化学与新材料

化学与新材料

材料的发现、发展和作用是人类文明的标志，从远古的石器时代、青铜器时代到近代的铁器时代，新材料在人类文明进程中都扮演了重要的角色，特别是近代科学的诞生，大大促进了材料科学与技术的发展，现代化的建设，一靠材料，二靠能源，三靠信息。而能源又离不开材料，不仅是能源本身需要材料，而且能源的利用也需要材料。

一、无机非金属材料在化工、国防领域的突出贡献。

硅材料就是这样一种至关重要的材料。原先的硅材料指的是砖瓦、日用陶瓷、窗玻璃、建筑水泥等传统的硅酸盐材料。可是到了今天的硅酸盐，其含义已发展成为广义的硅酸盐，包括了单一元素的无机非金属材料，也包括了无机化合物材料，又包括了无机盐类材料，以及复合盐类材料，如锆、钛酸盐、铌钽酸盐等。它们的组成、结构与性能诸方面，特别是在用途方面，与传统的硅酸盐材料大不相同，成为新型硅酸盐材料。为了便于区别，新型硅酸盐材料又称无机材料。硅酸盐材料的应用行业涵盖了矿物、化工、食品医药、轻工、农业、新材料建筑、冶金等，涉及粉体颗粒加工设备、过滤分离、干燥、运输系统、测试计量仪器等。在我们的日常生活中，经常接触到一些硅酸材料，陶瓷就是其中之一。

紧接着我们把目光拉向不容忽视的新生军——碳纳米材料。碳纳米管的性能优于当前的任何纤维，它既具有碳纤维的固有性质，又具有金属材料的导电导热性，陶瓷材料的耐热耐蚀性，纺织纤维的柔软可编性，以及高分子材料的轻度易加工性，是一种一材多能和一材多用的功能材料和结构材料，与高分子材料复合时，会形成完整的结合界面，得到性能优异的复合材料，表现出极好的强度、弹性、抗疲劳性、抗静电性、吸收微波性等优异性能。碳纳米管复合材料的优异性能可使其广泛应用于塑料、电磁屏蔽材料、合成纤维等诸多行业。

基于碳纳米管的优良力学性能可以将其作为结构复合材料的增强剂。初步研究表明，环氧树脂和碳纳米管之间可以形成数百兆帕的界面强度。也可作为金属的增强材料来提高金属的强度、硬度、耐摩擦、磨损性能以及热稳定性等。在适当的淬火工艺下，碳纳米管复合材料的硬度可达到HRC65，比相同工艺下的普通铁碳合金的硬度高出5~10HRC。

在高分子材料中只要加入少量的碳纳米管，其电阻将会降低3个数量级以

上，使其具有抗静电功能。因而，碳纳米管可用于静电消除材料。碳纳米管用于电子设备外壳可消除外部静电对设备的干扰，保证电子设备正常工作。将碳纳米管均匀地扩散到塑料中，可获得强度更高并具有导电性能的塑料，可用于静电喷涂材料。且碳纳米管有较大的长径比，在塑料熔体中有相互缠结成三维网络结构的趋势，用量在质量分数约2%时，塑料具有良好的导电性，因而不会影响塑料的模塑性、强度和表面光洁度及其它性能。目前高档汽车的塑料零件由于采用了这种材料取代原用的工程塑料，简化了制造工艺，降低了成本，并获得形状更复杂、强度更高、表面更美观的塑料零部件。

碳纳米管具有较强的宽带微波吸收性能、重量轻、导电性可调变、高温抗氧化性能强和稳定性好等优点，因而它是一种有前途的理想微波吸收剂，可用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。由于碳纳米管的纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，所以纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，大大减少了波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用。另外，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3-4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用，可用于隐形飞机等电子武器装备。

另外，碳纳米管经化学修饰后与聚合物共混纺制的纳米管复合纤维不仅具有导电性和抗静电性，而且其强度和模量远高于现有的合成纤维，可应用于刀枪不入的防弹背心和装甲。

二、化学与生物技术日益密切的联系

现在还有一种新型陶瓷叫生物陶瓷它是指与生物体或生物化学有关的一类陶瓷。它包括精细陶瓷、多孔陶瓷、某些玻璃和单晶。根据使用情况，生物陶瓷可分为与生物体相关的植入陶瓷和生物化学相关的生物工艺学陶瓷。前者植入体内以恢复和增强生物体的机能，是直接和生物体接触使用的生物陶瓷。后者用于固定酶、分离细菌和病毒以及作为生物化学反应的催化剂，是使用时不直接与生物体接触的生物陶瓷。植入陶瓷又称生物体陶瓷，主要有人造牙、人造骨、人造心脏瓣膜、人造血管和穿皮接头等。植入陶瓷必须具有以下特征：一要与生物体的亲和性好，即植入的陶瓷被侵蚀分解的产物无毒，不使生物细胞发生变异坏死，

不会引起炎症生长肉芽等；二要在体内有长期功能，且可靠性高，即在10~20年的长期使用中，不会降低强度，不发生表面变质，对生物体无致癌作用等；三要易于在短期内成形加工；四要容易灭菌。陶瓷不同于金属，它具有强共价键性质，即使在生物体内苛刻的化学条件下，也具有良好的化学稳定性，排异反应迟缓，具备长期使用的机械性质。与有机高分子材料相比，生物体陶瓷耐热性好，便于进行高压灭菌。

生物工艺学陶瓷主要应用的有多孔玻璃和多孔陶瓷。多孔玻璃用作固定酶的载体；多孔陶瓷可用于细菌、病毒、各种核酸、氨基酸等的分离和提纯，还可用于处理生活用水。总之，随着人类社会和科学技术的发展，新型的无机材料将会有更为广泛的用途，也会有更多的品种有待被我们开发。

三、化学新材料在航天领域的广阔前景

推进剂是能使推进装置产生推动力的物质。常用的推进剂有化学推进剂，核能推进剂，电能推进剂和太阳能推进剂。它们分别利用化学能，核能，电能或太阳能加热、加速工质液体，使其高速排出，产生使飞行器上天的推动力。

化学推进剂是为火箭发动机提供能源和工质的化学制剂，通常含可燃物和氧化剂。可燃物在发动机燃烧室内燃烧，放出化学能。燃烧后产生的高温、高压气体通过喷管喷出，产生反作用力推动飞行器上天。化学推进剂分成液体推进剂、固体推进剂、混合推进剂、胶体推进剂。例如：煤油 /液 O 、液 H /液 O 、偏二甲肼 /四氧化二氮为液体推进剂。聚硫橡胶 /高氯酸铵、端羧基聚丁二烯 /高氯酸铵 /铝粉为固体推进剂。目前，国内外火箭、导弹都以固体或液体化学推进剂为动力，但它们各有优缺点。固体推进剂无需贮箱和输送系统，燃料和氧化剂混合后贮放在燃烧室内，点火即燃，一次用完。液体推进剂分别放在氧化剂箱和燃料箱内，工作时由输送系统送入燃烧室，输送速度可调节。固体推进剂密度大，易贮存和运输，使用维护方便，但固体推进剂比冲比冲是单位质量1000g推进燃烧所产生的冲量，是火箭发动机的推力与推进剂单位时间质量消耗量之比。冲量是发动机推力对工作时间的积分值，因此发动机冲量决定于推力大小和工作时间的长短，是综合评定火箭发动机性能的重要参数之一。它直接影响导弹或火箭的有效载荷和飞行距离低，且不能调节燃速，不能多次启用。液体推进剂比冲高，能在导弹飞行过程中调节推力，能多次启用，但液体推进剂密度小，易燃，易爆，