第一篇：代謝組學(xué)在微生物領(lǐng)域的應(yīng)用

代謝組學(xué)及其在微生物領(lǐng)域的研究進展

【摘要】代謝組學(xué)、基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)是系統(tǒng)生物學(xué)研究的重要組成部分。本文在文獻和作者本人研究的基礎(chǔ)上，對代謝組學(xué)的產(chǎn)生和技術(shù)平臺及其在環(huán)境微生物領(lǐng)域的研究進展進行了評述。

【關(guān)鍵詞】代謝物 代謝組學(xué) 環(huán)境微生物 生物降解 評述

1引言

代謝組學(xué)(metabolomics)誕生至今不到10年，但發(fā)展非常迅速（圖1），現(xiàn)已成為系統(tǒng)生物學(xué)研究的一個重要組成部分［１］，在診斷及功能基因組研究中發(fā)揮出日益重要的作用[2]。隨著基因組學(xué)研究的深入，至2005年底，以metabolome, metabolomic, etabolomics, metabonome, metabonomic以及metabonomics為關(guān)鍵詞，或出現(xiàn)在文提或摘要內(nèi)，檢索Web of Science以及Pubmed。所得文獻經(jīng)整理刪除重復(fù)數(shù)據(jù)(to the end of 2005, by searching titles/abstracts/keywords of Web of Knowledge and Pubmed using ?etabolome? or ?metabolomic? or ?metabolomics? or ?metabonome? or ?metabonomic? or ?metabonomics? as the search term）。功能基因組開始研究基因組、轉(zhuǎn)錄組以及蛋白組的數(shù)據(jù)與表型之間的關(guān)系；而細胞內(nèi)的全部代謝物最接近于表型，從而產(chǎn)生了研究全部代謝物的要求，代謝組(metabolome)的概念由此誕生 [3]。Fiehn等在2000年以擬南芥葉為模型的工作標志著代謝組學(xué)成為功能基因組研究的一個重要組成部分[4]。

目前，代謝組學(xué)的研究可分為以下３個層次［１，５～７］：（１）目標代謝物分析(metabolite target analysis)。利用特定方法研究難分析化合物(difficult analytes)，如植物激素等；（２）代謝譜分析(metabolite profiling)。對一系列預(yù)先設(shè)定的目標代謝物（如某特定代謝途徑中所有代謝物，或者一組由多條代謝途徑共享的代謝物）進行定量研究；（３）代謝組學(xué)。定性和定量特定條件下生物樣品內(nèi)的全部代謝物。然而，由于代謝物組成復(fù)雜、含量不一，樣品制備過程的偏差，以及檢測設(shè)備的量程及通量等問題，目前還難以分析全部的代謝物。因此，在現(xiàn)階段代謝組學(xué)更多地被視為“非目標性”代謝物研究［７］。與代謝組學(xué)相關(guān)的概念還有代謝指紋分析(metabolic fingerprinting)，即對粗提代謝物進行高通量的定性分析，通過譜型比較將樣品進行快速分類，或者尋找差異峰從而揭示生物對疾病或有毒物應(yīng)答的生物標記物。另一個重要的概念是代謝產(chǎn)物組學(xué)(metabonomics)［８］，多指以核磁共振（NMR）手段研究與疾病相關(guān)的代謝物。Nicholson等認為代謝產(chǎn)物組學(xué)是綜合地研究某一時間點對細胞內(nèi)全部代謝物的影響［８，９］。不過，上述有關(guān)代謝組學(xué)的各種概念仍在發(fā)展和完善中。代謝組學(xué)會也將代謝組學(xué)的定義視為學(xué)會亟待解決的重要問題［９］。

代謝組學(xué)與其它組學(xué)的研究對象的最大區(qū)別是其研究代謝組的變化。代謝組的變化是生物對遺傳變異、疾病以及環(huán)境影響的最終應(yīng)答［６］。代謝組學(xué)受進化的影響較小，在不同物種間其檢測方法比其它組學(xué)方法更為通用。以果糖二磷酸化酶檢測為例，基因組或蛋白組研究需要掌握不同物種內(nèi)該酶的編碼基因或蛋白序列，并根據(jù)該信息設(shè)計相應(yīng)芯片或質(zhì)譜檢測技術(shù)；代謝組則不管在何種生物內(nèi)，該酶的底物和產(chǎn)物（1,6二磷酸果糖和6磷酸果糖）

都是一致的，因而其檢測方法可適用于所有物種 ［７］。

與其它“組學(xué)”研究類似，代謝組學(xué)的突破在于將傳統(tǒng)的代謝途徑擴展為代謝網(wǎng)絡(luò)的研究。通過“非目標性”地識別全部代謝物，定量它們在生物體系內(nèi)的動力學(xué)變化，從而揭示傳統(tǒng)方法無法觀測到的代謝網(wǎng)絡(luò)中不同途徑之間的關(guān)系［１］。因而，代謝組學(xué)成為系統(tǒng)生物學(xué)研究的重要組成部分［１０］。

２代謝組學(xué)的技術(shù)平臺及進展

由于代謝物的多樣性，許多分析技術(shù)得到廣泛應(yīng)用[11]。圖2所示為各種代謝組學(xué)研究中常用的技術(shù)平臺［７］。根據(jù)樣品的屬性和研究目的來選擇并綜合利用多種技術(shù)平臺。例如研究植物與微生物常使用質(zhì)譜檢測代謝物，而在動物樣品的研究中則更多地采用了核磁共振（NMR）技術(shù)［１２］。目前，應(yīng)用最廣泛、最有效的技術(shù)是氣相色譜質(zhì)譜（GCMS）和液相色譜質(zhì)譜（LCMS）［３］。這兩種技術(shù)可以檢測包括糖、糖醇、有機酸、氨基酸、脂肪酸以及大量次級代謝物在內(nèi)的數(shù)百種化合物。GCMS具有較高的分辨率和靈敏度。因此，與GCMS相關(guān)技術(shù)的發(fā)展很快，如采用GCGCMS技術(shù)增加單次分析可分離代謝物的種類［１４］；利用GC與飛行時間質(zhì)譜（TOFMS）聯(lián)用可以進行高通量分析：由于TOF檢測時間短，一個月可分析1000個以上樣品；而且，利用升級的解析方法可以從植物葉片提取物的GCTOF圖譜中一次解析出1000種以上化合物［１５］。但是GC分離樣品分子量范圍有限，不能分離大分子及難揮發(fā)物質(zhì)，同時熱不穩(wěn)定性物質(zhì)在GC條件下容易分解。盡管衍生化過程會降低樣品的通量，將樣品衍生化后再進行GC分離，仍然是解決上述問題的一條有效途徑。

LCMS具有強大的分離能力，廣泛應(yīng)用于難揮發(fā)性物質(zhì)的分析。目前，反相LC技術(shù)應(yīng)用較普遍，但常規(guī)LC在分離極性較強物質(zhì)時仍然具有重要作用。Tolstikov等［１３］開發(fā)出一種親水作用色譜技術(shù)(hydrophilic interaction chromatography ,HILIC)，采用

(monolithic C18 silica)長柱提高了分離效率，并且更易于與MS對接，檢測到許多極性物質(zhì)。此外，HPLCMS、毛細管HPLCMS、UPLCMS以及多維色譜等技術(shù)逐漸應(yīng)用到代謝物組學(xué)研究，明顯提高了分辨率、靈敏度和通量［１６］。毛細管電泳在代謝物分離方面是一個新的發(fā)展方向，其效率優(yōu)于LC和GC［７］。

