第一篇：新能源材料的研究进展
新能源材料的研究进展
摘 要: 新能源是降低碳排放、优化能源结构、实现可持续发展的重要途径, 新能源材料是引导和支撑新能源发展的重要基础, 新能源系统中得到了大量应用。概要介绍了目前在新能源发展过程中发挥重要作用的核用锆合金、镍氢动力电池关键材料及氢质高容量储氢材料等新能源材料的现状及存在问题。
关键词: 新能源;氢能;新能源材料
新能源材料是指支撑新能源发展的、具有能量储存和转换功能的功能材料或结构功能一体化材料。新能源材料对新能源的发展发挥了重要作用, 一些新能源材料的发明催生了新能源系统的诞生, 一些新能源材料的应用提高了新能源系统的效率, 新能源材料的使用直接影响着新能源系统的投资与运行成本。本文主要介绍核用锆合金、锂离子电池关键材料、镍氢动力电池关键材料及氢能燃料电池关键材料等新能源材料的现状及存在问题。
轻质高容量储氢材料
目前得到实际应用的储氢材料主要有AB5型稀土系储氢合金、钛系AB型合金和AB2 型Laves相合金, 但这些储氢材料的储氢质量分数低于212%。近期美国能源部将2015年储氢系统的储氢质量分数的目标调整为515% , 目前尚无一种储氢方式能够满足这一要求, 因此必须大力发展新型高容量储氢材料。目前的研究热点主要集中在高容量金属氢化物储氢材料、配位氢化物储氢材料、氨基化合物储氢材料和MOFs等方面的研究。
在金属氢化物储氢材料方面, 北京有色金属研究总院近期研制出Ti32 Cr46 V22 Ce014合金, 其室温最大储氢质量分数可达3165% , 在70 ℃和011 MPa条件下有效放氢质量分数达到215%[ 35 ]。目前研究报道的钛钒系固溶体储氢合金, 大多以纯V为原料, 合金成本偏高, 大规模应用受到限制, 因此, 高性能低钒固溶体合金和以钒铁为原料的钛钒铁系固溶体储氢合金的研究日益受到重视。
1997年, Bogdanovic等人发现当以Ti(OBun)4 为催化剂时, NaAlH4 在中温条件(100～200 ℃)下可实现可逆吸放氢, 其理论储氢质量分数可达516% , 从而掀起了配位氢化物储氢材料的研究热潮。近10年来, 各国学者为提高配位氢化物储氢材料的储氢性能开展了大 量研究, 目前, 添加催化剂的Na2Al2H系氢化物储氢材料在150 ℃下的有效储放氢质量分数已达415%。但仍存在以下问题: ①制备条件苛刻、工艺复杂、成本高, 需探索新的低成本合成制备方法;②吸放氢热力学性能差, 需探索新的配位氢化物以改善其放氢热力学性能, 需研发新的催化剂与催化技术, 以提高其催化效率;③催化机理尚不清晰, 还需进一步深入研究材料在吸放氢过程中的动态结构变化、催化原子的占位及其材料的界面特性等, 准确揭示材料的催化吸放氢机理。
2002年, 陈萍等首次报道了在250 ℃条件下金属氨基物L i2N2H的可逆吸放氢质量分数高达615% , 引起了同行研究者对于新型金属氮氢化物储氢材料的极大关注, 但这一材料的吸放氢平台压力偏低, 放氢温度较高。当采用电负性较高的Mg部分替代L i后, 材料的吸放氢温度显著降低, 200 ℃时其储氢质量分数约为510%。随后对于类似的amide2hydride 体系, 如L iNH2-CaH2 , Mg(NH2)2CaH2 , Ca(NH2)2MgH2 等进行了大量研究。最近, 陈萍等又在高容量氨基硼烷化合物储氢材料的研究中取得了新进展, 他们将碱金属氢化物引入NH3BH3 中, 合成的碱金属氨基硼烷化合物, 在90 ℃条件下放氢质量分数高达1019% , 但其可控放氢性能还有待提高。
核用锆合金
核反应堆中, 目前普遍使用锆合金作为堆芯结构部件和燃料元件包壳材料。Zr4和Zr2 用作沸水堆包壳材料, Zr215Nb用作重水堆和石墨水冷堆的压力管材料, 其中Zr4合金的耐腐蚀性能以及开发新锆合金的研究工作。通过将Sn含量取下限, Fe, Cr含量取上限, 并采取适当的热处理工艺改善微观组织结构, 得到了改进型Zr4 合金仍然不能满足50GWd / tU以上高燃耗的要求。针对这一情况, 美国、法国和俄罗斯等国家开发了新型Zr2Nb系合金, 与传统Zr2Sn合金相比, Zr2Nb系合金具有抗吸氢能力强, 耐腐蚀性能、高温性能及加工性能好等特性, 能满足60GWd / tU甚至更高燃耗的要求, 并可延长换料周期。这些新型锆合金已在新一代压水堆电站中获得广泛应用, 如法国采用M5合金制成燃料棒, 经在反应堆内辐照后表明, 其性能大大优于Zr4合金已成功应用于秦山核电站一期工程。但目前我国核级锆合金加工材生产还没有形成完整的工业体系, 与国外先进水平相比仍存在较大差距, 具体表现在: ①尚未突破生产核级海绵锆的关键工艺流程, 核级海绵锆的生产处于停滞状态, 国产核级海绵锆的供应不足影响了锆材生产。虽然我国将引进美国华昌公司锆铪分离技术, 但这一技术仍存在着严重的环境污染隐患;②新锆合金的开发和使用滞后于核电站的应用需求, 对于锆铌系合金, 我国仍处于研究中试阶段, 缺乏堆内的考核试验数据;③目前锆管生产工艺流程中仍存在着一些严重影响质量、寿命和安全性的问题。
固体氧化物燃料电池
