人口平均寿命的增加和老龄化的加剧,各种骨与关节疾病,特别是退行性疾病的发病率不断升高以及患者对医疗服务需求的增加极大地刺激了骨与关节外科的发展。近半个世纪以来,随着生物医学工程技术的进步,骨与关节外科的发展更是日新月异。1998年4月,瑞典隆德大学骨科主任、欧洲骨科研究会主席Lars Lidgren教授首先发起并倡议将2000年~ 2010年确定为国际“骨与关节十年”(Bone and Joint Decades)。我国政府对这一倡议也给予了高度重视,并由中华医学会骨科学分会代表中国于2002年10月加入了“骨与关节十年”这一国际性活动,同时正式签署了宣言。在此基础上还成立了中欧骨科学术交流学会(SEOAEC),进一步加强了我国骨与关节外科工作者与国际同行的学术交流。近几年来人工关节置换技术得到了长足的发展,包括材料学、生物力学、假体设计及手术技术等各个方面。本文主要介绍人工关节材料的研究进展。
1人工关节材料的种类
1.1金属材料不锈钢是最早的人体金属植入材料。316L不锈钢是制作医用人工关节比较常用的廉价金属材料,主要用于制作关节柄和关节头[1]。但临床表明316L不锈钢植入人体后,在生理环境中,有时会产生缝隙腐蚀或摩擦腐蚀以及疲劳腐蚀破裂等问题,并且会因摩擦磨损等原因释放出Ni2+、Cr3+和Cr5+,从而引起假体松动,最终导致植入体失效[2]。因此,对316L不锈钢而言,提高耐腐蚀性是关键。
钴基合金通常指Co-Cr合金，在人工关节制作方面有着广泛的应用。美国材料实验协会推荐了4种可在外科植入中使用的钴基合金,它们是:锻造Co-Cr-Mo合金(F76),锻造Co-Cr-W-Ni合金(F90),锻造Co-Ni-Cr-Mo合金(F562),锻造Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe合金(F563)。其中锻造Co-Cr-Mo合金和锻造Co-Ni-Cr-Mo合金已广泛用于植入体的制造[3]。ISO 允许用于制作人工关节部件的钴基合金已达到6种,这充分说明钴基合金在人工关节制作方面有着广泛的应用。临床实践证实钴基合金具有很高的强度和优异的抗腐蚀性,无明显毒副作用。
Ti-Ti合金因其生物相容性好以及良好的综合机械性能,在人体植入材料当中得到了广泛的应用。20世纪50年代美国和英国首先将纯钛用于生物体。我国首先由北京有色金属研究总院与天津市骨科医疗器械厂生产的钛人工股骨和髋关节于1973年用于临床。后来发现Ti-6Al-4V合金的性能优于纯钛,因此,Ti-6Al-4V合金作为人体植入材料得到了广泛应用。Ti-6Al-4V合金的生物相容性比不锈钢和Co-Cr-Mo 合金都要强,耐蚀性好,其弹性模量与骨骼接近,且密度小(4.51g/cm3),可用于人工关节及骨科内固定器的制造[4]。由于钒能引起慢性炎症、铝离子与无机磷结合,使体内缺磷,将诱发老年痴呆症等。且其弹性模量为骨弹性模量的4～10倍，种植体与骨弹性模量之间的不匹配,使得载荷不能由种植体很好地传递到相邻骨组织,出现“应力屏蔽”现象,从而导致种植体周围出现骨吸收,最终引起种植体松动或断裂。因此,开发研究生物相容性更好、弹性模量更低的新型医用β钛合金,成为生物医学金属材料研究的重点。
1.2有机高分子材料用于人工关节制备的典型高分子材料有硅橡胶、聚乙烯和超高分子量聚乙烯等。聚乙烯首先用于人工关节,随后采用了性能更好的超高分子量聚乙烯,较好地改善了人工关节的摩擦磨损问题,延长了使用寿命。但经长期随访病例显示:聚乙烯晚期的磨损问题相当严重。Charnley 等采用放射法测定Charnley型髋臼假体内面的磨损率为0.1～0.19mm/年,这相当于每年每个关节产生2×107～4×1010个小于10μm的超高分子量聚乙烯碎屑,这些碎屑可引起人工关节周围的骨溶解等现象。McCoy等提出,髋臼磨损是磨损诱导骨溶解的强力指示,他在测量了35个Charnley型全髋臼杯厚度后发现其中27个发生了磨损,这些出现磨损的病例股骨距平均吸收了512mm。Agins报道了68例有股骨距吸收的人工髋关节术后病例髋臼磨损情况,发现其中40例X线检查显示聚乙烯磨损[5]，表明聚乙烯磨损与假体松动密切相关。1.3陶瓷材料整体或重要部分使用了生物陶瓷材料的人工关节统称陶瓷人工关节。以氧化铝和氧化锆为主的陶瓷配伍假体大量应用于临床。高纯Al2O3生物陶瓷主要用于关节头和关节臼的制备,羟基磷灰石(HA)主要用于人工关节柄部的涂层。1972年Boutin首先报道了用Al2O3陶瓷制作的人体髋关节在生理和摩擦学方面的优越性及其在临床上的应用。高纯Al2O3陶瓷化学性能稳定,生物相容性好,呈生物惰性;其硬度高,耐磨性能好,磨损率比其它材料小。一项500000例现代陶瓷股骨头关节的随访表明,其碎裂发生率为0.004%，即使发生率再升高,其断裂率仍然远远低于股骨金属柄0.27%的断裂率。但Al2O3陶瓷属脆性材料,其抗折强度和抗冲击韧性较低;其弹性模量远高于人体骨,与骨匹配性差,在使用过程中会出现脆性破坏和骨损伤。
人工关节材料的研究进展
陈铁柱李晓声
作者单位：421001湖南衡阳，南华大学在读硕士生（陈铁柱，工作单位为湖南省人民医院）；湖南省人民医院（李晓声）
2人工假体材料的改进
尽管金属材料、高分子材料及陶瓷材料在关节置换中都得到广泛应用,但是近年临床大量研究表明各种材料的人工关节发生松动、下沉或折断的病例很多,最根本的原因是人工关节材料未达到理想的要求。理想的人工关节应该具备有足够的强度、抗疲劳、抗磨损和抗腐蚀性能,同时具有良好的生物相容性、生物力学相容性,无毒副作用,耐体液的化学腐蚀和电化学腐蚀,其弹性模量接近于人体的皮质骨。国内外在人工关节材料的改进方面做了大量的研究。
2.1金属材料的表面改性对金属材料进行表面处理时,应不改变金属基体的性能而只提高其表面或表面层的耐磨性、生物相容性及其它性能。常用的处理方法有：①热喷涂法，如在金属表面等离子喷涂HA层制备复合材料[6];②离子注入法，国外报道离子注入法已运用于钛和钛合金表面[7,8];③离子镀，齐新生等在MooreⅡ型钛合金人工股骨头上采用离子镀膜技术均匀喷厚4μm的氮化钛陶瓷镀层,在近两年内完成这种人工股骨头置换14例,随访时间最长5.3年,未见髋臼明显磨损征象[9];④离子溅射法，陈民芳等采用射频磁控溅射法在TC4钛合金（TixbAl24）基体上制备了HA及HA和TiO2复合薄膜,通过检验完全满足生物涂层材料的使用性能要求[10];⑤电化学法.shirkhanzadeh M.用电结晶法在Ti-6Al-4V合金材料上电沉积得到了含
3.7%Co3的多孔针状缺钙HAp生物涂层,这一含量接近于自然骨质中Co3的值(约4%)[11];⑥激光熔敷法，Pei Y.T.等试验表明激光熔敷是制备梯度涂层的一种简单而有效的方法[12]；⑦化学气相沉积，戴达煌等在自行研制的直流等离子化学气相沉积设备上,对硬质合金进行了沉积TiN膜的实验研究,发现在500℃~700℃的温度范围内能较好的沉积出优质的超硬膜,避免了因沉积温度高而形成的η脆性相[13]。除不锈钢、钴基合金和钛合金外,铌和钽及贵金属等新材料也在临床上应用，但因为价格昂贵限制了在临床上的广泛运用。
2.2高分子材料的改性超高摩尔质量聚乙烯(UHMWPE)具有许多优异的性能,作为人工关节软骨、关节臼置换材料广泛应用于临床。然而随着使用年限的延长,一方面,磨损产生的磨屑聚积诱发机体细胞产生一系列不良的生物学反应,导致假体周围骨溶解,使固定良好的假体松动;另一方面, UHMWPE的硬度偏低,长期使用过程中使置换关节产生精度偏差,进而影响置换关节的装配性。因此,提高UHMWPE的硬度和改善其耐磨性对延长置换关节的使用寿命,减少患者痛苦具有重要意义。目前提高高分子关节材料的抗磨损性能的主要方法有:①交联改性。交联是改善UHMWPE耐磨性的一个有效途径。包括经氧化物交联、辐照交联两种方法。研究表明,经辐照处理后,UHMWPE股骨头磨损率比同样条件下未经辐照处理时低。Sun DC等研究了多步γ射线交联对UHMWPE的影响,实验表明,磨损速率随累积辐照量的增加而降低[14];②离子注入改性。离子注入能有效地改善材料表面的物理和化学特性,离子注入是聚合物表面改性的一种有效方法。熊党生等用高能离子注入机对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)进行N+注入改性,结果表明,不同剂量N+注入均提高了UHMWPE的摩擦系数,增强了其在血浆润滑条件下的耐磨性[15];③纤维填充改性。通过调整纤维种类、含量、取向与铺展顺序等,使复合材料具有低磨损量和高机械强度。熊党生等用碳纤维对UHMWPE进行填充改性。结果表明:随着碳纤维含量增加,复合材料的硬度上升,耐磨性增强,碳纤维可大幅度降低UHMWPE在蒸馏水润滑条件下的摩擦系数[16]。
