浅析纳米材料在生物医学领域的应用方向与特性的论文

浅析纳米材料在生物医学领域的应用方向与特性的论文（精选4篇）

浅析纳米材料在生物医学领域的应用方向与特性的论文 篇1

实验动物学在生物医学中的地位及作用

实验动物学是生命科学研究的基础和重要支撑条件。目前，几乎所有的生命科学领域的科研、教学、生产、检定、安全评价和成果评定都离不开实验动物，实验动物被称为“活的仪器”，有着不可替代的作用。在现代科学的带动下，实验动物学已发展成为一门综合性的新兴学科，其发展和应用程度被作为衡量一个国家、一个地区、一个部门或行业，特别是生物医学发展水平的重要标志。

21世纪将是高科技激烈竞争的年代，现代医学及生物高科技已成为时代竞争的热点和制高点，因此，实验动物科学倍受重视。发达国家每年都投入大量资金，以促进实验动物学的发展。实验动物在科学研究中占有重要地位，如美国生物科学课题投资的40%涉及实验动物，60%的生物学课题需要实验动物。美国肿瘤研究中心，每年的研究经费为2.2亿美元，而需要利用实验动物进行研究的课题占1.4亿美元。有人统计，我国生物医学科研课题的60%以上需要实验动物。由此可见实验动物在科学研究中所占的重要位置。1.生物医学方面

实验动物学与医学、生物学的关系尤为密切，生物医学上的许多重大发现和成就都与实验动物息息相关。正如巴甫洛夫所说：“没有对活动物进行的实验和观察，人们就无法认识有机界的各种规律。”对于医学科学来说，探讨危害人类健康的各种疾病的发病、治疗与治愈机制及其生理、生化、病理、免疫等方面的机制，无一不是通过动物实验而阐明或证实的。如在癌症的研究中，由于在肿瘤的移植、免疫、治疗等研究中使用了裸鼠、悉生动物和无菌动物，对各种肿瘤的致癌原因，尤其是化学致癌物质、病毒致癌，肿瘤的病毒、免疫、治疗等方面研究有了极大的进展。计划生育研究中有相当大的工作量是在动物身上完成的。外科中器官的移植，必须先在动物身上反复进行实验。其它疾病，如高血压、动脉硬化、肥胖症、糖尿病、肝炎、老年病、艾滋病等都需运用相应的动物模型来进行实验研究，来阐明各方面的机理，最后达到治疗和预防的目的。目前，对于生物学的研究已进入分子水平，而这一领域大部分研究材料也是来自实验动物。

2.制药和化工方面

实验动物在制药工业方面的应用非常广泛，新药的研制，必须通过安全性试验，其中包括动物的急性、亚急性及慢性毒性试验，三致试验(致癌、致畸、致突变)，有的还要利用实验动物模型进行效果试验，证明对机体无毒性或安全可靠、有效后方能申请报批，否则可能会给人类造成不可挽回的恶果。如1962年西德某药厂生产一种反应停(Thalidomide)药物给孕妇使用，结果造成畸胎儿发生率增高，给子孙后代带来灾难。药品出厂前，每批都要用实验动物进行检测，以确保绝对安全。化工产品的毒副作用对生命的影响，都是从动物实验中获得的结果。因此，实验动物在医药、化工领域里被称为“有生命的试剂”，是各种药理、毒理实验工作的重要条件，成为衡量医药、化工科学技术水平的重要标准。

实验动物也是医药工业上生产疫苗、诊断用血清、某些诊断用抗原、免疫血清等的重要材料，都是将菌毒种等接种于动物体内而制成。例如：从牛体制备牛痘苗，猴肾制备小儿麻痹症疫苗，马体制备白喉、破伤风或气性坏疽等血清，金黄地鼠肾制备乙脑和狂犬病疫苗，小鼠脑内接种脑炎病毒后的脑组织制备血清学检验用的抗原等。

3.在农牧科学方面

农业上大量使用化肥和农药，对残毒的分析检测离不开实验动物。安全性评价居农药研究开发的首位，必须用高质量的实验动物进行三致试验，急性、亚急性、慢性毒性及迟发性毒性，联合毒性，世代繁殖毒性等试验。新农药的研究开发往往因为它对人类健康有危害而告失败，因此，研究的成功率仅占合成化合物的1/30000，研究周期约需7～8年。没有合格的实验动物来做试验，而造成经济上和时间上的损失是十分惊人的。如过去大量使用有机氯农药、杀虫日米、杀蟥剂等都因后来发现有致癌作用而停止使用，但有的已对环境造成了污染。

