材料化學(xué)前沿

1、材料化學(xué)研究前沿和發(fā)展展望摘要:材料是人類發(fā)展的鋪路石,從古至今材料伴隨著人類的發(fā)展而發(fā)展,到了21世紀(jì)更是成為了材料的世紀(jì)。工業(yè)、軍事、航空航天、生物、能源等都與材料密不可分。材料的研究前沿和發(fā)展成為眾多科技工作者關(guān)注的對(duì)象。 能源、材料與信息是現(xiàn)代科技的基礎(chǔ)，而材料是發(fā)展工程、信息、新能源等高科技的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是當(dāng)代前沿科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域之一。由于現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域?qū)Σ牧系男枨罅吭絹?lái)越大，對(duì)其性能的要求也越來(lái)越高，甚至其形態(tài)規(guī)格，也由三維塊狀材料向二維薄膜材料、一維纖維材料和準(zhǔn)零維納米材料發(fā)展。 就此，本文將對(duì)材料化學(xué)的研究前沿和發(fā)展展望作簡(jiǎn)要討論。 1 材料研究前沿隨著時(shí)代的不

2、斷發(fā)展，人類所使用的材料也由簡(jiǎn)到繁，由少到多。人類從石器時(shí)代走來(lái)，經(jīng)歷了上千年的風(fēng)風(fēng)雨雨，人類使用的器具也由石器到青銅，再到鐵器慢慢地，到現(xiàn)在使用的許多高品質(zhì)的化學(xué)材料。不光在我們的生活中，在當(dāng)今世界的許多高科技領(lǐng)域，材料的品質(zhì)和發(fā)展得到了極大的重視和進(jìn)步，其中處于當(dāng)前研究前沿并收到科學(xué)界、工業(yè)界廣泛關(guān)注的，主要有納米材料、先進(jìn)陶瓷材料、功能薄膜材料等等。 1.1 納米材料之概論納米是一個(gè)極小的度量單位，一納米等于十的負(fù)九次方米，所以納米級(jí)的材料由于它是由極小的微粒組成，因而具有許多其他材料所不具備的性質(zhì)，因此在大量科學(xué)領(lǐng)域中納米材料的開發(fā)和使用成為其領(lǐng)域發(fā)展和進(jìn)步的重中之重。 而納米材料則由

3、于其優(yōu)良的特性成為科學(xué)界青睞的對(duì)象，其特性主要表現(xiàn)在表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)。 （1）微粒隨著粒徑變小，比表面積將會(huì)明顯增大，則表面原子所占的百分?jǐn)?shù)會(huì)顯著增加，即微粒表面具有極高活性的原子所占百分?jǐn)?shù)增加，進(jìn)而導(dǎo)致納米材料可以直接和空氣發(fā)生劇烈反應(yīng)，這就是在材料研究中不可忽視的表面效應(yīng)。 （2）納米粉體的粒徑和光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度形成透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)引起一系列宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。其中具體又可以分為特殊的光學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)以及力學(xué)性質(zhì)。鑒于其作為納米顆粒的優(yōu)越性，可以取適當(dāng)?shù)牟牧献鳛楦咝实墓鉄帷⒐怆娹D(zhuǎn)換材料，可應(yīng)用于紅外敏

4、感元件、紅外隱身技術(shù)等。且其特殊力學(xué)效應(yīng)在于良好的韌性和延展性，它這新奇的力學(xué)性質(zhì)使之應(yīng)用前景十分寬廣。 （3）量子尺寸效應(yīng)則為當(dāng)納米材料能級(jí)間距大于熱能、電場(chǎng)能或磁場(chǎng)能的平均能級(jí)間距時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性。例如原本可導(dǎo)電的金屬在納米粉體時(shí)可以變成優(yōu)良的絕緣體等。 納米材料正是在納米粉體的基礎(chǔ)上建立和發(fā)展起來(lái)的，迄今為止納米材料已經(jīng)誕生了十多年，而其在許多高科技領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用也使得納米材料成為科學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)。許多領(lǐng)域都在應(yīng)用不同功能的納米材料，但是現(xiàn)在用得最多的有納米磁性材料、納米催化材料、納米生物材料和納米光學(xué)材料等。 其中納米催化材料和納米生物材料又是與人類日常

