反應工程的前沿之一

1、反應工程的前沿之一對新材料合成的綜述學院：化學與化工學院專業(yè)：化學工程與工藝班級：化工091學號：學生姓名：王闖反應工程的前沿之一對新材料合成的綜述【摘要】：化學反應工程所面臨的重要挑戰(zhàn)是開發(fā)一個科學的、可持續(xù)發(fā)展的技術以滿足未來世界能源、環(huán)境和材料的需求。新材料的開發(fā)和研究尤為重要。新材料作為高新技術的基礎和先導，應用范圍極其廣泛，它同信息技術、生物技術一起成為二十一世紀最重要和最具發(fā)展?jié)摿Φ念I域。因此世界各國都加緊了新材料的研究和開發(fā)，發(fā)達國家的新材料已經成為經濟增長的助推力極大增強了生產的效率，使產品具有更優(yōu)異的性能。我國也在加緊研制新材料，雖然我國的高新技術的新材料還無法和世界先進水平

2、相提并論，但是已經慢慢在趕上發(fā)達國家的步伐，近幾年更是發(fā)展迅猛，包括去年提出的十二五規(guī)劃也提到了新材料的研發(fā)，為新材料的研發(fā)提供了強勁的動力?！娟P鍵字】：新材料；性能；發(fā)展新材料新材料（或稱先進材料）是指那些新近發(fā)展或正在發(fā)展之中的具有比傳統材料的性能更為優(yōu)異的一類材料。新材料技術是按照人的意志，通過物理研究、材料設計、材料加工、試驗評價等一系列研究過程，創(chuàng)造出能滿足各種需要的新型材料的技術。新材料按材料的屬性劃分，有金屬材料、無機非多屬材料（如陶瓷、砷化鎵半導體等）、有機高分子材料、先進復合材料四大類。按材料的使用性能性能分，有結構材料和功能材料。結構材料主要是利用材料的力學和理化性能，以滿

3、足高強度、高剛度、高硬度、耐高溫、耐磨、耐蝕、抗輻照等性能要求；功能材料主要是利用材料具有的電、磁、聲、光熱等效應，以實現某種功能，如半導體材料、磁性材料、光敏材料、熱敏材料、隱身材料和制造原子彈、氫彈的核材料等。新材料在國防建設上作用重大。例如，超純硅、砷化鎵研制成功，導致大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的誕生，使計算機運算速度從每秒幾十萬次提高到現在的每秒百億次以上；航空發(fā)動機材料的工作溫度每提高100c,推力可增大24；隱身材料能吸收電磁波或降低武器裝備的紅外輻射,使敵方探測系統難以發(fā)現,等等。新材料技術被稱為“發(fā)明之母”和“產業(yè)糧食”。新材料作為高新技術的基礎和先導，應用范圍極其廣泛，它同信息

4、技術、生物技術一起成為二十一世紀最重要和最具發(fā)展?jié)摿Φ念I域。同傳統材料一樣，新材料可以從結構組成、功能和應用領域等多種不同角度對其進行分類，不同的分類之間相互交叉和嵌套，目前，一般按應用領域和當今的研究熱點把新材料分為以下的主要領域：電子信息材料、新能源材料、納米材料、先進復合材料、先進陶瓷材料、生態(tài)環(huán)境材料、新型功能材料（含高溫超導材料、磁性材料、金剛石薄膜、功能高分子材料等）、生物醫(yī)用材料、高性能結構材料、智能材料、新型建筑及化工新材料等。下面對幾種新材料作簡介。一、納米材料納米粒子即非微觀粒子又非宏觀物體，一種介觀粒子有一系列不同于宏觀塊體的特性：（1）、表面效應是指納米粒子表面原子數與

5、總原子數之比隨粒徑的變小而急劇增大后引起的性質上的變化。隨著顆粒尺寸的減小，比表面大大增加，當粒徑為5nm時，表面將占50%；（2）、小尺寸效應當納米粒子尺寸與德布羅意波以及超導態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當或更小時，對于晶體其周期性的邊界條件將被破壞，對于非晶態(tài)納米粒子其表面層附近原子密度減小，這些都會導致電、磁、光、聲、熱力學等性質的變化，這稱為小尺寸效應；（3）、量子尺寸效應當粒子尺寸降低到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)榉至⒛芗壓图{米半導體微粒的能隙變寬的現象均稱為量子尺寸效應。（4）、宏觀量子隧道效應微觀粒子具有穿越勢壘的能力稱為隧道效應。（1）、納米材料的

