試析材料化工在材料科學與產業化中的地位和作用

摘 要：新材料是近年來發展較為迅速的行業，同時也是國家大力支持的領域。本文基于材料制備方法分析，從材料化工與材料化學的內在聯系入手，探討了材料化工在材料科學與產業化中的地位和作用，對于指導材料化工和材料科學的發展具有重要意義。

關鍵詞：材料化工;材料科學;產業化

1 引言

材料是人類社會不斷發展的物質基礎，現代技術的發展與新材料的發展和應用有著密切的聯系。近年來，國內外高技術企業在新材料和元器件多樣化、產業化方面取得了較為明顯的成果。作為化學工程與材料工程的交叉學科，材料化工的主要目的是解決化工工藝從實驗室向工業化生產轉變、工業化流程設計和放大中試等問題，最終為化工生產企業提供整套生產技術。

2 材料制備方法分析

現階段主要的材料制備工藝分為化學方法和物理制備兩大類，部分研究人員也提出了化學與物理相結合的材料制備工藝路線。化學法制備在高性能聚合材料、高分子材料中，金屬材料和無機材料的制備中應用較多的是物理方法。

2.1 化學制備法

（1）液/固相反應。該方法又可細分為噴霧法、沉淀法、水熱法、水解法、膠體化學法和溶劑揮發分解法等多個類型。

（2）氣/固相反應。應用較多的氣/固相反應包括蒸發凝聚法，在低壓氣體、等離子體、流動油面等較多使用;氣相反應法常常用于金屬氯化物、金屬有機物和含氧氰化物的反應制備中。

2.2 物理制備方法

機械粉碎法高速旋轉沖擊剪切粉碎機、噴射粉碎機、球磨機、研磨機、介質攪拌粉碎機;氫脆性法;超聲波法;電火花、爆炸法。

3 材料化工在材料科學與產業化中的地位和作用

材料化工在材料科學與工業中占有特殊地位。正如“化學工程前沿”中指出的那樣，新材料產業向其他化學工業“依賴于化學工程師使制造工藝適應產品要求及將產品設計與工藝設計一體化，這正是其成功的重要原因之一”道出了材料化工的地位和作用。從材料科學與工程的發展及商品化的材料發展過程中，對材料化工的要求即材料化工的作用可歸納如下。

3.1 計算機輔助設計

在材料組成日趨復雜、材料功能更加多樣的時代背景下，使用計算機的高算力輔助完成材料設計非常有必要。現階段，國內的科研院所和相關科技企業已經著手建立大型材料數據信息系統，在材料結構、成分、工藝等多個細分領域開展研究，并深度融合計算機信息系統，將大型實驗數據集合輸入系統中，發現了諸多之前沒能得到的規律。同時，該種方式能夠大大降低試驗次數、實驗人工和材料的占用，降低了材料化工的資金投入，提升工作效率。

3.2 生產工藝與產品設計相結合

材料化學工程技術人員通過將加工制造工藝和工藝設計結合起來，實現了制造工藝與產品要求相適應的目的，并進一步優化了材料合成的過程控制，增加成品產出率，提升了制備過程的可靠性。例如在電子和光子記錄材料的制備中，通過生產工藝與產品設計相結合，將原本分散的操作步驟整合到一起。

3.3 合成與加工一體化

在傳統的化工概念中，材料合成與加工是相對獨立的兩個領域，但是新材料的發展要求盡可能提升產品生產和迭代的速度，在此背景下，材料化學工程人員提出了合成與加工一體化的發展思路，以化學工程為媒介，在材料合成過程中，引入初級加工的內容及要求，得到功能和結構更加多樣和科學的產品。

3.4 生產和制備放大

在物理制備和化學制備新材料的過程中，都設計物能量、物質和動量的傳遞，與此同時，在化學反應過程中要求質量穩定、均勻，這就是傳統材料制備中要求的“三傳一反”條件。這種條件在實驗室內能夠較為容易的滿足，但是想要實現產業化生產和批量生產，放大生產過程是一個較難解決的問題。現階段實驗室內、或者是科研論文領域的新材料非常多，但是能夠實現產業化生產和工業應用的只是其中的一小部分。在材料化學的研究中，應投入更多的資源和資金，開展工程放大研究。

3.5原材料純度不斷提升

隨著材料化學的不斷發展，對于高純度材料的需求也逐漸提升，對參與反應的成分要求也更加嚴格，超純和超高純度物質越來與更多的應用于材料化學工程中。為此，研究能夠應用于材料化學的超純分離技術，低成本、快速的從自然資源中獲取原材料，是材料化學進一步發展的基礎要求之一。

3.6 過程控制

借助于材料化學的計算方法，材料科學工程人員能夠獲取更多的考察方法和技術，為先進技術在問題解決中應用提供了更多的選擇。部分研究人員提出使用在線模擬優化控制手段，更加便捷的實現操作過程，同時質量控制更加精確。與此同時，還可借助于高靈敏度的傳感器，實時監測生產過程，并分析各種工況條件下的物質反應過程和化學組成，提升了材料制備的效率。優化和提升過程控制能力，一方面有利于實現材料合成和加工質量的控制，為材料科學產業化發展提供支撐，另一方面，能夠有效降低殘次品的出產率，提升合成和加工的經濟效益，為材料工程企業帶來更多的經濟效益。

3.7 生產系統優化

材料化工中的生產系統化主要是器材和材料的系統化，實質上是非化學反應過程和化學反應過程的優化組合。材料化學工程師是實現優化組合，使之達到應用單位和使用單位要求的主體。材料化學工程師通過研究新的化工單元，并從全系統角度，優化和評估質量、能耗、成本和效率等影響因素，最終得到有競爭力的化工商品。與此同時，還可以借助于數學模型和模擬計算，一定程度上替代室內試驗和中試試驗，大大降低環境污染和稀缺資源的占用，是綠色化學的發展方向之一。

4 結語

結合上文的分析，材料化工在材料化學的發展中占據重要地位，未來材料化工的發展應加強以下幾方面工作，首先是增強材料科學工程化基礎研究，尤其是在新材料微觀結構和反應容器的研究領域，超純分離技術和界面/表面化學技術;其次是建立和完善效率更高的轉化系統，新材料領域的迭代和更新速度非常快，這就要企業更快的完成材料化工從設計到中試直至產業化的過程;最后，國家應出臺扶持政策，支持和引導企業建立材料化工示范工程，推動材料化工產業化發展，并加強基礎人才的培養和培訓工作。

參考文獻

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作者簡介：劉建軍（1987.10—）;性別：男，民族：漢，籍貫：山東省沾化縣，學歷：本科;現有職稱：助理工程師;研究方向：化工工程。