材料化學(xué)與高技術(shù)新材料和信息材料

1、材料化學(xué)與高技術(shù)新材料摘要：材料化學(xué)的研究對(duì)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(qiáng)調(diào)現(xiàn)代精細(xì)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(jì)技術(shù)，采用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)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(xué)，反過來，材料化學(xué)的發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)高技術(shù)新材料和信息材料的發(fā)展和進(jìn)步。關(guān)鍵詞：材料化學(xué)；高技術(shù)新材料；信息材料。中圖分類號(hào)：G644 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(xué)專業(yè)簡(jiǎn)介材料化學(xué)專業(yè)的研究對(duì)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(xué)專業(yè)屬于材料

6、科學(xué)領(lǐng)域兩大專業(yè)之一，是構(gòu)成材料科學(xué)學(xué)科的最重要的組成部分。主要范圍包括無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料、先進(jìn)復(fù)合材料等。本專業(yè)強(qiáng)調(diào)現(xiàn)代精細(xì)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(jì)技術(shù)，采用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)調(diào)材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論，注重實(shí)驗(yàn)技能和訓(xùn)練，以使學(xué)生通過本專業(yè)的學(xué)習(xí)，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(shí)，培養(yǎng)學(xué)生在材料科學(xué)領(lǐng)域，特別是在功能材料領(lǐng)域運(yùn)用化學(xué)基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)技能，進(jìn)行材料設(shè)計(jì)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(jìn)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(biāo)為系統(tǒng)地培養(yǎng)掌握材料化學(xué)的基本理論與技術(shù)，具備材料化學(xué)相關(guān)的基本知識(shí)和技能，有較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；能在材料科學(xué)與工程及其相關(guān)領(lǐng)域從事研究、教學(xué)、產(chǎn)品開發(fā)、質(zhì)量檢測(cè)及相關(guān)管理工作的材料化學(xué)高級(jí)專門人才。培養(yǎng)的基本規(guī)格及要求為：（1）掌握數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等方面的基本理論和基本知識(shí)。（2）掌握材料制備、材料加工、材料結(jié)構(gòu)與性能測(cè)定等方面的基本知識(shí)、基本原理和基本實(shí)驗(yàn)技能。（3）能使用計(jì)算機(jī)解決設(shè)計(jì)、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(shí)。（5）熟悉國(guó)家關(guān)于材料科學(xué)與工程研究、科技開發(fā)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的政策、國(guó)內(nèi)

8、外知識(shí)產(chǎn)權(quán)等方面法律法規(guī)。（6）了解材料化學(xué)的理論前沿、應(yīng)用前景和最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，以及材料科學(xué)與工程產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r。（7）掌握中外文字資料查詢，文獻(xiàn)檢索以及運(yùn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)條件，歸納、整理分析條件結(jié)果，撰寫論文，參與學(xué)術(shù)交流的能力。200重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)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(xiàng)目：重慶大學(xué)教改項(xiàng)目（00B6）作者簡(jiǎn)介：趙會(huì)明（1963 -），男，重慶人，重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院副教授，博士研究生，主要從事材料化學(xué)和環(huán)境科學(xué)研究。二、材料化學(xué)與高技術(shù)新材料高技術(shù)新材料（Advanced Materiais for High Technoiogy，以下簡(jiǎn)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(dǎo)體材料、光導(dǎo)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(jì)算機(jī)控制的現(xiàn)代光纖通信的新時(shí)代，隨之而來的是光纖通訊產(chǎn)

11、業(yè)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的誕生和發(fā)展，并推動(dòng)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(gè)特點(diǎn)（1）綜合利用現(xiàn)代的尖端科學(xué)技術(shù)多學(xué)科交叉滲透、知識(shí)密集、投資量大。（2）往往在一些特定的條件下才能實(shí)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(cè)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(jià)值高，技術(shù)保密性強(qiáng)。因此，AMHT產(chǎn)業(yè)是屬于難度較大的產(chǎn)業(yè)。進(jìn)入90年代后，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì) AMHT的研究和開發(fā)給予了高度重視。美國(guó)早在 1989 年成立了全美新材料開發(fā)的國(guó)會(huì)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(jì)劃。歐共體尤里卡計(jì)劃等也對(duì) 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(gè)新的水平，給社會(huì)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(gè)國(guó)家的工農(nóng)業(yè)活力、軍事力量等綜合國(guó)力的增長(zhǎng)有著十分緊密的關(guān)系，已成為國(guó)際高技術(shù)激烈競(jìng)爭(zhēng)中奪取制高點(diǎn)的戰(zhàn)略目標(biāo)之一。早在 1987 年，小平同志高瞻遠(yuǎn)矚，以高度的歷史責(zé)任感推動(dòng)了我國(guó)“高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（即 863計(jì)劃）綱要”的制定和實(shí)施。這個(gè)包括 7 個(gè)領(lǐng)域 15 項(xiàng)主題的重點(diǎn)發(fā)展計(jì)劃中，明確規(guī)定“新材料”是重點(diǎn)發(fā)展的七