2.3陶瓷材料的改性陶瓷的断裂韧度和抗疲劳性等物理特性取决于它的显微结构：颗粒大小、密度和均匀性。所以对陶瓷材料的改性主要从降低其原料的晶粒大小、提高密度等方面着手。现代生产中利用无尘化处理、热均衡加压、激光蚀刻等新技术可以使氧化铝的晶粒尺寸减小到2μm以下。由氧化铝、氧化锆、微量的氧化铬和氧化锶组成的陶瓷材料的晶体结构可以降低到1~2μm,使得材料既保持了硬度又降低了脆性。近年来,国内外在Al2O3陶瓷增韧方面作了大量的工作,诸如改变材料的显微结构;利用ZrO2相变增韧或微裂纹增韧,以及在瓷体中人为造成裂纹扩散的障碍等已经取得了显著的效果。另外,现代陶瓷人工髋关节假体设计时,在髋臼上有一个半球形金属壳,外表面有多孔的涂层,内面呈morse斜坡,可以嵌入陶瓷内衬,这样就成功地解决了固定和耐磨的难题。
2.4其它途径郑裕东等试图在人工关节表面引入一层薄薄的软骨层-聚乙烯醇水凝胶（PVA-H）来提高人工关节的抗磨损能力[17]。除了从材料、表面处理等方面着手研究人工关节的抗磨损外,还可根据仿生学原理,利用各种先进的加工制造技术,在人工关节表面加工出微纳米结构。这种多尺度几何非光滑结构有助于减少人工关节表面的摩擦、磨损。同时,美国ZIMMER根据男女膝关节不同的解剖形状设计了世界上第一种专为女性设计的膝关节—健达(Gender)女性膝关节系统，从而更加关注个体的需求,这将为人工关节的研究开辟一条崭新的途径。
人工关节置换术后假体的磨损、假体周围骨溶解、假体无菌性松动,已经成为人工关节置换术亟待解决的问题。研制出具备有足够的强度、抗疲劳、抗磨损和抗腐蚀性能,同时具有良好的生物相容性、生物力学相容性,无毒副作用的理想人工关节具有深远的意义。其核心是新材料的探索,提高现有材料的可靠性,提高其强度,改善韧性,最有希望的途径是研制复合材料。
参考文献
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17郑裕东,王迎春.生物活性聚乙烯醇/羟基磷灰石复合水凝胶的结构与性能[J].材料科学与工程,2002(20):170-172
(收稿：2009-08-31)
期刊也称杂志。《科学技术期刊管理办法》对科技期刊的定义为：具有固定刊名、刊期、年卷或年月顺序编号、印刷成册、以报道科学技术为主要内容的连续出版物。这一定义限定了科技期刊的刊载内容、外观和出版方式。从此定义出发，可得到科技期刊的以下主要特征：a.连续出版物，即按卷、期或年、月（期）无限期的，连续编号（按顺序）的，具有时效性——
—及时性和不间断性的期刊，一般为定期。b.以科学技术信息为主要内容，其特别是：①科学实验和生产实践中产生的最新信息；②如实反映客观现象和物质运动规律，并经人们逻辑思维、加工简化成文字形式的，能代表事物内在本质的，不同于一般感性认识的信息；③经得起实验验证和实践检验和信息。此外，还有推广和普及科技知识的任务。c.单本成册，应包括印刷版、电子版（软盘、硬盘、光盘）、网络版，以规范的版本出版发行的科技信息的载体。
科技期刊的定义和特征
《科学技术期刊管理办法》中将科技期刊按其内容性质划分为如下5类：
a.指导类期刊。以刊登党和国家的科技方针、政策和法律、法规，以及科学技术发展动态和科技管理为主要内容的期刊。
b.学术类期刊。以刊登科学技术研究报告、学术论文、综合评述为主要内容的期刊。
c.技术类期刊。以刊登新技术、新工艺、新设计、新材料、新设备为主要内容的期刊。
d.检索类期刊。以刊登对原始科技文献经加工、浓缩，按一定的著录规则编辑而成的题录、文摘、索引为主要内容的期刊。
1.研究目的 微生物燃料电池是一种利用微生物作为催化剂，将燃料中的化学能直接转化为电能的生物反应器。 本文通过一定室型MFC反应器，选择最优的电极材料，并对电极间距，电极面积进行参数调整，进一步对反应器构型，循环流速，膜结构和反应条件进行优化，提高微生物燃料电池的输出功率。 2.研究意义 微生物燃料电池（Microbial fuel cell, MFC）是基于传统的燃料电池（Fuel cell, FC）与微生物相结合发展起来的由阴阳两极及外电路构成的装置。在MFC系统内，微生物通过新陈代谢氧化有机物后将电子胞外传递给阳极，电子再通过外电路到达阴极从而产生电能。从MFC的构成来看，阳极作为产电微生物附着的载体，不仅影响产电微生物的附着量，而且影响电子从微生物向阳极的传递，对提高MFC产电性能有至关重要的影响。因此，从提高MFC的产电能力出发，选择具有潜力的阳极材料开展研究，解析阳极材质和表面特性对微生物产电特性的影响，对提高MFC的产电能力具有十分重要的意义。在MFC中，高性能的阳极要易于产电微生物附着生长，易于电子从微生物体内向阳极传递，同时要求阳极内部电阻小、导电性强、电势稳定、生物相容性和化学稳定性好。目前有多种材料可以作为阳极，但是各种材料之间的差异，性对电池性能的影响并没有得到深入的研究。以及各种阳极特 阳极厚度对填料型微生物燃料电池产电性能的影响（清华，钟登杰，小论文） 作为一种新型的清洁能源生产技术,MFC在产电的同时还能处理废水、去除硫化氢、产氢和修复地下水。与传统的废水处理工艺相比,MFC产泥量少、不产生甲烷,从而节省污泥和气体处理费用。但MFC的产电功率密度低,与氢氧燃料电池相比,差3~4个数量级。为了提高MFC的产电功率和处理废水的效率,目前的研究主要集中在产电微生物筛选和MFC结构优化两个方面。对于优化MFC结构,可以通过优化阳极、阴极和质子膜材料,提出新型的MFC结构和运行方式等来实现。 微生物燃料电池处理有机废水过程中的产电特性研究（哈工，尤世界，博士论文） MFC是一个新生事物，该项技术具有废水处理和电能回收的双重功能，它的出现是对传统有机废水处理技术和观念的重大革新，目前正在引起世界范围内的广泛关注，日渐成为环境科学与工程和电化学领域一个新的研究热点。尤其是在能源供需矛盾日益突出，环境污染日益严重的今天，MFC更显示出其它技术无法比拟的优越性。MFC技术一旦实现产业化，将会使废水处理技术发生一次新的革命，产生不可估量的社会、环境和经济效益。但是由于受到技术和经济方面等众多因素的限制，MFC离实际工程应用的距离还很遥远，相关研究刚刚起步，目前正处于可行性探索和基础研究阶段。本课题正是在这一背景下提出的。由于功率密度低，材料造价昂贵，反应器型式的不确定，有关MFC的研究目前主要停留在实验室的规模和水平上，很难实现商业化应用。因此，为了进一步提高MFC的产电功率密度，降低系统的基础和运行费用，研发适合废水处理工艺特点的MFC结构型式，为进一步的研究提供切实可行的依据与支撑，促进该项技术早日应用于有机废水处理的工程实践，需要在现有研究水平的基础上充分把握MFC研究中多学科交叉的特点，开展MFC的电化学特性和有机物降解特性的基础研究；弄清阳极特性对MFC性能的影响及阴极电子受体在MFC功率密度提高中起到的重 1
