反應(yīng)工程的前沿之一

1、反應(yīng)工程的前沿之一對(duì)新材料合成的綜述學(xué)院：化學(xué)與化工學(xué)院專業(yè)：化學(xué)工程與工藝班級(jí)：化工091學(xué)號(hào)：學(xué)生姓名：王闖反應(yīng)工程的前沿之一對(duì)新材料合成的綜述【摘要】：化學(xué)反應(yīng)工程所面臨的重要挑戰(zhàn)是開發(fā)一個(gè)科學(xué)的、可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)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(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，應(yīng)用范圍極其廣泛，它同信息技術(shù)、生物技術(shù)一起成為二十一世紀(jì)最重要和最具發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域。因此世界各國都加緊了新材料的研究和開發(fā)，發(fā)達(dá)國家的新材料已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)增長的助推力極大增強(qiáng)了生產(chǎn)的效率，使產(chǎn)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(shù)的新材料還無法和世界先進(jìn)水平

2、相提并論，但是已經(jīng)慢慢在趕上發(fā)達(dá)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(qiáng)勁的動(dòng)力?！娟P(guān)鍵字】：新材料；性能；發(fā)展新材料新材料（或稱先進(jìn)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(tǒng)材料的性能更為優(yōu)異的一類材料。新材料技術(shù)是按照人的意志，通過物理研究、材料設(shè)計(jì)、材料加工、試驗(yàn)評(píng)價(jià)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(shù)。新材料按材料的屬性劃分，有金屬材料、無機(jī)非多屬材料（如陶瓷、砷化鎵半導(dǎo)體等）、有機(jī)高分子材料、先進(jìn)復(fù)合材料四大類。按材料的使用性能性能分，有結(jié)構(gòu)材料和功能材料。結(jié)構(gòu)材料主要是利用材料的力學(xué)和理化性能，以滿

3、足高強(qiáng)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(yīng)，以實(shí)現(xiàn)某種功能，如半導(dǎo)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(shè)上作用重大。例如，超純硅、砷化鎵研制成功，導(dǎo)致大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的誕生，使計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度從每秒幾十萬次提高到現(xiàn)在的每秒百億次以上；航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)系統(tǒng)難以發(fā)現(xiàn),等等。新材料技術(shù)被稱為“發(fā)明之母”和“產(chǎn)業(yè)糧食”。新材料作為高新技術(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，應(yīng)用范圍極其廣泛，它同信息

4、技術(shù)、生物技術(shù)一起成為二十一世紀(jì)最重要和最具發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域。同傳統(tǒng)材料一樣，新材料可以從結(jié)構(gòu)組成、功能和應(yīng)用領(lǐng)域等多種不同角度對(duì)其進(jìn)行分類，不同的分類之間相互交叉和嵌套，目前，一般按應(yīng)用領(lǐng)域和當(dāng)今的研究熱點(diǎn)把新材料分為以下的主要領(lǐng)域：電子信息材料、新能源材料、納米材料、先進(jìn)復(fù)合材料、先進(jìn)陶瓷材料、生態(tài)環(huán)境材料、新型功能材料（含高溫超導(dǎo)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(jié)構(gòu)材料、智能材料、新型建筑及化工新材料等。下面對(duì)幾種新材料作簡(jiǎn)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(yīng)是指納米粒子表面原子數(shù)與

5、總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后引起的性質(zhì)上的變化。隨著顆粒尺寸的減小，比表面大大增加，當(dāng)粒徑為5nm時(shí)，表面將占50%；（2）、小尺寸效應(yīng)當(dāng)納米粒子尺寸與德布羅意波以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，對(duì)于晶體其周期性的邊界條件將被破壞，對(duì)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(huì)導(dǎo)致電、磁、光、聲、熱力學(xué)等性質(zhì)的變化，這稱為小尺寸效應(yīng)；（3）、量子尺寸效應(yīng)當(dāng)粒子尺寸降低到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)榉至⒛芗?jí)和納米半導(dǎo)體微粒的能隙變寬的現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。（4）、宏觀量子隧道效應(yīng)微觀粒子具有穿越勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。（1）、納米材料的

