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反应工程的前沿之一 对新材料合成的综述学 院：化学与化工学院 专 业：化学工程与工艺 班 级：化工091 学 号：0908110155 学生姓名：王闯 反应工程的前沿之一对新材料合成的综述【摘要】：化学反应工程所面临的重要挑战是开发一个科学的、可持续发展的技术以满足未来世界能源、环境和材料的需求。新材料的开发和研究尤为重要。新材料作为高新技术的基础和先导，应用范围极其广泛，它同信息技术、生物技术一起成为二十一世纪最重要和最具发展潜力的领域。因此世界各国都加紧了新材料的研究和开发，发达国家的新材料已经成为经济增长的助推力极大增强了生产的效率，使产品具有更优异的性能。我国也在加紧研制新材料，虽然我国的高新技术的新材料还无法和世界先进水平相提并论，但是已经慢慢在赶上发达国家的步伐，近几年更是发展迅猛，包括去年提出的十二五规划也提到了新材料的研发，为新材料的研发提供了强劲的动力。【关键字】：新材料；性能；发展新材料新材料（或称先进材料）是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。新材料技术是按照人的意志，通过物理研究、 材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。新材料按材料的属性划分，有金属材料、无机非多属材料（如陶瓷、砷化镓半导体等）、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料的使用性能性能分，有结构材料和功能材料。结构材料主要是利用材料的力学和理化性能，以满足高强度、高刚度、高 硬度、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能要求；功能材料主要是利用材料具有的电、磁、声、光热等效应， 以实现某种功能，如半导体材料、磁性材料、光敏材料、热敏材料、隐身材料和制造原子弹、氢弹的核材料等 。新材料在国防建设上作用重大。例如，超纯硅、砷化镓研制成功，导致大规模和超大规模集成电路的诞生，使 计算机运算速度从每秒几十万次提高到现在的每秒百亿次以上；航空发动机材料的工作温度每提高100，推力 可增大24；隐身材料能吸收电磁波或降低武器装备的红外辐射，使敌方探测系统难以发现，等等。新材料技术被称为“发明之母”和“产业粮食”。新材料作为高新技术的基础和先导，应用范围极其广泛，它同信息技术、生物技术一起成为二十一世纪最重要和最具发展潜力的领域。同传统材料一样，新材料可以从结构组成、功能和应用领域等多种不同角度对其进行分类，不同的分类之间相互交叉和嵌套，目前，一般按应用领域和当今的研究热点把新材料分为以下的主要领域：电子信息材料、新能源材料、纳米材料、先进复合材料、先进陶瓷材料、生态环境材料、新型功能材料（含高温超导材料、磁性材料、金刚石薄膜、功能高分子材料等）、生物医用材料、高性能结构材料、智能材料、新型建筑及化工新材料等。下面对几种新材料作简介。一、 纳米材料纳米粒子即非微观粒子又非宏观物体，一种介观粒子有一系列不同于宏观块体的特性：（1）、表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。随着颗粒尺寸的减小，比表面大大增加，当粒径为5nm时，表面将占50%；（2）、小尺寸效应当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化，这称为小尺寸效应；（3）、量子尺寸效应当粒子尺寸降低到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级和纳米半导体微粒的能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。（4）、宏观量子隧道效应微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。（1）、纳米材料的制备机械粉碎法：球磨制粉机利用磨球滚动摩擦粉碎金属或合金。工艺简单，效率高。适用范围广。对高熔点合金、陶瓷等均可。又称作“机械合金化”。噪声、污染大，纯度不高，磨球本身材料成分掺杂到粉末中，故不能用于功能材料。易氧化，得不到纯金属微粉。 化学法：沉淀法通过化学反应生成，这种方法投资少，简易。溶剂蒸发法用硝酸镁+硝酸锰+硝酸铁溶入乙醇中，然后喷出得到MgO,FeO,MnO粉末工艺简单，连续操作，产量大，如东南大学制超微粉用车拉。溶胶-凝胶法将金属醇盐水解与缩聚而凝胶化，再经过干燥、烧结后处理。获得的材料一般为块状、粉体状，需进一步破碎。 产量大，但污染严重，制备种类少，只能制备氧化物。物理气相沉积PVD：在真空条件下，以各种物理方法产生的原子或分子沉积在基材上。与制备薄膜设备相同。