浅析燃料电池研究进展及应用 摘要: 燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置，能将外界提供的燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能。本文介绍了原电池的工作原理、特点和分类，并详细阐述了原电池的研究进展和应用。 关键词: 燃料电池工作原理应用 随着全世界对能源的需求日益增加以及人类对环境质量的关注,采用清洁、高效的能源利用方式、积极开发新能源已经是势在必行。燃料电池是一种电化学的发电装置,等温的按电化学方式,直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程,因而能量转化效率高,且无噪音,无污染,正在成为理想的能源利用方式。 1. 燃料电池的工作原理 燃料电池是一种能量转化装置,它是按电化学原理,即原电池工作原理,等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,因而实际过程是氧化还原反应,其工作原理如图1所示。燃料电池主要由四部分组成,即阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极（负极）和阴极（正极）通入。燃料气在阳极（负极）上放出电子,电子经外电路传导到阴极（正极）并与氧化气结合生成离子。离子在电场作用下,通过电解质迁移到阳极上,与燃料气反应,构成回路,产生电流。同时,由于本身的电化学反应以及电池的内阻,燃料电池还会产生一定的热量。电池的阴、阳两极除传导电子外,也作为氧化还原反应的催化剂。当燃料为碳氢化合物时,阳极要求有更高的催化活性。阴、阳两极通常为多孔结构,以便于反应气体的通入和产物排出。电解质起传递离子和分离燃料气与氧化气的作用。为阻挡两种气体混合导致电池内短路,电解质通常为致密结构。 图1燃料电池工作原理示意图 2燃料电池的分类 目前各国开发的燃料电池种类多,应用范围广泛,分类方法也多种多样。燃料电池有不同的分类方法，本文主要介绍按电解质种类分类中的两种燃料电池。（氢燃料电池和直接甲醇燃料电池) 3燃料电池的优点 燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置。从理论上来讲,只要连续供给燃料,燃料电池便能连续发电,被誉为“绿色”发电站。燃料电池的优点: (1)发电效率高。理论上, 它的发电效率可达到85% ～90% ,但由于工作时各种极化的限制,目前燃料电池的能量转化效率约为40% ～60%。(2)环境污染小。
收稿日期:2009206201; 修订日期:2009206225 作者简介:邢亚哲(19762 ),陕西岐山人,讲师,博士.研究方向:材料表 面强化及器件制造. Email:x ingyazhe@gm https://www.doczj.com/doc/8711450884.html, 热障涂层的制备及其失效的研究现状 邢亚哲,郝建民 (长安大学材料科学与工程学院,陕西西安710064) 摘要:热障涂层作为航空发动机和燃气轮机高温部件的保护涂层,其抗高温失效能力直接决定了部件的工作效率和寿命。回顾热障涂层的发展历史及研究现状,着重介绍了热障涂层的主要制备方法及其相应涂层的结构特征,综述了各类热障涂层失效的影响因素和失效机理。 关键词:热障涂层;电子束物理气相沉积;等离子喷涂;失效机理 中图分类号:TG174.44 文献标识码:A 文章编号:100028365(2009)0720922204 Re se a rc h Stat us in Fa bric at ion and Fa ilure of The rmal Barrie r Co atings XING Ya 2zhe,HAO Jian 2min (School of Mater ials Science and Engineering,Chang p an University,Xi p an 710064,China) Abst ract:Thermal barrier coatings are widely used to protect the components in aircraft and industrial gas 2turbine engines against high temperature damage.The e ne rgy efficiency and lifetime of these components are mainly dominated by the failure resistance of thermal barrier coatings in the high te mperature atmosphere.In this paper,the development and research status of thermal barrie r coatings are reviewe d.Especially,the main fabricating methods and the microstructure fe ature of the coatings,as well as the factors re sulting in the failure of thermal barrier coatings and its failure mechanisms,are summarized in detail. K e y words:Thermal barrier coatings;Electron beam physical vapor deposition;Plasma Spraying; Fa ilure mechanism 随着现代工业的发展,数以百计种类型的涂层被用在各种结构材料表面,以使这些材料表面免受腐蚀、磨损、侵蚀和高温氧化等危害。热障涂层(T BCs:Thermal Barrier Coatings)就是其中的一种,其具有最复杂的结构且工作在高温环境下,常作为航空发动机和燃气轮机受高温零件的保护涂层,以提高设备的工作温度和效能,同时减少温室气体的排放量。典型的TBCs 在结构上包含四个部分 [1] :1基体,即被保护的 零件;o金属结合层(BC:Bond Coat),通常为高温合金MCrA lY(M 代表Ni 、Co 或NiCo 合金);?热生长氧化物层(T GO:Thermally Grown Oxide),TGO 是在高温条件下外部氧通过T C 层到达BC 层表面并使其氧化而形成的,通常为一致密的Al 2O 3薄膜,在随后的工作过程中能够阻止外部氧向BC 层内部和基体的扩散,起到保护基体(零件)的作用;?陶瓷顶层(TC:Top Coat),一般为6%~8%Y 2O 32Zr O 2(YSZ), 正是由于YSZ 低的热传导率和相对较高的热膨胀系数,使其具有优越的热障和耐热冲击性能。目前,TBCs 研究的难点和重点主要为对其失效的控制[1~4]。为此,对TBCs 微观结构的研究显得尤为重要。而作为控制其微观结构的主要因素,即TBCs 的制备工艺就成了国内外学者们关注的热点。1 基于制备工艺的T BCs 的发展历程 早期在航空航天发动机中应用的TBCs(又称第一代T BCs),其BC 层和TC 层均采用大气等离子喷涂(APS:Atmospheric Plasma Spr aying)制备。对于APS BC 层,涂层含氧量较高,特别是有一定量的氧化镍生成,而氧化镍的存在致使难以形成在高温下具有保护性能的致密TGO 氧化膜,BC 层使用过程中容易在其内部也发生显著氧化而使层内结合弱化,裂纹易在BC 层内扩展而造成涂层剥落失效,使得该类T BCs 寿命较低。 随着低压(又称真空)等离子喷涂(LPPS:Low Pressur e Plasma Spraying)技术的进步和发展,逐步采用VPS 制备BC 层,避免了喷涂过程中高温合金BC 层的氧化,并通过热扩散处理,从根本上强化了BC
