前沿科技成果研究论文

先进制造技术的发展趋势顾新建 李 晓（浙江大学机械系，浙江 杭州310027）摘 要：对先进制造技术的特点、体系结构和发展趋势进行了简要分析，并对其中的计算机集成制造系统和大批量定制技术的发展现状作了简要介绍。关键词：先进制造技术；计算机集成制造系统；大批量定制1 先进制造技术的发展趋势先进制造技术是传统制造业不断地吸收机械、信息、材料及现代管理技术等方面最新的成果，并将其综合应用于产品开发与设计、制造、检测、管理及售后服务的制造全过程，实现优质、高效、低耗、清洁、敏捷制造，并取得理想技术经济效果的前沿制造技术的总称。从本质上可以说，先进制造技术是传统制造技术、信息技术、自动化技术和现代管理技术等的有机融合。先进制造技术是制造业21世纪发展的方向。先进制造技术的特点如下：�(1)先进制造技术贯穿了从产品设计、加工制造到产品销售及使用维修等全过程, 成为“市场—产品设计—制造—市场”的大系统。而传统制造工程一般单指加工过程。�(2)先进制造技术充分应用计算机技术、传感技术、自动化技术、新材料技术、管理技术等的最新成果, 各专业、学科间不断交叉、融合, 其界限逐渐淡化甚至消失。�(3)先进制造技术是技术、组织与管理的有机集成，特别重视制造过程组织和管理体制的简化及合理化。先进制造技术又可看作是硬件、软件、人件和支持网络（技术的与社会的）综合与统一。�(4)先进制造技术并不追求高度自动化或计算机化，而是通过强调以人为中心，实现自主和自律的统一，最大限度地发挥人的积极性、创造性和相互协调性。�(5)先进制造技术是一个高度开放、具有高度自组织能力的系统，通过大力协作，充分、合理地利用全球资源，不断生产出最具竞争力的产品。�(6)先进制造技术的目的在于能够以最低的成本、最快的速度提供用户所希望的产品，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，并取得理想的技术经济效果。�美国从90年代初相继提出了先进制造技术计划、TEAM计划、下一代制造(NGM)技术计划、美国国家关键技术等，德国提出了“生产2000”计划、“生产2000+”计划、“微系统2000”计划等、日本提出了智能制造系统计划、韩国提出了高级先进技术国家计划（G-7计划）等〔1〕。图1为先进制造技术的体系结构。�美国乔治·华盛顿大学于90年代初成立了由45位著名的未来学家和技术专家组成的新兴技术预测委员会，在1996年的预测中，从可以预见到的最重要的技术进步中挑选85项将要出现的技术。共分为12个大类。其中在第八大类：制造业与机器人中有如下技术〔2〕：(1)计算机集成制造系统。在2012年，80%的工厂生产将实现计算机集成化；�(2)生产自动化。到2015年，由于实现了生产自动化，工厂的就业人数在劳动力总人数中所占的比例将下降到10%以下；�(3)大批量定制。到2011年，汽车、电器等30%以上的产品将广泛实现大批量定制生产；�(4)先进的机器人。到2016年，带有传感输入、具有决策和学习功能、可移动的机器人将投放市场；�(5)纳米技术。到2016年，微型机器和纳米技术将投入商业应用。可以认为，这五种技术是最重要的先进制造技术。限于篇幅，这里仅对计算机集成制造系统和大批量定制作一简单的介绍。这两种技术对企业的影响范围较大，有较大的适用性。先进制造技术的发展趋势可以概括为：�(1)数字化。在这方面，人们提出了CIMS、数字化工厂等概念。通过CAX(CAD,CAPP,CAE, CAM)系统和PDM系统，进行产品的数字化设计、仿真，并结合数字化制造设备，进行自动加工。并采用MRPII/ERP系统，对整个企业的物流、资金流、管理信息流和人力资源进行数字化管理。进一步的发展是，通过数字化的供应链管理(SCM)系统和客户关系管理(CRM)系统，支持企业与供应商和客户的合作。网络技术的发展使企业内部和外部的数字化运作更加方便。�(2)知识化。知识将成为企业的最重要的生产要素，技术创新将是企业最重要的生存和竞争能力。知识管理技术、学习型组织等将受到越来越大的重视。�(3)模块化。产品的模块化和企业的模块化将使企业能快速地、低成本地生产出顾客所需要的个性化产品。