第一篇：汽車新動力技術(shù)的發(fā)展狀況及應(yīng)用前景

關(guān)鍵詞：汽車 內(nèi)燃機 混合動力 燃料電池 新動力技術(shù) 汽車制造論文免費下載 中國論文 職稱論文

摘要:論述了傳統(tǒng)內(nèi)燃機在汽車動力應(yīng)用方面遇到的挑戰(zhàn),探討了先進內(nèi)燃機技術(shù)、混合動力汽車、燃料電池汽車、電動汽車等的各種動力技術(shù)的發(fā)展狀況及應(yīng)用前景,并對各技術(shù)做了綜合比較分析。

關(guān)鍵詞:汽車;內(nèi)燃機;混合動力;燃料電池；新動力技術(shù)

對于汽車動力,目前人們最關(guān)注的是環(huán)保和節(jié)能兩個主題。環(huán)保方面主要涉及有害污染物及溫室氣體排放、振動與噪聲等;節(jié)能方面主要關(guān)注能量轉(zhuǎn)換效率,對汽車的主流動力———內(nèi)燃機來說就是考察燃油里程數(shù)。1993年9月出臺的美國新一代汽車合作計劃(PNGV)要求在10 a內(nèi)將家庭轎車的平均燃油效率提高到1994年的3倍,即在2004年使家庭轎車的燃油里程數(shù)達到34 km/L[1]。對內(nèi)燃機來說,主要是提高熱效率。對替代動力技術(shù)如燃料電池而言,就是化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的效率。近年來,全球氣候變暖的問題日趨嚴峻,世界各國開始采取措施控制CO2的排放,但迄今為止并未取得明顯進展,其根本原因在于熱機效率很難提高。因此,降低CO2排放的根本出路是采用高效率的動力系統(tǒng)。另外,各國對汽車動力的排放法規(guī)要求日益嚴格。歐盟1999年通過的法規(guī)要求2008年采用先進后處理技術(shù)的輕型車用柴油機歐洲瞬態(tài)循環(huán)(ETC)測試中NOx排放要降低到2 g/(kW?h),CO降低到4 g/(kW?h),PM降低到0.03 g/(kW?h)[2]。如何滿足日益嚴格的排放法規(guī)要求同時又要提高能量轉(zhuǎn)換效率,是車用內(nèi)燃機的生存壓力,也是發(fā)展動力。21世紀對汽車動力的要求是高能量轉(zhuǎn)換效率,接近零排放,當然這要以低成本、良好經(jīng)濟性、高可靠性和高功率密度為前提。車用內(nèi)燃機的前景

車用內(nèi)燃機是CO2排放的主要源頭之一,占總排放量的1/3[3]。因此公眾輿論普遍認為車用內(nèi)燃機是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要因素,學(xué)術(shù)界及工程界開始努力尋求替代動力技術(shù)。由于傳統(tǒng)內(nèi)燃機的有害排放物如NOx,PM,CO,HC等對人類健康危害很大,加之能源短缺等問題,車用內(nèi)燃機正面臨著嚴峻的“生存危機”。針對這種局面,內(nèi)燃機工程界正努力開發(fā)新型超低排放節(jié)能的車用內(nèi)燃機,盡可能提高熱效率并降低有害排放物及噪聲。汽油機和柴油機是目前最主要的兩種車用內(nèi)燃機。汽油機盡管在采用了三元催化裝置后排放污染很低,但燃油消耗始終是個大問題;柴油機的經(jīng)濟性要好于汽油機,但其NOx及PM排放問題一直都難以解決。可見,傳統(tǒng)內(nèi)燃機很難達到PNGV要求的。于是近年來對傳統(tǒng)內(nèi)燃機的革新技術(shù)紛紛涌現(xiàn),其中最具代表性的有汽油直噴技術(shù)(GDI)、先進壓燃直噴技術(shù)(CIDI)和均質(zhì)充量壓燃(HCCI)等3項技術(shù)。

1.1 汽油直噴(GDI)GDI技術(shù)早在20世紀30年代由德國最先開發(fā),但由于當時控制手段欠缺而被摒棄。1996年日本Mitsubishi公司開發(fā)了GDI樣機。該GDI樣機與傳統(tǒng)進氣道噴射(PFI)汽油機相比燃油經(jīng)濟性提高了35 %[3]。GDI在低工況時采用壓縮行程噴射,利用活塞頂?shù)膹?fù)雜形狀形成分層充氣,進行稀薄燃燒;在高工況時采用進氣行程噴射,形成均勻混合氣。GDI發(fā)動機的兩種工作模式使得其在提高燃油經(jīng)濟性和降低排放上都取得收益,但GDI的研發(fā)中還面臨很多問題。首先,這種發(fā)動機的供油系統(tǒng)要比PFI復(fù)雜得多,采用高壓(噴油壓力為4 MPa~13 MPa)共軌汽油噴射系統(tǒng)和渦流霧化噴嘴,其成本要大大高于PFI系統(tǒng),GDI在燃油經(jīng)濟性上的收益能否抵償其高成本就是關(guān)鍵問題;另外,GDI可能還要采用多段噴射,變渦流和滾流控制硬件,這樣批量生產(chǎn)時能否保證系統(tǒng)可靠性不受系統(tǒng)復(fù)雜性的損害也是難點;再者,GDI控制系統(tǒng)的控制策略和算法是否能夠滿足發(fā)動機從晚噴、分層充氣到早噴、均勻充氣運轉(zhuǎn)的順利過渡,并達到目前的PFI發(fā)動機的駕駛性能也是技術(shù)難點[4]。

1.2 先進壓燃直噴技術(shù)(CIDI)1997年,美國PNGV計劃將先進CIDI發(fā)動機列為實現(xiàn)34 km/L燃油里程并用于輕型混合動力汽車的最有前景的技術(shù)之一。2000年,GM,Ford和Daim-ler—Chrysler公司的PNGV概念車都采用CIDI發(fā)動機。美國能源部重型車輛技術(shù)辦公室(OHVT)計劃在2004年將使用CIDI的輕型卡車的燃油經(jīng)濟性提高35 %,同時滿足排放法規(guī)要求。CIDI在熱效率上的優(yōu)勢勿庸置疑,其在應(yīng)用和研發(fā)上的關(guān)鍵在于排放控制。由于柴油機擴散燃燒的特點,對NOx和PM實現(xiàn)機內(nèi)控制非常難,對CIDI發(fā)動機排放控制的研發(fā)重點在于后處理系統(tǒng)。Cummins公司采用NOx吸收器以滿足2004年研發(fā)目標;DDC公司采用尿素選擇催化器控制NOx。對于PM的控制主要采用陶瓷過濾裝置,該裝置的研發(fā)熱點是再生問題[5]。

1.3 均質(zhì)充量壓燃(HCCI)HCCI這項新的燃燒技術(shù)給內(nèi)燃機在21世紀的繼續(xù)發(fā)展帶來了曙光。這項技術(shù)是汽油機與柴油機的雜交技術(shù)。20世紀80年代初,大連理工大學(xué)胡國棟教授創(chuàng)造性地提出了該思想,稱之為柴油機熱預(yù)混合燃燒方式[6,7],并進行了深入研究

[8,9]。其主要內(nèi)容是在壓縮著火前將全部燃料噴入缸內(nèi),快速形成均質(zhì)稀薄混合氣,并將著火點控制在上止點后,從而實現(xiàn)較低缸內(nèi)壓力和溫度下的快速燃燒,達到高效清潔的目的。這種燃燒方式的優(yōu)點是多點同時著火,燃燒迅速(熱效率高),燃燒溫度低(NOx生成率低)。由于這種燃燒方式解決了降低NOx排放與提高經(jīng)濟性的折衷問題,成為高效清潔內(nèi)燃機研究的熱點。已有的研究報告表明,與傳統(tǒng)柴油機相比,HC-CI燃燒的NOx排放降低了90 %~98 %,已經(jīng)達到了測量極限,近似零排放(EZE);PM也顯著降低[12]。由于熱效率高,HCCI的經(jīng)濟性也明顯好于傳統(tǒng)內(nèi)燃機。但HCCI燃燒方式也并非完美無缺,因為其要求稀薄混合氣,其功率密度比傳統(tǒng)內(nèi)燃機小;由于采用壓燃,預(yù)混合氣的著火時間難于控制;另外,現(xiàn)有的HCCI樣機普遍存在高負荷時燃燒變壞,排放變差,油耗高的問題。這些問題是HCCI燃燒方式在內(nèi)燃機上實用化的主要障礙。針對這些問題,人們提出3種解決方案,即改變?nèi)剂瞎┙o方式,采用廢氣再循環(huán)(EGR)和增壓,采用分段燃燒[12]。HCCI是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ娜紵绞?在排放和熱效率方面都能達到PNGV的要求;由于省去了高壓噴油系統(tǒng)及采用貴金屬材料的后處理器,HCCI內(nèi)燃機的初

始成本與CIDI發(fā)動機相比有優(yōu)勢。所以美國能源部將HCCI認定為應(yīng)給予長期研發(fā)支持的遠期技術(shù),并預(yù)計于2010年在輕型卡車上投入商業(yè)運營[13]。在替代動力技術(shù)成熟之前,以HCCI燃燒方式為代表的新型高效、清潔、節(jié)能內(nèi)燃機在21世紀仍將是汽車動力的主流?；旌蟿恿Φ陌l(fā)展前景

