第一篇：材料納米微米加工技術

材料納米微米加工技術

Materials Micro and Nano Machining Technology 青島大學材料科學與工程學院

閆菁云（高分子創(chuàng)新班

201341603091）

【摘要】微米／納米技術是一個新興的、高技術和基礎研究緊密結合的高科技領域，匯集了電子、機械、材料、制造、檢測，以及物理、化學和生物等不同學科新生長出來的微小和微觀領域的科學技術群體，是科學技術創(chuàng)新思維的結果，被認為是面向21世紀的新興科技，近年來在全世界范圍內得到了飛速的發(fā)展，取得了驚人的成績，正在并且即將對人類產生深遠的影響，甚至改變人們的思維方式和生活方式，極富挑戰(zhàn)性。這篇文章主要論述了微米納米技術的內容及應用。

關鍵詞：微米技術、納米技術

一、微米技術

微米技術是指在微米級（0.1-100微米）的材料上設計、制造、測量、控制和應用的技術。目前，微米技術的研究與應用涉及以下幾個方面：

1.微小尺度的設計應用

研究微型系統(tǒng)的設計需要形成一整套新的設計理論方法，例如：微動力學、微流體力學、微熱力學、微機械學、激光學等。以便解決微型系統(tǒng)設計中的尺寸效應、表面效應、誤差效應及材料性能的影響。

2.微細加工技術

微細加工技術包含超精機械加工、IC工藝、化學腐蝕、能量束加工等諸多方法。對于簡單的面、線輪廓的加工，可以采用單點金剛石和CBN（立方氮化硼）刀具切削、磨削、拋光等技術來實現(xiàn)，如激光陀螺的平面反射鏡和平面度誤差要求小于30nm，表面粗糙度Ra值小于1hm等。而對于稍微復雜一點的結構，用機械加工的方法是不可能的，特別是制造復合結構，當今較為成熟的技術仍是IC工藝硅加工技術，如美國制造出直徑僅為60~120um的硅微型靜電電動機等。

主要指高深度比多層微結構的硅表面加工和體加工技術，利用X射線光刻、電鑄的LIGA 和利用紫外線的準LIGA加工技術；微結構特種精密加工技術包括微火花加工、能束加工、立體光刻成形加工；特殊材料特別是功能材料微結構的加工技術；多種加工方法的結合； 微系統(tǒng)的集成技術；微細加工新工藝探索等。

微細加工技術是指加工微小尺寸零件的生產加工技術。從廣義的角度來講，微細加工

包括各種傳統(tǒng)精密加工方法和與傳統(tǒng)精密加工方法完全不同的方法，如切削技術，磨料加工 技術，電火花加工，電解加工，化學加工，超聲波加工，微波加工，等離子體加工，外延生 產，激光加工，電子束加工，粒子束加工，光刻加工，電鑄加工等。從狹義的角度來講，微 細加工主要是指半導體集成電路制造技術，因為微細加工和超微細加工是在半導體集成電路 制造技術的基礎上發(fā)展的，特門市大規(guī)模集成電路和計算機技術的技術基礎，是信息時代微 電子時代，光電子時代的關鍵技術之一。

3.精密測量技術 精密測量技術是具有微米及亞微米測量精度的集合量與表面形貌測量技術。目前精密測試技術的一個重要研究對象是微結構的力學性能，如諧振頻率、彈性模量、殘余應力的測試和微結構的表面形貌及內部結構，如未提缺陷、微裂縫、微沉積的測試等。

二、納米技術

納米技術（nanotechnology）是用單個原子、分子制造物質的科學技術，研究結構尺寸在1至100納米范圍內材料的性質和應用。納米科學技術是以許多現(xiàn)代先進科學技術為基礎的科學技術，它是現(xiàn)代科學（混沌物理、量子力學、介觀物理、分子生物學）和現(xiàn)代技術（計算機技術、微電子和掃描隧道顯微鏡技術、核分析技術）結合的產物，納米科學技術又將引發(fā)一系列新的科學技術，例如：納米物理學、納米生物學、納米化學、納米電子學、納米加工技術和納米計量學等。

納米級加工的含意是達到納米級精度的加工技術。由于原子間的距離為0.1一0.3nm，納米加工的實質就是要切斷原子間的結合，實現(xiàn)原子或分子的去除，切斷原子間結合所需要的能量，必然要求超過該物質的原子間結合能，即所播的能量密度是很大的。用傳統(tǒng)的切削、磨削加工方法進行納米級加工就相當困難了。

1.納米電子技術

納米電子技術是在納米尺度（1~100nm）研究物質的電子運動規(guī)律、特性及其用的科學技術，并利用這些特征規(guī)律生成納米電子材料、器件和系統(tǒng)納米電子器件以其固有的超高速（10-12~10-13s）、超高頻（大于 1000GHz）高集成度（大于1010元器件／cm2)、高效低功耗、極低閾值電流密度（亞毫安）和極高量子效率等特點在信息領域有著極其重要的應用前景，將可能觸發(fā)新的技術革命，成為未來信息技術的核心和支柱。

納米電子技術主要包括納米電子學基礎理論、納米電子材料、納米電子器件和納米電子系統(tǒng)等主要技術方向，以及納米加工與制備、納米電子表征測量等支撐技術。

2.納米機械技術

納米機械技術包括的領域很廣，其研究基礎包括納米加工過程的動力學模擬、納米構件與表面分子工程、納米摩擦學等，這里所指的納米機械是能實現(xiàn)納米尺寸上某種功能的機械，如納米制造設備級納米執(zhí)行器，納米執(zhí)行器能實現(xiàn)納米尺寸的移動與定位。

隨著科學技術的發(fā)展，人們在不斷追求機械裝置的小型化、微型化，希望以盡可能小的能耗以及最少的物質消耗來滿足生物、醫(yī)學、航天航空、數(shù)字通信、傳感技術、靈巧武器等領域日益增長的要求。微小型化始終是當代科技發(fā)展的方向。以制造毫米以下尺寸的機構和系統(tǒng)為目的的微/納米技術，一方面利用物理、化學方法將分子和原子組裝起來，形成有一定功能的微/納米結構；另一方面利用精細加工手段加工出微/納米結構。前者導致了納米生物學、納米化學等邊緣科學的產生；后者在小型機械制造領域開始了一場革命，導致了微型機電系統(tǒng)的出現(xiàn)。