檢測器是代謝物組分析關(guān)鍵因素之一。傅里葉變換離子回旋加速器質(zhì)譜(FTMS)技術(shù)在代謝物組領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。借助高分辨率質(zhì)譜(>106)，F(xiàn)TMS可以進行精確的質(zhì)量分析，并根據(jù)同位素間分布直接得出經(jīng)驗分子式［１８］。核磁共振NMR技術(shù)多用于代謝物指紋圖譜分析和尋找樣品間的顯著差異代謝物，更多地用于哺乳動物樣品的檢測。NMR技術(shù)是代謝產(chǎn)物組(metabonomics)研究最有力的工具，具有較好的重復(fù)性[１９]。拉曼以及傅里葉紅外等振動光譜的靈敏度雖然相對較低，但是，傅里葉紅外在生物樣品的高通量篩選分類方面非常有效。Ellis等［２０］利用該方法研究了肉類在變質(zhì)過程中的代謝譜，發(fā)現(xiàn)該過程的主要生化指標為蛋白質(zhì)降解。一種新的發(fā)展趨勢是樣品不經(jīng)色譜分離直接進樣，采用低分辨率電噴霧質(zhì)譜分析，根據(jù)獲得的指紋圖譜進行高通量篩選［２１］。Allen等［２２］采用該方法成功地區(qū)分開僅僅一個基因差異的釀酒酵母。

生物體內(nèi)的代謝物隨時間和空間的變化而不斷地發(fā)生變化，所以時間動力學(xué)與空間分布的變化是代謝物組學(xué)研究的重要課題。雖然可以通過連續(xù)取樣的方法來研究時間動力學(xué)，但是該方法費時費力。利用NMR及FTIR等技術(shù)進行非介入性研究是一個新的發(fā)展方向。此外，利用分子生物學(xué)手段的研究也有新的進展。Fehr等利用GFP融合葡萄糖結(jié)合蛋白，通過熒光強度來監(jiān)測胞內(nèi)的葡萄糖濃度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在COS7細胞胞漿內(nèi)的葡萄糖濃度的變化范圍高達兩個數(shù)量級［２３］。

一個普通的細胞內(nèi)可能含有或產(chǎn)生的代謝物種類遠遠超出人們最初的預(yù)想。Fiehn等［１２］從擬南芥葉片中鑒定出326種代謝物，通過對數(shù)據(jù)深入分析，發(fā)現(xiàn)最初的圖譜能夠解析出1000種以上的代謝物。因此，隨著硬件平臺的發(fā)展，代謝組學(xué)研究將獲得海量的數(shù)據(jù)；而如何解析、儲存這些數(shù)據(jù)并從中提取有用的信息則非常重要。因此，代謝組學(xué)數(shù)據(jù)的處理已經(jīng)成為生物信息學(xué)的一個新的重要分支［２４］。

代謝組學(xué)原始數(shù)據(jù)的解析可分為如下３個基本步驟：（1）提取出色譜分離（如GCMS）后未能有效分開的代謝物峰并得出其相應(yīng)濃度；（2）根據(jù)其保留時間及質(zhì)譜圖等信息鑒別有效峰所代表的化合物；（3）根據(jù)代謝數(shù)據(jù)建立代謝網(wǎng)絡(luò)模型［１２］。目前已經(jīng)開發(fā)出界面友好的公開軟件，如Sumner等［２５］開發(fā)的MSFACTS(metabolomics spectral formatting, alignment and conversion tools)，可以輸入如GCMS原始數(shù)據(jù)，輸出代謝物清單。Johnson等［２６］設(shè)計了一種新的算法，可進行圖譜的快速比對。

根據(jù)圖譜鑒別結(jié)構(gòu)問題相對進展較慢。不能識別圖譜中的大多數(shù)代謝物峰成為代謝組學(xué)研究的瓶頸之一。在標準數(shù)據(jù)庫中，多數(shù)數(shù)據(jù)都來源于有機化學(xué)領(lǐng)域，而天然代謝物的結(jié)構(gòu)信息相對較少。以植物為例，80%以上的代謝物在標準譜庫中找不到對應(yīng)的化合物。解決該問題應(yīng)該更多地依賴于一些新的算法進行自動推算，而不是尋找相應(yīng)的標準參照物。目前，關(guān)于NMR的自動化譜圖結(jié)構(gòu)推測有一定的進展［２７］，而關(guān)于MS圖譜的分析相對落后。關(guān)于代謝數(shù)據(jù)的可視化及建模，不少文獻中都有介紹［５，８，２８］，在此不再贅述。與其它組學(xué)研究類似，代謝組學(xué)數(shù)據(jù)的標準化及存儲也是一個重要的問題。目前，一些相關(guān)的數(shù)據(jù)庫已經(jīng)建立，例如擬南芥代謝組數(shù)據(jù)庫以及包含各種代謝途徑的KEGG數(shù)據(jù)庫等等［２４，２９］。但是，類似基因組研究中Genbank作用的代謝物數(shù)據(jù)庫尚未建立，未來的發(fā)展方向是建立綜合、關(guān)聯(lián)基因組、蛋白組及代謝組數(shù)據(jù)的大型數(shù)據(jù)庫［２４］。３代謝組學(xué)在微生物領(lǐng)域的研究進展

目前，代謝組學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域大致可以分為以下６個方面：（1）植物功能基因組研究，主要以擬南芥為研究模型，也包括一些轉(zhuǎn)基因作物的研究［４，３０，３１］；（2）疾病診斷，根據(jù)代謝物指紋圖譜診斷腫瘤、糖尿病等疾?。郏?，３２］；（3）制藥業(yè)，主要通過高通量比對預(yù)測藥物的毒性和有效性，通過全面分析來發(fā)現(xiàn)新的生物指示劑［３３］；（4）微生物領(lǐng)域；（5）毒理學(xué)研究，包括利用代謝組學(xué)平臺研究環(huán)境毒理及藥物毒理［１９，３４］；（6）食品及營養(yǎng)學(xué)，即研究食品中進入體內(nèi)的營養(yǎng)成分及其與體內(nèi)代謝物的相互作用［３５］。以下著重介紹在微生物領(lǐng)域的代謝組學(xué)研究及其最新進展。

3.1微生物分類，突變體篩選以及功能基因研究

經(jīng)典的微生物分類方法多根據(jù)微生物形態(tài)學(xué)以及對不同底物的代謝情況進行表型分類。最近，隨著分子生物學(xué)的突飛猛進，基因型分類方法如16S rDNA測序，DNA雜交以及PCR