�(4)微小化。微机械及制造技术正在迅速发展，这将导致一大类全新的产品，深刻改变人们的生活。�(5)绿色化。强调产品和制造过程对环境的友好性。2 计算机集成制造系统(CIMS)自从美国的Harringtong博士在1973年提出CIMS概念以来，CIMS在世界上走过了曲折的道路，人们对CIMS的本质认识有了巨大的变化，主要是：现代制造业的方向并不只是计算机的集成，信息的集成，而是人、技术、组织的整体集成，包括功能集成、组织集成、信息集成、过程集成、知识集成和企业间的集成〔4〕。由于计算机集成制造系统这一词容易使人误解，以为只要将计算机集成在一起就能构造成一个先进的制造系统。为此，我国的一些学者提出了现代集成制造系统（CIMS，Contemporary Integrated Manufacturing Systems）的概念。当前，CIMS的发展有以下特点。 集成化CIMS中有以下几个关键的信息集成系统。CIMS在这些系统的基础上进一步实现企业的总体集成。�（1）ERP（企业资源计划）系统：国外有名的系统是SAP,Oracle,Baan,IBM等，国内有金蝶、用友、开思等。ERP 系统集成了企业中的生产管理、财务、人事、采购、销售等子系统。系统涉及面广，十分庞大，对人员素质、数据和流程规范性要求高，因此实施难度大，成功率不高。�（2）CAD/CAPP/CAM一体化：目前虽然有些CAD系统可以支持CAD/CAPP/CAM一体化，但主要针对基本上都采用数控加工的零件，如PRO/E软件。由于不同产品中的零件差别很大，每个企业的加工条件和水平也不相同，因此复杂零件的CAD/CAPP/CAM一体化还没有通用的系统。�（3）PDM（产品数据管理）系统：被用于管理和控制由CAX(CAD、CAPP、CAE、CAM等的统称)系统所形成的大量的信息，避免花费很多时间去寻找本应该垂手可得的信息。PDM是设计自动化技术系统的核心，在产品的整个生命周期内管理全部的产品知识和信息，并为产品开发过程中的各个应用系统提供所需的数据，为不同应用系统提供集成平台。PDM系统以产品数据库为底层支持，以BOM为组织核心，把定义最终产品的所有工程数据和文档联系起来，实现产品数据的组织、控制和管理。PDM系统一般是由CAD软件开发商所开发的。因此，同一软件公司的CAD系统和PDM系统能很好的无缝集成，而来自不同软件公司的CAD系统和PDM系统间的集成性就差多了。PDM系统的实施难度比CAD系统要大，因为前者涉及管理、组织等问题。（4）工作流管理系统：主要用于办公自动化，是企业管理层的信息集成系统。目前工作流管理系统与知识管理系统紧密结合起来，使企业的知识得以共享和保存。� 网络化以因特网为代表的网络技术正在制造业中产生越来越大的影响。人类正在进入一个新的时代——网络经济时代，在制造业中，也正在出现一种新的模式——网络化制造模式。在网络化制造中，新的网络空间与传统的物理空间紧密结合，产生出各种新思想、新观点、新方法和新系统。制造企业将利用因特网进行产品的协同设计和制造；通过因特网，企业将与顾客直接联系，顾客将参与产品设计，或直接下订单给企业进行定制生产，企业将产品直接销售给顾客；由于因特网无所不到，市场全球化和制造全球化将是企业发展战略的重要组成部分；由于在因特网上信息传递的快捷性，并由于制造环境变化的激烈性，企业间的合作越来越频繁，企业的资源将得到更加充分和合理的利用。企业内联网(Intranet)/外联网(Extranet)也将极大地改变企业内的组织和管理模式，将有效地促进企业员工的信息和知识的交流和共享〔5〕。 敏捷化进入21世纪，企业将面对日益激烈的国际化竞争的挑战，另一方面，企业可以利用制造全球化的机遇，专注发展自己有优势的核心能力及业务，而将其它任务外包和外协。企业将变得更加敏捷，对市场的变化将有更快的反应能力。但这些需要新的信息技术的支持，如供应链管理系统，促进企业供应链反应敏捷、运行高效，因为企业间的竞争将变成企业供应链间的竞争；又如客户关系管理系统，使企业为客户提供更好的服务，对客户的需求作出更快的响应。 虚拟化虚拟制造可以简单地理解为“在计算机内制造”，通过应用集成的、用户友好的软件系统生成“软样机”，对产品、工艺和整个企业的性能进行仿真、建模和分析。