传统的固体氧化物燃料电池(SOFC)通常在800 ～1 000 ℃的高温条件下工作, 由此带来材料选择困难、制造成本高等问题。如果将SOFC的工作温度降至600～800 ℃, 便可采用廉价的不锈钢作为电池堆的连接材料, 降低电池其他部件(BOP)对材料的要求, 同时可以简化电池堆设计, 降低电池密封难度, 减缓电池组件材料间的互相反应, 抑制电极材料结构变化, 从而提高SOFC系统的寿命, 降低SOFC系统的成本。工作温度进一步降至400 ～600 ℃时, 有望实现SOFC的快速启动和关闭, 这为SOFC进军燃料电池汽车、军用潜艇及便携式移动电源等领域打开了大门。
实现SOFC的中低温运行有两条主要途径: ①继续采用传统的YSZ电解质材料, 将其制成薄膜, 减小电解质厚度, 以减小离子传导距离, 使燃料电池在较低的温度下获得较高的功率输出;②开发新型的中低温固体电解质材料及与之相匹配的电极材料和连接板材料。YSZ电解质过度薄膜化不利于电池的放大和规模化制作, 因此YSZ并不适用于低温SOFC(600 ℃以下)的电解质。目前在低温SOFC中应用较多的电解质材料是掺杂氧化铈(DCO)(包括SDC, GDC, YDC)和Sc掺杂的氧化锆(SSZ)。采用廉价的陶瓷工艺, 可以制备出约10μm厚的致密DCO薄膜, 该薄膜500 ℃时的面电阻为011Ω·cm2 左右。与此同时, 还开发出一些与DCO相匹配的高性能电极材料(特别是阴极), 通过优化电极结构(特别是阳极基体), 使得电池性能有了一定的提高。
在SOFC中碳氢燃料可通过内重整得到H2 和CO,随后H2 和CO在阳极上分别氧化为H2O和CO2 , 同时产生电能和高温热能。内重整可以提高效率, 简化系统, 降低成本, 但直接内重整易在Ni阳极上产生碳沉积, 导致电池活性快速下降。因此, 阳极必须具有长期 的抗积碳能力。阴极材料的欧姆损失约占整个中温SOFC系统欧姆损失的65%。若进一步降低SOFC的运行温度, 将引起阴极的极化过电位和界面电阻的进一步增大。因此, 研制与中温电解质材料相匹配的新型阴极材料是开发中温SOFC的前提和基础[ 46 ]。有些阴极材料在CO2 气氛中的化学稳定性较差, 应研究开发能稳定工作的抗CO2 阴极材料。
镍氢动力电池关键材料
镍氢电池是我国具有较强资源优势的高科技产品,在国际市场具有较强的竞争优势。2005年, 我国出口镍氢电池9 ×108 只, 超过日本成为镍氢电池的第一生产大国, 确立了我国作为世界镍氢电池生产基地的战略地位。镍氢动力电池已进入成熟期, 在商业化、规模化应用的混合动力汽车中得到了实际验证, 全球已经批量生产的混合动力汽车大多采用镍氢动力电池。目前技术较为领先的是日Panasonic EV Energy公司,其开发的电池品种主要为615 Ah电池, 形状有圆柱型和方型两种形式, 电池比能量为45 Wh /kg, 比功率达到1 300W /kg。采用镍氢动力电池的Prius混合动力轿车在全球销售约120万辆, 并已经受了11 年左右商业
运行考核。随着Prius混合动力轿车需求增大, 原有的镍氢动力电池的产量已不能满足市场需求, Panaso2nicEV Energy公司正在福岛县新建一条可满足106台/a电动汽车用镍氢动力电池的生产线, 计划3 年后达产。
目前镍氢电池所采用的正极材料均为β球型Ni(OH)2 , 镍氢动力电池正极材料的研发重点是改善高温条件下高倍率充放电效率及其可靠性, 主要方法为调整材料组分, 掺杂稀土氧化物及其进行颗粒表面修饰等。此外, 还开展了材料的低维化研究以提高材料的震实密度及质子的扩散速率, 通过金属置换、嵌入式双氢氧化物和C /Ni(OH)2 复合正极材料的研究以增加电极反应电子转移数, 提高材料比容量等。
低铂与非铂质子交换膜燃料电池催化剂
催化剂是质子交换膜燃料电池的关键材料之一, 对于燃料电池的效率、寿命和成本均有较大影响。在目前技术水平下, 燃料电池中Pt的使用量为1～115 g/kW, 当燃料电池汽车达到106 辆的规模(总功率4 ×107 kW)时, Pt的用量将超过40 t, 而世界Pt族金属总储量仅56 000 t, 且主要集中于南非(77%)、俄罗斯(13%)和北美(6%)等地, 我国本土的铂族金属矿产资源非常贫乏, 总保有储量仅310 t。铂金属的稀缺与高价已成为燃料电池大规模商业化应用的瓶颈之一。如何降低贵金属铂催化剂的用量, 开发非铂催化剂, 提高其催化性能, 成为当前质子交换膜燃料电池催化剂的研究重点。
“十五”以来, 我国在质子交换膜燃料电池的研发方面投入较大, 但重点集中于燃料电池发动机系统集成, 目前研发电池所用的催化剂、质子交换膜和碳纸等关键材料仍主要依赖进口。近年来, 在国家各类计划的支持下, 燃料电池催化剂的研究取得了一定进步。常规的Pt/C, PtRu /C催化剂的制备技术取得了一些突破,但尚未形成了稳定的批量供应能力, 同时在抗中毒催化剂、低铂催化剂、非铂催化剂以及催化剂的回收和再生技术等方面的研究工作尚需加强。
结语
开发新能源是降低碳排放、优化能源结构、实现人类社会可持续发展的重要途径。在新能源的发展过程中, 新能源材料起到了不可替代的重要作用, 引导和支撑了新能源的发展。核能材料是发展核能的重要基础。储能材料是发展节能的清洁交通和新型储能器件的重要支撑。新能源材料是推动氢能燃料电池快速发展的重要保障。提高能效, 降低成本, 节约资源,环境友好, 将成为新能源发展的永恒主题, 新能源材料将在其中发挥越来越重要的作用。如何针对新能源发展的重大需求, 解决相关新能源材料的材料科学基础研究和重要工程技术问题, 将成为材料工作者的重要研究课题。