所謂混合動力汽車(HEV)即動力系統(tǒng)由原動機、發(fā)電機/電動機、儲能設(shè)備等組成,HEV的動力系統(tǒng)一般有串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)混聯(lián)3種形式。原動機通常采用內(nèi)燃機,少數(shù)采用燃料電池。圖1是采用內(nèi)燃機為原動機的混合動力的兩種系統(tǒng)布置形式。圖1 混合動力系統(tǒng)布置形式串聯(lián)方式是將內(nèi)燃機加入到電動汽車(EV)中給電池組充電,驅(qū)動則完全由電池及電機完成,動力傳送及控制都是電氣方式的,并聯(lián)式則是將內(nèi)燃機和電池加入到傳動系中,輔助傳動系加速和回收制動能。串聯(lián)式的好處在于排放近似為零,控制系統(tǒng)相對簡單,對零件選擇相對范圍廣;但對電池組的容量及效率要求很高。并聯(lián)式則在降低油耗方面優(yōu)勢明顯。從成本和總體性能考慮,采用高性能電池組的并聯(lián)式HEV更有吸引力[14]。日本Honda公司開發(fā)出了排放低于世界上最嚴格的美國加州ULEV標準的HEV[15]。美國GM公司的Precept,Ford公司的Prodigy等均已上市。日本Toyota公司的Prius混合動力汽車已經(jīng)批量生產(chǎn)。目前HEV的成本較內(nèi)燃機汽車高,電池組能量密度不高,對轎車和輕型車而言,附加質(zhì)量大,使整車質(zhì)量增加。從HEV的研究發(fā)展看,這些缺點都將在近期內(nèi)得以克服。盡管從價格上看,HEV要明顯高于內(nèi)燃機汽車,如Prius的價格高于同類型內(nèi)燃機汽車的30 %~50 %,但形成批量生產(chǎn)之后,價格必然會下降到接近內(nèi)燃機汽車。PNGV對HEV的電池組容量的要求是單位質(zhì)量功率(充/放電)為1 kW/kg,按此要求電池組的質(zhì)量為50 kg~100 kg;功率能量比大于20。從已有研究看,柱狀電池的功率密度非常大;采用NiMH或Li—Ion材料的電池已經(jīng)通過驗證,NiMH已經(jīng)投入使用,Li—Ion也即將投入使用[14]。附加質(zhì)量大的問題對小轎車尤為突出,若不能很好地解決,則混合動力帶來的經(jīng)濟性就會被抵消掉。因此盡可能減小電池組、電機及其他附件的質(zhì)量是小型HEV發(fā)展的關(guān)鍵。另外,對小轎車的整車進行改進設(shè)計,以減輕其自身質(zhì)量也是有效措施,Honda公司的Insight就采用了這種辦法,對于城市大型公交車來說,因為其自身質(zhì)量大,附加質(zhì)量不會帶來太多的負面影響。因此,城市大型公交車的混合動力研究是最容易看到效益的。作為內(nèi)燃機汽車與電動汽車的雜交技術(shù),HEV綜合了“雙親”的優(yōu)點,并最大限度克服了它們的缺點;既具備傳統(tǒng)內(nèi)燃機能量儲備多,運行里程遠的優(yōu)點,又能使內(nèi)燃機運行在高效率、低油耗的區(qū)域內(nèi),避免怠速運轉(zhuǎn),并能回收制動能。HEV的研究為內(nèi)燃機在21世紀的繼續(xù)發(fā)展又提供了空間,以HCCI內(nèi)燃機為原動機的HEV具有很強的生存能力和競爭力。燃料電池的發(fā)展前景

由于具備高能量轉(zhuǎn)換效率、零污染、低噪聲的優(yōu)勢,燃料電池(FC)是最有前途的汽車替代動力之一。實際上,FC并非新技術(shù),在航天領(lǐng)域早就得到應(yīng)用,德國還以FC作潛艇動力。但由于成本高、運行條件要求苛刻等原因,FC一直不能在汽車動力上有所作為。近年來在環(huán)境污染和能源危機兩大問題的驅(qū)動下,人們開始研究FC在汽車動力上的實用化。PNGV把FC作為PNGV汽車的高效低污染動力的研究目標[16]。2003年,美國又啟動了

Freedom-CAR計劃,它實際上是PNGV計劃的修訂版,是美國為了擺脫對進口石油的依賴,決定采用的國家與企業(yè)長期合作開發(fā)研究以H2為燃料的低成本、高效、無污染FC汽車計劃[17]。FC以可燃物質(zhì)作為正級反應(yīng)物質(zhì),以空氣中的O2或純O2作為負極的反應(yīng)物,在兩

電極之間設(shè)置電解質(zhì)進行燃料的氧化反應(yīng),產(chǎn)生電流,生成物為水。FC的有害排放只有少量的CO和揮發(fā)性有機化合物(VOC)。由于燃料電池汽車(FCV)的H2燃料是從其他燃料中提取并存儲起來或在車內(nèi)直接改質(zhì)而來,FCV也不能避免間接或直接的溫室氣體排放。但FCV的溫室氣體排放量仍大大小于內(nèi)燃機汽車(ICEV)的排放量。圖2是FCV與ICEV在溫室氣體排放方面的比較[18]。圖2 FCV與ICEV在溫室氣體排放方面的比較這里的溫室氣體排放是以燃料經(jīng)濟性為基準衡量的,其中的CO2排放成分也被折合到等效CO2排放之中。汽油改質(zhì)型燃料電池汽車的CO2排放比ICEV低得多,其最佳情況下CO2排放的降低程度達33 %;H2燃料FCV的CO2排放可降低39 %。開發(fā)FCV存在的主要問題是:FC功率密度小,價格昂貴,整體性能競爭力仍不夠。FCV必須克服質(zhì)量、體積、額外費用等方面的技術(shù)限制,才能與ICEV競爭。這方面,世界各大汽車公司都有雄心勃勃的計劃。德國的Daimler—Benz公司和它的合作伙伴Ballard公司于1998年制定計劃,要在8 a內(nèi)將FC系統(tǒng)的體積大大減小,使之能順利裝入Mer-cedes—Benz A級轎車中并不損害駕駛室空間及行李空間;通過大批量生產(chǎn),使FC的成本降低到現(xiàn)有的柴油機水平。結(jié)束語

采取HCCI燃燒方式的新型高效節(jié)能低污染內(nèi)燃機能夠滿足嚴格的排放法規(guī)要求,為內(nèi)燃機自身的繼續(xù)發(fā)展贏得了空間與時間,以HCCI燃燒方式內(nèi)燃機為原動機的混合動力系統(tǒng)將具有很強的競爭力。電動汽車(EV)不存在有害排放的問題,但對以火力發(fā)電為主的國家(如中國)來說,EV存在溫室氣體間接排放的問題,EV的好處僅限于改善城市空氣質(zhì)量及控制噪聲污染,對整體大環(huán)境的改善意義不大。如采用核能、風能、太陽能等清潔方式發(fā)電,EV才可以說是真正意義上的清潔汽車。FC技術(shù)仍還不夠成熟,盡管與內(nèi)燃機相比有高效率和低排放的優(yōu)勢,但其目前的高成本、低經(jīng)濟性、低可靠性和低功率密度,使FC實現(xiàn)商業(yè)化還有很長的一段路要走。

參考文獻

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第二篇：3D打印技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用前景

3D打印技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用前景

課程名稱：3D打印技術(shù)

班級： 姓名：

學(xué)號: 時間：2016年10月7日

一、3D打印技術(shù)興起

3D打印產(chǎn)業(yè)是工業(yè)制造領(lǐng)域新發(fā)展起來的技術(shù)，被譽為“具有業(yè)革命意義的制造技術(shù)”。運用3D打印技術(shù)的主要生產(chǎn)流程是先用計算機軟件設(shè)計出一個立體的加工樣式，再通過3D打印機用特制的固體材料進行打印。廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、文化創(chuàng)意及數(shù)碼娛樂、航空航天、生物醫(yī)療、消費品、建筑工程、教育和個性化定制等領(lǐng)域。由此可見3D打印技術(shù)需要依托信息技術(shù)、精密儀器和科學(xué)材料等多個領(lǐng)域的技術(shù)，作為一項新興的多科學(xué)交叉的技術(shù)，必須在這些相關(guān)的領(lǐng)域投入相應(yīng)的研發(fā)力量才能真正掌握其整個的核心技術(shù)。

二、簡介3D打印機

3D打印機英文 “3D Printers”，3D打印機這個名稱是近年該產(chǎn)品來針對民用市場而出現(xiàn)的一個新詞。其實在專業(yè)領(lǐng)域 他有另一個名稱快速成形技術(shù)?？焖俪尚渭夹g(shù)又稱快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，簡稱RPM)技術(shù)，誕生于20世紀80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)，被認為是近年來制造領(lǐng)域的一個重大成果。它集機械工程、CAD、逆向工程技 術(shù)、分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)于一身，可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而為零件原型制作、新設(shè)計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現(xiàn)手段。即，快速成形技術(shù)就是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過快速成型機，將一層層的材料堆積成實體原型。

三、3D打印技術(shù)原理

說到它的原理，其實也并不不復(fù)雜，其運作原理和傳統(tǒng)打印機工作原理基本相同。傳統(tǒng)打印機是只要輕點電腦屏幕上的“打印”按鈕，一份數(shù)字文件便被傳送到一臺噴墨打印機上，它將一層墨水噴到紙的表面以形成一副二維圖像，而打印機 首先將物品轉(zhuǎn)化為一組3D數(shù)據(jù)，然后打印機開始逐層分切，針對分切的每一層構(gòu)建，按層次打印。

例如我們制作一個塑料材質(zhì)的蘋果，首先我們需要在電腦上使用3D軟件制作出一個蘋果的3D模型文件，然后把它轉(zhuǎn)換成3D打印機支持的文件格式。接下來需要給3D打印機放入塑料耗材，現(xiàn)在3D打印機就可以制作了。這個過程是不是像我們的平面打印機的操作呀！好下面說重點。打印系統(tǒng)在制作的時候會從這個蘋果3D模型底部開始切成很多片（多少片呢？這個要根據(jù)打印機的技術(shù)指標它所支持的“層厚”來決定。）也就是我們上面說的截面圖。最先開始制作的是蘋果模。

四、幾種主要的3D打印機技術(shù)

（一）SLA技術(shù)3D打印機

SLA是最早實用化的快速成形技術(shù)。SLA 是“Stereo lithography Appearance”的縮寫，即立體光固化成型法。用特定波長與強度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點到線，由線到面順序凝固，完成一個層面的繪圖作業(yè)，然后升降臺在垂直方向移動一個層片的高度，再固化另一個層面。這樣層層疊加構(gòu)成一個三維實體。

SLA技術(shù)主要用于制造多種模具、模型等；還可以在原料中通過加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密鑄造中的蠟?zāi)！LA技術(shù)成形速度較快，精度較高，但由于樹脂固化過程中產(chǎn)生收縮，不可避免地會產(chǎn)生應(yīng)力或引起形變。因此開發(fā)收縮小、固化快、強度高的光敏材料是其發(fā)展趨勢。

（二）SLS技術(shù)3D打印機

SLS(Selective Laser Sintering)選擇性激光燒結(jié)（以下簡稱 SLS）技術(shù)。最初是由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的 Carlckard于1989年在其碩士論文中提出的。后美國DTM公司1992年推出了該工藝的商業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備Sinter Sation。選擇性激光燒結(jié)是采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末，并使燒結(jié)成型的固化層層層疊加生成所需形狀的零件。其整個工藝過程包括CAD模型的建立及數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)以及后處理等。