虚拟制造包括：虚拟设计、虚拟装配和虚拟加工过程。新产品的开发需要考虑很多因素。例如在开发一种新车型时，其美学的创造性要受到安全性、人机工程学、可制造性及可维护性等多方面的制约。在虚拟设计中，利用虚拟原型在可视化方面的强大优势以及可交互地探索虚拟物体的功能，对产品进行几何、制造和功能等方面的交互建模与分析，快速评价不同的设计方案，可以从人机工程学角度检查设计效果，设计师可直接参与操作模拟，移动部件和进行各种试验，以确保设计的准确性。这种技术的特点是：①及早看到新产品的外形，以便从多方面观察和评审所设计的产品；②及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题；③及早对产品的可制造性有清楚的了解。美国波音飞机公司在设计波音777飞机中采用了虚拟制造技术。采用飞行仿真器及虚拟原型技术在各种模拟的条件下，对飞机进行飞行试验。� 智能化例如，随着CAD系统中知识的积累，CAD系统的智能化程度将大幅度提高。这种智能化具体表现为：①智能地支持设计者的工作，而且人机接口也是智能的。系统能领会设计人员的意图，能够检测失误，回答问题，提出建议方案等；②具有推理能力，使不熟练的设计者也能做出好的设计来。� 绿色化包括绿色产品和绿色制造。要求产品的零部件易回收、可重复使用、尽量少用污染材料、在整个产品的制造和使用过程中排废少、对环境的污染要尽可能的小、所消耗的能量也尽可能的少。要求制造和使用具有洁净性。产品和制造过程的绿色化，不仅要求企业把环境保护当作自己的重要使命，同时也是企业未来生存和发展的战略。因为不注意环境保护的企业将被市场所淘汰。�3 大批量定制当前我国已进入买方市场，一般产品和一般的制造能力严重过剩；随着市场竞争的国际化，用户可以在更广泛的范围内选择自己需要的产品，用户对产品的质量、价格和新颖性的要求越来越高。许多企业都在探索如何在这种新环境中生存和发展。大批量定制(MC, Mass Customization)就是一种很有前途的生产模式。大批量定制又称大规模定制、大规模客户化生产、批量定制、批量客户化等〔6〕。从理论上讲，大批量定制要实现以大批量的低成本和短交货期生产用户定制的单件产品，但实际上，大批量定制可以看作是一种低成本、快速满足用户个性化需求的产品设计、制造和营销的新概念、新模式和新实践。大批量生产和单件产品的定制生产一直是两种水火不相容的生产方式。实现大批量定制不仅仅是技术问题，还涉及到组织、管理和技术的全面变革。真正实现大批量定制也并非是一个企业的事情，需要全行业、全社会的共同努力。因此，大批量定制是一个大系统工程。�大批量定制从产品和过程两个方面对制造系统及产品进行了优化，或者说产品维（空间维）和过程维（时间维）的优化。其中，产品维优化的主要内容是：�(1)正确区分用户的共性和个性需求；�(2)正确区分产品结构中的共性和个性部分；�(3)将产品维的共性部分归并处理；�(4)减少产品中的定制部分。�过程维优化的主要内容是：�(1)正确区分生产过程中的大批量生产过程环节和定制过程环节；�(2)减少定制过程环节，增加大批量生产过程环节。�图2描述了大批量定制中的产品维和过程维优化的基本原理。这里将企业产品中的各种零部件分为两大类，一类是通用零部件，另一类是定制零部件。产品维优化方向是减少定制零部件数。这里还将产品的生产环节分成两部分，一部分是大批量生产环节，另一部分是定制环节，过程维优化方向是减少定制环节数。大批量定制的实质是要减少图2中的小矩形面积，理想的情况是该面积为零，但这实际上是不可能的。�大批量定制的典型案例有：�(1)美国莱维·斯特劳斯(Levi Strauss)服装公司：该公司可以向用户提供多达近千种不同的款式、花色，加上量体裁衣的服务，以保证用户获得称心如意的牛仔裤。用户只需多付10美元即可根据腰围等个人尺寸在流水线上定制。公司的营业额上升了三成，库存急剧减少，经营成本大幅降低。�(2)宝洁公司（P＆G）：把洗发剂的配方增加到5万多种，只要顾客能拿出头发的油性酸性指标，就可以按通常价格给顾客定制专用洗发剂。