第一篇：多媒體技術在五大領域中的應用

多媒體技術在五大領域中的應用

內容摘要：與傳統教學方法相比，多媒體技術具有靈活多變，可控性和交互性強等特點，能夠很好地增強教學效果,所以目前我國的很多幼兒園都在大力推廣多媒體技術。本研究旨在通過對多媒體技術在幼兒園五大領域的應用情況，探索多媒體技術在幼兒園教學中合理化應用的方法策略.關鍵詞：多媒體教學 五大領域

與傳統教學相比，多媒體教學可以將教學素材化靜為動、化遠為近、變小為大、聲像并茂，改變了過去只利用掛圖、圖片等呆板單一的表現形式，使一些在日常生活中很難呈現或不易觀察到的過程形象地展現出來，對提高幼兒學習興趣和提升教育效果有一定的作用。

但多媒體技術作為一種新的教學形式和手段，在推廣和應用過程中也難免出現一些問題，比如多媒體使用得太濫、操作得太淺、運用得太少等等。這些問題的出現給我們的幼兒教學帶來一些負面情況，不利于我們更好地將多媒體技術應用到幼兒園教學中。如何在幼兒園正確合理地應用多媒體教學手段開展集體教學活動，并且為幼兒園教師培訓提供明示，就成了我們每一位幼教工作者都很關心的問題。

（一）多媒體技術在五大領域的應用

（1）多媒體在語言教育中的應用

傳統語言教學通常通過幾幅圖片、幾張畫的方式進行，已遠遠不能滿足現在幼兒的需要?，F在教師運用多媒體課件將故事的意境、內容、語言統合在了一起，并以生動有趣的畫面展現出來，一方面吸引了孩子們的注意力，另一方面通過生動的動畫與多變的表現，將抽象的文字知識變得形象和富有生趣，幼兒在輕松的氛圍中完成了學習任務。

如：在小班教學兒歌《袋鼠媽媽》，幼兒對兒歌中的“相親相愛”一詞不理解，教師用FLASH軟件制作了一幅小袋鼠和袋鼠媽媽相互親吻擁抱的畫面，教師運用鼠標反復點擊畫面，小袋鼠依偎在袋鼠媽媽的懷抱里，袋鼠媽媽深情地撫摩著小袋鼠，這就很容易讓幼兒理解“相親相愛”一詞，在以后的表演中，孩子能形象地表達出相親相愛的動作。

教育心理學指出學習者開放多個感官通道比只開放一個感官通道要能更準確更有效地掌握學習對象。在繪本閱讀中，教師很巧妙地利用了錄音筆配合放大的繪本畫面，來詮釋不同角色的語氣語調，使教學活動繪聲繪色。

例如，在大班繪本閱讀《城里老鼠和鄉下老鼠》的活動中，教師首先分段播放事先錄制好的故事錄音，先請幼兒整體聽一遍，再邊提問邊用停頓播放的方法放錄音。由于教師使用了不同角色的語氣語調，幼兒很容易理解故事的內容和人物情感的變化，再加上教師在錄音中加入了一些特殊音效（例如風聲、狼叫聲），對渲染故事氛圍起到了很好的效果。

（2）多媒體技術在科學教育中的應用

在科學活動中包括了許多抽象的科學道理，并具有較強的嚴密性，運用多媒體技術可以使抽象深奧的科學知識具體化、形象化、趣味化，從而激發幼兒對科學的興趣，使他們主動觀察、探索、思考。比如《寶寶從哪里來》，幼兒對自己的出生充滿了好奇，迫切想知道到底是怎么回事。但傳統的教學只是一味地說教講解，教師又很難用語言表達，幼兒也聽得吃力，強烈的好奇心、求知欲得不到滿足。通過多媒體的制作，把寶寶在媽媽肚子里的環境設計好，然后用兩顆種子相遇——粗淺輪廓——五官——手腳——吮吸等一系列的胎兒形象，生動地展現在畫面上，不但容易理解，而且知識完整、印象深刻。活動中兒童被深深地被吸引了。

在幼兒科學教學中運用多媒體技術可以優化教學內容，使教學內容變得可視、可聽、可感、可知，并能擴大教學信息量，拓寬幼兒知識面，有利于幼兒感知、理解新知識，在探索中了解事物發展變化的規律。

如在大班幼兒學習《認識螞蟻》的時候，教師用課件將螞蟻頭、胸、腹、觸角、眼睛、嘴巴、腿等各個部位的名稱，以及龐大的螞蟻地下王國內部構造，形象地展現在幼兒面前，使得復雜難懂的內容變得直觀生動、易于理解，幼兒很快就能區分工蟻，蟻后和兵蟻。

（3）多媒體技術在數學教育中的應用

考慮到數學本身的抽象性和現實性，以及“幼兒數學知識內化需要借助于表象作用”、“對數學知識的理解要建立在多樣化的經驗和體驗基礎上”的心理特點，多媒體技術恰恰能為數學教學帶來一種新的嘗試。多媒體課件色彩鮮艷、畫面逼真、特別是具有趣味性和動畫的特點，在教學中適時地運用，可以激發幼兒學習的興趣和探索的欲望，使幼兒始終保持學習的積極性、主動性。

如：大班數學“認識時間”活動，我制作了多媒體課件《認識時間之闖關游戲》。由滴滴答答的聲音開始，讓小朋友猜是什么？小朋友立刻被吸引，大聲說是時鐘。畫面再展示出一個城堡，告訴小朋友如果能回答出畫面上所有的問題，就能順利闖關，每一關過后都會有鮮花和掌聲，小朋友立刻有了濃厚的興趣，思維變得十分活躍。用FLASH制作的鐘面，可以分解刻度和指針，并且能夠演示分針和時針賽跑的畫面，幼兒在輕松愉快的氛圍中學，玩中學，學中玩，這堂課體現了教學的個性化。

（4）多媒體技術在美術教育中的應用

幼兒美術欣賞教育的對象很廣泛，包括繪畫作品、雕塑作品、工藝美術作品、建筑藝術、兒童美術作品、自然景物、周圍環境。像一些世界著名的建筑、世界名畫和自然景觀，幼兒是沒有條件親自接觸的，而多媒體的運用為我們創造了美術欣賞的全新舞臺。每個人對作品的理解是不同的，孩子們能用自己的眼睛去觀察、去感受欣賞對象，而不是接受教師單一的理解。在欣賞活動時播放背景音樂，渲染氣氛，創造意境。在形、聲、色全方位地調動視聽覺，結合教師生動的語言，加深對作品的理解，提高教學效果。

大班美術欣賞活動《百老匯爵士樂》，不僅表現喧囂的城市、閃爍的霓虹燈，更是再現了爵士樂強勁的節奏，極具個性的旋律：時而如訴如泣、時而強勁高坑、進而激動奔放。

為了讓幼兒理解音樂與繪畫內在的相遇，教師在課件中加入了歡快、活潑、節奏分明的爵士樂，并且配合跳動的音波線，幼兒很快地理解和感受到：這幅畫就是一首充滿節奏感的爵士樂。紅、黃、藍無數的色塊就是一個個跳躍的音符，散布著的色塊，營造的是變化的節奏和振動的頻率，帶給幼兒明亮、快樂、興奮的感覺。

在繪畫教學中教師的示范很普遍，手繪示范存在圖像小，速度慢、教師背對幼兒容易遮擋視線等缺點。運用多媒體技術，教師可以與幼兒面對面交流溝通，及時對幼兒的信息做出反饋。多媒體畫面圖像可以放大、色彩又鮮艷，能夠增強美術教學的情景，優化教學結構。

如：在大班美術《螞蟻飛上天》的教學活動中，教師先播放課件，優美的動畫、動聽的故事，極大的調動了幼兒的學習興趣。在欣賞完課件后，幼兒根據故事情節大膽想象，創作出了一本本有趣的連環畫。最后教師用實物投影儀將幼兒作品進行展示講評，幼兒通過自評、互評相互學習，使自己的繪畫創造能力得到進一步提高。

（5）多媒體技術在音樂教育中的應用

在音樂活動中，充分合理地利用多媒體進行教學，能夠貼近幼兒心理發展水平的最佳狀態，大大激發了幼兒學習歌唱活動的興趣?？旖萁涣鳌⒎奖愕牟シ殴δ鼙苊饬虽浺簟浵駲C因倒回播放而中斷教學分散幼兒注意力，影響幼兒思維等弊端的發生，使教師能更主動地控制教學過程，從而增強教學效果。

如：《小熊過橋》的歌曲發展順序是小熊過橋——小熊害怕——媽媽鼓勵——小熊過了橋，在錄音的時候，可以分四次將四個樂段分別命名錄制，播放時點哪個樂段，就會播放哪個樂段，便于在欣賞時加深印象，對作品更加深入地理解。

在《小蝸?！返囊魳坊顒又校枨漠嬅嫔铣霈F蝸牛爬行時分泌的粘液干后形成的一道亮白的線，在歌曲中這一現象被形象地表現為小蝸牛記性差，總是找不到自己的家，身上帶著一只小蠟筆，一邊走一邊畫，順著線找回家。想象擬人的動畫畫面，聲像結合富于趣味，有利于幼兒進行觀察思考，易于理解和記憶。