與其它3D打印機技術(shù)相比，SLS最突出的優(yōu)點在于它所使用的成型材料十分廣泛。從理論上說，任何加熱后能夠形成原子間粘結(jié)的粉末材料都可以作為SLS的成型材料。目前，可成功進行SLS成型加工的材料有石蠟、高分子、金屬、陶瓷粉末和它們的復(fù)合粉末材料。由于SLS成型材料品種多、用料節(jié)省、成型件性能分布廣泛、適合多種用途以及SLS無需設(shè)計和制造復(fù) 雜的支撐系統(tǒng)，所以SLS的應(yīng)用越來越廣泛。

（三）LOM技術(shù)3D打印機

分層實體制造法（LOM———Laminated Object Manufacturing），LOM又稱層疊法成形，它以片材（如紙片、塑料、薄膜或復(fù)合材料）為原材料。激光切割系統(tǒng)按照計算機提取的橫截面輪廓線數(shù)據(jù)，將背面涂有熱熔膠的紙用激光切割出工件的內(nèi)外輪廓。切割完一層后，送料機構(gòu)將新的一層紙疊加上去，利用熱粘壓裝置將已切割層粘合在一起，然后再進行切割，這樣一層層地切割、粘合，最終成為三維工件。

該技術(shù)的特點是工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高，缺點是前、后處理費時費力，且不能制造中空結(jié)構(gòu)件。

（四）FDM技術(shù)3D打印機

熔積成型（FDM—Fused Deposition Modeling）法,該方法使用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲）為原料,利用電加熱方式將絲材加熱至略高于熔化溫度（約比熔點高1℃）,在計算機的控制下,噴頭作x-y平面運動，將熔融的材料涂覆在工作臺上，冷卻后形成工件的一層截面，一層成形后，噴頭上移一層高度，進行下一層涂覆，這樣逐層堆積形成三維工件。該技術(shù)污染小。

五、3D打印技術(shù)優(yōu)點

（一）制造快速

3D打印機技術(shù)是并行工程中進行復(fù)雜原型或者零件制造的有效手段,能使

產(chǎn)品設(shè)計和模具生產(chǎn)同步進行,從而提高企業(yè)研發(fā)效率，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，極0大的降低了新品開發(fā)的成本及風險，對于外形尺寸較小,異形的產(chǎn)品尤其適用。

（二）CAD/CAM技術(shù)的集成

設(shè)計制造一體化一直來說是現(xiàn)在的一個難點,計算機輔助工藝（CAPP）在現(xiàn)階段由于還無法與CAD、CAM完全的無縫對接，這也是制約制造業(yè)信息化一直以來的難點之一,而快速成型技術(shù)集成CAD、CAM、激光技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、化工、材料工程等多項技術(shù),使得設(shè)計制造一體化的概念完美實現(xiàn)。

（三）完全再現(xiàn)三維效果

經(jīng)過快速成型制造完成的零部件，完全真實的再現(xiàn)三維造型，無論外表面的異形曲面還是內(nèi)腔的異形孔，都可以真實準確的完成造型，基本上不再需要再借助外部設(shè)備進行修復(fù)。

（四）材料種類繁多

到目前為止，各類3D打印機設(shè)備上所使用的材料種類有很多，樹脂、尼龍、塑料、石蠟、紙以及金屬或陶瓷的粉末，基本上滿足了絕大多數(shù)產(chǎn)品對材料的機械性能需求。

（五）創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟效益

與傳統(tǒng)機械加工方式比較，開發(fā)成本上節(jié)約10倍以上，同樣，快速成型技術(shù)縮短了企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)周期，使的在新品開 發(fā)過程中出現(xiàn)反復(fù)修改設(shè)計方案的問題大大減少，也基本上消除了修改模具的問題，創(chuàng)造的經(jīng)濟效益是顯而易見的。

六、3D打印技術(shù)未來發(fā)展的主要趨勢

3D快速成形技術(shù)除了與其他RP技術(shù)一樣,可以用于產(chǎn)品的概念原型與功能原型件制造外,3D快速成形技術(shù)還因其獨特的成形特點,使其在生物醫(yī)學(xué)工程、制藥工程和微型機電制造等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著智能制造的進一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被廣泛應(yīng)用到制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也將被推向更高的層面。未來，3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢。

提升3D打印的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，以實現(xiàn)直接面向產(chǎn)品的制造；開發(fā)更為多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質(zhì)材料及復(fù)合材料等，特別是金屬材料直接成型技術(shù)有可能成為今后研究與應(yīng)用的又一個熱點；3D打印機的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作更簡便，更加適應(yīng)分布化生產(chǎn)、設(shè)計與制造一體化的需求以及家庭日常應(yīng)用的需求；軟件集成化，實現(xiàn)CAD/CAPP/RP的一體化，使設(shè)計軟件和生產(chǎn)控制軟 件能夠無縫對接，實現(xiàn)設(shè)計者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠程在線制造；拓展3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、建筑、車輛、服裝等更多行業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)造性應(yīng)用。

【參考文獻】：

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第三篇：LED 技術(shù)發(fā)展狀況

課 程 報 告

題目：

學(xué)

班

姓學(xué)LED技術(shù)近幾年的發(fā)展

及前景

院：自動化學(xué)院 級： 名： 號摘 要：任何新事物的產(chǎn)生都需要經(jīng)過不同的發(fā)展階段，LED光管同樣如此。本文闡述了LED產(chǎn)業(yè)從最初興起到如今發(fā)展的歷程，和近年來的狀況，以及LED二極管發(fā)展至今所擁有的優(yōu)勢取得的成就和尚存在的缺陷。LED光管發(fā)展至今已頻頻出現(xiàn)在人們眼前，它具有體積小、價格低，重量輕、電壓低、電流小、亮度高，發(fā)光響應(yīng)速度快，驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛運用在汽車，手機，顯示屏，電子儀器和工業(yè)系統(tǒng)中。近年來，LED技術(shù)不斷獲得新的進展，特別是高亮度的藍，綠光LED技術(shù)和白光LED技術(shù)的突破，使LED的應(yīng)用范圍不斷拓寬，已成為本世紀極具發(fā)展?jié)摿Φ碾娮赢a(chǎn)品之一。在我們生活中扮演著越來越重要的角色，它是環(huán)保、節(jié)能、高效的代表，它是最有希望取代白熾燈成為點亮我們生活的光源。發(fā)光二極管(LED)是近幾年來迅速崛起的半導(dǎo)體光電器件。

Abstract：Any of the emergence of new things all need to go through the different stages of development, such as LED light tube.This paper expounds the LED industry from the initial rise to now development course, and the recent status, and LED diode development so far has advantages of achievements and shortcomings.LED light tube development has frequently appeared in front of people, it has the advantages of small volume, low price, light weight, low voltage, current, high brightness, light rapid response speed, simple drive circuit and other advantages, has been widely used in automotive, mobile phone, LCD, electronic equipment and industrial system.In recent years, LED technology has obtained new progress, especially the high brightness blue, green LED and white light LED technology breakthrough, make LED application scope expanding, has become the most development potential of one of the electronic product.In our life, playing an increasingly important role, it is environmental protection, energy saving, high efficiency, it is one of the most promising to replace the incandescent lamp as light source of our life.Light emitting diode(LED)in recent years is the rapid rise of semiconductor optoelectronic devices.關(guān) 鍵 詞：半導(dǎo)體、LED 半導(dǎo)體照明光源、LED燈具、LED性能、MCPCB和IAMS、顯色性、發(fā)光強度

一．LED簡介

(1).LED構(gòu)成

LED（Light Emitting Diode）發(fā)光二極管，主要由支架、銀膠、晶片、金線、環(huán)氧樹脂五種物料所組成。LED是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體，它改變了白熾燈鎢絲發(fā)光與節(jié)能燈三基色粉發(fā)光的原理，而采用電場發(fā)光。

(2).發(fā)光原理

LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電能轉(zhuǎn)化為光能。LED的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附著在一個支架上，是負極，另一端連接電源的正極，整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結(jié)”。當電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光波長決定光的顏色，是由形成P-N結(jié)材料決定的。(3).LED照明顏色

LED（LightingEmittingDiode）照明即是發(fā)光二極管照明，是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件。它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，在半導(dǎo)體中通過載流子發(fā)生復(fù)合放出過剩的能量而引起光子發(fā)射，直接發(fā)出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光。LED照明產(chǎn)品就是利用LED作為光源制造出來的照明器具。(4).照明原理

LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。

二．LED發(fā)光二極管的發(fā)展歷程

(1).1962年,GE、Monsanto、IBM的聯(lián)合實驗室開發(fā)出了發(fā)紅光的磷砷化鎵（GaAsP）半導(dǎo)體化合物，從此可見光發(fā)光二極管步入商業(yè)化發(fā)展進程。

(2)1965年，全球第一款商用化發(fā)光二極管誕生，它是用鍺材料做成的可發(fā)出紅外光的LED，當時的單價約為45美元。其后不久，Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制作的商用化紅色LED。這種LED的效率為每瓦大約0.1流明，比一般的60至100瓦白熾燈的每瓦15流明要低上100多倍。

(3).1968年，LED的研發(fā)取得了突破性進展，利用氮摻雜工藝使GaAsP器件的效率達到了1流明/瓦，并且能夠發(fā)出紅光、橙光和黃色光。

(4).1971，業(yè)界又推出了具有相同效率的GaP綠色芯片LED。(5).到20世紀70年代，由于LED器件在家庭與辦公設(shè)備中的大量應(yīng)用，LED的價格直線下跌。事實上，LED在那個時代主打市場是數(shù)字與文字顯示技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。

(6).80年代早期的重大技術(shù)突破是開發(fā)出了AlGaAsLED，它能以每瓦10流明的發(fā)光效率發(fā)出紅光。這一技術(shù)進步使LED能夠應(yīng)用于室外信息發(fā)布以及汽車高位剎車燈(CHMSL)設(shè)備。

(7).1990年，業(yè)界又開發(fā)出了能夠提供相當于最好的紅色器件性能的AlInGaP技術(shù)，這比當時標準的GaAsP器件性能要高出10倍。

(8).今天，效率最高的LED是用透明襯底AlInGaP材料做的。在1991年至2001年期間，材料技術(shù)、芯片尺寸和外形方面的進一步發(fā)展使商用化LED的光通量提高了將近30倍。

(9).1994年，日本科學(xué)家中村修二在GaN基片上研制出了第一只藍色發(fā)光二極管，由此引發(fā)了對GaN基LED研究和開發(fā)的熱潮。1996年由日本Nichia公司（日亞）成功開發(fā)出白色LED。

