搜索
材料化学研究前沿和发展展望摘要:材料是人类发展的铺路石,从古至今材料伴随着人类的发展而发展,到了21世纪更是成为了材料的世纪。工业、军事、航空航天、生物、能源等都与材料密不可分。材料的研究前沿和发展成为众多科技工作者关注的对象。能源、材料与信息是现代科技的基础，而材料是发展工程、信息、新能源等高科技的重要物质基础，是当代前沿科学技术领域之一。由于现代科技的不断进步，各个科学领域对材料的需求量越来越大，对其性能的要求也越来越高，甚至其形态规格，也由三维块状材料向二维薄膜材料、一维纤维材料和准零维纳米材料发展。就此，本文将对材料化学的研究前沿和发展展望作简要讨论。1材料研究前沿随着时代的不断发展，人类所使用的材料也由简到繁，由少到多。人类从石器时代走来，经历了上千年的风风雨雨，人类使用的器具也由石器到青铜，再到铁器„„慢慢地，到现在使用的许多高品质的化学材料。不光在我们的生活中，在当今世界的许多高科技领域，材料的品质和发展得到了极大的重视和进步，其中处于当前研究前沿并收到科学界、工业界广泛关注的，主要有纳米材料、先进陶瓷材料、功能薄膜材料等等。1.1纳米材料之概论纳米是一个极小的度量单位，一纳米等于十的负九次方米，所以纳米级的材料由于它是由极小的微粒组成，因而具有许多其他材料所不具备的性质，因此在大量科学领域中纳米材料的开发和使用成为其领域发展和进步的重中之重。而纳米材料则由于其优良的特性成为科学界青睐的对象，其特性主要表现在表面效应、小尺寸效应和量子尺寸效应。（1）微粒随着粒径变小，比表面积将会明显增大，则表面原子所占的百分数会显著增加，即微粒表面具有极高活性的原子所占百分数增加，进而导致纳米材料可以直接和空气发生剧烈反应，这就是在材料研究中不可忽视的表面效应。（2）纳米粉体的粒径和光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度形成透射深度等物理特征尺寸相当或更小时引起一系列宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。其中具体又可以分为特殊的光学性质、热学性质、磁学性质以及力学性质。鉴于其作为纳米颗粒的优越性，可以取适当的材料作为高效率的光热、光电转换材料，可应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。且其特殊力学效应在于良好的韧性和延展性，它这新奇的力学性质使之应用前景十分宽广。（3）量子尺寸效应则为当纳米材料能级间距大于热能、电场能或磁场能的平均能级间距时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性。例如原本可导电的金属在纳米粉体时可以变成优良的绝缘体等。纳米材料正是在纳米粉体的基础上建立和发展起来的，迄今为止纳米材料已经诞生了十多年，而其在许多高科技领域中的广泛应用也使得纳米材料成为科学界关注的热点。许多领域都在应用不同功能的纳米材料，但是现在用得最多的有纳米磁性材料、纳米催化材料、纳米生物材料和纳米光学材料等。其中纳米催化材料和纳米生物材料又是与人类日常生活联系得最为紧密的：汽车前进过程中因为汽油的不完全燃烧，排气管排出的尾气中含有大量的一氧化碳、二氧化氮等有毒有害气体，危害人类健康，破坏我们赖以生存的环境。这个时候，纳米催化材料应运而生，而且通常情况下用于除去尾气废气的催化剂都是光催化材料，所以就能够达到耗能少，无污染的目的。常见的纳米催化材料有纳米铁，镍与ｒ四氧化三铁混合烧结体，纳米氧化钛等。纳米生物材料主要运用于器官移植，拥有巨大的商业前景，同时也为人类谋求了巨大的福利，例如作为“人造骨”的羟基磷灰石纳米颗粒等。面对纳米材料巨大的利用率，异常优秀的特性，相信在不久的将来我们人类的日常生活将与纳米材料结下不解之缘，所以纳米材料的潜在应用前景十分诱人。1.2先进陶瓷材料之概论先进陶瓷材料又叫精细陶瓷或高性能陶瓷，是具有电、声、光、磁、热和力学等多种功能的新型材料，它由许多不同化学构成的是有那个功能的陶瓷组成，较为常见的有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等等。