13、個(gè)領(lǐng)域之一。同時(shí)，以高新技術(shù)成果商品化、產(chǎn)業(yè)化和國(guó)際化為宗旨的“火炬計(jì)劃”中，也把“新型材料”列入重點(diǎn)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(jī)非金屬材料、高分子材料和先進(jìn)復(fù)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(xué)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(xué)和材料化學(xué)是多學(xué)科交叉的新興學(xué)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(jì)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(xué)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(xué)是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，作為材料科學(xué)的研究工作者，不僅要具有堅(jiān)實(shí)而廣闊的基礎(chǔ)知識(shí)，還要具備應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科已有知識(shí)指導(dǎo)材料成分、結(jié)構(gòu)與性能的研究，并指導(dǎo)新工藝的開發(fā)，研制和生產(chǎn)出有用的 AMHT。同時(shí)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(jìn)而改進(jìn)工藝，開發(fā)出更符合要求的新材料，如此反復(fù)，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(jì)”最佳制備和加工方法。這就需要材料化學(xué)家、材料物理學(xué)家和

15、計(jì)算機(jī)科學(xué)家共同協(xié)作，從理論、計(jì)算方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)多方面共同努力，才能逐步實(shí)現(xiàn)。三、材料化學(xué)與信息材料當(dāng)今社會(huì)被稱為信息社會(huì)，而信息技術(shù)和信息科學(xué)的基礎(chǔ)又是信息材料。信息技術(shù)、信息科學(xué)隨材料技術(shù)、材料科學(xué)的發(fā)展而發(fā)展。所以材料化學(xué)在當(dāng)今的信息時(shí)代具有重要的實(shí)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(jī)、電子計(jì)算機(jī)。但這些裝備都很笨重，故障率高。1948 年半導(dǎo)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(gè)飛躍。以后，集成度每幾年就提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。到 90 年代，

16、幾百萬個(gè)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(xué)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(duì)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(jì)算機(jī)等電子設(shè)備的功能愈來愈強(qiáng)，體積愈來愈小，而其價(jià)格卻在不斷下降。（二）光導(dǎo)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(dǎo)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(dá) 3 - 4 個(gè)數(shù)量級(jí)），材料損耗大為減少，成本降低，無磁干擾，保密性強(qiáng)，通訊質(zhì)量大為改善。所以目前各國(guó)都列為重點(diǎn)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(xué)和技術(shù)的突破。所謂光通訊就是把電信號(hào)變?yōu)楣庑盘?hào)，通過光導(dǎo)纖維進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，在終端再將光信號(hào)還原為電信號(hào)。要使這個(gè)過程得以實(shí)現(xiàn)，必須使光在光導(dǎo)材料中傳導(dǎo)時(shí)衰減很小。從材料化學(xué)角度講，最初使用的光導(dǎo)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(guó)家正在探索的氟化玻璃，有可能實(shí)現(xiàn)光耗的突破。一旦這樣的新材料批量生產(chǎn)，就可實(shí)現(xiàn)跨太

18、平洋無中繼通信。因此，目前世界各國(guó)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(dǎo)纖維材料。因此，光導(dǎo)纖維材料又被譽(yù)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(duì)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(xué)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(dāng)然，金屬、有機(jī)、半導(dǎo)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(dá)到控制的目的。目前發(fā)展的趨勢(shì)是多功能化，即在一個(gè)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?，材料、能源和信息是構(gòu)成人工自然的三大要素，也是當(dāng)代技術(shù)的三大基礎(chǔ)。材料科學(xué)的深入發(fā)展，不僅對(duì)整個(gè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有著重要影響，而且對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)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(dǎo)體材料、電子材料、超導(dǎo)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