材料科学与工程概述上课件

材料科学与工程概述

催化基础国家重点实验室2008.04.11《咨询委员会讲座》主要内容一、材料的定义与分类二、所内材料领域相关工作简介三、材料发展趋势及建议材料的定义与分类材料与人类文明史石器时代青铜器时代铁器时代新材料时代中国中东欧美050010001500180019001950199020001000500200030004000500060009000公元前石斧司母戊鼎沧州铁狮子Intel双核处理器电子材料先进陶瓷复合材料软材料…中国四大发明另一项重大发明：陶瓷（China

中国，china

瓷器）8000～9000年前，处于新石器时代的人类发明了用粘土成型，再火烧固化的陶器。目前，陶瓷材料已经广泛应用于从航空航天到日常生活等许多领域。造纸术司南（磁性材料）火药（含能材料）四大发明中三项直接与材料相关，活字印刷也与材料有关2006年9月，美国《金属杂志》发起了评选材料科学与工程历史上“最伟大的材料事件”活动,经半年多轮的评选后,于2007年3月1日，美国矿物、金属与材料学会的年会上，揭晓了评选结果。前50项“最伟大的材料事件”中，材料制备技术及工艺占17项，新材料和新器件的发明占12项，提出新原理、新规律与揭示新结构、新现象占18项，先进仪器设备的发明占3项。从此50项可以看出，古代材料与技术方面的重大事件大多出自中国、埃及、伊朗、印度和土耳其等东方国家，包括炼铁术、炼钢术、铜提取术及炼铜术、铁铸造技术、玻璃的发明等等。中国古代金属业劳动者开发的铁铸造工艺和制陶艺人使用高岭土制备首批精细陶瓷榜上有名。然而，近代材料发展中的重大事件（1900年后）几乎全部由美、英、德等西方科学家与发明家包揽，表明西方工业发达国家主导着近代材料科学与工程的发展。材料的分类（以成分）金属：金，银，铜，铁，合金…非金属：陶瓷（氧化物，氮化物，碳化物等）、玻璃、半导体、碳材料C60(1996年诺贝尔化学奖)

等。高分子：塑料（聚乙烯，聚苯乙烯等）、树脂（酚醛树脂等）、橡胶、有机光电子材料、有机信息材料等用于烯烃聚合的Zigeler-Natta催化剂(1963年诺贝尔化学奖)复合材料：包括不同组分的复合，具有不同结构功能的材料天然复合材料(木材，竹子)钢筋混凝土树脂基复合材料(粘土聚合物复合材料)碳碳复合材料(2004年国家技术发明奖一等奖)材料的分类（以晶相）晶体：内部原子以规则，对称并周期性重复排列的状态存在的物体称为晶体，晶体具有各向异性的特点。人们对材料晶相结构的认识经历漫长曲折的过程：★古希腊人认为水晶是硬化的冰，给水晶取名为“晶体”，希腊语中“因冷而凝结的意思”。★西汉时代《韩诗外传》：“凡草木花五出，独雪花六出”。★

1669年，N.Steno发现晶面角守恒定律。

E.Bartolins发现方解石的光学各向异性和可解理性。★

1774-1784年，R.J.Hauy提出晶胞的概念，认为它是构成晶体的基本单元。★十九世纪，A.Bravais提出空间点阵学说，认为所有晶体可分为7个晶系，14种空间点阵和32种晶类。非晶体：内部原子取向和位置短程有序，长程无序的物体称为非晶体，又称为玻璃态。大部分材料都可以采用熔融态淬火的方法制备为非晶态。大部分有机聚合物是非晶态，没有凝点只有软化点温度。材料的分类（以晶相）晶体：★

1912年，V.Laue利用ZnS晶体作为光栅，得到了最早的X射线衍射照片。金属和陶瓷是我们最常见的晶体。衍射花样反映了沿ZnS立方晶体的一个主轴的四次旋转对称性，Laue的结果从实验上证实了晶体点阵的客观存在和X射线的波动性，被誉为物理学历史上最美的实验之一。单晶、多晶、微晶与非晶材料。同样组成不同晶体结构材料性质完全不同材料的分类（以是否有孔）致密材料：钢铁，玻璃，瓷器…

