| 中國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)增長(zhǎng)空間巨大
據(jù)悉，工信部協(xié)同多部委共同編制的《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，將于今年8月發(fā)布實(shí)施。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前新材料產(chǎn)業(yè)約占我國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的15%，預(yù)計(jì)年增長(zhǎng)速度保持在20%以上。數(shù)據(jù)顯示，目前，全球新材料市場(chǎng)規(guī)模每年已經(jīng)超過(guò)4000億美元，而由新材料帶動(dòng)產(chǎn)生的新產(chǎn)品和新技術(shù)市場(chǎng)則更為廣闊，年?duì)I業(yè)額突破2萬(wàn)億美元。2010年，中國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)800億元；相關(guān)專家指出，至2015年，這一數(shù)值將達(dá)到2000億元左右，增長(zhǎng)空間巨大。
材料是人類社會(huì)生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，材料創(chuàng)新則是科技進(jìn)步的集中體現(xiàn)。如今，新材料的研發(fā)水平及成果轉(zhuǎn)化規(guī)模正逐漸成為衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步的重要標(biāo)志。材料與化學(xué)之間有何關(guān)系？聚合物材料、復(fù)合材料以及納米材料等新材料有何優(yōu)勢(shì)？當(dāng)前的研發(fā)、運(yùn)用現(xiàn)狀如何？帶著這些問(wèn)題，記者采訪了北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院隋剛教授。
———— 專家解讀 ————
控制化學(xué)反應(yīng)，合成新材料
“不同的材料擁有不同化學(xué)組成，即便是化學(xué)元素相同，因其原子排列、分子構(gòu)象發(fā)生變化，也會(huì)形成物理性質(zhì)完全不同的材料。因此，材料與化學(xué)是兩個(gè)密切相關(guān)的學(xué)科。從化學(xué)成分角度可以將材料劃分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料以及有機(jī)高分子材料。隨著材料研究水平的提高，人類早已超越天然材料時(shí)代，進(jìn)入了合成材料時(shí)代。”隋剛教授首先概括介紹了材料與化學(xué)之關(guān)系。
接著，隋剛教授進(jìn)一步解釋說(shuō)：“如今，材料與化學(xué)的關(guān)系日益密切，利用化學(xué)手段，可以設(shè)計(jì)新的分子結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制化學(xué)反應(yīng)過(guò)程合成出新材料，滿足人類社會(huì)發(fā)展和生活水平提高的需求。其中有機(jī)高分子材料，也稱作聚合物，就是一類最重要的合成材料，它是由許多個(gè)單體分子經(jīng)聚合反應(yīng)而成的。”
利用化學(xué),“改造” 聚合物材料
塑料、橡膠、合成纖維……我們的生產(chǎn)與生活早已離不開(kāi)這些常見(jiàn)的聚合物材料。而它們的研發(fā)與應(yīng)用，離不開(kāi)化學(xué)學(xué)科的貢獻(xiàn)。
根據(jù)聚合物分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，可以把有機(jī)高分子材料分為熱塑性和熱固性兩大類。熱塑性聚合物在適當(dāng)溶劑中可以溶解，加熱到一定溫度能夠熔化流動(dòng)，可以反復(fù)加工成型，主要在室溫或較低溫度下使用，如尼龍、聚苯乙烯等。而熱固性聚合物，如環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂等，在成型前是可溶可熔的，但經(jīng)過(guò)化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)就變?yōu)椴蝗懿蝗鄣墓腆w，即使加熱至碳化也不會(huì)再軟化。一般來(lái)說(shuō)，熱固性材料的模量和耐熱性要優(yōu)于熱塑性聚合物，但韌性較差。
化學(xué)是怎樣“改造”聚合物材料的呢？隋剛教授解釋說(shuō)：“為了讓聚合物材料擁有更優(yōu)異的綜合性能，可以采用化學(xué)方法進(jìn)行性能改進(jìn)。例如，在高分子鏈中引入芳環(huán)結(jié)構(gòu)，能夠有效提高熱塑性聚合物的模量和耐熱性，聚芳砜（PASF）、聚苯硫醚（PPS）等熱塑性聚合物的熱變形溫度可以達(dá)到250℃以上。而在熱固性聚合物中，通過(guò)引入不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的固化劑進(jìn)行交聯(lián)，也可以使材料的模量和韌性得到調(diào)節(jié)。”