指紋圖譜等方法得到了廣泛應(yīng)用。然而，某些菌株按照基因型與表型兩類方法分類會得出不同的結(jié)果。因此，根據(jù)不同的分類目的聯(lián)合應(yīng)用這兩類方法已成為一種趨勢。BIOLOG等方法在表型分類中應(yīng)用較為廣泛，但是，代謝譜分析方法(metabolic profiling)異軍突起，逐漸成為一種快速、高通量，全面的表型分類方法。采用代謝組分類時，可以通過檢測胞外代謝物來加以鑒別。常用的胞外代謝物檢測方法為樣品衍生化后進行GCMS分析、薄層層析或HPLCMS分析，最后通過特征峰比對進行分類［３６，３７］。Bundy等［３８］采用NMR分析代謝譜成功地區(qū)分開臨床病理來源以及實驗室來源的不同桿菌(bacillus cereus)。除了表型分類外，代謝組學(xué)數(shù)據(jù)可以應(yīng)用于突變體的篩選。在傳統(tǒng)研究中的沉默突變體（即未發(fā)生明顯的表型變化的突變體）內(nèi)，突變基因可能導(dǎo)致了某些代謝途徑發(fā)生變化，通過代謝快照(metabolic snapshot)可以發(fā)現(xiàn)該突變體并研究相應(yīng)基因的功能［３９］。Soga等用CEMS系統(tǒng)研究了枯草桿菌在芽孢發(fā)生過程中的代謝譜的變化過程，識別出胞1692種代謝物，并鑒別出其中的150種［１７］。

3.2發(fā)酵工藝的監(jiān)控和優(yōu)化

發(fā)酵工藝的監(jiān)控和優(yōu)化需要檢測大量的參數(shù)，利用代謝組學(xué)研究工具可以減少實驗數(shù)量，提高檢測通量，并有助于揭示發(fā)酵過程的生化網(wǎng)絡(luò)機制，從而有利于理性優(yōu)化工藝過程 ［１０］。Buchholz等［４０］采用連續(xù)采樣的方法研究了大腸桿菌在發(fā)酵過程中的代謝網(wǎng)絡(luò)的動力學(xué)變化。他們在葡萄糖缺乏的培養(yǎng)液培養(yǎng)的大腸桿菌中加入葡萄糖，并迅速混勻，按每秒4～5次的頻率連續(xù)取樣。利用酶學(xué)分析、HPLC/LCMS等手段監(jiān)測樣品中多達30種以上的代謝物、核苷以及輔酶，從而解析了葡萄糖以及甘油的代謝途徑和底物攝取體系。通過統(tǒng)計學(xué)分析建模，發(fā)現(xiàn)在接觸葡萄糖底物后的15～25 s范圍內(nèi),大腸桿菌體內(nèi)發(fā)生的葡萄糖代謝物變化與經(jīng)典生化途徑相符，但隨后的過程則與經(jīng)典途徑不符，推測可能存在新的未知調(diào)控步驟。Takors認為，通過上述代謝動力學(xué)研究，掌握代謝途徑及網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵參數(shù)，將直接有利于代謝工程的優(yōu)化，包括菌株的理性優(yōu)化以及發(fā)酵參數(shù)的調(diào)控。Dalluge等利用LCMSMS方法監(jiān)控發(fā)酵過程中的氨基酸譜紋，實現(xiàn)對整個發(fā)酵系統(tǒng)的高通量快速監(jiān)控；而接下來的研究將考慮縮小氨基酸監(jiān)測范圍，通過少數(shù)幾個關(guān)鍵氨基酸的監(jiān)測實現(xiàn)對整個發(fā)酵系統(tǒng)狀況的監(jiān)控［４１］。

3.3環(huán)境微生物研究

微生物降解是環(huán)境中去除污染物的主要途徑。深入了解污染物在微生物內(nèi)的代謝途徑，將有助于人們優(yōu)化生物降解的條件，從而實現(xiàn)快速的生物修復(fù)。這些代謝中間體大都通過萃取、分析方法進行逐個研究，并借助專家經(jīng)驗擬合出代謝途徑，其動力學(xué)過程亦很少觸及。代謝組學(xué)方法的采用有可能改變這一現(xiàn)狀。Boersma等［４２］采用代謝組學(xué)方法研究氟代酚的微生物降解途徑。氟代化合物具有特殊的19F核磁共振屬性，19F的核磁共振靈敏度與1H核相近；由于生物體內(nèi)無內(nèi)源性19F核磁信號，因而無本底干擾。所有19F核磁信號均可歸結(jié)于異生素及其代謝物。19F核的化學(xué)位移值寬，約為700ppm（1H為15ppm，13C為250ppm）。較寬的化學(xué)位移導(dǎo)致19F在不同取代物的峰圖不易產(chǎn)生重疊。因此，借助核磁共振技術(shù)可以更方便地研究含氟化合物的代謝中間體。Boersma等根據(jù)總代謝物的核磁共振圖譜，推測出紅球菌內(nèi)羥化酶在不同的取代位（1，2，3三種不同的取代數(shù)量）

羥基化氟代酚，然后再通過兒茶酚內(nèi)位雙加氧酶開環(huán)形成氟代粘糠酸的代謝過程。此外，他們還首次檢測到開環(huán)后的下游代謝物，即通過氯粘糠酸異構(gòu)酶生成氟代粘糠酸內(nèi)酯以及氟代馬來酸等中間代謝物。

根際(rhizosphere)空間在植物微生物相互作用中發(fā)揮著重要的作用。Narasimhan等

[43 ]利用根際代謝物組(rhizosphere metabolomics)方法，闡釋了植物分泌物對根際微生物降解多氯代酚(PCB)的作用機制。采用HPLCESI/MS法分離鑒定擬南芥根際代謝物，發(fā)現(xiàn)野生型擬南芥根際次級代謝物中84%以上均為phenylpropanoids。因此能利用

phenylpropanoids生長的PCB降解假單孢菌能夠快速在根際區(qū)域增殖（比相應(yīng)營養(yǎng)缺陷型突變菌株高100倍以上），并且在兩周內(nèi)去除超過90%的PCB。然而，在采用擬南芥突變體（產(chǎn)生較少的phenylpropanoids）的對照組中，降解菌的數(shù)量較低，降解率也僅達50%。結(jié)果表明植物根際分泌的次級代謝物促進降解菌的繁衍增殖，從而促進了污染物的降解。本課題組在近期的工作中建立固相微萃取衍生化技術(shù)與GCMS聯(lián)用同時測定多種多環(huán)芳烴（PAHs）代謝產(chǎn)物的分析方法，開展了細菌和微藻降解PAHs的降解機理和代謝物動力學(xué)變化等研究[44～47]。從單一菌和混合菌液培養(yǎng)基中及細胞體內(nèi)，同時檢測到PAHs多種單氧化和雙氧化及其開環(huán)代謝物產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)多種PAHs降解過程中存在復(fù)雜的代謝物動力學(xué)過程；通過研究標志性代高等物組成力學(xué)變化，揭示代謝物水平上的微生物共代謝PAHs的降解機制［４４～４６］。共代謝過程中的代謝物動力學(xué)過程有非常獨特的特點，一方面它屬于胸內(nèi)生命合成過程，因為微生物降解生長基質(zhì)ＰＡＨs時提供能源和碳源促進微生物的生長；另一方面它又屬于胞外代謝處程,非生長基質(zhì)PAHs對于微生物是一種環(huán)境脅迫，微生物分泌降解酶通過在胞外降解非生長基質(zhì)PAHs以減弱其對自身的危害。因此,共代謝過程是胞內(nèi)外代謝相互作用的過程。

此外，微生物代謝組學(xué)還應(yīng)研究如何改進樣品的制備方法。例如，在代謝組研究中，為了中止細胞代謝反應(yīng)采用冷淬火(cold quenching)方法，將細胞樣品迅速置于低溫（液氮或-70℃甲醇中），這會導(dǎo)致許多微生物發(fā)生冷休克(coldshock)，釋放出大量的胞內(nèi)物質(zhì)，引起代謝組學(xué)定量研究發(fā)生偏差[48, 49]。

