2023年12月4日发(作者：)
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材料学科前沿讲座总结
生物医用高分子
一.引言
生物医用功能材料即医用仿生材料，又称为生物医用材料。这类材料是用
于与生命系统接触并发生相互作用，能够对细胞、组织和器官进行诊断治疗、
替换修复或诱导再生的天然或人工合成的特殊功能材料。随着化学工业的发展
和医学科学的进步，生物医用功能材料的应用越来越广泛。从高分子医疗器械
到具有人体功能的人工器官，从整形材料到现代医疗仪器设备，几乎涉及到医
学的各个领域，都有使用医用高分子材料的例子。医用高分子材料所用的材料
种类已由最初的几种，发展到现在的几十种，其制品种类已有上千种。
目前，生物医用功能材料应用很广泛，几乎涉及到医学的各个领域。其大
致可分为机体外使用与机体内使用两大类。机体外用的材料主要是制备医疗用
品，如输液袋、输液管、注射器等。由于这些高分子材料成本低、使用方便，
现已大量使用。机体内用材料又可分为外科用和内科用两类。外科方面有人工
器官、医用黏合剂、整形材料等。内科用的主要是高分子药物。所谓高分子药
物，就是具有药效的低分子与高分子载体相结合的药物，它具有长效、稳定的
特点。
二.发展历史
生物医用高分子材料的发展经历了三个阶段，第一阶段始于 1937 年，其特
点是所用高分子材料都是已有的现成材料，如用丙烯酸甲酯制造义齿的牙床。
第二阶段始于 1953 年，其标志是医用级有机硅橡胶的出现，随后又发展了聚羟
基乙酸酯缝合线以及四种聚酯心血管材料，从此进入了以分子工程研究为基础
的发展时期。该阶段的特点是在分子水平上对合成高分子的组成、配方和工艺
进行优化设计，有目的地开发所需要的高分子材料。
1目前的研究焦点已经从寻找替代生物组织的合成材料转向研究一类具有主
动诱导、激发人体组织器官再生修复的新材料，这标志着生物医用高分子材料
的发展进入了第三个阶段。其特点是这种材料一般由活体组织和人工材料有机
结合而成，在分子设计上以促进周围组织细胞生长为预想功能，其关键在于诱
使配合基和组织细胞表面的特殊位点发生作用以提高组织细胞的分裂和生长速
度。
三.基本性能要求
1. 力学性能稳定
在使用期限内，针对不同的用途，材料的尺寸稳定性、耐磨性、耐疲劳度、
强度、模量等应适当。比如，用超高分子量聚乙烯材料做人工关节时，应该用
模量高、耐疲劳强度好、耐磨性好的材料。
2. 化学性能稳定
作为生物材料，化学性能必须稳定，对人体的血液、体液等无影响，不形
成血栓等不良影响。人体是一个相当复杂的环境，血液在正常环境下呈现微碱
性，胃液呈酸性，且体液与血液中含有大量的钾、钠、镁离子，含有多种生物
酶、蛋白质、人体的环境易引起聚合物的降解、交联及氧化反应；生物酶会引
起聚合物的解聚；体液会引起高分子材料中的添加剂析出；血液中的脂类、类
固醇以及脂肪等会引起聚合物的溶胀，使得材料的强度降低。例如聚氨酯中含
有的酰胺基极易水解，在体内会降解而失去强度，经过嵌段改性后，化学稳定
性提高。
3. 与人体的组织相容性好
医用材料必须与人体的组织相容性好，不会引起炎症或其他排异反应材料，
所引起的宿主反应应该能够控制在一定可以接受的范围之内。一些含有对人体
有毒有害的基团是不能用作生物医用功能材料的，如有些添加剂对人体有害或
有些残留单体对人体有不良影响等，这都应该引起极度的警惕。有些添加剂会
随时间的变化，从材料内部逐渐迁移到表面与体液和组织发生作用，引起各种
急性和慢性的反应。
24. 无致癌性，耐生物老化
无致癌性，耐生物老化，长期放置体内的材料及物理机械性能不发生明显
的变化。生物医用药用功能材料植入人体时，除应该考虑材料的物理性质和化
学性质外，另外还应该考虑其形状因素。引起癌变的因素是多方面的，有化学
因素、物理因素以及病毒等。应用高分子材料植入人体后，其本身的性能以及
它所包含的杂质、残余单体等都有可能引起和众多副反应的发生。研究表明，
高分子材料对人体并不存在更多的致癌因素。
5. 易于加工成型并且来源广泛
除上述一般要求外，根据用途的不同和植入部位的不同有着各自的特殊要
求，如与血液接触的不能产生凝血，眼科材料应对角膜无刺激，注射整形材料
要求注射前流动性好，注射后固化要快等。作为体外时用的材料，要求对皮肤
无害，不导致皮肤过敏，耐汗水等侵蚀，耐消毒而不变质。人工器官还要求材
料应具有良好的加工性能，易于加工成所需的各种复杂形状。总而言之，不同
的用途有着许多特殊的要求。
四、医用高分子材料分类
1. 高分子人造器官
高分子人造器官主要包括人造心脏、人造肺、人造肾脏等内脏器官；人造
血管、人造骨骼等体外器官；人造假肢等。由于这些人造器官需要长时间与人
体细胞、体液和血液接触，因此此类材料除了需要具备特殊的功能外，还要求
材料安全无毒，稳定性好，具备良好的生物相容性。大多数的高分子本身对生
物体并无毒副作用，不产生不良影响，毒副作用往往来自于高分子生产时加入
的添加剂，如抗氧剂、增塑剂、催化剂以及聚合不完全产生的低分子聚合物。
因此对材料的添加剂需要仔细选择，对高分子人造器官应进行生物体测定。人
