第一篇：細菌表面展示技術(shù)講稿(詳細版)

細菌表面展示（bacterial cell－surface display）技術(shù)的發(fā)展及應用

各位同學大家好，今天我們?yōu)榇蠹規(guī)淼氖牵杭毦毎砻嬲故炯夹g(shù)，嚴謹?shù)目茖W定義是：指通過重組 DNA 技術(shù)，將外源功能蛋白表達并定位于特定細菌細胞的表面，以達到一定的研究與應用目的是一項新的蛋白質(zhì)應用技術(shù)。這句話該怎么理解：一般基因工程需要把蛋白提取出來，最好是菌體可以把蛋白分泌到菌體外，表面展示技術(shù)是把目的蛋白表達在細胞表面，外源蛋白的這種表面錨定有4個好處：1.可以使特定的反應在細胞表面直接發(fā)生而提高反應效率，2.能克服某些大分子底物不能穿越細胞膜而進入胞內(nèi)，3客服某些反應產(chǎn)物在細胞內(nèi)不能進行特定的構(gòu)型折疊等弊端，4.使產(chǎn)物的提取純化過程簡化。

接下來，我組將從發(fā)展史，菌體構(gòu)建，技術(shù)應用，未來展望4各方面為大家介紹。1.發(fā)展史

大多數(shù)生物技術(shù)都是經(jīng)歷了噬菌體——細菌——真核（酵母菌）的三個發(fā)展應用階段，表面展示技術(shù)也不例外。包括：1985年Smith等人創(chuàng)建噬菌體表面展示技術(shù)，次年，F(xiàn)reudl 報道細菌表面展示技術(shù)，以及近年來興起的酵母菌表面展示技術(shù)與桿狀病毒表面展示系統(tǒng)。

噬菌體表面展示技術(shù)：該展示系統(tǒng)是最早發(fā)展起來的,歷經(jīng)20多年發(fā)展,現(xiàn)在最常用的噬菌體表面展示系統(tǒng)主要有:絲狀噬菌體、K噬菌體、T4噬菌體和T7噬菌體展示系統(tǒng)。噬菌體表面展示技術(shù)具有表面展示技術(shù)的基本優(yōu)點,而且技術(shù)發(fā)展相對成熟,但由于載體自身的限制,使得該展示系統(tǒng)存在著很大缺點。比如,外源蛋白的插入可能影響噬菌體的裝配,使其失去感染力;多肽或蛋白質(zhì)與噬菌體外殼蛋白融合表達時存在不可預測的偏差性等。

酵母菌表面展示系統(tǒng)：酵母表面展示系統(tǒng)是近年發(fā)展起來的一種重要的真核蛋白表面展示系統(tǒng)。釀酒酵母是具有細胞壁的單細胞真核微生物,是目前常見的酵母表面展示系統(tǒng)載體蛋白來源。根據(jù)交配型的差異分為MATa和MATA兩種單倍體,其細胞表面分別表達a或A凝集素,它們是酵母細胞壁上的兩種甘露糖蛋白,可介導細胞間的性黏附使細胞融合。目的蛋白可分別與a或A凝集素融合,展示于酵母細胞表面。與細菌相比,釀酒酵母在表面展示技術(shù)上的應用具有許多優(yōu)勢:(1)具有公認的安全性;(2)其蛋白質(zhì)折疊和分泌方式與哺乳動物相似,展示哺乳類蛋白優(yōu)于細菌系統(tǒng);(3)具有眾所周知的發(fā)酵特性;(4)展示的蛋白質(zhì)可通過糖基磷脂?；?GPI)錨定或二硫鍵綁定在細胞壁上。因此,酵母表面展示系統(tǒng)是一種更為安全、高效的表面展示系統(tǒng)。但該系統(tǒng)也存在一些缺陷,例如酵母生長適溫范圍窄,主要的蛋白質(zhì)后加工過程與哺乳動物細胞差異較大,重組酵母缺少選擇標記等。2006年有人報道酵母的質(zhì)量控制系統(tǒng)并不能區(qū)分表達完整折疊的蛋白和折疊結(jié)構(gòu)缺陷型蛋白〔4〕,這也進一步表明了酵母表面展示系統(tǒng)在蛋白表達上還不完善,篩選出來的蛋白應用前可能還需要進一步分析研究。

桿狀病毒表面展示系統(tǒng)：屬于高等真核生物展示系統(tǒng)。該展示系統(tǒng)以桿狀病毒為載體,外源基因插入病毒的衣殼蛋白基因或囊膜蛋白基因后經(jīng)過加工處理,與衣殼蛋白或囊膜蛋白進行融合表達并在病毒粒子或感染細胞表面進行展示。作為一種真核生物展示系統(tǒng),桿狀病毒表面展示系統(tǒng)允許大片段外源基因的插入,能有效地在病毒粒子表面展示外源蛋白,而且可以對外源蛋白進行糖基化加工和折疊等翻譯后修飾,尤其適合需進行特異的翻譯后加工才能有效折疊和具有生物活性的高等真核生物細胞表面蛋白和分泌蛋白的展示。目前研究及應用最為廣泛的桿狀病毒表面展示系統(tǒng)是苜蓿尺蠖核型多角體病毒和家蠶核型多角體病毒表面展示系統(tǒng)〔5〕。相對于前幾種展示系統(tǒng),該展示系統(tǒng)可能具有更大的發(fā)展和應用空間。2.細菌表面展示體系的構(gòu)成

細胞表面展示體系通常由運載蛋白（carrier protein）、靶蛋白（又稱乘客蛋白，passenger protein）和受體菌三者組成，其中運載蛋白與靶蛋白以融合蛋白的方式交聯(lián)，根據(jù)運載蛋白與靶蛋白融合位置的不同，一般分為 N 端融合、C 端融合和三夾板式融合等 3 種交聯(lián)方式。2.1運載蛋白

運載蛋白的功能是將靶蛋白引導并錨定于細胞表面特定部位，因此一般應具有以下特性：①在結(jié)構(gòu)上具有錨定單元，使靶蛋白能固定在細胞表面；②一般具有信號肽或轉(zhuǎn)運信號，藉此引導表達的融合蛋白穿越細胞質(zhì)膜； ③與外源蛋白融合后其本身的錨定特性不發(fā)生改變； ④展示的靶蛋白不易被胞內(nèi)蛋白酶降解。目前已證實多種具有上述特性的細菌細胞蛋白，按其結(jié)構(gòu)部位與功能，可分為細胞膜孔道蛋白、冰晶核蛋白、細胞壁相關(guān)蛋白、S－層蛋白、細胞表面附屬物蛋白和其他類型蛋白等。接下來重點介紹兩個應用最廣的冰晶核蛋白和我們稍微熟悉的細胞表面附屬物蛋白，兩個運載蛋白。

2.1.1冰晶核蛋白

冰晶核蛋白（INP）是存在于丁香假單胞菌等細菌中的一種可誘發(fā)生物冰核形成的分泌蛋白，也是目前應用最為廣泛的運載蛋白已從丁香假單胞菌克隆到 inaK、inaV 和 inaZ 等基因均位于染色體上，其編碼產(chǎn)物的大小為 1 200～1 500 個氨基酸。在結(jié)構(gòu)上，inaK 等基因均為單一開放閱讀框，其編碼蛋白由 3 個典型的結(jié)構(gòu)域組成：①N 端結(jié)構(gòu)域（約占序列的 15％），其中含有3～4 個與膜轉(zhuǎn)移相關(guān)的結(jié)構(gòu)單元，但是均未發(fā)現(xiàn)有分泌信號序列存在于這個區(qū)域中。此結(jié)構(gòu)域含有較為豐富的 Asp 和親水性氨基酸 Ser 和 Thr。Asp 殘基可與細胞壁上的糖基磷脂酰肌醇通過N－聚糖連接方式進行連接，而 Ser 和 Thr 殘基則可通過 O－聚糖連接方式與外膜多糖中的甘露糖相結(jié)合，從而將該蛋白錨定固著在外膜表面。②C 端結(jié)構(gòu)域（占 4％），其主要的生理功能是參與冰晶形成。③中間的疏水結(jié)構(gòu)域（占 81％），其序列中周期性地出現(xiàn) 8 個、16 個和 48 個氨基酸殘基的重復序列，其功能主要是起“晶核”的作用而誘導冰晶的形成。在 C 端結(jié)構(gòu)域和中間疏水結(jié)構(gòu)域也均未發(fā)現(xiàn)分泌信號序列。INP 分子結(jié)構(gòu)的這一特征為靶蛋白的轉(zhuǎn)運提供了更多的可行選擇。已報道采用 INP 的 N端加上少數(shù)中間重復單元、或僅采用其前 175 個氨基酸殘基的N 端，均能有效轉(zhuǎn)運和展示外源蛋白。

2.1.2細菌表面附屬物

細菌表面附屬物，如鞭毛和菌毛（性毛）等也可以作為運載蛋白。鞭毛主要由若干拷貝 FliC 蛋白與其他成分構(gòu)成，其兩端高度保守，而中間超變區(qū)則可以用外源蛋白代替用來構(gòu)建表面展示體系，同時鞭毛保持原有的功能不變。但是由于中間超變區(qū)的大小有限，插入的外源基因的大小有一定的限制。菌毛是長細絲狀的細菌附著物，由約 1 000 個主要的亞基菌毛蛋白和一些對附著和組裝有重要作用的小蛋白組成，形成一個螺旋筒狀結(jié)構(gòu)。每個細胞含有約 500 個拷貝，菌毛蛋白含有超變區(qū)可用于插入靶蛋白。Ⅰ型菌毛含有甘露糖殘基，介導結(jié)合到大腸桿菌上皮受體，由于其在細胞表面數(shù)量巨大，可產(chǎn)生強烈的免疫反應，具有附著和易于純化的特性，在疫苗開發(fā)和文庫構(gòu)建上具有優(yōu)勢

2.2靶蛋白

靶蛋白是在細胞內(nèi)合成后經(jīng)跨膜轉(zhuǎn)運和在細胞表面固定并展現(xiàn)功能的特定蛋白，其活性大小直接決定著展示系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。并非所有內(nèi)源或外源合成蛋白都適合于用作靶蛋白，一般要求靶蛋白分子內(nèi)不能形成二硫鍵或者在發(fā)揮活性時需要進行特殊的折疊、靶蛋白一級結(jié)構(gòu)中帶電荷的氨基酸不能對融合蛋白在細胞表面的錨定產(chǎn)生干擾、靶蛋白功能活性區(qū)域（如酶的活性中心）的位置通常不能太靠近融合位點等。