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

(8.9nm)硅藻土结构(0.5µm,4µm)催化剂合理的孔结构分布是十分重要的：1.微孔的大小处于分子尺度，提供择形选择性2.介孔和大孔改善反应物和产物的传质和扩散3.多孔结构带来的高比表面积提供更多的催化活性位材料的分类（以用途）结构材料：具有较好的力学性能（比如强度、韧性及高温性能等）用作结构件的材料。功能材料：具有特殊的电、磁、热、光等物理性能或化学性能的材料可以统称为功能材料。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（燃料电池，太阳能转化）分离材料（包括膜材料与色谱担体）材料的分类（以形貌）零维：纳米粒子，量子点一维：纳米纤维，纳米管，纳米带PbS纳米线ZnO纳米带碳纳米管二维：膜材料MFI型沸石膜化物所材料领域相关研究的

论文发表、获奖及专利情况统计所内材料领域相关工作简介WebofScience检索结果,自1980年以来SCI收录的共4310篇文章。其中与材料相关的占54％。发表文章统计申请专利统计材料相关：总计～33%奖励时间项目名称奖励类别

授奖单位等级2006飞机H－70燃料分解催化剂技术发明奖

国家二等2005甲烷直接催化脱氢转化为芳烃和氢新反应的研究自然科学奖国家二等2005 聚烯烃用高效脱氧剂的研制与工业应用技术发明奖国家二等20039810实验系统研制与打靶试验科技进步奖国家科技部二等2003难降解有机工业废水新型预处理技术及关键设备科技进步奖国家科技部二等国家级奖项省部级奖项奖励时间项目名称奖励类别

授奖单位等级2006无机膜与膜催化自然科学奖辽宁省一等2006循环固定流化床上催化裂化汽油中烯烃芳构化改质技术技术发明奖辽宁省三等2006裂化干气制乙苯气相烃化与液相反烃化（第三代）技术推广科技成果转化奖省科技厅一等2005液化气低温芳构化制高辛烷值汽油和车用燃料技术发明奖辽宁省二等2005飞机H-70燃料分解催化剂技术科技进步奖军队一等2005一种高硫容浸渍活性碳干法脱硫剂专利优秀奖国家知识产权局优秀2005一种多乙基苯和苯生产乙苯用沸石催化剂及其制备专利优秀奖国家知识产权局优秀2004新型相变储能材料科技进步奖国防科工委二等2003质子交换膜燃料电池技术技术发明奖辽宁省一等奖2003催化裂化干气制乙苯催化蒸馏技术及催化剂技术发明奖辽宁省二等奖2003甲烷直接催化脱氢转化为芳烃和氢新反应的研究自然科学奖辽宁省二等奖2002催化裂化干气制乙苯气相烃化与液相反烃化优化组合技术及催化剂技术发明奖辽宁省二等2002DCL型燃煤固硫剂的研制、生产及工业试运行科技进步奖辽宁省二等2002新型手性固定相的研制及应用科学技术奖中国分析测试协会二等获奖情况（2002~2006年）（材料相关：50%）（材料相关：54%）（材料相关：27%）上述粗略统计分析可知：化物所科研成果产出的一半是与材料有关各种能源占世界能源消耗总量的百分比来自BP统计数据能源和环境问题空气中二氧化碳含量与年代的关系世界问题的解决世界问题环境保护催化剂能源的可持续利用催化剂对能源和环境的影响催化是一项关键的技术，新型催化材料是催化发展的核心内容。1.控制反应的选择性和有效性2.提供绿色的化学品3.实现绿色，经济和安全的化学过程4.消除来自于汽车和工厂的尾气污染工业催化剂活性（决定了得到产物的量）选择性（决定是否能得到目的产物）寿命（关系催化剂成本）材料的活性组分和孔结构材料的稳定性固体酸催化剂固体催化剂的出现替代了传统工业中使用的氢氟酸，盐酸和硫酸等液体酸催化剂，极大地改进了化工生产的安全性，减少了催化剂对环境的污染和反应器的腐蚀，提高了催化剂的回收利用率。最早的固体酸催化剂：1936年，酸洗的天然粘土首次作为石油裂化催化剂，随后的研究表明，如果使用无定形的氧化硅－氧化铝可获得更高的裂化效果。存在问题:1.酸性较弱。2.孔径分布范围宽，选择性差。3.无定形材料，稳定性存在一定问题。沸石材料沸石材料特点：