(10).20世紀90年代后期，研制出通過藍光激發(fā)YAG熒光粉產(chǎn)生白光的LED，但色澤不均勻，使用壽命短，價格高。隨著技術(shù)的不斷進步，近年來白光LED的發(fā)展相當迅速，白光LED的發(fā)光效率已經(jīng)達到38lm/W，實驗室研究成果可以達到70lm/W，大大超過白熾燈，向熒光燈逼近。三．LED產(chǎn)品與傳統(tǒng)發(fā)光器件相較的優(yōu)勢

(1).使用壽命長，是普通光源的20一30倍，例如普通白熾燈的使用壽命在2000一3000小時，LED光源器件的壽命在10萬小時，使用年限達5一10年。

(2).節(jié)能效果明顯:LED發(fā)光體的耗電量僅為普通白熾燈的耗電量的15一20%，LED耗電相當?shù)?，直流?qū)動，超低功耗（單管0.03-0.06瓦），電光功率轉(zhuǎn)換接近30%。一般來說LED的工作電壓是2-3.6V，工作電流是0.02-0.03A；這就是說，它消耗的電能不超過0.1W，相同照明效果比傳統(tǒng)光源節(jié)能近80%

(3).抗機械沖擊、防震防水、低熱散發(fā)。

(4).體積小、固體化、形狀可任意改變，可以用在特殊用途上，LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹脂里面，所以它非常小，非常輕。

四．LED產(chǎn)品與傳統(tǒng)發(fā)光器件相較的劣勢

(1).近日由美國加州大學(xué)艾爾文分校進行的一項調(diào)查卻顯示，使用LED的環(huán)保功效很可能會被其包含的有毒物質(zhì)所抵消。有些LED燈中包含有銻、砷、鉻、鉛以及其他多種金屬元素。其中，部分LED燈的有毒元素含量已經(jīng)超過了監(jiān)管部門制定的標準。比如在低亮度紅色LED燈中，研究人員發(fā)現(xiàn)其鉛含量超標達到8倍，鎳含量也超標2.5倍。如果LED燈破碎，還可能會對直接接觸的人體健康造成損害。LED中的砷、鉛、鎳和銅元素對人體和環(huán)境的影響最為嚴重，未來應(yīng)當進行更為細致深入的調(diào)查，以促進政府對LED產(chǎn)品的安全使用和回收處理制定規(guī)范。

(2).LED需要由于單個發(fā)光面比較窄，通常大規(guī)模集成在線路板上，形成一個比較大的發(fā)光源，由此會造成大量熱量積累，有時會擊穿電路板。所以LED燈的散熱一定要好。

(3)人眼最不能接受的是藍光和UV光(即紫外線光)，藍光殺傷人眼活性細胞的能力是綠光的10倍，而UV光殺傷人眼活性細胞的能力又是藍光的10倍，長期接觸大量低波長的藍光能大量殺傷人眼活性細胞，最終癌化形成斑塊。而LED白光形成主要是靠450-455NM波長藍光激發(fā)熒光粉，其中波長越低擊發(fā)能力越強，通常LED的波長出廠控制在500NM之內(nèi)，即450-455NM，或455-460NM，屬于傷害最強的區(qū)段，如果波長變大，那么激發(fā)熒光粉的能力就下降，效率降低。人們?yōu)榱俗非罅炼?，通常更會加強LED的藍光強度，點燈時間越久，熒光粉衰減越快，進而導(dǎo)致人眼接觸的藍光波段的光照越強烈，從而對人眼造成傷害。

所以LED燈具在道路交通的LED導(dǎo)航指示、LED路燈、LED臺燈的使用上具有一定的不利因素，容易讓人在使用過程中產(chǎn)生頭暈眼花、不舒服的感覺，甚至長期使用會變成眼晴傷害，使得患眼病的機率會有所提高。

五．LED的主要應(yīng)用

(1).信息平面顯示

信息顯示是現(xiàn)代生活中一項用途很廣泛的領(lǐng)域，證券交易所里的顯示板，動態(tài)廣告牌，空港的飛機動態(tài)顯示，模擬動畫，體育場館、商業(yè)、工業(yè)和其它行業(yè)的大型和超大型全色顯示屏的信息顯示，進一步滿足了現(xiàn)代人對信息顯示的需求欲望。

(2).智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，簡稱 ITS）

智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，簡稱 ITS）的發(fā)展，在為社會公眾服務(wù)的交通領(lǐng)域，信息的發(fā)布成為重要的服務(wù)內(nèi)容。廣泛應(yīng)用于體育場館、車站、機場、商業(yè)、工業(yè)和其它行業(yè)的大型和超大型信息顯示屏，作為傳統(tǒng)的點陣顯示技術(shù)，其低廉的成本和大型屏幕顯示的特點相對于諸如等離子體、液晶等顯示技術(shù)仍具有不可替代的優(yōu)勢。中國加入 WTO、北京申奧成功等，成為 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的契機。

(3).汽車指示燈

汽車指示燈包括汽車外部的各種方向燈、尾燈、剎車燈等，由于LED的快響應(yīng)速度，當前面的汽車剎車時，后面的汽車可提前2一3公里看到信號，減少車禍發(fā)生。同時可降低油耗，使汽車每一加侖油增開1公里，同時減少污染。

(4).辦公自動化設(shè)備與儀器儀表指示燈

現(xiàn)代化智能型的儀器儀表、辦公自動化設(shè)備需要各種信號燈或指示燈，第一章LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展背景與趨勢而LED由于其節(jié)能和長使用壽命的特點使它成了不可缺少的部件。

(5).背光光源

高性能L印還可用于小型液晶顯示器(LCD)的背光照明，適用于蜂窩電話和筆記本型電腦等。最普通的應(yīng)用是電話按鍵的背光照明，隨著小型液晶顯示器及未來個人通信產(chǎn)品用量的增長，將帶動LED市場需求量提高。

(6).特種用途光源與建筑裝飾

特殊用途照明，如建筑裝飾、井下、礦燈、水下作業(yè)、特殊場地施工等傳統(tǒng)的光源使用起來不方便或缺點明顯的地方都可以采用LED光源。(7).固體照明光源

高性能LED的實用化和商品化，使照明技術(shù)面臨一場新的革命，由多個超高亮度紅、藍、綠三色LED組成的像素燈不僅可以發(fā)出波長連續(xù)可調(diào)的各種色光，而且還可以發(fā)出亮度可達幾十到一百燭光的白色光成為照明光源。對于相同發(fā)光亮度的白熾燈和LED固體照明燈來說，后者的功耗只占前者的10%一20%，白熾燈的壽命一般不超過3，000小時，而LED燈的壽命長達10萬小時。

六．LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景與趨勢

由于發(fā)光二極管產(chǎn)業(yè)不斷涌現(xiàn)新技術(shù)、新產(chǎn)品、新的應(yīng)用，呈現(xiàn)了朝陽工業(yè)的欣欣向榮的景象，在21世紀的頭十年中，LED產(chǎn)業(yè)會得到持續(xù)發(fā)展。每年全球照明市場的銷售額達120億美元，而且每年還以8%左右的增長速度遞增，這一巨大的市場被業(yè)界看好，使得他們紛紛投入的LED的研究開發(fā)中來。目前照明用途LED購置成本較高，預(yù)計2002年前后LED的購置成本將通過其低廉的使用費用在3一6年內(nèi)得到償付。隨后LED燈將逐漸取代白熾燈。專家們預(yù)計，到2010年一20巧年，LED有望進入普通照明市場，與傳統(tǒng)的光源競爭，形成與傳統(tǒng)節(jié)能光源并存的局面;據(jù)保守估計，到2025年對白熾燈和鹵素燈25一30%的替代率，全球每年的能源節(jié)省預(yù)計可達40億美元。在國外，多個知名企業(yè)在致力于 LED 照明的開發(fā)研究，如 GE、OSRAM、PHILIPS、LUMILEDS、THE LED LIGHT、IDEC 等公司。國產(chǎn) LED 顯示屏的性價比比較高，市場占有率近100%，年平均增長率為 40%左右。美國 GE 公司和 EMCORE 公司合作成立新公司，專門開發(fā)白光 LED，以取代白熾燈、緊湊型熒光燈、鹵鎢燈和汽車燈。德國歐司朗公司與西門子公司合作開發(fā)LED 照明系統(tǒng)。隨著第三代半導(dǎo)體材料氮化稼的突破和藍、綠、白光發(fā)光二極管的問世，繼半導(dǎo)體技術(shù)引發(fā)微電子革命之后，又在孕育一場新的產(chǎn)業(yè)革命——照明革命，其標志是半導(dǎo)體燈將逐步替代白熾燈和熒光燈。盡管還無法完全取代傳統(tǒng)的白熾燈，但景觀照明已成為半導(dǎo)體照明的新興力量。

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第四篇：免費-生物反應(yīng)器的應(yīng)用狀況與前景

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下

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生物反應(yīng)器的應(yīng)用狀況與前景

摘要：生物反應(yīng)器是指用于生物反應(yīng)過程的容器總稱。包括酶反應(yīng)器、固定細胞反應(yīng)器、各種細胞培養(yǎng)器和發(fā)酵罐等。本文闡述了生物反應(yīng)器的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景。關(guān)鍵詞：生物反應(yīng)器 應(yīng)用 前景

生物反應(yīng)工程學(xué)科是隨著生物技術(shù)的發(fā)展逐步形成的，生物反應(yīng)工程是一門以生物學(xué)，工程學(xué)，計算機與信息技術(shù)等多學(xué)科為基礎(chǔ)研究生物反應(yīng)過程中帶有共性工程技術(shù)問題的交叉學(xué)科，生物反應(yīng)工程以生物反應(yīng)動力學(xué)為基礎(chǔ)，將傳遞過程原理、設(shè)備工程學(xué)、過程動態(tài)學(xué)及最優(yōu)化原理等化學(xué)工程學(xué)方法與生物過程方面的知識相結(jié)合，進行生物反應(yīng)過程的分析與開發(fā)，以及生物反應(yīng)器的設(shè)計、操作和控制等。

自然界中的生物現(xiàn)象可以說是無處不在，這些現(xiàn)象中的核心是生物微化反應(yīng)，或者說是生物的生長、繁殖、形成產(chǎn)物、某些物質(zhì)的減少或增加過程。一般生物反應(yīng)過程可以分為三個階段：第一階段指原料處理和培養(yǎng)基制備；第二階段是利用生物反應(yīng)器通過生物反應(yīng)產(chǎn)生目的產(chǎn)物的過程；第三階段指目的產(chǎn)物的提取與精制。

隨著生物技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)學(xué)、化學(xué)工程學(xué)、化學(xué)工程原理和計算機技術(shù)等進行生物反應(yīng)過程研究，使培養(yǎng)操作過程控制更為合理，新的生物反應(yīng)器不斷出現(xiàn)?，F(xiàn)今，生物反應(yīng)器在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用：

