浅谈材料化学及其应用

浅谈材料化学及其应用

材料化学，顾名思义，是与材料相关的化学学科的一个分支。材料是具有使其能够用于机械、结构、设备和产品的性质的物质。材料与化学试剂不同，后者在使用过程中通常被消耗并转化成别的物质，而材料则一般可重复持续使用，除了正常消耗以外，它不会不可逆的转变为别的物质。化学则是关于物质的组成，结构和性质以及物质相互转变的研究。显然，材料科学和化学的对象都是物质，前者注重的是宏观方面，而后者则关注原子和分子水平的相互作用。材料化学正是这两者结合的产物，它是关于材料的结构、性能，制备和应用的化学。

材料一般按其化学组成，结构进行分类。通常可把材料分成金属材料，无机非金属材料，聚合物材料和复合材料四大类。此外，随着材料科学的迅猛发展，各种不同功能和用途的新材料层出不穷，因此，材料也可以按功能或用途划分为导电材料，绝缘材料，生物医用材料，航空航天材料，能源材料，电子信息材料。感光材料等。

金属材料是人类认识和利用较早的材料之一,金属材料最为常见的结构形态为晶型结构,金属原子在一定介观空间内按一定周期排列,比较典型的有体心立方(BBC)、面心立方（FCC）和六方密堆(HCP)晶型。

由于纯金属性能的局限性，不能满足各种使用要求。所以目前使用的金属材料绝大多数是合金。例如，最普通的碳钢和铸铁就是由铁和碳所组成的铁碳合金。合金在固态下可以形成均匀的单相合金，也可以是由几种不同的相组成的多相合金，合金中的相识多样的，但它们可以归纳为混合物合金、固溶金合金和金属化合物合金等基本类型。

多数工业合金均为固溶体和少量化合物构成的混合物，通过调整固溶体的溶解度和其中化合物的形态、数量、大小及分布，可使合金的力学性能在一个相当大的范围内变动，从而满足不同的性能要求。

随着金属材料在各个领域的延伸应用，以及金属材料与其他学科的日益交叉渗透，金属作为一类较为基础的材料，其”粗重”的形象正在逐步发生改变，越来越多特殊结构或特定功能的金属材料得到研究发展，其应用价值也逐步提升。

无机非金属材料一般定义为以某种元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐我为主要组成的无机材料。天然石材、陶器制品等均属无机非金属材料。无机非金属材料的定义目前尚不严密，概念的外延不断扩大，可以近似理解为除了有机高分子、金属材料以外的所有材料。大致包括陶瓷、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料以及新型无机材料等，通常分为传统（普通）无机非金属材料和新型（特种）无机非金属材料两大类。

普通无机非金属材料是以硅酸盐为主要成分的材料，包括一些生产工艺相近的非硅酸盐材料，如碳化硅、氧化铝陶瓷、硼酸盐、硫化物玻璃、镁质耐火材料和碳素材料等。这一类材料通常生产历史悠长、产量较高、用途也很广。普通无机非金属材料大多具有耐压强度高、硬度大、耐高温、抗腐蚀的特点。此外，水泥在胶凝性能上，玻璃在光能性能上，陶瓷在耐蚀、介电性能上，耐火材料在防热隔热性能上都有其优异的特性，为金属材料和高分子材料所不及。但与金属材料相比，其抗断强度低、缺少延展性，属于脆性材料。与高分子材料相比，密度较大，制造工艺较复杂。

新型（特种）无机非金属材料主要是指近20世纪以来发展起来的、具有特

殊性质和用途的材料，如压电、导体、半导体、磁性、超硬、高强度、超高温、生物工程材料以及无机复合材料等。

高分子材料也称为聚合物材料，它是以高分子化合物为基体，再配有其他添加剂所构成的材料。高分子材料包括天然高分子材料，如棉、麻、丝、毛等；由天然高分子原料经过化学加工而成的改性高分子材料，如黏胶纤维、醋酸纤维、改性淀粉等；以及由小分子化合物通过聚合反应合成的高分子材料，如聚氯乙烯树脂、顺丁橡胶、丙烯酸涂料等。

聚合物主要用作材料，根据材料性能和用途，将聚合物分成塑料、纤维、橡胶三大类。此外还有涂料、黏胶剂、离子交换树脂等。聚合物作为结构材料广泛地应用于工业中的材料，称为“工程塑料”。

根据国际标准化组织为复合材料所下的定义，复合材料是由两种或以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合材料各组分之间取长补短，极大地弥补了单一材料的缺点，产生单一材料所不及的新性能，刚度、强度、耐热性等性能大幅度提高，比重降低，其他机械性能以及声、光、电、磁等功能性质的改善，都有可能通过基础材料间的有效复合来获得。复合材料的出现和发展，是现代科学技术不断进步的结果，也是材料设计方面的一个突破。它综合了各种材料如纤维、树脂、橡胶、金属、陶瓷等的优点，按设计、复合成为综合性能优异的新型材料。

材料化学既是化学学科的一个分支，又是材料科学的重要组成部分。材料化学已渗透到现代科学技术的众多领域。

材料化学在生物领域中的应用：

材料化学和医药学多年来协调努力，并取得了巨大的进步。材料可植入人体作为器官湖组织的修补或替代品，但材料进入人体内，就有可能涉及生物过程和反应，引起不良反应。为此，必须从结构和组成上对材料进行改性，使其具备良好的生物相容性。通过材料化学与生物学的配合，研发出特殊用途的金属合金和聚合物涂层，以保护人体组织不与人工骨头置换体或其他植入物相排斥。现在，已经有很多生物医用材料可以植入人体并保持多年无不良影响。此外，材料化学对于生物应用中的分离技术也产生了显著影响，如人造肾脏、血液氧合器、静脉过滤器以及诊断化验等。生物相容高分子材料已在药物、蛋白质及基因的控制释放方面获得应用。现在，人们正进行大量的研究，以开发用于医学诊断的新材料。将来，材料化学的研究可能会涉及原位药物生成、类细胞系统等。可以肯定，得益于材料化学最新进展的新型传感器将会对人类健康产生极大的帮助。

材料化学在电子信息领域的应用：

先进的计算机、信息和通信技术离不开相关的材料和成型工艺，而化学在其中起了巨大的作用。现代芯片制造设施基本上是一个化学工厂，在这个工厂里，通过使用化学过程，如光制抗蚀剂、化学气象沉积法、等离子体刻蚀，简单的分子物质转化成具有特定电子功能的复杂三维复合材料。两个令人振奋的未来方向是电子及光学有机材料的相互渗透，以及通过光子晶格对光进行模拟操控，就如我们现在对电子操控那样。材料化学将会激活一个新领域的发展，一个可能的例子就是光子电路和光计算的产生。

材料化学在环境和能源领域的应用:

基本化学研究创造了基础,使关键技术能够造福于大众的健康和生活水准.为了既提高生活质量又能同时改善环境质量,必须通过多方面进行努力,其中包括材料化学.随着世界人口的持续增长和生活水平的提高,发展中国家对环境的关心也