2．3 宿主菌

宿主菌的遺傳背景也是影響展示系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。宿主菌應對異源蛋白具有很好的兼容性和較低的蛋白酶降解活性，同時應具有容易培養(yǎng)或某種有利于展示性能發(fā)揮的特性，如惡臭假單胞菌的強抗逆性能。革蘭陰性菌是研究較早和目前報道較多的宿主菌，近年也開發(fā)了多種革蘭陽性菌表面展示系統(tǒng)。3.技術(shù)應用：

經(jīng)歷近30年的發(fā)展，細菌表面展示技術(shù)廣泛應用于疫苗開發(fā)，蛋白質(zhì)文庫與肽文庫的篩選，全細胞催化劑，全細胞吸附劑及降解劑，和其他應用等5個方面。其中蛋白質(zhì)文庫與肽文庫的篩選是：從龐大的隨機文庫中篩選出目標蛋白或肽片段，對于得到高活性的突變酶或提高抗原決定簇的免疫能力具有重要意義。將靶蛋白展示到細菌表面，不但可以利用熒光活性分選技術(shù)進行篩選，而且直接得到純化的單克隆。Daugherty 等通過在大腸桿菌表面展示 scFv 和進行點突變建立突變體庫，再使用流式細胞儀分選系統(tǒng)進行篩選，建立了一種高效篩選突變文庫的方法Kim 等采用 DNA shuffling 技術(shù)對枯草芽孢桿菌 BSE616 的纖維素酶基因進行改造，建立了大于 1×106的文庫，通過菌落形態(tài)進行篩選，得到的最優(yōu)菌株的纖維素酶活性比對照高 5 倍采用免疫學技術(shù)對大的文庫進行篩選具有較高的效率和靈敏性。Bessette 等將 15 個氨基酸的肽插入大腸桿菌外膜蛋白 OmpA上，構(gòu)建了含有 5×1010克隆的大文庫，通過篩選得到 7 個氨基酸的保守序列，對人血清白蛋白、抗 T7 抗原決定簇、人 C 反應蛋白、HIV－1 gp120 和堿性磷酸酶等都有很高的親和性。

近年來，有關(guān)細菌表面展示技術(shù)新的應用途徑仍然不斷出現(xiàn)。如表面展示技術(shù)和固定化技術(shù)相結(jié)合而開發(fā)的生物過濾器，不僅可以從混合的物質(zhì)中分離出特異的蛋白和抗原決定簇，而且也可以用于生物吸附污水中的重金屬，在水處理和環(huán)境監(jiān)測上具有應用前景。用表面展示 OPH 的大腸桿菌修飾的 pH 電極，開發(fā)了一種直接測量有機磷神經(jīng)毒劑的電位式微生物生物傳感器。此外，對將新型納米技術(shù)整合到細菌表面展示的技術(shù)也進行了研究，可望促進生物醫(yī)學工程的發(fā)展。4未來展望： 近20 年來，細胞表面展示技術(shù)的應用領(lǐng)域已經(jīng)大為拓展，但這一技術(shù)也存在一些尚未解決的問題，如：①目前能夠在細菌表面展示的均為一些分子相對較小的蛋白質(zhì)，對于超過 500 個氨基酸的蛋白質(zhì)展示效率很低，這往往是由于與運載蛋白組建的融合蛋白的跨膜分泌活性較低所致； ②目前所展示的主要是一些水解酶類或在結(jié)構(gòu)上無須進行折疊的簡單蛋白質(zhì)，對于在分子內(nèi)部有二硫鍵結(jié)構(gòu)或需要進行折疊的蛋白質(zhì)往往不能實現(xiàn)功能性的展示； ③目前所報道的細菌表面展示系統(tǒng)主要是利用大腸桿菌這樣的模式系統(tǒng)所進行的工作，且大都是實驗室的前期研究階段的工作，普遍缺乏實用性；所構(gòu)建的工程菌還往往攜帶抗生素抗性基因，因此還不能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義的環(huán)境應用等。隨著微生物基因組學與蛋白質(zhì)組學研究的廣泛開展，對細胞表面的結(jié)構(gòu)與功能的了解將會更為透徹，更多新的表面展示體系將會被開發(fā)，更多的環(huán)境生長優(yōu)勢菌群的遺傳背景也將被深入研究，細胞表面展示技術(shù)與染色體整合技術(shù)和細胞固定化技術(shù)相結(jié)合，將會開發(fā)出能滿足多種需要的細菌表面展示系統(tǒng)。

第二篇：細菌講稿

第二節(jié) 細 菌

教學過程設計

師：同學們很高興來到這里.今天由我來帶領(lǐng)大家走進生物圈中的細菌的世界，說到細菌我想問一問此時在你們的課桌上，本子上,筆上有細菌沒有？在你們的手上衣服上有細菌嗎？ 生：有

師：對，其實我們時時刻刻都在和細菌打交道。那你們對細菌了解多少呢？現(xiàn)在請拿出一張紙，請同學們把你對細菌的了解用一兩句話或一兩副圖表達出來?，F(xiàn)在開始?。ń處熝惨?不用寫太多）我們同學寫了很多他所了解的細菌。好了我們就請同學交流一下你知道的細菌是怎樣的。開始。（點同學回答）生：我覺得細菌形狀很小，象小丸子。繁殖很快

師：說的很好，很棒，還有哪位同學？（非常不錯）有沒有哪位同學把細菌繪畫出來的？好這位同學請你到上面去展示一下你畫的細菌圖好嗎？（同學上來）給予評價，還有沒有同學畫出來了你想象中的細菌呢？好請這位同學上來展示。學生展示（介紹一下）。很棒，看來我們同學對細菌的了解還真不少，那么細菌真的是你想象的這樣嗎？今天就讓我們走進細菌來揭開它神秘的面紗吧。（板書課題）同學們你們對細菌有了一定的了解，那么你們知道第一個發(fā)現(xiàn)細菌的人是誰嗎？ 生：列文虎克（非常的好）。師：他是怎么發(fā)現(xiàn)細菌的呢？

生：用顯微鏡（可見同學有了一定的認識和了解了）

師：在我們生物學史上第一個看到細菌的人不是什么科學家，而是荷蘭一個名不虛傳的小鎮(zhèn)的管理員，他的名字叫列文虎克。他從小就迷上了自己制作放大鏡，他自制的顯微鏡可以將物體放大200到400倍。（請同學看虎克和他制作的顯微鏡）一次他把從沒有刷過牙的老人的牙垢放在顯微鏡下觀察。結(jié)果大吃一驚！他看到了許多微小的生物。他并沒有放過這些微小的生物。而是將他所觀察到的生物繪制成圖畫（可以展示他畫的圖）寄給英國皇家學會。從這些圖畫中人們第一次知道了細菌的存在第一次認識了各種形態(tài)的細菌，那么在虎克發(fā)現(xiàn)細菌之前，自然界有沒有細菌？ 生：有

師：那么列文虎發(fā)現(xiàn)細菌最關(guān)鍵是什么呢？ 生：自制了顯微鏡

師：對了。用自制的顯微鏡虎克才看到了細菌，發(fā)現(xiàn)了細菌。因此英國皇家學會還選舉他做會員，相當于我們現(xiàn)在的科學院院士。列文發(fā)現(xiàn)細菌是在17世紀后葉，知道19世紀中葉人們?nèi)圆恢兰毦菑哪睦飦淼?，當時一些著名的科學家認為細菌是自然而然產(chǎn)生的。例如：在生活有這樣的現(xiàn)象，肉湯放置一段時間會怎么樣啊？（變質(zhì)）科學家經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，是肉湯里面的細菌在生長繁殖而引起的變質(zhì)，于是認為細菌是自然而然產(chǎn)生的。而法國的一位科學家對這個觀點卻提出了質(zhì)疑（展示巴斯德圖片）巴斯德提出的質(zhì)疑是什么呢？肉湯中的細菌真的是自然產(chǎn)生的嗎？這是巴斯德提出的問題。（板書巴斯德實驗）而巴斯德認為肉湯中的細菌并不是自然形成的，這個認為是他作出的假設，這個假設有沒有說服力？（沒有）那么如果要證實他的假設是正確的應該采取什么方法？對了要實驗.來證實它。很好。提出了質(zhì)疑接著再去假設然后再設計并實施實驗。（板書設計實驗）

板書：一。細菌的發(fā)現(xiàn)

巴斯德的實驗 1。提出問題 2。作出假設 3。設計實施方案 4。實施實驗

師:1860年巴斯德做出非常著名的實驗，請大家看大屏幕（播放巴斯德實驗）講解：他將肉湯均等的灌入兩個燒瓶中，第一個燒瓶就是普通的燒瓶，瓶口豎直向上；而將第二個燒瓶在火焰上熔化瓶頸，拉長，彎曲成鵝頸一樣的鵝頸瓶。然后把肉湯煮沸、冷卻。兩個燒瓶都敞開著，這樣外界的空氣可以暢通無阻地與肉湯表面接觸。幾天后，第一個燒瓶里就變渾濁了，變質(zhì)了。第二個燒瓶里卻沒有。直至四年后，第二個鵝頸瓶里的肉湯仍然清澈透明，沒有變質(zhì)。這就神奇了。大家想一想在巴斯德的這個實驗過程中有哪些設計是非常巧妙的呢？我們有一個同學已經(jīng)舉手了。生：設置成鵝頸狀等等。。

師：評價（材質(zhì)一樣，肉湯是均等的，都敞開著，實驗條件一樣。）那么巴斯德在設計實驗的時候這些巧妙之處是怎么來的呢？（思考）對了是通過思考，通過他的精密的思維而得到的。1864年7月14日，巴斯德展示了他的實驗我們可以看到第一個瓶子里面的肉湯變質(zhì)了，巴斯德是這樣解釋這個現(xiàn)象的。因為第一個燒瓶是頂端開口，懸浮于空氣中的細菌，可以落人瓶頸直達液體，細菌在肉湯里得到充足的營養(yǎng)而生長發(fā)育，于是引起了肉湯的變質(zhì)。第二個燒瓶雖然也與空氣相通，但瓶頸拉長彎曲，空氣中的細菌僅僅落在彎曲的瓶頸上，而不會落入肉湯中生長繁殖引起變質(zhì)。所以瓶頸中的肉湯放置四年仍然是清澈的沒有變質(zhì)。這就是巴斯德對他的整個實驗現(xiàn)象做出的精彩分析。（板書：5。分析實驗現(xiàn)象）那么巴斯德得到了一個怎樣的結(jié)論呢？那位同學說一下？