�(3)日本松下自行车工业公司：每辆车都是根据用户的身体重量和爱好特制的，价格仅比现成的型号高10%，两星期内交货。不同定制的自行车中，大量零部件则是采用标准化战略进行设计和制造的。�(4)福特公司：发动机的模块化设计，即对6缸、8缸、10缸和12缸等不同规格的发动机结构进行调整，使其绝大部分组件都能通用，以尽可能少的规格部件实现最大的灵活组合。不同规格的发动机可在一条生产线上加工。每年节约数亿美元〔7〕。�(5)海尔集团：以58大门类9200个规格品种为素材，再加上提供的上千种“佐料”——2万多个基本功能模块，经销商和消费者可自由地将这些“素材”和“佐料”组合，形成独具个性的产品。目前可以提供适合B2B2C的模块化网络家电9万种以上。�(6)波音公司：面对结构复杂、品种繁多、零件数以百万计的大型民用客机，将飞机中的零部件分为三类：第一类是基本的、稳定的无个性特性件、第二类是用户的可选件、第三类是用户特定的零部件。由于前两类的数量占了一架飞机的工作量90%左右，这样接到订单90%的工作量已经完成或接近完成，这就大大缩短了生产周期，库存量也不高，生产成本也降低了。并且波音公司在飞机模块化设计的基础上，开发了一个飞机配置设计及制造资源管理系统。波音的销售代表在与用户谈判时，可以利用便携式计算机上的这个软件系统与用户协同配置飞机。这一软件能直接从构型库中存取数据。销售人员能向用户展示各种选项将如何影响飞机的价格和重量。这些信息有助于用户作出考虑周全的经营决策。参考文献1 顾新建，祁国宁.知识型制造企业. 北京:国防工业出版社，20002 晓科. 美国专家预测2001年至2030年间将出现的新兴技术. 中国专利报, 1998-02-18(1)3 顾新建，祁国宁，等. 机械制造系统工程学.杭州：浙江大学出版社，19964 祁国宁，顾新建.计算机集成制造系统方法论. 上海：上海科学技术出版社，19965 顾新建，祁国宁，陈子辰. 网络化制造战略和方法. 北京：高等教育出版社，20016 〔美〕大卫 M. 安德森, B.约瑟夫.派恩.21世纪企业竞争前沿：大规模定制模式下的敏捷产品开发. 北京：机械工业出版社， 20007 薛福康. 登上世界汽车工业的金字塔—记著名美籍华人汽车专家顾永平.光明日报，1999-05-02(1)8 宜君. 海尔洗衣机：从专为您设计到个性化按需定制. 人民日报网络版，2001-09-05中国航天冲压发动机技术研讨瞄准世界前沿当前，各国研制的以导弹武器为代表的飞行器，都在向着更快、更远、更准、更高的目标进发，而实现这一目标的关键技术之一，就在于发动机技术水平的不断提高。8月4日，由航天科工集团公司主办、三院31所承办的我国冲压发动机领域的盛会——2005年冲压发动机技术交流会，吸引了国内数十家科研院所、企业高校的约140名专家、学者到会。航天科工集团公司科技委主任夏国洪、副主任花禄森、黄瑞松参加了会议。航天产品，动力先行。我国一直非常重视冲压发动机技术的发展，上世纪50年代末，三院31所率先开展了冲压发动机技术的研究，被业界称为“亚非拉，头一家”。经过40多年的发展，现已建立了比较完备的研发体系，研制出多种冲压发动机装备用于型号产品，多项研究成果获得国家科技进步奖。“目前，各国研制的导弹武器都向着速度更快、射程更远的方向发展，同时，未来的航天运输系统也需要先进的动力系统来支撑。因此，冲压发动机以其特有的先进技术，将成为21世纪航空航天动力的宠儿。”31所所长薛亮对冲压发动机的发展前景做了前瞻式的预测。其实，冲压发动机技术的“热度”从本次会议收到的100多篇论文中也可见一斑。许多专家学者都把目光瞄准了世界前沿水平。其中，刘兴洲院士所作的《冲压发动机技术研究进展》，从未来战争的一体化、信息化、中远程精确打击等特点出发，引申出冲压发动机的发展需求，并对冲压发动机的一体化设计、燃烧、燃料、材料、控制、试验等技术前沿领域进行了介绍和展望，向与会代表描绘了未来冲压发动机的发展蓝图。本次会议交流研讨的学术气氛浓厚，许多论文水平较高，是对我国近年来冲压发动机的前沿研究、产品设计和工程实践的经验总结；同时，本次会议使各单位增进了了解，对今后加强合作，促进信息、资源、技术和市场的共享将起到积极作用。

