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探讨化学材料的发展与展望

作者2019-03-25 11:12未知

化学材料是人们制造工具的物质来源,也是人类生产和生活的基础。材料科学技术就是研发各种材料的种类和性能,然后将其运用到人类生产和生活中,推动生产力的提高和人们生活水平的提高,人类历史也可称之为材料发展史。

  化学材料的发展历史

  材料是人们生产和生活的基础条件,历史学家经常把材料作为划分时代的依据。在人类出现的最早时期,生产水平极为低下,人们都是寻找天然石块磨制成石器聊以生存,被后人称为石器时代。后来因为开始使用金属铜和铁,人们相继进入铜器时代铁器时代。资本主义革命结束后,机器开始被大规模地使用,人类进入钢铁时代1920 年以后,化学合成工业得到发展,大批的高分子化合物被合成,很快就遍布人类生活的每个角落,于是又进入了高分子时代。现在很多新兴技术都需要用到性能特殊的材料,科学家就将古代的陶瓷进行变革,研制出精密陶瓷材料,我们即将面临新陶瓷时代。从人类诞生到1920 年之前,人们都是在观察中对材料产生认识,创造和使用的都是比较单一的材料。近些年来,因为物理学和化学的发展,再加上计算机和电子技术的进步,人们对材料的认识从宏观阶段过渡到微观阶段,从晶粒、分子和原子的角度去分析材料的结构与性能,尤其是超高温、超低温、强磁场和高真空等条件,让人们能够从本质上认识材料的物理和化学性能。

  材料科学是一门综合性学科,一方面需要利用多种学科理论和成果去解决科学研究问题,另一方面它研究的问题本身就自带综合性,是从各种材料制造和应用中提取的。材料科学与多种学科都存在一定的联系,是多种学科和技术互相结合形成的产物。它涉及到物理、化学和力学等学科知识,而材料科学的发展,又可以带动这些学科的进步,为其提供研究课题和资料。总结起来就是一句话:材料科学与多种学科互相联系、共同发展。

  化学材料的未来展望

  世界将要面临一场新的技术革命,而新兴技术的核心物质就是新材料。新技术要想发展就需要新材料,从而促进了新材料的不断发展,而新材料的发展又促进了新技术的革新。此外,军事工业的国际竞争形势激烈,这也是促进新材料发展的一大因素。现代战争就是科学技术之间的较量,也就是新材料的主战场。在经济实力和战斗力相近的情况下,谁的新材料和新技术更具优势就可以胜出。现代技术的发展为新材料的发展奠定了基础,材料发展历经简单到复杂、宏观到微观和经验为主到知识为主三种过程。近几十年来,材料结构和功能又得到深度开发,利用新技术可以弥补材料中的缺陷和不足,进一步完善了制备工艺和手段。新技术的革命引发了新产业革命,这也意味着新材料给新技术出了一个更大的难题,红外技术、激光技术、电子技术和能源开发等新型技术对材料也提出了更高的要求,为了成功解决这些难题,材料科学正在逐步向多质合成、超级工艺和分子设计等方向发展。

  分子设计主要是为了满足生产和生活的需要,综合运用了物理、化学、数学和生物等理论知识,再加上激光、计算机和电子等技术,辅以先进测试仪,用来研究材料的性能,或者利用原子理论预测材料在未来可能具备的性能,并根据需求设计新的分子和才俩。如果这项技术能够得到完善,就可以颠覆材料的研制方法,让材料科学进入一个全新的时代。而复合材料是材料发展的重点内容,主要包括金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材料和树脂基高强度材料。表面涂层则是另一种复合材料,其适用范围广,且经济实用,拥有广阔的发展前景。多质复合材料是采用有机和无机法合成的,能够制造出耐热、耐腐蚀和使用寿命长的材料,已经取代了钢铁等金属,一跃成为新型结构材料。这些材料的不同质类主要体现在结构上,打破了单一材料的局限,通过扬长避短提升了性能。信息功能材料主要是增加材料品种、提升性能,主要包括半导体、红外、液晶和磁性材料等,这是信息产业发展的基础。生物材料拥有更广阔的应用领域,其一是生物医学材料,可用于修复人体器官、组织或血液;其二是生物模拟材料,譬如反渗透膜。低维材料具备体材料没有的性质,例如零维的纳米金属颗粒是电的绝缘体,采用纳米制成的陶瓷具有较强的韧性和塑性,一维材料有有机纤维和光导纤维,二维材料有金刚石薄膜和超导薄膜,这些材料的应用前景一片光明。

  材料科学的另一个发展方向是利用新科技改变材料的使用方法和制造手段,对传统材料进行加工重新利用,让新型材料拥有特殊的功能,以达到生物、能源、通信和航空等领域的需求。目前新材料领域出现了一门新学科———高分子智能材料,主要是通过有机合成法,让没有生命力的材料变得有生机。这种材料已经得到应用,也成为各国的新研究课题,不久的将来应该会进入我们的生活当中。此外,建立材料系统工程,建设好材料信息网,合理使用各种材料,将材料、环境和能源三者平等视之,以达到节约能源和保护环境的目的,这也是材料技术亟需解决的问题。

  结论

  材料是人类进步发展的重要基础,从古至今都陪伴着人类的发展,如今的21 世纪更是异常推崇材料。工业、军事、航天和能源等多个领域都需要材料的帮助才能不断发展,化学材料的发展与展望也成为科技人员的关注对象。相信在科学技术的带领下,材料科学也会不断进步、不断完善。

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