造器官在使用前的灭菌也是重要的一个环节。另外，人造器官要求在使用条件
下材料不能发生水解、降解和氧化反应等。
2. 高分子治疗材料
3用于治疗用的功能高分子材料主要包括牙科材料、眼科材料、美容材料和
外用治疗用材料。对这种材料的基本要求首先也是稳定性和相容性好，无毒副
作用；其次才是机械性能和使用性能。例如，人工晶状体以前多用硅玻璃水晶
体，后采用硅橡胶球，也可以用甲基丙稀酸环和甲基丙烯酸丁酯的共聚物来提
高其折光性和韧性。20 世纪 80 年代初，聚乙烯醇水凝胶被用来制造人工玻璃
体，PVA 水凝胶的特性与玻璃体比较接近，注入后可以与玻璃体完全融合。
3. 高分子包装材料
用于药物包装的高分子材料正逐年增加。包装药物的高分子材料大体上可
分为软、硬两种类型。硬型材料如聚酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等，由于其强度
高、透明性好、尺寸稳定、气密性好，常用来代替玻璃容器和金属容器，制造
饮片和胶囊等固体制剂的包装。新型聚酯聚萘二甲酸乙二醇酯除具有优异的力
学性能及阻隔性能外，还有较强的耐紫外线性，可用于口服液、糖浆等的热封
装。软型材料如聚乙烯、聚丙烯、聚偏氯乙烯及乙烯-醋酸乙烯共聚物等，常加
工成复合薄膜，主要用来包装固体冲剂、片剂等药物。而半硬质聚氯乙烯片材
则被用作片剂、胶囊的铝塑泡罩包装的泡罩材料。至于药膏、洗剂、酊剂等外
用药液的包装，则用耐腐蚀性极强且综合性能优良的聚四氟乙烯来担任。
五、小结
医用高分子的发展已经渗透到医学的各个领域，但离随心所欲地应用高分
子医用材料的目标尚有许多差距。传统的医用高分子材料多采用聚甲基丙烯酸
甲酯、聚碳酸酯作为硬组织材料，但它们的性能还远远不够。医用高分子材料
在许多方面尚有待进一步发展。
迄今为止，许多人工脏器还不能解决凝血问题，异体材料的抗凝血性已成
为医用高分子材料发展的一个重要的问题，制备生物相容性好、具有抗血栓性
能的材料已成为目前的一个重要的课题。研究开发混合型人工脏器，将生物酶
和生物细胞固定在高分子材料上，制备具有生物活性的人工脏器已取得很大的
成就。
4医用材料近些年来研究效果显著，但目前仍然处于经验和半经验阶段。由
于医用材料与肌体组织在结构、功能、代谢、生物化学行为和生物力学特性方
面具有差异，这些材料往往被生物体看作异物，从而不被生物体接受。考虑如
何才能使植入材料整合，使得组织重建并建立在分子设计的基础上以材料的结
构与性能关系、材料的化学组成表面性质和生命体组织的相容性之间的关系为
依据，从而研究开发新材料才是重要课题。
PVC
复合材料
一、引言
二十世纪 30 年代广泛发展起来的以塑料为代表的聚合物，已具有越来越重
要的地位。塑料工业在当今世界已成为新型的材料工业，塑料已经和钢材、木
材、水泥并列为 4 大基本材料，而今作为塑料原料的合成树脂产量多年来始终
以高速增长。到上实际 90 年代中期已经突破一亿吨。二十一世纪能源工业、材
料工业、信息工业将是世界经济的三大支柱产业。塑料工业将创造各种各样性
能的材料，为世界经济的发展注入强大的动力。PVC 作为通用树脂之一，具有
价廉、阻燃性能优良、绝缘性能好、耐腐蚀等优良的综合性能和价格低廉、原
材料来源广泛的优点，已被广泛的应用于建筑、包装及汽车工业等领域，其产
量仅次于聚乙烯(PE)而居世界树脂产量的第二位。硬质 PVC 塑料具有硬度大、
刚性和强度大、耐腐蚀、耐老化性优良、电绝缘性好等优点，且价格便宜。近
年来硬质品发展迅速，其中硬质挤出制品如管材、板材、异型材等正被用来代
替钢材、木材等制造管道、板材、建筑结构材料、装饰材料以及各种嵌条。广
泛应用于建筑、化工、医学、电子、轻工、农业及交通等部门。
我国硬质 PVC 制品比例甚小，无论在树脂品级、改性剂的研究、生产、加
工设各改良及制品市场开拓诸方面有待发展。作为结构材料，硬质 PVC 制品面
临的主要技术难点是：材料脆性大、耐热变形性差及热稳定性差、加工性能不
佳等，这在一定程度上使它的应用受到限制。为了改进这些性能，国内外自上
5世纪 70 年代起开始大规模的开展 PVC 改性的研究，内容涉及增韧、增强、提 高耐热性能、赋予 PVC 特种功能等方面，迸一步拓宽了 PVC 的应用领域。国
外常用 PVC 共混物来替代价格昂贵的工程塑料，大大提高了 PVC 的使用价值。
PVC 的增韧增强改性引起了世界各国学者广泛的关注，并展开了大量的研究工
作。
二、PVC 的改性
1. 共混改性 PVC
塑料共混改性是指在一种树脂中掺入一种或多种其它树脂(包括塑料和橡胶)。
从而达到改变原有树脂性能的一种改性方法。共混方法是高分子材料改性最常
用的方法，共混物中各聚合物组分之间主要是物理结合，共混物的形态结构取
决于聚合物之间的热力学相容性、聚合物的组分特性、实施共混的方法和工艺
条件等多方面的因素影响。PVC 与其他性能相对优良的材料共混，可以提高
PVC 的性能。如 PVC 与 ABS 共混，能提高 PVC 的拉伸强度、冲击强度和加工
性能。PVC 与 ACR 或 CPE 共混，能显著提高 PVC 冲击强度和加工性能.
