材料化學與高技術(shù)新材料和信息材料

1、材料化學與高技術(shù)新材料摘要：材料化學的研究對象是物質(zhì)的組成、制備、結(jié)構(gòu)與性能的變化規(guī)律及其應(yīng)用。它強調(diào)現(xiàn)代精細材料合成與光電技術(shù)相互結(jié)合，深入系統(tǒng)地研究各種材料制備工藝及其與材料性能的關(guān)系，發(fā)展新型功能材料的人工設(shè)計技術(shù)，采用先進的實驗技術(shù)和方法，研究和發(fā)展具有特定微結(jié)構(gòu)和性能的新型功能材料。高技術(shù)新材料和信息材料的發(fā)展離不開材料化學，反過來，材料化學的發(fā)展進一步推動高技術(shù)新材料和信息材料的發(fā)展和進步。關(guān)鍵詞：材料化學；高技術(shù)新材料；信息材料。中圖分類號：G644 文獻標識碼：A 文章編號：1008-583（1 2003）06-0200-021 . College of Chemistry a

2、nd Chemial Engineering，Chongging Uniuersity，Chongging 400044，China；2 . College of Urban Construction and Enuironmental Engineening，Chongging Uniuersity，Chongging 400044，China）Abstract:The research object of materiaI chemistry is the transformation ruIes and appIications of the constitution, processi

3、ng, structure, andperformance of the substance. MateriaI chemistry emphasizes the combination between the synthesis of modern deIicate materiaI and the photoeIectricity technoIogy. At the same time, it goes deepIy and systemicaIIy into the reIation between the preparation technigues and the performa

4、nce for materiaIs. Furthermore, it manufactures new functionaI materiaIs hoIding given microstructure and performance by deveIoping new artificiaI design techniguesand appIying advanced experimentaI technigues and method. MateriaI chemistry is inseparabIe from the deveIopment of Advanced MateriaIs f

5、or HighTechnoIogy (AMHT) and information materiaI, in reverse, the deveIopment of materiaI chemistry subseguentIy promotes the advance and deveIopment of the AMHT and information materiaI.Key words:materiaI chemistryg AMHTg information materiaI一、材料化學專業(yè)簡介材料化學專業(yè)的研究對象是物質(zhì)的組成、制備、結(jié)構(gòu)與性能的變化規(guī)律及其應(yīng)用。材料化學專業(yè)屬于材料

6、科學領(lǐng)域兩大專業(yè)之一，是構(gòu)成材料科學學科的最重要的組成部分。主要范圍包括無機非金屬材料、有機高分子材料、先進復合材料等。本專業(yè)強調(diào)現(xiàn)代精細材料合成與光電技術(shù)相互結(jié)合，深入系統(tǒng)地研究各種材料制備工藝及其與材料性能的關(guān)系，發(fā)展新型功能材料的人工設(shè)計技術(shù)，采用先進的實驗技術(shù)和方法，研究和發(fā)展具有特定微結(jié)構(gòu)和性能的新型功能材料。本專業(yè)重視理、化基礎(chǔ)，強調(diào)材料科學的基礎(chǔ)理論，注重實驗技能和訓練，以使學生通過本專業(yè)的學習，獲得材料的物質(zhì)組成，材料的制備和加工結(jié)構(gòu)與性能的變化規(guī)律及其應(yīng)用的知識，培養(yǎng)學生在材料科學領(lǐng)域，特別是在功能材料領(lǐng)域運用化學基礎(chǔ)理論和實驗技能，進行材料設(shè)計制備和技術(shù)開發(fā)等方面研究和應(yīng)用

7、工作的能力，以適應(yīng)先進材料合成、制造、研究和應(yīng)用的需要。本專業(yè)的基本培養(yǎng)目標為系統(tǒng)地培養(yǎng)掌握材料化學的基本理論與技術(shù)，具備材料化學相關(guān)的基本知識和技能，有較強的計算機應(yīng)用能力；能在材料科學與工程及其相關(guān)領(lǐng)域從事研究、教學、產(chǎn)品開發(fā)、質(zhì)量檢測及相關(guān)管理工作的材料化學高級專門人才。培養(yǎng)的基本規(guī)格及要求為：（1）掌握數(shù)學、物理、化學等方面的基本理論和基本知識。（2）掌握材料制備、材料加工、材料結(jié)構(gòu)與性能測定等方面的基本知識、基本原理和基本實驗技能。（3）能使用計算機解決設(shè)計、管理、研究和開發(fā)問題。（4）了解相近專業(yè)的一般原理和知識。（5）熟悉國家關(guān)于材料科學與工程研究、科技開發(fā)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的政策、國內(nèi)