4展望

代謝組學(xué)尚處在萌芽期, 它綜合了分析化學(xué)、基因組學(xué)以及信息科學(xué)的最新進展，在功能基因組研究中居于核心地位[12]。未來主要發(fā)展方向包括發(fā)展更為靈敏的、廣譜的、通用的檢測方法，鑒定各種譜峰對映的化合物結(jié)構(gòu)，以及與其它虛擬模型的整合。這將更有助于全面闡釋各種細胞功能的分子基礎(chǔ)。

此外，代謝物組學(xué)方法應(yīng)用于環(huán)境微生物領(lǐng)域，將開拓出新的研究方法和方向。微生物胞外污染物降解和胞內(nèi)代謝物利用構(gòu)成了微生物代謝污染物的復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)。研究細胞內(nèi)外整合的代謝網(wǎng)絡(luò)中代謝途徑的相互作用與影響將全面、深入地揭示微生物降解污染物的能力和途徑，從而有效地預(yù)測有毒代謝物在環(huán)境中的積累和去除。而代謝途徑的代謝物組分析對于闡釋代謝物動力學(xué)過程以及微生物降解機理、分析和評價微生物在各種污染物的生物修復(fù)中的潛力都具有重要作用。

第二篇：微生物的代謝教學(xué)反思

《微生物的代謝》教學(xué)反思

金 柘

在微生物代謝這一內(nèi)容的教學(xué)過程中，針對知識特點采用了提供問題情境、探索目標，由學(xué)生通過閱讀課本相關(guān)內(nèi)容，自己確定知識清單，然后同學(xué)間進行知識交流、相互補充，最后教師點撥歸納，通過這些嘗試以改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。

對于微生物代謝非常旺盛的原因要利用課本中的一些數(shù)據(jù)加以說明。代謝產(chǎn)物分為初級代謝產(chǎn)物和次級代謝產(chǎn)物，代謝調(diào)節(jié)的方式分為酶合成的調(diào)節(jié)和酶活性的調(diào)節(jié)，微生物體內(nèi)的酶又可以分為組成酶和誘導(dǎo)酶，這些知識點讓學(xué)生通過自學(xué)進行比較，脈絡(luò)清晰，學(xué)生對有關(guān)知識點的掌握程度也比較理想。

而微生物代謝的調(diào)節(jié)是重點。教學(xué)中除多結(jié)合實例講解外，還要引導(dǎo)學(xué)生對這兩種調(diào)節(jié)方式進行比較，如比較調(diào)節(jié)的對象、結(jié)果、特點、機制、意義等，有利于學(xué)生形成良好的知識結(jié)構(gòu)。

覺得可以改進的地方有，可以先講完微生物代謝的調(diào)節(jié)后再來講人工控制微生物的代謝，這樣，重點突出，幫助學(xué)生更好的理解課本內(nèi)容，還有一點，就是要注意知識點的拓展和加深，適時的幫助學(xué)生鞏固舊的知識。

第三篇：碳化硅在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

碳化硅材料的研究在近20年中取得了令人注目的成就,在各種先進設(shè)備與工藝技術(shù)的推動下,材料的性能得到了充分的發(fā)掘與應(yīng)用,制成了能夠滿足各種極端工況條件的陶瓷構(gòu)件,為高新技術(shù)的發(fā)展以及工程陶瓷在未來技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ).雖然與其它工程結(jié)構(gòu)陶瓷一樣,使用過程的可靠性、性能可重復(fù)性等方面存在的問題仍然是影響碳化硅材料得到廣泛應(yīng)用的主要障礙

由于碳化硅陶瓷所具有的高硬度、高耐腐蝕性以及較高的高溫強度，使得碳化硅陶瓷得到了廣泛的應(yīng)用。主要有以下幾個方面：

密封環(huán)碳化硅陶瓷的耐化學(xué)腐蝕性好、強度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦系數(shù)小，且耐高溫，因而是制造密封環(huán)的理想材料。它與石墨材料組合配對時，其摩擦系數(shù)比氧化鋁陶瓷和硬質(zhì)合金小，因而可用于高PV值，特別是輸送強酸、強堿的工況中使用。

研磨介質(zhì)（磨介）碳化硅陶瓷,由于其高硬度的特點而廣泛用于耐磨機械零件中，特別是球磨機中的研磨介質(zhì)（磨介）。球磨機中所用的磨介對研磨效率有著重要的影響，其基本要求是硬度高、韌性好，以保證研磨效率高、摻雜少的要求。SIC-1型碳化硅陶瓷磨介適合于普通球磨機中使用，它具有硬度高、強度高、價格適中的特點。而SIC-2型碳化硅陶瓷磨介則由于強度高、韌性好，適合于振動球磨機和攪動球磨機中使用。合理地選擇磨介可保證你以最低的成本獲得較高的研磨效率和最少的摻雜。

防彈板碳化硅陶瓷由于硬度高、比重小、彈道性能較好、價格較低，而廣泛用于防彈裝甲中，如車輛、艦船的防護以及民用保險柜、運鈔車的防護等。碳化硅陶瓷的彈道性能優(yōu)于氧化鋁陶瓷，約為碳化硼陶瓷的70-80%，但由于價格較低，特別適合用于用量大，且防護裝甲不能過厚、過重的場合。

噴嘴用作噴嘴的陶瓷材料有多種，常用的是氧化鋁、碳化硅和碳化硼陶瓷等。氧化鋁陶瓷噴嘴的價格低，但由于硬度低，其耐磨性較差，多用于噴砂工作量不大的場合。

碳化硅陶瓷的使用壽命是氧化鋁陶瓷的３－５倍，與硬質(zhì)合金相當，多用于硬質(zhì)合金的替代品，特別是在手持噴槍的工況中使用。SIC-２型碳化硅陶瓷的韌性好，可用于有沖擊和振動的噴砂的工況。

研磨盤是半導(dǎo)體行業(yè)中超大規(guī)模集成電路用硅片生產(chǎn)的重要工藝裝備。通常使用的鑄鐵或碳鋼研磨盤其使用壽命低，熱膨脹系數(shù)大。在加工硅片過程中，特別是高速研磨或拋光時，由于研磨盤的磨損和熱變形，使硅片的平面度和平行度難以保證。采用碳化硅陶瓷的研磨盤由于硬度高研磨盤的磨損小，且熱膨脹系數(shù)與硅片基本相同因而可以高速研磨、拋光。特別是近幾年來的硅片尺寸越來越大，對硅片研磨的質(zhì)量和效率提出了更高的要求。碳化硅陶瓷研磨盤的使用將使硅片研磨的質(zhì)量和效率有很大的提高。同時碳化硅陶瓷研磨盤還可用于研磨、拋光其它材料的片狀或塊狀物體的平面。

磁力泵泵件隨著工業(yè)化的發(fā)展，特別是ISO14000國際標準的貫徹執(zhí)行，對不利于環(huán)境保護液體的輸運提出了更高的要求。磁力泵由于采用靜密封代替機械密封、填料密封等動密封，因而泄漏更小、可靠性更高、使用壽命更長。對于磁力泵一般要求免維護的時間為八年，即要求連續(xù)運轉(zhuǎn)八年不得拆卸，因而對磁力泵件的選材提出了極為苛刻的要求。如泵中的泵軸、止推盤、軸套等，必須耐磨損、耐腐蝕。而目前能滿足上述條件的材料只有碳化硅陶瓷最適合。