3.納米材料技術

納米技術的研究主要集中在納米材料的制備、結構特征、表征、功能材料的開發(fā)應用等方面。利用納米材料的獨特結構及性質,可發(fā)展納米電子技術及微系統(tǒng)技術,組裝具有多種特殊功能應用于特定領域的微系統(tǒng)。納米材料是納米技術的重要組成部分。納米材料具有常規(guī)材料所不具有的特殊性質,具有廣闊的應用前景。

納米材料可分為零位的納米顆粒材料,也稱為超微粒子,一般粒徑在幾納米到幾百納米之間,由于表面能高,致使顆粒成球狀,易聚集不容易分散;一維的納米針狀材料(納米絲材料),是指針狀材料的直徑尺寸為納米級,該針狀體的細長比(長度與直徑比)一般為5～10,細長比更大的材料為納米絲材料;二維的納米薄膜材料,是指厚度為1到幾百納米的材料,這種膜可以是致密的也可以是多孔的,此膜在光學及氣體分離方面具有廣泛的應用前景;三維的納米晶體材料(納米塊狀材料)[2],通常是由納米顆粒加工制得,其主要特點是晶界密度高、性能優(yōu)異,如納米晶稀土永磁材料。

4.納米加工技術

微納米加工技術的發(fā)展促進了集成電路的發(fā)展,導致集成電路的集成度以每18個月翻一番的速度提高。微納米加工技術還可以將普通機械齒輪傳動系統(tǒng)微縮到肉眼無法觀察的尺寸.微納米加工技術可以制作單電子晶體管,可以實現(xiàn)單個分子與原子操縱.微納米加工技術可以建筑人類進入微觀世界的橋梁,是人類了解和利用微觀世界的工具.因此了解微納米加工技術對于理解微納米技術,以及由微納米技術支撐的現(xiàn)代高科技產業(yè)是非常重要的.5.納米測量技術

微觀尺度的測量，早期是采用光學顯微鏡，從最原始的雙透鏡開始，顯微鏡技術經歷了漫長的發(fā)展過程。如今，傳統(tǒng)的鏡頭被細小的探針所代替，人類已經能夠觀測物質最細致的結構并能測量單個原子和分子的行為。這種強有力的測量工具，就是以納米探針為敏感元件的掃描探測顯微鏡。它使人們能夠對以前無法觀測到的納米尺度的物質表面結構及特性進行探測和成像，它的誕生促進了納米技術的快速發(fā)展。

三．切削、磨削加工

對于微細切削、磨削加工,納米級加工主要意味著加工精度和表面型貌。實現(xiàn)納米級切削加工的關鍵是機床和刀具。超硬刀具材料、新型軸承、在線控制與補償?shù)刃录夹g的出現(xiàn)和應用,使得金屬切削加工技術得到很大發(fā)展。有研究報道,在采取一系列措施之后,尤其是精細地研磨刀具,可獲得幾納米甚至1nm厚的切屑,這揭示了納米級切削加工的可能性。目前超精加工的精度已可穩(wěn)定地達到亞微米水平。在表面質量方面,采用金剛石刀具的切削加工、精密研磨拋光和在線電解修整砂輪鏡面磨削技術都可獲得納米級的表面粗糙度。

參考文獻

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【3】 劉長利，沈雪石，張學驁，劉書雷，納米電子技術的發(fā)展與展望，微納電子技術第48卷第10期，2011（10）

【4】 韋星船，納米科學技術發(fā)展及展望，江蘇化工第29卷第4期,2001（08）

第二篇：納米加工技術

納米加工技術及其應用

江蘇科技大學機械學院

學號：139020021

姓名：原旭全

納米尺度的研究作為一門技術,是80年代剛剛興起的.它所研究的對象是一般研究機構很難涉獵的即非宏觀又非微觀的中間領域,有人稱之為介觀領域.所謂納米技術通常指納米級(0.1nm~l00nm)的材料、設計、制造、測量、控制和產品的技術.納米技術主要包括納米級精度和表面形貌的測量;納米級表層物理、化學、機械性能的檢測;納米級精度的加工和納米級表層的加工一一原子和分子的去除、搬遷和重組;納米材料;納米級微傳感器和控制技術;微型和超微型機械;微型和超微型機電系統(tǒng);納米生物學等;納米加工技術是納米技術的一個組成部分.納米加工的含義是達到納米級精度(包括納米級尺寸精度,納米級形位精度和納米級表面質量)的加工技術.其原理使用極尖的探針對被測表面掃描(探針和被側表面不接觸),借助納米級的三維位移控制系統(tǒng)測量該表面的三維微觀立體形貌.材料制造技術.著名的諾貝爾獎獲得者Feyneman在20世紀60年代曾預言:如果我們對物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話,我們就能使物體得到大量的異乎尋常的特性,就會看到材料的性能產生豐富的變化.他說的材料即現(xiàn)在的納米材料.納米材料是由納米級的超微粒子經壓實和燒結而成的.它的微粒尺寸大于原子簇,小于通常的微粒,一般為l一100nm.它包括體積份數(shù)近似相等的兩部分:一是直徑為幾個或幾十個納米的粒子;二是粒子間的界面.納米材料的兩個重要特征是納米晶粒和由此產生的高濃度晶界.這導致材料的力學性能、磁性、介電性、超導性、光學乃至熱力學性能的改變.如:納米陶瓷由脆性變?yōu)?00%的延展性,甚至出現(xiàn)超塑性.納米金屬居然有導體變成絕緣體.金屬納米粒子摻雜到化纖制品或紙張中,可大大降低靜電作用.納米Tiq按一定比例加入到化妝品中,可有效遮蔽紫外線.當前納米材料制造方法主要有:氣相法、液相法、放電爆炸法、機械法等.l)氣相法:1熱分解法:金屬撥基化合物在惰性介質(N2或潔凈油)中熱分解,或在H沖激光分解.此方法粒度易控制,適于大規(guī)模生產.現(xiàn)在用于Ni、Fe、W、M。等金屬,最細顆?？蛇_3一10nm.o真空

