多媒体技术在五大领域中的应用[全文5篇]

第一篇：多媒体技术在五大领域中的应用

多媒体技术在五大领域中的应用

内容摘要：与传统教学方法相比，多媒体技术具有灵活多变，可控性和交互性强等特点，能够很好地增强教学效果,所以目前我国的很多幼儿园都在大力推广多媒体技术。本研究旨在通过对多媒体技术在幼儿园五大领域的应用情况，探索多媒体技术在幼儿园教学中合理化应用的方法策略.关键词：多媒体教学 五大领域

与传统教学相比，多媒体教学可以将教学素材化静为动、化远为近、变小为大、声像并茂，改变了过去只利用挂图、图片等呆板单一的表现形式，使一些在日常生活中很难呈现或不易观察到的过程形象地展现出来，对提高幼儿学习兴趣和提升教育效果有一定的作用。

但多媒体技术作为一种新的教学形式和手段，在推广和应用过程中也难免出现一些问题，比如多媒体使用得太滥、操作得太浅、运用得太少等等。这些问题的出现给我们的幼儿教学带来一些负面情况，不利于我们更好地将多媒体技术应用到幼儿园教学中。如何在幼儿园正确合理地应用多媒体教学手段开展集体教学活动，并且为幼儿园教师培训提供明示，就成了我们每一位幼教工作者都很关心的问题。

（一）多媒体技术在五大领域的应用

（1）多媒体在语言教育中的应用

传统语言教学通常通过几幅图片、几张画的方式进行，已远远不能满足现在幼儿的需要。现在教师运用多媒体课件将故事的意境、内容、语言统合在了一起，并以生动有趣的画面展现出来，一方面吸引了孩子们的注意力，另一方面通过生动的动画与多变的表现，将抽象的文字知识变得形象和富有生趣，幼儿在轻松的氛围中完成了学习任务。

如：在小班教学儿歌《袋鼠妈妈》，幼儿对儿歌中的“相亲相爱”一词不理解，教师用FLASH软件制作了一幅小袋鼠和袋鼠妈妈相互亲吻拥抱的画面，教师运用鼠标反复点击画面，小袋鼠依偎在袋鼠妈妈的怀抱里，袋鼠妈妈深情地抚摩着小袋鼠，这就很容易让幼儿理解“相亲相爱”一词，在以后的表演中，孩子能形象地表达出相亲相爱的动作。

教育心理学指出学习者开放多个感官通道比只开放一个感官通道要能更准确更有效地掌握学习对象。在绘本阅读中，教师很巧妙地利用了录音笔配合放大的绘本画面，来诠释不同角色的语气语调，使教学活动绘声绘色。

例如，在大班绘本阅读《城里老鼠和乡下老鼠》的活动中，教师首先分段播放事先录制好的故事录音，先请幼儿整体听一遍，再边提问边用停顿播放的方法放录音。由于教师使用了不同角色的语气语调，幼儿很容易理解故事的内容和人物情感的变化，再加上教师在录音中加入了一些特殊音效（例如风声、狼叫声），对渲染故事氛围起到了很好的效果。

（2）多媒体技术在科学教育中的应用

在科学活动中包括了许多抽象的科学道理，并具有较强的严密性，运用多媒体技术可以使抽象深奥的科学知识具体化、形象化、趣味化，从而激发幼儿对科学的兴趣，使他们主动观察、探索、思考。比如《宝宝从哪里来》，幼儿对自己的出生充满了好奇，迫切想知道到底是怎么回事。但传统的教学只是一味地说教讲解，教师又很难用语言表达，幼儿也听得吃力，强烈的好奇心、求知欲得不到满足。通过多媒体的制作，把宝宝在妈妈肚子里的环境设计好，然后用两颗种子相遇——粗浅轮廓——五官——手脚——吮吸等一系列的胎儿形象，生动地展现在画面上，不但容易理解，而且知识完整、印象深刻。活动中儿童被深深地被吸引了。

在幼儿科学教学中运用多媒体技术可以优化教学内容，使教学内容变得可视、可听、可感、可知，并能扩大教学信息量，拓宽幼儿知识面，有利于幼儿感知、理解新知识，在探索中了解事物发展变化的规律。

如在大班幼儿学习《认识蚂蚁》的时候，教师用课件将蚂蚁头、胸、腹、触角、眼睛、嘴巴、腿等各个部位的名称，以及庞大的蚂蚁地下王国内部构造，形象地展现在幼儿面前，使得复杂难懂的内容变得直观生动、易于理解，幼儿很快就能区分工蚁，蚁后和兵蚁。

（3）多媒体技术在数学教育中的应用

考虑到数学本身的抽象性和现实性，以及“幼儿数学知识内化需要借助于表象作用”、“对数学知识的理解要建立在多样化的经验和体验基础上”的心理特点，多媒体技术恰恰能为数学教学带来一种新的尝试。多媒体课件色彩鲜艳、画面逼真、特别是具有趣味性和动画的特点，在教学中适时地运用，可以激发幼儿学习的兴趣和探索的欲望，使幼儿始终保持学习的积极性、主动性。

如：大班数学“认识时间”活动，我制作了多媒体课件《认识时间之闯关游戏》。由滴滴答答的声音开始，让小朋友猜是什么？小朋友立刻被吸引，大声说是时钟。画面再展示出一个城堡，告诉小朋友如果能回答出画面上所有的问题，就能顺利闯关，每一关过后都会有鲜花和掌声，小朋友立刻有了浓厚的兴趣，思维变得十分活跃。用FLASH制作的钟面，可以分解刻度和指针，并且能够演示分针和时针赛跑的画面，幼儿在轻松愉快的氛围中学，玩中学，学中玩，这堂课体现了教学的个性化。

（4）多媒体技术在美术教育中的应用

幼儿美术欣赏教育的对象很广泛，包括绘画作品、雕塑作品、工艺美术作品、建筑艺术、儿童美术作品、自然景物、周围环境。像一些世界著名的建筑、世界名画和自然景观，幼儿是没有条件亲自接触的，而多媒体的运用为我们创造了美术欣赏的全新舞台。每个人对作品的理解是不同的，孩子们能用自己的眼睛去观察、去感受欣赏对象，而不是接受教师单一的理解。在欣赏活动时播放背景音乐，渲染气氛，创造意境。在形、声、色全方位地调动视听觉，结合教师生动的语言，加深对作品的理解，提高教学效果。

大班美术欣赏活动《百老汇爵士乐》，不仅表现喧嚣的城市、闪烁的霓虹灯，更是再现了爵士乐强劲的节奏，极具个性的旋律：时而如诉如泣、时而强劲高坑、进而激动奔放。

为了让幼儿理解音乐与绘画内在的相遇，教师在课件中加入了欢快、活泼、节奏分明的爵士乐，并且配合跳动的音波线，幼儿很快地理解和感受到：这幅画就是一首充满节奏感的爵士乐。红、黄、蓝无数的色块就是一个个跳跃的音符，散布着的色块，营造的是变化的节奏和振动的频率，带给幼儿明亮、快乐、兴奋的感觉。

在绘画教学中教师的示范很普遍，手绘示范存在图像小，速度慢、教师背对幼儿容易遮挡视线等缺点。运用多媒体技术，教师可以与幼儿面对面交流沟通，及时对幼儿的信息做出反馈。多媒体画面图像可以放大、色彩又鲜艳，能够增强美术教学的情景，优化教学结构。

如：在大班美术《蚂蚁飞上天》的教学活动中，教师先播放课件，优美的动画、动听的故事，极大的调动了幼儿的学习兴趣。在欣赏完课件后，幼儿根据故事情节大胆想象，创作出了一本本有趣的连环画。最后教师用实物投影仪将幼儿作品进行展示讲评，幼儿通过自评、互评相互学习，使自己的绘画创造能力得到进一步提高。

（5）多媒体技术在音乐教育中的应用

在音乐活动中，充分合理地利用多媒体进行教学，能够贴近幼儿心理发展水平的最佳状态，大大激发了幼儿学习歌唱活动的兴趣。快捷交流、方便的播放功能避免了录音、录像机因倒回播放而中断教学分散幼儿注意力，影响幼儿思维等弊端的发生，使教师能更主动地控制教学过程，从而增强教学效果。

如：《小熊过桥》的歌曲发展顺序是小熊过桥——小熊害怕——妈妈鼓励——小熊过了桥，在录音的时候，可以分四次将四个乐段分别命名录制，播放时点哪个乐段，就会播放哪个乐段，便于在欣赏时加深印象，对作品更加深入地理解。

在《小蜗牛》的音乐活动中，歌曲的画面上出现蜗牛爬行时分泌的粘液干后形成的一道亮白的线，在歌曲中这一现象被形象地表现为小蜗牛记性差，总是找不到自己的家，身上带着一只小蜡笔，一边走一边画，顺着线找回家。想象拟人的动画画面，声像结合富于趣味，有利于幼儿进行观察思考，易于理解和记忆。