实验动物在畜牧科学方面的应用，主要范围是疫苗制备和鉴定、生理试验、胚胎学研究、饲料营养分析、饲料添加剂、兽药的有害影响等试验，保证畜牧业的健康发展和肉、奶、蛋等畜产品的安全性。

4.轻工业科学方面

人们的吃穿用，包括食品、食品添加剂、皮毛及化学纤维、生活日常用品、各种化妆品等，特别是化学制品有害成分的影响，都要用实验动物进行安全性试验，证明对人体确实无急慢性毒副作用，无致癌、致畸、致突变作用后，方能生产和供应市场。

5.在重工业和环境保护方面

对重工业有害物的鉴定和防治，对整个环境的保护，包括废物的、气体的、光辐射的、声干扰的等方面的研究工作中，实验动物都是重要替代者。

6.在国防和军事科学方面

各种武器杀伤效力，化学、辐射、细菌、激光武器的效果和保护，以及在宇宙、航天科学试验中，实验动物都作为人类的替身提供了大量有价值的科学数据。

7.其他方面

在商品鉴定和国际贸易中，已把实验动物鉴定列为法规，它直接影响着对外贸易的数量、质量和信誉。实验动物还在交通、建筑、海洋、石油等方面具有广泛的应用。实验动物的特点决定了它应用的广泛性，因为它具有微生物和遗传背景明确，模型性状显著且稳定，纯度高，敏感性强，反应性一致，重现性好以及繁殖快、产仔多，价格相对低廉等特点。在科学研究中，它成为“活的试剂”、“活的精密仪器”，实验动物科学的发展对科技进步和经济发展起了很大的推动作用，发展实验动物科学具有重大的现实意义和深远的战略意义。

动物模型的意义

在生命科学领域中，实验研究是学科发展的基础，尤其是动物实验，是生命科学实验研究中的重要组成部分。对实验动物进行科学的繁育，以及实施严格的质量监测和管理，其目的就是使动物实验研究准确无误而更接近真实，使实验结果具有科学性和重复性。在动物实验中人们发现，动物在生命活动中的生理和病理过程，与人类或异种动物都有很多相似之处，并可互为参照，一种动物的生命活动过程可以成为另一种动物乃至人类的参照物。这样就赋予动物实验更广泛的意义，也使动物模型的建立成为可能。

科学研究是探索未知，实验研究的结果往往会出乎意外，不受人为的控制，所以关乎人类本身的研究，在人体上进行试验，风险很大；对一些数量很少的珍稀动物，或一些因体型庞大，不易实施操作的种类，往往用取材容易，操作简便的另一种动物来进行实验研究，代替人类或原来的目标动物，这就是动物实验。为了保证这些动物实验更科学、准确和重复性好，用各种方法把一些需要研究的生理或病理活动相对稳定地显现在标准化的实验动物身上，供实验研究之用。这就称之为动物实验中的动物模型。

生物医学研究的进展常常依赖于使用动物模型作为实验假说和临床假说二者的试验基础。人类各种疾病的发生发展是十分复杂的，要深入探讨其疾病的发病机理及疗效机理不能也不应该在病人身上进行。可以通过对动物各种疾病和生命现象的研究，进而推用到人类，探索人类生命的奥秘，以控制人类的疾病的衰老，延长人类的寿命。

人类疾病的动物模型（AnimalModelofHumanDiseases）是生物医学科学研究中所建立的具有人类疾病模似性表现的动物实验对象和材料。使用动物模型是现代生物医学研究中的一个极为重要的实验方法和手段，有助于更方便、更有效地认识人类疾病的发生、发展规律和研究防治措施。

长久以来人们发现，以人本身作为实验对象来推动医学的发展是困难的，临床所积累的经验不仅在时间和空间上存在着局限性，许多实验在道义上和方法学上还受到种种限制。而动物模型的吸引力就在于它克服了这些不足点，其在生物医学研究中所起到的独特作用，正受到越来越多的科技工作者的重视。动物模型的优越性主要表现在以下几下方面。

（一）避免了在人身上进行实验所带来的风险

临床上对外伤、中毒、肿痛病因等研究是有一定困难的，甚至是不可能的，如急性和慢性呼吸系统疾病研究进很难重复环境污染的作用。辐射对机体的损伤也不可能在人身上反复实验。而动物可以作为人类的替难者，在人为设计的实验条件下反复观察和研究。因此，应用动物模型，除了能克服在人类研究中经常会遇到的理论和社会限制外，还容许采用某些不能应用于人类的方法学途径，甚至为了研究需要可以损伤动物组织、器官或处死动物。