6、制備機(jī)械粉碎法：球磨制粉機(jī)利用磨球滾動(dòng)摩擦粉碎金屬或合金。工藝簡(jiǎn)單，效率高。適用范圍廣。對(duì)高熔點(diǎn)合金、陶瓷等均可。又稱作“機(jī)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(xué)法：沉淀法通過化學(xué)反應(yīng)生成，這種方法投資少，簡(jiǎn)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(jiǎn)單，連續(xù)操作，產(chǎn)量大，如東南大學(xué)制超微粉用車?yán)Ｈ苣z-凝膠法將金屬醇鹽水解與縮聚而凝膠化，再經(jīng)過干燥、燒結(jié)后處理。獲得的材料一般為塊狀、粉體狀，需進(jìn)一步破碎。產(chǎn)量大，但污染嚴(yán)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(chǎn)生的原子或分子沉積在基材上。與制備薄膜設(shè)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(zhì)量好，但產(chǎn)量低?；瘜W(xué)氣相沉積（ChemicalVaporDepositionSystemCVD）：把一種或幾種含有構(gòu)成粉末元素的化合物、單質(zhì)氣體通入放置有基片的反應(yīng)室，借助氣相作用或在基片上的化學(xué)反應(yīng)沉積出超微粉。高溫高壓，操作要求嚴(yán)格。純度高，可制備純金屬、合金、金屬化合物微粉，但產(chǎn)量低，收集難，浪費(fèi)大。對(duì)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(jīng)

8、過熱處理使其晶化獲得納米晶條帶的方法。特點(diǎn)：工藝較簡(jiǎn)單，化學(xué)成分準(zhǔn)確。（2）、納米技術(shù)的應(yīng)用微粒的活性及其催化作用（領(lǐng)帶表面經(jīng)過物理、化學(xué)處理后，有很強(qiáng)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(yīng)等使它對(duì)某種波長的光吸收能力極強(qiáng)。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(jí)武器（例如，微型間諜飛行器15厘米長，能持續(xù)飛行1小時(shí)以上，將成為對(duì)敵封閉設(shè)施進(jìn)行偵察和軍事對(duì)抗的理想工具；袖珍遙控飛機(jī)不足撲克牌大小的遙控飛機(jī)裝置；“間諜草”是一種分布式戰(zhàn)場(chǎng)微型傳感器網(wǎng)絡(luò)，外形似小草，

9、裝有敏感的電子偵察器、照相機(jī)和感應(yīng)器；納米衛(wèi)星一種分布式的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體系，提高航天系統(tǒng)的生存能力和靈活性）；碳納米管（納米電子器件加強(qiáng)型纖維生物/化學(xué)傳感器納米探針儲(chǔ)氫、儲(chǔ)能材料催化劑載體）；最新研究（熱電效率、集成電路產(chǎn)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(jī)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(jīng)過成型和高溫?zé)Y(jié)制成的；是由無機(jī)化合物構(gòu)成的多相固體材料。（1）、陶瓷材料的相組成特點(diǎn)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(xué)性質(zhì)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(jié)晶粒、提高材料致密度、降低燒結(jié)溫度和抑制晶粒長大。陶瓷材料的結(jié)合鍵特點(diǎn)：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(jié)合鍵以離子鍵（如AI2O3）、共價(jià)鍵（如Si3N4）及兩者的混合鍵為主。陶瓷材料以離子鍵結(jié)合為主，由于離子鍵的結(jié)合力大，因此離子晶體的硬度高，強(qiáng)度大，熱膨脹系數(shù)小，但脆性大。（2）、陶瓷的成形原料的制備：粘土細(xì)顆粒含水鋁硅酸鹽用水混合，具有可塑性，是作為基礎(chǔ)。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(tǒng)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(fù)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(jié)：干燥的毛坯加熱高溫?zé)Y(jié)，相變獲得要求的性能。（3）、陶瓷材料的性能特點(diǎn)陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高硬度、高化學(xué)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(qiáng)度高等特點(diǎn)。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?zé)Y(jié)來成形的，因此陶瓷是燒結(jié)體。燒結(jié)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(qiáng)度理論強(qiáng)度很高；由于晶界的存在，實(shí)際強(qiáng)度比理論值低的多。耐壓（抗壓強(qiáng)度高），抗彎（抗彎強(qiáng)度高），不耐拉（抗拉強(qiáng)度很低，比抗壓強(qiáng)度低一個(gè)數(shù)量級(jí)）較高的高溫強(qiáng)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(diǎn)。6、熱膨脹性低一一導(dǎo)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(dòng)時(shí)的壽命）急冷到水中不破裂。8、化學(xué)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(dǎo)電性一一大多數(shù)是良好的絕緣體，同時(shí)也有不少半導(dǎo)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(fù)合材料復(fù)合材料定義：國際標(biāo)準(zhǔn)化組織定義為“由兩種以上物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相體系”。復(fù)合材料兩點(diǎn)特征：多相體系，復(fù)合效果。復(fù)合效果：復(fù)合材料比單一組成的材料具有更好的綜合性能。（1）、復(fù)合材料的發(fā)展第一代復(fù)合材料：以玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料（GFRP或GRP）（俗稱玻璃鋼）為代表。第二代復(fù)合材料：以碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料（CFRP或CRP）為代表。碳纖維密度低、強(qiáng)度搞、彈性模量高、熱膨脹系數(shù)小，且能全部用耐多種介質(zhì)腐蝕，是一種較為理想的增強(qiáng)材料。CFRP制碳纖維增強(qiáng)塑料可以在高達(dá)300C高溫下長期使用，被