在教授少数民族的舞曲和歌曲时，配合多媒体的操作，向幼儿展示各民族不同的风俗、建筑、语言、服装等等，真实自然地在音乐活动中渗透多元文化的教育，更有利于幼儿感受美、表现美。

（6）多媒体技术在健康教学中的应用

近几年，安全成为了一个人们普遍关注的话题，面对越来越频繁的灾难，人们更积极地树立了防患于未然的理念。在面对各种灾害时，如何采取有效措施，沉着冷静地保护自己的生命和健康，对于幼儿园的孩子来说，是必须要掌握的技能。幼儿园健康教育的重要组织方法之一是讲解示范法，多媒体技术可以模拟各种灾害场景，真实地指导幼儿进行活动的开展。

在大班健康教育《地震来了我不怕》的活动中，教师先播放一段“5•12“汶川大地震的视频包括震后救灾、营救录像，将幼儿引入到灾难的氛围中，请幼儿说说自己看到了什么？有什么感受？再结合情境，提出问题如果地震来了，在家里和在室外应该采取什么保护措施。在幼儿讨论后，教师结合《地震自救宣传片》，给幼儿一一讲解示范，为下一环节幼儿模拟演练紧急撤离、逃生演习做好铺垫。

演习后，活动延伸部分，师生观看《唐山大地震》的片段，感受大自然的强大和应对突如其来的灾难时心理准备。由于活动使用了一段非常适合幼儿的地震自救宣传片的视频，它从孩子遇到地震时的情境展开，对各个注意事项和措施都做了形象生动的说明，幼儿都非常感兴趣。（7）多媒体技术在社会教育中的应用

社会教育往往是许多领域的整合，纲要指出：“社会领域的教育具有潜移默化的特点。”社会教育要“避免单一呆板的言语说教”。幼儿对教师的说教一般难以接受，而多姿多彩、变化无穷的多媒体技术能将空洞抽象的概念制作成影像，构成现实，帮助幼儿认识社会、了解社会、明辨是非，能促进幼儿思想品德的形成。

大班社会活动《祖国妈妈过生日》的目标中涉及一条“感受祖国六十一年的变化，大胆表达自己的想法”，教师在整节课中充分利用了《开国大典》的视频资料，让原本遥不可及的时代跃然眼前。多媒体拉近了时空的距离，幼儿在珍贵的视频资料中，身临其境地感受着祖国六十一年的变化。幼儿为祖国妈妈诞生之前受日本侵略而愤怒，为毛主席在开国大典上的那句“中华人民共和国在今天成立了”而欢呼不已，为如今祖国能成功举行奥运会、世博会而无比自豪。许多孩子都喊出了长大要当解放军保卫祖国妈妈的梦想，这堂课无疑是非常成功的！

数码相机因具备拍摄静态照片、照片连拍、短小视频等功能，比较多地被幼儿园教师运用于记载、记录孩子的学习成果、成长足迹，成了沟通家园，向家长展现孩子在园生活、学习的一种手段，很好地推动了家园间的相互了解、沟通、共育。同时在教学中，数码相机对实际图片、生活场景的记录，也为孩子们提供了许多生动具体的探讨、交流话题，在常规引导、具体行为指导中都收到比较好的效果。

比如：在《快乐的中秋节》的系列活动中，教师先去月饼生产车间拍了一段月饼制作的流程，并请师傅一一讲解，幼儿观看后对月饼制作有了大致的了解。教师又结合上届幼儿制作过程中拍摄的照片，边演示边讲解制作的重点和曾经出现的问题，然后幼儿亲自动手做月饼。在做的过程中，教师一直用数码相机拍摄照片和视频，记录幼儿的行为表现。月饼做好后，所有月饼被送进食堂烘焙。在第二次的活动中，大班的幼儿带着自己亲手制作的月饼，去小班和弟弟妹妹一起表演节目、亲亲抱抱弟弟妹妹、一起分享自制的月饼，过了快乐团圆的中秋节，教师又及时地记录了这个非常温馨的场面。回到班级后，教师趁热打铁将两次活动的视频和照片播放给幼儿看，让幼儿自己来评价，大胆表达自己对活动的感想。由于是亲身经历的事件，又在屏幕中目睹了自己的表现，孩子们的热情高涨，发言十分踊跃。课后教师将部分照片冲洗出来并配以简洁的文字布置在教室中，整个活动非常完整。

(二)教师在多媒体使用中存在的问题

1、师资素质限制了对多媒体技术的使用

部分教师在操作多媒体的过程中出现了一些问题：使用水平不高、制作水平低、照搬别的教师已经制作好的课件、自己对课件内容不熟悉。S园的幼教师资绝大多数来自中等师范学校的幼师班和幼儿师范学校；还有相当一部分来自职业高中、职业中专的幼教班，学生在校以专业技能为主，毕业出来的学生多是在教学工作实践中接触和学习使用一些简单的电教设施如幻灯、投影、录音机、录像机等，对课件的深入开发还谈不上。

2、部分教师过分依赖多媒体

部分教师操作多媒体过多过滥，整节课大部分时间是在放幻灯，而忽视了儿童的操作。事实上这对教学的推动、对幼儿发展都是不利的。幼儿需要与材料进行交互，需要通过操作探索、猜测、验证，过多的多媒体播放剥夺了幼儿的好奇心，答案的提前揭示无疑是一种灌输。而且大容量、高密度的课件内容，让幼儿无法消化吸收，并产生厌恶感。我们需要给幼儿留有充足“试误”的机会，只有亲自体会的东西才有更深刻的理解，也是对幼儿良好学习态度形成的一种促进。

3、一些多媒体作品华而不实

少数教师制作多媒体课件一味追求画面的美感，并且加入许多与主题无关的音效，虽然热闹，但实则形式大于内容。事实上运用多媒体是为了让教师上课轻松方便，让幼儿学习更有趣和直观。而太过花哨的课件，不仅花费了教师大量的时间，增加了工作量，而且很可能导致幼儿的注意力被吸引到教学内容以外的事物上，降低了课堂教学效果。

(三)对策与建议

通过以上的研究，本文对幼儿园多媒体技术操作提出以下建议。

1、加强师资队伍培训，鼓励教师自己开发课件

为了提高教师掌握和运用多媒体技术的能力，幼儿园应当积极加强师资队伍培训。因为一线教师非常了解幼儿的实际需求，一旦他们能够运用好多媒体这把双刃剑，教学效果将事半功倍，所以幼儿园应该鼓励教师自己开发课件。在培养幼儿教师的高校和中等师范学校，应当设置边缘学科，培养、配置一批复合型人才。幼儿园管理者应当建立激励体制，鼓励多媒体教学，促进教师的学习热情。多媒体固然是先进的教学手段，怎么利用好这种先进，教师的素质素养首先是先进的。作为好的诉说者，不仅仅是会运用好多媒体，更要运用好多媒体与学生融为一体，站在学生的角度去看待多媒体。

2、明确教学手段是为教学目标服务

好的教学是教会学生怎么去学，而非灌输。合理选择使用多媒体的时机，而不是每节课都非用不可。要明确任何教学手段都是为了服务于教学目标，教学手段无好坏之分，关键在是否真正促进幼儿的学习。要坚持效率性原则，在使用多媒体教学的同时，灵活结合其他多种教学手段，适当增加幼儿的操作机会，促进幼儿高效学习。

3、吸取经验，教学内容与形式相得益彰

针对有些幼儿教师制作课件形式大于内容的错误倾向，幼儿园可以对优秀多媒体课件的教学成果进行合理整合，从中找出不足，总结经验，并做到对优秀课件的再次使用和重复使用，而不是一味地照搬照抄。

幼儿园应建立自己的软件资源库，存放自制、改编、网上下载、购买的多媒体软件，并及时更新。此举可用于本园的教学，也在各园间相互交流、共同提高时提供了方便。多媒体的优势在于有形有色又音集成的光影设备本身就是现代社会必不可少的用具，把这种设备搬进教室，作为老师的辅助教具，也是必然的趋势。

第二篇：复合材料在航空领域中的应用

复合材料在航空领域中的应用

先进复合材料具有高比强、高比模、耐疲劳、多功能、各向异性和可设计性、材料与结构的同一性等优异性能，自上世纪60年代年问世以来，先进复合材料很快获得广泛应用，成为航空航天四大材料之一。下面就让我们对先进复合材料的应用情况和其优异性能做一简要介绍。