5、生活聯(lián)系得最為緊密的：汽車前進(jìn)過(guò)程中因?yàn)槠偷牟煌耆紵?，排氣管排出的尾氣中含有大量的一氧化碳、二氧化氮等有毒有害氣體，危害人類健康，破壞我們賴以生存的環(huán)境。這個(gè)時(shí)候，納米催化材料應(yīng)運(yùn)而生，而且通常情況下用于除去尾氣廢氣的催化劑都是光催化材料，所以就能夠達(dá)到耗能少，無(wú)污染的目的。常見的納米催化材料有納米鐵，鎳與四氧化三鐵混合燒結(jié)體，納米氧化鈦等。納米生物材料主要運(yùn)用于器官移植，擁有巨大的商業(yè)前景，同時(shí)也為人類謀求了巨大的福利，例如作為“人造骨”的羥基磷灰石納米顆粒等。 面對(duì)納米材料巨大的利用率，異常優(yōu)秀的特性，相信在不久的將來(lái)我們?nèi)祟惖娜粘Ｉ顚⑴c納米材料結(jié)下不解之緣，所以納米材料的潛在應(yīng)用前

6、景十分誘人。 1.2 先進(jìn)陶瓷材料之概論先進(jìn)陶瓷材料又叫精細(xì)陶瓷或高性能陶瓷，是具有電、聲、光、磁、熱和力學(xué)等多種功能的新型材料，它由許多不同化學(xué)構(gòu)成的是有那個(gè)功能的陶瓷組成，較為常見的有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等等。但是我們常常會(huì)將先進(jìn)陶瓷按其使用性能分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩大類。 1.2.1 結(jié)構(gòu)陶瓷 結(jié)構(gòu)陶瓷是一類非常先進(jìn)的陶瓷，它具有強(qiáng)勁的機(jī)械、熱、化學(xué)等效能，甚至?xí)仍S多合金與聚合物還要優(yōu)異，結(jié)構(gòu)陶瓷可以將高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫高壓、耐磨損、抗腐蝕等眾多優(yōu)異性能集于一身，這是合金與聚合物做不到的。 結(jié)構(gòu)陶瓷主要在軍事、航天、機(jī)械領(lǐng)域有著重要的作用。當(dāng)然，處于不同的領(lǐng)域，陶瓷

7、材料的性質(zhì)品類也會(huì)有所不同，有高強(qiáng)度、耐磨損，可以制作軸承、燃燒室的氮化硅陶瓷材料；有高強(qiáng)度、高韌性，可以制作代替金屬制作模具的氧化鋯材料，且加韌的氧化鋯材料可以制成不會(huì)生銹，也不會(huì)導(dǎo)電的新型剪刀，可以放心剪帶點(diǎn)的電線。另外以氧化鋁和氧化鎂混合在1800高溫下制得的全透明鎂鋁尖晶石陶瓷可以做“防彈玻璃”，這類陶瓷在國(guó)防和宇航領(lǐng)域中得到了廣泛的運(yùn)用。 還有一種很重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料生物陶瓷。生物陶瓷和納米生物材料有著相似的作用，生物陶瓷目前主要用于人體硬組織的修復(fù)，它在人體中具有極佳的親和性，因?yàn)樯锾沾珊凸墙M織的化學(xué)組成比較接近，將其成功植入后隨著陶瓷的降解，新骨長(zhǎng)成，所以這是今后醫(yī)學(xué)上硬組織修

8、復(fù)上的上乘之選。 1.2.2 功能陶瓷 功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷的差別很大，功能陶瓷因?yàn)槠湓陔?、磁、光、熱、力學(xué)上優(yōu)良的轉(zhuǎn)換能力而廣泛運(yùn)用在信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)之中。 首先介紹一個(gè)軍事工業(yè)中的天之驕子壓電陶瓷。壓電陶瓷晶體上沒(méi)有對(duì)稱中心，當(dāng)在某個(gè)方向施加壓力，則在特定方向引起極化，相應(yīng)的一對(duì)表面就出現(xiàn)電位差；反之在一定方向上施加電場(chǎng)，則會(huì)發(fā)生特定形變和位移。由于這種令人驚訝的性能，壓電陶瓷成為眾多科技領(lǐng)域的研究和關(guān)注對(duì)象（但是其中常常有鉛等有毒金屬），原子彈的起爆器和壓電揚(yáng)聲器等都是壓電陶瓷的產(chǎn)物。 還有另外一大類非常常用、非常重要的敏感陶瓷材料。熱敏、光敏、氣敏、濕敏等大量的陶瓷，而且不能只想到我