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班级：金属材料工程10-2
姓名：周游 学号：1001130241
第二篇：新能源材料分类及其研究进展
新能源材料概况及最新研究进展
摘要：随着经济全球化发展，能源的消耗日渐增加。因此，对新能源材料的研究成为了人们关注重要问题。在现代化科技下新能源是优化能源结构、降低碳排放以及实现可持续发展之重要的途径。但是随着科技的发展，新能源材料研究的进展究竟如何一直是有待探究的问题[1]。本文主要介绍了新能源材料的概况及最新研究进展。
关键词：新能源材料，概况，最新进展
1前言
新能源材料是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料，它是发展新能源的核心和基础。新能源材料是新能源开发的物质基础，近几年，我国政府比较重视能源材料的开发和应用，9 7 3 计划、8 6 3 计划、科技攻关计划、高技术产业化专项等计划对绿色二次电池、燃料电池和太阳能电池等能源器件及其关键材料的研究开发和产业化均有一定投入[2]。当前的研究热点和技术前沿包括高容量储氢材料、锂离子电池材料、质子交换膜燃料电池和中温固体氧化物燃料相关材料、薄膜太阳能电池材料等。
2.新能源材料概况
目前比较重要的新能源材料有：（1）裂变反应堆材料，如铀、钚等核燃料、反应堆结构材料、慢化剂、冷却剂及控制棒材料等。（2）聚变堆材料：包括热核聚变燃料、第一壁材料、氚增值剂、结构材料等。（3）高能推进剂：包括液体推进剂、固体推进剂。（4）燃料电池材料：如电池电极材料、电解质等。（5）氢能源材料：主要是固体储氢材料及其应用技术。（6）超导材料：传统超导材料、高温超导材料及在节能、储能方面的应用技术。（7）太阳能电池材料。（8）其它新能源材料：如风能、地热、磁流体发电技术中所需的材料。
新能源材料是指支撑新能源发展的、具有能量储存和转换功能的功能材料或结构功能一体化材料。新能源材料对新能源的发展发挥了重要作用, 一些新能源材料的发明催生了新能源系统的诞生, 一些新能源材料的应用提高了新能源系统的效率, 新能源材料的使用直接影响着新能源系统的投资与运行成本。下面主要介绍核用锆合金、锂离子电池材料、纳米电源等新能源材料的现状及存在问题[3]。
2.1 核用锆合金
核反应堆中, 目前普遍使用锆合金作为堆芯结构部件和燃料元件包壳材料。Zr-2, Zr-4 和Zr-2.5Nb是水堆用3 种最成熟的锆合金, Zr-2用作沸水堆包壳材料, Zr-4用作压水堆、重水堆和石墨水冷堆的包壳材料, Zr-2.5Nb用作重水堆和石墨水冷堆的压力管材料, 其中Zr-4合金应用最为普遍, 该合金已有30 多年的使用历史[4-6]
。为提高性能, 一些国家开展了改善Zr-4 合金的耐腐蚀性能以及开发新锆合金的研究工作。通过将Sn含量取下限, Fe, Cr含量取上限, 并采取适当的热处理工艺改善微观组织结构, 得到了改进型Zr-4 包壳合金, 其堆内腐蚀性能得到了改善。但是,长期使用证明, 改进型Zr-4 合金仍然不能满足50GWd/tU以上高燃耗的要求[7]。针对这一情况, 美国、法国和俄罗斯等国家开发了新型Zr-Nb系合金, 与传统Zr-Sn合金相比, Zr-Nb系合金有抗吸氢能力强, 耐腐蚀性能、高温性能及加工性能好等特性, 能满60GWd/tU甚至更高燃耗的要求, 并可延长换料周期。这些新型锆合金已在新一代压水堆电站中获得广泛应用, 如法国采用M5合金制成燃料棒, 经在反应堆内辐照后表明, 其性能大大优于Zr-4合金, 法国法玛通公司的AFA3G燃料组件已采用M5 合金作为包壳材料。
2.2锂电池
经过10 多年的发展, 小型锂离子电池在信息终端产品(移动电话、便携式电脑、数码摄相机)中的应用已占据垄断性地位, 我国也已发展成为全球三大锂离子电池和材料的制造和出口大国之一。新能源汽车用锂离子动力电池和新能源大规模储能用锂离子电池也已日渐成熟, 市场前景广阔。近10年来锂离子电池技术发展迅速, 其比能量由100 Wh/kg增加到180 Wh/kg, 比功率达到2 000 W/kg,循环寿命达到1 000 次以上。在此基础上, 如何进一步提高锂离子电的性价比及其安全性是目前的研究重点, 其中开发具有优良综合性能的正负料、工作温更高的新型隔膜和加阻燃剂的电解液是提高锂离子电池安全性和降低成本的重要途径。
2.2.1 锂离子电池正极材料
锂离子电池的正极材料比容量目前仅130 mAh/g左右, 远低于负极材350 mAh/g的比容量, 成为锂离子电池容量的限制因素, 因此改善正极材料性能是提高锂离子电池性能的关键因素之一。目前锂离子电池正极材料主要LiCoO2 , 同时LiMn2O4, LiFePO4 和锂镍钴锰氧化物等新型正极材料也在开发和应用过程中。自从锂离子电池商用化以来, LiCoO2 一直是锂离子电池的主导正极材料。它是一种具有层状结构的化合物, 为α-NaFeO2 六方形结构, R3m空间群, 其理论比容量为274mAh/g, 实际比容量为140 ～ 155 mAh/g,平均电压3.7 V。LiCoO2 可以快速充放电, 在2.75～ 4.3 V范围内, 锂离子在LixCoO2 中可可逆脱嵌, 材料具有较好的结构稳定性和循环性能。
2.2.2 锂离子电池负极材料