1．应用先进复合材料可以显著提高战斗机作战性能

为满足新一代战斗机对高机动性、超音速巡航及隐身的要求，进入90年代后，西方的战斗机无一例外的大量采用复合材料结构，用量一般都在25％以上，有的甚至达到35％，结构减重效率达30％。应用部位几乎遍布飞机的机体，包括垂直尾翼、水平尾翼、机身蒙皮以及机翼的壁板和蒙皮等。如美国第四代战斗机F-22复合材料用量已达到24%，而EF2000更高达43％，EF2000除鸭翼外，机身、机翼、腹鳍、方向舵都采用复合材料，结构的“湿润”表面的70％为复合材料，阵风也是如此，70％的“湿润”表面为复合材料，约947kg之重。F-35的复合材料几乎覆盖了整个飞机外表面。

2．应用先进复合材料可以明显增大军用运输机有效载重量

C-17是上世纪先进大型军用运输机的典型代表，C-17是1986年设计的，限于当时的水平，复合材料主要用于次要结构，如雷达罩、整流罩、操纵面、口盖、翼梢小翼蒙皮等，复合材料重约7258k，占该机结构重量8.1%。树脂基复合材料从非承力结构发展到次承力构件。在复合材料中碳纤维增强复合材料约占结构重量6%，玻璃纤维塑料、Kevlar纤维增强材料占2%。而欧洲EADS正在研究的A400M属于新一代大型军用运输机，在材料应用技术上有了一个新的飞跃，主要表现为先进复合材料占结构重量的35%~40%。与C-17不同的是，在A400M上，碳纤维复合材料用于一些主承力结构，而C-17的复合材料结构重量比仅为8%，且主要用于操纵面及次要结构。A400M的机身仍由传统的铝合金制成，但却开创了采用碳纤维复合材料制造大型运输机机翼的先河，机翼长达19米，令业界颇为瞩目。

3．应用先进复合材料是高超声速飞行器能否上天的关键因素

高超声速技术主要指研制高超声速（Ma>5）飞行器所需的相关技术。近中期将采用的材料将包括陶瓷纤维增强的金属基复合材料、陶瓷及碳碳复合材料以及轻质隔热材料。此外，发动机及机身将需要导热率高的材料，如碳碳复合材料。更远的将来，将需要先进型的材料，如铍基复合材料之类的超轻材料以及纤维增强陶瓷之类超高温材料。

以NASA开发的第二代可重复使用航天飞机为例，油箱内衬为复合材料。在推进系统中将采用陶瓷基复合材料发射斜轨、金属基复合材料机匣以及树脂基复合材料涵道。此外还将采用复合材料电子设备舱。第三代可重复使用航天飞机将为一智能结构，具有自适应热防护系统及智能化无损检测装置，自愈合的飞机结构及表面。发动机材料将可能使用经冷却的复合材料、金属基复合材料加力燃烧室壳体、超高温复合材料。结构材料将包括超高温树脂基复合材料、低成本耐腐蚀热防护系统复合材料液氧油箱。

美国高超声速飞行器X-43是由超燃冲压发动机作动力装置的验证机。其油箱/机身由石墨/环氧框架及蒙皮组成。蒙皮外再覆以热防护系统。飞机上翼面热防护层为可剪裁的先进绝缘毡，下翼面为内多层屏蔽绝缘物。后者是正处于开发中的防热材料，由C/SiC外面板，中介陶瓷屏以及先进聚酰亚胺泡沫内衬。中介陶瓷屏覆以贵金属以降低其热辐射。机翼及垂尾由钛基复合材料制成，并有一个由二硼化锆制成的前缘。

4．应用先进复合材料能大幅增加无人战斗机载油量

国外目前研制的无人机以复合材料和传统铝合金的混合结构为主。如“捕食者”“全球鹰”等均是如此。其中“全球鹰”的机翼和尾翼由石墨/环氧复合材料制造，而机身仍采用传统铝合金，复合材料占结构重量的65%。

无人战斗机是未来航空武器的一个重点发展方向。为满足采购政策、隐身性能、机动性、生存力对材料的特殊需求，为尽可能地降低结构重量、提高燃油装载量，无人战斗机结构的一个显著特点就是大量应用复合材料。以波音公司的X-45A为例，除机身的龙骨、梁和隔框采用高速切削铝合金外，其余的机体结构都是由复合材料制成。诺斯罗普格鲁门公司的X-47A的机体除一些接头采用铝合金外，整个机体几乎全部采用了复合材料。

5．应用先进复合材料可以极大提升民用飞机市场竞争力

民用飞机方面，复合材料的使用对于增大客舱湿度进而改善乘客的舒适度、降低油耗、易于实现结构/舱内材料的一体化、减少零部件数量、简化系统安装及缩短总装时间等方面潜力巨大。波音、空客两家大型民用客机制造商均将其视为实现新飞机机体减重及降低直接运营成本的有效途径。如在新一代波音787飞机上，复合材料用量将达到50%，创大型客机复合材料的应用记录。欧洲空中客车公司在新近研制的A380型宽体客机的机翼和机身结构上均采用了先进复合材料，用量已占结构重量的25%，其中碳纤维增强复合材料占22%，另采用了3%玻璃纤维增强的铝合金层板复合材料Glare。在机翼前缘等处还采用了聚苯硫醚热塑性复合材料。该公司目前正在研制的新一代客机A350，复合材料的应用比例也将达到39%。

6．应用先进复合材料在减重的同时很好地改善了直升机抗坠毁性

直升机采用复合材料不仅可减重，而且对于改善直升机抗坠毁性能意义重大，因而复合材料在直升机结构中应用更广、用量更大，不仅机身结构，而且由桨叶和桨毂组成的升力系统、传动系统也大量采用树脂基复合材料。H360、S-75、BK-117和V-22等直升机均大量采用了复合材料，如顷转旋翼飞机V-22用复合材料近3000公斤，占结构总重的45％左右，法德合作研制的“虎”式武装直升机，复合材料用量更高达77％。

7．先进复合材料在航空发动机上也得到成功应用

航空发动机使用碳纤维增强树脂基复合材料取代金属材料可以有效减轻发动机重量，降低燃料消耗，增加航程。有资料报导，发动机减轻1磅重量，从而使飞机可减轻10～20磅重量。从70年代初，复合材料就成为TF39、F103特别是GE36UDF发动机研制计划的一部分，在这些发动机上积累了经验之后，在GE90的风扇叶片上成功使用了高性能韧化环氧复合材料。此外，在F119风扇机匣、遄达发动机的风扇机匣包容环及反推力装置上也广泛采用了树脂基复合材料。

近期开发的波音787的动力装置GEnx的风扇机匣及风扇叶片，将由碳纤维/环氧树脂基复合材料制成。除减重外，复合材料还表现出良好的韧性及耐蚀性。

至于陶瓷基复合材料等超高温复合材料，目前已在M88、F119等发动机尾喷管等静止件上获得应用。

随着飞行器向高空、高速、无人化、智能化、低成本化方向发展，复合材料的地位会越来越重要。国外预计，在下一代飞机上，复合材料将扮演主角，目前采用全复合材料飞行器的计划正处于酝酿之中。

第三篇：高效液相色谱技术在食品安全领域中的应用

高效液相色谱技术在食品安全领域中的应用 摘要：本文综述高效液相色谱在食品安全检测中的应用。详述食品添加剂、非食品添加剂、农药残留量、抗生素药物残留量、毒素的检测等的检测技术。对于保证食品质量、维护人民健康安全有着重要意义。关键词：高效液相色谱技术；食品安全；食品添加剂；非添加剂；农药残留量；药物残留量；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

高效液相色谱(HPLC)是 60年代后期发展起来的分离分析技术，是现代分离测定的重要手段[1]。问世以来，因其具有分离效能高、分析速度快、检测灵敏度好、能分析高沸点但不能气化的热不稳定生理活性物质的特点而被广泛应用于生物化学、药物及临床分析[2]。近年来，随着色谱技术的不断发展，各种工作站软件的开发，以及与质谱等仪器的联用，大大拓宽了 HPLC的应用范围。目前很多新型专用的 HPLC仪不断出现，如氨基酸分析仪、糖分析仪、离子色谱仪等相继出现[3]。

近年来常有食品安全事故发生，例如食品添加剂超标；一些食品农药残留和有害物质超标，苏丹红事件、三鹿奶粉事件就是先例。这些产品不合格，严重影响我国的声誉和人民的安全。此时，精密的高效液相色谱仪器就发挥重要作用。本文仅就高效液相色谱质谱在食品检测中的应用进行综述，以供参考。食品添加剂的分析

1.1 甜味剂

天然甜味剂有蔗糖、葡萄糖、甘草酸钠盐等，人工甜味剂有糖精及其钠盐，环已基氨基磺酸钠和甘精。甘精毒性大 , 各国都禁止使用, 我国准许使用糖精钠、环已基氨基磺酸钠、天门冬酰丙氨酸甲脂、麦芽糖酸、D-山梨糖酸、甘草和甜味菊等。糖精钠是使用历史最长的人工合成甜味剂之一，WHO制订的ADI为 0～2.5 mg/ kg。单独测定食物中的糖精钠方法较简单，使用反相色谱柱，以甲酸： 0.02 mol / L乙酸铵（5：95）为流动相，紫外检测器，波长选择 230 nm，可以很容易地获得结果，这是国家标准检验方法[4]。

