和定量生产，为材料生产的实验基础和产业规模建立参考。

2材料化学工程的应用

（1）纳米材料的应用

纳米材料的概念在20世纪80年代初确立，这些材料的整体尺寸在0.1-100米之间。由于其特殊的微观结构、小尺寸效应、表面效应和界面效应，它们无法被常规材料所取代，具有重要意义。结合热力学电磁、化学和光学特性，纳米材料不仅可用于光电子学，还可作为高效光电转换的新材料。以纳米技术为基础的技术，如电池、塑料和涂料，已经取得了很大的进展，并正在逐步推广。近年来，纳米材料在健康和生物系统中的应用也成为一个热点研究课题。在健康领域，纳米级药物载体被用来携带癌症药物分子，并通过使用载体分子识别特定细胞，将化疗药物分子直接应用于特定细胞（例如癌细胞）。在生物系统中，纳米材料技术在仿生技术中的应用也是当前最重要的研究领域之一。用纳米材料制成的人造皮膚可以实现与人体的良好接触，具有透气性和柔软性，这将是下一代人体仿生技术的发展方向。在新能源方面，新能源汽车的革命如火如荼，纳米级锂电池正极材料也是研究热点之一，通过提高正极材料中锂离子的交换效率，可以大大改善电池性能。特斯拉计划将纳米材料技术应用于三元锂离子正极材料，以增加正极材料的表面积，提高锂离子交换效率目标。可以说，纳米技术是21世纪科学领域最重要的技术革命。

（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体，通常由氧化物、氮化物和碳化物组成。常见的陶瓷材料包括，例如，氧化铝、二氧化硅、碳化硅和氮化硅，以及瓷器、水泥和玻璃。先进的陶瓷在原材料和工艺方面与传统陶瓷不同。他们采用特定的结构设计，通过新的工艺技术将高纯度原材料的不同特性结合起来，生产出具有特定用途和性能的陶瓷。

先进的陶瓷材料根据其特性分为功能陶瓷和结构陶瓷。功能性陶瓷主要是通过修改材料或基体，使陶瓷材料具有一定的光敏感性、电敏感性、热敏感性或化学敏感性。在太阳能电池中，陶瓷的导电性和透明度可以通过在陶瓷中掺入金属氧化物纳米颗粒（如氧化锌和氧化物）来改善。在主要的光电元件中，介电陶瓷是集成电路基材的重要材料，即陶瓷电容器。在先进制造业中，压电陶瓷在传感器中有着重要的应用，是压力传感器中最关键的部件，而压力传感器是机器人的关键部件，因为它们在压力感应和运动校正中有着重要的应用。

结构陶瓷具有优良的化学、热和机械性能，如耐高温、低蠕变率、高硬度、耐腐蚀等，通常被用作各种结构的关键部件。它可以在许多恶劣的条件下工作，对实现许多新技术至关重要。在空间技术方面，航天器和航天飞机需要具有非常高的耐温性、高强度和低重量的结构材料，而先进的结构陶瓷材料可以满足这些要求。

（3）新型薄膜材料的应用

近年来，随着薄膜技术的快速发展，由各种材料制成的薄膜技术得到了广泛的应用。有各种各样的薄膜材料，目前被广泛使用的有：超导膜、导电膜、电阻膜、半导体膜等等。这些薄膜材料具有光、电、磁、热等方面的特殊性能，并在一定程度上发挥着特殊功能。新的薄膜材料主要应用于自动化、集成电路、太阳能电池、交通等方面。透明导电氧化膜被广泛用于太阳能电池、触摸屏、透明窗和其他设备。它是一类不可缺少的薄膜材料。透明导电氧化膜有效地结合了低电阻材料的光学和导电性能，在可见光波段保持透明，对红外光有很强的反射作用。这种薄膜材料由化学性质稳定的氧化物组成，具有良好的耐摩擦性。由于这些良好的特性，透明的导电氧化物薄膜在光电设备的制造中具有广泛而重要的应用前景。

3材料化学工程技术的进展

利用材料的物理和化学特性来实现化工生产中的转移过程和化学反应过程是材料化学工程的主要研究内容。南京理工大学开发的以陶瓷膜材料为核心的集成装置技术，在中国形成了以陶瓷膜为基础的新产业，同时开发了陶瓷膜催化集成工艺、生物质生产乙醇的工艺、陶瓷膜生产中药L-art等先进技术。中国已经形成了以陶瓷膜为基础的新产业，并开发了先进的技术，如陶瓷膜催化综合工艺、生物质乙醇生产工艺和陶瓷膜生产中药。天津大学开发的吸附蒸馏技术以吸附材料为基础，将吸附过程和蒸馏过程耦合在同一塔中，提高了分离系数，增加了解吸效率，同时还具有连续操作和大的物料处理能力的优点。

在控制反应和工艺条件方面，应用化学工程方法和理论来控制材料的处理是材料化学的另一个关键因素。

中国在这一领域取得了很大进展，北京化工大学结合超重力场技术实现了生产中对材料形态的控制，解决了从实验室阶段到工业阶段的放大效应问题。超重力场可以改善材料转移过程，并通过改变强度来控制产品的粒度。

该技术已经发展成为一种工业化设备，可以生产纳米级的碳酸锶、碳酸钙、碳酸钡和其他纳米粉末。清华大学将流化床工艺应用于碳纳米管的生产，促进了碳纳米管的大规模生产，大大降低了生产成本，给中国带来了巨大的经济效益。

4展望材料化学工程

作为材料科学、化学和化学工程的交叉学科，它不仅在技术上支持了材料科学的发展，而且还开辟了化学工程的新分支。国内外许多大学都在逐步设立化学工程课程，加强与其他学科的交叉融合。主要集中在材料性能和生产工艺之间的关系，以及微观结构和材料性能之间的关系。尽管化学材料工程学科近年来取得了很大的进步，但技术上的挑战依然存在，如材料微观结构在不同应用中的变化，以及基于新材料的质量和热量传输机制。此外，还需要进一步改进材料的加工和提炼方法，以减少原材料开采造成的污染和环境破坏。因此，能够进行能量转换、能量储存、二次回收和环境友好型材料制造工艺的新材料是材料化学技术未来发展的重点。

5结束语

生命、能源和环境是现代世界各国都特别重视的领域，化学材料工程各分支学科的主要研究应与这些领域密切相关。环境友好和绿色化学材料的研究以及与公共安全有关的材料化学问题将是未来研究的重要课题。

参考文献

[1]方玉诚.材料化学工程的应用与发展[J].化工设计通讯，2019：59.

[2]刘亚康.探析高分子材料工程的应用与发展[J].产城（上半月），2019：0221-0221.

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