蒸發(fā)法:金屬在真空中加熱蒸發(fā)后沉積于一轉動圓的流動油面上;可用真空蒸餾使顆粒濃縮.此法平均顆粒度小于10nm.2)液相法:1沉積法:采用各種可溶性的化合物經混合,反應生成不溶解的氫氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽或有機鹽等沉淀.把過濾后的沉淀物熱分解獲得高強超純細粉.采用此工藝制備出均質的玻璃和陶瓷.由于該法可制備超細(10nm一100nm)、化學組成及形貌均勻的多種單一或復合氧化物粉料.已成為一種重要的超細粉的制備方法.3)放電爆炸法:金屬細絲在充滿惰性氣體的圓筒內瞬間通人大電流而爆炸.此法可制造Mo.W等難熔金屬的超細顆粒(25一350nm),但不能連續(xù)操作.4)機械法:利用單質粉末在攪拌球磨(AttritorMill)過程中顆粒與顆粒間和顆粒與球之間的強烈、頻繁的碰撞粉碎.近幾年大量采用攪拌磨,即利用被攪拌棍攪拌的研磨介質之間的研磨,將粉料粉碎粉碎效率比球磨機或振動磨都高.(3)三束加工技術:可用于刻蝕、打孔、切割、焊接、表面處理等.l)電子束加工技術:電子束加工時,被加速的電子將其能量轉化成熱能,以便除去穿透層表面的原子,因此不易得到高精度.但電子束可以聚焦成很小的束斑(巾0.1林m)照射敏感材料.用電子刻蝕,可加工出0.1林m線條寬度.而在制造集成電路中實際應用.2)離子束加工技術:因離子直徑為0.Inm數(shù)量級.故可直接將工件表面的原子碰撞出去達到加工的目的.用聚焦的離子束進行刻蝕,可得到精確的形狀和納米級的線條寬度.3)激光束加工技術:激光束中的粒子是光子,光子雖沒有靜止質量,但有較高的能量密度.激光束加工常用YAG激光器認封.06林m)和Cq激光器位一10.63林m).激光束加工不是用光能直接撞擊去掉表面原子,而是光能使材料熔化、汽化后去掉原子.(4)LIGA(Lithographie,Galvanoforming,Abforming)技術.這是最新發(fā)展的光刻、電鑄和模鑄的復合微細加工技術.它采用深度同步輻射X射線光刻,可以制造最大高度為1000林m、高寬比為200的立體結構,加工精度可達0.1林m.刻出的圖形側壁陡峭,表面

光滑.加工微型器件可批量復制,加工成本低.目前,在LIGA工藝中再加入犧牲層的方法,使加工出的微器件一部分可脫離母體而能轉動或移動.這在制造微型電動機或其他驅動器時極為有用.LIGA技術對微型機械是非常有用的工藝方法.1與常規(guī)精加工的比較

納米級加工中.工件表面的原子和分子是直接加工的對象.即需切斷原子間的結合.納米加工實際已到了加工的極限.而常規(guī)的精加工欲控制切斷原子間的結合是無能為力的,其局限性在于: l)高精度加工工件時,切削量應盡量小而常規(guī)的切削和磨削加工,要達到納米級切除量,切削刀具的刀刃鈍圓半徑必須是納米級,研磨磨料也必須是超細微粉.目前對納米級刃口半徑還無法直接測量.2)工藝系統(tǒng)的誤差復映到工件,工藝系統(tǒng)的受力/熱變形、振動、工件裝夾等都將影響工件精度.3)即使檢測手段和補償原理正確,加工誤差的補償也是有限的.4)加工過程中存在不穩(wěn)定因素.如切削熱,環(huán)境變化及振動等.由此可見.傳統(tǒng)的切削/磨削方法,一方面由于加工方法的局限或由于加工機床精度所限,顯示出在納米加工領域應用裕度不足.另一方面,由于科技產業(yè)迅猛發(fā)展,加工技術的極限不斷受到挑戰(zhàn).有研究表明,磨削可獲得o.35nm的表面粗糙度,但對如何實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的納米機加工以及觀察研究材料微加工過程力學性能則始終受到實驗手段的限制.因此納米機加工必須尋求新的途徑即直接用光子、電子、離子等基本粒子進行加工.例如,用電子束光刻加工超大規(guī)模集成電路.2.微納米加工技術的分類

自人類發(fā)明工具以來,加工是人類生產活動的主要內容之一.所謂加工是運用各種工具將原材料改造成為具有某種用途的形狀.一提到加工,人們自然會聯(lián)想到機械加工.機械加工是將某種原材料經過切削或模壓形成最基本的部件,然后將多個基本部件裝配成一個復雜的系統(tǒng).某些機械加工也可以稱為微納米加工.因為就其加工精度而言,某些現(xiàn)代磨削或拋光加工的精度可以達到微米或納米量級.但本文所討論的微納米加工技術是指加工形成的部件或結構本身的尺寸在微米或納米量級.微納米加工技術是一項涵蓋門類廣泛并且不斷發(fā)展中的技術.在2004年國際微納米工程年會上,曾有人總結出多達60種微納米加工方法.可見實現(xiàn)微納米結構與器件的方法是多樣的.本文不可能將所有微納米加工技術一一介紹.對這些加工技術的詳細介紹目前已有專著出版.筆者在此僅將已開發(fā)出的微納米加工技術歸納為三種類型作概括性的介紹

（1）平面工藝

以平面工藝為基礎的微納米加工是與傳統(tǒng)機械加工概念完全不同的加工技術.圖1描繪了平面工藝的基本步驟.平面工藝依賴于光刻(lithography)技術.首先將一層光敏物質感光,通過顯影使感光層受到輻射的部分或未受到輻射的部分留在基底材料表面,它代表了設計的圖案.然后通過材料沉積或腐蝕將感光層的圖案轉移到基底材料表面.通過多層曝光,腐蝕或沉積,復雜的微納米結構可以從基底材料上構筑起來.這些圖案的曝光可以通過光學掩投影實現(xiàn),也可以通過直接掃描激光束,電子束或離子束實現(xiàn).腐蝕技術包括化學液體濕法腐蝕和各種等離子體干法刻蝕.材料沉積技術包括熱蒸發(fā)沉積,化學氣相沉積或電鑄沉積.圖1平面工藝的基本過程:在硅片上涂光刻膠、曝光、顯影,然后把膠 的圖形通過刻蝕或沉積轉移到其他材料