在教授少數民族的舞曲和歌曲時，配合多媒體的操作，向幼兒展示各民族不同的風俗、建筑、語言、服裝等等，真實自然地在音樂活動中滲透多元文化的教育，更有利于幼兒感受美、表現美。

（6）多媒體技術在健康教學中的應用

近幾年，安全成為了一個人們普遍關注的話題，面對越來越頻繁的災難，人們更積極地樹立了防患于未然的理念。在面對各種災害時，如何采取有效措施，沉著冷靜地保護自己的生命和健康，對于幼兒園的孩子來說，是必須要掌握的技能。幼兒園健康教育的重要組織方法之一是講解示范法，多媒體技術可以模擬各種災害場景，真實地指導幼兒進行活動的開展。

在大班健康教育《地震來了我不怕》的活動中，教師先播放一段“5?12“汶川大地震的視頻包括震后救災、營救錄像，將幼兒引入到災難的氛圍中，請幼兒說說自己看到了什么？有什么感受？再結合情境，提出問題如果地震來了，在家里和在室外應該采取什么保護措施。在幼兒討論后，教師結合《地震自救宣傳片》，給幼兒一一講解示范，為下一環節幼兒模擬演練緊急撤離、逃生演習做好鋪墊。

演習后，活動延伸部分，師生觀看《唐山大地震》的片段，感受大自然的強大和應對突如其來的災難時心理準備。由于活動使用了一段非常適合幼兒的地震自救宣傳片的視頻，它從孩子遇到地震時的情境展開，對各個注意事項和措施都做了形象生動的說明，幼兒都非常感興趣。（7）多媒體技術在社會教育中的應用

社會教育往往是許多領域的整合，綱要指出：“社會領域的教育具有潛移默化的特點。”社會教育要“避免單一呆板的言語說教”。幼兒對教師的說教一般難以接受，而多姿多彩、變化無窮的多媒體技術能將空洞抽象的概念制作成影像，構成現實，幫助幼兒認識社會、了解社會、明辨是非，能促進幼兒思想品德的形成。

大班社會活動《祖國媽媽過生日》的目標中涉及一條“感受祖國六十一年的變化，大膽表達自己的想法”，教師在整節課中充分利用了《開國大典》的視頻資料，讓原本遙不可及的時代躍然眼前。多媒體拉近了時空的距離，幼兒在珍貴的視頻資料中，身臨其境地感受著祖國六十一年的變化。幼兒為祖國媽媽誕生之前受日本侵略而憤怒，為毛主席在開國大典上的那句“中華人民共和國在今天成立了”而歡呼不已，為如今祖國能成功舉行奧運會、世博會而無比自豪。許多孩子都喊出了長大要當解放軍保衛祖國媽媽的夢想，這堂課無疑是非常成功的！

數碼相機因具備拍攝靜態照片、照片連拍、短小視頻等功能，比較多地被幼兒園教師運用于記載、記錄孩子的學習成果、成長足跡，成了溝通家園，向家長展現孩子在園生活、學習的一種手段，很好地推動了家園間的相互了解、溝通、共育。同時在教學中，數碼相機對實際圖片、生活場景的記錄，也為孩子們提供了許多生動具體的探討、交流話題，在常規引導、具體行為指導中都收到比較好的效果。

比如：在《快樂的中秋節》的系列活動中，教師先去月餅生產車間拍了一段月餅制作的流程，并請師傅一一講解，幼兒觀看后對月餅制作有了大致的了解。教師又結合上屆幼兒制作過程中拍攝的照片，邊演示邊講解制作的重點和曾經出現的問題，然后幼兒親自動手做月餅。在做的過程中，教師一直用數碼相機拍攝照片和視頻，記錄幼兒的行為表現。月餅做好后，所有月餅被送進食堂烘焙。在第二次的活動中，大班的幼兒帶著自己親手制作的月餅，去小班和弟弟妹妹一起表演節目、親親抱抱弟弟妹妹、一起分享自制的月餅，過了快樂團圓的中秋節，教師又及時地記錄了這個非常溫馨的場面?；氐桨嗉壓?，教師趁熱打鐵將兩次活動的視頻和照片播放給幼兒看，讓幼兒自己來評價，大膽表達自己對活動的感想。由于是親身經歷的事件，又在屏幕中目睹了自己的表現，孩子們的熱情高漲，發言十分踴躍。課后教師將部分照片沖洗出來并配以簡潔的文字布置在教室中，整個活動非常完整。

(二)教師在多媒體使用中存在的問題

1、師資素質限制了對多媒體技術的使用

部分教師在操作多媒體的過程中出現了一些問題：使用水平不高、制作水平低、照搬別的教師已經制作好的課件、自己對課件內容不熟悉。S園的幼教師資絕大多數來自中等師范學校的幼師班和幼兒師范學校；還有相當一部分來自職業高中、職業中專的幼教班，學生在校以專業技能為主，畢業出來的學生多是在教學工作實踐中接觸和學習使用一些簡單的電教設施如幻燈、投影、錄音機、錄像機等，對課件的深入開發還談不上。

2、部分教師過分依賴多媒體

部分教師操作多媒體過多過濫，整節課大部分時間是在放幻燈，而忽視了兒童的操作。事實上這對教學的推動、對幼兒發展都是不利的。幼兒需要與材料進行交互，需要通過操作探索、猜測、驗證，過多的多媒體播放剝奪了幼兒的好奇心，答案的提前揭示無疑是一種灌輸。而且大容量、高密度的課件內容，讓幼兒無法消化吸收，并產生厭惡感。我們需要給幼兒留有充足“試誤”的機會，只有親自體會的東西才有更深刻的理解，也是對幼兒良好學習態度形成的一種促進。

3、一些多媒體作品華而不實

少數教師制作多媒體課件一味追求畫面的美感，并且加入許多與主題無關的音效，雖然熱鬧，但實則形式大于內容。事實上運用多媒體是為了讓教師上課輕松方便，讓幼兒學習更有趣和直觀。而太過花哨的課件，不僅花費了教師大量的時間，增加了工作量，而且很可能導致幼兒的注意力被吸引到教學內容以外的事物上，降低了課堂教學效果。

(三)對策與建議

通過以上的研究，本文對幼兒園多媒體技術操作提出以下建議。

1、加強師資隊伍培訓，鼓勵教師自己開發課件

為了提高教師掌握和運用多媒體技術的能力，幼兒園應當積極加強師資隊伍培訓。因為一線教師非常了解幼兒的實際需求，一旦他們能夠運用好多媒體這把雙刃劍，教學效果將事半功倍，所以幼兒園應該鼓勵教師自己開發課件。在培養幼兒教師的高校和中等師范學校，應當設置邊緣學科，培養、配置一批復合型人才。幼兒園管理者應當建立激勵體制，鼓勵多媒體教學，促進教師的學習熱情。多媒體固然是先進的教學手段，怎么利用好這種先進，教師的素質素養首先是先進的。作為好的訴說者，不僅僅是會運用好多媒體，更要運用好多媒體與學生融為一體，站在學生的角度去看待多媒體。

2、明確教學手段是為教學目標服務

好的教學是教會學生怎么去學，而非灌輸。合理選擇使用多媒體的時機，而不是每節課都非用不可。要明確任何教學手段都是為了服務于教學目標，教學手段無好壞之分，關鍵在是否真正促進幼兒的學習。要堅持效率性原則，在使用多媒體教學的同時，靈活結合其他多種教學手段，適當增加幼兒的操作機會，促進幼兒高效學習。

3、吸取經驗，教學內容與形式相得益彰

針對有些幼兒教師制作課件形式大于內容的錯誤傾向，幼兒園可以對優秀多媒體課件的教學成果進行合理整合，從中找出不足，總結經驗，并做到對優秀課件的再次使用和重復使用，而不是一味地照搬照抄。

幼兒園應建立自己的軟件資源庫，存放自制、改編、網上下載、購買的多媒體軟件，并及時更新。此舉可用于本園的教學，也在各園間相互交流、共同提高時提供了方便。多媒體的優勢在于有形有色又音集成的光影設備本身就是現代社會必不可少的用具，把這種設備搬進教室，作為老師的輔助教具，也是必然的趨勢。

第二篇：復合材料在航空領域中的應用

復合材料在航空領域中的應用

先進復合材料具有高比強、高比模、耐疲勞、多功能、各向異性和可設計性、材料與結構的同一性等優異性能，自上世紀60年代年問世以來，先進復合材料很快獲得廣泛應用，成為航空航天四大材料之一。下面就讓我們對先進復合材料的應用情況和其優異性能做一簡要介紹。