14、成功地用來制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、造的曲軸噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)罩和曲軸連桿等高溫工作構(gòu)件。第二代復(fù)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(fù)合材料存在橫向力學(xué)性能差，層間剪切強(qiáng)度低，易吸潮、老化、蠕變、燃燒等缺點(diǎn)。第三代復(fù)合材料：金屬基復(fù)合材料（20世紀(jì)70年代出現(xiàn)），陶瓷基復(fù)合材料（80年代出現(xiàn)）。（2）、復(fù)合材料分類按照基本類型分：1、樹脂（聚合物）基復(fù)合材料纖維增強(qiáng)塑料（FRP）;聚乙烯-鋁（PE-A1）復(fù)合膜夾網(wǎng)波紋板；橡膠基復(fù)合材料，如輪胎、輸送帶等;木塑復(fù)合材料，如人造板等2、陶瓷（無機(jī)非金屬）基復(fù)合材料鋼筋水泥混凝土；纖維增強(qiáng)陶瓷（FRC）；玻纖增強(qiáng)水泥，如玻纖瓦；夾網(wǎng)玻璃；金

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

16、1、種類不同，性質(zhì)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(jié)構(gòu)）古代復(fù)合材料；3、經(jīng)設(shè)計(jì)復(fù)合而成（制備上）；4、通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組份材料所不具備的性能，或產(chǎn)生性能協(xié)同作用，與簡(jiǎn)單混合有本質(zhì)的區(qū)別（性能上）。簡(jiǎn)言之：復(fù)合材料由連續(xù)基體相（matrixphase）和分散增強(qiáng)相（dispersephase）及界面相（interfacephase）所構(gòu)成。（4）、復(fù)合材料的特性1）比強(qiáng)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(shè)計(jì)性。（5）、復(fù)合材料在汽車上應(yīng)用汽車重量每減輕100公斤,百公里可節(jié)油0.3公升。先進(jìn)復(fù)

17、合材料、鋼和鋁在車身減重方面比較;高強(qiáng)度鋼減重25%35%,鋁減重40%55%,先進(jìn)復(fù)合材料減重?fù)?jù)報(bào)道，美國TPM復(fù)合物公司制造的復(fù)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(zhì)汽車的60%。復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用包括外裝件以及承力結(jié)構(gòu)部件,近年來高性能復(fù)合材料汽車板簧、驅(qū)動(dòng)軸及全復(fù)合材料車身等技術(shù)也研究成功并投入應(yīng)用。復(fù)合材料適合于制造用金屬板難于制造、生產(chǎn)效率低、難于保證精度的汽車零件。汽車部件應(yīng)用：剎車盤、汽車片、汽車板簧、保險(xiǎn)杠。四、新材料的發(fā)展趨勢(shì)注重多學(xué)科交叉，綜合利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)最新成就，促進(jìn)材料科學(xué)

18、與材料工程、各大類材料之間的交叉、借鑒、互補(bǔ)，充實(shí)和完善以成分與結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、合成與加工、使用性能為核心知識(shí)，能指導(dǎo)各類材料研究與開發(fā)的材料科學(xué)與工程學(xué)科。整體向著高性能化、多功能化、復(fù)合化、智能化和經(jīng)濟(jì)實(shí)用化方向發(fā)展。結(jié)構(gòu)材料仍然是研究與開發(fā)的主體，高技術(shù)新材料研究與開發(fā)與現(xiàn)有材料提升改造并重，以滿足工業(yè)經(jīng)濟(jì)和國防安全的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的需求；功能材料是21世紀(jì)新材料研究與開發(fā)的熱點(diǎn)，其動(dòng)力主要來自于高技術(shù)需求和有關(guān)材料行為深層次的認(rèn)識(shí)和控制的科學(xué)進(jìn)展。重視基礎(chǔ)性研究，實(shí)現(xiàn)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(yù)定性能設(shè)計(jì)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(xié)調(diào)性。新材料的合成與加工技術(shù)（制備技術(shù)）和表征評(píng)價(jià)技術(shù)及其裝備的研究與開發(fā)是新材料發(fā)展的重要基礎(chǔ)，倍受重視。參考文獻(xiàn):1、李紹芬.化學(xué)反應(yīng)工程.第二版北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1989.2、王建華.化學(xué)反應(yīng)工程.成都：成都科技大學(xué)出版社，198