（二）临床上平时不易见到的疾病可用动物随时复制出来

临床上平时很难收集到放射病、毒气中毒、烈性传染病等病人，而实验室可以根据研究目的要求随时采用实验性诱发的方法在动物身上复制出来。

（三）可以克服人类某些疾病潜伏期长，病程长和发病率低的缺点

一般遗传性、免疫性、代谢性和内分泌等疾病在临床上发病率很低，例如急性白血病的发病率较降，研究人员可以有意识地提高其在动物种群的中发生频率，从而推进研究。同样的途径已成功地应用于其他疾病的研究，如血友病、周期性中性白细胞减少症和自身免疫介导性疾病等。

临床上某些疾病潜伏期很长，很难进行研究，如肿瘤、慢性气管炎、肺心病、高血压等疾病，这些疾病发生发展很缓慢，有的可能要几年、十几年、甚至几十年。有些致病因素需要隔代或者几代才能显示出来，人类的寿命期相对来说是很长的，但一个科学家很难有幸进行三代以上的观察，而许多动物由于生命的周期很短，在实验室观察几十代是容易的，如果使用微生物甚至可以观察几百代。

（四）可以严格控制实验条件，增强实验材料的可比性

一般说来，临床上很多疾病是十分复杂的，各种因素均起作用，患有心脏病的病人，可能同时又患有肺脏疾病或肾脏疾病等其他疾病，即使疾病完全相同的病人，因病人的年龄、性别、体质、遗传等各不相同，对疾病的发性发展均有影响。采用动物来复制疾病模型，可以选择相同品种、品系、性别、年龄、体重、活动性、健康状态、甚至遗传和微生物等方面严加控制的各种等级的标准实验动物，用单一的病因作用复制成各种疾病。温度、湿度、光照、噪音、饲料等实验条件也可以严格控制。

无论营养学、肿瘤学和环境卫生学等方面，同一时期内很难在人身上取得一定数量的定性疾病材料。动物模型不仅在群体的数量上容易得到满足，而且可以通过投服一定剂量的药物或移植一定数量的肿瘤等方式，限定可变性，取得条件一致的模型材料。

（五）可以简化实验操作和样品收集

动物模型作为人类疾病的“缩影”，便于研究者按实验目的需要随时采取各种样品，甚至及时处死动物收集样本，这在临床是难以办到的。实验动物向小型化的发展趋势更有利于实验者的日常管理和实验操作。

（六）有助于更全面地认识疾病的本质

临床研究未免带有一定的局限性。已知很多病身体除人以外也能引起多种动物感染，其表现可能各有特点。通过对人畜共患病的比较研究，可以充分认识同一病原体（或病因）对不同机体带来的各种损害。因此从某种意义上说，可以使研究工作升毕到立体的水平来揭示某种疾病的本质，从而更有利于解释在人体上所发生的一切病理变化。

动物疾病模型的另一个富有成效的用途，在于能够细致地观察环境或遗传因素对疾病发生发展的影响，这在临床上是办不到的，对于全面地认识疾病本质有重要意义。

因此利用动物疾病模型来研究人类疾病，可以克服平时一些不易见到，而且不便于在病人身上进行实验的各种人类疾病的研究。同时还可克服人类疾病发生发展缓慢，潜伏期长，发病原因多样，经常伴有各种其它疾病等因素的干扰，可以用单一的病因，在短时间内复制出典型的动物疾病模型，对于研究人类各种疾病的发生、发展规律和防治疾病疗效的机理等是极为重要的手段和工具。

浅析纳米材料在生物医学领域的应用方向与特性的论文 篇2

关键词：纳米金,化学制备法,生物医学

纳米金具有特殊的光学性质、电学性质、化学性质以及良好的生物相容性[1], 这使它在分子生物学、医学检测等领域具有广阔的应用前景。

1化学法制备纳米金的方法

化学法制备纳米金的方法主要有氧化还原法、微乳液法和微波法等。下面就介绍几种常用的纳米金的化学制备方法。

1.1 氧化还原法

把还原剂如硼氢化钠、磷、柠檬酸三钠等加入高价金离子溶液中, 金离子被还原而得到金纳米粒子。

T Yonezawa等人分别用两种方法得到了稳定的纳米金, 两种反应都是以硼氢化钠为还原剂。一种是在碳氟化合物中制得稳定的纳米金, 此反应是以[Au Cl4]-为氧化剂, 氟化烷醇类化合物为稳定剂[2];另一种以4条链的二硫化物配体作为稳定剂, 制备稳定的纳米金, 通过这种配体能更好地控制纳米粒子的粒径[3]。