高溫耐蝕部件碳化硅陶瓷最重要的特性之一是它的高溫強度，即在1600°C時強度基本不降低，且抗氧化性能非常好，因而可在高溫結(jié)構(gòu)件中使用。如高溫爐的頂板、支架，以及高溫實驗用的卡具等。

碳化硅制品的用途

一、有色金屬冶煉工業(yè)的應(yīng)用：利用碳化硅具有耐高溫、強度大、導(dǎo)熱性能良好、抗沖擊、作高溫間接加熱材料，如豎罐蒸餾爐、精餾爐塔盤、鋁電解槽、銅融化爐內(nèi)襯、鋅粉爐用弧形板、熱電偶保護管等。常規(guī)的鋅粉冶煉需要的塔盤型號有：

一、塔式爐：600、990、1088、1260、1350；

二、臥式爐：1300、1160、928。

二、鋼鐵行業(yè)方面的應(yīng)用：利用碳化硅的耐腐蝕、抗熱沖擊、耐磨損、導(dǎo)熱好的特點，用于大型高爐內(nèi)襯提高了使用壽命。

三、冶金選礦行業(yè)的應(yīng)用

碳化硅硬度僅次于金剛石，具有較強的耐磨性能，是耐磨管道、葉輪、泵室、旋流器、礦斗內(nèi)襯的理想材料，其耐磨性能是鑄鐵、橡膠使用壽命的5-20倍，也是航空飛行跑道的理想材料之一。

四、建材陶砂輪工業(yè)方面的應(yīng)用：

利用其導(dǎo)熱系數(shù)、熱輻射、高溫強度大的特性，制造薄板窯具，還提高了窯爐的裝容量和產(chǎn)品質(zhì)量，縮短了生產(chǎn)周期，是陶瓷、搪瓷釉面烘烤燒結(jié)理想的間接材料。

五、節(jié)能方面的應(yīng)用

利用其良好的導(dǎo)熱和熱穩(wěn)定性，作熱交流器，燃耗減少20%，節(jié)約燃料35%，使生產(chǎn)率提高20%-30%

摘要：用涂層和其他表面改性處理方法制取的碳化硅／碳復(fù)合材料兼有碳化硅的硬度高、耐熱性、抗磨損、耐腐蝕和碳素材料可加工性等優(yōu)良特性，在滑動摩擦材料，電子元件熱處理用夾具、單晶硅提拉用加熱器、坩堝硅片外延生長用感受器、高溫材料等方面獲得廣泛應(yīng)用。其應(yīng)用范圍不斷擴大，被雀為劃時代的新材料。由無機材料和有機高分子所組成的有機-無機雜化材料是近年來國內(nèi)外研究較多的一種新型復(fù)合材料，它同時具有有機高分子和無機材料的優(yōu)點。SiC陶瓷具有硬度高、高溫強度大、抗蠕變性能好、耐化學(xué)腐蝕、抗氧化性能好、熱膨脹系數(shù)小及高熱導(dǎo)率等優(yōu)異性能，是一種在高溫和高能條件下極具應(yīng)用前景的材料。SiC用于制備金屬基、陶瓷基和聚合物基復(fù)合材料，已經(jīng)表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。此外，SiC在隱身吸波材料方面也有重要的應(yīng)用。本文綜述了SiC在聚合物中的應(yīng)用。

近年來研究發(fā)現(xiàn)，聚合物基復(fù)合材料用少量堅硬的無機物改性就可以顯著地提高其力學(xué)性能和熱學(xué)性能。SiC有機-無機復(fù)合材料就是一類用SiC陶瓷改性的聚合物基復(fù)合材料?，F(xiàn)在這類復(fù)合材料被廠泛地應(yīng)用在包裝工業(yè)、涂料工業(yè)電子工業(yè)、汽車工業(yè)及舫空航天等工業(yè)。相信在不久的將來，隨著SiC有機－無機復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬改性研究的不斷深人,SiC陶瓷將在更多領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

碳化硅半導(dǎo)體材料的應(yīng)用

碳化硅優(yōu)越的半導(dǎo)體特性將為眾多的期間所采用，利用其高熱導(dǎo)，高絕緣性目前在電子工業(yè)中做大規(guī)模集成電路的基片和封裝材料，在冶金工業(yè)中做高溫熱交換材料和脫氧劑，碳化硅的用途主要有：

(1)作為磨料，可用來做磨具，如砂輪、油石、磨頭、砂瓦類等。(2)作為冶金脫氧劑和耐高溫材料。碳化硅主要有四大應(yīng)用領(lǐng)域,即: 功能陶瓷、高級耐火材料、磨料及冶金原料。目前碳化硅粗料已能大量供應(yīng), 不能算高新技術(shù)產(chǎn)品,而技術(shù)含量極高 的納米級碳化硅粉體的應(yīng)用短時間不可能形成規(guī)模經(jīng)濟。

(3)高純度的單晶，可用于制造半導(dǎo)體、制造碳化硅纖維。

主要用途：用于3—12英寸單晶硅、多晶硅、砷化鉀、石英晶體等線切割。太陽能光伏產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、壓電晶體產(chǎn)業(yè)工程性加工材料。磨料磨具

主要用于制作砂輪、砂紙、砂帶、油石、磨塊、磨頭、研磨膏及光伏產(chǎn)品中單晶硅、多晶硅和電子行業(yè)的壓電晶體等方面的研磨、拋光等。化工

可用做煉鋼的脫氧劑和鑄鐵組織的改良劑，可用做制造四氯化硅的原料，是硅樹脂工業(yè)的主要原料。碳化硅脫氧劑是一種新型的強復(fù)合脫氧劑，取代了傳統(tǒng)的硅粉碳粉進行脫氧，和原工藝相比各項理化性能更加穩(wěn)定，脫氧效果好，使脫氧時間縮短，節(jié)約能源，提高煉鋼效率，提高鋼的質(zhì)量，降低原輔材料消耗，減少環(huán)境污染，改善勞動條件，提高電爐的綜合經(jīng)濟效益都具有重要價值。耐磨、耐火和耐腐蝕材料

利用碳化硅具有耐腐蝕、耐高溫、強度大、導(dǎo)熱性能良好、抗沖擊等特性，碳化硅一方面可用于各種冶煉爐襯、高溫爐窯構(gòu)件、碳化硅板、襯板、支撐件、匣缽、碳化硅坩堝等。另一方面可用于有色金屬冶煉工業(yè)的高溫間接加熱材料,如豎罐蒸餾爐、精餾爐塔盤、鋁電解槽、銅熔化爐內(nèi)襯、鋅粉爐用弧型板、熱電偶保護管等；用于制作耐磨、耐蝕、耐高溫等高級碳化硅陶瓷材料；還可以制做火箭噴管、燃氣輪機葉片等。此外，碳化硅也是高速公路、航空飛機跑道太陽能熱水器等的理想材料之一。有色金屬

利用碳化硅具有耐高溫&def強度大&def導(dǎo)熱性能良好&def抗沖擊&def作高溫間接加熱材料&def如堅罐蒸餾爐&def精餾爐塔盤&def鋁電解槽&def銅熔化爐內(nèi)襯&def鋅粉爐用弧型板&def熱電偶保護管等.鋼鐵