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10～100个原子紧密排列在一起的尺度。下面是我整理的纳米材料科技论文，希望你能从中得到感悟!

纳米材料综述

【摘要】 本文综述了纳米材料的发展、种类、结构特性、目前应用状况和相关的应用前景，并对我国和国际目前的研究水平和投入做了对比分析。

【关键词】 纳米、纳米技术、纳米材料、纳米结构

1 引言

著名科学家费曼于1959年所作的《在底部还有很大空间》的演讲中，以“由下而上的方法”出发，提出从单个分子甚至原子开始进行组装，以达到设计要求。他说道，“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”并预言，“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话，将极大得扩充我们获得物性的范围。”[1]

1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。1982年，科学家发明研究纳米的重要工具――扫描隧道显微镜，使人类首次在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。[2]

2 纳米技术

纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。

3 纳米材料

纳米材料的概念

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10～100个原子紧密排列在一起的尺度。从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在微米以下，即100纳米以下。因此，颗粒尺寸在1～100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。

纳米材料具有一定的独特性，当物质尺度小到一定程度时，则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为，当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时，其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨，所以二者行为上将产生明显的差异。

纳米材料的分类

纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。

(1)纳米粉末

纳米粉末又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。可用于：高密度磁记录材料;吸波隐身材料;磁流体材料;防辐射材料;单晶硅和精密光学器件抛光材料;微芯片导热基片与布线材料;微电子封装材料;光电子材料;先进的电池电极材料;太阳能电池材料;高效催化剂;高效助燃剂;敏感元件;高韧性陶瓷材料(摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等);人体修复材料;抗癌制剂等。

(2)纳米纤维

纳米纤维指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于：微导线、微光纤(未来量子计算机与光子计算机的重要元件)材料;新型激光或发光二极管材料等。静电纺丝法是目前制备无机物纳米纤维的一种简单易行的方法。

(3)纳米膜

纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于：气体催化(如汽车尾气处理)材料;过滤器材料;高密度磁记录材料;光敏材料;平面显示器材料;超导材料等。

(4)纳米块体

纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。主要用途为：超高强度材料;智能金属材料等。

4 纳米材料的应用

由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性[8]、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。

5 纳米材料的前景

纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学，主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。纳米材料的应用涉及到各个领域，21世纪将是纳米技术的时代。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。

