材料化学工程的应用与发展趋势

摘要：近年来，在我国社会经济高速发展的同时，生态建设工作也取得一定进展，通过节能减排，提高资源利用率，保证经济的可持续发展。在这一过程中，化学材料工程发展起到重要的推动作用。当前新型的有机金属材料在工业生产中表现出重要作用，新型的半导体材料也在不断提高半导体发展水平。因此发展新型材料已经成为新时代下经济发展的重要任务，因此加强对其具体应用的研究具有重要的意义。

关键词：材料化学工程;应用;发展趋势

1材料化学工程概述

随着经济的发展，工业得到了迅速的发展，随之而来的环境问题也越来越严重。国家在发展经济的同时，坚持实施可持续发展战略，采取了材料化学工程计划。国家将材料化学工程引进到新能源的开发与利用、工业领域的优化中。为了更好地实施可持续发展战略，国家科技研究部门积极开发新材料，希望能够建立起完整的材料设计和过程优化的理论与方法，将主要的研究内容设定为新材料的膜过程、吸附过程等。科技的进步使各项材料的功能和作用相互融合，例如将聚合物混凝土、薄膜材料应用在玻璃的制作上。科学研究员通过技术来对新型的化学材料进行性能上的转变与融合，促进其功能的升级。在将新型的化学材料与化学工程进行融合中，可通过改变产品的结构减少对生态的破坏，降低污染材料的使用。

2材料化学工程的应用与发展趋势

2.1纳米材料的应用

纳米材料主要的构成部位为极细的晶粒，从其特征维度尺寸来看，纳米量级处于0.1nm到100nm，属于一种固体材料。因纳米材料的尺寸处在微观与宏观物体两者之间，所以和常规的材料比较，其具备多方面的效果，包括：量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应以及介电限域效果等。以表面效应为例，指的是纳米材料的表面原子数和总原子数之间的比值，会在晶体尺寸变小的情况下，而急剧变大，进一步导致纳米材料发生物理性质变化或化学性质变化。当纳米材料的颗粒直径变小，那么其比表面积将会明显变大，由此表明表面原子所占比重明显增大。对于其中直径>0.1μm的颗粒表面效应可以忽略不计;如果颗粒尺寸<0.1μm的情况下，会导致其表面原子的比重快速上升，这样表面原子便具备非常高的活性，所以也非常不稳定，容易和别的原子结合。例如，化学农药生产过程中排放大量废水，为保护生态环境，这些废水排放前需做无害化处理。而废水中主要包含苯、有机磷、盐、酚和汞，其污染物浓度高、毒害性高、成分复杂，利用常规途径难以降解。纳米材料指结构单元的尺寸在1nm-100nm之间的材料，具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。可以利用纳米材料吸附废水中药物分子，也利用其光催化性能，将有毒有机分子有效转变为环境友好的无机分子，达到可排放标准。再比如，据中国疾病预防控制中心公布的数据，恶性肿瘤发病率和死亡率均居各种疾病发病率和死亡率的首位，2015年肿瘤发病率为313.28/10万，死亡率为205.40/10万，大部分患者确诊时已经是中晚期，总体疗效不佳，5年生存率为36.9%。在目前的肿瘤综合治疗中，手术治疗、化疗、放疗是肿瘤治疗的三大主要手段，然而患者接受各种手段治疗之际均存在一定的复发、转移风险，也可能出现治疗相关的并发症，因此寻找新的治疗手段成为十分重要的问题。近年来，纳米技术在生物医药，尤其是恶性肿瘤诊治上的发展和应用受到广泛关注。纳米材料是对至少在某一维度下尺寸介于1-100nm或以这种结构组合而成的超精细材料的统称。纳米材料的尺寸介于原子水平与宏观物体水平之间，赋予纳米材料特殊的性质，如比表面积大、反应活性高、强度高、热阻低、比热容高、扩散性高、特殊的磁性和光学性质等，使纳米粒子拥有更高的可塑性，使其在医学影像学诊断和药物运输中的应用成为可能。