制备共混物的方法主要有：1．机械共混法：将诸聚合物组分在混合设备如
高速混合机、双辊混炼机、挤出机中均匀混合。2．溶液共混法：系将各聚合物
组分溶解于共同溶剂中再除去溶剂即得到聚合物共混物。3．乳液共聚法：将不
同聚合物的乳液均匀混合再共沉析而得的共混物。溶液共混法适用于易溶聚合
物和某些液态聚合物共混物以溶液状态被应用的情况。4．共聚一共聚法：这是
制备共混物的化学方法。该法又有接枝共聚一共混与嵌段共聚一共混之分，在
制取聚合物共混物方面，接枝共聚一共混法更为重要。5 各种互穿网络聚合物
(IPN)技术,IPN 法形成了互穿网络聚合物，是一种以化学法制备物理共混物的方
法。
2. 3 纳米复合技术改性 PVC
研究表明，任何材料进入纳米尺寸(1～100nm)时都会具有奇异或反常的特
性，表面界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。这些
特性使纳米微粒结构表现出奇异的物理、化学特性，具有卓越的光、力、电、
热、放射、吸收等特殊功能。聚合物纳米复合材料是以聚合物为基体、填充颗
6 粒以纳米尺度(小于 100nm)分散于基体中的新型高分子复合材料。与传统的复
合材料相比，由于纳米粒子带来的纳米效应和纳米粒子与基体间强的界面相互
作用，聚合物纳米复合材料具有优于相同组分常规聚合物复合材料的力学、热
学性能，为制各高性能、多功能的新一代复合材料提供了可能。
近年来，利用将纳米材料分散于聚合物中以提高聚合物材料性能的研究日
趋活跃。研究较多的复合技术主要有：纳米粒子增韧增强 PVC、纳米插层复合
物增韧增强 PVC、分子复合纳米材料增韧增强 PVC、原位复合材料增韧增强
PVC、纳米晶须增韧增强 PVC 及纳米级聚合物微纤增韧增强 PVC 等。
2.4 添加改性助剂在 PVC 中
塑料添加改性是指在聚合物(树脂)中加入小分子无机物或有机物，通过物
理或化学作用，以取得某种预期性能的一种改性方法。塑料的添加改性是开发
最早的一种改性方法，它改性效果明显，工艺简单，成本低，因而应用十分广
泛.塑料添加改性按添加剂的性质可以分成无机添加改性和有机添加改性两种。
无机添加改性是指在塑料中添加无机添加剂的一类改性，常用的无机添加剂主
要有：填充剂、增强剂、阻燃剂、着色剂及成核剂等。有机添加改性是指在塑
料中添加有机添加剂的一类改性，常用的有机添加剂主要有：增塑剂、有机锡
稳定剂、抗氧剂从有机阻燃剂等。
PVC 的改性助剂主要包括增塑剂、抗冲剂、热稳定剂、润滑剂等几大类。
三、小结
PVC 是一种通用塑料，价格低廉，应用广泛，但其韧性差、稳定性差，通
过不同的方式对其进行改性复合，不仅可以使 PVC 达到增强、增韧的目的，还
会赋予 PVC 一些特殊性能（如高阻隔性、高导电性、高阻燃、抑氧、尺寸稳定
性、优良的光学性能等）。随着复合材料技术的发展，PVC 改性复合材料的市
场前景非常看好，在高性能化和功能化方面具有潜在的市场。
7 航空航天材料
一、简介
航空航天材料是指飞行器及其动力装置、附件、仪表所用的各类材料，是
航空航天工程技术发展的决定性因素之一。也是航空航天材料科学是材料科学
中富有开拓性的一个分支。18 世纪 60 年代发生的欧洲工业革命使纺织工业、
冶金工业、机器制造工业得到很大的发展，从而结束了人类只能利用自然材料
向天空挑战的时代。1903 年美国莱特兄弟制造出第一架装有活塞式航空发动机
的飞机,当时使用的材料有木材(占 47%),钢（占 35%）和布（占 18%）,飞机的
飞行速度只有 16 公里/时。1906 年德国冶金学家发明了可以时效强化的硬铝，
使制造全金属结构的飞机成为可能。40 年代出现的全金属结构飞机的承载能力
已大大增加，飞行速度超过了 600 公里/时。在合金强化理论的基础上发展起来
的一系列高温合金使得喷气式发动机的性能得以不断提高。50 年代钛合金的研
制成功和应用对克服机翼蒙皮的“热障”问题起了重大作用，飞机的性能大幅度
提高,最大飞行速度达到了 3 倍音速。40 年代初期出现的德国 V-2 火箭只使用了
一般的航空材料。50 年代以后，材料烧蚀防热理论的出现以及烧蚀材料的研制
成功，解决了弹道导弹弹头的再入防热问题。60 年代以来,航空航天材料性能的
不断提高,一些飞行器部件使用了更先进的复合材料，如碳纤维或硼纤维增强的
环氧树脂基复合材料、金属基复合材料等，以减轻结构重量。返回型航天器和
航天飞机在再入大气层时会遇到比弹道导弹弹头再入时间长得多的空气动力加
热过程，但加热速度较慢，热流较小。采用抗氧化性能更好的碳-碳复合材料、
陶瓷隔热瓦等特殊材料可以解决防热问题。
二、基本性能要求
1. 高的比强度和比刚度
对飞行器材料的基本要求是：材质轻、强度高、刚度好。减轻飞行器本身
的结构重量就意味着增加运载能力，提高机动性能，加大飞行距离或射程，减
少燃油或推进剂的消耗。因此比强度和比刚度是衡量航空航天材料力学性能优
劣的重要参数。同时飞行器除了受静载荷的作用外还要经受由于起飞和降落、
8发动机振动、转动件的高速旋转、机动飞行和突风等因素产生的交变载荷，因
此材料的疲劳性能也受到人们极大的重视。
2. 优良的耐高温性质
航空材料要能耐受较高的工作温度。对机身材料，气动力加热效应使表面
温度升高，需要结构材料具有好的高温强度；对发动机材料，要求涡轮盘和涡
轮叶片材料要有好的高温强度和耐高温腐蚀性能。
3 .耐老化、耐腐蚀
各种介质和大气环境对材料的作用表现为腐蚀和老化。航空航天材料接触