微生物燃料电池电极材料的研究进展 作者：*** 北京化工大学化学工程学院，北京 *联系人，E-mail:********@https://www.doczj.com/doc/8711450884.html, 摘要微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是将有机物转化为电能的装置，而电极材料对微生物燃料电池的产电性能起着重要作用。本文简单介绍了微生物燃料电池的发展历史及工作原理，详细说明了各种微生物燃料电池电极材料的结构特点、产电性能及应用情况。最后，对微生物燃料电池的应用前景做出展望。 关键词：微生物燃料电池，电极材料，产电性能 微生物燃料电池是一种利用微生物将废水中的有机物转化为电能的装置。早在1911年，英国杜伦大学植物学家M.C.Potter首先发现微生物具有产电功能，提出了微生物燃料电池这一概念。但是由于当时微生物燃料电池发展地十分缓慢。直到20世纪80年代，伦敦皇家学院的M.J.Allen和H.Peter Bennetto对最初的微生物燃料电池做出来一系列变革性的改进，最终形成了沿用至今的微生物燃料电池基本模型。到了20世纪90年代，燃料电池产生新的突破，韩国科学技术研究院的研究员B-H.kim发现某些物种的细菌具有电化学活性，这意味着微生物燃料电池将不用介质就能将电子转移到阳极。发展至今，微生物燃料电池越发受到科研工作者的重视，因为与其他有机产能技术相比，在操作和功能上，微生物燃料电池都具有明显的优势，比如说它既能保证能量转化的高效率，而且工作条件温和，因为产物大多数为Co2等无害气体，所以又不需要进行废气处理。但是微生物燃料电池由于产电量小，产电性能不够高等因素影响其进行大规模产业化，当我们能做到微生物燃料电池大规模产业化时，对能源短缺的形势会带来意想不到的福音。本文对微生物燃料电池电极材料进行了综述，尽量全面的介绍最新的有关燃料电池电极材料的研究。 1微生物燃料电池的基本工作原理 微生物燃料电池依据氧化还原反应原理。如图1所示，在阳极室，有机燃料被氧化失去电子并且产生质子，电子直接或间接到达阳极材料，然后通过外电路到达阴极形成电流，而质子通过质子交换膜到达阴极室，然后氧化剂在阴极的电子被还原。虽然只是简单的氧化还原反应，在其间存在较为复杂的电子转移问题，根据电子转移方式不同可把微生物燃料电池分为直接微生物燃料电池和间接微生物燃料电池。直接微生物燃料电池燃料在电极上氧化，电子从燃料分子直接到电极上，此时，生物催化剂催化在电极表面的反应，而间接微生物燃料电池是有机燃料在电解质溶液或者其他地方被氧化，通过一些介质的传递作用才使电子运输到电极上，这些有电子传递作用的介质叫做介体，在微生物燃料电池的研究中具有重要意义。
*2005民口配套项目 周洪:男,1972年生,博士生,讲师,主要从事材料表面技术的研究工作 E -mail :zhouhong @https://www.doczj.com/doc/8711450884.html, 热障涂层材料研究进展* 周 洪,李 飞,何 博,王 俊,孙宝德 (上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海200030) 摘要 简要概述了热障涂层材料的基本要求,介绍了国内外热障涂层材料近年来的研究状况和发展趋势。目前 广泛使用的是Y 2O 3稳定Z rO 2热障陶瓷材料及其粘结层材料,而稀土锆酸盐和稀土氧化物是非常有前景的隔热材料。 关键词 热障涂层 M C rAlY 二氧化锆 Research Progresses in Materials for Thermal Barrier Coatings ZHO U Hong ,LI Fei ,HE Bo ,WANG Jun ,SUN Baode (T he Sta te K ey Labor atory of M e ta l M at rix Co mpo sitio ns ,Shanghai Jiao tong U niver sity ,Shanghai 200030) A bstract T he rmal bar rie r coating s (T BCs )o ffer the po tential to significantly improve efficiencies of aero en -g ines a s w ell as g as turbine engines fo r po wer generatio n.State -of -the -ar t T BCs ,ty pica lly consisting of an y ttria -stabi -lized zir co nia top coat and a metallic bo nd co at ,hav e bee n widely used to prolong lifetime now adays.In the pape r ,re -sear ch status a nd prog resses o f materials for the rmal bar rie r coating s a re briefly rev iew ed.Except y ttria stabilized zir -co nia ,o ther materials such a s lanthanum zirconate and rar e ear th o xides a re also promising materials for thermal bar rie r co ating s. Key words ther mal bar rier co atings ,M CrA lY ,zir co nia 0 引言 热障涂层(T hermal bar rier coating s ,简称T BCs )通常是指沉积在金属表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂层,主要用来降低 基体的工作温度,免受高温氧化、腐蚀、磨损。美国N AS A -Lew is 研究中心为了提高燃气涡轮叶片、火箭发动机的抗高温和耐腐蚀性能,早在20世纪50年代就提出了热障涂层概念。在涂层材料选择和制备工艺上进行较长时间的探索后,80年代初取得了重大突破,为热障涂层的应用奠定了坚实基础。文献表明,目前先进陶瓷热障涂层能在工作环境下降低零件温度170℃左右[1～3]。随着热障涂层在高温发动机热端部件上的应用,人们认识到热障涂层的应用不仅可以达到提高基体抗高温腐蚀能力,进一步提高发动机工作温度的目的,而且可以减少燃油消耗、提高效率、延长热端部件的使用寿命。与开发新型高温合金材料相比,热障涂层的研究成本要低得多,工艺也现实可行[2,4]。 1 热障涂层系统材料体系 高温隔热涂层的研究发展经历了数十年。20世纪60年代研制出β-NiA l 基铝化物涂层,但其脆性大,A l 元素向基体扩散 快,寿命短;之后出现了加入Cr 、Ti 、Si 、Y 、T a 、Pt 等元素改进的铝化物涂层,其中镀Pt 渗Al 形成的铂铝涂层具有较长的寿命。目前普遍使用的热障涂层系统是以M Cr AlY (M =N i ,Co ,Fe ,N i +Co )高温抗氧化合金为中间粘结层,表面覆盖Y 2O 3稳定的Z rO 2陶瓷隔热涂层[5,6]。 1.1 热障涂层陶瓷材料 热障涂层材料需要具有难熔、化学惰性、相稳定和低热导、低密度、高热反射率等重要物理化学特征,同时要考虑其热膨胀 系数与基体材料相匹配。另外,针对高温部件氧化腐蚀的问题,应当考虑低烧结率、界面反应和抗高温氧化腐蚀等因素。 陶瓷材料具有离子键或共价键结构,键能高,因此熔点高、硬度高、化学性能稳定,是热障涂层的理想材料。但韧性、抗疲劳性和抗热震性较差,对应力集中和裂纹敏感。目前使用的热障涂层陶瓷材料多为金属氧化物,这是因为金属氧化物陶瓷的导热以声子传导和光子传导机理为主,热导率较低且其涂层在富氧环境中具有良好的高温稳定性[7]。常用氧化物陶瓷的导热顺序为[8]: BeO >M g O >Al 2O 3>CaO >Z rO 2 常用热障涂层陶瓷材料有Al 2O 3、Z rO 2、SiO 2等,主要性能如表1所示[6,8～10]。 研究表明[1,2,4,9～12],Z rO 2是目前应用广泛、综合性能最好的热障涂层材料。它具有高熔点、耐高温氧化、良好的高温化学稳定性、较低且稳定的热传导率和优良的抗热震性等特性,并且热膨胀系数接近金属材料。纯Zr O 2具有同素异晶转变,常温下稳定相为单斜结构;高温下稳定相则为立方结构: 单斜相(m ) 1170℃950℃ 正方相(t )2370℃ 立方相(c ) 单斜相与四方相间转化因伴有3%～6%的体积分数变化而导致热应力产生,因此,使用纯Z rO 2制备的热障涂层不稳定。为避免这个缺点,可采用M gO 、CaO 、CeO 2、Sc 2O 3、In 2O 3、Y 2O 3等氧化物来稳定Z rO 2,起到相变增韧的效果[8]。最早使用的是22%M gO 完全稳定的Zr O 2,在热循环过程中M gO 会从固溶体中析出,使涂层热导率提高,降低了涂层的隔热性能。CaO 对Zr O 2的稳定也不好,在燃气的硫化作用下,CaO 从涂层