改變化學(xué)結(jié)構(gòu)，催生復(fù)合材料
隨著科技和工業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料性能的要求不斷提高，單一化學(xué)結(jié)構(gòu)的材料已無(wú)法滿足某些使用需求，復(fù)合材料越來(lái)越得到人們的重視。由于復(fù)合材料可以將不同化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)的材料組分結(jié)合在一起，發(fā)揮各自的性能優(yōu)勢(shì)，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足高性能和特殊功能要求，因而受到材料研究專家的高度重視，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展。
在航空、航天、能源、交通、軍事和體育等領(lǐng)域，有著高強(qiáng)度、高模量和耐高溫性能的先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)揮著不可替代的作用。
隋剛教授以樹脂基復(fù)合材料為例，對(duì)復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)單說(shuō)明：“這是技術(shù)發(fā)展比較成熟，使用范圍最廣泛的一類復(fù)合材料，一般是由短切纖維、連續(xù)纖維及其織物增強(qiáng)熱固性或熱塑性聚合物基體而成。
在航空方面，碳纖維樹脂基復(fù)合材料在減輕結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)效率、改善結(jié)構(gòu)可靠性、延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命方面，具有其他材料無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)是應(yīng)用于A380、波音787等飛機(jī)的主結(jié)構(gòu)材料。
在航天方面，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、液體燃料貯箱、儀器艙段、衛(wèi)星整流罩等重要部件也都是由復(fù)合材料制造的。而風(fēng)能和核能發(fā)電設(shè)備、輕量化汽車、體育休閑用品等更是離不開(kāi)復(fù)合材料的身影。此外，在集成電路、電磁屏蔽、隱身材料以及生物組織工程等方面，復(fù)合材料同樣大有可為。”
有機(jī)化學(xué)修飾，帶來(lái)納米材料領(lǐng)域新進(jìn)展
材料科學(xué)發(fā)展到今天，納米材料越來(lái)越多地得到人們的關(guān)注。納米粒子具有許多不同于常規(guī)固體的新奇特性，而且，僅用少量的納米填料就可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料性能的提高。因此，納米材料領(lǐng)域受到不少?gòu)?fù)合材料研究人員的重視與青睞。不過(guò)，由于碳納米管和碳納米纖維等一維納米材料在聚合物基體中易團(tuán)聚、界面粘結(jié)差，難以發(fā)揮性能優(yōu)勢(shì)，這讓不少研究者都頗為傷神。針對(duì)此項(xiàng)難題，隋剛教授進(jìn)行了多年研究，終于有所收獲。
“我們對(duì)碳納米材料表面進(jìn)行了有機(jī)化學(xué)修飾，并通過(guò)與特殊化合物的力化學(xué)反應(yīng)及后處理技術(shù)，得到液態(tài)的納米添加物。這種液態(tài)納米添加物在環(huán)氧樹脂等聚合物基體中不聚集不纏繞，易于分散，并具有適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)活性，能夠和環(huán)氧樹脂基體發(fā)生化學(xué)及物理結(jié)合，形成一種超分子結(jié)構(gòu)。”隋剛教授這樣說(shuō)。
當(dāng)問(wèn)到這種納米添加物與傳統(tǒng)工藝的簡(jiǎn)單混合以及普通化學(xué)接枝有何不同時(shí)，隋剛教授解釋道：“它消除了納米粒子對(duì)于環(huán)氧樹脂黏度的影響，能夠通過(guò)共價(jià)鍵鏈接在環(huán)氧樹脂分子鏈上，均勻分布在環(huán)氧樹脂交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之中，發(fā)揮增強(qiáng)作用。同時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)密度，改善材料韌性。此外，還可以降低環(huán)氧樹脂表面能，提高熱穩(wěn)定性，改善聚合物基體與碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維和超高分子量聚乙烯纖維等增強(qiáng)材料的界面黏接。通過(guò)碳納米材料和連續(xù)纖維的多尺度協(xié)同增強(qiáng)作用，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)納米復(fù)合材料的高強(qiáng)、高韌和良好的界面性能。”