但是我们常常会将先进陶瓷按其使用性能分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。1.2.1结构陶瓷结构陶瓷是一类非常先进的陶瓷，它具有强劲的机械、热、化学等效能，甚至会比许多合金与聚合物还要优异，结构陶瓷可以将高强度、高硬度、耐高温高压、耐磨损、抗腐蚀等众多优异性能集于一身，这是合金与聚合物做不到的。结构陶瓷主要在军事、航天、机械领域有着重要的作用。当然，处于不同的领域，陶瓷材料的性质品类也会有所不同，有高强度、耐磨损，可以制作轴承、燃烧室的氮化硅陶瓷材料；有高强度、高韧性，可以制作代替金属制作模具的氧化锆材料，且加韧的氧化锆材料可以制成不会生锈，也不会导电的新型剪刀，可以放心剪带点的电线。另外以氧化铝和氧化镁混合在1800℃高温下制得的全透明镁铝尖晶石陶瓷可以做“防弹玻璃”，这类陶瓷在国防和宇航领域中得到了广泛的运用。还有一种很重要的结构陶瓷材料——生物陶瓷。生物陶瓷和纳米生物材料有着相似的作用，生物陶瓷目前主要用于人体硬组织的修复，它在人体中具有极佳的亲和性，因为生物陶瓷和骨组织的化学组成比较接近，将其成功植入后随着陶瓷的降解，新骨长成，所以这是今后医学上硬组织修复上的上乘之选。1.2.2功能陶瓷功能陶瓷和结构陶瓷的差别很大，功能陶瓷因为其在电、磁、光、热、力学上优良的转换能力而广泛运用在信息技术和计算机技术之中。首先介绍一个军事工业中的天之骄子——压电陶瓷。压电陶瓷晶体上没有对称中心，当在某个方向施加压力，则在特定方向引起极化，相应的一对表面就出现电位差；反之在一定方向上施加电场，则会发生特定形变和位移。由于这种令人惊讶的性能，压电陶瓷成为众多科技领域的研究和关注对象（但是其中常常有铅等有毒金属），原子弹的起爆器和压电扬声器等都是压电陶瓷的产物。还有另外一大类非常常用、非常重要的敏感陶瓷材料。热敏、光敏、气敏、湿敏等大量的陶瓷，而且不能只想到我们生活中的声控开关等等，声控开关中的光敏开关和声敏开关与这类先进陶瓷材料还有很大的距离。敏感陶瓷是由离子键的金属氧化物多晶体构成的一种导电材料。它可以敏感地感觉到周围环境的变化并及时做出相应的反应，由于这类陶瓷的特殊性，在各个领域都可以使用到，在节能和安全方面都有至关的作用。先进陶瓷材料在很多方面性质都比金属要优良稳定，例如陶瓷没有锈蚀这个概念，这样可以极大程度的节省材料。虽然现在先进陶瓷材料还在发展研究阶段，但是在以后的发展中，陶瓷材料定会变得越来越广泛，越来越实用。1.3新型薄膜材料之概论从古至今材料都是人类发展中不可缺少的一元，由三维块状材料到二维薄膜材料，薄膜材料在当今社会中扮演了一个非常重要的角色，因为该材料占用空间少，表面积大，质量轻，性能优异，在我们日常生活中得到了广泛的应用。现在在生活中我们常会用到光盘，还有多年以前家用VCD使用的影碟，都使用到了薄膜材料——磁性薄膜，而在刻录机上的磁头上面也会覆盖上磁性薄膜。磁性薄膜是指厚度等于或小于微米级的磁性材料，它主要运用与电子设备中，作为其中的重要组成部分。由金属氧化物等烧结的薄膜多层介质组成的光学薄膜材料即为光学薄膜材料，而它又可以分为光学反射膜、光学增迭膜、光学分光膜、光学滤光膜等。现在的眼镜市场上有许多可以防紫外线的镜片，如果没有欺骗消费者的成分在里面的话，那就很可能在镜片上覆盖了一层或多层光学滤光膜，但这样会导致成本加大，所以市场上的镜片大都不是真品。金刚石薄膜可以明确地说，是一种异常坚硬的薄膜。手术刀上若是由金刚石薄膜制成的话，它会比普通手术刀更加锋利，在厚度上更加薄，却是更加坚韧。同时金刚石薄膜具有的高热率和高电阻率，使其在电学和信息技术中也有很大的作用。甚至，它还具有超优良的光学性质，所以不得不说金刚石薄膜是一种全能型薄膜。当然整个材料家族不只有这几种，例如液晶和高分子材料也是材料家族的重要成员，在本文就不做介绍了。2材料发展展望材料是一个国家发展的重要载体之一，目前世界各国都在加紧研究各种领域功能的材料，因为现代工业，特别是宇航、军工以及金属冶炼方面对材料的要求越来越苛刻，在超高温、搞真空条件下依然能够正常使用的材料成为研究的重点，还有能在超低温、强磁场等条件下性质不变的材料也是未来大力研究的方向。