目前锂离子电池用负极材料以碳质材料为主, 包括中间性炭微球和改性天然石墨等, 实际比容量达到350 mAh/g左右。2008 年我国碳基负极材料产量约5500 t。近年来正在开发更高比容量的新型负极材料, 如锡基材料和硅及硅化合物等, 此外具有优良充放电性能的Li4 Ti5O12也是目前新型负极材料研究热点之一。Li4 Ti5O12是一种具有尖晶石结构的可嵌锂电极材料 , 在脱/嵌锂离子过程中, 该材料在Li4 Ti5O12 与Li7 Ti5 O12之间进行两相转变, 二者的晶格常数几乎相同, 体积变化小于1%,因而被称之为“零应变”材料,与目前商业化较多的碳负极材料相比, Li4 Ti5O12具有放电平稳, 电压指示明显, 首次充放电过程中不形成SEI膜, 不易产生枝晶, 与电解液相容性好以及锂离子扩散系数大等特点。
2.3纳米电源
在过去几十年中, 纳米材料在纳米电子学、光电子学、材料科学、化学和生物等领域取得了许多突破性进展。开发出大量新型的纳米材料与微纳器件,并在生物医学、信息、能源以及人们日常生活的各个领域中展现出前所未有的应用前景。这些成果为人类社会的文明进步和可持续发展等带来了深远影响[8-10]。其中, 作为纳米器件的一种形式, 纳米电源由于体积小和能量转换效率高等特点, 在纳米科技、现代工业以及人体健康等领域都有重要的应用。目前, 对于纳米电源来说, 两个因素至关重要: 1)能量产生过程中所对应的物理效应;2)纳米电源所使用的电极材料。目前, 主要有两种物理效应被用于纳米电源系统: 压电效应与摩擦效应。
压电效应是指某些电介质在沿一定方向上受到外力作用而变形时,其内部会产生极化现象, 同时在其两个相对表面上出现正负相反的电荷;当外力去掉后,它又会恢复到不带电状态的一种物理现象。而当作用力的方向改变时, 电荷的极性也随之改变。相反, 当在电介质的极化方向上施加电场, 这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应, 或称为电致伸缩现象。具有压电效应的材料主要有: 压电单晶体(石英、硫化镉、氧化锌、氮化铝等), 压电多晶体(钛酸钡、锆钛酸铅等),压电聚合物与压电复合材料等。摩擦式纳米电源是一类基于柔性纳米薄膜“应变－恢复”过程中两电极接触、摩擦起电、静电感应的纳米电源系统, 是一种将摩擦产生的电 能收集起来并加以利用的装置。摩擦式纳米电源有以下几个独特的优势: 1)它是一种基于新的原理与方法的新型纳米电源,可为微-纳电子器件与电子学研开辟新的研究领域;2)整个器件的制造成本低,工艺简单,有利于大规模的工业化生产与实际应用;3)整个器件的结构简单,易加工,器件使用寿命长,容易和其他工工艺集成[11]。此外,由摩擦式纳米电源产生的电压远远大于压电式纳米电源。
3.新能源材料最新研究进展
3.1美开发新型堆叠结构太阳能电池
在日前举行的2014年美国科学促进会会议上，美国伊利诺伊州大学香槟分校的约翰·罗格博士宣布，其与美国聚光光伏组件厂商Semprius公司联合研发的新型硅片，光电转换效率可达42.5%，即便封装入面板也能保持在35%，而经过适当调试最高可达到惊人的50%。这打破了Semprius公司2012年创造的33.9%的光伏组件转换效率世界纪录。这种新型电池的秘密是什么呢？答案是它的构并非传统形式，而是在每块电池板中层层堆叠了4块电池片[12]。
3.2我国首次钻获高纯度新类型“可燃冰”
国土资源部地质勘查司副司长车长波在2013年12月17日上午的新闻发布会上指出，近日在珠江口盆地东部海域首次钻获高纯度新类型天然气水合物，其储量相当于1 000亿～1 500亿m3天然气，相当于现在四川的川中天然气田模。车长波表示，此次发现的天然气水合物样品具有埋藏浅、厚度大、类型多、纯度高四个主要特点，赋存于水深600m～1 100m的海底以下220m以内的2个矿层中。根据国土资源部的规划，我国可能在2020年前后突破天然气水合物的开发技术，实现能够适应工业化开发规模的工艺、技术和设备完善，大约再经过10年左右的提升，到2030年前后实现天然气水合物的商业开发[13]。
3.3日产新技术，可直接观察锂离子电池的电子运动
日产汽车与日产ARC于3月13日宣布，开发出了一种分析方法，可直接观察锂离子电池充放电时正极材料中的电子运动作并定量化。采用此方法“，使得高容量锂离子电池的开发成为可能，从而有助于延长纯电动汽车（EV）的续航距离”。要开发容量高、寿命长的锂离子电池，必须在电极活性物质中尽量多储存锂，进行可产生大量电子的材料设计。为此，掌握电池中的电子运动十分重要，而以前的分析技术无法直接观察电子的运动。因此，无法定量识别电极活性物质（锰（Mn）、钴（Co）、镍（Ni）、氧（O）等）中什么元素可在多大程度上释放了电子。此次开发的分析方法，使得长期存在的课题——探明充放电时电流的起源并定量把握在全球首次得到了解决。由此，可准确掌握电池内部发生的现象，尤其是正极材料含有的活性物质的运动状况。此成果是由日产ARC与东京大学、京都大学、大阪府立大学共同开发的。此次开发的分析方法，同时运用了使用“L吸收端”的“X射线吸收分光法”和使用超级计算机“地球模拟器”的“第一原理计算法”。尽管以前也有人采用X射线吸收分光法实施过锂离子电池分析，但使用“K吸收端”为主流。配置在距离原子核最近的K壳层的电子被束缚在原子内，因此电子并没有直接参与充放电日产ARC将此分析方法用于分析锂过剩型正极材料。结果发现 ：①在高电位状态下，属于氧的电子有益于充电反应 ；②在放电时，属于锰的电子有益于放电反应[14]。