生：細菌不是自然形成的是有原先已經(jīng)存在的細菌形成的

師：細菌不是自然形成的是原先就已經(jīng)有存在的細菌。這個結(jié)論得到了當時的科學界一致支持。此外巴斯德還發(fā)現(xiàn)了乳酸菌，酵母菌，以及提出了保存啤酒和牛奶的巴式消毒法，同學們你們現(xiàn)在喝的袋裝消毒滅菌奶。它就是利用巴斯德的巴式消菌法來滅菌，另外巴斯德還提出了防止手術(shù)感染的方法。由于巴斯德在微生物學研究方面的卓越成就，人們把他尊稱為“微生物學之父”。好了，細菌發(fā)現(xiàn)的故事講完了。下面就請同學們你們來講一講，講什么呢？(看大屏幕)，聽了這兩個故事你對科學的發(fā)現(xiàn)有什么新的認識。（暗示學生）剛才我們已經(jīng)說過了列文虎克為什么會發(fā)現(xiàn)細菌。巴斯德的這個實驗結(jié)論為什么會得到科學界的一致認同。請同學回答。生：要有頭腦。。細小觀察，對科學提出質(zhì)疑

師：（暗示）如果沒有顯微鏡會怎么樣呢。那么我想問一下同學們在你們的日常生活里面，有探究過一些科學奧秘嗎？（有）你們探究活動的方法與巴斯德的方法步驟是一樣的嗎？（相似的）所以其實你們也在進行科學探究，從虎克發(fā)現(xiàn)細菌到巴斯德的實驗，我們應該認識到科學的新發(fā)現(xiàn)一方面是建立在科學技術(shù)的進步上，另一方面是建立在縝密的思維和精細的實驗基礎(chǔ)上的。而這樣的實驗同學們你們正在進行中，你們正在進行的就是科學探究，科學就在你們的身邊。好這就是從我們講故事中應該知道的。接下來請同學看屏幕（播放針尖上的細菌，放大數(shù)百倍）問：看清楚細菌了嗎？（沒有）那我們把他放大數(shù)千倍被后這樣的細菌看清楚了嗎？（播放數(shù)千倍的細菌圖）（看清楚了）那細菌的形態(tài)呢？（不清楚）?？磥砦覀兊媒柚冗M的顯微鏡。（播放針尖上細菌圖）好這就是我們放大了數(shù)萬倍的針尖上的細菌?？辞宄怂男螒B(tài)了沒有？從這三張圖片的觀察我們可以看到細菌的個頭怎么樣??？（很小）是非常的小。（板書細菌的形態(tài)大小十分小）請同學再觀察這張圖片中細菌形態(tài)是怎樣的呢？ 生：橢圓型的。

師：象什么？（象橄欖，象大米，象膠囊）請同學們注意了，我們把細菌這樣的形態(tài)稱為桿狀。細菌還有那些形態(tài)呢？再來看一副圖（展示圖片兩幅球狀和螺旋狀細菌圖片）請大家描述一下這兩副圖中的細菌的形態(tài)是怎樣的。生：彎曲的（很好）螺旋狀的

師：這就是細菌的第二種形態(tài)螺旋狀的，再看第二幅圖的細菌是怎樣的呢？（球狀）很明顯，同學們一下就看出來了。（對了）通過這三組圖片，我們了解的細菌形態(tài)主要有幾種；請說出是哪三種。（板書形態(tài)：桿狀，螺旋狀，球狀）細菌的形狀很多，但主要分為這三種。同學們要注意了，有的細菌是一對對,地靠在一起有的細菌聚成一團或連成一大串,但是每個細菌仍然是獨立生活的。每一個細菌都是一個獨立的生命單位。那么細菌的生命結(jié)構(gòu)是什么樣呢？請同學們看資料60頁。觀察細菌結(jié)構(gòu)圖。然后要請一個同學說出細菌的結(jié)構(gòu)有哪些？（巡視）請同學說出 生：細胞膜。

師：請同學看屏幕，細菌的結(jié)構(gòu)（介紹細胞壁。。）DNA是什么物質(zhì)（遺傳物質(zhì)），我們之前學過遺傳物質(zhì)位于哪里呢？（是位于細胞核里面的）。那為什么在細菌的結(jié)構(gòu)里面這里不是細胞核而是DNA呢？(說明細菌的細胞核還未成型）只是一個遺傳物質(zhì)區(qū)域。這是細菌結(jié)構(gòu)突出的一個特點。（介紹其他結(jié)構(gòu)）同學們要注意了莢膜和鞭毛不是所有細菌都共有的結(jié)構(gòu)。只是有些細菌有的特殊結(jié)構(gòu)。下面就請同學們來進行一個活動?？雌聊唬ㄕ故炯毦蛣游锛毎椭参锛毎Y(jié)構(gòu)圖）請同學們找出三種細胞結(jié)構(gòu)的異同。那么我們分小組來討論。（四同學一組1357向后轉(zhuǎn)）每個小組通過討論后要共同的來完成一個活動表格?，F(xiàn)在請同學們先分好小組。觀察屏幕中三種細胞結(jié)構(gòu)圖，討論完成活動中的表格。（發(fā)表格并巡視指導2分鐘）好了我們各個小組呢都經(jīng)過討論達成了共識，下面就請一個小組把完成的活動表格展示一下。（學生上來展示）生：上來解釋自己的討論結(jié)果。（2個小組上來）師：其他的小組有沒有補充。生：。

師：同學在比較的時候有沒有注意到，細菌有細胞壁，他和哪個細胞相似（植物細胞）而植物細胞在細胞質(zhì)內(nèi)有葉綠體，葉綠體我們前面學過它是進行光合作用的場所，光合作用可以幫助植物進行有機物的制造，也就是說植物利用葉綠體自己制造物質(zhì)供自己生長利用。細菌有沒有葉綠體?（沒有）下面就請同學推測一下細菌的營養(yǎng)方式是怎樣的。請同學說： 生：。

師：細菌利用現(xiàn)成的有機物生存，這種方式我們把它稱為異養(yǎng)，（播放營養(yǎng)方式：大多數(shù)細菌是異養(yǎng)，他們將有機物分解為無機物，是生態(tài)系統(tǒng)中的分解者。）不過，在自然界中不是所有的細菌都是異養(yǎng)的。我們現(xiàn)在已經(jīng)了解了細菌的這些生命活動拉，那么它是如何繁殖呢？（請同學們看細菌生殖影片）然后請同學說出細菌的生殖方式是怎樣的。它有哪些特點？ 生：分裂生殖

師：我們可以看到環(huán)境適宜時，細菌可以每20-30分繁殖一次，那說明細菌有什么特點啊？（繁殖速度很快）展示細菌生殖圖片。細菌除了這個特點之外還有一個特點。那就是可以形成芽孢.什么是芽孢呢？（請同學們看影片芽孢）它是細菌的生殖細胞嗎？（不是），它是休眠體，在細菌發(fā)育后期細胞壁增后而形成的。（播放細菌的芽孢的特點）?？梢娧挎呖梢詭椭毦冗^不良環(huán)境。芽孢很小，隨風飄散,落到新的環(huán)境又可以發(fā)育成細菌.因此細菌的這些特點使它們無處不在，下面就請同學們做一個關(guān)于細胞繁殖的計算題。（展示技能題）生：說出答案。

師：非常好，4個小時后你手上有25600個細菌，那么從這個計算中，你對搞好個人衛(wèi)生有什么啟示呢？ 生：洗頭。。師：還有沒有？ 生：。。

師：從這個計算中我們知道在生活要勤洗手，勤洗澡，這樣減少我們身體上所攜帶的細菌數(shù)目。減少因為細菌而帶來的疾病。關(guān)于細菌的知識我們就學到這里了，但是自然界中還有很多知識需要同學們繼續(xù)去探究。請同學們課后繼續(xù)探究細菌的營養(yǎng)方式除了異養(yǎng)還有哪些呢？細菌與人類的生活有哪些關(guān)系呢？自然界中的細菌大多數(shù)都是對我們有害的嗎?（展示）請同學們查找并且整理成為有關(guān)細菌與人類關(guān)系的調(diào)查報告）今天我們的課就到這里，謝謝同學們下課

第三篇：材料表面技術(shù)

（2014-2015學年第一學期）；《高分子材料改性》；課程論文；題目：納米粒子增韌聚氯乙烯研究新進展；姓名：周凱；學院：材料與紡織工程學院；專業(yè)：高分子材料與工程；班級：高材121班；學號：201254575128；任課教師：蘭平；教務處制；2014年12月30日；納米粒子增韌聚氯乙烯研究新進展；摘要；通用塑料的高性能化和多功能化是開發(fā)新型材料的一個；一．

（2014-2015學年第一學期）《高分子材料改性》 課程論文

題 目： 納米粒子增韌聚氯乙烯研究新進展 姓 名： 周 凱

學 院： 材料與紡織工程學院 專 業(yè)： 高分子材料與工程 班 級： 高材121 班 學 號： 201254575128 任課教師： 蘭平教 務 處 制 2014年12月30日

納米粒子增韌聚氯乙烯研究新進展 摘 要

通用塑料的高性能化和多功能化是開發(fā)新型材料的一個重要趨勢, 而將納米粒子作為填料來填充改性聚合物, 是獲得高強高韌復合材料有效方法之一。本文對近年來納米增韌PVC 的制備方法, 增韌機理和發(fā)展趨勢進行了說明。關(guān)鍵詞: 聚氯乙烯 納米材料 增韌

一． 研究背景 隨著科學技術(shù)的發(fā)展, 人們對材料性能的要求越來越高。聚氯乙烯作為第二大通用塑料, 具有阻燃、耐腐蝕、絕緣、耐磨損等優(yōu)良的綜合性能和價格低廉、原材料來源廣泛的優(yōu)點, 已被廣泛應用于化學建材和其他部門。但是, 聚氯乙烯在加工應用中, 尤其在用作結(jié)構(gòu)材料時也暴露出了抗沖擊強度低、熱穩(wěn)定性差等缺點。納米技術(shù)的發(fā)展及納米材料所表現(xiàn)出的優(yōu)異性能, 給人們以重大的啟示。人們開始探索將納米材料引入PVC 增韌改性研究中, 并發(fā)現(xiàn)增韌改性后的PVC 樹脂具有優(yōu)異的韌性, 剛度及強度得到顯著改善, 而且熱穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性、耐老化性等也有較大提高, 納米復合材料已經(jīng)成為PVC增韌改性的一個重要途徑。本文主要介紹了近幾年來納米復合材料在PVC 增韌改性方面的研究現(xiàn)狀 和發(fā)展趨勢[1]。

二． 納米CaCO3 增韌PVC 碳酸鈣是高分子復合材料中廣泛使用的無機填料。在橡膠、塑料制品中添加碳酸鈣等無機填料, 可提高制品的耐熱性、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性及剛度等,并降低制品成本, 成為一種功能性補強增韌填充材料, 受到了人們的廣泛關(guān)注。