1．應用先進復合材料可以顯著提高戰斗機作戰性能

為滿足新一代戰斗機對高機動性、超音速巡航及隱身的要求，進入90年代后，西方的戰斗機無一例外的大量采用復合材料結構，用量一般都在25％以上，有的甚至達到35％，結構減重效率達30％。應用部位幾乎遍布飛機的機體，包括垂直尾翼、水平尾翼、機身蒙皮以及機翼的壁板和蒙皮等。如美國第四代戰斗機F-22復合材料用量已達到24%，而EF2000更高達43％，EF2000除鴨翼外，機身、機翼、腹鰭、方向舵都采用復合材料，結構的“濕潤”表面的70％為復合材料，陣風也是如此，70％的“濕潤”表面為復合材料，約947kg之重。F-35的復合材料幾乎覆蓋了整個飛機外表面。

2．應用先進復合材料可以明顯增大軍用運輸機有效載重量

C-17是上世紀先進大型軍用運輸機的典型代表，C-17是1986年設計的，限于當時的水平，復合材料主要用于次要結構，如雷達罩、整流罩、操縱面、口蓋、翼梢小翼蒙皮等，復合材料重約7258k，占該機結構重量8.1%。樹脂基復合材料從非承力結構發展到次承力構件。在復合材料中碳纖維增強復合材料約占結構重量6%，玻璃纖維塑料、Kevlar纖維增強材料占2%。而歐洲EADS正在研究的A400M屬于新一代大型軍用運輸機，在材料應用技術上有了一個新的飛躍，主要表現為先進復合材料占結構重量的35%~40%。與C-17不同的是，在A400M上，碳纖維復合材料用于一些主承力結構，而C-17的復合材料結構重量比僅為8%，且主要用于操縱面及次要結構。A400M的機身仍由傳統的鋁合金制成，但卻開創了采用碳纖維復合材料制造大型運輸機機翼的先河，機翼長達19米，令業界頗為矚目。

3．應用先進復合材料是高超聲速飛行器能否上天的關鍵因素

高超聲速技術主要指研制高超聲速（Ma>5）飛行器所需的相關技術。近中期將采用的材料將包括陶瓷纖維增強的金屬基復合材料、陶瓷及碳碳復合材料以及輕質隔熱材料。此外，發動機及機身將需要導熱率高的材料，如碳碳復合材料。更遠的將來，將需要先進型的材料，如鈹基復合材料之類的超輕材料以及纖維增強陶瓷之類超高溫材料。

以NASA開發的第二代可重復使用航天飛機為例，油箱內襯為復合材料。在推進系統中將采用陶瓷基復合材料發射斜軌、金屬基復合材料機匣以及樹脂基復合材料涵道。此外還將采用復合材料電子設備艙。第三代可重復使用航天飛機將為一智能結構，具有自適應熱防護系統及智能化無損檢測裝置，自愈合的飛機結構及表面。發動機材料將可能使用經冷卻的復合材料、金屬基復合材料加力燃燒室殼體、超高溫復合材料。結構材料將包括超高溫樹脂基復合材料、低成本耐腐蝕熱防護系統復合材料液氧油箱。

美國高超聲速飛行器X-43是由超燃沖壓發動機作動力裝置的驗證機。其油箱/機身由石墨/環氧框架及蒙皮組成。蒙皮外再覆以熱防護系統。飛機上翼面熱防護層為可剪裁的先進絕緣氈，下翼面為內多層屏蔽絕緣物。后者是正處于開發中的防熱材料，由C/SiC外面板，中介陶瓷屏以及先進聚酰亞胺泡沫內襯。中介陶瓷屏覆以貴金屬以降低其熱輻射。機翼及垂尾由鈦基復合材料制成，并有一個由二硼化鋯制成的前緣。

4．應用先進復合材料能大幅增加無人戰斗機載油量

國外目前研制的無人機以復合材料和傳統鋁合金的混合結構為主。如“捕食者”“全球鷹”等均是如此。其中“全球鷹”的機翼和尾翼由石墨/環氧復合材料制造，而機身仍采用傳統鋁合金，復合材料占結構重量的65%。

無人戰斗機是未來航空武器的一個重點發展方向。為滿足采購政策、隱身性能、機動性、生存力對材料的特殊需求，為盡可能地降低結構重量、提高燃油裝載量，無人戰斗機結構的一個顯著特點就是大量應用復合材料。以波音公司的X-45A為例，除機身的龍骨、梁和隔框采用高速切削鋁合金外，其余的機體結構都是由復合材料制成。諾斯羅普格魯門公司的X-47A的機體除一些接頭采用鋁合金外，整個機體幾乎全部采用了復合材料。

5．應用先進復合材料可以極大提升民用飛機市場競爭力

民用飛機方面，復合材料的使用對于增大客艙濕度進而改善乘客的舒適度、降低油耗、易于實現結構/艙內材料的一體化、減少零部件數量、簡化系統安裝及縮短總裝時間等方面潛力巨大。波音、空客兩家大型民用客機制造商均將其視為實現新飛機機體減重及降低直接運營成本的有效途徑。如在新一代波音787飛機上，復合材料用量將達到50%，創大型客機復合材料的應用記錄。歐洲空中客車公司在新近研制的A380型寬體客機的機翼和機身結構上均采用了先進復合材料，用量已占結構重量的25%，其中碳纖維增強復合材料占22%，另采用了3%玻璃纖維增強的鋁合金層板復合材料Glare。在機翼前緣等處還采用了聚苯硫醚熱塑性復合材料。該公司目前正在研制的新一代客機A350，復合材料的應用比例也將達到39%。

6．應用先進復合材料在減重的同時很好地改善了直升機抗墜毀性

直升機采用復合材料不僅可減重，而且對于改善直升機抗墜毀性能意義重大，因而復合材料在直升機結構中應用更廣、用量更大，不僅機身結構，而且由槳葉和槳轂組成的升力系統、傳動系統也大量采用樹脂基復合材料。H360、S-75、BK-117和V-22等直升機均大量采用了復合材料，如頃轉旋翼飛機V-22用復合材料近3000公斤，占結構總重的45％左右，法德合作研制的“虎”式武裝直升機，復合材料用量更高達77％。

7．先進復合材料在航空發動機上也得到成功應用

航空發動機使用碳纖維增強樹脂基復合材料取代金屬材料可以有效減輕發動機重量，降低燃料消耗，增加航程。有資料報導，發動機減輕1磅重量，從而使飛機可減輕10～20磅重量。從70年代初，復合材料就成為TF39、F103特別是GE36UDF發動機研制計劃的一部分，在這些發動機上積累了經驗之后，在GE90的風扇葉片上成功使用了高性能韌化環氧復合材料。此外，在F119風扇機匣、遄達發動機的風扇機匣包容環及反推力裝置上也廣泛采用了樹脂基復合材料。

近期開發的波音787的動力裝置GEnx的風扇機匣及風扇葉片，將由碳纖維/環氧樹脂基復合材料制成。除減重外，復合材料還表現出良好的韌性及耐蝕性。

至于陶瓷基復合材料等超高溫復合材料，目前已在M88、F119等發動機尾噴管等靜止件上獲得應用。

隨著飛行器向高空、高速、無人化、智能化、低成本化方向發展，復合材料的地位會越來越重要。國外預計，在下一代飛機上，復合材料將扮演主角，目前采用全復合材料飛行器的計劃正處于醞釀之中。

第三篇：高效液相色譜技術在食品安全領域中的應用

高效液相色譜技術在食品安全領域中的應用 摘要：本文綜述高效液相色譜在食品安全檢測中的應用。詳述食品添加劑、非食品添加劑、農藥殘留量、抗生素藥物殘留量、毒素的檢測等的檢測技術。對于保證食品質量、維護人民健康安全有著重要意義。關鍵詞：高效液相色譜技術；食品安全；食品添加劑；非添加劑；農藥殘留量；藥物殘留量；毒素

Research on the food safety of High Performance Liquid

Chromatography

LIU Wen-duo

(Zhongkai University of Agriculture and EngineeringCollege of light industry and food science, Guangdong

Guangzhou 510225)

Abstract: High Performance Liquid Chromatography was applied in food safety monitoring,Mainly on food additives, no allowed additives, pesticide residues, antibiotic residues, toxin and so on.It has important significance to ensure food quality and people's health.Key words: HPLC;food safey;food additives;non additivies;pesticide residues;antibiotic residue;toxin

高效液相色譜(HPLC)是 60年代后期發展起來的分離分析技術，是現代分離測定的重要手段[1]。問世以來，因其具有分離效能高、分析速度快、檢測靈敏度好、能分析高沸點但不能氣化的熱不穩定生理活性物質的特點而被廣泛應用于生物化學、藥物及臨床分析[2]。近年來，隨著色譜技術的不斷發展，各種工作站軟件的開發，以及與質譜等儀器的聯用，大大拓寬了 HPLC的應用范圍。目前很多新型專用的 HPLC儀不斷出現，如氨基酸分析儀、糖分析儀、離子色譜儀等相繼出現[3]。

近年來常有食品安全事故發生，例如食品添加劑超標；一些食品農藥殘留和有害物質超標，蘇丹紅事件、三鹿奶粉事件就是先例。這些產品不合格，嚴重影響我國的聲譽和人民的安全。此時，精密的高效液相色譜儀器就發揮重要作用。本文僅就高效液相色譜質譜在食品檢測中的應用進行綜述，以供參考。食品添加劑的分析

