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材料化學是材料科學的一個重要分支學科,在新材料的發現和合成,納米材料製備和修飾工藝的發展以及表徵方法的革新等領域所作出了的獨到貢獻。材料化學在原子和分子水準上設計新材料的戰略意義有著廣闊應用前景。

1 材料化學 -學科概述

材料化學材料化學

材料的廣泛應用是材料化學與技術發展的主要動力。在實驗室具有優越性能的材料,不等於在實際工作條件下能得到應用,必須通過應用研究做出判斷,而後採取有效措施進行改進。材料在製成零部件以後的使用壽命的確定是材料應用研究的另一方面,關係到安全設計和經濟設計,關係到有效利用材料和合理選材。材料的應用研究還是機械部件、電子元件失效分析的基礎。通過應用研究可以發現材料中規律性的東西,從而指導材料的改進和發展。

材料化學材料化學

化學工程的發展基本沿著兩條主線進行:一方面,經過歸納、綜合,形成了以傳遞為主的三傳一反的學科基礎理論;另一方而,隨著服務對象和應用領域的不斷擴大,學科基礎理論與應用領域的交叉滲透,不斷產生新的增長點和新的科學分支,特別是隨著新能源、新材料、生物技術等新興產業的出現,化學工程在這些新領域發揮巨大作用的同時也不斷推動自身理論與技術水平的提高,浮化出材料化學工程、生物化學工程、資源化學工程、環境化學工程等學科分支,為化學工程學科的發展帶來了新的活力和發展空間,而材料化學工程是發展最快的新的增長點之一,成為當代化學工程的熱點研究領域之一。

2 材料化學 -研究方法

材料化學化學分析

材料的化學分析方法可分為經典化學分析和儀器分析兩類。前者基本上採用化學方法來達到分析的目的,後者主要採用化學和物理方法(特別是最後的測定階段常應用物理方法)來獲取結果,這類分析方法中有的要應用較為複雜的特定儀器。現代分析儀器發展迅速,且各種分析工作絕大部分是應用儀器分析法來完成的,但是經典的化學分析方法仍有其重要意義。應用化學方法或物理方法來查明材料的化學組分和結構的一種材料試驗方法。鑒定物質由哪些元素(或離子)所組成,稱為定性分析;測定各組分間量的關係(通常以百分比表示),稱為定量分析。有些大型精密儀器測得的結果是相對值,而儀器的校正和校對所需要的標準參考物質一般是用準確的經典化學分析方法測定的。因此,儀器分析法與化學分析法是相輔相成的,很難以一種方法來完全取代另一種。

經典化學分析根據各種元素及其化合物的獨特化學性質,利用與之有關的化學反應,對物質進行定性或定量分析。定量化學分析按最後的測定方法可分為重量分析法、滴定分析法和氣體容量法。

①重量分析法:使被測組分轉化為化學組成一定的化合物或單質與試樣中的其他組分分離,然後用稱重方法測定該組分的含量。

②滴定分析法:將已知準確濃度的試劑溶液(標準溶液)滴加到被測物質的溶液中,直到所加的試劑與被測物質按化學計量定量反應完為止,根據所用試劑溶液的體積和濃度計算被測物質的含量。

材料化學裝飾材料

③氣體容量法:通過測量待測氣體(或者將待測物質轉化成氣體形式)被吸收(或發生)的容積來計算待測物質的量。這種方法應用天平滴定管和量氣管等作為最終的測量手段。

儀器分析根據被測物質成分中的分子、原子、離子或其化合物的某些物理性質和物理化學性質之間的相互關係,應用儀器對物質進行定性或定量分析。有些方法仍不可避免地需要通過一定的化學前處理和必要的化學反應來完成。儀器分析法分為光學、電化學、色譜和質譜等分析法。

光學分析法:根據物質與電磁波(包括從γ射線至無線電波的整個波譜範圍)的相互作用,或者利用物質的光學性質來進行分析的方法。最常用的有吸光光度法(紅外、可見和紫外吸收光譜)、原子吸收光譜法、原子熒光光譜法、發射光譜法、熒光分析法、濁度法、火焰光度法、X射線衍射法、X射線熒光分析法、放射化分析法等。

3 材料化學 -研究進展

材料化學高分子材料

酚醛樹脂的合成,開闢了高分子科學領域。20世紀30年代聚醯胺纖維的合成,使高分子的概念得到廣泛的確認。後來,高分子的合成、結構和性能研究、應用三方面保持互相配合和促進,使高分子化學得以迅速發展。

各種高分子材料合成和應用,為現代工農業、交通運輸、醫療衛生、軍事技術,以及人們衣食住行各方面,提供了多種性能優異而成本較低的重要材料,成為現代物質文明的重要標誌。高分子工業發展為材料化學的重要支柱。

20世紀是有機合成的黃金時代。化學的分離手段和結構分析方法已經有了很大發展,許多天然有機化合物的結構問題紛紛獲得圓滿解決,還發現了許多新的重要的有機反應和專一性有機試劑,在此基礎上,精細有機合成,特別是在不對稱合成方面取得了很大進展。

自19世紀Fischer開創不對稱合成反應研究領域以來,材料化學的不對稱反應技術得到了迅速的發展。其間可分為四個階段:(1)手性源的不對稱反應(chiralpool);(2)手性助劑的不對稱反應(chiralauxiliary);(3)手性試劑的不對稱反應(chiralreagent);(4)不對稱催化反應(chiralcatalysis或asmmetriccatalyticreaction)。