（2）探針工藝

探針工藝可以說是傳統(tǒng)機械加工的延伸,這里各種微納米尺寸的探針取代了傳統(tǒng)的機械切削工具.微納米探針不僅包括諸如掃描隧道顯微探針,原子力顯微探針等固態(tài)形式的探針,還包括聚焦離子束,激光束,原子束和火花放電微探針等非固態(tài)形式的探針.原子力探針或掃描隧道電子探針一方面可以直接操縱原子的排列,同時也可以直接在基底材料表面形成納米量級的氧化層結構或產生電子曝光作用.這些固體微探針還可以通過液體輸運方法將高分子材料傳遞到固體表面,形成納米量級的單分子層點陣或圖形.非固態(tài)微探針如聚焦離子束,可以通過聚焦得到小于10nm的束直徑,由聚焦離子束濺射刻蝕或化學氣體輔助沉積可以直接在各種材料表面形成微納米結構.聚焦激光束已經廣泛應用于傳統(tǒng)加工工業(yè),作為切割或焊接工具.高度聚焦的激光束也可以直接剝蝕形成微納米結構,例如近年來出現(xiàn)的飛秒激光加工技術.利用激光對某些有機化合物的光固化作用也可以直接形成三維立體微納米結構.只要加工的工具足夠小,即使傳統(tǒng)機械加工技術也有可能制作微米量級的結構.例如,利用聚焦離子束的微加工能力可以制造尖端小于10Lm的高速鋼銑刀.這種微型銑刀可以加工小于100Lm的溝槽或臺階結構.探針工藝與平面工藝的最大區(qū)別是,探針工藝只能以順序方式加工微納米結構.而平面工藝是以平行方式加工,即大量微結構同時形成.因此平面工藝是一種適合于大生產的工藝.但探針工藝是直接加工材料,而不是像平面工藝那樣通過曝光光刻膠間接加工.3納米級加工的關鍵技術

(l)測量技術

納米級測量技術包括納米級精度的尺寸和位移的測量、納米級表面形貌的測量.納米級測量技術主要有兩個發(fā)展方向:1)光干涉測量技術:可用于長度、位移、表面顯微形貌的精確測量.用此原理測量的方法有雙頻激光干涉測量、光外差干涉測量、X射線干涉測量等.2)掃描探針顯微測量技術:主要用于測量表面微觀形貌.用此原理的測量方法有掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)等.(5)掃描隧道顯微加工技術(sTM).掃描隧道顯微加工技術是納米加工技術中的最新發(fā)展,可實現(xiàn)原子、分子的搬遷、去除、增添和排列重組,可實現(xiàn)極限的精加工或原子級的精加工.近年來這方面發(fā)展迅速,取得多項重要成果.1990年美國Eigler等人,在低溫和超真空環(huán)境中,用STM將鎳表面吸附的xe(氛)原子逐一搬遷,最終以35個Xe原子排成IBM3個字母,每個字母高snm.Xe原子間最短距離約為Inm,以后他們又實現(xiàn)了原子的搬遷排列.在鉑單晶的表面上,將吸附的一氧化碳分子用sTM搬遷排列起來,構成一個身高snm的世界上最小人的圖樣.此“一氧化碳小人”的分子間距僅為0.snm.將STM用于納米級光刻加工時,它具有極細的光斑直徑,可以達原子級,可得到10nm寬的線條圖案.4微型機械和微型機電系統(tǒng)

(l)微型機械.現(xiàn)在微型機械的研究已達到較高水平,已能制造多種微型零件和微型機構.已研制成功的三維微型機械構件有微齒輪、微彈簧、微連桿、微軸承等.微執(zhí)行器是比較復雜、難度大的微型器件,研制成功的有微閥、微泵、微開關、微電動機等.(2)微型機電系統(tǒng).MEMS是在微電子工藝基礎上發(fā)展起來的多學科交叉的前沿研究領域.是納米加工技術走向實用化,能產生經濟效益的主要領域.比如:l)微型機器人是一個非常復雜的機電系統(tǒng).美國正在研制的無人駕駛飛機僅有蜻蜓大小,并計劃進一步縮小成蚊子機器人,用于收集情報和竊聽.醫(yī)用超微型機器人是最有發(fā)展前途的應用領域.它可進入人的血管,從主動脈管壁上刮去堆積的脂肪,疏通患腦血栓病人阻塞的血管.日本制定了采用機器人外科醫(yī)生的計劃,并正在開發(fā)能在人體血管中穿行、用于發(fā)現(xiàn)并殺死癌細胞的超微型機器人.2)微型慣性儀表:慣性儀表是航空、航天、航海中指示方向的導航儀器,由于要求體積小、重量輕、精度高、工作可靠.因此是微型機電系統(tǒng)應用的理想領域.現(xiàn)在國外已有微型加速度幾何微型陀螺儀的商品生產,體積和重量都很小,但尚需提高精度.由于MEMs的發(fā)展已初具基礎,微型器件的發(fā)展也已達到一定水平,同時有微電子工業(yè)制造集成電路的經驗可借鑒,各產業(yè)部門又有使用MEMS的要求,因此現(xiàn)在MEMS的發(fā)展條件已具備.4.微納米加工技術發(fā)展趨勢

微納米加工技術是一項不斷發(fā)展中的技術.新技術取代老技術,先進技術取代落后技術是客觀發(fā)展規(guī)律.加工技術本身從來都只是手段,其目的是服務于科學研究或工業(yè)產品開發(fā)與生產.因此新的科研課題或新的工業(yè)產品開發(fā)會不斷對加工技術提出新的要求.新的加工技術將會不斷出現(xiàn).5.參考文獻

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第三篇：納米材料與技術論文

石墨烯在橡膠中的應用

摘要：石墨烯具有較強的力學性能和導電/導熱性質，為發(fā)展多功能聚合物納米材料提供了新的方向。本文簡單介紹了石墨烯的制備及其功能化,并重點介紹了石墨烯/橡膠納米復合材料的3種主要制備方法，同時分析了石墨烯/橡膠納米復合材料的發(fā)展前景和存在問題.關鍵詞：石墨烯 納米復合材料 制備引言

