材料科學與工程概述

催化基礎國家重點實驗室2008.04.11《咨詢委員會講座》主要內容一、材料的定義與分類二、所內材料領域相關工作簡介三、材料發展趨勢及建議材料的定義與分類材料與人類文明史石器時代青銅器時代鐵器時代新材料時代中國中東歐美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陶瓷復合材料軟材料…中國四大發明另一項重大發明：陶瓷（China

中國，china

瓷器）8000～9000年前，處于新石器時代的人類發明了用粘土成型，再火燒固化的陶器。目前，陶瓷材料已經廣泛應用于從航空航天到日常生活等許多領域。造紙術司南（磁性材料）火藥（含能材料）四大發明中三項直接與材料相關，活字印刷也與材料有關2006年9月，美國《金屬雜志》發起了評選材料科學與工程歷史上“最偉大的材料事件”活動,經半年多輪的評選后,于2007年3月1日，美國礦物、金屬與材料學會的年會上，揭曉了評選結果。前50項“最偉大的材料事件”中，材料制備技術及工藝占17項，新材料和新器件的發明占12項，提出新原理、新規律與揭示新結構、新現象占18項，先進儀器設備的發明占3項。從此50項可以看出，古代材料與技術方面的重大事件大多出自中國、埃及、伊朗、印度和土耳其等東方國家，包括煉鐵術、煉鋼術、銅提取術及煉銅術、鐵鑄造技術、玻璃的發明等等。中國古代金屬業勞動者開發的鐵鑄造工藝和制陶藝人使用高嶺土制備首批精細陶瓷榜上有名。然而，近代材料發展中的重大事件（1900年后）幾乎全部由美、英、德等西方科學家與發明家包攬，表明西方工業發達國家主導著近代材料科學與工程的發展。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、半導體、碳材料C60(1996年諾貝爾化學獎)

等。高分子：塑料（聚乙烯，聚苯乙烯等）、樹脂（酚醛樹脂等）、橡膠、有機光電子材料、有機信息材料等用于烯烴聚合的Zigeler-Natta催化劑(1963年諾貝爾化學獎)復合材料：包括不同組分的復合，具有不同結構功能的材料天然復合材料(木材，竹子)鋼筋混凝土樹脂基復合材料(粘土聚合物復合材料)碳碳復合材料(2004年國家技術發明獎一等獎)材料的分類（以晶相）晶體：內部原子以規則，對稱并周期性重復排列的狀態存在的物體稱為晶體，晶體具有各向異性的特點。人們對材料晶相結構的認識經歷漫長曲折的過程：★古希臘人認為水晶是硬化的冰，給水晶取名為“晶體”，希臘語中“因冷而凝結的意思”。★西漢時代《韓詩外傳》：“凡草木花五出，獨雪花六出”。★

1669年，N.Steno發現晶面角守恒定律。

E.Bartolins發現方解石的光學各向異性和可解理性。★

1774-1784年，R.J.Hauy提出晶胞的概念，認為它是構成晶體的基本單元。★十九世紀，A.Bravais提出空間點陣學說，認為所有晶體可分為7個晶系，14種空間點陣和32種晶類。非晶體：內部原子取向和位置短程有序，長程無序的物體稱為非晶體，又稱為玻璃態。大部分材料都可以采用熔融態淬火的方法制備為非晶態。大部分有機聚合物是非晶態，沒有凝點只有軟化點溫度。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的晶體。衍射花樣反映了沿ZnS立方晶體的一個主軸的四次旋轉對稱性，Laue的結果從實驗上證實了晶體點陣的客觀存在和X射線的波動性，被譽為物理學歷史上最美的實驗之一。單晶、多晶、微晶與非晶材料。同樣組成不同晶體結構材料性質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)硅藻土結構(0.5μm,4μm)催化劑合理的孔結構分布是十分重要的：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物和產物的傳質和擴散3.多孔結構帶來的高比表面積提供更多的催化活性位材料的分類（以用途）結構材料：具有較好的力學性能（比如強度、韌性及高溫性能等）用作結構件的材料。功能材料：具有特殊的電、磁、熱、光等物理性能或化學性能的材料可以統稱為功能材料。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，太陽能轉化）分離材料（包括膜材料與色譜擔體）材料的分類（以形貌）零維：納米粒子，量子點一維：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域相關研究的

論文發表、獲獎及專利情況統計所內材料領域相關工作簡介WebofScience檢索結果,自1980年以來SCI收錄的共4310篇文章。其中與材料相關的占54％。發表文章統計申請專利統計材料相關：總計～33%獎勵時間項目名稱獎勵類別

授獎單位等級2006飛機H－70燃料分解催化劑技術發明獎

國家二等2005甲烷直接催化脫氫轉化為芳烴和氫新反應的研究自然科學獎國家二等2005 聚烯烴用高效脫氧劑的研制與工業應用技術發明獎國家二等20039810實驗系統研制與打靶試驗科技進步獎國家科技部二等2003難降解有機工業廢水新型預處理技術及關鍵設備科技進步獎國家科技部二等國家級獎項省部級獎項獎勵時間項目名稱獎勵類別