的介质是飞机用燃料(如汽油、煤油)、火箭用推进剂（如浓硝酸、四氧化二氮、
肼类）和各种润滑剂、液压油等。其中多数对金属和非金属材料都有强烈的腐
蚀作用或溶胀作用。在大气中受太阳的辐照、风雨的侵蚀、地下潮湿环境中长
期贮存时产生的霉菌会加速高分子材料的老化过程。所以耐腐蚀性能、抗老化
性能、抗霉菌性能也是航空航天材料应该具备的良好特性。
4. 寿命长以及安全性高
作为载人技术的支撑材料，安全因素是必须考虑在内的。同时要注意的是，
在不断减少飞机质量的同时，更加不能忽视因质量减少而导致安全性减小现象
的产生。
5. 成本要低
新型号的先进飞机价格不断攀升，各航空技术领先的国家和地区都先后对
航空产品提出了“买得起”的要求。而材料在航空产品的成本和价格构成中占有
相当份额，所以科学地选材和努力发展低成本材料技术是航空材料发展的重要
方向。同时很多民航飞机，作为普通民众所要使用的交通工具，努力降低成本
也是实现“以人为本”的一项要求。
三、材料分类
1. 铝合金
9铝合金因其技术成熟、成本低、使用经验丰富等优势，在相当长的时期内，
仍将是亚音速飞机和低超音速飞机的主要结构用材之一。
2. 结构钢
一些新型超高强度钢在今后仍然还会是起落架、主要接头、隔框等一些主
要承力构件的备选材料。
3. 钛合金
钛合金在飞机结构用材中所占的重要地位已确定无疑，但是钛合金的较贵
的价格和较差的工艺性，是影响使用的很大因素。
4. 先进复合材料
由于先进复合材料具有比钢、铝、钛高得多的比强度、比模量和耐疲劳等
优点，在未来高性能的飞机结构材料中，先进复合材料将会占据越来越重要的
地位，甚至完全有可能出现全复合材料结构的飞机。
光纤通信
一、光纤通信的发展史
1966 年，英籍华人高馄指出：如果能够减少玻璃中的杂质含量，就可以制
造出损耗低于 20dB/km 的光纤。1970 年是使光纤通信发展出现跨越的一年，美
国康宁公司研制出了损耗系数为 20dB / km 的光纤。同年，美贝尔公司研制出
使用寿命长达几小时的半导体激光器，光纤通信从此进入飞速发展。通过以上
的发展时期可以把光纤通信的发展归纳为三个阶段： 1966～1976 年：从基础研
究到商业应用的开发时期；1976～1986 年：以提高传输速率和增加传输距离为
目的和大力推广的发展阶段；1986～1996 年：以实现超大容量超长距离为目标，
全面深入开展新技术的援救阶段。
二、光纤通信的特点
10目前光纤通信己经成为通信中的最主要的传输技术，以下优点：
1. 传输频带宽，通信容量大
由信氨论知道，载波频率越高，通信容量越大。它与其他通信传输系统相
比，具有目前光纤通信使用的光载波频率在 1014Hz ～1015Hz 数量级，比常用
的微波频率高
倍～105 倍。
104 倍～105 倍，因而，通信容量原则上比微披通信高
104
2. 传输衰减小，传输距离长
普通传输线的传输损耗，主要是由铜线的电阻以及导线间电容的漏电引起
的，要想降低损耗，就得增大传输线的尺寸。而光纤传输损耗不同于普通传输
线，其损耗几乎与光纤尺寸无关，且在使用的光波段内，光纤对每一频率的损
耗几乎是相同的，提高纯度可以降低损耗。目前，通信用的普通石英光纤损耗
一般都低于 l0dB/k m。使用 1.55 波长时，损耗可以降为 0.2dB/km 。
3. 抗电磁十扰，传输质量好
制造光纤的材料石英是绝缘介质，它不受输电线、电气化铁路的馈电线和
高压设备等电器干扰的影响，不会在光纤中产生感应电磁干扰，也可避免雷电
等自然因素产生的损害和危险。
4. 体积小、重量轻、便于施
光纤真正传光的是线芯，多模光纤的线芯直径为 50 m～85 m，单模光纤的
线芯直径为 5 m～10 m，国际上规定通信光纤的包层自径为 125 m，当然，外面
还要有保护层，再将若干光纤制成光缆。与电缆相比，无论是尺寸还是重量都
少得多，由于光缆线径细，重量轻，可以节约地下管道建设投资，而且便于敷
设、运输和施工。
5. 原材料丰富，节约有色金属
有利于环保制造光纤的原材料是石英，材料丰富，并且可以代替光缆的铜
线或铝线，节约有色金属，也有利于环保。光纤本身也有缺点：如光纤质地脆，
11 机械强度低；光纤的切断和接续需要一定的工具设备和技术，光缆的歪曲半径
不能过小等等。但总的说来，光纤技术比其他通信方式优越，大力发展光纤通
信己成趋势。
三、 光纤的结构与分类
目前通信用的光纤大多采用石英玻璃（SiO2）制成的横截面很小的双层同
心圆柱体，未经涂覆和套塑时称为裸光纤，如图 1 所示。从图 1 中可以看出，
光纤由纤芯和包层两部分组成，纤芯的材料是 SiO2，掺杂微量的其他材料，掺
杂的作用是为了提高材料的光折射率。包层的材料一般用纯 SiO2，也有掺杂的，
掺杂的作用是降低材料的光折射率。所以纤芯的折射率略高于包层的折射率，
目的在于使进入光纤的光有可能全部限制在纤芯内部传输。由于石英玻璃质地
脆、易断裂，为保护光纤不受损害，提高抗拉度，一般需要在裸光纤外面指经
过两次涂敷。它的剖面结构如图 2 所示。
图一 光纤的结构图图
从图 2 中可以看出：纤芯位于光纤中心，直径（2a）为 5 m～75 m，作用
是传输光波。包层位于纤芯外层，直径（2b）为 100 m ～150 m，作用是将光波
限制在纤芯中。为了使光波在纤芯中传送，包层材料折射率 n2 比纤芯材料折射
率 n l 小，即光纤导光的条件是 n l > n2。一次涂敷层是为了保护裸纤而在其表