1.1 甜味劑

天然甜味劑有蔗糖、葡萄糖、甘草酸鈉鹽等，人工甜味劑有糖精及其鈉鹽，環已基氨基磺酸鈉和甘精。甘精毒性大 , 各國都禁止使用, 我國準許使用糖精鈉、環已基氨基磺酸鈉、天門冬酰丙氨酸甲脂、麥芽糖酸、D-山梨糖酸、甘草和甜味菊等。糖精鈉是使用歷史最長的人工合成甜味劑之一，WHO制訂的ADI為 0～2.5 mg/ kg。單獨測定食物中的糖精鈉方法較簡單，使用反相色譜柱，以甲酸： 0.02 mol / L乙酸銨（5：95）為流動相，紫外檢測器，波長選擇 230 nm，可以很容易地獲得結果，這是國家標準檢驗方法[4]。

甘草苷系天然甜味劑，溶于水、乙醇中，不溶于乙醚、氯仿。采用反相離子對分配型 HPLC法可同時測定食品中甘草苷和糖精鈉，操作簡便、迅速。其條件為Chrosorb RP-18(5μm)柱，流動相為乙醇：0.05 M磷酸二氫鈉（2 ：3）溶液中含 0.02MCTA，用磷酸調pH為 3，紫外檢測器，波長選擇 245 nm[5]。

1.2 著色劑

為了改善食品的感官性狀，允許在食品中添加一定限量的食用色素。食用色素可分為食用天然色素和合成色素，天然色素來源于植物色素和動物色素，一般較為安全。合成色素常以苯、甲苯、萘等化工產品為原料合成。由于合成色素大都有慢性毒性或致癌性，必須嚴格

控制使用種類及含量。我國允許使用的 8種合成色素,都是水溶酸性色素。采用徑向加壓柱 u Bondapak C18反相柱，以甲醇：0.02 M乙酸銨為流動相，可將除新紅外的 7種合成色素同時分離定量。用液體陰離子交換樹脂 Amberlite LA乙晴（50：50），流速為 1.5mL/mL，檢測波長 243nm，結果三聚氰胺的保留時間為6.9 min，空白無干擾。檢出限為1.0ug（行標為2.0μg），有實用意義。

李延志等[10]采用 HPLC-DAD 法快速篩查蛋白質食品非法添加三聚氰胺。其方法是樣品以 1% 三氯乙酸提取，用 2% 乙酸鉛沉淀蛋白，離心后，上清液荊 0.45μm 濾膜過濾，直接上機進行HPLC分析。本法檢出限為 0.28mg/kg，線性范圍： 0.05~1.6mg/L，該法靈敏、準確，可推廣使用。

張俊燕等[11]報道飼料中三聚氰胺的檢測方法。采用 Agilent 1100 HPLC-DAD 檢測器，波長 240 nm 和北京Agela 離子交換固相萃取柱。樣品經0.1%三氯乙酸提取，離心，上清液過 PCX 小柱，凈化后做 HPLC 分析或衍生后做 HPLC-MS 分析。結果按照2007 年美國 FDA的 HPLC-UV 方法測定三聚氰胺，用國產 AgelaANB 親水色譜柱，分離效果良好。最低檢出限：HPLC-UV 法為 2μg、HPLC-MS法為 0.5μg，大大提高靈敏度，而 FDA 原法由于流動相中加入離子對試劑而不能直接用 HPLC-MS分析。

WC Andersen 等[12]采用超高效液相色譜串聯四級桿質譜法測定鮎魚組織中的三聚氰胺，結果滿意。陳曉東等[13]亦曾建立乳及乳制品中三聚氰胺的HPLC-MS-MS測定方法。樣品用三氯乙酸和乙晴提取，經陽離子交換固相萃取柱（SPE）凈化后，HPLC-MS-MS 法確證和測定。外標法定量。結果在 0.01~0.5μg/mL 范圍內呈線性關系。r=0.9999，檢出限（LOQ）為 0.01μg/kg，本法加樣回收率為80.4%~107.4%。RSD=9.4%?？蓾M足檢測要求。

此外，由于大量使用的三聚氰胺大部分以原形直接或是隨著糞便排入海洋中，對海洋生物造成潛在威脅，對生態環境造成破壞，已成為新的重要污染物。XU Ying-jiang等[14]建立固相萃取-超高效液相色譜串聯質譜測定海水及沉積物中的三聚氰胺的方法。檢出量為

0.5μg /kg，適合海水及沉積物中痕量三聚氰胺的測定。

2.2食品中蘇丹紅的檢測

蘇丹紅屬偶氮染料，系化工合成染色劑。主要用于蠟染、油彩等產品。蘇丹紅進入人體后分解還原成致癌芳香胺，對健康造成很大危害。

溫憶敏等[15]參照歐盟和我國國家標準方法經研究和改進，建立食品中蘇丹紅系列化合物和對位紅的 HPLC 測定法。樣品經有機溶劑提取、氧化鉬吸附、梯度洗脫等進行測定，并采用光譜-色譜法，重點對洗脫劑強度與萃取活性關系、色譜優化條件等進行研究。該方法可同時測定食品中蘇丹紅 1、2、3、4 及紅 7B、黑 B、對位紅等。最低檢出限均可達到 0.01mg/g，符合有關法規的要求。

劉志權等[16]應用超高效液相色譜質譜聯用（UPLC-ESI-MS-MS）法建立快速測定蘇丹紅 1~4的含量。實驗采用UPLC-ESI-MS-MS 串聯四級桿質譜儀，多粒子反應監測（MRM）定量法。通過對樣品預處理、色譜條件和質譜參數的優化選擇，建立的同步測定食品蘇丹紅 1~4 含量方法，重復性好、靈敏度高、準確可靠。本法蘇丹紅 1~4 的最低檢出限分別為0.1μg/kg、0.1μg/kg、0.2μg/kg、1.0μg/kg，線性范圍在 1.0~100ng/mL，r=0.9900，加樣回收率為 87.0%~109%，可用于樣平的實際檢測。

寧肅駿等[17]建立食品中對位紅、蘇丹紅 1~4的 UPLC-ESI-MS-MS 測定方法，以氘代蘇丹紅為內標進行定量。試樣經提取，再經液液萃取和固相萃?。╓aters Oasis MAX）凈化，上機進樣測定。本法線性范圍在 0~100μg/kg，r=0.9900，定性定量檢出限均為 1.0μg/kg，加樣回收率為 78%~112.4%。經辣椒醬等 7 種食品檢測，結果滿意。本法靈敏度高，特別適合于低含量復雜樣品中蘇丹紅的分析。食品中農藥物殘留量的檢測

3.1 食品中農藥殘留量的檢測

為防治病蟲害，農業上廣泛使用各種農藥，其殘留量超標將嚴重影響人們的健康。林子掩等[18]采用自制硅藻土固相萃取柱，建立固相萃取-高效液相色譜（SPE-HPLC）法，同時測定蔬菜中甲氰菊酯、三氟氯氰菊酯、溴氰菊酯等農藥的殘留方法。4 中蔬菜樣品測定的回收率分別為卷心菜 80.7%~106.2%、花菜80.5%~102.6%、紅蘿卜63.0%~109.3%、青椒 74.9%~109.0%。RSD 均為 14.5。對于控制蔬菜質量有實用意義。

WEN Yuyun 等[19]應用高效液相熒光檢測器（HPLC-FL）測定茶葉中甲氰菊酯等 5 種菊酯類農藥的殘留量。實驗以乙晴-水(74：26)為流動相，流速為 1.2mL/min，梯度洗脫，柱后衍生化，FLD 檢測，激發波長：221 nm，發射波長：320 nm，本法線性范圍在 0.04~8.0μg/g，RSD為3.4%~6.4%，檢出限為0.012~ 0.048μg/g（重）。結果完全符合歐盟標準的要求，為出口茶葉質量提供保證。

徐遠金等[20]應用 SPE-HPLC-ESI-MS法同時測定疏菜中痕量甲胺磷、敵百蟲、馬拉硫磷、對硫磷等7種有機磷農藥殘留量。并根據測得的二級質譜離子碎片，研究7種有機磷農藥的裂解規律。樣品提取液經固相萃取后，采用用C18 柱分離。以0.1%甲酸乙酯-0.1% 甲酸水溶液為流定量動相，線性梯度洗脫，以保留時間和質荷比對分離出的組分予以定性確證，以峰面積進行定量。結果表明7種農藥的濃度與其峰面積在一定范圍內呈良好的線性關系。檢出限為0.002~0.090μg/kg，RSD=3.1%~5.2%。此法簡便、快速、靈敏，適于蔬菜中 7 種有機磷農藥殘留量的測定。

3.2 食品中藥物殘留量的檢測

我國一些水產養殖地區由于放養密度高、環境污染嚴重等原因，致使水生動植物發病率增加，有的漁民為追求經濟效益最大化，常在飼料中添加四環素類抗生素藥物，致使水產品中這些抗生素殘留增加，目前其殘留危害已引起世界范圍內的廣泛關注。