2.1 納米CaCO3 增韌對PVC 力學性能的影響

魏剛等[ 2] 研究指出, 用CPE 包覆后納米CaCO3填充PVC 的沖擊強度均要比未包覆處理填充體系的略低, 而拉伸強度則相反。特別是在包覆小份量CaCO3(2 份)時, 所得復合材料的沖擊強度甚至比PVC/ CPE(8 份)基體的低12%, 而拉伸強度則出現(xiàn)最大值, 比基體的高8.9% 左右, 如圖2-1 所示。

熊傳溪、王濤等[3] 研究發(fā)現(xiàn)兩種粒徑的納米晶PVC 均能起到顯著的增韌和增強作用, 且粒徑小的納米晶PVC 作用更明顯, 而且偶聯(lián)劑用量對試樣的拉伸強度和沖擊強度也有很大的影響。

2.2 納米CaCO3對CPE/ACR共混增韌PVC力學性能的影響

如圖2-2所示，為CPE/ACR共混物對PVC沖擊強度的影響。從圖2-2中可以看出當CPE/ACR/PVC為10/2/100時，共混體系的沖擊強度達到最大，明顯優(yōu)于單一CPE或單一ACR對PVC的增韌效果。這是由于10mpr的CPE在PBC基體相中可能已經(jīng)形成了完整的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可以吸收部分沖擊能量而賦予共混體系一定的沖擊強度，而在此基礎(chǔ)上再添加2phr ACR后，由于核殼ACR在PVC 基體相以及CPE網(wǎng)絡中呈顆粒狀分布，它們誘發(fā)基體產(chǎn)生大量的剪切帶和銀紋而

圖2-1 兩種填充方法對復合材料力學性能的影響 圖2-2 CPE/ACR共混物對PVC沖擊性能的影響

使材料的沖擊強度得到進一步提高，較之單一增加CPE的用量有更好的改性效果，表現(xiàn)出明顯的協(xié)同增韌作用[9]。

圖2-3 PVC/CPE/改性納米碳酸鈣復合材料的SEM照片

古菊、賈德民等發(fā)現(xiàn)改性納米碳酸鈣與CPE互配，可以對PVC實現(xiàn)良好的協(xié)同增韌增強的效果，改性納米碳酸鈣的加入不僅有效地提高PVC/CPE體系的韌性和強度，還可提高材料的耐熱性能及可加工性能。剛性的改性納米碳酸鈣與彈性體氯化聚乙烯之間表現(xiàn)出良好的協(xié)同增韌效果。所制得的PVC/CPE/R-CaCO3復合

材料避免了常規(guī)的彈性體增韌聚氯乙烯所帶來的強度、剛度下降，耐熱性能降低、加工性能變差的弊端[4][5]。

2.3納米碳酸鈣填充型粉末丁苯橡膠增韌改性聚氯乙烯

張周達、陳雪梅將沖擊試樣的斷面噴金，在S4800型冷場電子顯微鏡發(fā)射 電子顯微鏡（SEM）上觀察斷口的形貌及CaCO3/SBR粒子在PVC基體中的分布時

[6]CO3/SBR量比為15:100時，隨著CaCO3/SBR改性劑中納米碳酸鈣含量的提高，PVC沖擊強度先升后降，當納米碳酸鈣質(zhì)量分數(shù)為70%擊強度達到最大。說明在復合改性劑制備過程中，納米碳酸鈣和丁苯膠乳存在一個最佳配比，在此配比下 的增韌效果較好。蘇新清認為，復合改性劑中納米碳酸鈣和丁苯橡膠形成的50nm米碳酸鈣粒子包藏于丁苯橡膠顆粒的結(jié)構(gòu)內(nèi)。據(jù)此可知，當復合改性劑中納米碳酸鈣和丁苯橡膠的的質(zhì)量比為7:3苯橡膠相剛好對納米碳酸鈣粒子進行有效包覆，實現(xiàn)橡膠彈性體和納米粒子的協(xié)同增韌[7]。

2.4聚丙烯酸酯/納米碳酸鈣復合增韌PVC 的研究

馬治軍，楊景輝[8]備了復合增韌改性劑聚丙烯酸酯/納米CaCO3(PA-C)，并將其用于硬質(zhì)聚氯乙烯(PVC)中，（觀察表1）加復合改性劑PA-C后，其缺口沖擊強度大幅度提高，并且添加10份達到最大值88.64kJ /m2，較添加未改性納米CaCO3的PVC 復合材料的沖擊強度提高了7 倍多。彎曲模量隨PA-C 添加量的增加明顯增大，拉伸強度僅稍微降低，說明PA-C 能較好分散在PVC 基體材料中，既起到較好的增韌效果，又起到一定的補強作用。這是由于PMMA 與PVC 溶解度參數(shù)相同，二者具有較好的相容性。納米CaCO3表面包覆有一定含量的PMMA，有效地改善了PVC 基體與納米CaCO3之間的相容性，而且聚丙烯酸酯聚合物中含有一定量的柔性單體聚丙烯酸丁酯，其在CaCO3粒子與基體間形成過渡層，利于能量吸收，而納米CaCO3為剛性粒子，其添加提高了復合材料的剛性和硬度。

三． 炭黑填充增韌PVC 導電炭黑是一種永久性抗靜電劑, 添加后材料不會因水洗、磨損等原因在長期使用中喪失抗靜電性能。炭黑還具有高的比表面積和高的表面能, 能吸收潤滑劑, 與PVC 界面結(jié)合良好。炭黑的填充還能使PVC的熔體粘度大大提高。

陳克正、張言波等[10]研究了納米導電纖維(nano-F)和華光炭黑(HG-CB)填充硬質(zhì)PVC 復合材料的電性能以及溫度對復合材料體積電阻率的影響及伏安特性, 發(fā)現(xiàn)隨填料用量的增加, 材料的電阻率逐漸降低。當nano-F、HG-CB的填充量分別達到20、10 份時, 電阻率急劇下降。這說明此時導電填料在PVC 基體中已基本形成導電網(wǎng)絡, 填充量繼續(xù)增加電阻率下降不大。nano-F 填充PVC 復合

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材料特性曲線均呈直線性,即其伏安特性為歐姆性,而；四．SiO2增韌改性PVC；為了改善PVC糊的流變性能及存放性能,陳興明等采；SiO2的PVC糊,其切力變稀性能可持久地保持,；其切力變稀性能不能持久保持；4.1納米粒子復合ACR改性聚氯乙烯；王銳蘭、王銳剛等[12]采用納米SiO2粒子作為；液聚合,用此種聚丙烯酸酯復合物和PVC樹脂共混,；PVC的改性劑，材料特性曲線均呈直線性, 即其伏安特性為歐姆性, 而HG-CB填充PVC 復合材料特性曲線偏離歐姆性。

四． SiO2 增韌改性PVC 為了改善PVC 糊的流變性能及存放性能, 陳興明等 采用納米級SiO2 填充到PVC糊中, 當其用量達到一定值(12份)時可以賦予PVC 糊以明顯的切力變稀性能, 而普通超細SiO2 則不能給予PVC 糊以明顯切力變稀性能。填充納米級

SiO2 的PVC 糊, 其切力變稀性能可持久地保持, 而填充普通超細SiO2的PVC 糊, 其切力變稀性能不能持久保持。[11] 4.1 納米粒子復合ACR 改性聚氯乙烯

王銳蘭、王銳剛等[12]采用納米SiO2 粒子作為種子進行聚丙烯酸酯的原位乳

液聚合, 用此種聚丙烯酸酯復合物和PVC 樹脂共混, 結(jié)果用偶聯(lián)劑MAPS預包覆納米SiO2 再進行原位聚合的ACR, 如表2 所示, 當SiO2 含量為10%時的ACR 作

PVC 的改性劑,有最高的拉伸強度、斷裂伸長率和沖擊強度(即破碎率最低), 具有優(yōu)良的力學性能。

4.2 納米SiO2包覆HMPC接枝共聚

宇海銀[13] 等研究發(fā)現(xiàn), SiO2 經(jīng)SDS 預處理后包覆羥丙基甲基纖維素(HMPC), 并接枝PMMA, 隨著SiO2 /HPMC-PMMA、TiO2/HPMC-PMMA、ZnO/HPMC-PMMA 含量的增加, 沖擊強度隨之提高。當復合粒子含量分別為10%、10%、20% 左右時, 沖擊強度達到最大值61、62、68kJ/ m2。這比純PVC 的沖擊強度 52kJ/ m2 分別提高了19.2、25、31%。

4.3 納米SiO2添加量對復合材料性能的影響

田滿紅、郭少云[14] 通過超聲波、振磨等方法對納米粒子進行表面處理, 以促進納米粒子在基體中的均勻分散, 大幅度提高復合材料的強度和韌性。當納米SiO2 的添加量為3% 時, 復合材料的綜合力學性能最好, 其拉伸強度、沖擊強度

和楊氏模量均有較大的提高。振磨處理時間對納米粒子改善復合材料性能也有影響。處理6h 時改善復合材料的沖擊性能效果最好。

4.4聚氨酯彈性體/納米二氧化硅協(xié)同改性聚氯乙烯及其力學性能

王士財、張曉東[15]等用聚氨酯(PU)彈性體/納米SiO2 復合材料協(xié)同改性聚

氯乙烯(PVC), 用反應擠出一步法成型工藝制備了PU 彈性體/納米SiO2 /PVC 復合材料, 對擠出速率和溫度進行了考察, 并對復合材料力學性能的影響因素進行了研究。結(jié)果表明, 制備該復合材料的最佳工藝條件是螺桿轉(zhuǎn)速為40~ 50 r/m in、擠出機均化段溫度為180~ 190 ℃;用分散于液化二異氰酸酯中的納米SiO2 制備的復合材料的性能優(yōu)于用分散于聚醚二元醇中的納米SiO2;PU 彈性體

和納米SiO2 能協(xié)同增韌PVC, 兩者質(zhì)量比為5/1時增韌改性的效果最佳。當PU 彈性體/納米SiO2 /PVC(質(zhì)量比)為5/1/20時, 復合材料的綜合力學性能最優(yōu), 2沖擊強度達到45.6 kJ/m, 拉伸強度為50.3MPa。五.納米黏土填充增韌PVC PVC/納米黏土復合材料只需少量的納米黏土即可使PVC的韌性、強度和剛度顯著改善。因PVC分子鏈的運動受到限制，材料的熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性提高，復合材料在二維或三維上均有較好的增韌和增強效果，不同層狀黏土可以賦予材料不同的功能。