4.展望
目前在全世界范围内，能源紧缺已得到人们的普遍关注，各个发达国家都已从事新型能源的开发工作。在现有技术条件下，新能源电力虽然取得了很大的成绩，但要使其得到大范围应用，尤其是在商业范围内得到普遍运用，还有很多技术问题没有解决[15]。要解决这些技术难题，不但要在物理、化学和应用材料方面取得很大成果，以求达到最大程度地降低建造成本和提升能源转换率；而且要在电气、电子、控制和信息方面加大技术攻关力度，使这些方面综合提高科研水平，早日完成各种电能之间相互转换、保存、送输、运用以及科学管理。所以，必须打破学科局限性，融合多方面技术，大力发展新能源电力，创造更加美好地人类生活。
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第三篇：聚氨酯研究进展
聚氨酯树脂的研究进展
摘要：本文综述了聚氨酯目前研究热点，其中包括氟硅改性、水性化、非异氰酸酯聚氨酯和聚氨酯纳米复合材料的研究，指出了聚氨酯未来研究方向。
关键词：聚氨酯；氟硅改性；水性；非异氰酸酯；纳米复合材料
Research progress of polyurethane
Abstract：This article reviews the current research focus of polyurethane, including fluorine-modified, water-based, non-isocyanate polyurethane and polyurethane nano-composites, demonstrating future research directions of polyurethane.Keyword: polyurethane;fluorine-modified;non-isocyanate;nano-composites
引言
聚氨酯树脂(PU)是一种重要的合成树脂，它具有优良的性能，如硬度范围宽、强度高、耐磨、耐油、耐臭氧性能优良，且具有良好的吸振，抗辐射和耐透气性能，具有高拉伸强度和断裂伸长率，良好的耐磨损性、抗挠曲性、耐溶剂性，而且容易成型加工，并具有性能可控的优点；它的产品形态多样，如泡沫塑料、弹性体、涂料、胶黏剂、纤维素、合成革等；因此广泛应用于交通运输、建筑、机械、家具等诸多领域。
1.氟硅改性
氟硅改性聚氨酯是目前研究的热点之一，氟硅具有独特的化学结构，其表面能较低，因此在成膜过程中向表面富集，可赋予改性聚合物涂膜优良的耐水、耐油污、耐候、耐高低温使用性能以及良好的机械性能。常有两种: 一种方法是将含有羟基或胺基的硅氧烷树脂或单体与二异氰酸酯反应，将有机硅氧烷引到水性聚氨酯中，利用硅氧烷的水解缩合交联来改善聚氨酯的性能；另一种方法是在环氧硅氧烷作为后交联剂引入到体系中，形成环氧交联改性聚氨酯体系。Cheng(Cheng, Zhang et al.2005)等人基于聚丙二醇（PPG），聚醚接枝聚硅氧烷（PE-PSI），2,4丁二醇（BDO）合成一个新颖的硅氧烷改性聚氨酯（PE-PSI）。Luo(Luo, Huang et al.2010)等人基于异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI），以二端羟烷基聚[甲基-（3,3,3-三氟丙基）]硅氧烷（PMTFPS）为软段，聚己内酯（PCL）的混合软段的基础上，合成氟-硅氧烷改性聚氨酯系列。Linlin(Linlin, Xingyuan et al.2007)等以2,4-甲苯二异氰酸酯、二端羟丁基聚二甲基硅氧烷（DHPDMS）、聚四氢呋喃醚二醇、1,4-丁二醇为主要原料合成了系列的有机硅改性聚氨酯（Si-PU）。硅烷改性聚氨酯的研究十分活跃，以聚氨酯为主链通过硅烷封端改性，是一个重要的发展方向。Mahdi(Mahdi, Syed Z.Rochester Hills et al.2001)通过硅烷偶联剂改性聚氨酯，提高了聚氨酯密封胶对玻璃的粘接性，而且不用底涂剂，甚至可胶接油漆面和有机物污染的表面。Sun, DX(Sun, Miao et al.2011)等用硅烷偶联剂（SiCA）改性功能化的纳米二氧化硅聚氨酯，提高其热稳定性、硬度、耐水性和耐候性。Xu(Xu, Lu et al.2011)等利用2-三氟甲基-4,4'-二氨基二苯醚合成了一系列含氟聚氨酯弹性体，性能测定结果表明含氟聚氨酯弹性体具有较低的表面张力，更好的疏水性、热稳定性、良好的机械性能和阻燃性能。
2.水性聚氨酯