甘草苷系天然甜味剂，溶于水、乙醇中，不溶于乙醚、氯仿。采用反相离子对分配型 HPLC法可同时测定食品中甘草苷和糖精钠，操作简便、迅速。其条件为Chrosorb RP-18(5μm)柱，流动相为乙醇：0.05 M磷酸二氢钠（2 ：3）溶液中含 0.02MCTA，用磷酸调pH为 3，紫外检测器，波长选择 245 nm[5]。

1.2 着色剂

为了改善食品的感官性状，允许在食品中添加一定限量的食用色素。食用色素可分为食用天然色素和合成色素，天然色素来源于植物色素和动物色素，一般较为安全。合成色素常以苯、甲苯、萘等化工产品为原料合成。由于合成色素大都有慢性毒性或致癌性，必须严格

控制使用种类及含量。我国允许使用的 8种合成色素,都是水溶酸性色素。采用径向加压柱 u Bondapak C18反相柱，以甲醇：0.02 M乙酸铵为流动相，可将除新红外的 7种合成色素同时分离定量。用液体阴离子交换树脂 Amberlite LA乙晴（50：50），流速为 1.5mL/mL，检测波长 243nm，结果三聚氰胺的保留时间为6.9 min，空白无干扰。检出限为1.0ug（行标为2.0μg），有实用意义。

李延志等[10]采用 HPLC-DAD 法快速筛查蛋白质食品非法添加三聚氰胺。其方法是样品以 1% 三氯乙酸提取，用 2% 乙酸铅沉淀蛋白，离心后，上清液荆 0.45µm 滤膜过滤，直接上机进行HPLC分析。本法检出限为 0.28mg/kg，线性范围： 0.05~1.6mg/L，该法灵敏、准确，可推广使用。

张俊燕等[11]报道饲料中三聚氰胺的检测方法。采用 Agilent 1100 HPLC-DAD 检测器，波长 240 nm 和北京Agela 离子交换固相萃取柱。样品经0.1%三氯乙酸提取，离心，上清液过 PCX 小柱，净化后做 HPLC 分析或衍生后做 HPLC-MS 分析。结果按照2007 年美国 FDA的 HPLC-UV 方法测定三聚氰胺，用国产 AgelaANB 亲水色谱柱，分离效果良好。最低检出限：HPLC-UV 法为 2µg、HPLC-MS法为 0.5µg，大大提高灵敏度，而 FDA 原法由于流动相中加入离子对试剂而不能直接用 HPLC-MS分析。

WC Andersen 等[12]采用超高效液相色谱串联四级杆质谱法测定鮎鱼组织中的三聚氰胺，结果满意。陈晓东等[13]亦曾建立乳及乳制品中三聚氰胺的HPLC-MS-MS测定方法。样品用三氯乙酸和乙晴提取，经阳离子交换固相萃取柱（SPE）净化后，HPLC-MS-MS 法确证和测定。外标法定量。结果在 0.01~0.5µg/mL 范围内呈线性关系。r=0.9999，检出限（LOQ）为 0.01µg/kg，本法加样回收率为80.4%~107.4%。RSD=9.4%。可满足检测要求。

此外，由于大量使用的三聚氰胺大部分以原形直接或是随着粪便排入海洋中，对海洋生物造成潜在威胁，对生态环境造成破坏，已成为新的重要污染物。XU Ying-jiang等[14]建立固相萃取-超高效液相色谱串联质谱测定海水及沉积物中的三聚氰胺的方法。检出量为

0.5µg /kg，适合海水及沉积物中痕量三聚氰胺的测定。

2.2食品中苏丹红的检测

苏丹红属偶氮染料，系化工合成染色剂。主要用于蜡染、油彩等产品。苏丹红进入人体后分解还原成致癌芳香胺，对健康造成很大危害。

温忆敏等[15]参照欧盟和我国国家标准方法经研究和改进，建立食品中苏丹红系列化合物和对位红的 HPLC 测定法。样品经有机溶剂提取、氧化钼吸附、梯度洗脱等进行测定，并采用光谱-色谱法，重点对洗脱剂强度与萃取活性关系、色谱优化条件等进行研究。该方法可同时测定食品中苏丹红 1、2、3、4 及红 7B、黑 B、对位红等。最低检出限均可达到 0.01mg/g，符合有关法规的要求。

刘志权等[16]应用超高效液相色谱质谱联用（UPLC-ESI-MS-MS）法建立快速测定苏丹红 1~4的含量。实验采用UPLC-ESI-MS-MS 串联四级杆质谱仪，多粒子反应监测（MRM）定量法。通过对样品预处理、色谱条件和质谱参数的优化选择，建立的同步测定食品苏丹红 1~4 含量方法，重复性好、灵敏度高、准确可靠。本法苏丹红 1~4 的最低检出限分别为0.1µg/kg、0.1µg/kg、0.2µg/kg、1.0µg/kg，线性范围在 1.0~100ng/mL，r=0.9900，加样回收率为 87.0%~109%，可用于样平的实际检测。

宁肃骏等[17]建立食品中对位红、苏丹红 1~4的 UPLC-ESI-MS-MS 测定方法，以氘代苏丹红为内标进行定量。试样经提取，再经液液萃取和固相萃取（Waters Oasis MAX）净化，上机进样测定。本法线性范围在 0~100µg/kg，r=0.9900，定性定量检出限均为 1.0µg/kg，加样回收率为 78%~112.4%。经辣椒酱等 7 种食品检测，结果满意。本法灵敏度高，特别适合于低含量复杂样品中苏丹红的分析。食品中农药物残留量的检测

3.1 食品中农药残留量的检测

为防治病虫害，农业上广泛使用各种农药，其残留量超标将严重影响人们的健康。林子掩等[18]采用自制硅藻土固相萃取柱，建立固相萃取-高效液相色谱（SPE-HPLC）法，同时测定蔬菜中甲氰菊酯、三氟氯氰菊酯、溴氰菊酯等农药的残留方法。4 中蔬菜样品测定的回收率分别为卷心菜 80.7%~106.2%、花菜80.5%~102.6%、红萝卜63.0%~109.3%、青椒 74.9%~109.0%。RSD 均为 14.5。对于控制蔬菜质量有实用意义。

WEN Yuyun 等[19]应用高效液相荧光检测器（HPLC-FL）测定茶叶中甲氰菊酯等 5 种菊酯类农药的残留量。实验以乙晴-水(74：26)为流动相，流速为 1.2mL/min，梯度洗脱，柱后衍生化，FLD 检测，激发波长：221 nm，发射波长：320 nm，本法线性范围在 0.04~8.0μg/g，RSD为3.4%~6.4%，检出限为0.012~ 0.048μg/g（重）。结果完全符合欧盟标准的要求，为出口茶叶质量提供保证。

徐远金等[20]应用 SPE-HPLC-ESI-MS法同时测定疏菜中痕量甲胺磷、敌百虫、马拉硫磷、对硫磷等7种有机磷农药残留量。并根据测得的二级质谱离子碎片，研究7种有机磷农药的裂解规律。样品提取液经固相萃取后，采用用C18 柱分离。以0.1%甲酸乙酯-0.1% 甲酸水溶液为流定量动相，线性梯度洗脱，以保留时间和质荷比对分离出的组分予以定性确证，以峰面积进行定量。结果表明7种农药的浓度与其峰面积在一定范围内呈良好的线性关系。检出限为0.002~0.090µg/kg，RSD=3.1%~5.2%。此法简便、快速、灵敏，适于蔬菜中 7 种有机磷农药残留量的测定。

3.2 食品中药物残留量的检测

我国一些水产养殖地区由于放养密度高、环境污染严重等原因，致使水生动植物发病率增加，有的渔民为追求经济效益最大化，常在饲料中添加四环素类抗生素药物，致使水产品中这些抗生素残留增加，目前其残留危害已引起世界范围内的广泛关注。

程雪梅等[21]采用 HPLC-MS-MS 法分析海产品中的四环素类药物残留。由于浓度很低，样品经 2% 高氯酸提取，固相柱萃取，以乙晴-水-三氯乙酸体系为流动相，采用电喷雾离子检测器进行质谱分析。结果金霉素、四环素、土霉素、强力霉素的检出限分别为 0.008 mg/kg 和 0.062mg/kg。可以满足海产中四环素类抗生素残留测定的要求。