面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮树脂层，厚度一般为 30 m ～150 m。套层又称
二次涂覆或被覆层，多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龙等材料。经过二次
涂敷的裸光纤称为光纤芯线。
12
图二 光纤剖向结构图
光缆一般由缆芯、加强元件和护层三部分组成。 (a) 缆芯：由单根或多根
光纤芯线组成，有紧套和松套两种结构。紧套光纤有二层和三层结构。(b) 加强
元件：用于增强光缆敷设时可承受的负荷，一般是用金属丝或非金属纤维制作。
（c）护层：具有阻燃、防潮、耐压、耐腐蚀等特性，主要是对己成缆的光纤芯
线进行保护。根据敷设条件可由铝带／聚乙烯综合粘接外护层（LAP），钢带
（或钢丝）销装和聚乙烯护层等组成。
实际使用的光缆分类如表 1 所示：
表一 实际使用的光缆分类
吸附材料
一、简介
13 吸附法是利用吸附剂吸附废水中某种或几种污染物，以便回收或去除它们，
从而使废水得到净化的方法。利用吸附法进行物质分离已有漫长的历史，国内
外的科研工作者在这方面作了大量的研究工作，目前吸附法已广泛应用于化工、
环境保护、医药卫生和生物工程等领域。在化工和环境保护方面，吸附法主要
用于净化废气、回收溶剂（特别适用于腐蚀性的氯化烃类化合物、反应性溶剂
和低沸点溶剂）和脱除水中的微量污染物。后者的应用范围包括脱色、除臭味、
脱除重金属、除去各种溶解性有机物和放射性元素等。在处理流程中，吸附法
可作为离子交换、膜分离等方法的预处理，以去除有机物、胶体及余氯等，也
可作为二级处理后的深度处理手段，以便保证回用水质量。利用吸附法进行水
处理，具有适应范围广、处理效果好、可回收有用物料以及吸附剂可重复使用
等优点，随着现有吸附剂性能的不断完善以及新型吸附剂的研制成功，吸附法
在水处理中的应用前景将更加广阔。
二、基本性能要求
吸附剂是决定高效能的吸附处理过程的关键因素，广义而言，一切固体都
具有吸附能力，但是只有多孔物质或磨得极细的物质由于具有很大的表面积，
才能作为吸附剂。工业上常用的吸附剂有：活性氧化铝、硅胶、活性炭、分子
筛等，另外还有针对某种组分选择性吸附而研制的吸附材料。气体吸附分离成
功与否，极大程度上依赖于吸附剂的性能，因此选择吸附剂是确定吸附操作的
首要问题。工业吸附剂还必须满足下列要求：（ 1）吸附能力强；（ 2）吸附选
择性好；（ 3）吸附平衡浓度低；（ 4）容易再生和再利用；（ 5）机械强度好；
（ 6）化学性质稳定；（ 7）来源广；（ 8）价廉。
三、常见吸附材料种类
1. 活性氧化铝
活性氧化铝是由铝的水合物加热脱水制成，它的性质取决于最初氢氧化物
的结构状态，一般都不是纯粹的 Al2O3,而是部分水合无定形的多孔结构物质，
其中不仅有无定形的凝胶，还有氢氧化物的晶体。由于它的毛细孔通道表面具
有较高的活性，故又称活性氧化铝。它对水有较强的亲和力，是一种对微量水
14 深度干燥用的吸附剂。在一定操作条件下，它的干燥深度可达露点‐７０℃以
下。市售的层析用氧化铝有碱性、中性和酸性三种类型，粒度规格大多为
100～150 目。
2. 硅胶
硅胶是硅酸的部分脱水后的产物，其成分是 SiO2·xH2O，又叫缩水硅酸。
是一种坚硬、无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒，为一种亲水性的极性
吸附剂。它是用硫酸处理硅酸钠的水溶液，生成凝胶，并将其水洗除去硫酸钠
后经干燥，便得到玻璃状的硅胶，它主要用于干燥、气体混合物及石油组分的
分离等。工业上用的硅胶分成粗孔和细孔两种。粗孔硅胶在相对湿度饱和的条
件下，吸附量可达吸附剂重量的８０％以上，而在低湿度条件下，吸附量大大
低于细孔硅胶。
3、活性炭
吸附剂中活性炭应用于水处理已有几十年的历史。60 年代后有很大发展，
国内外的科研工作者已在活性炭的研制以及应用研究方面作了大量的工作。制
作活性炭的原料种类多、来源丰富，包括动植物 (如木材、锯木屑、木炭、谷壳、
椰子壳、稻麦杆、坚果壳、脱脂牛骨、鱼骨等)、煤(泥煤、褐煤、沥青煤、无
烟煤等)、石油副产物(石油残渣、石油焦等)、纸浆废物、合成树脂以及其他有
机物(如废轮胎)等。是将木炭、果壳、煤等含碳原料经炭化、活化后制成的。
活化方法可分为两大类，即药剂活化法和气体活化法。药剂活化法就是在原料
里加入氯化锌、硫化钾等化学药品，在非活性气氛中加热进行炭化和活化。气
体活化法是把活性炭原料在非活性气氛中加热，通常在 700℃以下除去挥发组
分以后，通入水蒸气、二氧化碳、烟道气、空气等，并在 700~1200℃温度范围
内进行反应使其活化。活性炭含有很多毛细孔构造所以具有优异的吸附能力。
3.分子筛
又包括沸石分子筛和碳分子筛。分子筛与其他吸附剂相比, 还具有特殊的吸
附性能, 即在低分压(或低浓度) 及较高温度的吸附情况下, 分子筛与其他吸附剂
15有显著的差别。如对于水, 即使在低分压或低浓度、高温度下仍有很高的吸附容
量, 是其他吸附剂所不及的。
多孔金属材料的制备及应用
一、介绍
多孔材料可分为金属和非金属两大类,也可细分为多孔陶瓷材料、高分子多
孔材料和多孔金属材料3 种不同的类型。多孔金属材料又称为泡沫金属,作为结
构材料,它具有密度小、孔隙率高、比表面积大等特点;作为功能材料,它具有多
