材料科學(xué)與工程概述

催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2008.04.11《咨詢委員會(huì)講座》主要內(nèi)容一、材料的定義與分類二、所內(nèi)材料領(lǐng)域相關(guān)工作簡(jiǎn)介三、材料發(fā)展趨勢(shì)及建議材料的定義與分類材料與人類文明史石器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代新材料時(shí)代中國(guó)中東歐美050010001500180019001950199020001000500200030004000500060009000公元前石斧司母戊鼎滄州鐵獅子Intel雙核處理器電子材料先進(jìn)陶瓷復(fù)合材料軟材料…中國(guó)四大發(fā)明另一項(xiàng)重大發(fā)明：陶瓷（China

中國(guó)，china

瓷器）8000～9000年前，處于新石器時(shí)代的人類發(fā)明了用粘土成型，再火燒固化的陶器。目前，陶瓷材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于從航空航天到日常生活等許多領(lǐng)域。造紙術(shù)司南（磁性材料）火藥（含能材料）四大發(fā)明中三項(xiàng)直接與材料相關(guān)，活字印刷也與材料有關(guān)2006年9月，美國(guó)《金屬雜志》發(fā)起了評(píng)選材料科學(xué)與工程歷史上“最偉大的材料事件”活動(dòng),經(jīng)半年多輪的評(píng)選后,于2007年3月1日，美國(guó)礦物、金屬與材料學(xué)會(huì)的年會(huì)上，揭曉了評(píng)選結(jié)果。前50項(xiàng)“最偉大的材料事件”中，材料制備技術(shù)及工藝占17項(xiàng)，新材料和新器件的發(fā)明占12項(xiàng)，提出新原理、新規(guī)律與揭示新結(jié)構(gòu)、新現(xiàn)象占18項(xiàng)，先進(jìn)儀器設(shè)備的發(fā)明占3項(xiàng)。從此50項(xiàng)可以看出，古代材料與技術(shù)方面的重大事件大多出自中國(guó)、埃及、伊朗、印度和土耳其等東方國(guó)家，包括煉鐵術(shù)、煉鋼術(shù)、銅提取術(shù)及煉銅術(shù)、鐵鑄造技術(shù)、玻璃的發(fā)明等等。中國(guó)古代金屬業(yè)勞動(dòng)者開(kāi)發(fā)的鐵鑄造工藝和制陶藝人使用高嶺土制備首批精細(xì)陶瓷榜上有名。然而，近代材料發(fā)展中的重大事件（1900年后）幾乎全部由美、英、德等西方科學(xué)家與發(fā)明家包攬，表明西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家主導(dǎo)著近代材料科學(xué)與工程的發(fā)展。材料的分類（以成分）金屬：金，銀，銅，鐵，合金…非金屬：陶瓷（氧化物，氮化物，碳化物等）、玻璃、半導(dǎo)體、碳材料C60(1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng))

等。高分子：塑料（聚乙烯，聚苯乙烯等）、樹(shù)脂（酚醛樹(shù)脂等）、橡膠、有機(jī)光電子材料、有機(jī)信息材料等用于烯烴聚合的Zigeler-Natta催化劑(1963年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng))復(fù)合材料：包括不同組分的復(fù)合，具有不同結(jié)構(gòu)功能的材料天然復(fù)合材料(木材，竹子)鋼筋混凝土樹(shù)脂基復(fù)合材料(粘土聚合物復(fù)合材料)碳碳復(fù)合材料(2004年國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng))材料的分類（以晶相）晶體：內(nèi)部原子以規(guī)則，對(duì)稱并周期性重復(fù)排列的狀態(tài)存在的物體稱為晶體，晶體具有各向異性的特點(diǎn)。人們對(duì)材料晶相結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷漫長(zhǎng)曲折的過(guò)程：★古希臘人認(rèn)為水晶是硬化的冰，給水晶取名為“晶體”，希臘語(yǔ)中“因冷而凝結(jié)的意思”。★西漢時(shí)代《韓詩(shī)外傳》：“凡草木花五出，獨(dú)雪花六出”?！?/p>