橡膠在室溫下具有獨特的高彈性，其作為一種重要的戰(zhàn)略性物資，泛應用于國民經濟"高新技術和國防軍工等領域。然而，未補強的橡膠存在強度低，模量低，耐磨差，抗疲勞差等缺陷。因此絕大數(shù)橡膠都需要補強，同時隨著橡膠制品的多元化，在滿足最基本的物理機械性能強度的同時，需要具有功能性的納米填料/橡膠復合材料。石墨烯是一種有著優(yōu)異性能的二維納米填料，將石墨烯與聚合物復合是發(fā)揮其性能的重要途徑，石墨烯/橡膠納米復合材料對橡膠的力學機械性能、電學性能、導熱性能和氣體阻隔性能等都有很大提升，因此得到了廣泛關注。石墨烯的制備及其衍生物的功能化 2.1 石墨烯的制備

本文重點介紹利用氧化石墨烯（GO）的還原來制備石墨烯，該方法制備的石墨烯不能完全消除含氧官能團，還存在結構缺陷和導電性差等缺點，但是相比于其他方法，其宏量和廉價制備的特點更為突出。2.2 氧化石墨烯的還原

目前，氧化石墨烯的還原一般分為熱還原與化學還原兩種方法。熱還原是指 GO在高溫下脫除表面的含氧基團并釋放大量氣體，從而還 原并剝離GO.化學還原法是指利用具有還原性的物質對GO進行脫氧還原。2.3 石墨烯的功能化

對于氧化石墨烯還原之后的石墨烯，可以用非共價鍵改性，通過工業(yè)用燃料，熒光增白劑，表面活性劑高效穩(wěn)定石墨烯。

2.4 橡膠/石墨烯復合材料的結構，性能的檢測

利用紅外光譜儀測定復合物的紅外光譜圖;用X射線衍射儀（XRD)測定復合物的衍射譜圖;用發(fā)射掃描電鏡(SEM)分析復合物的形貌；用電子萬能試驗機測試式樣力學性能。3 橡膠/石墨烯橡膠納米復合物的制備方法

目前制備石墨烯/橡膠復合材料的制備方法主要有三種，即膠乳共混法，溶液共混法，機械混煉法。3.1 膠乳共混法 利用超聲輻照膠乳和原位還原法(ULMR)制備石墨烯均勻分散的石墨烯/NB復合材料的方法，解決了石墨烯在橡膠基體中的分散和剝離問題，橡膠復合材料的力學性能大幅度提高[1].通過膠乳混合-靜態(tài)熱壓和硫化方法制備了具有石墨烯導電網絡的石墨烯/NR納米復合材料[2].黃光速等通過膠乳法分別制備了石墨烯/NR和石墨烯/丁苯橡膠(SBR)復合材料，并研究了材料的硫化機理[3].Kim等[4]通過膠乳法制備了石墨烯/SBR復合材料，發(fā)現(xiàn)橡膠材料的熱穩(wěn)定性和導電性能得到了顯著提升.Schopp等[5]通過膠乳法制備了常規(guī)和新型碳系填料(炭黑,碳納米管,石墨烯)填充的SBR復合材料，發(fā)現(xiàn)不同填料類型、填充量、填料分散方法對復合材料性能的有影響，其中，石墨烯對SBR復合材料的力學性能、電性能以及氣體阻隔性能的提高最為顯著.3.2 溶液共混法

Lian等[6]通過溶液共混法制備了石墨烯/丁基橡膠(IR)復合材料,橡膠機械性能得到顯著的提升.Sadasiviuni等[7]用馬來酸酐接枝丁基橡膠(MA-g-HR)，通過溶液法制備得到了石墨烯/MA-g-HR納米復合材料.Bai等[8]利用超聲將氧化石墨烯分散到二甲基甲酰胺，將丁腈橡膠(NBR)溶于四氫呋喃，然后將氧化石墨烯分散液加到橡膠溶液中，再經超聲、分散、干燥、雙輥混煉和熱壓硫化得到了氧化石墨烯/NBR復合材料.3.3 機械混煉法

Mahmoud等[9]最早通過機械混煉法制備了石墨烯/NBR復合材料，并研究了石墨烯對材料的循環(huán)疲勞的影響.Al-solamy等[10]先利用雙輥開煉機對復合橡膠進行機械混煉，然后將復合橡膠模壓成面積為1cm2、高1cm的圓柱體，最后熱壓、硫化得到石墨烯/NBR復合材料,并研究了復合材料的導電性能，提出了導電橡膠納米復合材料壓阻效應的微觀結構模型.Das等通過機械共混法分別制備了石墨烯、膨脹石墨(EG)、CNTs、EG/CNTs雜化填充SBR納米復合材料，并對4種復合材料的電性能和力學性能做了對比.Dao等[11]通過鋁三仲丁醇在DMF水溶液中處理石墨烯制備出氧化鋁涂覆氧化石墨烯納米片復合填料.3.4 其他方法。

Castro等[12]采用氣相沉積法在聚苯胺/乙丙橡膠復合導電橡膠中趁機石墨烯的方法制備了新型有機電導材料；Cheng等[13]以金屬鎳泡沫為模版，通過CVD法制備了三維石墨烯泡沫，再將二甲基硅橡膠澆筑到石墨烯泡沫中制備石墨烯/合成橡膠復合材料；Zhan等[14]報道了將化學還原的石墨烯自組裝到NR膠乳粒子表面，在不經過開練配合的情況下直接靜態(tài)熱壓硫化，制備了具有石墨烯“隔離”網絡結構的NR復合材料（NRLGES）；Wang等[15]在玻璃基板上通過層-層的靜電組裝制備了聚乙烯亞胺/羧基丁腈橡膠多層膜材料.4結論與展望

石墨烯具有優(yōu)異的物理和電特性，作為橡膠納米填料，具有非常高的增強效率和效果，同好似還可以賦予橡膠材料其他特性如導電性，導熱性，改善其機械性能和氣體阻隔性能等，對橡膠制品的高性能化和功能化具有特別的意義。

石墨烯/橡膠復合材料的制備方法的核心問題是在集體中均勻有效的分散與分布石墨烯填料。目前常用的復合方法有：膠乳共混、溶液共混和機械混煉，一般采用溶液共混和膠乳共混制備的復合材料中石墨烯分散均勻，因此復合材料具有更優(yōu)異的性能。GO表面的含氧基團能有效增強與極性橡膠的界面作用；還原石墨烯比表面積大且存在“褶皺”結構，因此其與大多數(shù)非極性橡膠如NR，SBR等有較強的界面結合。通過石墨烯的表面修飾可以進一步提高街面作用和石墨烯分散，從而提高復合材料性能，總的來說，石墨烯可以有效的增加各種橡膠基材的導電性，導熱性，機械強度和氣體阻隔性。