孔、减振、阻尼、吸音、隔音、散热、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种性能。而
且,多孔金属材料往往兼有结构材料和功能材料的双重作用,是一类性能优异的多
用途材料。目前,多孔金属材料已经在冶金、石油、化工、纺织、医药、酿造等
国民经济部门以及国防军事等部门得到了广泛的应用。
二、制备方法
多孔金属材料作为多孔材料的重要组成部分,在材料学领域具有不可取代的
地位。从 20 世纪中叶开始,世界各国竞相投入到多孔金属材料的研究与开发之
中,并相继提出了各种不同的制备工艺 。根据制备过程中金属所处的状态可以将
这些制备方法划分为以下几种: (1) 液相法, (2) 气相法, (3) 金属沉积法。
1 液相法
1.1 直接发泡法
早在19 世纪六七十年代,以直接发泡法制备多孔金属就已经获得了成功。相
关实验主要集中在Al 、Mg、Zn 等低熔点金属及其合金的闭孔金属材料的制备
方面。经过研究者多年的实验和研究,直接发泡法制备多孔金属材料的工艺日渐
成熟,目前已广泛应用于工业生产领域。直接发泡法包括两类不同的工艺:
(1) 直接吹气法发泡法; (2) 金属氢化物分解发泡法。
(1) 直接吹气法发泡法
16 对于制备泡沫金属,直接吹气法是一种简便、快速且低耗能的金属发泡方法。
该方法的工艺是首先向金属液中加入SiC、Al2O3等以提高金属液的粘度,然后使
用特制的旋转喷头向熔体中吹入气体(如空气、氩气、氮气)
。该法制备泡沫金
属的工艺流程如图1 所示。
图1 直接吹气法发泡法制备泡沫金属材料的流程图
该方法主要应用于泡沫铝的生产中。用这种工艺来生产泡沫铝,首先应在熔
融铝液中加入一种高熔点材料的细小颗粒,这种难熔颗粒在铝液中既可以增加铝
液粘度,又可以在气体和金属的界面上形成一层表面活性剂,从而保证气体能稳定
地滞留在铝液中,并在凝固过程中不会导致泡沫塌陷。尽管有多种符合应用条件
的难熔材料,但在实际生产中常选用碳化硅作为增加铝液粘度的增粘剂。在这一
过程中,碳化硅可与铝液反应形成碳硅铝的合成物,并使铝液保持在相对较低的搅
拌温度。
(2) 金属氢化物分解发泡法
这种方法是在熔融的金属液中加入发泡剂(金属氢化物粉末) ,氢化物被加热
后分解出H2 ,并且发生体积膨胀,使得液体金属发泡,冷却后得到泡沫金属材料。
在制备过程中,为了防止不均匀现象的发生,也可以加入固体Ca来增加粘度,以避
免气泡逸出。
1.2 铸造法
(1)熔模铸造法
17 熔模铸造法是先将已经发泡的塑料填充入一定几何形状的容器内,在其周围
倒入液态耐火材料,在耐火材料硬化后,升温加热使发泡塑料气化,此时模具就具
有原发泡塑料的形状,将液态金属浇注到模具内,在冷却后把耐火材料与金属分开,可
得到与原发泡塑料的形状一致的金属泡沫。采用这种方法制备多孔金属的成本
较高,以多孔锌为例,每立方厘米的成本在10美元以上 。
(2) 渗流铸造法
该原理是先把填料放于铸模之内,在其周围浇铸金属,然后把填料去除掉,得
到泡沫金属材料。渗流铸造法可根据渗透压力的不同分为高压渗流法和低压渗
流法。高压渗流法是将填料和调节性载体(均可燃) 按一定的比例混合均匀,把这
种混合物在模子内压实,烘干后得到一定尺寸的预制块,将预制块放入高压渗流模
内,加入熔融金属液,在一定的高压下,金属液体快速渗入预制块的孔隙之中,冷却
后将可燃性预制块在一定温度下燃烧去除,就得到了三维网络状的金属泡沫金属。
低压渗流法则是将可溶性填料放置于预热炉的上部,通过进气口加压,使金属液体
沿着型腔内壁上升至预热炉内并与填料颗粒混合,冷却后将颗粒溶解去除即可。
填料有许多种,它可以是有机的或无机的颗粒,也可以是低密度的空心球。可溶性
盐、泡沫玻璃球、氧化铝空心球可以作为无机填料颗粒。如果熔融的金属液凝
固的速度足够快,高分子聚合物也可以作为有机填料颗粒。为了避免金属液提前
凝固而不能充分的渗入,填料颗粒必须经过预热。
1.3 溅射法
溅射法可以制备多孔金属(合金)
材料。该方法的原理是在反应器内维持可
控的惰性气体压力,在等离子的作用下,通过电场的作用将金属沉积在基体上,与
此同时,惰性气体的原子也一并沉积,升高温度,金属熔化时惰性气体发生膨胀形
成一个个的空穴,冷却后即为泡沫金属 。
2 固相法
2.1 粉末冶金(PM) 法
18该方法的原理是将金属粉末与造孔剂按一定的配比混合均匀后,在一定的压
力下压制成具有一定致密度的预制品。将预制品在真空烧结炉中进行烧结,制得
复合材料烧结坯,将烧结坯以一定方法去除造孔剂,最后制得了多孔金属材料。
2.2 粉末发泡法
该方法的基本工艺是将金属或非金属粉末与发泡剂按一定的比例混合均匀,
然后在一定的压力下压制成具有一定致密度的预制品。将预制品经过进一步加
工,如轧制、模锻等,使之成为半成品,然后将半成品放入一定的钢模中加热,使得
发泡剂分解放出气体发泡,最后得到多孔泡沫金属材料。
2.3 金属空心球法
该方法是将一个个的金属空心球通过烧结粘结到一起而形成多孔结构。目
前所用的金属空心球原料是以铜、镍、钢或者钛为基体的。金属空心球可以通
过化学合成和电沉积的方法在高分子球的表面镀上一层金属,然后把高分子球去
除而得到;通常金属空心球的直径在0. 8～8mm ,壁的厚度在10～100μm。金属空
心球可以用来制备通孔或闭孔、排列规则或不规则的多孔金属材料。
2.4 金属粉末纤维烧结法
烧结金属粉末多孔材料是采用金属或合金粉末为原料,通过压制成型和高温
烧结而制得具有刚性结构的多孔材料。其孔隙结构由规则和不规则的粉末颗粒