周艳明等[22]指出，有些抗生素如赤霉素，目前我国尚无标准测定方法，出于实际需要，并为国标提供方法，建立草莓中赤霉素残留量的 HPLC 测定方法。样品采用 80% 甲醇提取，经液液萃取，净化，以紫外检测器测定。结果表明，本法最低检出限为0.017 mg/kg，加样回收率为 82.8%~106.6%，RSD为3.2%~4.1%。方法准确可靠、简便可行。亦可用于其它水果中赤霉素的检测。

孙志刚等[23]应用 HPLC-SEI-MS 法测定水产品中甲羟孕酮残留量。实验样品先用乙酸乙酯提取，氮气吹干，乙晴溶解，正己烷除脂，中性氧化铝小柱净化，流动相为乙晴 c-0.1% 甲酸（70：30），RP18 柱分离，通过MS-MS测定。本法检出限为0.03µg/kg，定量检出限为 0.1µg/kg，可满足我国出口检测要求。

XIAX X 等[24]采用液相色谱质谱联用测定家禽和猪肉、鸡蛋中甲硝唑、替硝唑、洛硝唑和异丙硝唑的含量；DAESELEIRE E 等[25]应用液相色谱质谱联用法，快速同时鉴定和测定鸡蛋中洛硝唑、甲硝唑和地美硝唑的含量，结果满意。YINJu-can等[26]采用固相萃取柱净化处理后进行液相色谱-大气压化学电离源串联四级杆质谱，在正离子模式下(HPLC-APCI(+)-MS/MS)对动物源性食品鸡肉、猪肉、牛肉中甲硝唑等 9 种硝基咪唑类药物及其代谢物残留量进行分析。最低检测量为 0.5μg /kg。上述方法简便快速、灵敏可靠、专属性好，为质量控制提供可靠的方法。

杜振霞等[27]应用超高效液相色谱-串联四级杆质谱（UPLC-MS/MS）同时测定牛肉组织中环丙沙星、恩诺沙星、沙拉沙星等 3 种氟喹诺酮类兽药残留。样品经萃取后测定，检出限均为0.05μg/L，定量限为0.1μg/L。

ZHANGJian-li 等[28,29]采用 LC-MS/MS 法同时检测保健品中非法添加的阿卡波糖、二甲双胍等10种降糖药和安定、硝基安定等 8 种镇静催眠药。前者检出限为 20mg/kg，后者检出限为 1mg/kg。方法简便快速、准确可靠，适于保健品中非法添加的化学类降糖类药的常规检测。

3.3 食品中毒素的检测

黄曲霉毒素是黄曲霉和寄生曲霉的代谢产物，其基本结构都有二呋喃环和氧杂萘邻酮,如毒素B1、G1和 M1等。日常 HPLC检测这些物质时采用 C18柱，流动相为甲醇：0.01M KH2PO4(1：1),荧光检测器，λEx360 nm，λEm245 nm。柳洁等[30]采用ODS Hy 2persil 5μm，125 mm×4 mm柱，流动相为甲醇：乙腈：水 = 15 ：13 ：72，荧光检测器λEx 360 nm，λEm 440 nm，检测出黄曲霉毒素B1、B2、G1、G2和 M1，检测限达到 0.02 μg。

海产品贝毒大田软海绵酸（OA）是一种小分子海洋聚醚类腹泻性贝毒素。多由海洋甲藻产生。常蓄积于贝、螺等海洋生物体内，食用后易引起腹泻性为主的食物中毒，且 OA 为强烈的致癌因子，对人类健康构成严重威胁。卢士英等[31]建立 ELSIA和HPLC-MS/MS同时测定花蛤和扇贝等 OA 的 2 种方法。前者检测线性范围在0.4~2.5μg /L，后者为10~800μg /L。前者灵敏度为 0.18μg /L，后者为μg /L。经 10 种海产品样品检验，结果 ELISA 法检出蛤蜊样品的含量为3.82μg/100g，扇贝的含量为 2.32μg /100g； HPLC-MS/MS 法检出蛤蜊样品的含量为 3.42μg /100g。所建立的 2 种方法皆可用于海产品腹泻性贝毒 OA限量标准检测。小结

HPLC作为一种十分有效的分析分离手段，已广泛地用于食品安全等领域，其技术也在不断改进与发展，发展具有专家系统的智能多模式多柱的色谱系统是当今色谱发展的重点，即色谱专家系统将是一个必然趋势。

HPLC另一个发展趋势是联用技术的发展。目前人们所面临的问题, 往往很难再用单相分析分离方法解决, 而常需用色谱、质谱、光谱、核磁等多种方法综合加以解决。随着计算机技术的发展。多仪器联用形式已成为现实，如 GC-LC、MS串联质谱法分析海产品中四环素类药物残留

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第四篇：纳米技术在航天领域中的应用

序列号： 16

课 程 论 文

课程名称

21世纪高新技术

题目名称 纳米技术在航天领域中的应用 学生学院 管理学院 专业班级 电子商务1班 学 号

3113004743

学生姓名 陈昌桐 指导教师 曹晓国

2015年

11月 3日

摘要

本文初步介绍纳米技术、纳米材料及其结构在航天领域中的应用，综述了纳米卫星、纳米碳管、纳米面料、纳米流体等航天领域的应用，重点介绍纳米材料在航天器的结构材料和功能材料方面的应用。可以预料，纳米技术的应用在航天领域有着相当广阔的前景。

关键词

纳米技术；纳米材料；航天；纳米卫星；

正文

引

言

纳米材料由于具有独特的小尺寸效应而表现出不同于传统材料的物理和化学性质。利用纳米材料这些独特的性质，可对传统材料进行改性，进而开发出更高性能的材料，以满足传统材料所不能达到的要求，尤其是满足航天航空领域对材料性能的特殊要求。

一、纳米技术的介绍

纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学和现代技术结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等。

二、航天技术的简介

航天科学技术是20世纪兴起的现代科学技术，自其形成以来，一直汲取基础科学和其他应用科学领域的最新成就，高度综合了工程技术的最新成果，并引领许多学科专业的发展，甚至促成某些专业的形成。它是20世纪以来发展最为迅速、对人类生活影响最大的科学技术之一。进入21世纪，航天科学技术继续保持高科技的重要地位，在推动原始创新，促进学科交叉与学科融合方面扮演着重要角色。

三、纳米技术对航天业的影响

首先是为航天业从宏观向微观发展提供了可能。专用微型集成器将取代现有航天器和运载火箭上使用的有关系统，最终将在航天系统引发一场技术革命，导致微型卫星乃至“纳米卫星”的问世。

其次是纳米技术的使用，将对原有的航天业的制造方法、实验手段、研究方式带来巨大冲击，怎样才能将纳米技术引入到航天领域的制造方法、实验手段和研究方式中呢?

纳米技术在航天领域中的应用

一、纳米卫星

纳米卫星，又叫“纳星”，通常指重量小于10公斤、具有实际应用价值的卫星。纳米卫星的概念最早由美国宇航公司于1993年提出，未来重量可以实现降低到0.1公斤以下。利用微电子机械和纳米电子技术制造的惯性检测元件、换能器、射频元件、光学元件、电源系统及各种传感器核芯片作为星载设备，可使卫星的体积和重量大大减小。由于它的部件都集成在芯片上，故也称为“芯片级卫星”。用一枚小型运载火箭一次可以发射数百枚到上千枚的这种卫星，从而使航天器的发射费用从目前的每磅一万美元降至约 200 美元。

1995年，美国开始研制纳米卫星。这种卫星比麻雀略为大些，所用元器件全部为纳米材料制成。由于纳米卫星性能好，可靠性强，故它在通信领域、军事领域、对地观测、科学研究等方面有广泛的应用前景。

为降低发射费用，纳米卫星常采用一箭多星的发射方式进行发射，目前已经发射的包括：俄罗斯的SPUTNIK-2卫星、美国的AUSat卫星和PICOSAT卫星，以及英国的SNAP-1卫星等。

纳米卫星的功能多样。QuakeSat卫星可以使用磁力计对高空的低频磁场等进行研究，用以对地震进行分析预测。日本东京大学的XI-IV纳米卫星就使用CMOS相机对地球和太阳影像进行拍照，英国萨瑞公司的SNAP-1型卫星可对其它卫星拍照，用以判断在轨航天器的完好状态和工作能力。nCube卫星可以接收船只的广播AIS信号，提供船只的方位、位置等信息，确保船舶航行安全。此外，纳米卫星组成的卫星网络在应急通信领域也具有巨大的潜在优势。

目前在国际纳米卫星研究领域，美国处于技术领先地位。2002年12月，美国“奋进”号航天飞机就发射了两颗只有2磅重的纳米卫星。从2003年开始，美国空军和国防高级研究计划局开始研发新一代低成本军用纳米卫星，并于近几年相继交付。