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第四篇：納米保鮮技術論文

納米保鮮技術

摘要：概述了納米保鮮技術和國內外幾種新型的保鮮技術，以及納米保鮮技術的優(yōu)越性，重點介紹了納米保鮮劑以及納米包裝材料在食品保鮮中的應用，并討論了其前前景以及安全性。

隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的進步，人們對事物儲存的要求也越來越高，相比于傳統(tǒng)的腌漬，脫水等食物儲存，人們越來越青睞于新鮮的食物，先比于傳統(tǒng)的食物保存方法，保鮮食物更加健康口感也更加突出。而相比于幾種常見的保鮮技術，納米保鮮又有諸多的優(yōu)點，受到了諸多的關注。(一)幾種傳統(tǒng)的保鮮技術：

1.干燥法：僅適用于糧食，對水果等不適用

2.化學試劑保鮮法：化工產品含有多種對人體健康有害的成份和物質。有害的毒素殘留不但危害人體健康、污染環(huán)境，造成動植物群體的更大危害，而且成本高、操作不便。

3.食品添加劑保鮮法：大都采用高錳酸鉀、山梨酸鉀、倍酸脂、多菌靈、抗生素及甲醛等防腐劑。這類有害物質危害人體健康，主要損傷和抑制ＤＮＡ復制和代謝，有的直接損傷細胞，使人體誘發(fā)多種疾病。

4.電冰箱保鮮法：電冰箱僅僅具有制冷的作用，并不具備保鮮功能，無法抑制細菌和殺死病毒。同時電冰箱也會產生電磁輻射，影響人體健康，且儲藏數(shù)量有限，風味不佳，高耗能源。

5.微凍技術，僅使用于海鮮類產品，且暫不成熟，不具備推廣運用條件。

6.氣調保鮮法：相比于以上幾種保鮮方法有明顯的優(yōu)點，但是其一是設備投資大。、一般小型企業(yè)和個體私營戶都難以實現(xiàn)，氣調保鮮雖然優(yōu)于冷藏，但是仍會是食物的口感品質下降，口感和色澤改變，風味和口感也大不如以前。且冷藏的管理復雜，費工費時并大量耗費電能，也不能很好解決食品運輸過程中的保鮮問題，同時造成了成本高，加重了終端消費者的經濟負擔

我們需要新型的保鮮技術，隨著納米技術的發(fā)展，納米在食物保鮮方面的作用也越來越受到重視，納米保鮮劑正是時代發(fā)展的產物，中國果蔬產量居世界領先地位，年均生產水果一億噸，蔬菜３.５億噸。但是，由于受到保鮮技術和儲備能力的制約，流通過程中果蔬年損失率高達25—30％。而美國的果蔬損失率僅為1.7—5%，相比之下，中國的果蔬損失指數(shù)比發(fā)達國家的美國高出23.65個百分點。也就是說，中國農民每年生產的水果和蔬菜就有近四分之一被白白地損失！

（二）納米保鮮劑

保鮮劑廣泛廣泛適用于任何品種的瓜果、水果、蔬菜、花卉、肉類、禽蛋、海鮮、食用菌等食品的保鮮貯藏，且有效提高了果蔬品質。克服了時間短，容量小，有毒副作用，操作不便，成本高的弊端，國外很多國家都在使用，中國市場尚處于起步階段，但前景廣闊

1.納米保鮮劑的優(yōu)點：

A吸附性：ＰＳＬＴ材料具有很強的雙重吸附性，巨大的比表面積不但可以吸附大量的農藥殘留、有害毒素、有害重金屬，還可以分解乙烯氣體和抑制細菌。

B溶出性：由于ＰＳＬＴ材料中的有益元素溶出率高，可以供給其保鮮產品所缺少的礦物質、微量元素、中量元素和稀土元素（果蔬產品在田間生長時靠土壤來供給能量，而在保鮮儲存期間則有納米保鮮劑提供養(yǎng)分有效延長其生命）。

C對各元素的雙向調節(jié)作作用：使用ＰＳＬＴ產品可對常量和微量元素的含量進行雙向調節(jié)。若缺少的元素或離子，加入ＰＳＬＴ材料能溶解補充；而已有的或過多的，因“同離子效應”使其不溶解或產生結晶沉淀以減少它的含量，使其被保鮮果蔬產品達到生物體需要的最佳營養(yǎng)平衡狀態(tài)，健康自然存活。

D PH雙向調節(jié)作用：用ＰＳＬＴ保鮮食品，其ＰＨ值呈弱堿性，而且鉀、硅等元素的含量明顯提高。因ＰＳＬＴ材料可將ＰＨ值４調至６以上，ＰＨ值１０調至７左右，即根據物體所需進行雙向調節(jié)至接近中性或弱堿性。在弱堿性條件下，微生物難以生存，并造成有害病菌擠出性死亡；而羥基自由基特性可造成細菌脫水性死亡(而不同于傳統(tǒng)的殺菌劑來毒殺病菌)，因此被保鮮的產品不會腐爛變質。

D無緣遠紅外線輻射：對于被納米保鮮劑保鮮的產品其體內的水分在共振的條件下處于微循環(huán)狀態(tài)呈生物活性，其水分不容易流失。植物和動物都屬于生物。比如：豬圈里的豬是活的，其血液是流通的，豬的水分就不會流失豬也不會腐爛，而一塊豬肉的水分就容易流失、風干或者腐爛。類同于，一個人的血液如果沒有發(fā)生病變就不會導致人的死亡。因此，對所有含水分新鮮的產品都具有保鮮的作用，而且水分越大保鮮期越長。并可以使食品提升品質，改善口感，增加營養(yǎng)。

由于以上五個方面的特性，因此在采用納米保鮮劑時需求的環(huán)境（室內）溫度（常溫）零下6度至零上35度即可保鮮，而不需要苛求低溫冷藏，因為果蔬產品在大田里生長期間即遇到過低溫也遭受過高溫并未致其變質，當然大多數(shù)產品不能在零下儲存，我們在采用納米保鮮劑時為方便管理和規(guī)范體積用到的容器，本身可起到保溫與隔熱的作用。所以在采用納米保鮮產品過程中不需考慮溫、濕度，常溫即可。