1.晶化的硅铝酸盐材料2.高比表面积和吸附能力3.高的离子交换能力4.规则排列的孔道和笼(0.3-1.5nm)接近大多数分子大小的均一尺寸的孔道和笼使得沸石材料具有择形选择性沸石材料的发展年代沸石结构总数1756年，Cronstedt在玄武岩中首次发现天然沸石；1862年，Deville实现了天然存在的插晶菱沸石的实验室合成；二十世纪四十年代末，Barrer和Milton首先开始了人工合成沸石材料的研究。我国现有制烯烃过程轻油、石脑油高温裂解每生产1吨乙烯消耗3-4

吨石脑油2000－2010年石脑油缺口750－2000万吨/年此膜片源自林励吾2006,12,01讲演PPT文稿DMTO(甲醇制烯烃)技术国内乙烯供需平衡情况DMTO催化剂1980年代固定床ZSM-5和改性ZSM-5催化剂1990年代流化床小孔SAPO-34和其它小孔SAPO分子筛1990年代后期MTO基础研究新一代MTO催化剂的发展SAPO-34的SEM像（孔径0.43nm）小孔径使得低碳烯烃的选择性好与国外结果对比项目UOP/HYDRO大连化物所原料甲醇二甲醚规模0.5吨/天**60-100Kg/天反应方式流化床流化床催化剂SAPO-34SAPO-34(廉价)烯烃选择性(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)完成反应再生次数1500此膜片源自林励吾2006,12,01讲演PPT文稿DMTO产业化2004年，在陕西华县陕化集团公司化肥厂建成了世界上首套万吨级甲醇进料规模的甲醇制低碳烯烃的装置。2006年，甲醇制取低碳烯烃工业试验项目技术成果通过了国家级鉴定。目前，总投资170亿元、采用大连化学物理研究所DMTO技术的中国神华集团180万吨甲醇制烯烃项目已经开始建设。陕西工业试验现场装置DMTO产业化国内外企业广泛关注，一批企业要求转让技术国内：陕西省、蓝天集团、神华集团、中煤集团、山东鲁能集团、山东滨化公司、山东新汶集团、山东东明石化、新疆的天业集团、辽宁铁煤集团、香港建滔集团、香港益业集团，……国外：泰国正大集团、沙特沙贝克公司，陶氏化学，Titan化工（马来西亚），TheNationalPetrochemicalCompany(IranianPetroleumMinistry)等国家发改委发1350号文，规范煤化工行业已经安排工业性示范项目（接现有甲醇装置，规模60万吨/年甲醇）陕西省：政府主导，一定要建设国际第一套大型装置合作三方承诺：陕西省建设国内第一套装置，并给予优惠第三代干气制乙苯催化剂Beta沸石晶粒大小与反应活性的关系

小晶粒beta沸石：1.催化剂高的活性。（反应温度从430oC降到230oC）2.催化剂高的选择性。（乙苯产品二甲苯降低到1000ppm，可用作食品级聚苯乙烯原料）3.水热处理后的催化剂高稳定性。（延长催化剂工业单程寿命２年以上）反应时间（小时）转化率(%)目前第四和第五代新的催化剂和催化工艺也已在实验室里研发成功干气制乙苯产业化抚顺九江岳阳锦西武汉安庆洛阳长岭大连第三代技术生产乙苯占我国乙苯生产的50-60%海南锦州林源华北蓝星华星宁波沸石催化剂的问题事物的两面性：一方面狭窄的孔道使沸石材料具有择形选择性。另一方面也使得沸石对于大分子的催化无能为力。介孔材料的出现则部分地解决了这一问题MCM-41MCM-48特点:1.孔径较大（2－50nm