20世纪60年代以来，溶剂型聚氨酯得到了广泛的使用，然而有机溶剂使用时造成空气污染，具有或多或少的毒性，水性聚氨酯以水为基本介质，具有不污染环境、节能、操作加工方便等优点，已受到人们的重视(仝锋 2000;颜俊, 涂伟萍 et al.2001)。水性聚氨酯按照分散粒子是否带电可分为离子型和非离子型, 而离子型水性聚氨酯按照聚氨酯主链上的带电性质又可分为阴离子型、阳离子型和两性离子型。LU(Lu, Tighzert et al.2005)等利用蓖麻油改性的水性聚氨酯与热塑性淀粉共混，试验表明，两者具有较好的相容性，这种改性弥补了热塑性淀粉的耐水性、物理机械性能方面的不足，为高性能的可降解淀粉塑料的研究提供了理论支持。Tyre(Tyre 2008)等人对作为木地板涂料的水性聚氨酯-丙烯酸混合物与油性产品的硬度、耐磨性和耐化学性坐了详细比较。Zhang(Zhang W)等人以聚醚多元醇、聚酯多元醇、异氰酸酯、二羟甲基丙酸、三乙烷、羟乙基丙烯酸酯为原料，合成作为水性油墨连接料的水性聚氨酯乳液，制成的水性油墨不燃，无毒，无害，环境友好，既安全又节能。Yang.Z(Yang Z 2010)等人以水和非羟基溶剂作为混合溶剂，得到环硫氯丙烷单体和巯基改性聚氨酯混合水性乳液，该乳液可以用作高效、环保的工业废水汞离子吸附剂。Lagiewczyk(Lagiewczyk and Czech 2011)等基于羟基聚丁二烯（HTPB），聚丙二醇（PPG），二羟甲基丙酸（DMPA）和异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）制备水性聚氨酯的压敏粘合剂（PU-PSA），其具有低粘性，低附着力和良好的凝聚力。
3.非异氰酸酯聚氨酯
20世纪90年代开始, 发达国家重视非异氰酸聚氨酯（NIPU）的开发与应用，在欧美国家正逐步实现工业化，在涂料、弹性体、胶粘剂等行业的应用大有与常规异氰酸酯竞争之势(Rokicki 2000;Figovsky and Shapovalov 2002;Yu, Yuan et al.2009)。NIPU由环碳酸酯齐聚物与胺类齐聚物反应制得, Garipov RM(Garipov, Sysoev et al.2003)等研究了环碳酸酯与胺的反应动力学特征。Kim(Kim, Kim et al.2001)等利用二氧化碳在相转移催化剂（PTC）作用下与二缩水甘油醚和双酚S的反应产物（DGEBS）反应制备二元环碳酸酯。Tamami(Tamami, Sohn et al.2004)等[利用环氧大豆油（ESBO）在催化剂作用下于110 ℃与二氧化碳反应合成大豆油环碳酸酯（CSBO），进而与胺类化合物反应可合成NIPU。Oleg Figovsky(Oleg Figovsky 2007)等研究了星形环碳酸酯的制备和其在合成星形羟基NIPU齐聚物、星形NIPU、星形杂化NIPU中的应用，同时还研究了丙烯酸环氧化合物、丙烯酸环碳酸酯、丙烯酸羟基NIPU齐聚物、丙烯酸NIPU、丙烯酸杂化NIPU的制备方法。通过采用特殊的树枝状氨基硅烷低聚物（dendroaminosilane oligomer），可以将硅烷链段引入NIPU网络结构中，成为一种杂化非异氰酸酯聚氨酯（hybrid NIPU，HNIPU）(王北海 2007)。杂化非异氰酸酯聚氨酯（HNIPU）涂料具有更好的耐化学性和透气性，是无分子间氢键类似结构的传统聚
氨酯涂料的1.5-2.5倍(Figovsky, Shapovalov et al.2001)。Poul-Ernst Meier,Farum(DK)(Poul-Ernst Meier 2004)发明了以HNIPU为基的胶粘剂和密封胶，用于金属表面涂装材料。
4.聚氨酯纳米复合材料
聚氨酯/纳米复合材料是未来的研究方向之一，近年来国内外聚氨酯/纳米复合材料的制备方法，主要介绍了共混法、原位聚合法、插层聚合法、溶胶-凝胶法等几种常用的纳米材料改性聚氨酯的方法(Dong-mei, Shao-ling et al.2011)。Zheng(Zheng, Gao et al.)等通过分散蒙脱石和多元醇，加入氨基烷基聚硅氧烷中和，制备蒙脱土/有机硅嵌段聚氨酯纳米复合材料。Petrovic(Petrovic, Cho et al.2004)等用溶胶-凝胶法制备并表征了两系列软段质量分数为50%和70% 的嵌段SiO2 纳米复合材料，研究了不同含量球形纳米SiO2溶胶对软、硬段相分离的影响。Yang hong-yan(Hongyan, Daocheng et al.2006)等以聚四氢呋喃醚二醇-1000(PTMG)、甲苯-2,4-二异氰酸酯（TDI）、3,3-二氯-4,4-二苯基甲烷二胺（MOCA）为原料，采用预聚法合成聚氨酯弹性体，并选用纳米CaCO3 对聚氨酯弹性体进一步增强，通过对纳米CaCO3进行表面改性及采用超声波促进纳米粒子在基体中更好地分散，并考察了纳米的CaCO3含量和合成温度对聚氨酯弹性体力学性能的影响。You(You, Park et al.2011)等制备泡沫聚氨酯（PUF）/多壁碳纳米管复合材料，并研究了其电学、热学和形态学特性，为制备高性能复合材料提供了理论依据。
展望
1.聚氨酯制备方法多为传统的制备方法，需进一步研究新的制备方法，进一步提高材料的综合性能；
2.针对特定缺陷利用多元复合改性聚氨酯涂料进行改良研究；
3.对于聚氨酯纳米复合材料的研究，期待新型纳米材料如纳米金刚石、纳米SiC等新型超硬纳米材料的应用研究；
4.聚氨酯复合材料还处于实验研究阶段，工业应用领域还有待于进一步开发。
参考文献：
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第四篇：药用植物研究进展
植物是药物的重要来源之一，人类利用药用植物的历史渊远流长。今天，尽管科学家已经能够利用化学方法研制品类繁多的药品，但开发利用植物药的热情在世界范围内却有增无减。这主要是由于植物种类丰富，体内所含的有效成分形形色色，具有开发新药的巨大潜力；既可以从中直接发现新药源；又可以发现新的先导化合物，通过结构修饰等技技术发明新药。