2納米保鮮劑的特點:

1、保鮮范圍廣：對果蔬、根莖類、肉制品類、食品類、動物標本類、花卉、禽蛋、食用菌、飲料、奶茶等所有含水分的產品都有非常理想的保鮮效果。

2、成本低廉：ＰＳＬＴ納米生物材料是無機成分(類似于永久性磁鐵及吸鐵石)，性能穩(wěn)定，幾乎不會衰變。數(shù)十年間可持續(xù)不斷地發(fā)揮作用，因此可以反復使用。只有被棄置或散落丟失時，其功能才隨之“消失”。所以保鮮成本非常的低廉，是其他任何保鮮措施無法取代的。

3、效果獨特：貯存任何食品6－8小時后可達到有機活性標準。使變褐帶味的生肉8小時后復鮮，煮米飯可使米飯增白，且一周不會發(fā)餿，能提高產品品質，是食品的天然改良劑和脫毒劑；

4、保鮮期限長：所有含水分的產品都可以用普斯利通保鮮劑進行保鮮，且其所保鮮的產品含水份越大保鮮期越長，也就是說保鮮期和果蔬產品所含的水分是成正比的。大致來說，具體的保鮮期還因我們所要保鮮的產品的品種、產地、貯藏時的成熟度、貯藏的時節(jié)和貯藏條件都有關系。如：西瓜的水分占85%所以其保期可達1年；瓜果、水果、蔬菜、嫩玉米、棗、薯類水分占到65%其保期在6個月以上；豆角、辣椒、茄子等保期在5個月以上；由于黃瓜的呼吸強度大保期僅為4個月；草莓、荔枝、櫻桃、檳榔保期兩個月；肉類、海鮮、花卉、食用菌、葉菜、野菜、面包食品等保鮮期為2個月以上。

5、安全健康：納米生物脫毒保鮮劑能吸附有機物、重金屬而用于環(huán)保處理毒水毒氣；具有消炎止痛、吸毒排毒收斂功能而用于制藥；能抑菌殺菌而用于美容保健；能溶出人體所需的微量元素又能吸附水中的氯氣除去重金屬和異味，可制作優(yōu)質PSLT納米生物礦泉水；用于浸種育苗，使秧苗健壯，作物繁茂，提高作物品質，增產明顯；用于釀造，可提高酒品質除去酒中惡醉成分，使酒變得更香醇；能除去飼料中污染物，使動物健康發(fā)育，促進生長，提高禽類產蛋率、延長產蛋期；用它培養(yǎng)花木效果更佳，促進花木生長發(fā)育，使花朵更鮮艷等。

但PSLT納米生物材料在某種意義上講更適宜于人體，PSLT納米生物礦泉水是人體“細胞洗滌劑”，能排除人體內積累的有害重金屬，而使體內細胞起死回生。PSLT生物納米中微量元素分布曲線與生物體水分中微量元素分布曲線相吻合，能使水分中微量元素達到平衡，對人體健康大有益處。

3納米保鮮劑的現(xiàn)狀：

雖然這方面的研究很多，但是成品少，效果也不是很盡如人意，市場上也有很多類似的假冒產品，其安全性也有待考證，但是這也新型的保鮮技術為人類未來的生活帶來了無限的可能，國內外也有很多專家企業(yè)致力于這方面的研究，發(fā)展速度快一旦成熟將帶來巨大的經濟效益

對于不怕擠壓的果蔬產品，比如西瓜、土豆、紅薯等，利用普通民房果窖、防空洞、地下室就地成垛碼放，按比例、間距夾放保鮮劑即可。

用于超市貨架展臺保鮮時，在展臺上面按比例、間距擺放好保鮮劑后，在上面堆放果蔬、食品、等任何含水分的新鮮產品均可。

納米保鮮劑可反復使用，且永不失效，在電冰箱或者其他箱子、盒子、柜子的六面內壁用雙面膠粘貼保鮮劑后，不用電的納米保鮮盒、保鮮箱、保鮮柜就誕生了，且效果理想、節(jié)能環(huán)保、健康安全，永久使用，不遠的將來將走進千家萬戶。

（三）納米包裝材料

果蔬采摘后持續(xù)的生命活動主要表現(xiàn)為呼吸作用，其實質是在各種酶的參與下，經過一系列中間反應進行的一個緩慢的生物氧化與還原過程。其間組織中復雜的有機物分解成簡單物質，最后生成二氧化碳和水，并釋放出熱量。理想的保鮮材料應當既要保持果蔬呼吸作用，維持其緩慢的生命活動，但又不會破壞其正常的新陳代謝。另外，果蔬的保鮮在很大的程度上依賴于水分的適度保持。儲運期間的呼吸要消耗水分，此外，多種因素也會造成部分水分的蒸發(fā)。果蔬水分損失的內因是由它們的組份性質所決定，而一般外部因素則更起著主 導作用，環(huán)境溫度、濕度、光照、等。新鮮果蔬最常使用氣調包裝技術，其保鮮機理主要是依賴包裝膜材料高分子鏈熱振動形成的間隙為氣體分子透過的通道。這就要求通過氣體滲透，保持包裝內部的氣體組分對果蔬保鮮的最佳比例。但在實際應用中效果不是很理想。因此研制更為理想的果蔬產 品保鮮包裝材料顯得非常迫切，具有重要的經濟價值和社會意義

。研究結果表明，與普通包裝材料相比，納米包裝材料在某些物理、化學、生裝材料相比，納米包裝材料在某些物理、化學、生裝材料相比，納米包裝材料在某些物理、化學、生

物學性能上有大幅度提高，如可塑性、穩(wěn)定性、阻裝材料相比，納米包裝材料在某些物理、化學、生裝材料相比，納米包裝材料在某些物理、化學、生物學性能上有大幅度提高，如可塑性、穩(wěn)定性、阻物學性能上有大幅度提高，同時在白色污染日益嚴重的今天，納米包裝技術顯得尤為重要 1納米二氧化鈦在果蔬貯藏保鮮中的應用