一． 動物培養(yǎng)用生物反應(yīng)器

動物細胞體外培養(yǎng)時，生物反應(yīng)器是整個培養(yǎng)過程的關(guān)鍵設(shè)備，為細胞提供了一個適宜的生長環(huán)境，使之快速增殖并形成所需的生物組織制品。由于動物細胞在其形態(tài)結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)方法以及所需的力學(xué)環(huán)境等方面均不同于微生物細胞，因而傳統(tǒng)的微生物反應(yīng)器顯然已不適用于動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)，特別是組織工程的需要，促使新型生物反應(yīng)器的研究與開發(fā)。生物反應(yīng)器的分類及結(jié)構(gòu)特點：

1、攪拌式生物反應(yīng)器

攪拌式反應(yīng)器靠攪拌槳提供液相攪拌的動力，它有較大的操作范圍、良好的混合性和濃度均勻性，因此在生物反應(yīng)中被廣泛使用。但由于動物細胞沒有細胞壁的保護，因此對剪切作用十分敏感，直接的機械攪拌很容易對其造成損害，傳統(tǒng)的用于微生物的攪拌反應(yīng)器用作動物細胞的培養(yǎng)顯然是不合適的。所以，動物細胞培養(yǎng)中的攪拌式反應(yīng)器都是經(jīng)過改進的，包括改進供氧方式、攪拌槳的形式及在反應(yīng)器內(nèi)加裝輔件等。（1）供氧方式的改進

一般情況下攪拌式反應(yīng)器還常伴有鼓泡，為細胞生長提供所需氧分。由于動物細胞對鼓泡的剪胞生長提供所需氧分。由于動物細胞對鼓泡的剪切也很敏感，所以人們在供氧方式的改進上做了許多工作?；\式供氧是攪拌式動物細胞反應(yīng)器供氧方式的一種，即氣泡用絲網(wǎng)隔開，不與細胞直接接觸。反應(yīng)器既能保證混合效果又有盡可能小的剪切力，以滿足細胞生長的要求。北野昭一報道了一個經(jīng)過改進的攪拌式動物細胞反應(yīng)器，整體呈梨形，攪拌置于反應(yīng)器底部，在攪拌軸外裝了一個錐形不銹鋼絲網(wǎng)

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與攪拌軸一起轉(zhuǎn)動。軸心處的鼓泡管在絲網(wǎng)內(nèi)側(cè)鼓泡，絲網(wǎng)外側(cè)的細胞不與氣泡直接接觸。

（2）攪拌槳的改進

攪拌槳的形式對細胞生長的影響非常大，這方面的改進主要考慮如何減小細胞所受的剪切力。有人對攪拌槳的形式作了改進，并在反應(yīng)器內(nèi)加裝了輔件，實驗證明改進后的反應(yīng)器適用于對剪切力敏感的細胞進行高密度培養(yǎng)。

2、非攪拌式生物反應(yīng)器

攪拌式生物反應(yīng)器用于動物細胞培養(yǎng)存在的最大缺點是剪切力大，容易損傷細胞，雖然經(jīng)過各種改進，這個問題仍很難避免。相比之下，非攪拌式反應(yīng)器產(chǎn)生的剪切力較小，在動物細胞培養(yǎng)中表現(xiàn)出了較強的優(yōu)勢。

（1）填充床反應(yīng)器填充是在反應(yīng)器中填充一定材質(zhì)的填充物，供細胞貼壁生長。營養(yǎng)液通過循環(huán)灌流的方式提供，并可在循環(huán)過程中不斷補充。細胞生長所需的氧分也可以在反應(yīng)器外通過循環(huán)的營養(yǎng)液攜帶，因而不會有氣泡傷及細胞。這類反應(yīng)器剪切力小，適合細胞高密度生長。

（2）中空纖維反應(yīng)器中空纖維反應(yīng)器由于剪切力小而廣泛用于動物細胞的培養(yǎng)。

（3）氣升式生物反應(yīng)器氣升式生物反應(yīng)器(airliftbioreactor)也是實現(xiàn)動物細胞高密度培養(yǎng)的常用設(shè)備之一，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。有人在氣升式反應(yīng)器中利用微載體培養(yǎng)技術(shù)，研究了Vero細胞高密度培養(yǎng)的工藝條件。

傳統(tǒng)的生物反應(yīng)器速率較慢；體積反應(yīng)速率不高；反應(yīng)器體積大；產(chǎn)物濃度低，因此要求性能更高的生物反應(yīng)器。

根據(jù)動物細胞無細胞壁，對剪切極端敏感，在細胞生長控制上，要防止細胞分化和細胞凋亡，有時還要考慮對產(chǎn)品糖基化質(zhì)量的要求。所以反應(yīng)器要具備低剪切效應(yīng)，混合性能好等特點，要提供細胞形態(tài)在線觀察和活細胞數(shù)量的傳感技術(shù)，嚴格控制反應(yīng)器的操作條件以及有關(guān)防污染的灌注系統(tǒng)、取樣系統(tǒng)等都需要研究解決。用于細胞過程生理特性和過程傳遞特性研究的生物反應(yīng)器研制，其中主要解決用于過程分析的各種傳感器選型研制和數(shù)據(jù)處理軟件包的研制。特別是近年來隨著微生物基因組測序和系統(tǒng)生物學(xué)研究工作的深入展開，發(fā)酵過程檢測與控測已經(jīng)從基于參數(shù)傳感技術(shù)的反饋控制發(fā)展為以信息處理為基礎(chǔ)的生物過程檢測與分析。各種譜分析與生物反應(yīng)器實驗數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，提供各種表型數(shù)據(jù)具有重要意義。因而對反應(yīng)器設(shè)計提出了新的要求。隨著生物技術(shù)在各領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，用于海洋藻類、微生物肥料、微生態(tài)飼料、環(huán)境污染處理等大規(guī)模細胞培養(yǎng)需要高強度低造價的生物反應(yīng)器。特別是近年來利用生物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇等能源物質(zhì)的戰(zhàn)略部署，需要應(yīng)用大型高效節(jié)能生物反應(yīng)器降低生產(chǎn)成本。發(fā)展趨勢

1、以代謝流分析為核心的生物反應(yīng)器

長期來發(fā)酵過程優(yōu)化與放大所依據(jù)的基本思想和方法是采用經(jīng)典動力學(xué)為基礎(chǔ)的最佳工藝控制點為依據(jù)的靜態(tài)操作方法，實質(zhì)上這只是化學(xué)工程宏觀動力學(xué)概念在發(fā)酵工程上的延伸。隨著過程傳感技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，國家生化工程技術(shù)研究中心（上海）設(shè)計了一種用于生物過程多尺度研究的新概念發(fā)酵裝置（已由上海國強

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生化工程裝備有限公司組織生產(chǎn)，定型為FUS-50L（A）），該裝置以生物反應(yīng)器中物料流檢測的觀點，具有十四個以上在線參數(shù)檢測或控制，并集中力量開發(fā)了一個適應(yīng)多種反應(yīng)器特點，融合多種過程理論和控制理論，便于發(fā)酵過程工藝分析和優(yōu)化操作的軟件包。在鳥苷發(fā)酵過程中，從反應(yīng)器測量參數(shù)上發(fā)現(xiàn)了細胞代謝流遷移，由此實現(xiàn)了過程優(yōu)化。該產(chǎn)品先后成功地在青霉素、紅霉素、飼料金霉素、鏈霉素、黃霉素、泰樂霉素、棒酸、鳥苷、肌苷、基因工程白蛋白、基因工程瘧疾疫苗、基因工程植酸酶、胰島素原（PIP）、基因工程必特螺旋霉素等多種產(chǎn)品上發(fā)酵優(yōu)化應(yīng)用取得了大幅提高發(fā)酵單位能力，其優(yōu)化結(jié)果一般可由幾十升發(fā)酵罐直接放大到上百立方的工業(yè)生產(chǎn)發(fā)酵罐。

2、動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)生物反應(yīng)器

研制由于細菌等原核細胞表達系統(tǒng)在轉(zhuǎn)錄及修飾方面的缺陷，許多重要價值的蛋白質(zhì)，特別是基因工程藥物、疫苗、抗體等糖基化的需要，使哺乳類動物細胞表達系統(tǒng)成了一個更合適的工具，因此，哺乳類動物細胞表達系統(tǒng)引起了大家重視。以哺乳動物大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的生物制藥產(chǎn)業(yè)在美國等西方國家得到了迅速發(fā)展，數(shù)十種產(chǎn)品已進入市場，取得了巨大的經(jīng)濟和社會效益。國外用于生產(chǎn)的動物細胞生物反應(yīng)器已趨于大型化（最大到噸級規(guī)模）、多參數(shù)與高度自動化的計算機控制系統(tǒng)、以及適應(yīng)動物細胞對大型環(huán)境因子高敏感性的反應(yīng)器精巧設(shè)計制造，并形成商品化供應(yīng)用戶。中國自“七五”至“八五”攻關(guān)期間立題開展有關(guān)動物細胞生物反應(yīng)器研究，取得了較大進展，但哺乳類細胞培養(yǎng)技術(shù)要求高，技術(shù)壁壘大，有關(guān)公司在未能掌握核心技術(shù)的情況下，單憑模擬很難開展工作?？贵w等其他細胞表達產(chǎn)品，裝藥量大，中國科研單位已經(jīng)掌握的早期生物藥開發(fā)技術(shù)很難應(yīng)用到新型藥物生產(chǎn)工藝上，需要重新摸索；由于細胞株等上游配套技術(shù)的落后、反應(yīng)器研制技術(shù)的差距、以及有關(guān)缺乏生化工程的研究等原因，因而缺乏必要的條件去掌握高表達細胞株構(gòu)建和大規(guī)模細胞培養(yǎng)技術(shù)，難以突破技術(shù)瓶頸，中國有關(guān)動物細胞生物反應(yīng)器產(chǎn)業(yè)仍近乎空白。

3、帶pH測量與補料控制的搖床──搖床應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展

20世紀三十年代搖床問世以來，搖床就作為生物反應(yīng)過程中必備的一種專用設(shè)備，用于微生物、動植物細胞菌種篩選、種子擴大培養(yǎng)等。由于搖床設(shè)備的特點，不能實時測量培養(yǎng)過程中的有關(guān)參數(shù)以及過程補料控制，因此長期以來一直以搖床的放瓶結(jié)果作為實驗數(shù)據(jù)。當用來作為諸如菌種生理特性變化、培養(yǎng)基成分的作用以及溫度、pH等環(huán)境條件變化等研究的依據(jù)時,實際上是一種缺乏過程研究的靜態(tài)分析方法。這種方法的局限性是很顯然的，例如以這種方法作為菌種選育后技術(shù)時，傳統(tǒng)搖瓶篩選方法往往缺乏補料或供氧不足，并不一定處于代謝流分配最合理的狀態(tài)，由此將出現(xiàn)嚴重的高產(chǎn)菌株漏篩現(xiàn)象。因此，國內(nèi)外有關(guān)公司己注意開發(fā)帶pH測量的搖床，并形成產(chǎn)品。