6、制備機械粉碎法：球磨制粉機利用磨球滾動摩擦粉碎金屬或合金。工藝簡單，效率高。適用范圍廣。對高熔點合金、陶瓷等均可。又稱作“機械合金化”。噪聲、污染大，純度不高，磨球本身材料成分摻雜到粉末中，故不能用于功能材料。易氧化，得不到純金屬微粉?；瘜W法：沉淀法通過化學反應生成，這種方法投資少，簡易。溶劑蒸發(fā)法用硝酸鎂+硝酸錳+硝酸鐵溶入乙醇中，然后噴出得到MgO,FeO,MnO粉末工藝簡單，連續(xù)操作，產量大，如東南大學制超微粉用車拉。溶膠-凝膠法將金屬醇鹽水解與縮聚而凝膠化，再經過干燥、燒結后處理。獲得的材料一般為塊狀、粉體狀，需進一步破碎。產量大，但污染嚴重，制備種類少，只能制備氧化物。物理氣相沉積P

7、VD：在真空條件下，以各種物理方法產生的原子或分子沉積在基材上。與制備薄膜設備相同。采用電加熱或電子束加熱、激光加熱、等離子體加熱母材，合金氣化后被吸附器吸收，讓其以分子態(tài)冷卻。制得的微粉質量好，但產量低?；瘜W氣相沉積（ChemicalVaporDepositionSystemCVD）：把一種或幾種含有構成粉末元素的化合物、單質氣體通入放置有基片的反應室，借助氣相作用或在基片上的化學反應沉積出超微粉。高溫高壓，操作要求嚴格。純度高，可制備純金屬、合金、金屬化合物微粉，但產量低，收集難，浪費大。對純金屬或合金微粉收集要采用真空收集。非晶晶化法：采用快速凝固法將液態(tài)金屬制備非晶條帶,再將非晶條帶經

8、過熱處理使其晶化獲得納米晶條帶的方法。特點：工藝較簡單，化學成分準確。（2）、納米技術的應用微粒的活性及其催化作用（領帶表面經過物理、化學處理后，有很強的自潔能力，并且不沾水、不沾油）；光吸收材料（納米微粒的量子尺寸效應等使它對某種波長的光吸收能力極強。例如，防曬油、化妝品中普遍加入納米微粒）；陶瓷增韌（氧化鋯陶瓷）；紅外反射材料（納米微粒用于紅外反射材料上主要制成薄膜和多層膜來使用）；納米級武器（例如，微型間諜飛行器15厘米長，能持續(xù)飛行1小時以上，將成為對敵封閉設施進行偵察和軍事對抗的理想工具；袖珍遙控飛機不足撲克牌大小的遙控飛機裝置；“間諜草”是一種分布式戰(zhàn)場微型傳感器網絡，外形似小草，

9、裝有敏感的電子偵察器、照相機和感應器；納米衛(wèi)星一種分布式的衛(wèi)星結構體系，提高航天系統的生存能力和靈活性）；碳納米管（納米電子器件加強型纖維生物/化學傳感器納米探針儲氫、儲能材料催化劑載體）；最新研究（熱電效率、集成電路產業(yè)、納米金屬花、納米藥物）。二、陶瓷材料陶瓷材料定義：陶瓷材料是除金屬和高聚物以外的無機非金屬材料通稱。陶瓷是用天然或人工合成的粉狀化合物，經過成型和高溫燒結制成的；是由無機化合物構成的多相固體材料。（1）、陶瓷材料的相組成特點通常由三種不同的相組成：晶相、氣相、玻璃相。晶相是陶瓷材料中主要的組成相，決定陶瓷材料物理化學性質的主要是晶相。氣相是在工藝過程中形成并玻保留下來的。璃