采用电加热或电子束加热、激光加热、等离子体加热母材，合金气化后被吸附器吸收，让其以分子态冷却。制得的微粉质量好，但产量低。化学气相沉积（ChemicalVapor Deposition SystemCVD）：把一种或几种含有构成粉末元素的化合物、单质气体通入放置有基片的反应室，借助气相作用或在基片上的化学反应沉积出超微粉。高温高压，操作要求严格。纯度高，可制备纯金属、合金、金属化合物微粉，但产量低，收集难，浪费大。对纯金属或合金微粉收集要采用真空收集。非晶晶化法：采用快速凝固法将液态金属制备非晶条带,再将非晶条带经过热处理使其晶化获得纳米晶条带的方法。特点工艺较简单,化学成分准确。（2）、纳米技术的应用 微粒的活性及其催化作用（领带表面经过物理、化学处理后，有很强的自洁能力，并且不沾水、不沾油）；光吸收材料（纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收能力极强。例如，防晒油、化妆品中普遍加入纳米微粒）；陶瓷增韧（氧化锆陶瓷）；红外反射材料（纳米微粒用于红外反射材料上主要制成薄膜和多层膜来使用）；纳米级武器（例如，微型间谍飞行器15厘米长，能持续飞行1小时以上，将成为对敌封闭设施进行侦察和军事对抗的理想工具；袖珍遥控飞机不足扑克牌大小的遥控飞机装置；“间谍草”是一种分布式战场微型传感器网络，外形似小草，装有敏感的电子侦察器、照相机和感应器；纳米卫星一种分布式的卫星结构体系，提高航天系统的生存能力和灵活性）；碳纳米管（纳米电子器件加强型纤维生物/化学传感器纳米探针储氢、储能材料催化剂载体）；最新研究（热电效率、集成电路产业、纳米金属花、纳米药物）。二、 陶瓷材料陶瓷材料定义：陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。陶瓷是用天然或人工合成的粉状化合物，经过成型和高温烧结制成的；是由无机化合物构成的多相固体材料。（1）、陶瓷材料的相组成特点通常由三种不同的相组成：晶相、气相、玻璃相。晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。气相是在工艺过程中形成并玻保留下来的。璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。陶瓷材料的结合键特点：陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其结合键以离子键(如Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者的混合键为主。陶瓷材料以离子键结合为主，由于离子键的结合力大，因此离子晶体的硬度高，强度大，热膨胀系数小，但脆性大。（2）、陶瓷的成形原料的制备：粘土细颗粒含水铝硅酸盐用水混合，具有可塑性，是作为基础。石英无水SiO2，难熔，可减粘，在瓷坯中起骨架作用。长石含K、Na、Ca离子的无水硅酸盐，属熔剂。坯料的成形：可塑成形传统陶瓷用较多，注浆成形浆料浇注到石膏模中成形，用于制造日用陶瓷和建筑陶瓷等形状复杂件，压制成形粉料加入塑化剂，在金属模具加压成形。制品的烧结：干燥的毛坯加热高温烧结，相变获得要求的性能。（3）、陶瓷材料的性能特点陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。陶瓷材料还具有密度小、弹性模量大、耐磨损、强度高等特点。功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能。陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成型和高温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在的问题是其存在一定的气孔率。（4）、陶瓷材料的性能1、硬度是各类材料中最高的。（高聚物20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV）。2、刚度是各类材料中最高的。（塑料1380MN/m2，钢207000MN/m2)。3、强度理论强度很高；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉（抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度。4、塑性低： 在室温几乎没有塑性。5、韧性差，脆性大。是陶瓷的最大缺点。6、热膨胀性低导热性差，多为较好的绝热材料（=10-210-5w/mK）。7、热稳定性抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂。8、化学稳定性耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐）。