納米二氧化鈦的光催化性一方面能夠將果蔬貯藏中產生的乙烯氧化分解成二氧化碳和水；另

一方面細菌等微生物也是由有機物復合構成，納米二氧化鈦在光線照射下產生氧化l生很強的活性自由基使蛋白質變性，從而抑制微生物的生長甚至殺死微生物。與常用殺菌劑相比，納米二氧化鈦抗菌殺菌效果迅速，滅菌徹底圓。韓永生等指出，納米TiO：具有抗菌殺毒、吸收紫外線、自潔功效及良好的阻隔性和力學性能等，可以保證包裝保持自身潔凈和防霧滴功臺

納米二氧化鈦復合薄膜可以有效地減少代謝過程納米TiO：復合薄膜可以有效地減少代謝過程中產生的二氧化碳和水以及乙烯等有害物質，抑制或殺滅微生物以減少果蔬出現(xiàn)變質與腐爛。并且避免因其他貯藏方法如化學保鮮劑所產生的環(huán)境污染，克服了目前保鮮技術的缺陷，因此二氧化鈦保鮮技術有這廣闊的前景應用

2.納米硅氧化物在果蔬貯藏保鮮中的應用

納米SiOx顆粒的適量加入有望形成牢固的納米抗菌涂膜，同時利用硅氧鍵對二氧化鈦和氧氣吸附、溶解、擴散和釋放作用，從而抑制果蔬呼吸強度，起到保鮮、保水的作用。納米SiOx的加入可能改變水分子在膜中的滲透路徑，增強復合膜的阻水性，提高保濕性。

加入納米SiOx涂膜劑，水晶梨的失重率與腐爛率都顯著小于其它涂膜液(P

納米技術是21世紀科技發(fā)展的制高點，它的迅猛發(fā)展將促進幾乎所有領域產生一場革命性的變化。目前，納米技術在果蔬貯藏保鮮中的大部分研究尚處于試驗階段，而實際應用的例子相對較少。這主要是因為納米技術的應用會使果蔬貯藏保鮮的成本加大；納米包裝材料大規(guī) 模生產的工藝要求高、程序復雜等諸多方面問題還需要進行深入細致的研究。

（三）納米保鮮的安全性

近年來，圍繞納米產品的生物安全問題發(fā)達國家也積極地展開了研究。2003年4月，R F Service(2003)在Science首先發(fā)表文章討論納米材料與生物環(huán)境相互作用可能產生的生物安全問題，并介紹了Lam研究小組的研究結果。隨后，各個領域的科學家們開始探討納米生 物安全問題，尤其是關于納米顆粒對人體健康、生存環(huán)境以及社會安全等方面是否存在潛在負面影響的問題即納米生物環(huán)境安全性

科技是吧雙刃劍，在迅猛發(fā)展的納米浪潮中，任何人都不能忽視它所帶來的一些負面影響 但是，有關納米材料的安全l生評價資料檢索結果表明，世界范圍內還沒有一個研究機構對納米 的負面影響做相關的研究，我們要利用科技，但同時也要保護好自己

第五篇：納米科學與技術

作為一名化工人，我這學期選修了課程《納米科學與技術》，很榮幸在課堂展示環(huán)節(jié)擔任過評委，我也是我們小組的組長和主講人，我想談一談自己學習這個課程的一些感受，包括準備展示材料過程和作為評委的一些收獲和體會。從學生的角度寫這些東西，希望能給以后修這門課程的同學一些借鑒和收獲。

首先，我第一次修這樣一門課程，講述科研前沿，而又有這樣一個與眾不同的結課方式，很新穎，我也很喜歡。親身去參與這個過程，真的能夠學到很多。

作為一個評委，我仔仔細細看了所有小組的展示，并按照我的判斷給出了相應的分數(shù)。26組，盡管有些小組內容有些重復，但總體來說還是五花八門的，從存儲、發(fā)電，醫(yī)學醫(yī)藥，食品安全，納米催化，到隱身防爆，等等等等，納米材料無處不在。從評委的角度，對每組的印象各有不同，總體來說，我覺得要注意以下幾點：

1，要選擇一個良好的主講人，這是每一組人給評委和老師的第一印象，不僅要口齒流

利，還要對你們的展示內容滾瓜爛熟。

2，展示的主題切入點盡量要小，不要落入泛泛而談的境地。內容要圓滿，從結構、原

理、研究前沿、優(yōu)缺點到實際應用等等，盡量將所選主題很完整的展現(xiàn)出來。一定不要選擇那些大而空的主題，在臺上對著ppt和講稿講那些自己都看不懂的東西。3，ppt做的要中規(guī)中矩，可以添加一些動畫效果等來渲染你的內容，但是千萬不要讓

ppt效果淹沒了你的內容，讓別人印象深刻的只剩下了ppt而對內容完全沒了印象。當然，還有一個問題需要注意，就是ppt顏色搭配以及字體顏色，要讓大家看的清楚，看著舒服。

4，準備工作要做好，比如要使用黑板就要提前擦好并準備好你用的粉筆等等（我就煩

了這個錯誤）.還有需要給評委和老師的文檔材料一定要提前打印好。

作為我們小組的組長，在組織我們小組準備的過程和展示過程中，我覺得要注意以下幾點：

1，在組隊之時就要考慮好每個人的專長，做到人盡其用，每個人都有任務?？梢钥绨?/p>

組隊，這樣更能擴大范圍尋找好隊友。

2，在定題之前要查閱足夠的相關前沿期刊和網站，擴大選擇范圍才能選到好主題，避

免被重復和落入俗套假大空。

3，主題內容切入點一定要小。我們組就出現(xiàn)了這個錯誤。我們?yōu)g覽了近十年納米科學

與技術應用前沿的進展，找到了納米電路、納米電池、納米管泵和發(fā)電機、納米存儲等四個非常好的話題，原理明了簡單，應用研究又熱門，而又與我們的生活息息相關。我們小組五人商討很久之后才狠心砍掉了兩個，留下了納米管泵和發(fā)電機、納米存儲兩個話題。但是最后戰(zhàn)士的時候由于內容太多而使得整個展示過程顯得很緊張很快，反而沒有選擇其中一個來集中展示來的輕松而且效果好。

4，組內分工合作要明確，這樣工作做起來才能事半功倍。最終展示材料做好以后每個

人都要詳細推敲一遍去更改和完善。正式展示之前，要模擬展示幾次，控制好時間和速度，這樣上臺之后能達到更好的效果。

最后，很感謝老師一學期來的授課教導，我收獲很多。也希望以后選這個課的學弟學妹能夠獲得更大的成長！