1.2 电化学法

此法制备纳米微粒的优点为操作简便、可控程度高、产率高、易分离等, 通过改变表面活性剂的浓度及用量、通电方式等途径, 获取不同形貌和粒径的纳米金。

沈明理等人以铂片和金片分别作电极的阴阳极, 以十六烷基三甲基溴化铵、四辛基溴化铵、丙酮及环己烷的混合体系作电解液, 超声电解10 min, 通过递增电流电解和恒电流电解两种方法, 分别主要获得粒径为10~40 nm球形、哑铃形及棒状的金纳米粒子和球形及哑铃形的金纳米粒子。

1.3 微乳液法

该法是将表面活性剂溶解在有机溶剂中, 成为相对稳定的热力学体系, 制备的金纳米粒子大小均匀、颗粒直径约为10~20 nm。

Chiang的实验证实:按一定比例将水、异新烷、气溶胶和山梨醇脂肪酸酯混合均匀, 即可制得微乳液, 再用肼还原[Au Cl4]-, 最终可获得密度相对均匀的纳米金。

1.4 微波法

该方法有许多优点:反应速度快, 加热速度快, 可有效缩短反应时间, 制得的纳米粒子尺寸相对较小, 粒径分布范围窄, 并且纯度较高。

蒋治良等人制备不同粒径的纳米金的方法如下:取1.0 m L浓度为22.8 mg/L的Au3+溶液放在80 m L微波反应罐中, 加入适量的柠檬酸钠溶液 (1.0%) , 加蒸馏水至10 m L, 将罐盖拧紧, 混匀, 再放在功率为480 W的微波炉中, 辐射约4 min后, 取出冷却即得。

2纳米金在生物医学领域的应用

2.1 生物检测中的应用

纳米金与寡核苷酸二者聚合时表面等离子共振峰发生了红移, 同时产生了由红到蓝的颜色变化。此变化对于DNA探针技术非常重要。

Mirkin等人在开创性的用寡核苷酸修饰纳米金做成识别碱基的DNA探针后, 继续深入研究了温度等各种热力学因素对DNA与纳米金结合的影响, 以及DNA与纳米金在连接以后, 纳米金光学性质和DNA解链温度二者的变化情况, 其研究成果奠定了纳米金探针检测DNA的理论基础。时至今日, 纳米金探针光学检测法的研究已经被广泛的应用于DNA突变、乙酰胆碱酶等物质的检测中。

随着纳米金直径减小, 比表面积增大, 表面原子数增多及表面缘于配位不饱和性导致大量的悬键和不饱和键等, 这就使得纳米金具有很大的生物活性和很好的催化作用, 能明显提高参加生化反应的生物大分子的活性和选择性。

现如今, 纳米金标记技术已经发展成为现代四大免疫标记技术之一。该技术被广泛的用于标记细胞表面和细胞内的多肽、蛋白质、抗原等生物大分子。利用纳米金与不同的抗体相结合形成稳定的复合体, 能给与抗体结合的不同组织细胞贴上标签, 该复合体在显微镜下的光吸收和光散射能呈现出各自的特征颜色。

2.2 肿瘤治疗与细胞成像中的应用

纳米金具有较好的光学特性, 经近红外光照射后, 光热效应可以杀死肿瘤细胞。Hirsch等人在老鼠体内进行了肿瘤细胞切除研究, 对纳米金进行了生物修饰, 发现一定量的近红外光能消灭修饰后的纳米金与癌细胞结合而成的特异性细胞, 而且不伤害其临近的组织。

另一方面, 纳米金可选择性标记癌细胞, 采用暗场光学显微镜实现癌细胞成像, 从而有希望在疾病的诊断和监测中得到应用。Huang等人将纳米金与抗表皮生长因子受体 (anti-EGFR) 抗体结合, 能够特异性地结合在头颈部癌细胞表面, 通过近红外光照射便可实现癌细胞的成像效果。

近年来, 纳米金与双光子及荧光探针技术的结合成像很好的实现了其在活体内进行肿瘤组织检测的可能性, 并且这项技术在实验研究中已经日趋成熟。Durr等人和Wang等人就利用TPL显微镜分别实现了纳米金在上皮肿瘤细胞中和小鼠耳缘静脉中直接成像的检测。

3小结

生命科学的持续走热, 尤其是对活体的研究, 成为国际生物医学技术领域的前沿和热点, 纳米金自身所具备的理化特性以及良好的生物相容性, 在疾病的诊断、治疗和卫生保健等方面发挥着重要的作用, 因而它有着极大的应用潜力。

参考文献

[1]T Yonezawa, K Yasui, I N Kim.Controlled formation of smaller gold nanoparticles by the use of four chained disulfide stabilizer[J].Langmuir.2001, 17:271-273.