9、导电性大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（NiO，Fe3O4等）。10、其它不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。三、复合材料复合材料定义：国际标准化组织定义为“由两种以上物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相体系”。复合材料两点特征：多相体系，复合效果。复合效果：复合材料比单一组成的材料具有更好的综合性能。（1）、复合材料的发展 第一代复合材料：以玻璃纤维增强塑料复合材料（GFRP或GRP）（俗称玻璃钢）为代表。第二代复合材料：以碳纤维增强塑料复合材料（CFRP或CRP）为代表。 碳纤维密度低、强度搞、弹性模量高、热膨胀系数小，且能全部用耐多种介质腐蚀，是一种较为理想的增强材料。CFRP制碳纤维增强塑料可以在高达300高温下长期使用，被成功地用来制作飞机发动机叶片、造的曲轴喷气发动机罩和曲轴连杆等高温工作构件。第二代复合材料的基体还是聚合物（树脂），主要是环氧树脂。聚合物基复合材料存在横向力学性能差，层间剪切强度低，易吸潮、老化、蠕变、燃烧等缺点。 第三代复合材料：金属基复合材料（20世纪70年代出现），陶瓷基复合材料（80年代出现）。（2）、复合材料分类按照基本类型分：1、树脂（聚合物）基复合材料 纤维增强塑料(FRP);聚乙烯-铝（PE-Al）复合膜夹网波纹板；橡胶基复合材料，如轮胎、输送带等； 木塑复合材料，如人造板等2、陶瓷（无机非金属）基复合材料 钢筋水泥混凝土；纤维增强陶瓷(FRC)；玻纤增强水泥，如玻纤瓦；夹网玻璃；金属陶瓷；压电陶瓷。3、金属基复合材料 定向凝固的共晶合金；弥散增强金属；纤维增强金属(FRM),如Al 2O3短纤维增强的铝合金活塞；包覆金属，如喷塑钢板、管等按增强材料类型分类：1、有机纤维增强复合材料 芳纶纤维增强环氧树脂,尼龙丝增强树脂,超高分子量聚乙烯纤维增强树脂，等有机纤维主要用于聚合物基复合材料。2、无机非金属增强复合材料 陶瓷短纤维（如Al2O3、SiC等）增强铝合金, 石墨纤维增强铝合金, 硼纤维增强金属, 石墨/铜导电、耐磨复合材料,碳纤维增强树脂,玻璃纤维增强树脂，等3、金属增强复合材料 钨丝增强高温合金, 钢丝增强树脂、橡胶，钢筋水泥混凝土, 不锈钢丝增强铝，等。（3）、复合材料的组成和特性1、种类不同，性质差异很大的几种材料及其界面相（层）所组成（组成上）；2、多相固体材料（结构）古代复合材料；3、经设计复合而成（制备上）；4、通过复合效应获得原组份材料所不具备的性能，或产生性能协同作用，与简单混合有本质的区别（性能上）。简言之：复合材料由连续基体相(matrix phase)和分散增强相(disperse phase)及界面相(interface phase)所构成。（4）、复合材料的特性1）比强度、比模量高；2）抗疲劳性能好；3）减振性能好；4）使用安全性高；5)耐热性能好；6）性能具有可设计性。（5）、复合材料在汽车上应用 汽车重量每减轻100公斤,百公里可节油0.3公升。先进复合材料、钢和铝在车身减重方面比较；高强度钢减重25%35%,铝减重40%55%,先进复合材料减重据报道,美国TPM复合物公司制造的复合材料汽车,壳体长9.1米,采用环氧玻纤毡、RTM成型,汽车重3175Kg,比同尺寸的钢汽车壳体减重30%,其燃油消耗不到钢质汽车的60%。复合材料在汽车上的应用包括外装件以及承力结构部件,近年来高性能复合材料汽车板簧、驱动轴及全复合材料车身等技术也研究成功并投入应用。复合材料适合于制造用金属板难于制造、生产效率低、难于保证精度的汽车零件。汽车部件应用：刹车盘、汽车片、汽车板簧、保险杠。四、新材料的发展趋势1.注重多学科交叉，综合利用现代科学技术最新成就，促进材料科学与材料工程、各大类材料之间的交叉、借鉴、互补，充实和完善以成分与结构、性质、合成与加工、使用性能为核心知识，能指导各类材料研究与开发的材料科学与工程学科。2.整体向着高性能化、多功能化、复合化、智能化和经济实用化方向发展。3.结构材料仍然是研究与开发的主体，高技术新材料研究与开发与现有材料提升改造并重，以满足工业经济和国防安全的基础产业的需求；功能材料是21世纪新材料研究与开发的热点，其动力主要来自于高技术需求和有关材料行为深层次的认识和控制的科学进展。4.重视基础性研究，实现在微观、介观和宏观不同层次上，在分子、原子、电子层次上按预定性能设计和制备新材料。5.高度重视材料及其制品和生态环境与资源的协调性。6.新材料的合成与加工技术（制备技术）和表征评价技术及其装备的研究与开发是新材料发展的重要基础，倍受重视。参考文献:1、 李绍芬.化学反应工程.第二版北京：化学工业出版社，1989.2、 王建华.化学反应工程.成都：成都科技大学出版社，1