Mahmood等[16]通過熔融混合制備了有機黏土增強PVC/丙烯腈－丁二烯－苯乙?。ˋBS）基體，并研究了納米黏土對PVC/ABS的形態(tài)、流變學和力學性能的影響。結(jié)果表明，加入納米黏土，使PVC/ABS共混物的增韌效果顯著增加。當納米黏土的加入量為5％時，共混物的力學性能達到最佳。此外，添加順序?qū)︷ね猎赑VC/ABS/黏土納米復合材料中的分散也有顯著影響，通過選擇最佳的添加順序來控制納米黏土在共混物中的分布。

［17］Shimpi等用常規(guī)的雙螺桿擠出機進行熔融配共混制備PVC納米復合材料，并研究了有機物表面改性的蒙脫土（OMMT）對PVC納米復合材料性能的影響。從圖5-1可以看出，沖擊強度隨著OMMT含量的增加而提高，當OMMT的質(zhì)量分數(shù)為12％時，PVC復合材料的沖擊強度達到最高為4.4KJ/m2，如果OMMT的含量大于12％時，復合材料的沖擊強度則會下降。

圖5-1 ＰＶＣ納米復合材料簡支梁缺口沖擊強度

Li等［17］采用震動磨的固態(tài)剪切混合技術(shù)制備了PVC/高嶺土納米復合材料。經(jīng)該技術(shù)制備的納米復合材料的拉伸強度、斷裂伸長率和沖擊強度較傳統(tǒng)方法制備復合材料的顯著提高。PVC和高嶺土經(jīng)震動磨處理后加工制備的復合材料中，PVC和片條狀高嶺土互相穿插，高嶺土在PVC基體中形成均一的分散，對PVC基體起到了較好的增強增韌效果。

Hemmati等［18］用2種方法制備出了有機納米黏土增強PVC/ABS基體復合材料，并研究了納米黏土對PVC/ABS的形態(tài)、流變學和力學性能的影響。一種方法為先將PVC和ABS在170℃熔融混合5min，再將黏土加入共混物中混合7min；另一種方法是先將ABS和黏土在170℃熔融混合5min，再將PVC加入共混物中混合7min。研究發(fā)現(xiàn)，當混入黏土的質(zhì)量分數(shù)為5％時，兩種方法所制備的納米復合材料的懸臂梁沖擊強度均達到最大值，且第二種方法制備出的納米復合材料的懸臂梁沖擊強度（65J/ｍ）及斷裂伸長率大于第一種方法制備的納米復合材料（45J/ｍ）。

六．“核－殼”納米粒子對PVC的增韌

將聚酯增塑劑分子通過化學反應或物理作用固定在無機粒子表面形成“核－殼”結(jié)構(gòu)的粒子，將這種粒子與ＰＶＣ復合，一方面可限制增塑劑的遷移，另一方面可提高無機粒子的分散性，可同時實現(xiàn)增塑、增強、增韌和提高耐熱性的目的。目前用“核－殼”納米粒子來提高脆性聚合物的韌性和沖擊性能已備受重視。

Chen等［20］通過乳液聚合在交聯(lián)苯乙烯－共丁二烯核上接枝聚苯乙烯和聚丙烯酸丁酯（PBA）合成了一種新穎的“核－殼”改性劑（MOD），并對其增韌PVC進行了研究。結(jié)果表明，MOD對PVC懸臂梁沖擊強度的提高有顯著作用，其中MOD中丙烯酸丁酯的含量對PVC/MOD的韌性增強時一個重要的因素；PVC/MOD的懸臂梁沖擊強度隨著MOD中丙烯酸丁酯的含量的增加而顯著提高，當MOD中丙烯酸丁酯的含量為40％時，PVC/MOD的懸臂梁沖擊強度達到最大為1200J/ｍ。

Yin等[21]首先對埃洛石?高嶺土和二氧化硅納米填料進行表面改性,再嫁接上聚己二酸丁二醇酯(PBA)合成了“核-殼”納米粒子增塑劑,并將其混入PVC中制備了出高強度和韌性的復合材料?結(jié)果表明,相比于未改性的納米填料,用改性的納米填料制備的PVC/“核-殼”納米粒子的強度和韌性都有顯著提高?當“核-殼”納米粒子的含量均為5%時,用未改性的埃洛石?高嶺土和二氧化硅納米粒子嫁接PBA得到的“核-殼”納米粒子改性PVC制備的PVC/“核-殼”納米粒子的斷裂伸長率分別為5%?5%和7%;改性后的PVC/“核-殼”納米粒子的斷裂伸長率分別為90%?7%和120%? 七.其他無機納米粒子對PVC的增韌

硅灰石具有吸濕性小、熱穩(wěn)定性好、表面不易劃傷等優(yōu)點，用其填充聚合物，具有快速分散性和低的黏度，在提高沖擊、拉伸和撓曲強度等方面都優(yōu)于其他無 機填料，不足之處是多數(shù)硅灰石粉在加工溫度下顏色易變灰，從而影響材料的透明度。

楊中文等[22]將硅灰石經(jīng)硬脂酸稀土改性后,用于填充PVC-U 給水管材,并對管材性能進行分析,結(jié)果表明,改性硅灰石可以提高管材的落錘沖擊強度及拉伸強度,當粒徑在3μm 左右的硅灰石,質(zhì)量份數(shù)為25份時,落錘沖擊強度達到1%?同時還使管材的維卡軟化溫度提高到92.4 ℃,縱向回縮率降低至1.03%,且硅灰 石粒徑越小提高越顯著? 程博等[23]利用超聲作用制備納米石墨微片(nano-Gs),并采用混酸對其進行表面活化,最后通過熔融共混法制備PVC/nano-Gs復合材料?通過傅里葉紅外光譜和SEM 對nano-Gs的結(jié)構(gòu)進行表征,研究了nano-Gs對復合材料導電性能和力學性能的影響?結(jié)果表明,隨著nano-Gs含量升高,復合材料的拉伸強度及缺口沖擊強度均先升高后降低,nano-Gs質(zhì)量分數(shù)為1%時,復合材料的拉伸強度及缺口沖擊強度均達到最大值,相比純PVC分別升高約14%和38%? 凹凸棒土是一種以含水富鎂硅酸鹽為主的黏土礦,具有特殊纖維狀晶體型態(tài)的層鏈狀過渡結(jié)構(gòu)?但是凹凸棒土與樹脂基體的結(jié)合并不好,當材料受到外力時表現(xiàn)出脫黏現(xiàn)象?所以要將納米凹凸棒土進行改性,改性后的納米凹凸棒土填充到PVC基體中,能顯著改善其力學性能? 鄭祥等[24]用鈦酸酯偶聯(lián)劑對凹凸棒土進行表面改性,并研究了經(jīng)表面處理和未經(jīng)表面處理的凹凸棒土對PVC/ABS復合材料力學性能的影響,用SEM 觀察了PVC/ABS復合材料的沖擊斷面微觀形貌和凹凸棒土的分散情況?從圖3可以看出,經(jīng)表面處理的凹凸棒土添加到PVC/ABS復合材料中缺口沖擊強度要好于未改性的,添加10份經(jīng)表面處理的凹凸棒土可以使復合材料的缺口沖擊強度提高到

215.48kJ/m;未經(jīng)表面處理的凹凸棒土在添加15份時,復合材料的沖擊強度達到

最高14.31kJ/m2?分析認為,當添加量逐漸增大時,凹凸棒土在PVC/ABS復合材料中的團聚現(xiàn)象嚴重,此時凹凸棒土在材料中就是明顯的缺陷,對材料已沒有了增韌作用? 圖7-1 凹凸棒土含量對PVC/ABS復合材料缺口沖擊強度的影響 八．結(jié)語

通過本次的研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)國內(nèi)納米粒子填助劑發(fā)展已日新月異，例如2011年陳建軍等提出納米高嶺土的固相剪切碾磨制備及對PVC的增強增韌，許海燕等提出MWNT-g-PBA的制備及對PVC的改性，等等研究的推陳出新也使得國內(nèi)高分子行業(yè)呈現(xiàn)生機盎然的形式。國內(nèi)專家對納米粒子（最為廣泛的是CaCO3）對PVC 的彈性體增韌改性機理、有機剛性粒子增韌機理、無機剛性栗子增韌機理、纖維

狀填料增韌機理都有深厚的理論基礎(chǔ)和實驗結(jié)果。

納米粒子增韌改性PVC，由于納米材料具有尺寸小，比表面積大而且產(chǎn)生量子效應和表面效應等特點，將納米材料引入到PVC增韌改性研究中，發(fā)現(xiàn)改性后的PVC樹脂同時具有優(yōu)異的韌性、加工流動性、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，特別是近年來，隨著納米粒子表面處理技術(shù)的發(fā)展，納米粒子增韌PVC已經(jīng)成為國內(nèi)外研究開發(fā)的熱點。其增韌機理是納米粒子的存在產(chǎn)生了應力集中效應，引發(fā)周圍樹脂產(chǎn)生微開裂，吸收一定的變形功；納米粒子在樹脂中還可以起到阻止、鈍化裂紋的作用，最終阻止裂紋不致發(fā)展為破壞性開裂；由于納米粒子與基體樹脂接觸面積大，材料受沖擊時會產(chǎn)生更多的微開裂而吸收更多的沖擊能。

納米粒子由于其優(yōu)良的性能,在塑料的高性能化改性中的應用前景非常廣闊?納米粒子增韌改性PVC具有諸多優(yōu)勢,但同時也存在著納米原料價格昂貴等致命缺陷?所以發(fā)展價格低廉的新型納米增韌增強劑,尋找更適用?更科學的納米材料,以獲得更好的增韌效果并最終實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),是納米粒子增韌改性PVC研究的一個極其重要的研究方向和努力目標?此外,對于PVC納米復合材料,還應深入研究其制備方法,探索更加完善的納米粒子表面改性技術(shù),進一步增加粒子與PVC在納米尺度上的相容性,并深入研究PVC納米復合材料的結(jié)構(gòu)與性能,加強理論研究上的深度,使這一新材料能夠真正發(fā)揮其潛能? 個人認為，納米材料發(fā)展至今，已經(jīng)步入人民生活的各個方面，對于PVC目前熱門的材料改性起到的作用也仍然受到各方面的限制，目前開發(fā)工業(yè)化比較多的例如CPE、ACR、EVA等這些高分子助劑然后添加納米粒子的方法使得共混的效果更加好，對增強和增韌也更有利，這些共混體系的缺口沖擊強度是未改性PVC的數(shù)倍之多，由此我個人覺得在PVC與其他高分子聚合物共混呈現(xiàn)不相容性時，添加CPE/ACR彈性體（做增溶劑）等方法提高PVC與其他高分子聚合物之間的相容性，從而增加界面黏附強度，對于今后的更多PVC復合材料有極大的意義。