10、相的作用是充填晶粒間隙、粘結晶粒、提高材料致密度、降低燒結溫度和抑制晶粒長大。陶瓷材料的結合鍵特點：陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其結合鍵以離子鍵（如AI2O3）、共價鍵（如Si3N4）及兩者的混合鍵為主。陶瓷材料以離子鍵結合為主，由于離子鍵的結合力大，因此離子晶體的硬度高，強度大，熱膨脹系數小，但脆性大。（2）、陶瓷的成形原料的制備：粘土細顆粒含水鋁硅酸鹽用水混合，具有可塑性，是作為基礎。石英無水SiO2,難熔，可減粘，在瓷坯中起骨架作用。長石一一含K、Na、Ca離子的無水硅酸鹽，屬熔劑。坯料的成形：可塑成形傳統陶瓷用較多，注漿成形漿料澆注到石膏模中成形，用于制造

11、日用陶瓷和建筑陶瓷等形狀復雜件，壓制成形粉料加入塑化劑，在金屬模具加壓成形。制品的燒結：干燥的毛坯加熱高溫燒結，相變獲得要求的性能。（3）、陶瓷材料的性能特點陶瓷材料具有高熔點、高硬度、高化學穩(wěn)定性，耐高溫、耐氧化、耐腐蝕等特性。陶瓷材料還具有密度小、彈性模量大、耐磨損、強度高等特點。功能陶瓷還具有電、光、磁等特殊性能。陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通過粉體成型和高溫燒結來成形的，因此陶瓷是燒結體。燒結體也是晶粒的聚集體，有晶粒和晶界，所存在的問題是其存在一定的氣孔率。（4）、陶瓷材料的性能1、硬度是各類材料中最高的。（高聚物20HV,淬火鋼500-800HV,陶瓷1000-5000HV）。2、

12、剛度是各類材料中最高的。（塑料1380MN/m2，鋼207000MN/m2）。3、強度理論強度很高；由于晶界的存在，實際強度比理論值低的多。耐壓（抗壓強度高），抗彎（抗彎強度高），不耐拉（抗拉強度很低，比抗壓強度低一個數量級）較高的高溫強度。4、塑性低：在室溫幾乎沒有塑性。5、韌性差，脆性大。是陶瓷的最大缺點。6、熱膨脹性低一一導熱性差，多為較好的絕熱材料（入=10-210-5w/m.K）。7、熱穩(wěn)定性抗熱振性（在不同溫度范圍波動時的壽命）急冷到水中不破裂。8、化學穩(wěn)定性耐高溫，耐火，不可燃燒，抗蝕（抗液體金屬酸、堿、鹽）。9、導電性一一大多數是良好的絕緣體，同時也有不少半導體（NiO,Fe3

13、O4等）。10、其它不可燃燒，高耐熱，不老化，溫度急變抗力低。三、復合材料復合材料定義：國際標準化組織定義為“由兩種以上物理和化學上不同的物質組合起來而得到的一種多相體系”。復合材料兩點特征：多相體系，復合效果。復合效果：復合材料比單一組成的材料具有更好的綜合性能。（1）、復合材料的發(fā)展第一代復合材料：以玻璃纖維增強塑料復合材料（GFRP或GRP）（俗稱玻璃鋼）為代表。第二代復合材料：以碳纖維增強塑料復合材料（CFRP或CRP）為代表。碳纖維密度低、強度搞、彈性模量高、熱膨脹系數小，且能全部用耐多種介質腐蝕，是一種較為理想的增強材料。CFRP制碳纖維增強塑料可以在高達300C高溫下長期使用，被

14、成功地用來制作飛機發(fā)動機葉片、造的曲軸噴氣發(fā)動機罩和曲軸連桿等高溫工作構件。第二代復合材料的基體還是聚合物（樹脂），主要是環(huán)氧樹脂。聚合物基復合材料存在橫向力學性能差，層間剪切強度低，易吸潮、老化、蠕變、燃燒等缺點。第三代復合材料：金屬基復合材料（20世紀70年代出現），陶瓷基復合材料（80年代出現）。（2）、復合材料分類按照基本類型分：1、樹脂（聚合物）基復合材料纖維增強塑料（FRP）;聚乙烯-鋁（PE-A1）復合膜夾網波紋板；橡膠基復合材料，如輪胎、輸送帶等;木塑復合材料，如人造板等2、陶瓷（無機非金屬）基復合材料鋼筋水泥混凝土；纖維增強陶瓷（FRC）；玻纖增強水泥，如玻纖瓦；夾網玻璃；金