[2]沈明理, 姚建林, 顾仁敖.金纳米粒子的电化学合成及光谱表征[J].光谱学与光谱分析, 2005, 25:1998-2001.

浅析纳米材料在生物医学领域的应用方向与特性的论文 篇3

【关键词】超声波；特性；医学诊断；应用价值

【中图分类号】R722.12 【文献标识码】B【文章编号】1004-4949（2014）08-0488-02

1资料与方法

1.1临床资料

选取我院于2008年7月到2013年3月收治的84例出现首发右下腹痛、疑似急性阑尾炎患者，对其临床超声声像资料进行回顾性分析。男49例，女35例，年龄为13-81岁，平均年龄为44.7±2.4岁。主要临床体征表现为：合并中性粒细胞计数以及白细胞技术呈现上升趋势，患者均出现不同程度的反跳痛以及右下腹部的压痛。

1.2方法

分析超声声像临床资料，并对其进行回顾性分析。均采用超声诊断仪对患者进行临床诊断。患者均采用仰卧体位，如有必要可保证膀胱充盈。先用低频探头检查患者全腹，而后采用高频探头检查。将右下腹处麦氏点作为中心点，向四周进行扫查，重点扫查探头压痛最明显的身体部位，如在肠管内聚集过多气体，可通过对局部适当加压将气体排除，避免因气体干扰而影响正常的对阑尾的超声检查，对阑尾壁厚度、回声、形态、带下以及位置进行记录，并记录周围的组织结构超声特点

1.3超声波特性

1.3.1超声波具有能量传递的特性

因超声波强大的功率，目前各行各业广泛应用超声波。在超声波作用下，物质分子可以获得巨大能量，也就是说，超声波自身提供足够物质分子所需功率。

1.3.2超声波的吸收特性

超声波在各种物质中进行传播时，会因传播距离的增加，传播强度会有所下降。在通过同一物质进行传播时，其频率越高，吸收性越强。

1.3.3超声波的束射特性

一般超声波波长较短，所以超声波射线具有一般光纤的特点，可进行反射和折射，也可以聚焦，且超声波的束射特性是符合几何光学上的定律的。

1.3.4多普勒效应

超声波具有一般波的特性，可产生多普勒效应。多普勒效应指：相对于介质，声源在发生运动时，会出现介质发出的频率与接收到的频率不一致情况。在临床医学中，多通过多普勒效应对血流速度进行检测。

1.3.5超声波的声压特性

声波进入到某种物质后，因声波的振动，物质分子会产生压缩以及稀疏作用，在该种压力作用下物质分子会产生相应的变化。超声波本身的能量较大，在超声作用下，物质分子会产生强大的声压作用。

2结果

所选取的89例患者中，其中超声诊断的准确率为83.1%（74/89）。其中57例患者经过病理检查、临床手术检查以及超声诊断，被确诊为急性阑尾炎；5例患者经超声诊断后，疑似急性阑尾炎，临床对患者采用抗炎方法实施对症治疗，患者病症好转且逐渐消失，患者病症被确诊。其中78例患者患者经过病理检查以及临床手术检查诊断结果如下：右侧输尿管下段结石以及右肾积水3例，右侧卵巢囊肿蒂扭转2例，右侧卵巢黄体破裂2例，阑尾周围脓肿1例，急性单纯性阑尾炎17例，坏疽穿孔性阑尾炎9例，急性化脓性阑尾炎40例。

3超声波在医学诊断中的应用

超声波在医学领域中的应用包括两大方面：超声诊断和超声治疗。超声诊断研究如何利用各种组织声学特性的差异来区分不同组织，特别是区分正常和病变组织。超声诊断是借助超声波在人体组织中的传播、反射散射、吸收衰减和多普勒效应等物理现象，提取病灶信息，并转换为电信号，作为诊断的依据。