1669年，N.Steno發(fā)現(xiàn)晶面角守恒定律。

E.Bartolins發(fā)現(xiàn)方解石的光學(xué)各向異性和可解理性?！?/p>

1774-1784年，R.J.Hauy提出晶胞的概念，認(rèn)為它是構(gòu)成晶體的基本單元。★十九世紀(jì)，A.Bravais提出空間點(diǎn)陣學(xué)說(shuō)，認(rèn)為所有晶體可分為7個(gè)晶系，14種空間點(diǎn)陣和32種晶類。非晶體：內(nèi)部原子取向和位置短程有序，長(zhǎng)程無(wú)序的物體稱為非晶體，又稱為玻璃態(tài)。大部分材料都可以采用熔融態(tài)淬火的方法制備為非晶態(tài)。大部分有機(jī)聚合物是非晶態(tài)，沒(méi)有凝點(diǎn)只有軟化點(diǎn)溫度。材料的分類（以晶相）晶體：★

1912年，V.Laue利用ZnS晶體作為光柵，得到了最早的X射線衍射照片。金屬和陶瓷是我們最常見(jiàn)的晶體。衍射花樣反映了沿ZnS立方晶體的一個(gè)主軸的四次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，Laue的結(jié)果從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了晶體點(diǎn)陣的客觀存在和X射線的波動(dòng)性，被譽(yù)為物理學(xué)歷史上最美的實(shí)驗(yàn)之一。單晶、多晶、微晶與非晶材料。同樣組成不同晶體結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)完全不同材料的分類（以是否有孔）致密材料：鋼鐵，玻璃，瓷器…

多孔材料微孔材料(孔徑<2nm)：沸石材料等介孔材料(孔徑2-50nm)：MCM-41,SBA-15等大孔材料(孔徑>50nm)：珊瑚，硅藻土等Y型沸石孔道(0.7nm)SBA-15孔道

(8.9nm)硅藻土結(jié)構(gòu)(0.5μm,4μm)催化劑合理的孔結(jié)構(gòu)分布是十分重要的：1.微孔的大小處于分子尺度，提供擇形選擇性2.介孔和大孔改善反應(yīng)物和產(chǎn)物的傳質(zhì)和擴(kuò)散3.多孔結(jié)構(gòu)帶來(lái)的高比表面積提供更多的催化活性位材料的分類（以用途）結(jié)構(gòu)材料：具有較好的力學(xué)性能（比如強(qiáng)度、韌性及高溫性能等）用作結(jié)構(gòu)件的材料。功能材料：具有特殊的電、磁、熱、光等物理性能或化學(xué)性能的材料可以統(tǒng)稱為功能材料。化物所的材料方面研究主要集中在功能材料催化材料能源材料（燃料電池，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化）分離材料（包括膜材料與色譜擔(dān)體）材料的分類（以形貌）零維：納米粒子，量子點(diǎn)一維：納米纖維，納米管，納米帶PbS納米線ZnO納米帶碳納米管二維：膜材料MFI型沸石膜化物所材料領(lǐng)域相關(guān)研究的

論文發(fā)表、獲獎(jiǎng)及專利情況統(tǒng)計(jì)所內(nèi)材料領(lǐng)域相關(guān)工作簡(jiǎn)介WebofScience檢索結(jié)果,自1980年以來(lái)SCI收錄的共4310篇文章。其中與材料相關(guān)的占54％。發(fā)表文章統(tǒng)計(jì)申請(qǐng)專利統(tǒng)計(jì)材料相關(guān)：總計(jì)～33%獎(jiǎng)勵(lì)時(shí)間項(xiàng)目名稱獎(jiǎng)勵(lì)類別

授獎(jiǎng)單位等級(jí)2006飛機(jī)H－70燃料分解催化劑技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)

國(guó)家二等2005甲烷直接催化脫氫轉(zhuǎn)化為芳烴和氫新反應(yīng)的研究自然科學(xué)獎(jiǎng)國(guó)家二等2005 聚烯烴用高效脫氧劑的研制與工業(yè)應(yīng)用技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)國(guó)家二等20039810實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制與打靶試驗(yàn)科技進(jìn)步獎(jiǎng)國(guó)家科技部二等2003難降解有機(jī)工業(yè)廢水新型預(yù)處理技術(shù)及關(guān)鍵設(shè)備科技進(jìn)步獎(jiǎng)國(guó)家科技部二等國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)省部級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)時(shí)間項(xiàng)目名稱獎(jiǎng)勵(lì)類別