气凝胶 1、简介 气凝胶，英文aerogel又称为干凝胶。当凝胶脱去大部分溶剂，使凝胶中液体含量比固体含量少得多，或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体，外表呈固体状，这即为干凝胶，也称为气凝胶。 按其组分，可分为单组分气凝胶，如SiO2，Al2O3，TiO2，炭气凝胶（有机气凝胶炭化后得到）等；多组分气凝胶，如SiO2/Al2O3，SiO2/TiO2等。最典型的研究最多的气凝胶是单组份的SiO2气凝胶和炭气凝胶（有机气凝胶）。 气凝胶，英文aerogel又称为干凝胶。当凝胶脱去大部分溶剂，使凝胶中液体含量比固体含量少得多，或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体，外表呈固体状，这即为干凝胶，也称为气凝胶。如下图所示。 图1气凝胶 按其组分，可分为单组分气凝胶，如SiO2，Al2O3，TiO2，炭气凝胶（有机气凝胶炭化后得到）等；多组分气凝胶，如SiO2/Al2O3，SiO2/TiO2等。最典型的研究最多的气凝胶是单组份的SiO2气凝胶和炭气凝胶（有机气凝胶）。 2、气凝胶的特点 (1)孔隙率很高，可高达99.8%；科学家们表示，因为它有数百万小孔和皱摺，所以如果把1立方厘米的气凝胶拆开，它会填满一个有足球场那么大的地方。它的小孔不仅能像一块海绵一样吸附污染物，还能充当气穴。研究人员认为，一些形式的由铂金制成的气凝胶能用于加速水解及氢的产生。这样的话，气凝胶就能用来生产以氢为基础的燃料。
(2)纳米级别孔洞(~20nm)和三维纳米骨架颗粒(2~5nm)； (3) 高比表面积，可高达1000m2/g； (4) 低密度，可低至0.003g/cm3。 (5) 气凝胶独特的结构决定了其具有极低的热导率，常温下可以低至0.013W/(m·K)，比空气的导热系数还低。下图为不同材料的导热系数对比图。 图2 气凝胶与传统材料导热系数对比图 (6) 强度低，脆性大，由于其比表面积和孔隙率很大，密度很低，导致其强度很低。如SiO2气凝胶杨氏模量不到10MPa，抗拉强度只有16KPa，断裂韧度只有0.8kPa·m1/2)孔隙率很高，可高达99.8%；科学家们表示，因为它有数百万小孔和皱摺，所以如果把1立方厘米的气凝胶拆开，它会填满一个有足球场那么大的地方。它的小孔不仅能像一块海绵一样吸附污染物，还能充当气穴。研究人员认为，一些形式的由铂金制成的气凝胶能用于加速水解及氢的产生。这样的话，气凝胶就能用来生产以氢为基础的燃料。 3、气凝胶应用
第10卷 第1期2004年2月 电化学 ELECT ROCHEM IST RY Vol.10 No.1 Feb.2004 文章编号:1006_3471(2004)01_0001_08生物燃料电池的研究进展 宝 王月,吴霞琴＊ (上海师范大学生命与环境科学学院,上海200234) 摘要: 简要介绍生物燃料电池的工作原理、分类,归纳近年来国内外研究现状.讨论了电子传递媒介体在生物燃料电池中的作用以及如何提高电池性能的对策.最后,探讨了影响生物燃料电池研究进展的瓶颈,并展望其应用前景. 关键词: 生物燃料电池;酶;电子传递媒介体;修饰电极 中图分类号: T M911.45 文献标识码: A 生物燃料电池(Biofuel cell)是利用酶(Enzyme)或者微生物(Microbe)组织作为催化剂,将燃料的化学能转化为电能. 生物燃料电池工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处.以葡萄糖作底物的燃料电池为例,其阴阳极反应如下式所示: 阳极反应 C6H12O6+6H2O 催化剂 6CO2+24e-+24H+ 阴极反应 6O2+24e-+24H+催化剂 12H2O 1911年植物学家Potter用酵母和大肠杆菌进行试验,发现微生物也可以产生电流,从此,开创了生物燃料电池的研究.至今,在空间科学研究过程中,已开发出几种可用于空间飞行器的生物燃料电池,用飞行器中的生活垃圾作电池的燃料,可说是真正意义上的环保新能源.这类电池占主导地位的是间接微生物电池,即利用发酵产物作为电池的燃料.自上世纪60年代末以来,直接的生物燃料电池开始成为研究热点,主要的研究对象是以葡萄糖为阳极燃料、以氧为氧化剂的酶燃料电池.但此时恰逢锂电池取得了突破性进展,因而使这类酶燃料电池又受到冷落.80年代后,由于氧化还原媒介体(Mediator)的广泛应用,生物燃料电池的输出功率有了较大的提高,使其作为小功率电源而使用的可行性增大,并因此推动了它的研究和开发[1].另一方面,由于生物燃料电池中的阴极与其它燃料电池相似,也可以使用空气中的氧作为氧化剂,所以相关的研究大多集中于阳极,但同时,也出现了具有生物电催化功能的修饰电极代替常规的氧阴极.有趣的是,以天然食物为燃料,能够自给自足的机器人(Gastrobots)研究也于近年来取得了某些进展[2]. 收稿日期:2003_07_19 ＊通讯联系人,Tel:(86_021)64322930,E_mail:x qwu@https://www.doczj.com/doc/8711450884.html, 上海市教委自然科学基金(01D04_2)资助 DOI:10.13208/j.electroche m.2004.01.001
应用电化学 论文作业 题目燃料电池的发展现状及研究进展学院化学与化学工程学院 专业班级制药134班 姓名郭莹莹
摘要 燃料电池是一种清洁高效的能源利用方式，它是一种能够持续将化学能转化为电能的能量转换装置。发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重要意义。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类及燃料电池的优点，详细阐述了燃料电池现在的发展现状和未来研究前景的展望。 关键词：燃料电池转换装置应用发展
1 燃料电池的工作原理及分类 燃料电池( Fuel Cell，FC) 是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM-FC) 、磷酸燃料电池( Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC) 、碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell，AFC) 、固体氧化物燃料电池( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC) 及熔融碳酸盐燃料电池( Molten CarbonateFuel Cell，MCFC) 等。以质子交换膜燃料电池为例，主要部件包括: 膜电极组件( Membrane Elec-trode Assembly，MEA) 、双极板及密封元件等。膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0．7 V 左右。为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。因此，与其它化学电源一样，燃料电池的均一性非常重要。燃料电池发电原理与原电池类似( 见图1) ，但与原电池和二次电池比较，需要具备一相对复杂的系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统，其工作方式与内燃机类似。理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以续发电。 图1 PEMFC 基本原理 燃料电池从发明至今已经经历了100 多年的历程。于能源与环境已成为人