如今，超声诊断仪已由一维发展到三维，由静态发展到实时，回波信息量大大增加，生物体内的病灶愈加清晰易辨。目前医学应用的超声诊断方法有不同的形式，可分为A型、B型、M型及D型。医生可根据切面图像的形态、灰度、组织结构、边界回声、回声总体分布、脏器后方情况及周围组织表现等做出综合判断。现在超声诊断仪由于出现多探头阵列声成像技术，为采用各种信息处理带来了方便。将电子计算机技术引入超声诊断，它将获取超声通过脏器的传播时间及幅度或衰减随频率的变化数据，经过信号数字处理、综合后再给出组织的切面图像，从而产生了超声CT技术，这种技术能得到活体组织内部超声参量的空间分布。对于1MHz的超声，切面图像的分辨力可到5mm，目前已进入临床试验阶段。计算机技术还可以抑制假信号，使声像图更为清晰，甚至还进行了把两套二维成像合成一个三维立体像的尝试。

结束语：

综上所述，医学超声成像系统想更高层次发展，其目标主要是：利用更多的声学参数作为载体，以获取体内更多的生理、病例信息；提高图像质理，使图形清晰；显示更为细微的组织结构。总之，超声诊断技术发展迅速，已从形态学过渡到生物力学、生物物理学的分析阶段，即从静态到动态，从定性到定量，从模拟到全数字化，从二维到三维显示，多普勒彩色血液显示代替了创伤性导管检查，使超声图像的质量和分辨率大幅度提高，提高了临床诊断好应用的范围。由此可见，超声诊断技术不仅现在已给人类带来了巨大的利益，同时还有极为广阔的开发前景。

参考文献

[1]刘晶彬.超声波的特性及在医学诊断中的应用价值[J].医学信息，2011，24（6）：4005-4006.

[2]吐尔逊纳依？纳孜尔，翁萍.经阴道彩色多普勒超聲诊断异位妊娠的临床价值[J].医学影像学杂志，2010，20（8）：1226-1227.

[3]王锦荣，马海龙.彩色多普勒超声诊断闭合性腹腔脏器损伤的临床应用[J].中国社区医师（医学专业），2010，15（26）：138-139.

浅析纳米材料在生物医学领域的应用方向与特性的论文 篇4

题 目：金属基复合材料在航空领域的应用与发展

学 院： 化学与化工 专业及班级： 无机121 年 级： 2012级 学生姓名： 严红梅 学 号： 1208110439 教

师：

张

煜

2014

年月

日

金属基复合材料在航空领域的应用与发展

严红梅

（贵州大学

无机121班）

【摘要】：介绍了金属基复合材料的构成、分类，以及性能特点分析了铝合金和钛合金复合材料的性能。讨论了金属基复合材料在航天器结构材料、热管理系统、电子封装、惯性器件、光学仪器和液体发动机中的典型应用。【关键字】 复合材料，金属基，性能，应用。

引言

金属基复合材料（简称 MMC）是以金属、合金或金属间互化物为基体、用各类增强相进行增强的复合材料。它是复合材料的一个分支。近代科学高新技术的迅速发展，特别是航空和航天应用技术的发展，对材料的要求越来越高。除了要求材料具有高强度、高模量、耐辐射、低热胀、低密度、可加工性外，还对材料的韧性、耐磨、耐腐蚀及抗蠕变等理化性能提出种种特殊要求，这对单一的某种材料来说是很难都具备的。必须采用复合技术，把一些不同的材料复合起来，取其所长来满足这些性能要求。金属基复合材料就是在这样的前提下产生的。这些年来 MMC得到了广泛关注，并在航空和航天工程中取得了应用的成果。据美国航天局预测：金属基复合材料将成为本世纪空间战、卫星和空间飞行器的主要结构材料[1]。正文

1金属基复合材料的分类

MMC 通常按增强相形态分为连续纤维增强 MMC 和非连续增强（颗粒、晶须、短切纤维）MMC两大类，最常用的增强纤维为碳纤维（Gr）、硼纤维、碳化硅（SiC）纤维、氧化铝（Al2O3）纤维。晶须和颗粒增强体有碳化硅、氧化铝、碳化钛（TiC）、氮化硅（Si3N4）等。MMC 也可以按金属基体类型分类，分为铝基、镁基、铜基、钛基、钛铝互化物基等 MMC。其中铝基镁基 MMC 使用温度在 450℃以下、钛基和钛铝互化物基 MMC 使用温度 450～700℃，镍基钴基 MMC 可在 1200℃下使用。铝基 MMC 是各国开发的重点，我国亦已列入相关计划。连续纤维增强 MMC 中由于纤维是主要承力组元，而且这些纤维在高温下强度很少下降，因此 具有很高的比强度和比刚度，在单向增强情况下具有很强的各向异性。其中连续纤维增强钛合金基复合材料，已成为竞争力很强的高温结构材料。由于制造工艺复杂，且有些长纤维（如硼纤维）价格十分昂贵，基体仍起到主要作用，其强度与基体相近，但刚度、耐磨性、高温性能、热物理性能明显增强，制造工艺也相对简单，技术难度较小，可以在现有冶金加工设