8、外知識產(chǎn)權(quán)等方面法律法規(guī)。（6）了解材料化學的理論前沿、應(yīng)用前景和最新發(fā)展動態(tài)，以及材料科學與工程產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況。（7）掌握中外文字資料查詢，文獻檢索以及運用現(xiàn)代信息技術(shù)和過去相關(guān)性分析的基本方法；具有一定的實驗設(shè)計，創(chuàng)造實驗條件，歸納、整理分析條件結(jié)果，撰寫論文，參與學術(shù)交流的能力。200重慶大學學報（社會科學版） 2003年第 9卷第6期JOURNAL OF CHONGOING UNIVERSITY（SociaI Sciences Edition）""""""""""""

9、""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""

10、"VoI.9 No.6 2003! 收稿日期：2003 - 05 - 20基金項目：重慶大學教改項目（00B6）作者簡介：趙會明（1963 -），男，重慶人，重慶大學化學化工學院副教授，博士研究生，主要從事材料化學和環(huán)境科學研究。二、材料化學與高技術(shù)新材料高技術(shù)新材料（Advanced Materiais for High Technoiogy，以下簡稱AMHT），是指最近研制成功或正在研究中的具有優(yōu)異特性和功能，能滿足高技術(shù)要求的新型材料。如新型半導體材料、光導纖維和新的光電器件的出現(xiàn)，使通訊技術(shù)從以銅為主的金屬電纜傳輸跨入了計算機控制的現(xiàn)代光纖通信的新時代，隨之而來的是光纖通訊產(chǎn)

11、業(yè)和計算機產(chǎn)業(yè)的誕生和發(fā)展，并推動著相關(guān)的傳感和控制技術(shù)的飛速發(fā)展。AMHT的生產(chǎn)具有3個特點（1）綜合利用現(xiàn)代的尖端科學技術(shù)多學科交叉滲透、知識密集、投資量大。（2）往往在一些特定的條件下才能實現(xiàn)，如高溫、高壓、低溫、超凈等，故沒有新技術(shù)新工藝，沒有精確控制和測試技術(shù)，就不能生產(chǎn)高質(zhì)量 AMHT。（3）AMHT 的生產(chǎn)規(guī)模，一般比較小，品種比較多，更新?lián)Q代快，附加價值高，技術(shù)保密性強。因此，AMHT產(chǎn)業(yè)是屬于難度較大的產(chǎn)業(yè)。進入90年代后，世界各發(fā)達國家對 AMHT的研究和開發(fā)給予了高度重視。美國早在 1989 年成立了全美新材料開發(fā)的國會核心小組（Caucus）。日本政府把 AMHT 作為

12、未來的關(guān)鍵技術(shù)，并提出為期 10年，投資4億美元的研究與開發(fā)計劃。歐共體尤里卡計劃等也對 AMHT的發(fā)展作了重要的部署。可以說，每一重要 AMHT 的出現(xiàn)和應(yīng)用，都把人類支配自然的能力提高到一個新的水平，給社會生產(chǎn)和生活方式和面貌帶來巨大改觀。所以，AMHT 的研制和開發(fā)同一個國家的工農(nóng)業(yè)活力、軍事力量等綜合國力的增長有著十分緊密的關(guān)系，已成為國際高技術(shù)激烈競爭中奪取制高點的戰(zhàn)略目標之一。早在 1987 年，小平同志高瞻遠矚，以高度的歷史責任感推動了我國“高技術(shù)研究發(fā)展計劃（即 863計劃）綱要”的制定和實施。這個包括 7 個領(lǐng)域 15 項主題的重點發(fā)展計劃中，明確規(guī)定“新材料”是重點發(fā)展的七

13、個領(lǐng)域之一。同時，以高新技術(shù)成果商品化、產(chǎn)業(yè)化和國際化為宗旨的“火炬計劃”中，也把“新型材料”列入重點發(fā)展技術(shù)領(lǐng)域。上面所指的高技術(shù)新材料按其基本組成，可歸納為新金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和先進復合材料四大類。根據(jù)材料的使用性能分類，有結(jié)構(gòu)材料和功能材料。結(jié)構(gòu)材料的使用性能主要是材料的力學性能，功能材料的使用性能主要是材料的光、電、磁、熱和聲等性能。從材料應(yīng)用的領(lǐng)域分類，可分為能源材料、信息材料、生物醫(yī)用材料和航空航天材料等。材料科學和材料化學是多學科交叉的新興學科，研究材料的組成結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，從而發(fā)展新材料，并合理有效地使用材料。但材料要商品化，則需要一定的經(jīng)濟合理的制備（選）

14、工藝流程，這就要求和材料工程相結(jié)合。因此，材料化學研究材料中的基本規(guī)律，目的在于為發(fā)展 AMHT提供新的途徑和技術(shù)、新方法和工藝流程。材料化學是一門應(yīng)用性很強的學科，作為材料科學的研究工作者，不僅要具有堅實而廣闊的基礎(chǔ)知識，還要具備應(yīng)用基礎(chǔ)學科已有知識指導材料成分、結(jié)構(gòu)與性能的研究，并指導新工藝的開發(fā)，研制和生產(chǎn)出有用的 AMHT。同時根據(jù)這些 AMHT在使用過程中所揭露的問題，再反饋到成分、結(jié)構(gòu)與性能研究中，進而改進工藝，開發(fā)出更符合要求的新材料，如此反復，使材料不斷創(chuàng)新，最后做到“按指定性能“”定做”最好的 AMHT，按生產(chǎn)要求“設(shè)計”最佳制備和加工方法。這就需要材料化學家、材料物理學家和