二、纳米碳管———太空缆绳

碳纳米管由日本科学家于1991年研究发现，是由Sp2杂化碳原子排列成的石墨片层卷曲而成，具有纳米级一维管状结构的纳米碳材料。理论预测和实验结果均表明：CNT具有超高的强度、模量和韧性，其弹性模量高达1 TPa，拉伸强度超过100 GPa，断裂伸长率达到15%-30%。

纳米碳管具有强度高、质量轻、性能稳定、柔软灵活、导热性好、表面积大及许多奇异的电子性质等特点。单个纳米碳管的直径只 1.4nm，5万个纳米碳管并排在一起仅相当于一根头发丝的直径。它可能成为未来理想的超级纤维。纳米碳管的一种可能具有突破性的应用，是用于太空升降机。用其做成的太空缆绳，与钢或其他特质不同的关键是它能支持住自身的质量而不会断掉。这就提供了一种把人或物品提升到外层太空的可能方法，也许将成为人类移居外星球的最理想方法。

2013年，中国清华大学魏飞教授团队成功制备出单根长度达半米以上的碳纳米管，创造了新世界纪录，对于碳纳米管的生长而言，其高温生长过程中催化剂的失活是一个不可逆的规律，从而限制了碳纳米管的长度；因此尽可能地提高其催化剂活性概率是进一步提高碳纳米管长度的唯一途径。

三、纳米军服面料和纳米纤维

利用特殊的纳米技术对传统的材料进行处理，形成相互交错混杂的具有互特性的二维纳米相区，使原来无法兼容的特性通过它低度的相互协同作用表现出来，从而生产出功能强大的新型军用服面料。这种新型军服具有抗紫外线、吸收红外线、抗老化和热老化，以及减轻、保暖、隔热的作用。由于纳米材料具有小尺寸效应及宏观量子效应，将大幅度地提高材料的弹性、强度、耐磨性和稳定性。二维协同纳米技术的运用，使军服不但防油、防水、抗菌、抗污，清洁起来也极其简便，穿着也柔软舒适，更加适应野战条件下的要求。此类军服所需面料，在理论上已得到证实，现正加紧应用研究。在这一领域我国处于世界先进水平行列。

四、纳米流体流动强化传热

航天器中安装有借助于液体工质单相对流换热实现热控制的泵驱动液体回路系统实现舱内温度指标的控制。液体回路系统的质量及功耗在压力舱内占有较大比例，而新型航天器(如大型航天器、无人自主深空探测器、小卫星和纳米卫星等)的研制需求日益迫切，航天器的电子器件及设备的功率日趋增大，对航天器热控制技术和液体回路系统提出了更新更高的要求，加上航天器所处的空间电子器件散热困难。传统的纯液体工质和常规的散热措施难以满足热负荷日益增长的航天器热控系统的需要。目前，航天器液体回路系统采用的传热工质是一种冰点低、比热大、粘度小、无毒的化合物，具有适合在航天器中使用的独特优点，但由于它的导热系数极低，很难满足航天器不断增长的高强度、高负荷传热的要求。

纳米流体是指以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子，形成一类新的传热工质。已进行的研究表明，在水、乙二醇等常规液体中添加纳米粒子，可以显著增加液体的导热系数和对流换热系数，显示了纳米流体在强化传热领域具有广阔的应用前景。实验研究已证明，纳米流体强化传热技术应用于航天器热控系统是可行的。

五、纳米材料在航天器材料上的应用(一)纳米材料在航天器功能材料上的应用

(1)金属及金属基复合材料

晶粒细化是目前唯一的一种既可以提高金属强度，又可以提高韧性的方法，而且也是提高金属材料强度最有效的方法之一。在纳米金属材料中普遍存在着细晶强化效应，即材料的硬度和强度随着晶粒尺寸的减小而增大，利用添加纳米陶瓷来增强金属合金基材料的方法，就是把超微细陶瓷粉末引入金属基体(如向铝、铜、银、钢、铁等合金中引入SiC、Si3N4、TiN)均匀分散于合金中，例如，将纳米碳化硅、纳米氮化硅、纳米氮化钦、纳米硅粉添加到金属基体(铝、铜、银、钢、铁等合金)中，可制造出质量轻、强度高、耐热性好的新型合金材料。

纳米晶合金打破了常规合金生产中的一些定律，即硬度提高必然伴随韧性下降的结论，对于小尺寸晶粒，纳米合金变质剂的高表面活性可以使晶粒以较快速度合并，使晶粒尺寸增大和晶粒与晶粒合并的驱动力同时减小。在合金中形成晶须结构，明显提高合金硬度及韧性。

研究发现，在航天领域使用较多的金属材料Al、Ti，采用纳米材料增强后，其强度有较大提高，同时重量有较大降低，有望在航天舱体结构材料上得到应用。

(2)聚合物基复合材料

纳米粒子加入聚合物基体后，可提高其耐磨性、硬度、强度和耐热性等性能。举例说明，在酚醛树脂中加入5 %左右的某纳米粉，除层剪强度无显著提高外，玻璃钢的拉伸强度、弯曲强度、弹性模量等力学性能均有显著提高，并且线烧蚀率显著下降。北京玻璃钢研究院的研究表明，将某些纳米粒子掺入树脂体系，对玻璃钢的耐烧蚀性能大大提高。这些研究对于提高导弹武器酚醛防热烧蚀材料性能、改善武器系统工作环境、提高武器系统突防能力有着深远影响。像纳米氮化铝应用于环氧树脂，玻璃化转变温度提高，弹性模量达到极大值。将纳米氮化铝添加到环氧树脂中制得的复合材料，在结构上完全不同于添加粗晶的氮化铝-环氧树脂基复合材料：粗晶氮化铝一般作为补强剂加入，其主要分布在高分子材料的链间，而纳米氮化铝由于表面严重的配位不足、庞大的比表面积使其表现出极强的活性，同时，尚有一部分纳米氮化铝颗粒分布在高分子链的空隙中。与粗晶氮化铝相比，纳米氮化铝具有很高的流动性，可使环氧树脂的强度、韧性及延展性均大幅提高。

(3)工程塑料及其它复合材料

纳米材料与工程塑料复合既能提高工程塑料的固有性能，又可赋予其高导电性、高阻隔性及优良的光学性能等。因此，把纳米材料应用于工程塑料的改性，可进一步拓宽工程塑料的应用范围。

工程塑料与纳米粒子复合材料就是采用纳米粒子对有一定脆性的工程塑料增韧是改善工程塑料韧性和强度等力学性能的一种行之有效的方法。只要纳米粒子与基体树脂结合良好，纳米粒子也可承受拉伸应力，增韧、增强作用明显。少量纳米氮化钦粉体用于改性热塑性工程塑料时，可起到结晶成核剂的作用。而大量纳米氮化钦颗粒弥散于PET中，可大幅提高PET工程塑料的耐磨性和抗冲击性能。

另外的像还有工程塑料与纳米磁性金属及其氮化物复合材料，纳米磁性材料具有单磁畴结构，其磁化率、矫顽力很高，饱和磁矩和磁损耗较低，而且它的磁化过程完全由旋转磁化进行，所以可用作永磁记忆材料，以显著提高信噪比，改善图形质量，有望在卫星记忆材料上得到应用。国外已制造出性能优于NdFeB 的具有高矫顽力的纳米 NdFeB 材料。日本于 1988 年研制成功的纳米软磁材料“Finemet”，具有铁基非晶材料优异的高频特性，有可能在航天仪表上得到应用。

而工程塑料与纳米磁性金属复合材料则具有特殊的光电功能(对电磁波有特殊的吸收作用)和优良的磁性能及导电性，可广泛应用于军事、航空航天、电子通讯等高技术领域。

比如用偶联剂进行表面处理后的纳米碳化硅，在添加量为10%左右时，可大大改善和提高PI聚酞亚胺)、PEEK(聚醚醚酮)、PTFE(聚四氟乙烯)等特种塑料的性能，全面提高材料的耐磨、导热、绝缘、抗拉伸、耐冲击、耐高温等性能。

(4)陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体，与各种纳米材料复合制得的材料。陶瓷基体包括氮化硅、碳化硅等。这些先进陶瓷具有耐高温、强度和硬度高、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有较强的脆性，在应力作用下，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而纳米陶瓷在室温下就可以发生塑性变形，在高温下有类似金属的超塑性。研究发现，将纳米粒子分散到陶瓷基体中，可以极大提高材料的断裂强度和断裂韧性，明显改变耐高温性，并提高材料硬度、弹性模量和抗热震及抗高温蠕变性，其强度和韧性约提高 2～4 倍。

新型陶瓷材料具有优异的高温强度、耐磨性、耐热性和耐蚀性，是固体发动机碳 / 碳喷管和燃烧室之间的热结构绝热连接件的理想材料，还可用于喷管出口锥有关部件。把纳米粉末引入陶瓷基体中制成颗粒增强复合材料可极大地提高材料的强度、韧性和高温性能，使之成为很有前途的高温结构材料，有可能用于未来的热机和航天热防护。