材料化學高分子材料

傳統的不對稱合成是在對稱的起始反應物中引入不對稱因素或與非對稱試劑反應,這需要消耗化學計量的手性輔助試劑。不對稱催化合成一般指利用合理設計的手性金屬配合物(催化劑量)或生物酶作為手性模板控制反應物的對映面,將大量前手性底物選擇性地轉化成特定構型的產物,實現手性放大和手性增殖。簡單地說,就是通過使用催化劑量級的手性原始物質來立體選擇性地生產大量手性特徵的產物。它的反應條件溫和,立體選擇性好,(R)異構體或(S)異構體同樣易於生產,且潛手性底物來源廣泛,對於生產大量手性化合物來講是最經濟和最實用的技術。因此,不對稱催化反應(包括化學催化和生物催化反應)已為全世界有機化學家所高度重視,特別是不少化學公司致力於將不對稱催化反應發展為手性技術(chirotechnology)和不對稱合成工藝。

這將改變長期以來人們只能從動植物體內提取或天然化合物的轉化來製取手性化合物.一般的化學合成只能得到外消旋混合物,須經煩瑣的拆分后才能得到單一的手性化合物.不對稱催化合成僅需少量手性催化劑就可將大量前手性底物選擇性地轉化為特定構型的手性化合物,故在手性化合物合成領域中最受關注亦最有實用前景.

而對於不對稱催化合成,合適的手性催化劑的選擇和合成至關重要.近幾十年來過渡金屬手性絡合物不對稱催化反應的研究,為手性化合物的不對稱合成及產業化開闢了廣闊的前景.金屬有機催化的立體選擇性有機合成的應用研究在製藥工業、農藥和精細化學工業中將廣泛應用,也是金屬有機化學在新世紀中的研究重點和熱點之一。

材料化學高分子材料

樹狀大分子作為一種在80年代中期出現的新型合成高分子,由於其結構的高度三維有序性,分子量的窄分佈性、分子結構的高度規整性,並且是可以從分子水平上控制、設計分子的大小、形狀、結構和功能基團的新型高分子化合物。其高度支化的結構和分子內大量的空腔和表面密集的官能團分佈,使其在催化劑的方面具有潛在的用途。

樹枝狀高分子高度有序的結構,與傳統的合成或天然高分子相比,其優勢是顯而易見的:(1)產物合成結構可控,單分散性好,可得分子量單一的產物。(2)溶解性好,外部官能團的性質決定其溶解性,可運用宏觀調控的手段來合成水溶性、油溶性及兩親性的產物。(3)產物粘度小,一般合成過程中會出現一個粘度的極大值后再下降,但不同於傳統的聚合物,在合成過程中不會出現凝膠化現象。這些優異的性能決定了其在催化方面潛在應用。

樹枝狀大分子的結構是呈樹枝狀,內部含有大量的「空腔」,分子的外部含有大量的活性功能基團。分子內部的「空腔」大小和外部端基的「數目」和分子之間的「尺寸」都可以進行嚴格控制,催化活性中心可以在樹枝狀大分子的外部,也可以在內部。

材料化學高分子材料

樹枝狀大分子除了分子本身的特殊結構外,還具有納米尺寸,並能以分子形式溶解。在完成均相反應后,可以通過簡單的分離技術將催化劑從反應產物中分離出來,即這類新型催化劑可以實現均相催化劑的固載化。大體可以分為二類:一類是催化活性中心在核附近的樹枝狀大分子,另一類是表面含催化官能團的樹枝狀大分子。

這種樹狀大分子作載體的手性催化劑可以通過採用不同的合成方法可以設計出具有特定結構的樹枝狀大分子,再將催化活性中心引入到樹枝狀大分子的不同位置,得到具有特定結構的催化劑。由於這類催化劑可以實現均相催化劑的固載化,還可以和納米過濾技術或膜技術相結合來回收,克服了傳統均相催化劑的缺點。

4 材料化學 -專業內容

一、業務培養目標

材料化學材料化學

培養較系統地掌握材料科學的基本理論與技術,具備材料化學相關的基本知識和基本技能,能在材料科學與工程及其相關的領域從事研究、教學、科技開發及相關管理工作的材料化學高級專門人才。

二、業務培養要求

學生主要學習材料廠科學方面的基本理論、基本知識和基本技能,受到科學思維與科學實驗方面的基本訓練,具有運用化學和材料化學的基礎理論、基本知識和實驗技能進材料研究和技術開發的基本能力。

畢業生應獲得以下幾方面的知識和能力:

1.掌握數學、物理、化學等方面的基本理論和基本知識;

2.掌握材料製備(或合成)、材料加工、材料結構與性能測定等方面的基礎知識、基本原理和基本實驗技能;

3.了解相近專業的一般原理和知識;

4.熟悉國家關於材料科學與工程研究、科技開發及相關產業的政策,國內外知識產權

等方面的法律法規;

5.了解材料化學的理論前沿、應用前景和最新發展動態,以及材料科學與工程產業的

發展狀況;

材料化學材料化學

6.掌握中外文資料查詢、文獻檢索以及運用現代信息技術獲取相關信息的基本方法;

具有一定的實驗設計,創造實驗條件,歸納、整理、分析實驗結果,撰寫論文,參與學術交流的能力。

主幹學科:材料科學、化學

主要課程:有機化學、無機化學、分析化學、物理化學、結構化學、材料化學、材料物理等。

主要實踐性教學環節:包括生產實習、畢業論文等,一般安排10~20周。

主要專業實驗:材料製備與合成、材料加工、材料結構與性能測定等。

修業年限:四年。

授予學位:理學或工學學士。

相近專業:材料物理、化學。

5 材料化學 -相關詞條

社會學

教育學

學前教育

體育教育

工程管理

雕塑

旅遊管理

行政管理學

音樂表演

航海技術

廣告學

會計學

土木工程

林學

交通運輸

舞蹈學

園林

臨床醫學

工程力學

飛行技術

物流管理

中藥學

環境工程

輪機工程

園藝

 

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