15、屬陶瓷；壓電陶瓷。3、金屬基復合材料定向凝固的共晶合金；彌散增強金屬；纖維增強金屬（FRM）,如A12O3短纖維增強的鋁合金活塞；包覆金屬，如噴塑鋼板、管等按增強材料類型分類：1、有機纖維增強復合材料芳綸纖維增強環(huán)氧樹脂,尼龍絲增強樹脂,超高分子量聚乙烯纖維增強樹脂，等有機纖維主要用于聚合物基復合材料。2、無機非金屬增強復合材料陶瓷短纖維（如A12O3、SiC等）增強鋁合金,石墨纖維增強鋁合金,硼纖維增強金屬,石墨/銅導電、耐磨復合材料,碳纖維增強樹脂,玻璃纖維增強樹脂，等3、金屬增強復合材料鎢絲增強高溫合金,鋼絲增強樹脂、橡膠，鋼筋水泥混凝土,不銹鋼絲增強鋁，等。（3）、復合材料的組成和特性

16、1、種類不同，性質差異很大的幾種材料及其界面相（層）所組成（組成上）；2、多相固體材料（結構）古代復合材料；3、經設計復合而成（制備上）；4、通過復合效應獲得原組份材料所不具備的性能，或產生性能協同作用，與簡單混合有本質的區(qū)別（性能上）。簡言之：復合材料由連續(xù)基體相（matrixphase）和分散增強相（dispersephase）及界面相（interfacephase）所構成。（4）、復合材料的特性1）比強度、比模量高；2）抗疲勞性能好；3）減振性能好；4）使用安全性高；5）耐熱性能好；6）性能具有可設計性。（5）、復合材料在汽車上應用汽車重量每減輕100公斤,百公里可節(jié)油0.3公升。先進復

17、合材料、鋼和鋁在車身減重方面比較;高強度鋼減重25%35%,鋁減重40%55%,先進復合材料減重據報道，美國TPM復合物公司制造的復合材料汽車,殼體長9.1米，采用環(huán)氧玻纖氈、RTM成型,汽車重3175Kg，比同尺寸的鋼汽車殼體減重30%,其燃油消耗不到鋼質汽車的60%。復合材料在汽車上的應用包括外裝件以及承力結構部件,近年來高性能復合材料汽車板簧、驅動軸及全復合材料車身等技術也研究成功并投入應用。復合材料適合于制造用金屬板難于制造、生產效率低、難于保證精度的汽車零件。汽車部件應用：剎車盤、汽車片、汽車板簧、保險杠。四、新材料的發(fā)展趨勢注重多學科交叉，綜合利用現代科學技術最新成就，促進材料科學

18、與材料工程、各大類材料之間的交叉、借鑒、互補，充實和完善以成分與結構、性質、合成與加工、使用性能為核心知識，能指導各類材料研究與開發(fā)的材料科學與工程學科。整體向著高性能化、多功能化、復合化、智能化和經濟實用化方向發(fā)展。結構材料仍然是研究與開發(fā)的主體，高技術新材料研究與開發(fā)與現有材料提升改造并重，以滿足工業(yè)經濟和國防安全的基礎產業(yè)的需求；功能材料是21世紀新材料研究與開發(fā)的熱點，其動力主要來自于高技術需求和有關材料行為深層次的認識和控制的科學進展。重視基礎性研究，實現在微觀、介觀和宏觀不同層次上，在分子、原子、電子層次上按預定性能設計和制備新材料。高度重視材料及其制品和生態(tài)環(huán)境與資源的協調性。新材料的合成與加工技術（制備技術）和表征評價技術及其裝備的研究與開發(fā)是新材料發(fā)展的重要基礎，倍受重視。參考文獻:1、李紹芬.化學反應工程.第二版北京：化學工業(yè)出版社，1989.2、王建華.化學反應工程.成都：成都科技大學出版社，198