4、生物反應(yīng)器中試系統(tǒng)設(shè)計

對于生產(chǎn)量大的傳統(tǒng)生物技術(shù)產(chǎn)品，為了對已經(jīng)通過前期研究（實驗室研究和市場分析）的產(chǎn)品進行過程優(yōu)化研究，在中試規(guī)模上達到高生產(chǎn)水平或質(zhì)量，并進而為車間生產(chǎn)提供工藝放大依據(jù)和設(shè)備設(shè)計依據(jù)，必要時還可進行小批量生產(chǎn)，提供應(yīng)用

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試驗樣品、或供市場銷售的部分產(chǎn)品。為此，近年來許多有關(guān)發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)的企業(yè)迫切需要建立一個多功能的中試發(fā)酵車間。

5、大型生物反應(yīng)器設(shè)計與制造技術(shù)研究

幾十年來隨著發(fā)酵工業(yè)的快速發(fā)展，發(fā)酵工程趨向設(shè)備大型化、高效和自動化。以傳統(tǒng)生物技術(shù)產(chǎn)品來說，一些氨基酸、抗生素或發(fā)酵輕化工產(chǎn)品都在幾十到幾百M3以上發(fā)展，一些原來是小規(guī)模發(fā)酵罐的老廠搬遷新廠區(qū)，發(fā)酵罐的規(guī)模也普遍要求放大。基因工程產(chǎn)品一般附加值高，不需要大型生物反應(yīng)器，但近年來隨著基因工程酶生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，如基因工程植酸酶的研究成功，又由于飼料添加劑的需求量大，用于基因工程高密度高表達的大型生物反應(yīng)器研制已勢在必行。二．植物培養(yǎng)用生物反應(yīng)器

由于植物細胞與微生物細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)不同，植物細胞較微生物細胞大，對剪切力耐受性差，而且對氧的要求相對微生物要低得多，因此微生物反應(yīng)器并不完全適合于植物細胞生長與生產(chǎn)。出現(xiàn)了許多有別于傳統(tǒng)微生物反應(yīng)器的植物細胞培養(yǎng)反應(yīng)器并在不斷完善。用于植物細胞培養(yǎng)的反應(yīng)器主要有攪拌式、非攪拌式及其改進型反應(yīng)器，另外還有植物細胞固定化反應(yīng)器和膜反應(yīng)器等。生物反應(yīng)器的類型及其特點：

植物細胞培養(yǎng)具有周期長、細胞抗剪切能力弱、易團聚等特點。同時，植物細胞規(guī)模培養(yǎng)的目的是生產(chǎn)天然產(chǎn)物，而這些天然產(chǎn)物均為細胞此生代謝物。所以，植物細胞培養(yǎng)反應(yīng)器的設(shè)計，不僅要考慮有利于細胞生長，同時還要考慮有利于產(chǎn)物的積累和分離。總體上講，適合植物細胞的反應(yīng)器應(yīng)該具有適宜的氧傳遞、良好的流動性和較低的剪切力。根據(jù)不同植物細胞生長和代謝產(chǎn)物積累的特點，目前已研究設(shè)計出多種類型的反應(yīng)器用于植物細胞培養(yǎng)。

反應(yīng)器的選擇取決于生產(chǎn)細胞的濃度、通氣量以及所提供的營養(yǎng)成分的分散程度。根據(jù)通氣和攪拌系統(tǒng)的類型可將生物反應(yīng)器分為以下幾類： 1 機械攪拌式生物反應(yīng)器

機械攪拌式生物反應(yīng)器有較大的操作范圍，混合程度高，適應(yīng)性廣，在大規(guī)模生產(chǎn)中廣泛使用。攪拌罐中產(chǎn)生的剪切力大，容易損傷細胞，直接影響細胞的生長和代謝，特別對于次級產(chǎn)物生成影響極大。攪拌轉(zhuǎn)速越高，產(chǎn)生剪切力越大，對植物細胞傷害越大。對于有些對剪切力敏感的細胞，傳統(tǒng)的機械攪拌罐不適用。為此，對攪拌罐進行了改進，包括改變攪拌形式、葉輪結(jié)構(gòu)與類型、空氣分布器等，力求減少產(chǎn)生的剪切力，同時滿足供氧與混合的要求。非攪拌式生物反應(yīng)器

相對于傳統(tǒng)攪拌式反應(yīng)器，非攪拌式反應(yīng)器所產(chǎn)生的剪切力較小，結(jié)構(gòu)簡單，因此被認為適合植物細胞培養(yǎng)，其主要類型有鼓泡式反應(yīng)器、氣升式反應(yīng)器和轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器等。

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通過對培養(yǎng)紫蘇細胞的生物反應(yīng)器比較發(fā)現(xiàn)鼓泡式反應(yīng)器優(yōu)于機械攪拌式反應(yīng)器。但由于鼓泡式反應(yīng)器對氧的利用率較低，如果用較大通氣量，則產(chǎn)生的剪切力會損傷細胞。研究表明，噴大氣泡時，湍流剪切力是抑制細胞生長和損害細胞的重要原因。較大氣泡或較高氣速導(dǎo)致較高剪切力，從而對植物細胞有害。

氣升式反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于植物細胞培養(yǎng)的研究和生產(chǎn)。通過胡蘿卜細胞培養(yǎng)研究發(fā)現(xiàn)，比較攪拌罐、氣體噴射罐和帶通氣管的氣升式反應(yīng)器，最高細胞濃度和最短倍增時間可從氣升罐中得到。氣升式反應(yīng)器用于多種植物細胞懸浮培養(yǎng)或固定化細胞培養(yǎng)，但其操作彈性較小，低氣速時，尤其H/D大，高密度培養(yǎng)時，混合性能欠佳。過量供氣，過高的氧濃度反而會影響細胞的生長和次生代謝產(chǎn)物的合成。將氣升式發(fā)酵罐與慢速攪拌結(jié)合使用可彌補低氣速時混合性差的弱點，采用分段的氣升管，也有利于氧的利用與混合。

轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器用于煙草細胞懸浮培養(yǎng)的研究發(fā)現(xiàn)，與有一個通風管的氣升式反應(yīng)器相比，相同條件下轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器中生長速率高，其氧的傳遞及剪切力對細胞的傷害水平方面均優(yōu)于氣升式反應(yīng)器。3 光生物反應(yīng)器

許多植物細胞培養(yǎng)過程中需要光照，往往考慮在普通反應(yīng)器基礎(chǔ)上增加光照系統(tǒng)，但在實際中存在很多問題，如光源的安裝、保護，光的傳遞，還有光照系統(tǒng)對反應(yīng)器供氣、混合的影響等。小規(guī)模實驗往往采用外部光照，反應(yīng)器表面有透明的照明區(qū)，光源固定在反應(yīng)器外部周圍。但大規(guī)模生產(chǎn)時透光窗的設(shè)置，內(nèi)部培養(yǎng)物對光的均勻接受等問題難以解決，因此許多人對采用內(nèi)部光源的反應(yīng)器進行了研究。其他新型反應(yīng)器

根據(jù)植物細胞的特性，許多有別于傳統(tǒng)微生物反應(yīng)器的新型反應(yīng)器正用于植物細胞的研究生產(chǎn)，如各種固定化植物細胞反應(yīng)器和膜反應(yīng)器等。Dubuis等用新型環(huán)回式流化床反應(yīng)器(loopfluidizedbedreactor)進行coffeaarabica培養(yǎng)，測定了生長和產(chǎn)物合成的動力學(xué)參數(shù)，認為該反應(yīng)器操作方便，消除了氣體直接噴射引起的剪切力，易于測定放大所需的參數(shù)，適合中試和工業(yè)化生產(chǎn)。Nagai等用固定床反應(yīng)器培養(yǎng)固定化煙草細胞，生長速率與搖瓶相同，胞內(nèi)合成與搖瓶無明顯區(qū)別。分類

一、懸浮培養(yǎng)生物反應(yīng)器 １機械攪拌生物反應(yīng)器

盡管機械攪拌反應(yīng)器已成功用于許多細胞的培養(yǎng)中，反應(yīng)器內(nèi)的溫度、pH、溶氧及營養(yǎng)物質(zhì)濃度較其他反應(yīng)器更易控制等優(yōu)點，但由于機械攪拌造成的剪切力以對植物細胞造成較大的損傷，對次級代謝產(chǎn)物的合成也會產(chǎn)生影響，同時會帶來染菌和機械上的問題，因此需篩選出抗剪切力的細胞系，也可對反應(yīng)器結(jié)構(gòu)進行改造，尤其是攪拌槳的結(jié)構(gòu)和類型

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載 的改進，使其具有緩和、充分的攪拌效果。

2非機械攪拌式反應(yīng)器

植物細胞的培養(yǎng)比較多地采用各種非機械攪拌生物反應(yīng)器，其中常用的是氣體攪拌生物反應(yīng)器。氣體攪拌生物反應(yīng)器沒有活動的攪拌裝置，在很大程度上減少了剪切力，并能在長期操作中保持無菌。氣體攪拌生物反應(yīng)器包括鼓泡塔和氣升式反應(yīng)器等。氣體攪拌生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)較簡單，氧傳遞效率高，剪切力低，對細胞的損傷小，容易實現(xiàn)長期無菌培養(yǎng)，較適用于植物細胞培養(yǎng)。

缺點：操作彈性小，低氣速時尤其在培養(yǎng)后期細胞密度較高時，混合效果較差。如果提高通氣量，又會產(chǎn)生大量泡沫，也易于驅(qū)除培養(yǎng)液中的二氧化碳和乙烯，對細胞生長有阻礙作用。過高的溶氧對植物細胞合成次級代謝產(chǎn)物不利。

二、固定化細胞生物反應(yīng)器 1填充床生物反應(yīng)器

細胞可以位于支撐物表面，也可包埋于支撐物之中，培養(yǎng)液流經(jīng)支撐物顆粒，不斷被細胞利用。優(yōu)點：單位體積固定細胞量大。缺點：混合效果低，對必要的氧傳遞、pH、溫度控制和氣體產(chǎn)物的排除造成困難，影響細胞的培養(yǎng)。2流化床生物反應(yīng)器