中国野生药用植物种质资源非常丰富，据统计在5000种以上，但传统的中草药获取方法是以采集和消耗大量的野生植物资源为代价的，当采集和消耗量超过自然资源的再生能力时，必然会导致物种濒危甚至灭绝。再有，自然生态环境的日益恶化，也进一步导致药用植物资源的匮乏。在已出版的《中国植物红皮书》第一卷中，共收载了388种国产珍稀濒危野生植物，其中有药用价值的约100余种，在中国历史上就已赫赫有名的人参、天麻、黄连、黄芪、杜仲、厚朴、巴戟天、平贝母、肉苁蓉等，均位列其中。
迄今，为了解决药用植物的供需矛盾，人们多采用人工栽培的方法扩大药源。但在人工栽培的药用植物中，有不少名贵药材如人参、黄连等生产周期很长，如果以常规方法育种或育苗，需要花费很长时间。另有一些药用植物如贝母（Ftitillaria spp.）、番红花(Crocus sativus)等，因繁殖系数小、耗种量大，导致发展速度很慢且生产成本增加。还有一些药用植物，如地黄(Rehmannia glutinosa)、太子参(Pseudostellaria heterophylla)等，则因病毒危害导致退化，严重影响了产量和品质。
于是，积极研究药用植物资源的再生技术，使有限的资源为人类永续利用迫在眉睫。应用植物组织培养生产药用植物，具有不受地区、季节与气候限制，便于工厂化生产等优势，同时组织培养中的细胞生长速度要比植物正常生长速度快，接近于分生组织的生长速度，因此利用组织培养手段快速繁殖药用植物种苗，或者利用组织培养或细胞培养手段直接生产药物便随之日益发展。
目前药用植物组织培养的应用主要有两个方面：一是利用试管微繁生产大量种苗以满足药用植物人工栽培的需要；二是通过愈伤组织或悬浮细胞的大量培养，从细胞或培养基直接提取药物，或通过生物转化、酶促反应生产药物。
我国的药用植物组织培养研究，可以追溯到20世纪50年代。1964年，罗士韦教授等首先报道了人参组织培养获得成功的研究成果。1983年，全国第一届药用植物组织培养讨论会召开，届时全国已有30多个单位，100余人从事药用植物的组织培养研究。其中以广西药物所的罗汉果快速繁殖，山东大学生物系与荷泽地区中药材试验站的怀地黄去病毒研究和中国药科大学人参工业化生产的中间试验为代表性的研究成果。自此，我国药用植物的组培研究迅速发展。1986年，由我国科学工作者编写的有关专著《药用植物组织培养》问世……到目前为止，我国的科技工作者在药用植物组织培养方面已取得了巨大的成绩，组织培养技术水平也在不断进步：如培养方法已从固体、液体、悬浮培养，深层大罐发酵发展到液体连续培养；培养材料也从药用植物的根、茎、叶、花、胚、果实、种子等组织或器官，这些器官诱导出的愈伤组织或冠瘿组织，一直发展到目前的细胞。
近40年来我国经离体培养获得试管植株的药用植物已有金线莲(Anoectochilus formosanus)、白芨(Bletilla striata)、番红花、铁皮石斛(Dendrobium candidum)、绞股蓝（Cynostemma pentaphyllum）、苦丁茶(Ilex kudingcha)、南洋金花(Datura metel)、海巴戟(Morinda citrifolia)等100余种，其中大多数为珍贵的药用植物。
从60年代开始的我国传统药材离体培养和试管繁殖研究，到目前为止已有100多种药用植物经离体培养获得试管植株，其中有的还利用试管繁殖技术生产用于栽培种植药材，如苦丁茶、芦荟、怀地黄、枸杞、金钱莲等。宁夏农林科学院构相研究所利用试管繁殖与嫩枝扦插相结合的方法繁殖新品种“宁杞一号”和“宁杞二号”苗木100多万株，加速了该品种的推广。
通过组织培养成功的药用植物至少有200种。增养的药用植物从常见的到珍稀濒危植物、民族植物，如云南黑节草、延龄草、高山红景天，藏药——川西獐芽菜、莪术、水母雪莲、星花乡线菊、溪黄草、玉叶金花、辽东葱木等。从生产常用药的植物到具有抗癌、抗病毒等有效成分的植物，如红豆杉、艾黄杨、狼毒、大戟属、长春花、米仔兰、狗牙花和香榧等。
第五篇：生物信息学研究进展
我国生物信息学发展现状及展望
摘要：简要叙述了我国生物信息学发展现状，以及我国当前生物信息学发展中的一些问题，并对生物信息学的发展前景进行概述。
关键词：生物信息学 现状 展望
1生物信息学简介
生物信息学(Bioinformatics)是20世纪末才诞生的一门新学科，是信息技术在生物数据处理上的应用，该学科涉及分子生物学技术、计算机信息技术、数据库技术等多门学科，是生物学、数学、物理学、计算机科学等众多学科交叉的新兴学科。它主要利用计算机信息处理工具和软件对分子生物学实验数据进行加工和分析，从中发现有价值的信息，它是生命科学的前沿学科，其数据信息主要来自于人类及各种模式生物基因组的分子数据，包括DNA、RNA和蛋白质片断的序列数据，也有蛋白质的结构数据和经过计算机处理的分子数据。
2国内生物信息学发展状况
我国生物信息学研究近年来发展较快,相继成立了北京大学生物信息学中心、华大基因组信息学研究中心、中国科学院上海生命科学院生物信息中心,部分高校已经或准备开设生物信息学专业。2002年国家自然科学基金委在生物化学、生物物理学与生物医学工程学学科设立了生物信息学项目,并列入生命科学部优先资助的研究项目。国家 863计划特别设立了生物信息技术主题,从国家需求的层面上推动我国生物信息技术的大力发展。