堆垛而成,孔隙的大小和分布以及孔隙率大小取决于粉末粒度组成和加工工艺。
3 金属沉积法
金属沉积法就是采用化学的或物理的方法把欲得泡沫金属的金属物沉积在
易分解的有机物上,可分为电沉积和气相沉积两种。
3.1 电沉积法
电沉积是用电化学的方法实现制备,它主要由4个步骤组成:
(1)以泡沫有机物为基体,由于它不导电,故须在酸性条件下用强氧化剂对有机
物进行腐蚀,使其表面变得易于被水润湿并产生微痕,常用的氧化剂为
19 H2Cr2O7、H2SO4、H3PO4的混合物,这一步骤常称为粗化；(2)粗化后用PdCl2
溶
液中的Pd2+对表面进行催化,称为活化；(3)放入镀液进行化学镀,得到均匀地附
着于与有机物表面导电的金属层,镀液中含有金属离子和还原剂,常见的镀层有
Cu、Ni、Fe、Co、Ag、Au和Pd；(4)最后将经过化学镀处理的有机物进行电镀
得到所需要种类的金属和厚度。必要时可把有机物在高温下进行处理使其分解。
Pd
较为昂贵,活化时加入PdCl2
会导致泡沫金属的生产成本较高,此外Pd2
+
离子吸
附在高分子材料表面又具有催化作用,会加速化学镀液的分解使稳定性变差,故可
采用Pd 的代用品或进行无Pd 活化工艺的研究,有的已取得了较为理想的效果 。
3.2 气相沉积法
泡沫金属也可以由气态的金属或金属复合体来制得。固态的基体是必须的,
因为它可以说明泡沫金属产生的几何学。以泡沫镍的制备为例,通过
Ni+4CO→Ni(CO)4
的反应。当加热到120℃以上时,Ni(CO)4
分解为金属Ni和CO,
在分解过程中,Ni沉积在泡沫体表面上即为所要制备的产物。
4 多孔金属材料的应用
由于多孔金属材料具有轻质、比表面积大等特点,又集结构材料和功能材料
的特点于一身,所以多孔金属材料的应用范围很广。
4.1 多孔金属材料作为结构材料的应用
多孔金属材料作为结构材料的应用领域主要集中在汽车行业、船舶行业、铁
路行业三大行业。而在这三大行业中,多孔金属材料主要扮演着能量吸收材料和
减振材料的角色。此外,多孔金属材料在生物医学领域也有应用。
(1) 能量吸收材料
多孔金属材料可用作能量吸收材料。例如，泡沫铝材作为能量吸收材料已
广泛应用于汽车行业，它在汽车制造中的应用多为三明治式的三夹板,即芯层为
泡沫铝或泡沫铝合金,上下层为铝板或其他金属薄板。
(2) 减振材料
20多孔金属材料具有优良的抗冲击性能,因此它可作为减振材料。超轻质泡沫
镁是密度最低的轻质金属材料,并且具有很高的减振能力。此外,在发生碰撞时,
泡沫镁合金能有效地吸收冲击能。
(3) 生物材料
因为多孔材料具有开放多孔状结构,允许新骨细胞组织在内生长及体液的传
统。尤其是多孔材料的强度及杨氏模量可以通过对孔隙率的调整同自然骨相匹
配。多孔钛对人体无害且具有优良的力学性能和生物相容性,已被用作植入骨用
生物材料。多孔镁因具有生物降解及生物吸收特性也被列入植入骨用生物材料
的行列。
三、 多孔金属材料作为功能材料的应用
用传统的粉末冶金法制备的多孔金属材料作为功能材料的应用很广泛,就目
前来看,其应用主要有以下几个方面。
1.电池电极材料
利用高孔隙率的多孔金属材料作电极是电池电极行业的一大发展。例如，
泡沫镍可以作为电化学反应堆中的电极材料还可以作可充电的NiCd 电池。
2.过滤与分离
多孔金属材料具有优良的渗透性,因此过滤与分离又是其应用的一大热点。
多孔金属材料的孔道对液体有阻碍作用,从而能从液体中过滤分离出固体或悬浮
物。目前使用最广的金属过滤器材料是多孔青铜和多孔不锈钢。
3.催化载体材料
泡沫金属在韧性和热导率方面的优势,是催化载体材料的又一选择。如将催
化剂浆料涂于薄的泡沫金属片表面,然后通过成型(如轧制) 和高温处理, 可以用
于电厂废气氮氧化物(NOX)等的处理。
4.消音材料
21多孔金属材料具有如此好的能量吸收的性能,因此它也是一种很好的消音材
料。泡沫铝由铝质骨架和气孔组成,它质轻并具有一定的强度,具有吸声、耐火、
防火、减震、防潮、无毒等优良的特性。因此,泡沫铝是一种综合性能良好的多
孔性吸声材料。
5.装饰材料
泡沫金属材料作为一种新材料,不仅被工业界的人士所重视,而且也受到了设
计师和艺术家们的重视。与普通材料相比,在装饰领域,泡沫金属材料可以给人们
一种独特的视觉效果。以金、银为基体的泡沫材料被认为是一种有很大潜力的
珠宝材料,它可以给人们带来意想不到的利润。泡沫铝已被用来制作奇特的家具、
钟表、灯具等。
6.其他用途
多孔金属材料的孔道对电磁波有很好的吸收能力,因此可以用作电磁屏蔽材
料。在石油化工、冶金等工业中,青铜、镍、蒙乃尔合金、不锈钢等粉末烧结多
孔材料应用于流体分布板。多孔金属材料还用于流体控制。最近大量应用的是
在自动化系统中作为信号的控制延时器。用多孔金属材料作为灯芯材料,用多孔
青铜作铸模中的排气塞,可提高铸锭质量。用多孔钛作为海水钓鱼鱼饵。在日本,
多孔铁已被用作一种去臭材料。泡沫材料已经成为建筑物、高速列车电机室、
无线电录音室等建筑内经常使用的吸音材料、装饰材料。由于具有质量轻和能
量吸收的特点,多孔金属材料还可以应用在运动器械等领域。具有开孔结构的多
孔金属材料还可以起到净化水的作用,因此被用于污水处理行业中。
锂离子电池
一、介绍
锂离子电池：是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和
负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：