利用液體的能量來懸浮顆粒。顆粒呈流化狀態(tài)所需的能量與顆粒大小成正比，因此常采用小固定化顆粒，這些小顆粒良好的傳質(zhì)特性是流化床反應(yīng)器的優(yōu)點，缺點：剪切力和顆粒碰撞會損壞固定化細胞。3膜生物反應(yīng)器

采用具有一定孔徑和選擇透性的膜固定植物細胞。營養(yǎng)物質(zhì)通過膜滲透到細胞中，細胞產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物通過膜釋放到培養(yǎng)液中。主要有：中空纖維反應(yīng)器和螺線式卷繞反應(yīng)器，優(yōu)點：可以重復(fù)使用。

傳統(tǒng)的生物反應(yīng)器速率較慢；體積反應(yīng)速率不高；反應(yīng)器體積大；產(chǎn)物濃度低，因此要求性能更高的生物反應(yīng)器。

隨著生物技術(shù)在各領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，用于海洋藻類、微生物肥料、微生態(tài)飼料、環(huán)境污染處理等大規(guī)模細胞培養(yǎng)需要高強度低造價的生物反應(yīng)器。特別是近年來利用生物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇等能源物質(zhì)的戰(zhàn)略部署，需要應(yīng)用大型高效節(jié)能生物反應(yīng)器降低生產(chǎn)成本。

許多實驗證明，在植物細胞培養(yǎng)過程中，抑制細胞生長和損傷細胞的主要是剪切力，而不是氧供應(yīng)不足，相反，過高的氧濃度往往抑制細胞生長和產(chǎn)物合成。提高混合程度，減低剪切力，是目前設(shè)計適于植物細胞培養(yǎng)反應(yīng)器的主要原則，但如果能提高植物細胞對剪切力的耐受程度，將大大簡化反應(yīng)器的選擇和設(shè)計問題。很多情況下，剪切力抑制產(chǎn)物的合成，但對生長影響不大，探討其機理有助于采取相應(yīng)措施解決。對于需要光照的細胞，還要考慮光源的設(shè)置、光傳遞及光的產(chǎn)熱問題。不同植物細胞的特性，如對剪切力的耐受性、結(jié)團情況、倍增時間、對氧和光的需求等各不相同，沒有哪種反應(yīng)器能滿足所有植物細胞的要求，實驗中應(yīng)根據(jù)細胞特性采用合適的反應(yīng)器，進一步研究各種植物細胞和不同反應(yīng)器中流體力學(xué)的性質(zhì)，可為選擇和設(shè)計植物細胞培養(yǎng)反應(yīng)器提供可靠的依據(jù)。

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三．微藻培養(yǎng)用生物反應(yīng)器

根據(jù)微藻自身的營養(yǎng)特點，可通過光能自養(yǎng)和化能異養(yǎng)兩種方式來培養(yǎng)微藻。

微藻培養(yǎng)用生物反應(yīng)器分類

1.封閉式光生物反應(yīng)器 2.敞開式光生物反應(yīng)器 比較

封閉式光生物反應(yīng)器比敞開式培養(yǎng)系統(tǒng)有以下優(yōu)點

1、培養(yǎng)密度高，收獲效率也顯著提高；

2、培養(yǎng)條件易于控制，易于實現(xiàn)高密度培養(yǎng)，對代謝產(chǎn)物積累有利；

3、無污染，可實現(xiàn)純種培養(yǎng)；

4、不受地域環(huán)境限制，生產(chǎn)期長，可終年生產(chǎn)；

5、適合于所有微藻的光自養(yǎng)培養(yǎng)，尤其適合于微藻代謝產(chǎn)物產(chǎn)品的生產(chǎn)。四．醫(yī)學(xué)

組織工程是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中一個快速發(fā)展的分支，它融合了細胞生物學(xué)和工程學(xué)的原理，目的在開發(fā)具生物活性的組織替代物，期能修復(fù)受損組織或是再生。由于組織工程對象是人體組織，細胞和組織塊之體外培養(yǎng)條件必須仿生地接近人體內(nèi)環(huán)境，因此生物反應(yīng)器即為良好的應(yīng)用工具，除在種子細胞增殖、組織塊建構(gòu)培養(yǎng)扮演重要角色外，生物反應(yīng)器尚能控制pH、溶氧、機械應(yīng)力、營養(yǎng)供給及代謝物移除等條件，為細胞的生長、分化和發(fā)育分化提供最適宜的環(huán)境。

如在旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器內(nèi)，應(yīng)用微載體技術(shù)快速擴增并向軟骨分化人脂肪干細胞。將人脂肪干細胞結(jié)合Cytodex3微載體在旋轉(zhuǎn)的生物反應(yīng)器（RCSS）內(nèi)進行動態(tài)培養(yǎng)，應(yīng)用倒置顯微鏡和掃描電鏡對微載體表面的脂肪干細胞進行動態(tài)觀察，并對收獲的脂肪干細胞進行SafraninO、toluidine blue染色等組織化學(xué)染色及Ⅱ型膠原的免疫化學(xué)染色分析。脂肪干細胞于24 h內(nèi)貼附于Cytodex3微載體表面，細胞形態(tài)為短梭形，隨時間的延長，貼附于微載體的細胞逐漸增多，到培養(yǎng)后期，細胞密度可達最初接種的19倍左右，在微載體上收獲的細胞進行番紅花O、阿利新藍染色呈陽性，Ⅱ型膠原染色陽性，均強于對照組。利用微載體細胞培養(yǎng)技術(shù)可簡便快速地在體外擴增脂肪干細胞，并成功實現(xiàn)向軟骨細胞分化。因此，本研究利用生物反應(yīng)器技術(shù)結(jié)合微載體對ADSCs進行快速擴增同時向軟骨細胞方向誘導(dǎo)，旨在觀察ADSCs在微載體上增殖分化情況，探討其未來臨床應(yīng)用的可行性。

生物反應(yīng)器的商業(yè)應(yīng)用前景

在過去15年里，生物技術(shù)工業(yè)不僅誕生了百億美元級的公司，而且也成為當今世界商業(yè)活動中增長最快的領(lǐng)域之一。生物技術(shù)產(chǎn)品的市場非常大，包括了醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、造紙業(yè)和其他許多產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，從上世紀80年代至今，通過DNA重組技術(shù)所生產(chǎn)的生物醫(yī)藥年銷售額已超過100億美元。由于生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)被許多國家視為強勁的經(jīng)濟增長點而加以重點扶持，生物醫(yī)藥的年銷售規(guī)模將從1996年的101億美元擴大到2006年的320億美元，平均年增長率將達12%以上，其中治療藥物年平均增長16%，診斷試劑年平均增長9%。

美國是現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展較早和較快的國家，1994年，美國生物技術(shù)藥品年銷售額為50多億美元，至2001年，美國生物技術(shù)產(chǎn)品在全球市場上的銷售額達200億美元，占到全球總市場的約90%以上。此外，美國還擁有世界上約一半的生物技術(shù)公司和一半的生物技術(shù)專利。迄今為止，獲得美國FDA批準上市的治療類生物技術(shù)藥品共16種，另外約有400多種生物診斷試劑在臨床中應(yīng)用。

免

費

下

載

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第五篇：汽車發(fā)動機材料技術(shù)發(fā)展動態(tài)

汽車發(fā)動機材料技術(shù)發(fā)展動態(tài)

發(fā)動機技術(shù)發(fā)展趨勢

伴隨汽車產(chǎn)銷量快速增長帶來的是大氣污染和石油消耗。目前，中國已成為僅次于美國和日本的第三大石油進口國。而汽車的石油消耗又占了中國石油年消耗量的50%。無疑，先進的發(fā)動機技術(shù)在汽車節(jié)能、環(huán)保技術(shù)開發(fā)中起著關(guān)鍵的決定性作用。

自20世紀末期以來，汽車排放法規(guī)日益嚴格。與美國上世紀90年代中實施的聯(lián)邦排放法規(guī)相比，于2007年全面實施的新聯(lián)邦排放法規(guī)將要求汽車氮氧化物排放降低幅度高達95%，碳氫排放物降低幅度高達84%。2007年美國聯(lián)邦排放標準中第五分組碳氫排放極限約為歐Ⅳ排放極限的一半。

這越來越嚴格的排放法規(guī)和人們對節(jié)能認識的加深，使得低排放、低油耗、高功率密度、代用燃料(壓縮天然氣(CNG)、液化天然氣(LNG)、液化石油氣(LPG)、二甲醚、甲醇、乙醇汽油、生物柴油等)等車用發(fā)動機技術(shù)的開發(fā)受到高度的重視，從而促使傳統(tǒng)的內(nèi)燃機技術(shù)不斷創(chuàng)新。如汽油機直噴技術(shù)、可變氣門定時技術(shù)、可變進氣管、燃燒速率控制滑片、可變排量技術(shù)、高壓共軌直噴柴油機等等。

關(guān)鍵零部件材料技術(shù)

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對汽車零部件的要求越來越高，需要滿足更高的機械載荷、更高的溫度、更強的腐蝕環(huán)境、更苛刻的潤滑條件，因此，對材料的要求也日趨嚴格，高強度、輕量化、耐熱、耐磨、減摩、耐蝕等成為如今的發(fā)展方向。如下以缸體與缸蓋、曲軸、連桿等為例介紹零部件材料技術(shù)。

缸體與缸蓋

缸體與缸蓋選擇材料的主要出發(fā)點在于高強度、優(yōu)良的熱疲勞性能，輕量化。轎車發(fā)動機的汽油機已普遍從灰鑄鐵到鋁合金，現(xiàn)在正逐步發(fā)展到鎂合金材料。以寶馬6缸鎂鋁復(fù)合發(fā)動機缸體為例，缸套及缸體的內(nèi)芯部分為AlSi17Cu4Mg鋁合金，外壁與基座為AJ62鎂合金。復(fù)合缸體中鎂合金重18kg。與鑄鐵缸體比較，鋁缸體減重幅度約26％，而鎂鋁復(fù)合缸體可達44％。2005年寶馬3系列、5系列和7系列，以及2006年上市的Z4Roadster和Z4Coupe均已采用這種鎂鋁復(fù)合缸體的發(fā)動機。

今后需繼續(xù)研究的課題有：

耐熱鎂合金材料開發(fā)。

材料性能測試：靜態(tài)機械性能、高周與低周疲勞性能、蠕變抗力、耐腐蝕性能、螺栓摩擦性能及載荷保持能力。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