利用碳化硅的耐腐蝕&def抗熱沖擊耐磨損&def導(dǎo)熱好的特點&def用于大型高爐內(nèi)襯提高了使用壽命.冶金選礦

碳化硅硬度僅次于金剛石&def具有較強的耐磨性能&def是耐磨管道&def葉輪.泵室.旋流器&def礦斗內(nèi)襯的理想材料&def其耐磨性能是鑄鐵.橡膠使用壽命的5--20倍&def也是航空飛行跑道的理想材料之一.建材陶瓷砂輪工業(yè)

利用其導(dǎo)熱系數(shù).熱輻射&def高熱強度大的特性&def制造薄板窯具&def不僅能減少窯具容量&def還提高了窯爐的裝容量和產(chǎn)品質(zhì)量&def縮短了生產(chǎn)周期&def是陶瓷釉面烘烤燒結(jié)理想的間接材料.節(jié)能

利用良好的導(dǎo)熱和熱穩(wěn)定性&def作熱交換器&def燃耗減少20%&def節(jié)約燃料35%&def使生產(chǎn)率提高20-30%&def特別是礦山選廠用排放輸送管道的內(nèi)放&def其耐磨程度是普通耐磨材料的6--7倍.②磨料粒度及其組成按GB/T2477--83。磨料粒度組成測定方法按GB/T2481--83。珠寶

合成碳化硅（Synthetic Moissanite）又名合成莫桑石、合成碳硅石（化學(xué)成分SiC），色散0.104比鉆石(0.044)大，折射率2.65-2.69(鉆石2.42)，具有與鉆石相同的金剛光澤，“火彩”更強，比以往任何仿制品更接近鉆石。這是由美國北卡羅來那州的C3公司制造生產(chǎn)的，已擁有世界各國生產(chǎn)合成碳化硅的專利，正在向全世界推廣應(yīng)用。

第四篇：微生物在石油開采中的應(yīng)用

微生物在石油開采中的應(yīng)用

摘要：經(jīng)過幾十年的發(fā)展，微生物采油技術(shù)（MEOR）已經(jīng)成為繼熱力學(xué)驅(qū)、化學(xué)驅(qū)、聚合物驅(qū)之后的第4種提高采收率的新“三采”技術(shù)。已經(jīng)引起了石油工程技術(shù)人員的空前關(guān)注。本文闡明了微生物采油的方法及特點、作用機理及應(yīng)用，最后對微生物采油的前景做了展望。

關(guān)鍵詞：微生物采油；機理；作用機理；菌種篩選。

前言：MEOR應(yīng)用于三次采油、提高原油采收率的一項高新技術(shù)。主要特點是成本低、適應(yīng)性強、施工方便、不傷害地層、不污染環(huán)境。特別對于枯場或近枯場的油旅更顯示其強大的生命力。微生物在生物代謝作用下所產(chǎn)生的酶類，可以裂解重質(zhì)烴類和石蠟，使原油粘度、凝固點降低，從而降低原油的流動阻力，改 善原油的流動性能，提高原油產(chǎn)量和采收率。

1、微生物采油的背景、方法及特點

當今石油工業(yè)面臨的一個重要問題是怎樣采出在開發(fā)成熟的油田和即將枯竭的油田中仍然留在地下未被開采出的很大百分比的原油可采儲量。新的技術(shù)必須通過經(jīng)濟方法處理現(xiàn)有生產(chǎn)井和扭轉(zhuǎn)井堵塞的加速度，從而延長油田的生產(chǎn)壽命并且提高油藏的原油采收率。

我國稠油（高黏度重質(zhì)稠油，黏度在1000mPa·s以上）資源分布很廣，陸地稠油約占石油總資源的20%以上。稠油突出的特點是瀝青質(zhì)、膠質(zhì)的含量比較高，具有高凝固點、難流動、難開采、高成本等特點。在我國的準噶爾盆地、塔里木盆地、吐魯番盆地、渤海灣盆地和松遼盆地等盆地中有豐富的稠油資源，也發(fā)現(xiàn)了許多稠油大油田，如塔里木的塔河油田、渤海的PL193油田等，如果能尋找到一種經(jīng)濟有效的方法采出這些原油，對緩解我國石油進口壓力具有重要意義。于是研究人員將目光轉(zhuǎn)到微生物上，希望借助于以原油為碳源的微生物能夠解決這些短板。

MEOR是指利用微生物提高石油采收率的各種技術(shù)總稱，凡是與微生物有關(guān)的采油技術(shù)均屬于MEOR。微生物提高石油采收率并不是一種單一的方法，具有明顯的優(yōu)點：① 成本低，微生物的主要營養(yǎng)物之一是用通常手段難以采出的石油，微生物的繁殖能力和適應(yīng)性很強，作用效果持續(xù)時間長。這尤其對邊際油田吸引力大；② MEOR工序簡單，利用常規(guī)注入設(shè)備即可實施，不必增添井場設(shè)備，比其他EOR技術(shù)實用且操作方便；③ 應(yīng)用范圍廣，不僅可開采各種類型的原油(重油、輕油、中質(zhì) 原油)，更適于開采重油；④ 注入的微生物和培養(yǎng)基原料來源廣，容易制取，且可根據(jù)具體油藏特點靈活調(diào)整微生物的配方；⑤ 易于控制，通過停止注入營養(yǎng)液，即可終止微生物的活動；⑥ 為生物細胞小且運動性強，能進入其他驅(qū)油工藝的盲區(qū)如死油區(qū)或裂縫；⑦ 微生物只有在有油的地方繁殖并產(chǎn)生代謝產(chǎn)物，避免了表面活性劑注入或降粘劑段塞的盲目性；⑧ MEOR產(chǎn)物均可生物降解，不損害底層，不會造成環(huán)境污染，且可以在同一井中重復(fù)使用多次。微生物采油機理

微生物提高原油采收率作用涉及到復(fù)雜的生物、化學(xué)和物理過程，除了具有化學(xué)驅(qū)提高采油率的機理外，微生物生命活動本身也具有提高采油率機理。

2.1 微生物的產(chǎn)氣作用

在油井一采、二采之后，通常地下壓強會降低，油井下的石油不容易抽上地面，傳統(tǒng)做法是向油井注水，通過這種方式增大底下的壓強，達到將石油抽上來的目的，但是這種方法會使得抽上來的石油含水量高，品質(zhì)較差，增加后續(xù)的分離成本。而微生物在地下發(fā)酵過程中能產(chǎn)生各種氣體，如CH4、CO2、N2、H2等，這些氣體會增加油井下的壓強，相應(yīng)的可以減少注水量，從而提升原油的品質(zhì)，降低成本。

2.2 微生物代謝產(chǎn)生各種有機物質(zhì)

微生物在油井中以重鏈烴為碳源，會代謝產(chǎn)生許多化合物，如生物聚合物、生物表面活性劑、小分子有機酸、醇類等。這些物質(zhì)可以降低原油粘度，減小表面張力，使得原油的流動性加強。

2.3 微生物代謝產(chǎn)生的酶類

微生物在生物代謝作用下所產(chǎn)生的酶類，可以裂解重質(zhì)烴類和石蠟，再綜合2.2中微生物代謝產(chǎn)生的各種化學(xué)物質(zhì)，可以使原油粘度、凝固點降低，從而降低原油的流動阻力，改善原油的流動性能，使得油井石縫中原油流出，能夠溶解巖石，增加巖石孔隙度和滲透率，將有助于提高原油產(chǎn)量和采收率。2.4 微生物發(fā)酵產(chǎn)生的生物聚合物