关于先进热障涂层的综述 摘要：在过去的几十年中，许多陶瓷材料都被作为新型的热障涂层材料，其中很大一部分都是氧化物。由于它独特的性能，这些新型化合物很难与最先进的热障涂层材料YSZ相媲美。另一方面，由于YSZ有一些缺点，尤其是在1200℃以上时它有限的高温性能使得在先进的燃气轮机中YSZ被其他材料所取代。 本篇文献是对不同新型涂层材料的综述，尤其是参杂氧化锆、烧绿石、钙钛矿和氯酸盐等材料。文献的结果还有由我们的研究调查得出的结果都将同我们的要求相比较。最终，我们将讨论双层结构这个概念。它是一种克服新型热障涂层材料冲击韧性的方法 关键词：热障涂层、氧化锆、烧绿石、钙钛矿、氯酸盐、热导率 一、简介 TBC系统是典型的双层式结构，它包括金属粘结层和陶瓷顶层。粘结层是保护基层氧化和腐蚀的并有改善陶瓷层和基层之间结合强度的作用。陶瓷顶层相比金属机体而言拥有很低的热传导率，通过内冷发陶瓷层可以实现一个很大的温差度（几百K）。因此，它既可以降低金属基体的温度以提高部件的使用寿命又可以提高涡轮发动机的点火温度来提高它的工作效率。 自19世纪50年代第一个军用发动机搪瓷涂层的制造起热障涂层开始了工业化发展。在19世纪60年代，第一个带有NiAl粘结层的火焰喷涂陶瓷涂层应用于商业航空发动机上。接下来的几十年中，热障涂层材料和喷涂技术持续的发展。19世纪80年代热障涂层迅猛发展。在这十年中，氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）被认为是一种特殊的陶瓷顶层材料，因为它作为一个近30年来的标准而被确立。 根据沉积工艺的不同，已经确立了两种不同的方法。一种是电子束物理气相沉积（EB-PVD），另一种是大气等离子喷涂（APS）。电子束物理气相沉积法制备的涂层拥有柱状显微结构并被广泛应用于航空发动机的高热机械载荷叶片中。同电子束物理气相沉积法相比，大气等离子喷涂以它的操作粗放度及经济可行性为傲，因此现在更多的TBC 采用这种方法。典型静态部件，像燃烧器罐和叶片平台都是用APS进行喷涂。在固定的燃气轮机中，其叶片也常使用热喷涂的方法进行喷涂。 燃气涡轮机效率的进一步提升有赖于燃烧及冷却技术的进步与更高的涡轮机入口温度相结合。这意味着由于在高温下烧结和相转变，标准材料YSZ必然会接近它的极限。 由EB-PVD和APS方法加工的YSZ包含亚稳态的T`相。长时间处于高温下，它能够
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟 气凝胶薄膜能源材料的研究进展 气凝胶薄膜能源材料的研究进展 吴广明 (同济大学波耳固体物理研究所上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室 先进土木工程材料教育部重点实验室上海200092) 摘要：随着资源短缺和环境污染的日益严重，节能与可再生能源的使用 已迫在眉睫，必须研制出新材料以适应这种发展需求。气凝胶是一种新型纳米 多孔材料，具有孔洞率高、比表面积大、热导率低、折射率小且可调范围大等 特点，被美国第250 期《科学》杂志列为世界十大热门科技之一，在建筑节能、锂离子电池、太阳能电池等方面具有广阔应用前景。 本课题组采用溶胶-凝胶技术，以TEOS、W 粉末、V2O5 粉末等为原材料，通过溶剂替换、紫外光辐照、混合气氛处理等技术以及提拉镀膜方法在常 压下制备出了面积达1.2 乘以0.8 m2、致/褪色态透射率差大于50%、光学均匀性超过95%、响应时间小于5 s 的WO3 基气致变色建筑节能气凝胶薄膜涂层(见系统研究了WO3 气凝胶薄膜纳米多孔结构的可控生长与稳定机制、变色/退色过程中氢氧原子与WO3 结构的相互作用、WO3 薄膜形貌与结构的演变、致/退色循环耐用性能衰减机制与抑制机理、纳米掺杂复合的协同作用和紫外光与气体混合后处理机制，以及V2O5 气凝胶薄膜电极的电化学行为、锂离子和电子的输运特性以及同纳米多孔结构的相互作用、比容量影响因素、V2O5 气凝胶薄膜阴极性能降级机制;发现了WO3 气凝胶薄膜的变色循环稳定性主要受控于其共角结构，SiO2 纳米复合显著抑制了其共角结构在致/退色过程中的演变; 建立了气凝胶薄膜多孔结构中粒子的输运模型，极大地丰富纳米多孔结构的表
山西大学研究生学位课程论文（2013 ---- 2014学年第学期） 学院（中心、所）： 专业名称： 课程名称：高等环境微生物 论文题目：微生物燃料电池的研究进展授课教师（职称）： 研究生姓名： 年级： 学号： 成绩： 评阅日期： 山西大学研究生学院 2014年月日
微生物燃料电池的研究进展 学生：指导老师： 摘要：微生物燃料电池作为一种可再生能源是当下的一个研究热点。本文从微生物燃料电 池的由来，原理，分类，研究方向，应用前景等方面对微生物燃料电池做了一大致的概述。 介绍了几种主要的燃料电池细菌。 关键字微生物燃料电池 随着全球化石油燃料的减少和由此产生的温室效应的加剧，一种清洁高效的能源走进了人们的视野，它便是微生物燃料电池。微生物燃料电池(Microbiological Fuel Cells)并非刚刚出现的一项技术，早在1910年，英国植物学家马克·比特首次发现了细菌的培养液能够产生电流，于是，他用铂作电极，将其放进大肠杆菌和普通酵母菌培养液里，成功制造出了世界第一个微生物燃料电池。 利用微生物的作用进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等)，把呼吸作用产生的电子传递到电极上，这样的装置叫微生物燃料电池。用微生物作生物催化剂，可以在常温常压下进行能量转换。[1] 纵观微生物燃料电池的发展历史，经历了几种形式的变革[2]。早期的微生物燃料电池是将微生物发酵的产物作为电池的燃料，如从家畜粪便中提取甲烷气体作为燃料发电。20世纪60年代末以来，人们将微生物发酵和制电过程合为一体。20世纪80年代后，由于电子传递中间体的广泛应用，微生物燃料电池的输出功率有了较大提高，使其作为小功率电源而使用的可行性增大，并因此推动了它的研究和开发。2002年后，随着直接将电子传递给固体电子受体的菌种的发现，人们发明了无需使用电子传递中间体的微生物电池，其中所使用的菌种可以将电子直接传递给电极。由于微生物燃料电池能够长时间提供稳定电能，所以它在诸如深海底部和敌方境内的军事装备这些“特殊区域”具有潜在用途．近年来，微生物燃料电池的研究受到了广泛关注。 1.微生物燃料电池的工作原理和分类 微生物燃料电池是利用微生物作为反应主体，将燃料(有机物质)的化学能直接转化为电能的一种装置。其工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处，以葡萄糖作底物的燃料电池为例，其阴阳极化学反应式如下[3]： 阳极反应C6H12O6+6H20 CO2+24e-+24H+ 阴极反应6O2+24e-+24H+12H2O 一般而言，微生物燃料电池都是在缺氧条件下通过向阳极传递电子氧化电子供体来实现的(见图1)，电子供体可以是微生物代谢底物，也可以是人工添加的辅助电子传递中间体，这种中间体能够从微生物那里获得电子，然后将获得的电子传递到阳极。有些情况下，微生物本身可以产生可溶性电子传递中间体，或者直接将产生的电子传递到阳极表面，电子通过外电路到达阴极，有机物氧化过程中释放的质子通过质子交换膜到达阴极，而这种交换膜能限制溶氧进入阳极室，最后，电子、质子和氧气在阴极表面结合形成水。 根据电子传递方式的不同，可将微生物燃料电池分为直接和间接微生物燃料电池[4-5]。