但是由于起步较晚及诸多原因，我国的生物信息学发展水平远远落后于国外。在PubMed收录的以关键词“Bioinformatics”检索到的历年发表的文章数，可以看出大量的研究文献出现在21世纪以后。其中我国共有138篇占全部5548篇的2.5%，而美国则发表2160篇占全部的39%之多（统计数据截至2004年2月15日）。我国学者在生物信息学领域发表的有高影响力的论文只有不到美国学者发表数量的6%，差距相当大。在生物信息学领域，一些著名院士和教授在各自领域取得了一定成绩，显露出蓬勃发展的势头，有的在国际上还占有一席之地。如北京大学的罗静初和顾孝诚教授在生物信息学网站建设方面、中科院生物物理所的陈润生研究员在EST序列拼接方面以及在基因组演化方面、天津大学的张春霆院士在DNA序列的几何学分析方面、中科院理论物理所郝柏林院士、清华大学的李衍达院士和孙之荣教授、内蒙古大学的罗辽复教授、上海的丁达夫教授等等。北京大学于1997年3月成立了生物信息学中心，这个中心在1996年欧洲EMBNet扩大到欧洲之外时已正式成为中国结点(每个国家只有一个结点)，目前已有60多种生物数据库的经常更新的镜像点。近年来，它已组织过多次国内和地区的培训班及会议，有着较广泛的国际联系。另外，中国科学院、中国医学科学院、军事医学科学院、清华大学、天津大学、浙江大学、复旦大学、哈尔滨工业大学、东南大学、中山大学、内蒙古大学等等都先后开展了生物信息学研究和教学工作，许多大学都设立了生物信息学专业，并同时招收本科、硕士、博士研究生。
各种学术会议及论坛的召开，对于促进我国在这一前沿领域的发展起着越来越重要的作用。中国科学院于1997年9月和12月召开了第80、87次香山会议，首次邀请有关专家就“DNA芯片的现状与未来”和“生物信息学”进行探讨。1999年3月，清华大学生物信息学研究所、国家人类基因组北方研究中心和北京生物技术和新医药产业促进中心共同举办了“北方生物信息学学术研讨会”。1999年4月，北京大学举办了“国际生物信息学讲习班”。2001年4月，由北京市科技委员会、中国人类基因组北方研究中心、中国人类基因组南方研究中心、北京华大基因研究中心、军事医学科学院、北京生物工程学会生物信息学专业委
员会、北京生物技术和新医药产业促进中心等共同举办的首届“中国生物信息学大会”在北京召开。2003年11月28-29日，中国科协“生物信息学与进化计算”第81次青年科学家论坛在北京中国科技会堂成功召开。这次论坛是中国科协举办的一次多学科交叉的盛会，旨在促进国内青年科学家在这一全新领域内的相互交流，促进该学科的成长与发展。这是国内首次以“生物信息学”为主题的一次多学科交叉的青年科学家论坛。与会者一致认为系统生物学、非编码区功能研究、基因调控和相互作用网络等是当前生物信息学研究的热点问题。
尽管如此，真正开展生物信息学具体研究和服务的机构或公司仍相对较少，仅有的几家科研机构主要开展生物信息学理论研究，声称提供生物信息学服务的公司所提供的服务也仅局限于简单的计算机辅助分子生物学实验设计，而且服务体系并不完善；国内互联网上已有的几家生物信息学网站，大部分偏于所有生物（医）学领域的新闻报道，而生物信息学专业技术服务的含量太少，这就与国外有了较大差距。
3我国生物信息学发展中存在的问题
一方面，在生物信息学研究领域，一般的教授、教师能力有限，有些甚至对生物信息学本身知其一不知其二，缺乏正规的训练，很少了解目前的研究重点、热点和今后方向。由于所申请的经费支持力度和持续时间原因，大多数学者只能选择易于获得研究成果的科研项目，一般缺乏新颖性和创造性。这可能与我们国家处于快速发展阶段的“短平快”思路和环境有关。另一方面，可能是教育体制上的原因，科研项目的分配问题、行政管理中存在的问题，传统教育不鼓励学生进行批判性、创新性地学习和思考的问题，也可能是症结所在。另外，生物信息学对信息交流有很高的要求，尤其是Internet的畅通，我国曾经有人为的限制访问或限制流量这些今后回顾时会成为苦涩消化的举措[6]。目前我国的科研经费真正投入并落到实处的占国家GDP的份额还很小，科研经费问题进一步限制了生物信息学在我国的发展。
4展望
生物信息学作为一门新兴的工程技术学科，对刚起步的我们来说充满了机会和挑战，“后基因组时代”给我国的生物信息学发展提供了很大的舞台。生物信息学首先是一门信息学，所以我们必须端正一些可能的认识错误，必须呼吁引导更多的计算机、数学、物理学人才加入到其中的研究。统计学、概率论、组合数学（尤其是图论）、拓扑学、运筹学、函数论、信息学、计算数学、群论、人工智能，都已经在生物信息学研究中发挥了巨大的作用。我们应尽快缩小我国在计算机信息学的核心技术、巨型计算机的应用以及互联网核心技术方面与世界领先国家的差距。生物信息学的发展对生物学、医学、农业、环境科学、信息技术以及新材料的研究必将起到深刻的作用，生物信息学进一步深入研究和广泛应用必将为这些领域带来根本性的变革。生物信息学的特点是投资少，见效快，效益大，适合于我国的现实条件。即从英特网上源源不断地采集数据，进行分析、归类与重组，发现新线索、新现象和新规律，用以指导实验工作的设计，这是一条既快又省的科研路线，可避免不必要的重复，少走弯路，提高我国生物科学的研究水平。
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