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第四篇：表面技術(shù)

涂層技術(shù)的發(fā)展與應用

黃亞博

(河南科技大學材料科學與工程學院, 河南 洛陽, 471000）

摘要：隨著我國航天技術(shù)快速發(fā)展和對先進海洋工程裝備的需求日益強烈，關(guān)鍵部件材料的表面性能要求越來越高。然而，單從提高材料自身性能的角度來滿足對高性能的要求幾乎是不可能的。涂層技術(shù)是表面工程技術(shù)中提高材料表面性能的一種重要方法，它能夠在不破壞材料自身性能的前提下，對材料表面性能進行強化，使材料或部件表面具備耐磨、耐蝕、抗氧化、耐熱、絕緣、密封和隔熱等性能中的一種或幾種。因此，涂層技術(shù)已成為實現(xiàn)航天、海洋工程裝備材料最終性能的重要手段。本文對航天、海洋工程裝備中涉及到的材料表面改性技術(shù)、應用和發(fā)展進行了綜述。最后，展望了涂層技術(shù)將來的研究方向。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵部件；涂層；表面性能 前言

腐蝕與防護，一直是航空領(lǐng)域中倍受關(guān)注的課題。據(jù)工業(yè)發(fā)達國家統(tǒng)計，每年因腐蝕所造成的經(jīng)濟損失占國民生產(chǎn)總值的2%~4%；我國每年因腐蝕造成的直接經(jīng)濟損失達200 億元[ 1 ]；美國空軍1992年用于腐蝕的維修費用高達7.18 億美元。采用各種表面防護技術(shù)能夠有效地控制腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生和擴展，減輕腐蝕造成的損失。表面技術(shù)是表面處理、表面涂層及表面改性的總稱。表面技術(shù)是應用物理、化學和機械加工來改變材料表面的形態(tài)、化學成分、組織結(jié)構(gòu)等使材料本身具有某些特殊性能[ 2 ]。表面涂層是改變表面性能的一種重要手段，將涂料一次施涂所得到的固態(tài)連續(xù)膜，是為了防護，絕緣，裝飾等目的，涂布于金屬，織物，塑料等基體上的塑料薄層。涂料可以為氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)，通常根據(jù)需要噴涂的基質(zhì)決定涂料的種類和狀態(tài)。涂層在材料或工件上所占質(zhì)量及體積比例雖然很小，但對其提高材料性能、延長零件工作性能的作用卻十分顯著[ 3 ]。涂層技術(shù)的意義

國外文獻報道，有75％以上的航空發(fā)動機零件加有金屬或陶瓷涂層以改進其性能和可靠性[ 4 ]。在當代先進應用技術(shù)如微電子、光學、航空航天領(lǐng)域中的作用也非常重要。同時大多數(shù)涂層往往工作環(huán)境惡劣，承受著各種復雜的載荷，因此如何延長涂層的工作壽命、高相關(guān)性能始終是涂層制備工藝具有挑戰(zhàn)性的課題。隨著科技發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)，僅僅通過提高材料表面的耐磨耐蝕性，也能大大提高材料的使用壽命，從而就有了涂層技術(shù)的應用和發(fā)展。涂層技術(shù)概念的提出與發(fā)展應用, 對工業(yè)科技發(fā)展具有了重大的影響和推動意義[ 5 ]：

(1)涂層技術(shù)不僅可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量，還能夠滿足不同服役條件下產(chǎn)品的外觀。能夠提高產(chǎn)品的使用壽命、可靠性和市場競爭力。

(2)涂層技術(shù)是一種節(jié)約成本、減少消耗的手段。采用有效涂層保護手段，至少可減少腐蝕損失15%，減少磨損損失33%左右[ 6 ]。

(3)涂層技術(shù)在制備新型材料方面具有特殊的優(yōu)勢。通過表面原位合成技術(shù)，能在低成本基礎(chǔ)上在工件表面制備出性能優(yōu)良的新型合金材料涂層，很好滿足了工業(yè)、航空航天工業(yè)對高性能零部件表面的需求[ 7]。涂層技術(shù)的分類及應用

依據(jù)涂層的主要功用不同，涂層可分為封嚴涂層、耐磨涂層、抗腐蝕涂層、抗氧化涂層、熱障涂層、鈦合金阻燃涂層等幾種類型[ 8]。3.1 封嚴涂層

封嚴涂層一般涂層于轉(zhuǎn)子軸、鼓簡、軸承、轉(zhuǎn)動葉片葉尖、壓氣機和渦輪各級之間的封嚴裝置表面[ 9 ]，以控制間隙、減少泄露損失。封嚴涂層可分為兩類，一類是可磨耗涂層，另一類是主動磨削涂層。3.1.1 可磨耗涂層

可磨耗涂層，即為噴涂在與轉(zhuǎn)動件相配合的靜子環(huán)帶上的允許磨耗的軟涂層，要求具有良好的潤滑性、執(zhí)沖蝕性、熱穩(wěn)定性。涂層材料一般利用Al，Cr，Ni等金屬或合金、金屬間合物的良好抗氧化性和熱絕緣性材料作耐高溫基體，輔以石墨、氮化硼、硅藻土等磨損性好的材料作潤滑劑。3.1.2 主動磨削涂層

主動磨削涂層是噴涂在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子封嚴算齒(如渦輪葉片的葉冠算齒)上的硬度較高的涂層，它磨削與其對應的密封環(huán)上的可磨耗涂層，但本身盡量不受磨損。因此除了硬度高外，還要具有與基體結(jié)合強度高、隔熱性能好的特性。3.2 耐磨涂層

磨損是航空然氣禍輪發(fā)動機比較常見且危害較大的故障，按其形式可分為磨粒磨損、沖蝕磨損和微動磨損等幾種類型[ 10 ]。磨粒磨損主要發(fā)生在轉(zhuǎn)子軸及其軸承等承受較大機械負荷有相對運動的部件，通?？扛纳茲櫥瑏斫档湍p程度;而沖蝕磨損和微動磨損常發(fā)生在沒有潤滑或不能潤滑的機件，應用耐磨涂層可有效減輕磨損。按其主要功能不同，耐磨涂層又可分為耐沖蝕磨損涂層和耐微動磨損涂層[ 11 ]。3.2.1 耐沖蝕磨損涂層

沖蝕磨損主要發(fā)生在氣流通道，是含有固體粒子的氣流高速沖刷葉片造成的。大氣中含有各種粉塵，對于經(jīng)常執(zhí)行低空飛行任務的直升機，沖蝕磨損是其渦軸發(fā)動機壓氣機失效的主要形式[ 12 ]。渦輪葉片、渦輪機匣也會發(fā)生沖蝕磨損。沖蝕磨損使葉型受到破壞，致使發(fā)動機功率下降，并且沖蝕點還會成為疲勞源，造成葉片裂紋甚至斷裂，導致危害性故降發(fā)生。在受沖擊的機件表面噴涂高密度、高硬度的合金或金屬間化合物材料涂層，可增加機件表面的硬度，增強耐沖蝕性能。3.2.2 耐微動磨損涂層

微動磨損產(chǎn)生在有一定正壓作用、工作中有徽小位移往復運動，兩個接觸表面，也稱振動磨損[ 13 ]?；ハ嗯浜匣蚧ハ嘟佑|的兩個機件，在振動或交互應力的作用下都可能發(fā)生微動磨損。由于航空始氣潤輪發(fā)動機要求重輕，采用柔性結(jié)構(gòu)多，加之溫度變化大，并大量使用鋁、鎂、鈦合金和鎳基合金，微動磨損尤為嚴重[ 14 ]。壓氣機葉片的減振凸臺阻尼面和渦輪葉片葉冠阻尼面等是微動磨損多發(fā)部位。微動磨損的主要危害是所造成的表面損傷不斷發(fā)展，會加快諸如疲勞磨損等其他形式的故障產(chǎn)生，導致機件失效。根據(jù)微動磨損部位不同的工作條件和材料，噴涂各種耐微動磨損涂層，可有效降低微動磨損程度，延長機件的使用壽命。3.3 抗氧化防腐蝕涂層

抗氧化防腐蝕涂層的主要作用是防止高溫、高壓、高速和高腐蝕性的燃氣對發(fā)動機熱部件金屬表面的沖蝕作用，從而減少金屬部件產(chǎn)生氧化、熱腐蝕、合金元素貧化和熱疲勞等破壞。已經(jīng)應用的抗氧化防腐蝕涂層，主要有鋁化合物(如NiAl、CoAl或FeAl)涂層MCrAlY(M=Ni，F(xiàn)e或Co等)合金涂層以及高溫陶瓷涂層[ 15 ]。目前正在研究的增加抗氧化防熱腐蝕性能的方法有：①采用既有擴散鋁化物又有包覆MCrAlY的化學改性工藝；②添加增加抗氧化防熱腐蝕性能和提高與基體結(jié)合力的有關(guān)元素，如Hf、Ta和Re等。3.4 熱障涂層

熱障涂層對氣路的熱量有良好的隔斷作用，而且還具有明顯改善部件抗熱疲勞和抗氧化性。普遍應用于渦輪葉片、導向葉片、燃燒室和加力燃燒室簡體。一般以多層結(jié)構(gòu)形式與底層組合使用，底層起抗氧化和與基體粘接的作用，表層是隔熱層。熱障涂層工藝目前主要采用等離子噴涂、濺射沉積和電子束物理氣相沉積。典型的一種熱障涂層是在抗氧化MCrAIY底層上施加Y203穩(wěn)定化的Zr02隔熱涂層形成的復合涂層。美國某實驗室研究表明，該熱障涂層的隔熱效果可達189 ℃，這將為更有效地提高航空發(fā)動機的效率和使用壽命展示了良好的前景[ 16 ]。

3.5 高溫耐磨涂層

航空發(fā)動機是在高負荷和不同振動頻率下工作的，而且還受到高溫、高壓、高速、強腐蝕和帶有碎片氣流產(chǎn)生的強烈沖刷，產(chǎn)生各種形式的磨損。磨損一度成為發(fā)動機零件損壞的主要原因。采用耐磨涂層保護后，報廢率大大降低，可見，合理地選用耐磨涂層，改善發(fā)動機零件的耐磨性能是十分重要的。目前應用的高溫耐磨涂層主要有WC涂層、Cr3C2涂層、TiC涂層、Ni-Cr-B-Si合金涂層、鎳包鋁涂層和氧化物涂層(如Al2O3、ZrO2、Cr203和TiO2等)以及各種復合涂層[ 17 ]。一般采用等離子噴涂、爆炸噴涂和超音速噴涂等工藝制取涂層?？傊?，高溫涂層已經(jīng)成為現(xiàn)代航空渦輪發(fā)動機制造中不可缺少的材料。在不斷發(fā)展新型更耐熱的合金材料和更有效的冷卻技術(shù)的同時，大力發(fā)展高溫防護涂層是更有實效的新技術(shù)。目前人們正對具有梯度成分和多層結(jié)構(gòu)的新型高溫涂層進行大量的研究工作，這樣的涂層可以在更高的溫度和較陡的溫度梯度下工作，獲得較好的隔熱效果和抗剝落能力。3.6 鈦合金阻燃涂層

