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、軍工等領域具有關鍵地位。它是許多高科技城市發(fā)展的基礎和先導，對其應用和發(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)化工生產的物理傳遞和反應過程，通過研究物質在材料微觀結構中的傳遞和反應規(guī)律，總結材料性能與材料結構的關系，進而建立新材料設計和化工單元工藝優(yōu)化的工程理論和技術。二是利用化學工程方法和理論解決材料生產過程中的關鍵問題，通過對工藝條件的控制改善材料的結構和性能，實現(xiàn)產品的定性和定量生產，為材料生產的實驗基礎和產業(yè)規(guī)模建立參考。

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構、小尺寸效應、表面效應和界面效應，它們無法被常規(guī)材料所取代，具有重要意義。結合熱力學電磁、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換的新材料。以納米技術為基礎的技術，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)中的應用也成為一個熱點研究課題。在健康領域，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用于特定細胞（例如癌細胞）。在生物系統(tǒng)中，納米材料技術在仿生技術中的應用也是當前最重要的研究領域之一。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應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，納米技術是21世紀科學領域最重要的技術革命。

（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。他們采用特定的結構設計，通過新的工藝技術將高純度原材料的不同特性結合起來，生產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構陶瓷。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用，是壓力傳感器中最關鍵的部件，而壓力傳感器是機器人的關鍵部件，因為它們在壓力感應和運動校正中有著重要的應用。

結構陶瓷具有優(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，通常被用作各種結構的關鍵部件。它可以在許多惡劣的條件下工作，對實現(xiàn)許多新技術至關重要。在空間技術方面，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構材料，而先進的結構陶瓷材料可以滿足這些要求。

（3）新型薄膜材料的應用

近年來，隨著薄膜技術的快速發(fā)展，由各種材料制成的薄膜技術得到了廣泛的應用。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備的制造中具有廣泛而重要的應用前景。

3材料化學工程技術的進展

利用材料的物理和化學特性來實現(xiàn)化工生產中的轉移過程和化學反應過程是材料化學工程的主要研究內容。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，在中國形成了以陶瓷膜為基礎的新產業(yè)，同時開發(fā)了陶瓷膜催化集成工藝、生物質生產乙醇的工藝、陶瓷膜生產中藥L-art等先進技術。中國已經(jīng)形成了以陶瓷膜為基礎的新產業(yè)，并開發(fā)了先進的技術，如陶瓷膜催化綜合工藝、生物質乙醇生產工藝和陶瓷膜生產中藥。天津大學開發(fā)的吸附蒸餾技術以吸附材料為基礎，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。

在控制反應和工藝條件方面，應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鍵因素。

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

該技術已經(jīng)發(fā)展成為一種工業(yè)化設備，可以生產納米級的碳酸鍶、碳酸鈣、碳酸鋇和其他納米粉末。清華大學將流化床工藝應用于碳納米管的生產，促進了碳納米管的大規(guī)模生產，大大降低了生產成本，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。國內外許多大學都在逐步設立化學工程課程，加強與其他學科的交叉融合。主要集中在材料性能和生產工藝之間的關系，以及微觀結構和材料性能之間的關系。盡管化學材料工程學科近年來取得了很大的進步，但技術上的挑戰(zhàn)依然存在，如材料微觀結構在不同應用中的變化，以及基于新材料的質量和熱量傳輸機制。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未來發(fā)展的重點。

5結束語

生命、能源和環(huán)境是現(xiàn)代世界各國都特別重視的領域，化學材料工程各分支學科的主要研究應與這些領域密切相關。環(huán)境友好和綠色化學材料的研究以及與公共安全有關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.材料化學工程的應用與發(fā)展[J].化工設計通訊，2019：59.

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

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