人工关节材料介绍及其改进 【摘要】本文主要介绍目前主要的人工关节材料（金属材料、陶瓷材料、高分子材料）及它们的改进方法和方向。 【关键词】人工关节材料 【正文】 0.前言 人工关节置换术是二十世纪最成功的骨科手术之一，它让无数患有终末期骨关节疾病的病人重新恢复正常的生活。人工关节是模拟人体关节制成的植入性假体,以代替病变或损伤的关节并恢复其功能。人工关节包括髋、膝、肩、肘、腕、踝等关节,其中以髋关节、膝关节置换为主。但关节置换术后容易出现假体松动、下沉等并发症，严重影响其手术的效果。人工关节使用寿命一般为10-20年。研究表明，由于人工关节材料表面相互摩擦形成的磨屑及随后介导炎症反应引起的骨溶解是人工关节无菌松动的主要原因。因此，降低人工关节面之间的摩擦，减少磨屑的产生可以显著延长人工关节的使用寿命。 1.人工关节介绍 人工关节的材料应具有良好的生物相容性，良好的机械性能，并有很好的耐腐蚀及抗疲劳性等，负重面应耐磨损，同时磨损颗粒不引起严重机体反应。目前尚无任何单一材料能满足上述要求。 1.1金属材料 和其它材料相比，金属材料具有高强度、高韧性、易加工等特点，常用来制作结构复杂和必须承受很大力量的人工关节。 早期的金属材料以不锈钢为主，它具有优良的加工性能和适当的抗压强度，但由于不锈钢在人体内长期放置会导致恶性肿瘤的发生。目前常用的金属材料有316L不锈钢、钛合金（Ti-6A1-4V）、钴铬钼合金（Co-Cr-Mo）及钴镍合金（MP35N）等。钴铬钼合金(Co- Cr-Mo) 与不锈钢相比，具有优良的生物相容性，耐磨性、耐腐蚀性和综合机械性能都比较好，但其不适于机械加工。钛及钛合金相对密度小、弹性模量较低、机械强度高,且耐蚀性和抗疲劳性均优于不锈钢与钴基合金,是人工关节更适宜的金属材料,最常用的钛合金是Ti - 6Al - 4V。 金属材料作为人工关节材料的主要缺点是金属材料人工关节的关节面容易磨损，磨损后的产物导致机体出现不良的生理反应，引起关节周围的一系列组织发炎和关节松动。同时Ti-6Al-4V、钴-铬-钼合金中含有铬、钴等，如果形成离子状态就会对人体产生毒害作用，这些有害金属离子不断积累，当到达一定量时就会产生致癌作用，对机体健康十分不利。 1.2陶瓷材料 陶瓷被应用于人工关节，目前最常用的是Al2O3 和ZrO2 陶瓷。陶瓷材料强度高，耐磨性好，化学稳定性和耐蚀性强；并且陶瓷材料的离子结构可以吸引带极性的液体, 使之均匀地覆盖在陶瓷的表面, 有利于形成流体薄膜润滑效果，这有助于降低在人体中的磨损。陶瓷材料可以在体内保持生物惰性，不会有金属离子析出，特点突出。但陶瓷材料韧性低、脆性大,且弹性模量远大于人体自然骨,故生物力学匹配性差,在使用过程中常出现脆性断裂和骨损伤等。 1.3高分子材料 有机高分子材料（臼）多与陶瓷、不锈钢等高强度材料（人工关节头）结合应用于人工关节的工艺当中。用于人工关节的高分子材料主要有硅橡胶、聚乙烯及超高分子量聚乙烯等。 高分子材料使用早期效果较好，但长期随访病例发现由于其晚期磨损严重，造成人工关节出现晚期松动现象。磨损产生的碎屑迁移到骨水泥/骨界面，因巨噬细胞反应引起骨吸收，导致支撑关节的骨恶化、固定消失、无菌松动产生并最终置换失败。
应用电化学 论文作业题目燃料电池的发展现状及研究进展学院化学与化学工程学院 专业班级制药134班 姓名郭莹莹
摘要 燃料电池是一种清洁高效的能源利用方式，它是一种能够持续将化学能转化为电能的能量转换装置。发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重要意义。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类及燃料电池的优点，详细阐述了燃料电池现在的发展现状和未来研究前景的展望。 关键词：燃料电池转换装置应用发展 1 燃料电池的工作原理及分类 燃料电池( Fuel Cell，FC) 是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM-FC) 、磷酸燃料电池( Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC) 、碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell，AFC) 、固体氧化物燃料电池 ( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC) 及熔融碳酸盐燃料电池( Molten CarbonateFuel Cell，MCFC) 等。以质子交换膜燃料电池为例，主要部件包括: 膜电极组件( Membrane Elec-trode Assembly， MEA) 、双极板及密封元件等。膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0．7 V 左右。为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。因此，与其它化学电源一样，燃料电池的均一性非常重要。燃料电池发电原理与原电池类似( 见图1) ，但与原电池和二次 电池比较，需要具备一相对复杂的系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统，其工作方式与内燃机类似。理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以续发电。 图1 PEMFC 基本原理 燃料电池从发明至今已经经历了 100 多年的历程。于能源与环境已成为人类社会赖以生存的重点问题。近20 年以来，燃料电池这种高效、洁净的能量 转化装置得到了各国政府、开发商及研究机构的普遍重视。燃料电池在交通运输、便携式电源、分散电站、航空及水下潜器等民用与军用领域展现出广阔的应用前景。目前，燃料电池汽车、电站及便携式电源等均处于示范阶段，在商
Harbin Institute of Technology 人工髋关节材料的研究 院系：英才学院 班级： 1 姓名： 学号： 时间： 2012.12.05 哈尔滨工业大学
摘要：随着科学技术的发展，人工髋关节开始得到广泛的应用。髋关节作为一个经常活动的关节，对材料的要求非常高。本文阐述了人工髋关节假体材料的性能要求和研究进展。 关键词：人工关节髋关节材料 0.引言 随着社会的进步，人们的生活质量越来越得到重视。关节疾病一直都严重影响着人们的正常生活，因此人工关节，特别是人工髋关节，越来越受到大家的关注。据统计，全球每年有110万例的髋关节植入[1]，并呈现逐年递增的趋势。但就目前而言，人工髋关节的效果还差强人意，主要是未能找到特别合适的人工髋关节材料。因此，我们要探究一下各种人工髋关节材料的优缺点，以促进人工髋关节的发展与进步，使患者的生活质量能够进一步地提高。 1.性能要求 髋关节的受力十分复杂，同时承受拉力、压力、扭转和界面剪切力以及反复疲劳、磨损的综合作用，并且要经受体液的腐蚀作用。临床医学认为，人工髋关节作为植入器官应具备以下几项性能： (1)生物相容性。生物组织相容性要求髋关节假体材料不能对周围组织产生毒副作用, 组织对植入材料无排斥反应；生物力学相容性要求髋关节假体材料的弹性模量、强度和韧性与人的皮质骨相匹配，在负载情况下，髋关节假体与所接触的组织所发生的形变要彼此协调，并且植入期间假体材料与周围的骨组织结合良好，不发生松动和下沉； (2)生物摩擦学性能。要求髋关节假体材料的摩损率低，磨损颗粒数量少且对人体组织无不良影响； (3)抗腐蚀、耐疲劳性能。要求髋关节假体材料在人体环境中经受化学腐蚀和电化学腐蚀而不失效，在人体循环疲劳作用下不损伤； (4)制备工艺和服役寿命。要求髋关节假体材料易于合成和制造，便于批量生产和质量检测，设计服役寿命应达到10~20年。 2.假体材料[2] 2.1 金属材料 主要有不锈钢、钴铬合金、钛合金等。 (1)不锈钢：不锈钢具有优良的加工性能和足够的强度，但易产生缝隙腐蚀、摩擦腐蚀以及疲劳腐蚀等问题。目前不锈钢材料主要应用于髋关节置换的低端产品中，常用的型