充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则
22 相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。
锂系电池分为锂电池和锂离子电池。手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池，
通常人们俗称其为锂电池，而真正的锂电池由于危险性大，很少应用于日常电
子产品。
二、发展历史
1970 年，埃克森的 ngham 采用硫化钛作为正极材料，金属锂作
为负极材料，制成首个锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负
极是锂。电池组装完成后电池即有电压，不需充电。锂离子电池(Li-ion
Batteries)是锂电池发展而来。
1982 年伊利诺伊理工大学(the Illinois Institute of Technology)的 l
和 发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。
与此同时，采用金属锂制成的锂电池，其安全隐患备受关注，因此人们尝试利
用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实
验室试制成功。
1983 年 ray、ough 等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，
具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高，且氧化性远低于钴
酸锂，即使出现短路、过充电，也能够避免了燃烧、爆炸的危险。
1989 年，ram 和 ough 发现采用聚合阴离子的正极将产生
更高的电压。
1992 年日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂
电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。
随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。此类以钴酸锂作为正极材料的
电池，至今仍是便携电子器件的主要电源。
1996 年 Padhi 和 Goodenough 发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸铁锂
(LiFePO4)，比传统的正极材料更具安全性，尤其耐高温，耐过充电性能远超过
传统锂离子电池材料。因此已成为当前主流的大电流放电的动力锂电池的正极
材料。
23纵观电池发展的历史，可以看出当前世界电池工业发展的三个特点，一是
绿色环保电池迅猛发展，包括锂离子蓄电池、氢镍电池等；二是一次电池向蓄
电池转化，这符合可持续发展战略；三是电池进一步向小、轻、薄方向发展。
在商品化的可充电池中，锂离子电池的比能量最高，特别是聚合物锂离子电池，
可以实现可充电池的薄形化。正因为锂离子电池的体积比能量和质量比能量高，
可充且无污染，具备当前电池工业发展的三大特点，因此在发达国家中有较快
的增长。电信、信息市场的发展，特别是移动电话和笔记本电脑的大量使用，
给锂离子电池带来了市场机遇。而锂离子电池中的聚合物锂离子电池以其在安
全性的独特优势，将逐步取代液体电解质锂离子电池，而成为锂离子电池的主
流。聚合物锂离子电池被誉为 “21 世纪的电池”，将开辟蓄电池的新时代，发展
前景十分乐观。
2015 年 3 月，日本夏普与京都大学的田中功教授联手成功研发出了使用寿
命可达 70 年之久的锂离子电池。此次试制出的长寿锂离子电池，体积为 8 立方
厘米，充放电次数可达 2.5 万次。并且夏普方面表示，此长寿锂离子电池实际
充放电 1 万次之后，其性能依旧稳定。
三、组成部分
锂离子电池虽然形状各不相同，但其组成部分主要为以下几个部分：
1. 正极
活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，镍钴锰酸锂材料，电动自行车则普遍
用镍钴锰酸锂（俗称三元）或者三元+少量锰酸锂，纯的锰酸锂和磷酸铁锂则由
于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。导电极流体使用厚度 10--20 微米的
电解铝箔。
2. 隔膜
一种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，可以让锂离子自由通过，
而电子不能通过。
3. 负极
24 活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体使用厚度 7-15 微米的
电解铜箔。
4. 有机电解液
溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则使用凝胶状电解液。
5. 电池外壳
分为钢壳（方型很少使用）、铝壳、镀镍铁壳（圆柱电池使用）、铝塑膜
（软包装）等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端。
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