■ 延伸閱讀
材料與化學(xué)的“雙重變奏史”
材料的每一次發(fā)展，都影響著科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的整體水平，并給人們的生活帶來(lái)巨大的變化。沒(méi)有半導(dǎo)體單晶硅材料就不可能有今天的微電子產(chǎn)品，沒(méi)有先進(jìn)復(fù)合材料也不可能有航空航天工業(yè)的飛速發(fā)展。
天然橡膠產(chǎn)品出現(xiàn)于19世紀(jì)初期，但由于它在炎熱天氣下會(huì)變軟，而在寒冷天氣下又會(huì)變脆，在實(shí)用性方面存在很大障礙。1839年發(fā)明的天然橡膠硫化技術(shù)解決了這一難題，化學(xué)促進(jìn)劑和穩(wěn)定劑的加入改善了天然橡膠存在的問(wèn)題，而這一基本方法現(xiàn)今仍在使用。
從20世紀(jì)20年代早期試驗(yàn)火箭的首次發(fā)射，到50年代的通信衛(wèi)星，再到80年代的可重復(fù)使用的航天飛機(jī)，人類在探索太空方面取得了驕人的業(yè)績(jī)。在這一過(guò)程中，化學(xué)技術(shù)提供了符合設(shè)計(jì)要求的材料。研制出來(lái)的鋁、鈦合金為飛機(jī)制造提供了強(qiáng)度高、重量輕、耐高溫和耐腐蝕的材料。隨著對(duì)碳纖維及復(fù)合材料研究的不斷深入，其技術(shù)和產(chǎn)品也逐漸進(jìn)入軍用和民用領(lǐng)域，如用作飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等人體代用材料以及用于制造火箭外殼、機(jī)動(dòng)船、工業(yè)機(jī)器人、汽車板簧和驅(qū)動(dòng)軸等。
在不遠(yuǎn)的將來(lái)，各種新型材料都有望得到研制開(kāi)發(fā)，比如可被隨意擠壓成形的凝膠材料、可以制作隱身斗篷的隱身材料、透光混凝土材料、氣凝膠材料等等。
■ 相關(guān)新聞
助力國(guó)際化學(xué)年，中科院院士揭秘分子世界
化學(xué)世界豐富多彩，分子世界更是充滿玄機(jī)。近日，中國(guó)科學(xué)院院士、化學(xué)研究所所長(zhǎng)萬(wàn)立駿做客中國(guó)科技館，介紹分子器件、化學(xué)反應(yīng)以及表面修飾等分子科學(xué)最新研究成果，與聽(tīng)眾一起探秘分子世界。
萬(wàn)立駿院士的報(bào)告從認(rèn)識(shí)分子世界的掃描隧道顯微技術(shù)開(kāi)始，該技術(shù)利用掃描隧道顯微鏡中的“探針”，探索分子世界的秘密，接觸分子科學(xué)的前沿；如果將其運(yùn)用于化學(xué)研究，在溶液中工作的話，則被稱為電化學(xué)掃描隧道顯微技術(shù)。在介紹了電化學(xué)掃描隧道顯微技術(shù)的結(jié)構(gòu)與工作原理之后，萬(wàn)立駿院士從認(rèn)識(shí)分子、分子世界的秩序、分子和分子伴侶以及讓分子運(yùn)動(dòng)四個(gè)部分出發(fā)，逐一做了簡(jiǎn)明扼要且深入淺出的闡釋。
分子是構(gòu)成物質(zhì)的微小單元，它是能夠獨(dú)立存在并保持物質(zhì)原有的一切化學(xué)性質(zhì)的最小微粒，在化學(xué)、物理、生物、材料等眾多學(xué)科的研究中都占有重要地位。需要注意的是，分子世界并非雜亂無(wú)章，而是按照一定秩序建構(gòu)起來(lái)的。比如，金剛石、石墨、富勒烯以及石墨烯、碳納米管等都是“碳家族”的成員，只是由于結(jié)構(gòu)、作用力等的不同，而呈現(xiàn)出不同的性質(zhì)。萬(wàn)立駿院士指出，在探究分子世界的秩序之時(shí)，分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變機(jī)理以及“手性現(xiàn)象”等值得關(guān)注。
此外，萬(wàn)立駿院士還引入了“分子伴侶”的概念，給體和受體通過(guò)分子間作用能夠形成雜化復(fù)合結(jié)構(gòu)。關(guān)于分子運(yùn)動(dòng)，在合適的條件控制下，通過(guò)有序的運(yùn)動(dòng)，能夠讓分子按照研究者的設(shè)想形成不同的形狀，如硝基苯分子的電化學(xué)反應(yīng)等。
講座結(jié)束后，萬(wàn)立駿院士與現(xiàn)場(chǎng)聽(tīng)眾互動(dòng)答疑。提問(wèn)的人中既有年長(zhǎng)好學(xué)的老者，又有意氣風(fēng)發(fā)的大學(xué)生，更有充滿好奇心的小孩子；涉及的范圍從化學(xué)的宏觀發(fā)展到實(shí)際應(yīng)用，以及納米技術(shù)、高分子材料等，萬(wàn)立駿院士對(duì)各個(gè)問(wèn)題一一進(jìn)行了詳細(xì)解答，并表示希望通過(guò)“國(guó)際化學(xué)年在中國(guó)”系列活動(dòng)的開(kāi)展，能夠有更多人“走進(jìn)科學(xué)，熱愛(ài)化學(xué)”，共同為化學(xué)事業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。 |
渝公網(wǎng)安備50010702500721號(hào)