备基础上工业化生产，成本较低。例如，非连续纤维增强的铝基复合材料开发已比较普遍，但它的增强作用也主要是体现在重量的降低和刚度的提高。

2金属基复合材料的性能特点

金属基复合材料集高比模量、高比强度、优良导热和导电性、优良尺寸稳定性和耐高温性能于一体，是近年来复合材料研究的热点。其具体性能取决于所选金属基体和增强材料的特性、含量和分布。

比强度和比模量

基体和增强相的直接增强和基体组织变化产生的间接增强，显著地增强了材料的强度和刚性。在金属基体中加入体积份数 30～50%增强材料后，材料强度和模量就会有显著增大。和未增强金属材料的性能比较

导热性和导电性

由于金属基体在 MMC 中含量通常很高，体积份数一般为 50～70%，因此它仍旧保持金属材料所具有的良好导热和导电性。采用高导热性增强材料（如超高模量碳纤维）增强后复合材料导热率有时比纯金属还高，因此非常适合制作集成电路底板和封装件，将电子部件的热迅速散发出去。优良的导电性能，使它具有其它类型复合材料缺乏的波导功能。

尺寸稳定性

许多增强材料既具有很小的热膨胀系数（甚至是负值热膨胀系数），同时又具有很高的模量用这些材料增强的 MMC 可以使热膨胀系数明显下降，并且达到很高的模量，因此十分有利于航天部件在大幅度温度交变环境中，保持良好的尺寸稳定性，使部件实现高精度，高效率。

耐高温性能

MMC 高温性能通常优于金属材料，特别是在连续纤维增强时，由于纤维起主要承载作用，很多增强纤维在高温下强度很少下降，因此许多 MMC 的高温力学性能可保持到金属熔点，这和普通金属材料（如铝合金、钛合金）随着温度升高，强度迅速下降的特点形成鲜明对比。

可焊接性

MMC 可以采用传统的电弧焊（如气体保护焊）进行焊接，这是它和其它类复合材料加工性的显著区别。其焊接性能和基体合金类似，主要区别在于其熔池具有很高的粘度，在焊接横截面大的零件时，熔池的高粘度会阻碍零件焊透，因此必须开焊接坡口。MMC 的可焊性不仅可以用来连接结构件，而且用来补焊和修复铸件缺陷，使 MMC 具有更好的可加工性。

3在航天器上的应用

由于金属基复合材料强度、刚度、疲劳性能、热性能等良好的性质，在过去 30 年中已经受到了航天应用领域极大的关注。正如在参考文献中描述的，航空航天工业需要减轻太空推进系统和航天结构重量，金属基复合材料可提供一些潜在的优点来达到这个目的。此外，这种材料还经常伴随着良好的热传导性和低密度等特性，因此具有了高比强度和比刚度，低热膨胀系数(CTE)等优点，并且有可能根据特定应用要求来设计其性能。由于这些吸引人的性质，金属基复合材料已经被用在一些重要的航天应用中，包括航天飞机轨道器的结构管件、哈勃太空望远镜的天线波导竿，通讯卫星装置中的热管理。

结构材料

MMC 用作航天器结构材料，具有超过聚合物基复合材料的一系列性能优点（耐高温能力，老化性能、出气量、抗辐射和抗原子氧、抗热冲击、导热率、尺寸稳定性、表面缺陷敏感性等）。从上世纪 80 年代以来的一系列应用已经充分展示了它的效益。然而由于成本原因，直到现在它的应用仍限定在较小范围内。MMC 在航天中的最早应用是美国航天飞机，它的轨道器中段机身主隔框、翼肋桁架、框架稳定支柱、前起落架、制动拉杆支柱，共使用了 243 根 B/Al 复合材料管形支撑件，用体积含量 60%的单向硼纤维增强铝制成，纤维方向平行于外加载荷方向，刚度好，比铝合金减重 145kg，质量比铝合金轻 45%，效益十分显著（见图 11）。继后前苏联开发的“暴风雪”号航天飞机的卫星支架，也采用了 B/Al 管材焊接而成的桁架结构，轮廓尺寸 3m×3m，可同时放置三颗卫星。所用的硼纤维直径1400µm，在钨芯上用气相沉积法制成，断裂强度 3500MPa、弹性模量 400MPa。制成的复合材料桁架重 100kg，比钛合金轻 50～60kg，在性能方面和美国大体相当。