虽然现在已经出现了不少耐高温、抗高压的新型材料，例如氧化锆陶瓷材料，但是现在这类材料已经远远不能满足工业生产的要求。人类的追求是永无止境的，我们重点关注纳米材料和先进陶瓷材料，因为这类材料在军工和航天事业上的应用非常广泛。自从1961年前苏联的第一颗载人人造卫星成功升入太空，世界上的各个强国都开始了太空竞争。其中以中、俄、美等国家为主的在空间发展上最为迅速。特别是美国，上世纪美国已经完成了登月计划，而现在奥巴马政府重新开始了美国的太空探索计划，登陆火星成为美国太空发展的新起点。如此，这不但对能量的要求非常高，更是对飞船材料结构的一次大考验，从地球前往火星的途中不但要经受地球大气层的高强度摩擦，还有进入太空后的高真空条件，各类宇宙射线、太阳粒子的辐射冲击，所以开发优良的耐高温高压，防辐射的材料就是“登火计划”可以成功的关键一环。随着现代人类的发展，能源问题已然成为全球共同面对的一个很严峻的考验，煤、石油、天然气等不可再生资源在地球上已探明的储量越来越少，且由于煤、石油的不完全燃烧产生了大量有毒有害的气体，它们对我们的环境有着极大的破坏作用。于是我们在不断地开发新能源，风能、地热、潮汐能、太阳能和核能。在将来核能与太阳能将会成为我们日常生活的主要能量来源，但是太阳能所面对的转换效率低下，核能面对的高温与核辐射都是我们需要考虑的，那样新材料的开发和使用又是科技工作者们需要关注的问题。另外在军工方面，各国也是抓紧时间研制军需材料，隐形材料，高强度、高韧性纤维材料，耐高温材料层出不穷。不光如此，空间技术、电子技术、激光技术、光电子技术、红外技术、环境保护等都需要高品质的新型材料。现今的普通材料已经不能成为社会的主流，它们造成的“白色污染”非常严重，对可以快速降解塑料的研制不仅可以方便普通居民的生活，同时也可以避免“白色污染”对人们生活造成的不良影响。再者，电力科研人员在关于怎样尽可能减少电在运输过程中出现的能量损耗上花费了大量的功夫，因为目前用于运输电力的输电线材料在常温下的电阻率不可能为零，但是后来出现了超导材料，它可以在某个温度时出现电阻率为零的惊人性能，但是这种温度往往是自然界里不可能出现的超低温。我们就来设想，如果我们能够研制出能在常温下实现超导的材料，再将其广泛运用到实际中不就可以实现电力运输中的零损耗了？理论上是成立的，但是实际上我们现在还没能开发出这中材料，所以这还需要我们广大的科学工作者的不懈努力和不断追求。还有一种材料在未来将起到非常重要的作用——复合材料。树脂基高强度、高模量纤维材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料，碳碳基复合材料，这类复合材料的性能大都强于单体材料，它们将来将会参与到各类科学研究中去。回顾材料这几十年的飞速发展，给人类带来了许多福音，相信在未来材料定会带给我们更多的惊喜和福祉。参考文献：【1】朱裕贞，顾达，黑恩成.现代基础化学.北京,化学工业出版社.2004【2】云南大学学报(自然科学版).2002.S1期【3】朱晒红，周科朝，黄伯云，黄苏萍，刘芳，薛志刚，龙志高.羟基磷灰石纳米颗粒:一种新型基因转染载体材料.生物科学杂志,2005,(05)【4】全宏声.防弹冲击的透明装甲陶瓷.材料工程.2001,(07)【5】杨亦权;导师:郑强,杜淼.压电陶瓷/聚合物复合材料压电阻尼性能研究.浙江大学材料学硕士论文.2002年【6】弥谦.在医用手术刀上镀制金刚石薄膜技术.科技成果纵横.2004(3):56-56【7】王德胜.现代科技精华.宁夏人民出版社.1993.1【8】宋健.化学材料的发展和展望.现代科学技术基础知识.科学出版社,中共中央党校出版社.1995,4【9】RW，哈森P，克雷默EI.材料科学与技术丛书:“MaterialsScienceandTechnology:AComprehensiveTreatment”（共19卷23分册，中文主编：师昌绪，柯俊，R.W.卡恩）：科学出版社，1999【10】杨华明，宋晓岚，金胜明.新型无机材料.北京:化