程雪梅等[21]采用 HPLC-MS-MS 法分析海產品中的四環素類藥物殘留。由于濃度很低，樣品經 2% 高氯酸提取，固相柱萃取，以乙晴-水-三氯乙酸體系為流動相，采用電噴霧離子檢測器進行質譜分析。結果金霉素、四環素、土霉素、強力霉素的檢出限分別為 0.008 mg/kg 和 0.062mg/kg?？梢詽M足海產中四環素類抗生素殘留測定的要求。

周艷明等[22]指出，有些抗生素如赤霉素，目前我國尚無標準測定方法，出于實際需要，并為國標提供方法，建立草莓中赤霉素殘留量的 HPLC 測定方法。樣品采用 80% 甲醇提取，經液液萃取，凈化，以紫外檢測器測定。結果表明，本法最低檢出限為0.017 mg/kg，加樣回收率為 82.8%~106.6%，RSD為3.2%~4.1%。方法準確可靠、簡便可行。亦可用于其它水果中赤霉素的檢測。

孫志剛等[23]應用 HPLC-SEI-MS 法測定水產品中甲羥孕酮殘留量。實驗樣品先用乙酸乙酯提取，氮氣吹干，乙晴溶解，正己烷除脂，中性氧化鋁小柱凈化，流動相為乙晴 c-0.1% 甲酸（70：30），RP18 柱分離，通過MS-MS測定。本法檢出限為0.03μg/kg，定量檢出限為 0.1μg/kg，可滿足我國出口檢測要求。

XIAX X 等[24]采用液相色譜質譜聯用測定家禽和豬肉、雞蛋中甲硝唑、替硝唑、洛硝唑和異丙硝唑的含量；DAESELEIRE E 等[25]應用液相色譜質譜聯用法，快速同時鑒定和測定雞蛋中洛硝唑、甲硝唑和地美硝唑的含量，結果滿意。YINJu-can等[26]采用固相萃取柱凈化處理后進行液相色譜-大氣壓化學電離源串聯四級桿質譜，在正離子模式下(HPLC-APCI(+)-MS/MS)對動物源性食品雞肉、豬肉、牛肉中甲硝唑等 9 種硝基咪唑類藥物及其代謝物殘留量進行分析。最低檢測量為 0.5μg /kg。上述方法簡便快速、靈敏可靠、專屬性好，為質量控制提供可靠的方法。

杜振霞等[27]應用超高效液相色譜-串聯四級桿質譜（UPLC-MS/MS）同時測定牛肉組織中環丙沙星、恩諾沙星、沙拉沙星等 3 種氟喹諾酮類獸藥殘留。樣品經萃取后測定，檢出限均為0.05μg/L，定量限為0.1μg/L。

ZHANGJian-li 等[28,29]采用 LC-MS/MS 法同時檢測保健品中非法添加的阿卡波糖、二甲雙胍等10種降糖藥和安定、硝基安定等 8 種鎮靜催眠藥。前者檢出限為 20mg/kg，后者檢出限為 1mg/kg。方法簡便快速、準確可靠，適于保健品中非法添加的化學類降糖類藥的常規檢測。

3.3 食品中毒素的檢測

黃曲霉毒素是黃曲霉和寄生曲霉的代謝產物，其基本結構都有二呋喃環和氧雜萘鄰酮,如毒素B1、G1和 M1等。日常 HPLC檢測這些物質時采用 C18柱，流動相為甲醇：0.01M KH2PO4(1：1),熒光檢測器，λEx360 nm，λEm245 nm。柳潔等[30]采用ODS Hy 2persil 5μm，125 mm×4 mm柱，流動相為甲醇：乙腈：水 = 15 ：13 ：72，熒光檢測器λEx 360 nm，λEm 440 nm，檢測出黃曲霉毒素B1、B2、G1、G2和 M1，檢測限達到 0.02 μg。

海產品貝毒大田軟海綿酸（OA）是一種小分子海洋聚醚類腹瀉性貝毒素。多由海洋甲藻產生。常蓄積于貝、螺等海洋生物體內，食用后易引起腹瀉性為主的食物中毒，且 OA 為強烈的致癌因子，對人類健康構成嚴重威脅。盧士英等[31]建立 ELSIA和HPLC-MS/MS同時測定花蛤和扇貝等 OA 的 2 種方法。前者檢測線性范圍在0.4~2.5μg /L，后者為10~800μg /L。前者靈敏度為 0.18μg /L，后者為μg /L。經 10 種海產品樣品檢驗，結果 ELISA 法檢出蛤蜊樣品的含量為3.82μg/100g，扇貝的含量為 2.32μg /100g； HPLC-MS/MS 法檢出蛤蜊樣品的含量為 3.42μg /100g。所建立的 2 種方法皆可用于海產品腹瀉性貝毒 OA限量標準檢測。小結

HPLC作為一種十分有效的分析分離手段，已廣泛地用于食品安全等領域，其技術也在不斷改進與發展，發展具有專家系統的智能多模式多柱的色譜系統是當今色譜發展的重點，即色譜專家系統將是一個必然趨勢。

HPLC另一個發展趨勢是聯用技術的發展。目前人們所面臨的問題, 往往很難再用單相分析分離方法解決, 而常需用色譜、質譜、光譜、核磁等多種方法綜合加以解決。隨著計算機技術的發展。多儀器聯用形式已成為現實，如 GC-LC、MS串聯質譜法分析海產品中四環素類藥物殘留

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第四篇：納米技術在航天領域中的應用

序列號： 16

課 程 論 文

課程名稱

21世紀高新技術

題目名稱 納米技術在航天領域中的應用 學生學院 管理學院 專業班級 電子商務1班 學 號

3113004743

學生姓名 陳昌桐 指導教師 曹曉國

2015年

11月 3日

摘要

本文初步介紹納米技術、納米材料及其結構在航天領域中的應用，綜述了納米衛星、納米碳管、納米面料、納米流體等航天領域的應用，重點介紹納米材料在航天器的結構材料和功能材料方面的應用。可以預料，納米技術的應用在航天領域有著相當廣闊的前景。

關鍵詞

納米技術；納米材料；航天；納米衛星；

正文

引

言

納米材料由于具有獨特的小尺寸效應而表現出不同于傳統材料的物理和化學性質。利用納米材料這些獨特的性質，可對傳統材料進行改性，進而開發出更高性能的材料，以滿足傳統材料所不能達到的要求，尤其是滿足航天航空領域對材料性能的特殊要求。

一、納米技術的介紹

納米技術（nanotechnology）是用單個原子、分子制造物質的科學技術，研究結構尺寸在0.1至100納米范圍內材料的性質和應用。納米科學技術是以許多現代先進科學技術為基礎的科學技術，它是現代科學和現代技術結合的產物，納米科學技術又將引發一系列新的科學技術，例如：納米物理學、納米生物學、納米化學、納米電子學、納米加工技術和納米計量學等。

二、航天技術的簡介

航天科學技術是20世紀興起的現代科學技術，自其形成以來，一直汲取基礎科學和其他應用科學領域的最新成就，高度綜合了工程技術的最新成果，并引領許多學科專業的發展，甚至促成某些專業的形成。它是20世紀以來發展最為迅速、對人類生活影響最大的科學技術之一。進入21世紀，航天科學技術繼續保持高科技的重要地位，在推動原始創新，促進學科交叉與學科融合方面扮演著重要角色。

三、納米技術對航天業的影響

首先是為航天業從宏觀向微觀發展提供了可能。專用微型集成器將取代現有航天器和運載火箭上使用的有關系統，最終將在航天系統引發一場技術革命，導致微型衛星乃至“納米衛星”的問世。

其次是納米技術的使用，將對原有的航天業的制造方法、實驗手段、研究方式帶來巨大沖擊，怎樣才能將納米技術引入到航天領域的制造方法、實驗手段和研究方式中呢?

納米技術在航天領域中的應用

一、納米衛星

納米衛星，又叫“納星”，通常指重量小于10公斤、具有實際應用價值的衛星。納米衛星的概念最早由美國宇航公司于1993年提出，未來重量可以實現降低到0.1公斤以下。利用微電子機械和納米電子技術制造的慣性檢測元件、換能器、射頻元件、光學元件、電源系統及各種傳感器核芯片作為星載設備，可使衛星的體積和重量大大減小。由于它的部件都集成在芯片上，故也稱為“芯片級衛星”。用一枚小型運載火箭一次可以發射數百枚到上千枚的這種衛星，從而使航天器的發射費用從目前的每磅一萬美元降至約 200 美元。

1995年，美國開始研制納米衛星。這種衛星比麻雀略為大些，所用元器件全部為納米材料制成。由于納米衛星性能好，可靠性強，故它在通信領域、軍事領域、對地觀測、科學研究等方面有廣泛的應用前景。

為降低發射費用，納米衛星常采用一箭多星的發射方式進行發射，目前已經發射的包括：俄羅斯的SPUTNIK-2衛星、美國的AUSat衛星和PICOSAT衛星，以及英國的SNAP-1衛星等。