MMC 用作航天器天线、太阳电池阵桁架等结构也取得了成功。美国的哈勃太空望远镜的高增益天线杆结构，需要非常高的轴向刚度和极低的热膨胀系数，以保障反复出入太阳直射条件下保持尺寸稳定性。它采用 P100 超高模量碳纤维（体积分数 40%）增韧的铝 6061 基 MMC，采用扩散粘结工艺制造。杆长 3.66m，杆全长的尺寸偏差仅±0.15mm，确保了太空机动飞行时天线的方位。另外它还由于具有良好的导电性能，从而提供了波导功能，保障了航天器和天线反射器之间的电信号传输，整个部件比碳/环氧材料轻 63%。为先进太阳电池阵展开机构研制的非连续增强 复合材料可折叠大梁、中空长螺杆、特形螺母、导向摇臂，是 MMC 在航天器中的一个重要应用尝试。4.2 热管理系统和电子封装

火箭和卫星热管理系统是 MMC 的另一项重要应用，包括计算机芯片基片、大功率半导体设备和远程通信的微波元件封装。这类应用要求封装材料热导率在 4～7×10-6/K 范围

内，以保证和半导体材料及陶瓷基片的热导率匹配。非连续增强 SiC（体积份数≥50%）/Al 基复合材料具有优异的匹配性。已成为当前最佳的热管理材料。从 90 年代起已在一系列先进航天器上正式应用。如美国“摩托罗拉”公司的“铱星”，“全球定位系统”（GPS）“火星探路者”和“卡西尼”深空探测器等，取代以前采用的高密度低导热率 Cu/W 合金后，重量减轻约 80%，无论是军事效率，还是经济效益和社会效益都十分可观。MMC 本身不会漏气，而且可用焊接的连接工艺确保连续处密封，这为制成密封舱体提供了先决条件，并在电源半导体封装、微波模型上得到应用。DSCS-III 军事通信卫星等，使用了超过 23kg 的镍基复合材料用于微波封装。已研发生产的石墨颗粒增韧的铝复合材料，除了具有高的比导热率外，热膨胀系数明显降低，且各向同性，将使不连续增韧铝复合材料电子封装在太空应用中继续得到发展。

液体火箭发动机

采用 MMC 对于减轻液体火箭发动机重量和降低成本都具有显著作用，目前已受到各国重视。美国国防部和航空航天局联合提出的一项为时 15 年的改进航天推进系统性能的（IHPRPT）中，提出要使液体发动机推重比提高 60%，成本降低 20%。采用 MMC 是其重要措施之一，已开展了一系列研制和演示试验。重点是下列三类部件用的铝基复合材料。第一类是在中温下有很高刚度的部件，如法兰盘、推力室、夹套、支承结构，模量>220GPa，目前使用的是 Ni 基超级合金；第二类是较高温度下工作（≯260℃）的部件，如涡轮转和定子、外壳、高温推进剂管线等。单级泵材料强度要求为 862MPa，目前为 Ni 基超级合金；第三类是低温推进剂泵部件，包括泵体、叶轮、导流轮、导流片等，需要采用可以在-244℃下工作、强度范围 675MPa，延伸率>6%，密度<4g/cm3，热膨胀系数较低且可控的 MMC 材料代替目前的锻造 Ti 合金。目前正在根据上述目标开发各种铝基复合材料，并采用近净形加工方法。其关键技术在于控制颗粒体积份数和均匀分布。研究中的有颗粒和短纤维增强铝基 MMC，前者强度已达到 620MPa 的较高水平。针对液氧泵和管线部件的相容性要求，正在研制铜基 MMC 材料，要求 260℃下强度达 413MPa，密度<7.5g/cm3。在某些发动机部件中还正在开发镍基 MMC。【结论】

金属基复合材料已在航天系统中使用，如航天飞机轨道器和哈勃太空望远镜。虽了解各种金属基复合材料的工艺/特性的关系中得到了一系列的进展，但金属基复合材料工艺复杂，制造成本高，仍然没有被航天业广泛地接受。在发展新的航天系统中成本已经成为不得不考虑的因素，因此在将来开发时，必须集中在价格适宜、质量高的材料。另一方面，金属基体

优秀的任性和良好的耐空间环境性能是 MMC 具有优异性能的基础，加之它在很大程度上可以借鉴或沿用金属材料和树脂基复合材料工艺技术，这都决定了 MMC 在航天领域更加广阔的应用前景。

参考文献