15、計算機科學家共同協(xié)作，從理論、計算方法和實驗技術(shù)多方面共同努力，才能逐步實現(xiàn)。三、材料化學與信息材料當今社會被稱為信息社會，而信息技術(shù)和信息科學的基礎(chǔ)又是信息材料。信息技術(shù)、信息科學隨材料技術(shù)、材料科學的發(fā)展而發(fā)展。所以材料化學在當今的信息時代具有重要的實際作用和廣闊的發(fā)展前景。（一）集成電路材料追溯電子技術(shù)的發(fā)展，1906 年，發(fā)明電子管，由于這類元件和材料的發(fā)明，出現(xiàn)了無線電技術(shù)、電視機、電子計算機。但這些裝備都很笨重，故障率高。1948 年半導體晶體管的出現(xiàn)使電子設(shè)備小型化、輕量化、省能化。1958 年開始制造集成電路，又發(fā)生一個飛躍。以后，集成度每幾年就提高一個數(shù)量級。到 90 年代，

16、幾百萬個電路的超大規(guī)模集成電路已經(jīng)問世。集成電路不但提高密度，而且由二維發(fā)展到三維。從材料化學角度講，集成電路的主要材料是單晶硅。但隨著集成度的增加，線寬越來越小，對單晶質(zhì)量要求愈來愈高。由于這些集成電路材料的發(fā)展，使計算機等電子設(shè)備的功能愈來愈強，體積愈來愈小，而其價格卻在不斷下降。（二）光導纖維材料與光通訊傳統(tǒng)通訊主要使用金屬材料制造的電纜。80 年代出現(xiàn)了使用光導纖維材料的光通訊。光通訊與同軸電纜通訊比較，通訊容量大大增加（增加量達 3 - 4 個數(shù)量級），材料損耗大為減少，成本降低，無磁干擾，保密性強，通訊質(zhì)量大為改善。所以目前各國都列為重點領(lǐng)域大力開發(fā)。而光通訊得以發(fā)展完全依賴于材料

17、科學和技術(shù)的突破。所謂光通訊就是把電信號變?yōu)楣庑盘?，通過光導纖維進行遠距離傳輸，在終端再將光信號還原為電信號。要使這個過程得以實現(xiàn)，必須使光在光導材料中傳導時衰減很小。從材料化學角度講，最初使用的光導纖維材料為石英玻璃，其光損耗為 2. 8 分貝/公里，無中繼距離為 10 公里，這是第十代光通訊的水平。在 80 年代，通過除雜使石英玻璃光纖材料的光損耗降至 0.2 分貝/公里，無中繼距離提高到 100 - 300 公里。正在研究的多組分玻璃或單晶纖維，近期光耗可望降至 0.01 - 0.001 分貝/公里。一些國家正在探索的氟化玻璃，有可能實現(xiàn)光耗的突破。一旦這樣的新材料批量生產(chǎn)，就可實現(xiàn)跨太

18、平洋無中繼通信。因此，目前世界各國都在大力研制、開發(fā)并不斷推出各種高效益、高附加值的新型光導纖維材料。因此，光導纖維材料又被譽為“信息高速公路”的路基。（三）敏感材料與傳感器傳感器是控制系統(tǒng)的耳目，而敏感材料又是傳感器的基礎(chǔ)。敏感材料的靈敏程度、穩(wěn)定性等決定著控制的精度與質(zhì)量，所以對敏感材料的研究與開發(fā)不容忽視。敏感材料多種多樣，凡是聲、光、電、熱、磁、力和各種氣氛的變化都可能引起材料發(fā)生變化而成敏感材料。從材料化學角度講，敏感材料目前很多是陶瓷材料，如熱敏元件，般用金屬氧化物的燒結(jié)體。當然，金屬、有機、半導體材料都可能是敏感材料，如形狀記憶合金就是利用溫度的變化發(fā)生相變達到控制的目的。目前發(fā)展的趨勢是多功能化，即在一個傳感器上具有多種功能。如溫度氣體傳感器及溫度濕度傳感器?？傊牧?、能源和信息是構(gòu)成人工自然的三大要素，也是當代技術(shù)的三大基礎(chǔ)。材料科學的深入發(fā)展，不僅對整個科學技術(shù)的發(fā)展有著重要影響，而且對國民經(jīng)濟、國防建設(shè)和人們生活等方面都具有重大意義。從生活、生產(chǎn)必需的金屬、陶瓷、橡膠、塑料、化纖、建材等日用材料，到半導體材料、電子材料、超導材料、核能材料、空間技術(shù)材料、人工臟器材料等高技術(shù)材料，其性能的提高，品種和產(chǎn)量的增加，應(yīng)用的開發(fā)，無不依賴于材