納米衛星的功能多樣。QuakeSat衛星可以使用磁力計對高空的低頻磁場等進行研究，用以對地震進行分析預測。日本東京大學的XI-IV納米衛星就使用CMOS相機對地球和太陽影像進行拍照，英國薩瑞公司的SNAP-1型衛星可對其它衛星拍照，用以判斷在軌航天器的完好狀態和工作能力。nCube衛星可以接收船只的廣播AIS信號，提供船只的方位、位置等信息，確保船舶航行安全。此外，納米衛星組成的衛星網絡在應急通信領域也具有巨大的潛在優勢。

目前在國際納米衛星研究領域，美國處于技術領先地位。2002年12月，美國“奮進”號航天飛機就發射了兩顆只有2磅重的納米衛星。從2003年開始，美國空軍和國防高級研究計劃局開始研發新一代低成本軍用納米衛星，并于近幾年相繼交付。

二、納米碳管———太空纜繩

碳納米管由日本科學家于1991年研究發現，是由Sp2雜化碳原子排列成的石墨片層卷曲而成，具有納米級一維管狀結構的納米碳材料。理論預測和實驗結果均表明：CNT具有超高的強度、模量和韌性，其彈性模量高達1 TPa，拉伸強度超過100 GPa，斷裂伸長率達到15%-30%。

納米碳管具有強度高、質量輕、性能穩定、柔軟靈活、導熱性好、表面積大及許多奇異的電子性質等特點。單個納米碳管的直徑只 1.4nm，5萬個納米碳管并排在一起僅相當于一根頭發絲的直徑。它可能成為未來理想的超級纖維。納米碳管的一種可能具有突破性的應用，是用于太空升降機。用其做成的太空纜繩，與鋼或其他特質不同的關鍵是它能支持住自身的質量而不會斷掉。這就提供了一種把人或物品提升到外層太空的可能方法，也許將成為人類移居外星球的最理想方法。

2013年，中國清華大學魏飛教授團隊成功制備出單根長度達半米以上的碳納米管，創造了新世界紀錄，對于碳納米管的生長而言，其高溫生長過程中催化劑的失活是一個不可逆的規律，從而限制了碳納米管的長度；因此盡可能地提高其催化劑活性概率是進一步提高碳納米管長度的唯一途徑。

三、納米軍服面料和納米纖維

利用特殊的納米技術對傳統的材料進行處理，形成相互交錯混雜的具有互特性的二維納米相區，使原來無法兼容的特性通過它低度的相互協同作用表現出來，從而生產出功能強大的新型軍用服面料。這種新型軍服具有抗紫外線、吸收紅外線、抗老化和熱老化，以及減輕、保暖、隔熱的作用。由于納米材料具有小尺寸效應及宏觀量子效應，將大幅度地提高材料的彈性、強度、耐磨性和穩定性。二維協同納米技術的運用，使軍服不但防油、防水、抗菌、抗污，清潔起來也極其簡便，穿著也柔軟舒適，更加適應野戰條件下的要求。此類軍服所需面料，在理論上已得到證實，現正加緊應用研究。在這一領域我國處于世界先進水平行列。

四、納米流體流動強化傳熱

航天器中安裝有借助于液體工質單相對流換熱實現熱控制的泵驅動液體回路系統實現艙內溫度指標的控制。液體回路系統的質量及功耗在壓力艙內占有較大比例，而新型航天器(如大型航天器、無人自主深空探測器、小衛星和納米衛星等)的研制需求日益迫切，航天器的電子器件及設備的功率日趨增大，對航天器熱控制技術和液體回路系統提出了更新更高的要求，加上航天器所處的空間電子器件散熱困難。傳統的純液體工質和常規的散熱措施難以滿足熱負荷日益增長的航天器熱控系統的需要。目前，航天器液體回路系統采用的傳熱工質是一種冰點低、比熱大、粘度小、無毒的化合物，具有適合在航天器中使用的獨特優點，但由于它的導熱系數極低，很難滿足航天器不斷增長的高強度、高負荷傳熱的要求。

納米流體是指以一定的方式和比例在液體中添加納米級金屬或金屬氧化物粒子，形成一類新的傳熱工質。已進行的研究表明，在水、乙二醇等常規液體中添加納米粒子，可以顯著增加液體的導熱系數和對流換熱系數，顯示了納米流體在強化傳熱領域具有廣闊的應用前景。實驗研究已證明，納米流體強化傳熱技術應用于航天器熱控系統是可行的。

五、納米材料在航天器材料上的應用(一)納米材料在航天器功能材料上的應用

(1)金屬及金屬基復合材料

晶粒細化是目前唯一的一種既可以提高金屬強度，又可以提高韌性的方法，而且也是提高金屬材料強度最有效的方法之一。在納米金屬材料中普遍存在著細晶強化效應，即材料的硬度和強度隨著晶粒尺寸的減小而增大，利用添加納米陶瓷來增強金屬合金基材料的方法，就是把超微細陶瓷粉末引入金屬基體(如向鋁、銅、銀、鋼、鐵等合金中引入SiC、Si3N4、TiN)均勻分散于合金中，例如，將納米碳化硅、納米氮化硅、納米氮化欽、納米硅粉添加到金屬基體(鋁、銅、銀、鋼、鐵等合金)中，可制造出質量輕、強度高、耐熱性好的新型合金材料。

納米晶合金打破了常規合金生產中的一些定律，即硬度提高必然伴隨韌性下降的結論，對于小尺寸晶粒，納米合金變質劑的高表面活性可以使晶粒以較快速度合并，使晶粒尺寸增大和晶粒與晶粒合并的驅動力同時減小。在合金中形成晶須結構，明顯提高合金硬度及韌性。

研究發現，在航天領域使用較多的金屬材料Al、Ti，采用納米材料增強后，其強度有較大提高，同時重量有較大降低，有望在航天艙體結構材料上得到應用。

(2)聚合物基復合材料

納米粒子加入聚合物基體后，可提高其耐磨性、硬度、強度和耐熱性等性能。舉例說明，在酚醛樹脂中加入5 %左右的某納米粉，除層剪強度無顯著提高外，玻璃鋼的拉伸強度、彎曲強度、彈性模量等力學性能均有顯著提高，并且線燒蝕率顯著下降。北京玻璃鋼研究院的研究表明，將某些納米粒子摻入樹脂體系，對玻璃鋼的耐燒蝕性能大大提高。這些研究對于提高導彈武器酚醛防熱燒蝕材料性能、改善武器系統工作環境、提高武器系統突防能力有著深遠影響。像納米氮化鋁應用于環氧樹脂，玻璃化轉變溫度提高，彈性模量達到極大值。將納米氮化鋁添加到環氧樹脂中制得的復合材料，在結構上完全不同于添加粗晶的氮化鋁-環氧樹脂基復合材料：粗晶氮化鋁一般作為補強劑加入，其主要分布在高分子材料的鏈間，而納米氮化鋁由于表面嚴重的配位不足、龐大的比表面積使其表現出極強的活性，同時，尚有一部分納米氮化鋁顆粒分布在高分子鏈的空隙中。與粗晶氮化鋁相比，納米氮化鋁具有很高的流動性，可使環氧樹脂的強度、韌性及延展性均大幅提高。

(3)工程塑料及其它復合材料

納米材料與工程塑料復合既能提高工程塑料的固有性能，又可賦予其高導電性、高阻隔性及優良的光學性能等。因此，把納米材料應用于工程塑料的改性，可進一步拓寬工程塑料的應用范圍。

工程塑料與納米粒子復合材料就是采用納米粒子對有一定脆性的工程塑料增韌是改善工程塑料韌性和強度等力學性能的一種行之有效的方法。只要納米粒子與基體樹脂結合良好，納米粒子也可承受拉伸應力，增韌、增強作用明顯。少量納米氮化欽粉體用于改性熱塑性工程塑料時，可起到結晶成核劑的作用。而大量納米氮化欽顆粒彌散于PET中，可大幅提高PET工程塑料的耐磨性和抗沖擊性能。

另外的像還有工程塑料與納米磁性金屬及其氮化物復合材料，納米磁性材料具有單磁疇結構，其磁化率、矯頑力很高，飽和磁矩和磁損耗較低，而且它的磁化過程完全由旋轉磁化進行，所以可用作永磁記憶材料，以顯著提高信噪比，改善圖形質量，有望在衛星記憶材料上得到應用。國外已制造出性能優于NdFeB 的具有高矯頑力的納米 NdFeB 材料。日本于 1988 年研制成功的納米軟磁材料“Finemet”，具有鐵基非晶材料優異的高頻特性，有可能在航天儀表上得到應用。

而工程塑料與納米磁性金屬復合材料則具有特殊的光電功能(對電磁波有特殊的吸收作用)和優良的磁性能及導電性，可廣泛應用于軍事、航空航天、電子通訊等高技術領域。

比如用偶聯劑進行表面處理后的納米碳化硅，在添加量為10%左右時，可大大改善和提高PI聚酞亞胺)、PEEK(聚醚醚酮)、PTFE(聚四氟乙烯)等特種塑料的性能，全面提高材料的耐磨、導熱、絕緣、抗拉伸、耐沖擊、耐高溫等性能。