微生物在油井中發(fā)酵產(chǎn)生的生物聚合物能調(diào)整注水油層的吸水剖面，控制高滲地帶的流度比，改善地層滲透率。

2.5 微生物的封堵作用

微生物注入水驅(qū)油層后，生長繁殖的菌體和代謝產(chǎn)物與重金屬形成沉淀物，具有高效堵水作用，封堵率可達到99%。這對于非均質(zhì)油藏的堵水調(diào)剖面效果較好，可提高原油產(chǎn)量和采收率。在地層中產(chǎn)生的生物聚合物，能夠在高滲透地帶控制流度比，調(diào)整注水油層的吸水剖面，增大掃油面積，提高采收率。微生物的篩選

油井中的環(huán)境都是非?？量痰模ǔ６季哂懈邷?、高壓、高鹽的特點，為了發(fā)揮微生物采油的優(yōu)點，需要選用生存能力強、代謝活性高的菌株，才能實現(xiàn)利用微生物來提高原油品質(zhì)和采油率的目的。

一般以利用原油中的重質(zhì)鏈烴為碳源的微生物都是生長在含油量豐富的地方，所以將從油田污水、污泥以及煉油廠污水中獲得微生物樣品作為篩選對象，應(yīng)用微生物室內(nèi)富集培養(yǎng)與分離純化技術(shù)，篩選出具有應(yīng)用潛力的菌株。當然，也可以將菌株的篩選與細胞工程、基因工程等技術(shù)結(jié)合起來，進行培育，也可以在很大程度上獲得高產(chǎn)高效的菌株。應(yīng)用

近年來，為了探索提高采收率的新途徑，已先后在我國華北、新疆、吉林、河南、勝利、長慶、遼河、大慶、中原等14個油田開展了微生物采油現(xiàn)場先導(dǎo)性試驗，并且在一些油田取得了較好的增產(chǎn)效果。

4.1 微生物水驅(qū)

該技術(shù)是將菌種和營養(yǎng)液混合而成的微生物處理液注入目的層，使微生物作用于油層，當處理液被注入水推進并通過油層時，微生物通過代謝作用產(chǎn)生生物表面活性劑、氣體、酸、醇等代謝產(chǎn)物的同時，還不斷增殖。代謝產(chǎn)物通過物理、化學(xué)作用將巖石表面黏附的原油和巖石孔隙中的原油釋放出來，使原來不能流動的原油以油水乳狀的形式被注入到水驅(qū)生產(chǎn)井中，在生產(chǎn)井中被采出。4.2 周期性微生物處理（微生物吞吐法）

該技術(shù)是將微生物發(fā)酵液及營養(yǎng)液注入生產(chǎn)井內(nèi)，關(guān)井一段時間（從數(shù)天到數(shù)周不等），讓微生物進行發(fā)酵，然后開井生產(chǎn)，周而復(fù)始。

4.3 微生物選擇性封堵地層（微生物調(diào)剖法）

該技術(shù)是把能夠生產(chǎn)聚合物的微生物注入地層，使其在高滲透層內(nèi)大量繁殖，從而可以起到封堵高滲透帶的作用。改種方法比注入人工合成的有機聚合物或凝膠更為有效，而且不會造成底層的永久性破壞。

4.4 微生物清蠟和降低重油粘度

微生物清蠟技術(shù)可以取代溶劑和分散劑的使用，并能基本上取代熱油處理法。微生物清蠟和降黏機理在于微生物對石蠟和仲有得代謝作用。通常，大多數(shù)微生物對蠟類芳香烴的代謝速度大于對對芳香烴的代謝速度。微生物代謝產(chǎn)生的溶劑對近井區(qū)域能起到很好的清洗作用。展望

微生物采油技術(shù)具有其他三次采油技術(shù)無可比擬的有點——多功能性，近些年來，隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，目前，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)開始應(yīng)用一些在極端環(huán)境下能夠生存、繁殖的微生物、但是MEOR技術(shù)也有自己的局限性：微生物在溫度較高、鹽度較大、重金屬離子含量較高的的油藏條件下易于遭到破壞，微生物產(chǎn)生的表面活性劑和生物聚合物有造成沉淀的危險，裴炎微生物的條件不易把握，微生物采油甲護身在冬季不易施工。為了克服這些局限性，在現(xiàn)有的菌種基礎(chǔ)上，通過基因工程手段獲取基因工程菌，使其性能更加優(yōu)良，同時將計算機技術(shù)、基因檢測技術(shù)等新技術(shù)用于為生物鐘。

參考文獻

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[4] 汪衛(wèi)東；我國微生物采油技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]；石油勘探與開發(fā)；2002年06期

第五篇：納米材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

納米11

陳美齡

41136025

納米材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

學(xué) 院：姓 名：學(xué) 號：班 級：

——《納米材料科學(xué)與技術(shù)前沿》論文

材料科學(xué)與工程學(xué)院 陳美齡 41136025 納米11班 2014.7.30 納米11

陳美齡

41136025

一、摘要：

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，科技技術(shù)更新速度日益加快。納米材料早已滲透到我們?nèi)祟惿畹姆椒矫婷?，在我們的日常生活中發(fā)揮著不可替代的作用。

目前，納米材料材料研究領(lǐng)域，已經(jīng)由原來如何方便人類生活、如何開發(fā)新型材料，逐步向減少環(huán)境負擔、材料可循環(huán)利用、低能高效的方向發(fā)展。同時，隨著航天事業(yè)的發(fā)展，納米材料材料同樣發(fā)揮著不可替代的作用。在未來的研究方面，將會是向低碳環(huán)保和科技技術(shù)方面發(fā)展。

本文主要介紹在航天領(lǐng)域方面的熱門兩種納米材料。

二、無機抗菌納米材料

（1）簡介

細菌、霉菌、酵竹苗、凜類等_仃害微牛物小僅對人類生活作業(yè)境造成污染，而且時人體健康和生命造成嚴幣損害。即使在遠離地球的找人航天E行器艙內(nèi)環(huán)境中同樣不能豐免。美國載人航無器E行史中，因細菌感染而導(dǎo)致乘員患感冒、尿路感染、皮炎、I I牌，潰瘍的病例就打多起。如阿波羅7、8 q曾發(fā)生呼吸道感染，9、1I、12、14發(fā)生中耳炎，其他E行任務(wù)中也牲牛過皮疹等皮膚感染性疾病，P號宅川站乘員留軌期問也有因細菌感染患疵，從而不得不提返航的病例。納米11

陳美齡

41136025

（2）機抗菌納米材料材料簡介

無機抗菌納米材料材料就是含有無機抗菌成分并具有抗菌抑菌功能的納米材料材料。無機抗菌劑是一種新的、含有銀、鋅、銅等金屬離子成分和無機載體的接觸型抗菌制劑，其所含金屬離子具有超強抗菌能力。

當細菌、霉菌等微生物接觸到載體中游離態(tài)金屬離子后，帶正電荷的金屬離子與帶負電荷的微生物因庫侖引力相互吸附，并在微生物表面聚積，在金屬離子之正電荷達一定量時，就會有效擊穿細菌細胞壁，接觸細胞內(nèi)部蛋白質(zhì)和核酸，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使蛋白質(zhì)變性，從而降低蛋白酶活性。蛋白質(zhì)失活就會影響細胞的代謝和呼吸功能，使其無法進行分裂繁殖，直到死亡，從而達到滅菌、抑菌目的。