授獎(jiǎng)單位等級(jí)2006無(wú)機(jī)膜與膜催化自然科學(xué)獎(jiǎng)遼寧省一等2006循環(huán)固定流化床上催化裂化汽油中烯烴芳構(gòu)化改質(zhì)技術(shù)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)遼寧省三等2006裂化干氣制乙苯氣相烴化與液相反烴化（第三代）技術(shù)推廣科技成果轉(zhuǎn)化獎(jiǎng)省科技廳一等2005液化氣低溫芳構(gòu)化制高辛烷值汽油和車用燃料技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)遼寧省二等2005飛機(jī)H-70燃料分解催化劑技術(shù)科技進(jìn)步獎(jiǎng)軍隊(duì)一等2005一種高硫容浸漬活性碳干法脫硫劑專利優(yōu)秀獎(jiǎng)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局優(yōu)秀2005一種多乙基苯和苯生產(chǎn)乙苯用沸石催化劑及其制備專利優(yōu)秀獎(jiǎng)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局優(yōu)秀2004新型相變儲(chǔ)能材料科技進(jìn)步獎(jiǎng)國(guó)防科工委二等2003質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)遼寧省一等獎(jiǎng)2003催化裂化干氣制乙苯催化蒸餾技術(shù)及催化劑技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)遼寧省二等獎(jiǎng)2003甲烷直接催化脫氫轉(zhuǎn)化為芳烴和氫新反應(yīng)的研究自然科學(xué)獎(jiǎng)遼寧省二等獎(jiǎng)2002催化裂化干氣制乙苯氣相烴化與液相反烴化優(yōu)化組合技術(shù)及催化劑技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)遼寧省二等2002DCL型燃煤固硫劑的研制、生產(chǎn)及工業(yè)試運(yùn)行科技進(jìn)步獎(jiǎng)遼寧省二等2002新型手性固定相的研制及應(yīng)用科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)中國(guó)分析測(cè)試協(xié)會(huì)二等獲獎(jiǎng)情況（2002~2006年）（材料相關(guān)：50%）（材料相關(guān)：54%）（材料相關(guān)：27%）上述粗略統(tǒng)計(jì)分析可知：化物所科研成果產(chǎn)出的一半是與材料有關(guān)各種能源占世界能源消耗總量的百分比來(lái)自BP統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)能源和環(huán)境問(wèn)題空氣中二氧化碳含量與年代的關(guān)系世界問(wèn)題的解決世界問(wèn)題環(huán)境保護(hù)催化劑能源的可持續(xù)利用催化劑對(duì)能源和環(huán)境的影響催化是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)，新型催化材料是催化發(fā)展的核心內(nèi)容。1.控制反應(yīng)的選擇性和有效性2.提供綠色的化學(xué)品3.實(shí)現(xiàn)綠色，經(jīng)濟(jì)和安全的化學(xué)過(guò)程4.消除來(lái)自于汽車和工廠的尾氣污染工業(yè)催化劑活性（決定了得到產(chǎn)物的量）選擇性（決定是否能得到目的產(chǎn)物）壽命（關(guān)系催化劑成本）材料的活性組分和孔結(jié)構(gòu)材料的穩(wěn)定性固體酸催化劑固體催化劑的出現(xiàn)替代了傳統(tǒng)工業(yè)中使用的氫氟酸，鹽酸和硫酸等液體酸催化劑，極大地改進(jìn)了化工生產(chǎn)的安全性，減少了催化劑對(duì)環(huán)境的污染和反應(yīng)器的腐蝕，提高了催化劑的回收利用率。最早的固體酸催化劑：1936年，酸洗的天然粘土首次作為石油裂化催化劑，隨后的研究表明，如果使用無(wú)定形的氧化硅－氧化鋁可獲得更高的裂化效果。存在問(wèn)題:1.酸性較弱。2.孔徑分布范圍寬，選擇性差。3.無(wú)定形材料，穩(wěn)定性存在一定問(wèn)題。沸石材料沸石材料特點(diǎn)：

1.晶化的硅鋁酸鹽材料2.高比表面積和吸附能力3.高的離子交換能力4.規(guī)則排列的孔道和籠(0.3-1.5nm)接近大多數(shù)分子大小的均一尺寸的孔道和籠使得沸石材料具有擇形選擇性沸石材料的發(fā)展年代沸石結(jié)構(gòu)總數(shù)1756年，Cronstedt在玄武巖中首次發(fā)現(xiàn)天然沸石；1862年，Deville實(shí)現(xiàn)了天然存在的插晶菱沸石的實(shí)驗(yàn)室合成；二十世紀(jì)四十年代末，Barrer和Milton首先開(kāi)始了人工合成沸石材料的研究。我國(guó)現(xiàn)有制烯烴過(guò)程輕油、石腦油高溫裂解每生產(chǎn)1噸乙烯消耗3-4