9、們生活中的聲控開關(guān)等等，聲控開關(guān)中的光敏開關(guān)和聲敏開關(guān)與這類先進(jìn)陶瓷材料還有很大的距離。 敏感陶瓷是由離子鍵的金屬氧化物多晶體構(gòu)成的一種導(dǎo)電材料。它可以敏感地感覺(jué)到周圍環(huán)境的變化并及時(shí)做出相應(yīng)的反應(yīng)，由于這類陶瓷的特殊性，在各個(gè)領(lǐng)域都可以使用到，在節(jié)能和安全方面都有至關(guān)的作用。先進(jìn)陶瓷材料在很多方面性質(zhì)都比金屬要優(yōu)良穩(wěn)定，例如陶瓷沒(méi)有銹蝕這個(gè)概念，這樣可以極大程度的節(jié)省材料。雖然現(xiàn)在先進(jìn)陶瓷材料還在發(fā)展研究階段，但是在以后的發(fā)展中，陶瓷材料定會(huì)變得越來(lái)越廣泛，越來(lái)越實(shí)用。1.3 新型薄膜材料之概論 從古至今材料都是人類發(fā)展中不可缺少的一元，由三維塊狀材料到二維薄膜材料，薄膜材料在當(dāng)今社會(huì)中扮演

10、了一個(gè)非常重要的角色，因?yàn)樵摬牧险加每臻g少，表面積大，質(zhì)量輕，性能優(yōu)異，在我們?nèi)粘Ｉ钪械玫搅藦V泛的應(yīng)用。 現(xiàn)在在生活中我們常會(huì)用到光盤，還有多年以前家用VCD使用的影碟，都使用到了薄膜材料磁性薄膜，而在刻錄機(jī)上的磁頭上面也會(huì)覆蓋上磁性薄膜。磁性薄膜是指厚度等于或小于微米級(jí)的磁性材料，它主要運(yùn)用與電子設(shè)備中，作為其中的重要組成部分。 由金屬氧化物等燒結(jié)的薄膜多層介質(zhì)組成的光學(xué)薄膜材料即為光學(xué)薄膜材料，而它又可以分為光學(xué)反射膜、光學(xué)增迭膜、光學(xué)分光膜、光學(xué)濾光膜等?，F(xiàn)在的眼鏡市場(chǎng)上有許多可以防紫外線的鏡片，如果沒(méi)有欺騙消費(fèi)者的成分在里面的話，那就很可能在鏡片上覆蓋了一層或多層光學(xué)濾光膜，但這樣會(huì)

11、導(dǎo)致成本加大，所以市場(chǎng)上的鏡片大都不是真品。 金剛石薄膜可以明確地說(shuō)，是一種異常堅(jiān)硬的薄膜。手術(shù)刀上若是由金剛石薄膜制成的話，它會(huì)比普通手術(shù)刀更加鋒利，在厚度上更加薄，卻是更加堅(jiān)韌。同時(shí)金剛石薄膜具有的高熱率和高電阻率，使其在電學(xué)和信息技術(shù)中也有很大的作用。甚至，它還具有超優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)，所以不得不說(shuō)金剛石薄膜是一種全能型薄膜。 當(dāng)然整個(gè)材料家族不只有這幾種，例如液晶和高分子材料也是材料家族的重要成員，在本文就不做介紹了。 2 材料發(fā)展展望 材料是一個(gè)國(guó)家發(fā)展的重要載體之一，目前世界各國(guó)都在加緊研究各種領(lǐng)域功能的材料，因?yàn)楝F(xiàn)代工業(yè)，特別是宇航、軍工以及金屬冶煉方面對(duì)材料的要求越來(lái)越苛刻，在超高

12、溫、搞真空條件下依然能夠正常使用的材料成為研究的重點(diǎn)，還有能在超低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)等條件下性質(zhì)不變的材料也是未來(lái)大力研究的方向。雖然現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了不少耐高溫、抗高壓的新型材料，例如氧化鋯陶瓷材料，但是現(xiàn)在這類材料已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。人類的追求是永無(wú)止境的，我們重點(diǎn)關(guān)注納米材料和先進(jìn)陶瓷材料，因?yàn)檫@類材料在軍工和航天事業(yè)上的應(yīng)用非常廣泛。 自從1961年前蘇聯(lián)的第一顆載人人造衛(wèi)星成功升入太空，世界上的各個(gè)強(qiáng)國(guó)都開始了太空競(jìng)爭(zhēng)。其中以中、俄、美等國(guó)家為主的在空間發(fā)展上最為迅速。特別是美國(guó)，上世紀(jì)美國(guó)已經(jīng)完成了登月計(jì)劃，而現(xiàn)在奧巴馬政府重新開始了美國(guó)的太空探索計(jì)劃，登陸火星成為美國(guó)太空發(fā)展的新