由于欽合金具有密度小、耐熱性及抗腐蝕性好、機械強度較高等優(yōu)點，先進的航空燃氣渦輪發(fā)動機已普遍采用鈦合金作為壓氣機機匣、轉(zhuǎn)子盤、轉(zhuǎn)子葉片、靜子葉片和風扇葉片等部件的材料，以減輕發(fā)動機的重量,提高推重比。但普通鈦合金對持續(xù)然燒敏感，在高溫、高壓或劇烈沖擊下易起火燃燒，嚴重危害著飛行安全。用其它材料代替杖合金。如采用合金鋼壓氣機靜子機匣、用鎳合金做高壓壓氣機的轉(zhuǎn)子材料，雖有效解決鈦合金燃燒問題，但是卻不同程度地增加了發(fā)動機重量,降低了發(fā)動機性能。目前還沒有更好的材料完全取代鈦合金在航空燃氣渦輪發(fā)動機上的應用，在今后相當長的時間內(nèi)鈦合金仍然是不可或缺的航空材料。為了保證鈦合金的使用安全性，國外的航空材料學家一直致力于鈦合金阻燃燒涂層的研究，并取得了一定的研究成果。鈦合金阻染涂層目前主要用于鈦合金材料制成的壓氣機轉(zhuǎn)子葉片和機匣內(nèi)環(huán)[ 18 ]。應用于轉(zhuǎn)子葉片的阻燃涂層要具有較高的硬度、良好的抗腐蝕性和抗熱蠕變疲勞性能，且涂層表面應有很高的光沽度，以減少對氣流的葉片附面層阻力。用于機匣內(nèi)環(huán)的涂層，應同時具有封嚴涂層的功能，以提高壓氣機效率。鈦合金阻燃涂層一般采用PVD法,CVD法以及常規(guī)的電被方法。鈦合金機匣的阻燃涂層一般用VPS法和爆炸噴涂等熱噴涂工藝制備[ 19 ]。涂層技術(shù)的發(fā)展方向

工業(yè)科技的發(fā)展促進了涂層技術(shù)的發(fā)展，同時，涂層技術(shù)的發(fā)展也必須適應工業(yè)科技的發(fā)展?，F(xiàn)代涂層技術(shù)要在未來的工業(yè)中體現(xiàn)出巨大的作用，必須從以下方面做出深入研究和改進:

(1)深化涂層理論的改善和測量儀器的研究從微觀的角度分析摩擦磨損的機理，研究涂層在摩擦學在工業(yè)中的應用。研究在線監(jiān)測技術(shù)，實時監(jiān)控進行在線監(jiān)測，形成相關(guān)嚴密的覆層失效評估體系。

(2)研究開發(fā)新型涂層材料。涂層材料是制備優(yōu)良涂層的物質(zhì)基礎(chǔ)，不斷開發(fā)優(yōu)良的耐磨耐腐蝕以及不同環(huán)境需求的優(yōu)質(zhì)涂層材料是保證表面工程強大生命力的基礎(chǔ)，開發(fā)在表面工程技術(shù)加工過程中自形成新材料的功能涂層能夠更加顯示出表面工程的優(yōu)越性。

(3)開發(fā)多功能涂層。隨著工業(yè)的發(fā)展，許多行業(yè)需要特殊涂層,如防滑涂層、隱身涂層、吸熱涂層、隔熱涂層、導電涂層、催化涂層等，采用激光、高能電子束、離子束等現(xiàn)代先進表面技術(shù)的聯(lián)合應用，制備特殊結(jié)構(gòu)，特殊要求的功能涂層，具有很好的發(fā)展前景。

(4)實現(xiàn)涂層工程的清潔生產(chǎn)。表面工程基本來說是屬于節(jié)能環(huán)保型工程，但某些技術(shù)任然存在污染問題，比如涂裝、電鍍熱處理等。研究從設計、制造到運行全過程的無污染的、節(jié)約型的、再生的涂層技術(shù)工程，也是涂層技術(shù)工程一個基本發(fā)展趨勢。

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第五篇：激光表面改性技術(shù)

1激光表面改性技術(shù)發(fā)展歷程

激光的發(fā)明及應用是20世紀對人類文明及社會進步影響最深遠的重大科技成果之一，激光技術(shù)在材料科學及制造科學中的應用，大大促進了材料科學與工程及先進制造技術(shù)的發(fā)展激光表面改性是運用高能激光束對工件表面進行改變性能的技術(shù)，具有許多獨有的特點。從20世紀60年代激光問世以來，激光技術(shù)作為一門嶄新的高新技術(shù)，幾乎在各行各業(yè)都獲得了重要的應用。20世紀70年代中期大功率激光器的出現(xiàn)，使激光綠色再制造技術(shù)不僅在研究和開發(fā)方面得到迅速發(fā)展，在工業(yè)應用方面也取得了長足進步。經(jīng)過30年的迅猛發(fā)展，激光綠色再制造技術(shù)已在汽車、冶金、紡織等行業(yè)得到成功的應用，獲得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。激光技術(shù)在我國經(jīng)過30多年的發(fā)展，取得了上千項科技成果，許多已用于生產(chǎn)實踐，激光加工設備產(chǎn)量平均每年以20％的速度增長，為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造、提高產(chǎn)品質(zhì)量解決了許多問題，如激光毛化纖技術(shù)正在寶鋼、本鋼等大型鋼廠推廣，將改變我國汽車覆蓋件的鋼板完全依賴進口的狀態(tài)，激光標記機與激光焊接機的質(zhì)量、功能、價格符合國內(nèi)目前市場的需求，市場占有率達90％以上。激光具有四大特性:高亮度、高方向性、高單色性和高相干性。激光的能最密度高（可達104-108 M/cm2)，作用于工件表面時形成局部高溫，基體的加熱速度和冷卻速度極快，般可達104-108 ℃/S。與傳統(tǒng)的熱加工技術(shù)相比，激光加工對基體的熱影響區(qū)小得多，因此工件一般不產(chǎn)生熱變形或變形量極小。此外，由于激光加工是光子與材料相互接觸，故而對環(huán)境的污染小，是名副其實的綠色加工技術(shù)。進行激光表面改性處理的目的是為了制取與基體性能有較大差異的改性層，它包括激光淬火、激光表面合金化、激光熔覆等技術(shù)。激光淬火是運用高能激光束對工件以定速度進行掃描，使工件在激光照射下瞬間達到相變點以上高溫，然后以極高的速度冷卻，達到表面淬火的效果。激光表面合金化是添加某一種或幾種合金元素在基體表面，在激光束的照射下形成熔池，并與基體材料發(fā)生冶金反應，獲得含基體元素和添加元素的合余改性層。激光熔覆是將某種合金直接熔焊在基體表面，它與激光表面合金化比較類似，但兩者的區(qū)別在于激光熔覆過程中表面改性層一般不摻雜基體元素。

表面工程

激光表面改性技術(shù)是提高金屬表面性能的有效手段，能夠大幅度提高工件的使用壽命。與其他一些金屬表面改性技術(shù)相比，激光表面改性技術(shù)的優(yōu)點十分突出：○1激光表面改性層稀釋率低，且既可是多組元的化合物層，也可以是具有多種性能匹配的梯度涂層;○2激光表面改性層厚度容易調(diào)節(jié)，并可采用機加工的方式控制表面精度;○3激光表面改性層與基體呈牢固的冶金結(jié)合，不會出現(xiàn)剝落現(xiàn)象;4○激光表面改性處理速度快，熱影響區(qū)小，不會引起基材性能和尺寸變化。

綜上所述，采用先進的激光表面改性技術(shù)，直接在金屬表面制備一層具有低摩擦系數(shù)、優(yōu)異耐磨性能、優(yōu)異抗高溫氧化性能或優(yōu)異的生物力學相容性并與金屬基材之間為牢固冶金結(jié)合的特殊材料的冶金涂層，無疑是在保持金屬固有性能優(yōu)點的條件下，從根本上解決金屬性能缺點的最有效、最經(jīng)濟、最靈活和最具可設計性的方法之一。

2激光技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

激光加工是國外激光應用中最大的項目，也是對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造的重要手段，主要是kW級到10kW級CO2激光器和百瓦到千瓦級YAG激光器實現(xiàn)對各種材料的切割、焊接、打孔、刻劃和熱處理等。據(jù)1997~1998年的最新激光市場評述和預測，1997年全世界總激光器市場銷售額達32.2億美元，比1996年增長14％，其中材料加工為 8.29億美元，醫(yī)療應用3億美元，研究領(lǐng)域1.5億美元。1998年總收入預計增長19％，可達到38.2億美元。其中占第一位的材料加工預計超過10 億美元，醫(yī)用激光器是國外第二大應用。

我國科研成果轉(zhuǎn)化為商品的能力差，許多有市場前景的成果停留在實驗室的樣機階段；激光加工系統(tǒng)的核心部件激光器的品種少、技術(shù)落后、可靠性差。國外不僅二級管泵浦的全固態(tài)激光器已用于生產(chǎn)過程中，而且二級管激光器也被應用，而我國二極管泵浦的全固態(tài)激光器還處在剛開始研究開發(fā)階段。對加工技術(shù)的研究少，尤其對精細加工技術(shù)的研究更為薄弱，對紫外波激光進行加工的研究進行的極少。激光加工設備的可靠性、安全性、可維修性、配套性較差，難以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。而歐美及日本主要的大型船廠已大量采用激光加工技術(shù)。目前美國、歐洲等地區(qū)正在進行大功率光纖激光工

表面工程

業(yè)加工設備的開發(fā) , 正在開發(fā)的有 2KW、6KW 輸出的工業(yè)級光纖激光器的加工設備的二次開發(fā)。我國已開發(fā)出了中小功率系列工業(yè)光纖激光設備 , 但大功率光纖激光器工業(yè)加工應用尚是空白 , 在我國造船工業(yè)中幾乎還沒有使用激光加工技術(shù)。