（3）分子材料航天應(yīng)用現(xiàn)狀

目前我國己試制和生產(chǎn)出硅、鈣、鉀三大系列七大類多種抗菌劑，而且還為各種制劑選配了合適載體，較好的解決了部分抗菌納米材料制品的生產(chǎn)工藝技術(shù)難題。如抗菌尼龍絲、聚乙烯板，藥品包裝材料、食品包裝膜、聚丙編織絲料、無紡布、ABS、PS、聚酯泡沫塑料、涂料、空氣清新劑等多種抗菌制品，經(jīng)過進一步嚴格篩試，均可應(yīng)用于載人航天技術(shù)領(lǐng)域。

為給乘員創(chuàng)建安全可靠工作條件和舒適方便的生活環(huán)境，納米材 納米11

陳美齡

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料聚合材料越來越多的運用于載人航天艙內(nèi)設(shè)備。航天服就用到多種經(jīng)特殊處理的保溫耐壓納米材料材料。又如頭盔及其面窗材料，通信用麥克和耳機材料，飛行程序控制用計算機殼體、操作鍵盤，各種連接導(dǎo)線和電纜，多種非金屬餐飲、復(fù)水器具，食品、飲料及藥品包裝材料，廢物和大小便收集存貯裝置，尿液及航天廢水再生處理用過濾、透析膜材料,吸水材料，保溫材料，各種通用工具及設(shè)備的操作把手，各種通風排氣復(fù)合軟管材料，減震保溫用發(fā)泡材料，有時電熱設(shè)備的絕緣隔熱層也不得不用納米材料材料制成。納米材料材料為人類創(chuàng)建生活和工作便利的同時，同樣也會遭受有害菌侵蝕，不僅損害材料外觀，而且嚴重損害到材料質(zhì)量，甚至通過交叉?zhèn)鞑パ昙叭梭w健康。據(jù)調(diào)查，105 f-1電話中46％的機子上有大腸桿菌，僅在塑料聽筒、話筒上就有480余種細菌和2400種病毒。有害微生物的繁衍速度很快，在適宜條件下，一個大腸桿菌經(jīng)9個小時可達1億個之多。

三、聚磷腈在航空航天中的應(yīng)用

（1）簡介

在現(xiàn)代材料科學(xué)與技術(shù)發(fā)展歷程中，航空航天材料一直扮演著先導(dǎo)性角色，材料進步不僅推動了航空航天業(yè)本身的發(fā)展，也帶動了地面交通工具進步，航空航天材料反映了材料發(fā)展的前沿，代表一個國家材料的最高水平。航空航天材料主要要求是抗疲勞、耐高溫、耐腐蝕、長壽命等。納米11

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（2）聚磷腈材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

1、在織物阻燃中

航空航天領(lǐng)域織物包括降落傘和宇航服裝，要求材料具有高的阻燃和耐熱性能，以滿足特殊條件下的使用。

劉霞等人通過熱重分析(TGA)、差熱分析(DTA)，紅外光譜(IR)等詳細研究了TAP對織物阻燃性能的影響。當添加質(zhì)量分數(shù)為l7％ 時，成率(燃燒分解后剩余質(zhì)量占原來質(zhì)量的分數(shù))為39％，氧指數(shù)為47。5，手感好，強度損失小，水平點燃有自熄性。國外有人對TAP(日本曹達公司產(chǎn)品)的水合物和鹽酸鹽進行研究。經(jīng)TAP化合物阻燃整理的棉纖維性能見表1。

由表1可知，經(jīng)TAP化合物整理后，棉緞具有高的耐洗性和耐久性，阻燃效果明顯，基于增質(zhì)量率和不同條件下的極限氧指數(shù)(iO0最高達到39。TAP化合物與防火整理劑(丙烷一派羅伐特克斯，cp)進一步經(jīng)熱分析對比，發(fā)現(xiàn)CP在受熱過程中發(fā)生放熱分解。TAP化合物在受熱過程中，由于放出HCI和NH 而發(fā)生吸熱，且TAP在纖維素中發(fā)生縮聚反應(yīng)(如圖3所示)，在酸催化作用下，脫除NH，而發(fā)生縮聚，生成不溶于水的聚合物，從而賦予纖維以持久的阻燃性。用TAP化合物進行阻燃整理有如下優(yōu)點：賦予棉纖維以持久阻燃性；不會游離出甲醛；經(jīng)整理的布手感柔軟，強度保持率(經(jīng)向)高達90％；不變色；由于不含鹵素，燃燒時不會產(chǎn)生鹵素氣體和鹵化氫氣體。此 外，TAP對人造纖維、棉針織物、絲綢有防縮整理效果。納米11

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2、在阻燃泡沫橡膠中

美聯(lián)邦航空局的Richard等人對高效阻燃聚磷腈泡沫材料進行了測試。聚磷腈材料與其他材料相Ii試數(shù)據(jù)見表2.前者的熱性能顯示了非常大的優(yōu)勢，EYPEL—A熱釋放能力比航空用Pu橡膠降低了66．4％，膨脹石墨改性聚磷腈橡膠的 更是降低了80．7％。從反應(yīng)材料阻燃性的成炭率可看出：EYPEL—A比航空用Pu橡膠的成炭率提高9倍，膨脹石墨改性聚磷腈橡膠更是提高了近20倍。另外聚磷腈材料的燃燒性能更為優(yōu)越(表3)，與Pu相比，燃燒時聚磷腈材料最大熱釋放速率降低70％，平均有效燃燒熱量降低37．5％，顯著降低燃燒釋放出的熱量，減少燃燒造成的損失，石墨改性的聚磷腈性能則更優(yōu)。6 納米11

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3、在膠黏劑中

聚磷腈膠黏劑[1 具有突出的耐熱性能，300度以上有較好的耐熱性和黏結(jié)一IIii(對金屬粘接剪切強度為200MPa以上)，并且其抗沖擊韌性比無機鹽膠黏劑好得多。聚磷腈膠黏劑主要用于高溫作業(yè)下如火箭、導(dǎo)彈、飛機等有關(guān)耐高溫部件的金屬、陶瓷和玻璃鋼等工件的粘接。典型的聚磷腈膠黏劑合成見圖4。納米11

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四、結(jié)語

納米材料也叫做聚合物材料，通常是指由千萬個小分子有化學(xué)鍵連接而成的大分子聚合物。我們生活中應(yīng)用的納米材料材料就是指合成材料、合成橡膠、合成纖維等合成納米材料材料。然而20世紀60年代，納米材料工業(yè)已基本完善，解決了人們的衣著、日用品、和工業(yè)材料等需求。因此，在未來的納米材料航空航天應(yīng)用領(lǐng)域，納米材料材料功能化、納米納米材料材料復(fù)合技術(shù)以及可降解生物納米材料材料研發(fā)將是三個重要的研究領(lǐng)域。

五、參考文獻

（1）許勝國，魏民，趙成堅，謝瓊-中國宇航學(xué)會首屆學(xué)術(shù)年會論文集，無機抗菌納米材料材料在載人航天技術(shù)中的應(yīng)用前景。（2）李愛元，張慧波，陳亞東，王建-《膠體與聚合物》，聚磷腈納米材料材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用。