13、起點(diǎn)。如此，這不但對(duì)能量的要求非常高，更是對(duì)飛船材料結(jié)構(gòu)的一次大考驗(yàn)，從地球前往火星的途中不但要經(jīng)受地球大氣層的高強(qiáng)度摩擦，還有進(jìn)入太空后的高真空條件，各類宇宙射線、太陽(yáng)粒子的輻射沖擊，所以開發(fā)優(yōu)良的耐高溫高壓，防輻射的材料就是“登火計(jì)劃”可以成功的關(guān)鍵一環(huán)。 隨著現(xiàn)代人類的發(fā)展，能源問(wèn)題已然成為全球共同面對(duì)的一個(gè)很嚴(yán)峻的考驗(yàn)，煤、石油、天然氣等不可再生資源在地球上已探明的儲(chǔ)量越來(lái)越少，且由于煤、石油的不完全燃燒產(chǎn)生了大量有毒有害的氣體，它們對(duì)我們的環(huán)境有著極大的破壞作用。于是我們?cè)诓粩嗟亻_發(fā)新能源，風(fēng)能、地?zé)?、潮汐能、太?yáng)能和核能。在將來(lái)核能與太陽(yáng)能將會(huì)成為我們?nèi)粘Ｉ畹闹饕芰縼?lái)源，但是太

14、陽(yáng)能所面對(duì)的轉(zhuǎn)換效率低下，核能面對(duì)的高溫與核輻射都是我們需要考慮的，那樣新材料的開發(fā)和使用又是科技工作者們需要關(guān)注的問(wèn)題。另外在軍工方面，各國(guó)也是抓緊時(shí)間研制軍需材料，隱形材料，高強(qiáng)度、高韌性纖維材料，耐高溫材料層出不窮。不光如此，空間技術(shù)、電子技術(shù)、激光技術(shù)、光電子技術(shù)、紅外技術(shù)、環(huán)境保護(hù)等都需要高品質(zhì)的新型材料?，F(xiàn)今的普通材料已經(jīng)不能成為社會(huì)的主流，它們?cè)斐傻摹鞍咨廴尽狈浅?yán)重，對(duì)可以快速降解塑料的研制不僅可以方便普通居民的生活，同時(shí)也可以避免“白色污染”對(duì)人們生活造成的不良影響。再者，電力科研人員在關(guān)于怎樣盡可能減少電在運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)的能量損耗上花費(fèi)了大量的功夫，因?yàn)槟壳坝糜谶\(yùn)輸電力的

15、輸電線材料在常溫下的電阻率不可能為零，但是后來(lái)出現(xiàn)了超導(dǎo)材料，它可以在某個(gè)溫度時(shí)出現(xiàn)電阻率為零的驚人性能，但是這種溫度往往是自然界里不可能出現(xiàn)的超低溫。我們就來(lái)設(shè)想，如果我們能夠研制出能在常溫下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的材料，再將其廣泛運(yùn)用到實(shí)際中不就可以實(shí)現(xiàn)電力運(yùn)輸中的零損耗了？理論上是成立的，但是實(shí)際上我們現(xiàn)在還沒(méi)能開發(fā)出這中材料，所以這還需要我們廣大的科學(xué)工作者的不懈努力和不斷追求。 還有一種材料在未來(lái)將起到非常重要的作用復(fù)合材料。樹脂基高強(qiáng)度、高模量纖維材料，金屬基復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合材料，碳碳基復(fù)合材料，這類復(fù)合材料的性能大都強(qiáng)于單體材料，它們將來(lái)將會(huì)參與到各類科學(xué)研究中去。 回顧材料這幾十年的飛速

16、發(fā)展，給人類帶來(lái)了許多福音，相信在未來(lái)材料定會(huì)帶給我們更多的驚喜和福祉。 參考文獻(xiàn)： 【1】 朱裕貞，顧達(dá)，黑恩成.現(xiàn)代基礎(chǔ)化學(xué).北京,化學(xué)工業(yè)出版社.2004 【2】 云南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2002.S1期 【3】 朱曬紅，周科朝，黃伯云，黃蘇萍，劉芳，薛志剛，龍志高.羥基磷灰石納米顆粒:一種新型基因轉(zhuǎn)染載體材 料.生物科學(xué)雜志,2005,(05) 【4】 全宏聲.防彈沖擊的透明裝甲陶瓷.材料工程.2001,(07) 【5】 楊亦權(quán);導(dǎo)師:鄭強(qiáng),杜淼.壓電陶瓷/聚合物復(fù)合材料壓電阻尼性能研究.浙江大學(xué)材料學(xué)碩士論文.2002年 【6】 彌謙.在醫(yī)用手術(shù)刀上鍍制金剛石薄膜技術(shù).科技成果縱橫.2004(3):56-56 【7】 王