陶瓷基复合材料己实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。例如，纳米氮化硅掺杂制造的精密陶瓷结构器件可用于冶金、化工、机械、航空、航天及能源等行业中使用的滚动轴承的滚珠和滚子、滑动轴承、套、阀，以及有耐磨、耐高温、耐腐蚀要求的结构器件中。(二)纳米材料在航天器功能材料上的应用

(1)导电、导磁、导热、隔热、耐烧蚀、防热等功能材料

纳米TiN具有优良的导电性能，在Al2O3基体中加入纳米TiN颗粒可以有效降低其电阻率，随着纳米TiN加入量的增加，复合材料的电阻率逐渐降低，当加入量达到20vol%以后，复合材料的电阻率趋于稳定。由于纳米材料自身的特点，纳米TiN-Al2O3复合材料具有更好的导电性能，特别在低添加量时，效果尤为明显。

超高导热纳米AlN复合的硅胶具有良好的导热性，良好的电绝缘性，较宽的电绝缘性使用温度（工作温度-60℃～-200℃），较低的稠度和良好的施工性能。如CPU与散热器填隙、大功率三极管、可控硅元件、二极管、与基材接触的细缝处的热传递介质。纳米导热膏是填充IC或三极管与散热片之间的空隙，增大它们之间的接触面积，达到更好的散热效果。

纳米AlN粉体可以大幅度提高塑料的导热率。通过实验产品以5~10%的比例添加到塑料中，可以使塑料的导热率从原来的0.3提高到5。导热率提高了16倍多。相比较目前市场上的导热填料（氧化铝或氧化镁等）具有添加量低，对制品的机械性能有提高作用，导热效果提高更明显等特点。目前相关应用厂家已经大规模采购纳米氮化铝粉体，新型的纳米导热塑料将投放市场。

纳米AlN粉体与硅匹配性能好，在橡胶中容易分散，在不影响橡胶的机械性能的前提下（实验证明对橡胶的机械性能还有提高作用）可大幅度提升硅橡胶的导热率，在添加过程中不像氧化物等会使其黏度上升很快，添加量很小（根据导热要求一般在5%左右就可以使导热率提高50%-70%），现广泛应用与军事，航空以及信息工程中。

飞行器在大气中高速飞行时，由于气动加热飞行器表面与空气发生剧烈的摩擦，产生大量的热量，使飞行器表面温度急剧上升。随着科技的发展，采用纳米改性的玻璃钢材料能显著提高材料的热防护性能，在未来航天领域具有广阔的应用前景。

在导弹、火箭的发动机喷管上防热材料普遍采用碳-酚醛、高硅氧-酚醛。热防护材料中的树脂体系和含碳量决定了碳层的质量，进而影响其耐烧蚀性能。石墨及C-C复合材料是制造固体火箭发动机喷管的理想烧蚀材料，但石墨及C-C复合材料在使用中暴露出一个严重不足就是氧化侵蚀。在 500 ℃以上就可以被氧化，生成CO2、CO，使材料强度降低。通过在材料中加入非氧化物陶瓷纳米颗粒，使非氧化陶瓷纳米颗粒氧化成膜来实现碳材料自愈合抗氧化。

此外，纳米材料在航天领域还有很多的应用，如采用纳米材料对光电吸收能力强的特点可制作高效光热、光电转换材料，可高效地将太阳能转换成热、电能，在卫星、宇宙飞船、航天飞机的太阳能发电板上可以喷涂一层特殊的纳米材料，用于增强其光电转换能力；在火箭发动机壳体上喷涂一层防静电纳米涂料，可以有效的提高火箭工作的可靠性。(2)涂层材料

纳米材料用作涂层可提高工件的耐磨性、抗剥蚀性和抗氧化能力。研究表明，用纳米SiC、ZrC、TiC、TiN、B4C粉作为金属表面上的复合涂层可以获得超强耐磨性和自润滑性，其耐磨性要比轴承钢高100倍，摩擦系数为0.06-0.1，同时还具有高温稳定性和耐腐蚀性等。在液体火箭发动机关键零组件中应用纳米技术，大大拓展了这些零件的使用范围。如在重载、高DN值轴承表面上采用纳米级材料粉末涂层，可提高其寿命和可靠性。

在动密封和其他具有相对运动的摩擦副面喷镀上一层纳米级金属或非金属粉末就能极大地提高它们的抗磨损、耐高温和防腐蚀性；采用纳米磁性材料，探索发动机新型密封结构，可使发动机密封发生根本性改变等。这些技术在80年代研制的发动机上已得到应用，效果良好。将纳米技术应用在液浮轴承中，会使轴承的寿命和可靠性成百倍提高。涡轮盘是发动机中最关键的零件，它是在高温、高压、高速条件下工作，失效率很高。如果采用纳米级粉末冶金制造，将大幅度提高涡轮盘的强度和耐高温性能。推力室的内壁冷却和抗高温是发动机的关键技术，经常因为推力室的冷却和抗高温问题而降低发动机的性能，如果采用纳米级金属粉末涂镀在推力室内壁上，就可以解决这个问题。

用纳米SiC、ZrC、TiC、TiN、B4C粉还可以作为模具、切削刀具、汽轮机叶片、涡轮转子以及汽缸内壁涂层，耐热涂层，散热表面涂层，防腐涂层及吸波涂层等。(3)特种密封材料

发动机出现故障最多的是各种密封的失效，密封面的表面质量是决定密封性能好坏的主要因素，利用纳米材料制成密封零件基体或在密封表面覆盖一层纳米粉末将会极大的改善其密封性。纳米粒子加入橡胶能极大地改善其力学性能。纳米AlN粒子与橡胶复合可以提高其介电性和耐磨性。添加纳米SiN的新型橡胶不但具有优越的力学性能，还可以根据需要设计具有特殊性能的新型橡胶，这种新型材料中的纳米SiN不仅具有补强作用，而且具有常规橡胶不具备的一些功能特性，例如通过控制纳米SiN的颗粒尺寸可以制备对不同波段光敏感不同的橡胶，既可抗紫外线辐射，又可反射红外；也可利用纳米SiN制成电绝缘性能优异的橡胶。纳米级金刚石粉可用来增强橡胶、塑料、树脂。目前橡胶所用的增强剂多半为纳米级炭黑，若改用SiN能使其拉伸强度提高1-4倍，并改善其耐磨性和密封性。(4)固体火箭推进剂

固体火箭推进剂主要由固体氧化剂和可燃物组成。固体火箭推进剂的燃烧速度取决于氧化剂与可燃物的反应速度，它们之间的反应速度的大小主要取决于固体氧化剂和可燃物接触面积的大小以及催化剂的催化效果。纳米材料由于粒径小、比表面积大、表面原子多、晶粒的微观结构复杂并且存在各种点阵缺陷，因此具有高的表面活性。正因为如此，用纳米催化剂取代火箭推进剂中的普通催化剂成为国内外研究的热点。近年来，国外研究了加入纳米铝粉以及金属/聚合物纳米层压材料片状粉末添加剂改性的纳米火炸药、推进剂和固体燃料。试验研究表明，在火炸药、推进剂和固体燃料配方中加入上述纳米粉末具有加快燃烧速度，改善燃烧效率，提高性能以及防止凝结有害金属微滴等优点。

将纳米金属粉添加到火箭固体推进剂中，可以显著改进推进剂的燃烧性能。20 世纪 90年代美国的 Argonide 公司生产了商品牌号为Alex的纳米铝粉，用Alex纳米铝粉铝化端羟基聚异丁烯，其燃烧速度是微米铝粉(20～35μm)的2倍，燃烧速率是微米铝粉的 40～60 倍，没有铝微滴凝结现象，从而避免了加入微米铝粉会凝结铝微滴造成降低燃烧效率、影响火箭飞行特性以及增加热红外信号等重大缺点。

未来展望

纳米技术是在20世纪90年代初才逐步发展起来的一门主导性的新兴科学技术，它将与信息技术和生物技术一样，对21世纪经济、国防和社会产生重大影响，并可能引导下一场工业革命。随着纳米技术以及大规模工业化生产进程的发展，纳米材料在国民经济各领域越来越得到广泛应用。由于保密原因，纳米材料在军事、航空、航天等特殊领域的应用报道还较少。从纳米材料的特性出发，结合航天产品的发展趋势和特点，可以看出纳米材料在航天领域具有较大的应用前景。

纳米科学技术正处于重大突破的前夜，它取得的一系列成果，引起了关心未来世界发展的科学家的思索。人们正注视着纳米科学技术领域不断涌现出的奇异现象和新进展。纳米技术无论是在理论上还是在实际使用过程中，还存在很多问题，需要我们进一步的探索和改进。我们相信，随着纳米科技的发展，纳米材料在航天领域将得到越来越多的应用，纳米技术将为促进我国的航天事业的发展做出重大贡献。