2019年第12期广东化工第46卷总第398期https://www.doczj.com/doc/8711450884.html, ·83· 浅谈微生物燃料电池研究进展 李玉冰1，叶群芳1，王世栋2 (1．广州市湃森环境咨询服务有限公司，广东广州510000；2．广州海洋地质调查局，广东广州510760) Progress in Research of Electrigens in Microbial Fuel Cell Li Yubing 1,Ye Qunfang 1,Wang Shidong 2 (1.Guangzhou Passion Environmental Advisory Service Co.,Ltd.,Guangzhou 510000； 2.Guangdong Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China) Abstract:Microbial fuel cell (MFC)is hybrid of microbial technology and electrochemistry,which can effectively convert substrate or renewable biomass to electricity.Electricigens play an important role in MFC.In this article,research progresses of microbial fuel cells in recent years were summarized ，different electricigens were provided,the application prospect of microbial fuel cells was forecasted. Keywords:microbial fuel cell ；electricigens ；non-mediator 微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell ，MFC)是一种利用产电微生物将化学能转化成电能的电池装置[1]。在1911年，Potter 等将金属铂电极置于富含酵母和大肠杆菌悬浮液中发现有微弱的电流产生，首次利用微生物产电。但在此后很长的一段时期内，相关研究陷入停滞。20世纪70年代，MFC 技术概念才被明确。进入21世纪之后，一种可直接将电子传递给固体电极的微生物被发现，使得MFC 成为研究的新热点[2]。本文在调研国内外文献的基础上，介绍了MFC 工作原理和主要的产电微生物类型，旨在为MFC 构建和应用提供参考。 1MFC 工作原理 MFC 是一种较为特殊的燃料电池。以典型的双室微生物燃料电池为例，MFC 由阴极区和阳极区组成，阳极槽保持厌氧，阴极槽保持有氧，质子交换膜等作为分隔材料隔开两个区域，H +离子可以自由通过质子交换膜，氧气则截留在阴极槽。阳极的产电微生物通过代谢将底物氧化，产生电子、质子和二氧化碳。底物在氧化过程中释放的质子与电子基本以NADH 2与FADH 2形式存在，电子可分别以细胞直接接触、纳米导线传递和中介体转移3种方式传递给最终受体，并与质子在阴极和氧气发生反应生成最终的反应产物——水[3-5]。 以葡萄糖作为底物，MFC 的生化反应如下： 阳极：C 6H 12O 6+6H 2O ?? →?微生物 6CO 2+24e -+24H +阴极：6O 2+24e -+24H +??→?微生物 12H 2O 按电子传递方式划分，MFC 可分为介体微生物燃料电池和无介体微生物燃料电池。介体微生物燃料电池是在阳极室中加入外源电子中介体，如中性红、二磺酸盐(AQDS)、甲基紫、可溶性醌等。由于外源中介体物质价格较高且容易流失，部分介体还具有毒性，限制了介体微生物燃料电池的发展和应用[6]。目前，MFC 研究主要集中在无介体微生物燃料电池上。 MFC 启动后前期产生的电流很低，随着生物量的积累，电流会逐渐升高。MFC 本质上通过获取微生物代谢过程产生的电子产生电流。MFC 的输出功率基本取决于电子在和电极间的传递效率、电解液电阻和电化学反应动力学因素。由于MFC 不属于热机系统，能避开卡诺循环的热力学限制，MFC 理论上将化学能转变为电能的效率可接近100%[7]。 2产电微生物 MFC 与其他传统燃料电池最根本区别在于阳极反应以铂催 化而是由微生物催化，产电微生物是核心要素[8]。在MFC 系统中，底物经产电微生物氧化、产生的电子经外电路传输最终产生电流[9]。 产电微生物来源较为广泛，主要包括河底底泥、厌氧颗粒污泥等。近年来发现，单一菌种电流输出较低，而天然厌氧环境下混合菌种经过驯化后可以使输出电流成倍增加。利用天然厌氧环 境中的混合菌进行接种已成为最常见的接种形式。经国内外文献调研，产电微生物的种类较为分散，包括细菌、古菌和酵母菌[10]，但主要来自于细菌域，且多为兼性厌氧菌，主要分布在变形菌、酸杆菌和厚壁菌三大细菌分支[8]。 已报道的产电细菌主要包括变形菌门的α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)的Gluconobacter oxydans 、Rhizomicrobium electricum 及Paracpccus pantotrophus 等，β-变形菌纲(Betaproteobacteria)的Rhodoferax ferrireducens ，γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)的Shewanella oneidensis 、Proteus vulgaris 、Citrobacter sp SX-1等，δ-变形菌纲(Deltaproteobacteria)的硫还原地杆菌(Geobacter sulferreducen )、Desulfovibrio desulfuricans 等等；厚壁菌门的拜氏梭菌(Clostridium beijerinckii )和丁酸梭菌(Clostridium butyricum )等；酸杆菌门的Geothrix fermentan 等等[10-16] 。仅少量产电菌能以无机物如硫、氢为能源，其余多以有机物为碳源[16]。 其中，Ringeisen 等发现S.oneidensis DSP10能在好氧条件下利用乳酸产电，这是最早发现的能在有氧条件下产电的菌种[11]，Biffinger 等还发现S.oneidensis DSP10能以果糖、抗坏血酸等有机物作为电子供体产电，且以果糖为底物时功率密度可达350W/m 2，产电最高[12]。这种产电微生物的发现拓宽MFC 底物的利用范围。此外，其他类型的产电微生物逐渐被发现，如Geopsychrobacter electrodiphilus 、Desulfoblbus propionicus 等[17-18]。 相关研究表明存在一些途径可强化MFC 的产电效果。如我国邓丽芳等[13]分离出一种肺炎克雷伯氏菌可进行胞外电子传递方式，提出了克雷伯氏菌在MFC 中的2,6-二叔丁基苯醌穿梭机制，为降低电池内阻、提高MFC 功率密度提供了一条有潜力的途径；Luo [14]发现对一种兼性厌氧产电菌Tolumonas osonensisa 菌体细胞进行了通透性处理，可显著提高其产电功率。 3MFC 的应用 有机废水处理是MFC 最具应用潜力的方向。常见的废(污)水的处理技术主要有好氧生物处理技术和厌氧生物处理技术。好氧生物处理技术需要消耗大量的能量，厌氧处理工艺虽然可以产生甲烷，但由于甲烷较难回收利用，无法实现能源的回收。MFC 兼具污水处理厂厌氧池和曝气池的特点，还可产生电能[4]，可以作为一种废水生物处理技术。MFC 可利用废水中的有机质产电，且可利用的有机物范围较广，可处理各种浓度的有机废水，甚至难降解的有机废水。 生物修复方向是MFC 另一个极具发展潜力的方向。通常情况下，生物修复过程需加入电子供体或电子受体支持微生物的呼吸促进有毒污染物的生物降解[19]。MFC 可利用微生物将电极作为电子供体或电子受体去除环境中的污染物达到修复的目的，同时还可避免二次污染[20]。 此外，MFC 在其他领域也具有较好的应用前景。如MFC 可帮助解决人体植入装置的能源供应问题，MFC 可利用体液或血液 [收稿日期]2019-05-23 [作者简介] 李玉冰(1992-)，女，江西萍乡人，硕士研究生，环境科学与工程专业，研究方向主要为矿区环境风险。