激光表面改性技術(shù)是材料表面工程技術(shù)最新發(fā)展的領(lǐng)域之一。這項技術(shù)主要包括激光表面相變硬化、激光熔覆、激光合金化、激光熔凝、激光沖擊硬化、激光非晶化及微精化等多種工藝。其中，激光相變硬化和激光熔覆是目前國內(nèi)外研究和應用最多的兩種工藝。

激光表面相變硬化: 與傳統(tǒng)熱處理工藝相比，激光表面相變硬化具有淬硬層組織細化、硬度高、變形小、淬硬層深精確可控、無須淬火介質(zhì)等優(yōu)點，可對碳鋼、合金鋼、鑄鐵、鈦合金、鋁合金、鎂合金等材料所制備的零件表面進行硬化處理。

激光熔覆:是指以不同的添料方式在被熔覆基體表面上放置被選擇的涂層材料經(jīng)激光幅照使之和基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體成冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基材表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法。與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結(jié)合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點。

1、激光表面改性的技術(shù)特點

（1）可在零件表面形成細小均勻、層深可控、含有多種介穩(wěn)相和金屬間化合物的高質(zhì)量表面強化層。可大幅度提高表面硬度、耐磨性和抗接觸疲勞的能力以及制備特殊的耐腐蝕功能表層；

（2）強化層與零件本體形成最佳的冶金結(jié)合，解決許多傳統(tǒng)表面強化技術(shù)難以解決的技術(shù)關(guān)鍵；

（3）易與其它表面處理技術(shù)復合，激光表面改性可以方便地與其它表面工程技術(shù)結(jié)合起來，產(chǎn)生所謂第二代表面工程技術(shù)——復合表面改性技術(shù)?？梢跃C合傳統(tǒng)表面改性技術(shù)與激光表面改性的優(yōu)勢，彌補甚至消除各自的局限性，展示了很大的潛力；

（4）由于高能量密度的激光作用，可實現(xiàn)工件快速加熱到相變溫度以上，并依靠零件本體熱傳導實現(xiàn)急冷，無須冷卻介質(zhì)，而冷卻特性優(yōu)異。形成的表面強化層 3

表面工程

硬度比常規(guī)方法處理的高15%~20%左右，添加合金元素和特殊的工藝方法，可顯著提高工件的綜合性能；

（5）激光束能量密度高，對非激光照射部位幾乎沒有影響，即熱影響區(qū)小，工件熱變形可由加工工藝控制到較小的程度，后續(xù)加工余量小。有些加工件經(jīng)激光處理后，甚至可直接投入使用；

（6）由于是無接觸加工，激光束的能量可連續(xù)調(diào)整，并且沒有慣性。配合數(shù)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)柔性加工。另外，激光束的可控性好，只要采用光學的束操作技術(shù)來適當?shù)匾龑Ъす馐凉ぜ牟煌课?，就可以實現(xiàn)精確的可選擇的材料局部表面改性?？商幚砹慵奶囟ú课患捌渌椒y以處理的部位，以及表面有一定高度差的零件，可進行靈活的局部強化；

（7）無須真空條件，即使在進行特殊的合金化處理時，也只需吹保護性氣體即可有效防止氧化及元素燒損；

（8）易于實現(xiàn)信息化、智能化，可以引入近代計算機、機器人等高技術(shù)裝備，使激光束的產(chǎn)生及操縱信息化、智能化，例如已推出的可實現(xiàn)復雜形狀立體工件的多種類表面工程的五軸聯(lián)動激光柔性加工中心，它作為一種新型的光、機、電一體化的工作母機，顯示了很大的市場競爭能力。另外，配有計算機控制的多維空間運動工作臺的現(xiàn)代大功率激光器，特別適用于生產(chǎn)率很高的機械化、自動化生產(chǎn)；

（9）激光器本身具有很大的發(fā)展?jié)摿Γa(chǎn)生激光束的裝置無論品種還是效率都有很大的發(fā)展?jié)摿?2、半導體激光表面改性

最近十年，激光熔覆技術(shù)已被用來修復各種零件的破損部分。然而YAG和CO2激光器產(chǎn)生的與材料尤其是金屬材料耦合不夠理想的激光束和成本高的問題一直阻礙著該項技術(shù)的進一步發(fā)展。通過調(diào)整激光熔覆條件可以取得進展，但是仍然面臨著熱循環(huán)對基體金屬會產(chǎn)生較大影響這一難題。半導體激光器有望解決這一難題。因此半導體激光熔覆技術(shù)將為零件破損部分的修復開辟一個全新的領(lǐng)域。該技術(shù)的推廣有利于報廢零件的循環(huán)再利用，從而可以大大節(jié)約成本。

3、集成化激光智能制造及柔性加工[2-4]

激光表面改性本身就是材料科學與工程、激光、現(xiàn)代制造、計算機控制、智能測量等多學科或?qū)W科方向的跨學科結(jié)合的產(chǎn)物，因此針對重大工程應用目標，例如汽車沖壓模，研制集成化的激光智能制造及柔性加工系統(tǒng)具有重要意義。

表面工程

激光柔性加工是新興的加工技術(shù),其過程仿真的研究從一開始就可以綜合考慮幾何與物理層面以進行完整仿真。以汽車覆蓋件模具的激光表面硬化過程為例,綜合分析影響其加工效果的各種加工因素，建立激光硬化加工工藝力學模型，并嵌入到虛擬激光柔性加工平臺中，在虛擬環(huán)境中進行完整的過程仿真。

激光柔性加工是由計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)對不同批量、不同種類的產(chǎn)品采取不同激光加工方式(切割、焊接、表面處理等)，進而提高設備利用率，縮短產(chǎn)品周期，提高對市場的響應速度和競爭能力的一種自動化加工。激光加工方式不同，即與材料的作用機理不同,因此不可能建立一個可以囊括所有機理的物理模型,但虛擬加工平臺是針對柔性設備而建，故可以建立一個統(tǒng)一的虛擬激光加工平臺、統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)。將不同激光加工方式的物理模型嵌入虛擬平臺中就可以進行完整過程仿真。激光柔性加工過程是加工機器人將激光加工頭帶到需要加工的加工區(qū),加工頭以一定方向輸出激光來加工材料(切割、焊接、表面處理等)。3.激光表面工程技術(shù)主要應用領(lǐng)域

石油和冶金行業(yè)的應用 目前，我國冶金行量已有二十多家相繼組建成功和將籌建激光加工中心，進行冶金機械備件的激光表面淬火、熔覆、合金化、軋輥表面激光毛化(刻花)、薄鋼板激光切割、焊接等激光表面加工技術(shù)。從對我國部分鋼鐵企業(yè)應用激光加工技術(shù)的考察表明：激光加工設備運行穩(wěn)定可靠、加工成本低、加工工藝技術(shù)成熟、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良、經(jīng)濟和社會效益顯著?？梢岳眉す獗砻鎻娀幚硪苯鸫笞谙膫浼纾鸿T鐵軋輥、鑄鋼軋輥、園盤熱鋸片、熱剪刃、輸送輥、扭轉(zhuǎn)輥、導衛(wèi)、導衛(wèi)盒、撓結(jié)機滑板角合器、軋機人字齒輪軸、齒接手、天車輪、減速機齒輪、齒輪軸、平面蝸桿、拉絲機卷筒、塔輪、托輥、鏈輪、鏈板、銷套、銷軸等形狀各異、大小不等的備件。如新疆八一鋼鐵公司對齒輪、軸、天車輪導衛(wèi)、軋輥等的激光強化處理，硬度均提高0.5~1倍以上。汽車和磨具行業(yè)的應用

在汽車工業(yè)方面，激光表面強化工藝有廣泛的應用前景。它可以改善工件表面的耐磨、耐蝕、耐高溫等性能。延長在各種惡劣工作條件下工作的汽車零部件如軸承、軸承保持架、氣缸、襯套、活塞環(huán)、凸輪、心軸、閥門和傳動構(gòu)件等的使用壽命，從而提高汽車整體的使用性能。目前全球汽車制造商對生產(chǎn)量最大的6缸汽油發(fā)動機曲軸大都已采用球墨鑄鐵材質(zhì)。球鐵經(jīng)激光表面強化處理后，可使其軸頸的耐磨性有較大幅度提高。激光表面強化是一種局部的表面處理的好方法，特別適于不要求整體強化或其它方法難以處理的零件。對于汽車上所用各種牌號的鑄鐵、碳鋼、低合金鋼、工具鋼、彈簧鋼等零件有一定的應用前景。激光表面改性技術(shù)在模具行業(yè)受到了廣泛的重視和推廣，在經(jīng)濟效益和項目開發(fā)上呈現(xiàn)

表面工程

不斷上升的趨勢。美國莫斯德克公司采用屏蔽方法，成功地對模具刃口實施了激光淬火。即通過適當?shù)钠帘?，使激光輻射在刃口的兩?cè)面上，熱量由金屬體傳達刃口，使其控制在相變溫度范圍內(nèi)，以實現(xiàn)淬火的目的。該方法還適用于汽車增壓渦輪葉片排氣邊的熱處理。具體做法是用不銹鋼薄壁管作為屏蔽物，管內(nèi)通水冷卻，流量為5加侖／秒。管子離開刃口一定距離，激光直對刃口掃描，模具刃口兩側(cè)面受熱，熱量由兩側(cè)面?zhèn)鲗Ф鴧R合于刃口，從而使刃口部位的溫度控制在淬火所需溫度以實現(xiàn)淬火。激光綠色再制造的未來

激光綠色再制造技術(shù)，是未來工業(yè)應用潛力最大的綠色再制造技術(shù)之一。具有很大的技術(shù)經(jīng)濟效益，廣泛應用于機械

電器

航空

兵器

汽車等制造行業(yè)。利用激光表面處理技術(shù)在一些表面性能差和價格便宜的基體金屬表面合金層，用以取代昂貴的整體合金，節(jié)約貴金屬和戰(zhàn)略材料，使廉價材料獲得應用，從而大幅度降低成本。還可以用來研制新材料和代用材料，制造出在性能上與傳統(tǒng)冶金方法根本不同的表面合金，應用在太空

高溫和化學腐蝕環(huán)境條件下的機械零件上。還可推廣應用于冶金、機械和船舶維修中，關(guān)鍵部件的尺寸修復，例如各種軋機軋輥、大型船舶的艉軸、軸承座，發(fā)電機、舵機、錨機等輔機軸，各種閥門密封面、泵軸套、柱塞、機械密封環(huán)等運動部件，這些部件往往由于關(guān)鍵部位磨損超差，不能使用，針對部件材質(zhì)、磨損形式和使用條件，選擇適當?shù)募す獗砻鎻娀夹g(shù)進行修復，壽命甚至比原部件高。激光綠色再制造已呈現(xiàn)出具有廣闊的應用和發(fā)展前景。

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