2.2先进陶瓷的应用

2.2.1电子陶瓷

随着信息化产业、电子消费产业的快速发展，工业用电子产品、消费电子产品将保持快速发展趋势，对电子陶瓷的需求巨大，预计到2020年全球电子陶瓷需求将突破400亿美元。电子陶瓷是先进陶瓷中最成熟的技术产品，占先进陶瓷市场份额的65%。主要用于芯片、电容、集成电路封装、传感器、绝缘体、铁磁体、压电陶瓷、半导体、超导等。主要材料有钛酸钡、氧化锌、钛锆酸铅、铌酸锂、氮化铝、二氧化锆和氧化铝等。

2.2.2纳米陶瓷膜

纳米陶瓷膜产生于21世纪初，是氧化树脂的氧化物，利用光谱筛选的隔热原理，用最先进的纳米技术与优越的喷溅技术制造生产而成。将1米的10亿分之一的纳米陶瓷物质，均匀涂层在高透明、高品质的聚酯薄膜上，就制成了世界上最先进的能够具有光谱选择性，只筛选可见光的纳米陶瓷隔热膜。纳米陶瓷膜具有分离效率高、效果稳定、化学稳定性好、耐酸碱、耐有机溶剂、耐菌、耐高温、抗污染、机械强度高、膜再生性能好、分离过程简单、能耗低、操作维护简便、膜使用寿命长等众多优势，并且对GPS信号无任何屏蔽作用。纳米陶瓷隔热膜是21世纪的航天领域高科技产品，该产品起先应用于美国军事、航空、航天领域，如美国航天飞机表面的蜂窝陶瓷涂层等。

2.2.3生物陶瓷

生物陶瓷是指直接作用于人体或者与人体相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料，广义讲，凡属于生物工程的陶瓷材料统称为生物陶瓷。作为生物陶瓷材料应具备以下功能：代替人体内有病的或损伤的部分，作为人体先天性缺损部分的代用品，有助于人体内组织的恢复。生物陶瓷类材料在封闭性、粘结性、生物组织相容性、促进生物矿化和诱导成牙本质分化等性能上有显著优势，但它也存在凝固时间长、促进牙髓-牙本质再生的能力有限等问题。且其强碱性在诱导牙髓组织形成牙本质桥的同时会引起一部分组织坏死，而这部分坏死的组织会始终保留在形成的钙化桥中导致其形态缺陷，产生微渗漏。近年来，生物活性分子在第三期牙本质形成过程中发挥的重要作用逐渐被发现，如转化生长因子-β超家族的生物活性分子（转化生长因子-β1、成纤维细胞生长因子-2和牙本质基质蛋白-1等）能在较轻的炎症反应初期诱导第三代牙本质形成。然而，单独使用生物活性分子時，给药方式受到限制，难以维持局部有效浓度和长期效果，临床应用成本较高等缺点限制了它们在临床的应用。有学者将生物陶瓷类材料负载具有生物活性的小分子物质形成缓释系统后用于活髓保存治疗，如载转化生长因子-β1/血管内皮生长因子的硫酸钙/羟基磷灰石半水化合物、载辛伐他汀的中空羟基磷灰石等。未来，在强化新型生物陶瓷材料生物学性能的同时，应进一步研究复合生物活性材料盖髓剂。

2.3光学薄膜的应用

光学薄膜的理论学科是以光的干涉效应的薄膜光学为基础的，研究光在层状介质中的传播方式。一排光波照射在透明薄膜上，两列光波分别从薄膜的上下表层或前后表层反射，两列相干光波相互叠加最终形成干涉反应。该理论能够准确地描述光在数十微米层、纳米层甚至原子层厚膜中的传播行为，从而能够设计出不同波长、不同性能、适应不同要求的光学薄膜元件。光学薄膜在平时随处可见，从精密的光学仪器、显示器件到我们生活中的很多应用。如果没有光学薄膜技术作为其发展的基础，现代光电、通信或激光技术将无法取得进步，这也说明了光学薄膜技术的研究和发展的重要程度。

参考文献

[1]王昊哲.材料化学工程的应用与发展趋势探析[J].石化技术，2018，2511：325+332.

[2]李晓娜.材料化学工程的应用及发展趋势研究[J].云南化工，2018，4503：5-6.

作者简介：付会兵，浙江工业大学，生物工程专业，硕士学历，现主要从事生物材料及生物传感器的研发工作。