(4)陶瓷基復合材料

陶瓷基復合材料是以陶瓷為基體，與各種納米材料復合制得的材料。陶瓷基體包括氮化硅、碳化硅等。這些先進陶瓷具有耐高溫、強度和硬度高、相對重量較輕、抗腐蝕等優異性能，而其致命的弱點是具有較強的脆性，在應力作用下，會產生裂紋，甚至斷裂導致材料失效。而納米陶瓷在室溫下就可以發生塑性變形，在高溫下有類似金屬的超塑性。研究發現，將納米粒子分散到陶瓷基體中，可以極大提高材料的斷裂強度和斷裂韌性，明顯改變耐高溫性，并提高材料硬度、彈性模量和抗熱震及抗高溫蠕變性，其強度和韌性約提高 2～4 倍。

新型陶瓷材料具有優異的高溫強度、耐磨性、耐熱性和耐蝕性，是固體發動機碳 / 碳噴管和燃燒室之間的熱結構絕熱連接件的理想材料，還可用于噴管出口錐有關部件。把納米粉末引入陶瓷基體中制成顆粒增強復合材料可極大地提高材料的強度、韌性和高溫性能，使之成為很有前途的高溫結構材料，有可能用于未來的熱機和航天熱防護。

陶瓷基復合材料己實用化或即將實用化的領域有刀具、滑動構件、發動機制件、能源構件等。例如，納米氮化硅摻雜制造的精密陶瓷結構器件可用于冶金、化工、機械、航空、航天及能源等行業中使用的滾動軸承的滾珠和滾子、滑動軸承、套、閥，以及有耐磨、耐高溫、耐腐蝕要求的結構器件中。(二)納米材料在航天器功能材料上的應用

(1)導電、導磁、導熱、隔熱、耐燒蝕、防熱等功能材料

納米TiN具有優良的導電性能，在Al2O3基體中加入納米TiN顆粒可以有效降低其電阻率，隨著納米TiN加入量的增加，復合材料的電阻率逐漸降低，當加入量達到20vol%以后，復合材料的電阻率趨于穩定。由于納米材料自身的特點，納米TiN-Al2O3復合材料具有更好的導電性能，特別在低添加量時，效果尤為明顯。

超高導熱納米AlN復合的硅膠具有良好的導熱性，良好的電絕緣性，較寬的電絕緣性使用溫度（工作溫度-60℃～-200℃），較低的稠度和良好的施工性能。如CPU與散熱器填隙、大功率三極管、可控硅元件、二極管、與基材接觸的細縫處的熱傳遞介質。納米導熱膏是填充IC或三極管與散熱片之間的空隙，增大它們之間的接觸面積，達到更好的散熱效果。

納米AlN粉體可以大幅度提高塑料的導熱率。通過實驗產品以5~10%的比例添加到塑料中，可以使塑料的導熱率從原來的0.3提高到5。導熱率提高了16倍多。相比較目前市場上的導熱填料（氧化鋁或氧化鎂等）具有添加量低，對制品的機械性能有提高作用，導熱效果提高更明顯等特點。目前相關應用廠家已經大規模采購納米氮化鋁粉體，新型的納米導熱塑料將投放市場。

納米AlN粉體與硅匹配性能好，在橡膠中容易分散，在不影響橡膠的機械性能的前提下（實驗證明對橡膠的機械性能還有提高作用）可大幅度提升硅橡膠的導熱率，在添加過程中不像氧化物等會使其黏度上升很快，添加量很小（根據導熱要求一般在5%左右就可以使導熱率提高50%-70%），現廣泛應用與軍事，航空以及信息工程中。

飛行器在大氣中高速飛行時，由于氣動加熱飛行器表面與空氣發生劇烈的摩擦，產生大量的熱量，使飛行器表面溫度急劇上升。隨著科技的發展，采用納米改性的玻璃鋼材料能顯著提高材料的熱防護性能，在未來航天領域具有廣闊的應用前景。

在導彈、火箭的發動機噴管上防熱材料普遍采用碳-酚醛、高硅氧-酚醛。熱防護材料中的樹脂體系和含碳量決定了碳層的質量，進而影響其耐燒蝕性能。石墨及C-C復合材料是制造固體火箭發動機噴管的理想燒蝕材料，但石墨及C-C復合材料在使用中暴露出一個嚴重不足就是氧化侵蝕。在 500 ℃以上就可以被氧化，生成CO2、CO，使材料強度降低。通過在材料中加入非氧化物陶瓷納米顆粒，使非氧化陶瓷納米顆粒氧化成膜來實現碳材料自愈合抗氧化。

此外，納米材料在航天領域還有很多的應用，如采用納米材料對光電吸收能力強的特點可制作高效光熱、光電轉換材料，可高效地將太陽能轉換成熱、電能，在衛星、宇宙飛船、航天飛機的太陽能發電板上可以噴涂一層特殊的納米材料，用于增強其光電轉換能力；在火箭發動機殼體上噴涂一層防靜電納米涂料，可以有效的提高火箭工作的可靠性。(2)涂層材料

納米材料用作涂層可提高工件的耐磨性、抗剝蝕性和抗氧化能力。研究表明，用納米SiC、ZrC、TiC、TiN、B4C粉作為金屬表面上的復合涂層可以獲得超強耐磨性和自潤滑性，其耐磨性要比軸承鋼高100倍，摩擦系數為0.06-0.1，同時還具有高溫穩定性和耐腐蝕性等。在液體火箭發動機關鍵零組件中應用納米技術，大大拓展了這些零件的使用范圍。如在重載、高DN值軸承表面上采用納米級材料粉末涂層，可提高其壽命和可靠性。

在動密封和其他具有相對運動的摩擦副面噴鍍上一層納米級金屬或非金屬粉末就能極大地提高它們的抗磨損、耐高溫和防腐蝕性；采用納米磁性材料，探索發動機新型密封結構，可使發動機密封發生根本性改變等。這些技術在80年代研制的發動機上已得到應用，效果良好。將納米技術應用在液浮軸承中，會使軸承的壽命和可靠性成百倍提高。渦輪盤是發動機中最關鍵的零件，它是在高溫、高壓、高速條件下工作，失效率很高。如果采用納米級粉末冶金制造，將大幅度提高渦輪盤的強度和耐高溫性能。推力室的內壁冷卻和抗高溫是發動機的關鍵技術，經常因為推力室的冷卻和抗高溫問題而降低發動機的性能，如果采用納米級金屬粉末涂鍍在推力室內壁上，就可以解決這個問題。

用納米SiC、ZrC、TiC、TiN、B4C粉還可以作為模具、切削刀具、汽輪機葉片、渦輪轉子以及汽缸內壁涂層，耐熱涂層，散熱表面涂層，防腐涂層及吸波涂層等。(3)特種密封材料

發動機出現故障最多的是各種密封的失效，密封面的表面質量是決定密封性能好壞的主要因素，利用納米材料制成密封零件基體或在密封表面覆蓋一層納米粉末將會極大的改善其密封性。納米粒子加入橡膠能極大地改善其力學性能。納米AlN粒子與橡膠復合可以提高其介電性和耐磨性。添加納米SiN的新型橡膠不但具有優越的力學性能，還可以根據需要設計具有特殊性能的新型橡膠，這種新型材料中的納米SiN不僅具有補強作用，而且具有常規橡膠不具備的一些功能特性，例如通過控制納米SiN的顆粒尺寸可以制備對不同波段光敏感不同的橡膠，既可抗紫外線輻射，又可反射紅外；也可利用納米SiN制成電絕緣性能優異的橡膠。納米級金剛石粉可用來增強橡膠、塑料、樹脂。目前橡膠所用的增強劑多半為納米級炭黑，若改用SiN能使其拉伸強度提高1-4倍，并改善其耐磨性和密封性。(4)固體火箭推進劑

固體火箭推進劑主要由固體氧化劑和可燃物組成。固體火箭推進劑的燃燒速度取決于氧化劑與可燃物的反應速度，它們之間的反應速度的大小主要取決于固體氧化劑和可燃物接觸面積的大小以及催化劑的催化效果。納米材料由于粒徑小、比表面積大、表面原子多、晶粒的微觀結構復雜并且存在各種點陣缺陷，因此具有高的表面活性。正因為如此，用納米催化劑取代火箭推進劑中的普通催化劑成為國內外研究的熱點。近年來，國外研究了加入納米鋁粉以及金屬/聚合物納米層壓材料片狀粉末添加劑改性的納米火炸藥、推進劑和固體燃料。試驗研究表明，在火炸藥、推進劑和固體燃料配方中加入上述納米粉末具有加快燃燒速度，改善燃燒效率，提高性能以及防止凝結有害金屬微滴等優點。

將納米金屬粉添加到火箭固體推進劑中，可以顯著改進推進劑的燃燒性能。20 世紀 90年代美國的 Argonide 公司生產了商品牌號為Alex的納米鋁粉，用Alex納米鋁粉鋁化端羥基聚異丁烯，其燃燒速度是微米鋁粉(20～35μm)的2倍，燃燒速率是微米鋁粉的 40～60 倍，沒有鋁微滴凝結現象，從而避免了加入微米鋁粉會凝結鋁微滴造成降低燃燒效率、影響火箭飛行特性以及增加熱紅外信號等重大缺點。