参考文献

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[2] 王绍凯，飞行器结构用复合材料四大核心技术及发展，2004 [3] 袁俊，纳米技术及其对科技产业革命的影响，中国工程科学，2001，第3卷 第10期

[4] 宋文国，纳米材料在航空航天领域的应用，专稿，2010 [5] 赵云峰，纳米材料在航天领域的应用，宇航材料工艺，2005，第5期 [6] 毛克祥，纳米材料在航天领域的应用与发展，中国粉体技术，2006，第6期

[7] 樊东黎，纳米技术和纳米材料的发展和应用，金属热处理，2011，第36卷 第2期

[8] 荣烈润，纳米技术在航空航天领域中的应用，航空精密制造技术，2008，第44卷 第2期

[9] 宋宏文，纳米技术在航天领域的应用探讨，中国航天，2002，第1期 [10] 纳米卫星：基于纳米技术的“星球大战”悄然拉开帷幕 中国科技网 2015-3-3 http://

[11] 中国制备出世界最长碳纳米管 可应用于航天 中国新闻网2013-07-31 http://

第五篇：材料科学在医学领域中的重要应用

材料科学在医学领域中的重要应用

摘要：材料科学是一门多学科交叉的综合性学科，在很多科学领域都起着至关重要的作用。在医学科学方面，它一次次的掀起新技术的革命，促进医学的不断发展。目前，它在解决困扰医学界多年的难题——器官移植方面也起着重要的作用。

关键词：材料科学、医学、器官移植、生物医学材料、医用金属材料、高分子水凝胶。

材料科学是基于物理，化学，力学，计算机科学、数学和生物学等基础科学而形成的一门多学科交叉的综合性学科，以研究材料性质，组成和结构，合成和加工以及它们之间关系为内涵和特色。它既是一个以探索自身规律为目标的基础科学领域，又是一门与电子，冶金，能源，化工和机械等工程技术密切相关的应用科学。它在工业，航天航空，信息技术，交通运输，军事，医学等领域都起着至关重要的作用。

在医学领域，材料化学必不可少，新材料的不断产生和应用在医学领域掀起一次次的技术和观念革命，不断推动着医学科学的前进与发展。微创介入技术的诞生，使得多年来医疗服务中追求已久的“及时，微创，无痛，舒适”的观念终于得到实施，特殊的器械与材料使得医生在进行手术时可以把刀口开小，有效减少病人的出血和创伤，使病人并发症少，术后恢复快，尤其在治疗心脑血管疾病方面更是疗效显著。纳米材料的应用更是在医学领域掀起了风暴——空心结构的金纳米粒子利用纳米材料特有的小尺寸效应在肿瘤诊断和治疗方面起着重要作用，贵金属纳米银以其超强的还原能力成为一种性能优良的抗菌材料，而目前正在研发的用于医学方面的纳米机器人相信其一旦问世，也将震撼世界。

在长期的医学治疗方面，对于病变的器官和组织，在器官移植技术没有出现之前，人们长期停留在以药物进行治疗和缓解的阶段。但能以药物治好的都是轻中度的病变，而对已经重度病变或是已经坏死的器官，药物根本不起作用，病人只能在极大的痛苦中死去。多年以来，医疗界一直在探求是否能够进行器官移植来挽救患者的生命。但器官移植存在着三个重要的难关——1.移植器官一旦植入受者体内，必须立刻接通血管，以恢复输送养料的血供，使细胞赖以存活，这就要求有一套不同于缝合一般组织的外科技术。2.切取的离体缺血器官在常温下短期内（少则几分钟，多则不超过1小时）就会死亡，不能用于移植。而要在如此短促的时间内完成移植手术是不可能的。因此，要设法保持器官的活性，为器官移植手术赢得时间。3.医疗上用的器官来自另一个人。但是受者作为生物有着一种天赋的能力和机构（免疫机构），能对进入其体内的外来“非己”组织器官加以识别、控制、摧毁和消灭。这种生理免疫过程在临床上表现为排斥反应，导致移植器官破坏和移植失败。人类的主要两大类主要抗原：ABO血型和人类白细胞抗原(HLA)，它们决定了同种移植的排斥反应。ABO血型只有4种(O、A、B、AB)，寻找ABO血型相同的供受者并不难；但是HLA异常复杂，现已查明有7个位点，即HLA──A、B、C、D、DR、DQ、DP，共148个抗原，其组合可超过200万种。除非同卵双生子，事实上不可能找到HLA完全相同的供受者。所以，同种移植后必然发生排斥反应，必须用强有力的免疫抑制措施予以逆转。在经过几十年的探索及解决这些问题之后，1962年美国J.E.默里第一次进行人体肾移植获得了长期存活，标志着器官移植作为医疗手段成为现实。

但是尽管器官移植手术经过几十年的发展已经十分成熟，但仍然存在着很大的 弊病：1.可移植的器官数量稀少，往往很多病人还未等到所需器官就已去世。2.某些器官移植的难度太大，医生稍不注意就会造成医疗事故。3.某些病人因自身体质原因不能进行器官移植。4.由于病人体质的各不相同，免疫抑制药物的用量很难控制，往往引起较大的不良反应。5.道德、伦理、法律上的某些问题不允许进行有关的器官移植。

但是，生物医学材料的出现和应用有效的解决了这一问题。生物材料种类繁多，按照其属性，可分为天然生物材料，合成高分子生物材料，医用金属材料，无机生物医学材料，杂化生物材料，复合生物材料等等。其中，医用金属材料应用最早，可被用做生物材料的金属和合金，是非常合适的外科用金属材料。它具有较高的机械强度和抗疲劳性能，良好的生物力学性能和优良的抗生理腐蚀性，生物相容性，无毒性和简易可行及确切的手术操作技术。众所周知，骨、牙齿这样的硬组织损坏之后，由于器官移植所需费用过高且会产生免疫排斥反应，所以具有和这些硬组织一样有较高的强度和韧性的的金属材料被广泛的应用于修复和替换这些硬组织。如不锈钢材料因其具有耐蚀性和屈服强度，所以可以用来制成多种形体，如髓内针、齿冠、三棱刀等器件和人工假体用于临床；钴基合金由于具有极为优异的耐腐蚀性和耐磨性而被应用于人工关节的制作，人工骨及骨科内处固定器件的制造，齿科修复中的义齿，心血管外科及整形科等；记忆合金由于其特有的形状记忆效应，而在临床上被应用于如外耳道之类的管腔狭窄的治疗，断骨连接，弯曲脊柱矫正等等。医用高分子材料的应用也十分广泛。由于其是由天然聚合物衍生或改性而来，因此其具有一些独特的性能。如高分子水凝胶，它由于具有三维网络结构，所以具有在水中能够吸收大量的水分溶胀，并在溶胀后继续保持其原有结构而不被溶解性质，因而被广泛的应用于生物医药领域。它类似于生命组织材料，表面粘附蛋白质及细胞能力很弱，在与血液、体液及人体组织相接触时，表现出良好的生物相容性，它既不影响生命体的代谢过程，代谢产物又可以通过水凝胶排出，性质上类似于细胞外基质部分，吸水后还可减少对周围组织的摩擦和机械作用。因此，它可以代替坏死或功能低下的器官，起到相同的作用——1.可作为组织填充剂，注射隆乳、面颊、颞部、臀部填充，阴茎加粗等。2.防止受伤的子宫角、腱、肠的浆膜引起组织之间的粘连。因其含水率高，避免了血栓的粘附；又因其柔软而富弹性，伤害所接触生物组织的可能性很小。3.因为其具有透气性和生物适应性，可制作成角膜接触镜，具有矫正视力和追求美观的作用，而且比传统的隐形眼镜更加方便，舒适，也比传统的视力矫正手术更加安全、可靠。当然，具有像这样的特殊功能及生物活性的材料还有很多，它们都可被用作制成相应的人造器官来造福人类。目前由于多种新材料的诞生和应用，越来越多的衰竭或坏死器官可以被新研发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，甚至更为优异。而且没有免疫排斥反应，患者的恢复时间也较快。虽然此项技术目前还不十分成熟，但是相信日后必将在医学领域带来一场革命。

当然，材料科学在医学领域的重要作用不仅于此，医疗观念、技术、手段、器械等的不断进步都与材料科学的发展有着重要关系，材料科学对医学科学的发展有着重要影响与推进作用。

参考文献： 百度百科

《水凝胶在医学领域的热点研究和应用》，杨连利，梁国正《材料导报》2007年2月第21卷第二期

《水凝胶的应用与研究发展》，王萃萃，杨伟平，许戈文《PU技术》 《口腔材料器械杂志》