噸石腦油2000－2010年石腦油缺口750－2000萬(wàn)噸/年此膜片源自林勵(lì)吾2006,12,01講演PPT文稿DMTO(甲醇制烯烴)技術(shù)國(guó)內(nèi)乙烯供需平衡情況DMTO催化劑1980年代固定床ZSM-5和改性ZSM-5催化劑1990年代流化床小孔SAPO-34和其它小孔SAPO分子篩1990年代后期MTO基礎(chǔ)研究新一代MTO催化劑的發(fā)展SAPO-34的SEM像（孔徑0.43nm）小孔徑使得低碳烯烴的選擇性好與國(guó)外結(jié)果對(duì)比項(xiàng)目UOP/HYDRO大連化物所原料甲醇二甲醚規(guī)模0.5噸/天**60-100Kg/天反應(yīng)方式流化床流化床催化劑SAPO-34SAPO-34(廉價(jià))烯烴選擇性(wt.%)乙烯乙、丙烯乙、丙、丁烯45-50>809050>8090原料消耗2.6591.845(甲醇2.567)完成反應(yīng)再生次數(shù)1500此膜片源自林勵(lì)吾2006,12,01講演PPT文稿DMTO產(chǎn)業(yè)化2004年，在陜西華縣陜化集團(tuán)公司化肥廠建成了世界上首套萬(wàn)噸級(jí)甲醇進(jìn)料規(guī)模的甲醇制低碳烯烴的裝置。2006年，甲醇制取低碳烯烴工業(yè)試驗(yàn)項(xiàng)目技術(shù)成果通過(guò)了國(guó)家級(jí)鑒定。目前，總投資170億元、采用大連化學(xué)物理研究所DMTO技術(shù)的中國(guó)神華集團(tuán)180萬(wàn)噸甲醇制烯烴項(xiàng)目已經(jīng)開(kāi)始建設(shè)。陜西工業(yè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)裝置DMTO產(chǎn)業(yè)化國(guó)內(nèi)外企業(yè)廣泛關(guān)注，一批企業(yè)要求轉(zhuǎn)讓技術(shù)國(guó)內(nèi)：陜西省、藍(lán)天集團(tuán)、神華集團(tuán)、中煤集團(tuán)、山東魯能集團(tuán)、山東濱化公司、山東新汶集團(tuán)、山東東明石化、新疆的天業(yè)集團(tuán)、遼寧鐵煤集團(tuán)、香港建滔集團(tuán)、香港益業(yè)集團(tuán)，……國(guó)外：泰國(guó)正大集團(tuán)、沙特沙貝克公司，陶氏化學(xué)，Titan化工（馬來(lái)西亞），TheNationalPetrochemicalCompany(IranianPetroleumMinistry)等國(guó)家發(fā)改委發(fā)1350號(hào)文，規(guī)范煤化工行業(yè)已經(jīng)安排工業(yè)性示范項(xiàng)目（接現(xiàn)有甲醇裝置，規(guī)模60萬(wàn)噸/年甲醇）陜西?。赫鲗?dǎo)，一定要建設(shè)國(guó)際第一套大型裝置合作三方承諾：陜西省建設(shè)國(guó)內(nèi)第一套裝置，并給予優(yōu)惠第三代干氣制乙苯催化劑Beta沸石晶粒大小與反應(yīng)活性的關(guān)系

小晶粒beta沸石：1.催化劑高的活性。（反應(yīng)溫度從430oC降到230oC）2.催化劑高的選擇性。（乙苯產(chǎn)品二甲苯降低到1000ppm，可用作食品級(jí)聚苯乙烯原料）3.水熱處理后的催化劑高穩(wěn)定性。（延長(zhǎng)催化劑工業(yè)單程壽命２年以上）反應(yīng)時(shí)間（小時(shí)）轉(zhuǎn)化率(%)目前第四和第五代新的催化劑和催化工藝也已在實(shí)驗(yàn)室里研發(fā)成功干氣制乙苯產(chǎn)業(yè)化撫順九江岳陽(yáng)錦西武漢安慶洛陽(yáng)長(zhǎng)嶺大連第三代技術(shù)生產(chǎn)乙苯占我國(guó)乙苯生產(chǎn)的50-60%海南錦州林源華北藍(lán)星華星寧波沸石催化劑的問(wèn)題事物的兩面性：一方面狹窄的孔道使沸石材料具有擇形選擇性。另一方面也使得沸石對(duì)于大分子的催化無(wú)能為力。介孔材料的出現(xiàn)則部分地解決了這一問(wèn)題MCM-41MCM-48特點(diǎn):1.孔徑較大（2－50nm