未來展望

納米技術是在20世紀90年代初才逐步發展起來的一門主導性的新興科學技術，它將與信息技術和生物技術一樣，對21世紀經濟、國防和社會產生重大影響，并可能引導下一場工業革命。隨著納米技術以及大規模工業化生產進程的發展，納米材料在國民經濟各領域越來越得到廣泛應用。由于保密原因，納米材料在軍事、航空、航天等特殊領域的應用報道還較少。從納米材料的特性出發，結合航天產品的發展趨勢和特點，可以看出納米材料在航天領域具有較大的應用前景。

納米科學技術正處于重大突破的前夜，它取得的一系列成果，引起了關心未來世界發展的科學家的思索。人們正注視著納米科學技術領域不斷涌現出的奇異現象和新進展。納米技術無論是在理論上還是在實際使用過程中，還存在很多問題，需要我們進一步的探索和改進。我們相信，隨著納米科技的發展，納米材料在航天領域將得到越來越多的應用，納米技術將為促進我國的航天事業的發展做出重大貢獻。

參考文獻

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[11] 中國制備出世界最長碳納米管 可應用于航天 中國新聞網2013-07-31 http://

第五篇：材料科學在醫學領域中的重要應用

材料科學在醫學領域中的重要應用

摘要：材料科學是一門多學科交叉的綜合性學科，在很多科學領域都起著至關重要的作用。在醫學科學方面，它一次次的掀起新技術的革命，促進醫學的不斷發展。目前，它在解決困擾醫學界多年的難題——器官移植方面也起著重要的作用。

關鍵詞：材料科學、醫學、器官移植、生物醫學材料、醫用金屬材料、高分子水凝膠。

材料科學是基于物理，化學，力學，計算機科學、數學和生物學等基礎科學而形成的一門多學科交叉的綜合性學科，以研究材料性質，組成和結構，合成和加工以及它們之間關系為內涵和特色。它既是一個以探索自身規律為目標的基礎科學領域，又是一門與電子，冶金，能源，化工和機械等工程技術密切相關的應用科學。它在工業，航天航空，信息技術，交通運輸，軍事，醫學等領域都起著至關重要的作用。

在醫學領域，材料化學必不可少，新材料的不斷產生和應用在醫學領域掀起一次次的技術和觀念革命，不斷推動著醫學科學的前進與發展。微創介入技術的誕生，使得多年來醫療服務中追求已久的“及時，微創，無痛，舒適”的觀念終于得到實施，特殊的器械與材料使得醫生在進行手術時可以把刀口開小，有效減少病人的出血和創傷，使病人并發癥少，術后恢復快，尤其在治療心腦血管疾病方面更是療效顯著。納米材料的應用更是在醫學領域掀起了風暴——空心結構的金納米粒子利用納米材料特有的小尺寸效應在腫瘤診斷和治療方面起著重要作用，貴金屬納米銀以其超強的還原能力成為一種性能優良的抗菌材料，而目前正在研發的用于醫學方面的納米機器人相信其一旦問世，也將震撼世界。

在長期的醫學治療方面，對于病變的器官和組織，在器官移植技術沒有出現之前，人們長期停留在以藥物進行治療和緩解的階段。但能以藥物治好的都是輕中度的病變，而對已經重度病變或是已經壞死的器官，藥物根本不起作用，病人只能在極大的痛苦中死去。多年以來，醫療界一直在探求是否能夠進行器官移植來挽救患者的生命。但器官移植存在著三個重要的難關——1.移植器官一旦植入受者體內，必須立刻接通血管，以恢復輸送養料的血供，使細胞賴以存活，這就要求有一套不同于縫合一般組織的外科技術。2.切取的離體缺血器官在常溫下短期內（少則幾分鐘，多則不超過1小時）就會死亡，不能用于移植。而要在如此短促的時間內完成移植手術是不可能的。因此，要設法保持器官的活性，為器官移植手術贏得時間。3.醫療上用的器官來自另一個人。但是受者作為生物有著一種天賦的能力和機構（免疫機構），能對進入其體內的外來“非己”組織器官加以識別、控制、摧毀和消滅。這種生理免疫過程在臨床上表現為排斥反應，導致移植器官破壞和移植失敗。人類的主要兩大類主要抗原：ABO血型和人類白細胞抗原(HLA)，它們決定了同種移植的排斥反應。ABO血型只有4種(O、A、B、AB)，尋找ABO血型相同的供受者并不難；但是HLA異常復雜，現已查明有7個位點，即HLA──A、B、C、D、DR、DQ、DP，共148個抗原，其組合可超過200萬種。除非同卵雙生子，事實上不可能找到HLA完全相同的供受者。所以，同種移植后必然發生排斥反應，必須用強有力的免疫抑制措施予以逆轉。在經過幾十年的探索及解決這些問題之后，1962年美國J.E.默里第一次進行人體腎移植獲得了長期存活，標志著器官移植作為醫療手段成為現實。

但是盡管器官移植手術經過幾十年的發展已經十分成熟，但仍然存在著很大的 弊?。?.可移植的器官數量稀少，往往很多病人還未等到所需器官就已去世。2.某些器官移植的難度太大，醫生稍不注意就會造成醫療事故。3.某些病人因自身體質原因不能進行器官移植。4.由于病人體質的各不相同，免疫抑制藥物的用量很難控制，往往引起較大的不良反應。5.道德、倫理、法律上的某些問題不允許進行有關的器官移植。

但是，生物醫學材料的出現和應用有效的解決了這一問題。生物材料種類繁多，按照其屬性，可分為天然生物材料，合成高分子生物材料，醫用金屬材料，無機生物醫學材料，雜化生物材料，復合生物材料等等。其中，醫用金屬材料應用最早，可被用做生物材料的金屬和合金，是非常合適的外科用金屬材料。它具有較高的機械強度和抗疲勞性能，良好的生物力學性能和優良的抗生理腐蝕性，生物相容性，無毒性和簡易可行及確切的手術操作技術。眾所周知，骨、牙齒這樣的硬組織損壞之后，由于器官移植所需費用過高且會產生免疫排斥反應，所以具有和這些硬組織一樣有較高的強度和韌性的的金屬材料被廣泛的應用于修復和替換這些硬組織。如不銹鋼材料因其具有耐蝕性和屈服強度，所以可以用來制成多種形體，如髓內針、齒冠、三棱刀等器件和人工假體用于臨床；鈷基合金由于具有極為優異的耐腐蝕性和耐磨性而被應用于人工關節的制作，人工骨及骨科內處固定器件的制造，齒科修復中的義齒，心血管外科及整形科等；記憶合金由于其特有的形狀記憶效應，而在臨床上被應用于如外耳道之類的管腔狹窄的治療，斷骨連接，彎曲脊柱矯正等等。醫用高分子材料的應用也十分廣泛。由于其是由天然聚合物衍生或改性而來，因此其具有一些獨特的性能。如高分子水凝膠，它由于具有三維網絡結構，所以具有在水中能夠吸收大量的水分溶脹，并在溶脹后繼續保持其原有結構而不被溶解性質，因而被廣泛的應用于生物醫藥領域。它類似于生命組織材料，表面粘附蛋白質及細胞能力很弱，在與血液、體液及人體組織相接觸時，表現出良好的生物相容性，它既不影響生命體的代謝過程，代謝產物又可以通過水凝膠排出，性質上類似于細胞外基質部分，吸水后還可減少對周圍組織的摩擦和機械作用。因此，它可以代替壞死或功能低下的器官，起到相同的作用——1.可作為組織填充劑，注射隆乳、面頰、顳部、臀部填充，陰莖加粗等。2.防止受傷的子宮角、腱、腸的漿膜引起組織之間的粘連。因其含水率高，避免了血栓的粘附；又因其柔軟而富彈性，傷害所接觸生物組織的可能性很小。3.因為其具有透氣性和生物適應性，可制作成角膜接觸鏡，具有矯正視力和追求美觀的作用，而且比傳統的隱形眼鏡更加方便，舒適，也比傳統的視力矯正手術更加安全、可靠。當然，具有像這樣的特殊功能及生物活性的材料還有很多，它們都可被用作制成相應的人造器官來造福人類。目前由于多種新材料的誕生和應用，越來越多的衰竭或壞死器官可以被新研發出的人造器官所取代。其生理功能和移植器官的功能不想上下，甚至更為優異。而且沒有免疫排斥反應，患者的恢復時間也較快。雖然此項技術目前還不十分成熟，但是相信日后必將在醫學領域帶來一場革命。

當然，材料科學在醫學領域的重要作用不僅于此，醫療觀念、技術、手段、器械等的不斷進步都與材料科學的發展有著重要關系，材料科學對醫學科學的發展有著重要影響與推進作用。

參考文獻： 百度百科

《水凝膠在醫學領域的熱點研究和應用》，楊連利，梁國正《材料導報》2007年2月第21卷第二期

《水凝膠的應用與研究發展》，王萃萃，楊偉平，許戈文《PU技術》 《口腔材料器械雜志》