授獎單位等級2006無機膜與膜催化自然科學獎遼寧省一等2006循環固定流化床上催化裂化汽油中烯烴芳構化改質技術技術發明獎遼寧省三等2006裂化干氣制乙苯氣相烴化與液相反烴化（第三代）技術推廣科技成果轉化獎省科技廳一等2005液化氣低溫芳構化制高辛烷值汽油和車用燃料技術發明獎遼寧省二等2005飛機H-70燃料分解催化劑技術科技進步獎軍隊一等2005一種高硫容浸漬活性碳干法脫硫劑專利優秀獎國家知識產權局優秀2005一種多乙基苯和苯生產乙苯用沸石催化劑及其制備專利優秀獎國家知識產權局優秀2004新型相變儲能材料科技進步獎國防科工委二等2003質子交換膜燃料電池技術技術發明獎遼寧省一等獎2003催化裂化干氣制乙苯催化蒸餾技術及催化劑技術發明獎遼寧省二等獎2003甲烷直接催化脫氫轉化為芳烴和氫新反應的研究自然科學獎遼寧省二等獎2002催化裂化干氣制乙苯氣相烴化與液相反烴化優化組合技術及催化劑技術發明獎遼寧省二等2002DCL型燃煤固硫劑的研制、生產及工業試運行科技進步獎遼寧省二等2002新型手性固定相的研制及應用科學技術獎中國分析測試協會二等獲獎情況（2002~2006年）（材料相關：50%）（材料相關：54%）（材料相關：27%）上述粗略統計分析可知：化物所科研成果產出的一半是與材料有關各種能源占世界能源消耗總量的百分比來自BP統計數據能源和環境問題空氣中二氧化碳含量與年代的關系世界問題的解決世界問題環境保護催化劑能源的可持續利用催化劑對能源和環境的影響催化是一項關鍵的技術，新型催化材料是催化發展的核心內容。1.控制反應的選擇性和有效性2.提供綠色的化學品3.實現綠色，經濟和安全的化學過程4.消除來自于汽車和工廠的尾氣污染工業催化劑活性（決定了得到產物的量）選擇性（決定是否能得到目的產物）壽命（關系催化劑成本）材料的活性組分和孔結構材料的穩定性固體酸催化劑固體催化劑的出現替代了傳統工業中使用的氫氟酸，鹽酸和硫酸等液體酸催化劑，極大地改進了化工生產的安全性，減少了催化劑對環境的污染和反應器的腐蝕，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，如果使用無定形的氧化硅－氧化鋁可獲得更高的裂化效果。存在問題:1.酸性較弱。2.孔徑分布范圍寬，選擇性差。3.無定形材料，穩定性存在一定問題。沸石材料沸石材料特點：

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.規則排列的孔道和籠(0.3-1.5nm)接近大多數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展年代沸石結構總數1756年，Cronstedt在玄武巖中首次發現天然沸石；1862年，Deville實現了天然存在的插晶菱沸石的實驗室合成；二十世紀四十年代末，Barrer和Milton首先開始了人工合成沸石材料的研究。我國現有制烯烴過程輕油、石腦油高溫裂解每生產1噸乙烯消耗3-4

噸石腦油2000－2010年石腦油缺口750－2000萬噸/年此膜片源自林勵吾2006,12,01講演PPT文稿DMTO(甲醇制烯烴)技術國內乙烯供需平衡情況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基礎研究新一代MTO催化劑的發展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外結果對比項目UOP/HYDRO大連化物所原料甲醇二甲醚規模0.5噸/天**60-100Kg/天反應方式流化床流化床催化劑SAPO-34SAPO-34(廉價)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)完成反應再生次數1500此膜片源自林勵吾2006,12,01講演PPT文稿DMTO產業化2004年，在陜西華縣陜化集團公司化肥廠建成了世界上首套萬噸級甲醇進料規模的甲醇制低碳烯烴的裝置。2006年，甲醇制取低碳烯烴工業試驗項目技術成果通過了國家級鑒定。目前，總投資170億元、采用大連化學物理研究所DMTO技術的中國神華集團180萬噸甲醇制烯烴項目已經開始建設。陜西工業試驗現場裝置DMTO產業化國內外企業廣泛關注，一批企業要求轉讓技術國內：陜西省、藍天集團、神華集團、中煤集團、山東魯能集團、山東濱化公司、山東新汶集團、山東東明石化、新疆的天業集團、遼寧鐵煤集團、香港建滔集團、香港益業集團，……國外：泰國正大集團、沙特沙貝克公司，陶氏化學，Titan化工（馬來西亞），TheNationalPetrochemicalCompany(IranianPetroleumMinistry)等國家發改委發1350號文，規范煤化工行業已經安排工業性示范項目（接現有甲醇裝置，規模60萬噸/年甲醇）陜西省：政府主導，一定要建設國際第一套大型裝置合作三方承諾：陜西省建設國內第一套裝置，并給予優惠第三代干氣制乙苯催化劑Beta沸石晶粒大小與反應活性的關系

小晶粒beta沸石：1.催化劑高的活性。（反應溫度從430oC降到230oC）2.催化劑高的選擇性。（乙苯產品二甲苯降低到1000ppm，可用作食品級聚苯乙烯原料）3.水熱處理后的催化劑高穩定性。（延長催化劑工業單程壽命２年以上）反應時間（小時）轉化率(%)目前第四和第五代新的催化劑和催化工藝也已在實驗室里研發成功干氣制乙苯產業化撫順九江岳陽錦西武漢安慶洛陽長嶺大連第三代技術生產乙苯占我國乙苯生產的50-60%海南錦州林源華北藍星華星寧波沸石催化劑的問題事物的兩面性：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于大分子的催化無能為力。介孔材料的出現則部分地解決了這一問題MCM-41MCM-48特點:1.孔徑較大（2－50nm