鑄造工藝。

毛坯檢測技術(shù)。

未來重型柴油機缸體、缸蓋材料，灰鑄鐵、合金灰鑄鐵有逐漸被蠕墨鑄鐵替代的趨勢。蠕墨鑄鐵有兩大優(yōu)點：第一、它的強度高，意味著氣缸可以在更高的壓力下工作，從而滿足日益嚴格的尾氣排放要求；第二、如果工作壓力不變，設(shè)計師可以減輕發(fā)動機的重量，改進其緊湊性。

如今，考慮到輕量化能達到減排的效果，鋁合金成為中小型柴油機缸體與缸蓋材料的發(fā)展方向。梅塞德斯－奔馳公司最近成功開發(fā)出了世界第一臺全鋁3L直噴式柴油機，并投入了批量生產(chǎn)。鋁合金缸體的重量較鑄鐵減少了35kg，其它鋁零件還有缸蓋、缸蓋罩、水泵活塞、油底殼、加壓分配器等。其功率密度達0.97kW/kg，較原設(shè)計提高了20％。

本田公司開發(fā)出了所謂的“先進半固態(tài)鑄造技術(shù)”，并成功地用于其最新的2.2L轎車柴油機鋁合金缸體的生產(chǎn)。該柴油機為四缸共軌直噴式，對缸體的性能要求很高?！跋冗M半固態(tài)鑄造技術(shù)”是一種新的噴射鑄造工藝，它除了具有普通壓鑄生產(chǎn)效率高的優(yōu)點外，獨特之處在于可使用砂芯并消除氣孔，因而可采用固溶處理大幅提高缸體的強度。它較同尺寸的常規(guī)鑄鐵缸體減輕了15kg，而剛度卻顯著增加。

曲軸

選材的主要出發(fā)點是考慮疲勞強度及耐磨性。

鋼

調(diào)質(zhì)鋼：

45、40Cr、35CrMo、42CrMo。

非調(diào)質(zhì)鋼：48MnV、C38N2、49MnVS3、43MnVS、38MnSiV。

球墨鑄鐵

珠光體球鐵：QT700－

2、QT800－

2、QT800－

6、QT900－

2、QT900－5。

以下是對多種強化工藝的分析：

表面感應(yīng)淬火

強化機理：表層材料硬度提高，圓角形成殘余壓應(yīng)力。

強化效果：零件彎曲疲勞極限提高幅度，鍛鋼曲軸在80％以上，球鐵曲軸在20％左右。

鋼＋軸頸及圓角表面感應(yīng)淬火是目前承載能力最高的一種曲軸材料工藝組合，為重型及高爆壓發(fā)動機所廣泛采用，但其工藝難度較大(變形、淬硬層均勻性、圓角表面光潔度等)。

圓角滾壓

強化機理：圓角形成大的殘余壓應(yīng)力場，表層材料冷作硬化。

強化效果：零件彎曲疲勞極限提高幅度，鍛鋼曲軸在80％以上，球鐵曲軸在100％以上。

球鐵＋軸頸表面感應(yīng)淬火＋圓角滾壓是目前性價比最高的一種曲軸材料工藝組合，雖然其疲勞強度較同等圓角淬火鋼曲軸低15％左右，但它具有以下優(yōu)點：成本約下降40％~50％；減重8％以上；耐磨性好；減振降噪。

圓角滾壓球鐵曲軸廣泛應(yīng)用于輕型車和轎車發(fā)動機，它在相當程度上可取代鍛鋼曲軸用于中等增壓的柴油機(已有小批量應(yīng)用于160bar發(fā)動機的實例)。

氮化 強化機理：表層形成硬化層，圓角產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。

強化效果：零件彎曲疲勞極限提高幅度，鍛鋼曲軸在大約30％~60％；球鐵曲軸在大約20％~40％。

氮化屬于一種整體表面處理工藝，因其能耗高、效率低、成本高、強化效果有限、對環(huán)境造成污染等缺點，將逐步被淘汰。

連桿

連桿的選材主要出發(fā)點是材料需具有疲勞強度，輕量化的特征?，F(xiàn)今連桿材料技術(shù)有：

鑄造連桿

球墨鑄鐵－QT700-2

可鍛鑄鐵－GTS-65

鍛造連桿

調(diào)質(zhì)鋼－

45、55，40MnB、40Cr、45Mn2、53CaS、42CrMo

非調(diào)質(zhì)鋼－有35MnVS、35MnVN、40MnV、48MnV，C70S6，粉末冶金連桿

連桿的制造工藝有粉末鍛造和常規(guī)粉末燒結(jié)。粉末冶金連桿有技術(shù)經(jīng)濟性的優(yōu)點。與鍛鋼連桿相比有較好的機械性能和重量精度，由于配粉時的精確稱量及采用閉式模鍛技術(shù)，零件重量誤差很小，以致無需分級配重。尺寸精度也較好，尺寸公差可控制在普通連桿的1/5以內(nèi)。除此之外，連桿的整體質(zhì)量減輕10％以上，材料可節(jié)約40％，機加工工序減少約47％，能源消耗可節(jié)約50％，零件生產(chǎn)成本可降低10％。

上世紀八十年代初開始應(yīng)用在日本豐田公司1981年建成粉鍛連桿生產(chǎn)線，用于Camry轎車1.8L發(fā)動機。到本世紀初粉鍛連桿生產(chǎn)已累計超過5億支，目前廣泛應(yīng)用于轎車發(fā)動機。

連桿分離面斷開工藝是利用低塑性材料在應(yīng)力集中條件下的脆性斷裂特性加工分離面的一種新工藝，利用斷口的高度嚙合特性定位，極大地簡化了連桿結(jié)構(gòu)，連桿加工也更加簡單。

裂解工藝適用于鑄造連桿、鍛造連桿、粉冶連桿。連桿裂解工藝與傳統(tǒng)加工方法相比，脹斷技術(shù)優(yōu)越性體現(xiàn)在：改善連桿結(jié)合面定位；使連桿由分體加工變?yōu)檎w加工，取消桿、蓋結(jié)合面的切削、拉削與磨削等工序；降低了螺栓孔的加工精度和加工成本；簡化連桿及連桿螺栓結(jié)構(gòu)；節(jié)省投資25%；減少刀具費用35%；節(jié)省能源40%；生產(chǎn)成本可降低15%~30%。

目前，連桿裂解工藝已應(yīng)用于國外多個廠商，國內(nèi)也已開發(fā)出脹斷連桿品種，上海大眾、一汽大眾、東風本田、上海通用都已采用了脹斷連桿技術(shù)。

裂解工藝的應(yīng)用將在未來越來越廣泛，粉末冶金連桿所占低比例將穩(wěn)步增長，鋁基復(fù)合材料連桿的研究開發(fā)力度將加大。

活塞

活塞的選材主要出發(fā)點是須有高溫強度高，抗氧化、耐蝕，輕量化的特性。目前活塞材料技術(shù)采用：

鋁合金＋表面處理，其中鑄造鋁合金應(yīng)用在汽油機、中重型柴油機；鍛造鋁合金主要用于高級轎車及賽車發(fā)動機。

鍛鋼－調(diào)質(zhì)鋼、非調(diào)質(zhì)鋼，應(yīng)用于重型柴油機。

鋼－鋁組合，應(yīng)用于重型柴油機。

鑄鐵－灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵，在大、中缸徑的中、低速柴油機中應(yīng)用。

活塞頂部的處理方法主要有陽極氧化處理、鍍鉻、陶瓷噴鍍、微弧氧化；活塞裙部的處理方法主要有鍍錫、涂石墨、涂二硫化鉬。

鍛鋼活塞的特點：

強度高－可承受最高的爆壓達250bar。

強熱穩(wěn)定性，高剛度，長壽命－滿足可靠性100萬km。

尺寸緊湊－可以實現(xiàn)壓縮高度僅為氣缸直徑的一半。

配缸間隙?。哂袠O好的導(dǎo)向性能。

重量與鋁活塞接近。

整體鍛鋼活塞是重型柴油機未來的發(fā)展方向，鋁基復(fù)合材料和碳基復(fù)合材料是活塞新材料。鋁基復(fù)合材料是以鋁合金為基體，添加了纖維、晶須、顆粒等增強材料而制成的一種金屬復(fù)合材料，它具有單一材料所無法達到的綜合性能。用于制造活塞整體或局部增強(燃燒室口邊緣、環(huán)槽、銷孔等部位)。它的優(yōu)點是重量輕、動載荷小、耐磨性好，與基體合金相比其高溫強度和抗熱疲勞性能明顯提高，并具有較低的線膨脹系數(shù)。碳纖維增強碳基復(fù)合材料的性能有：①熱膨脹系數(shù)低(1~5×106/℃)，約是鋁合金的1/10；②熱導(dǎo)率高(150~180W/m·K)；③密度小(約為1.80g/cm3)，是陶瓷的1/2~1/3；④摩擦性能好(摩擦系數(shù)為0.2~0.3)，且具有自潤滑作用；⑤熱沖擊性能優(yōu)良；⑥最優(yōu)異的高溫性能。碳基復(fù)合材料活塞優(yōu)點有：

①不但減輕了活塞的重量，而且因級聯(lián)效應(yīng)可減輕如連桿、曲軸、飛輪等零件的重量，由此可大大提高內(nèi)燃機的熱效率和機械效率。

②提高了活塞的使用溫度，如活塞頂覆蓋CVR硅基涂層，其使用溫度可提高到1400℃。

③如果氣缸套也用碳基復(fù)合材料制造時，氣缸套與活塞之間的間隙很小，甚至無需活塞環(huán)和活塞裙，從而進一步地提高了內(nèi)燃機的機械效率。

具有輕量化潛力的零件

汽車輕量化技術(shù)無論對傳統(tǒng)燃油汽車還是新能源汽車，都是一項共性的基礎(chǔ)技術(shù)，是一項涉及汽車產(chǎn)品設(shè)計、安全、材料、制造、回收再利用等領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)工程。研究顯示，乘用車的重量減輕10％，油耗將降低6％~8％。這只是輕量化汽車節(jié)能的一方面，此外，重量減輕還減少了原材料在生產(chǎn)過程中的能耗，節(jié)能的同時實現(xiàn)了減排。

材料技術(shù)是發(fā)動機技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，發(fā)動機的技術(shù)進步又有力地推動了材料技術(shù)的發(fā)展，材料技術(shù)發(fā)展的優(yōu)先度分別為法規(guī)、性能、成本。鋁合金已廣泛應(yīng)用于進氣管、普通飛輪殼、PTO飛輪殼、齒輪室、油底殼、機油冷卻器殼等零部件中。如今，鎂合金、非金屬材料也漸漸應(yīng)用于發(fā)動機技術(shù)中。