21世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性，设计出各种新型的材料和器件。通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品，目前已出现可喜的苗头，具备了形成21世纪经济新增长点的基础。纳米材料将成为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料、能源、信息等各个领域，发挥举足轻重的作用。随着其制备和改性技术的不断发展，纳米材料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的应用。

6 结束语

纳米材料在21世纪高科技发展中占有重要地位。纳米材料由于其无可挑剔的优越性，已成为世界各国研究的热点。其应用已渗透到人类生活和生产的各个领域，促使许多传统产业得到改进。世界发达国家的政府都在部署未来10～15年有关纳米科技研究规划。我国对纳米材料的研究也取得了令世界瞩目的、具有前沿性的科技成果。纳米技术的开发，纳米材料的应用，推动了整个人类社会的发展，也给市场带来了巨大的商业机遇。

参考文献

[1]孙红庆.科技天地―计划与市场探索[M]，2001/05

[2]肖建中.材料科学导论[M].北京：中国电力出版社，2001，43～50.

[3]吴润，谢长生.粉状纳米材料的表面研究进展与展望[J].材料导报.2000，14(10)：43～46.

纳米材料与应用

摘要 ：简要介绍了纳米材料的分类以及它的基本效应，讲解了纳米材料的特殊性能。分析了新型能源纳米材料中光电转换、热点转换、超级电容器及电池电极的纳米材料;环境净化纳米材料中的光催化、吸附、尾气处理等;较具体的讲述了纳米生物医药材料中纳米陶瓷材料、纳米碳材料、纳米高分子材料、纳米复合材料。

关键词 ：纳米材料 性能 应用

纳米是一个长度单位，1nm=10ˉ9m。纳米材料是指在结构上具有纳米尺度调制特征的材料，纳米尺度一般是指1～100nm。当一种材料的结构进入纳米尺度特征范围时，其某个或某些性能会发生明显的变化。纳米尺度和性能的特异变化是纳米材料必须同时具备的两个基本特征。

按材质，纳米材料可分为纳米金属材料、纳米非金属材料、纳米高分子材料和纳米复合材料。其中纳米非金属材料又可细分为纳米陶瓷材料、纳米氧化物材料和其他非金属纳米材料。

悬浮于流体的纳米颗粒可大幅度提高流体的热导率及传热效果，例如在水中添加5%的铜纳米颗粒，热导率可以增大约倍，这对提高冶金工业的热效率有重要意义。纳米颗粒可表现出同质大块物体不同的光学特性，例如宽频带、强吸收、蓝移现象及新的发光现象，从而可用于发光反射材料、光通讯、光储存、光开光、光过滤材料、光导体发光材料、光学非线性元件、吸波隐身材料和红外线传感器等领域。

纳米颗粒在电学性能方面也出现了许多独特性。例如纳米金属颗粒在低温下呈现绝缘性，纳米钛酸铅、钛酸钡等颗粒由典型得铁电体变成了顺电体。可以利用纳米颗粒制作导电浆料、绝缘浆料、电极、超导体、量子器件、静电屏蔽材料压敏和非线性电阻及热电和介电材料等。纳米粒子的粒径小，表面原子所占比例很大，表面原子拥有剩余的化学键合力，表现出很强的吸附能力和很高的表面化学反应活性。新制备的金属粒子接触空气，能进行剧烈氧化反应或发光燃烧(贵金属除外)。

纳米材料还广泛应用于环境保护中，它具有能耗低、操作简便、反应条件温和、可减少二次污染等突出特点。纳米材料在生物学性能也有广泛应用，用纳米颗粒很容易将血样中极少的胎儿细胞分离出来，方法简便，成本低廉，并能准确判断胎儿细胞是否有遗传缺陷。人工纳米材料由于其所具有的独特性质能满足人类发展中的多样化需求，近年来获得迅速的发展。目前，越来越多的人工纳米材料已被投放市场，给人们的生活带来巨大的变化和进步。

来自美国加州大学洛杉矶分校和中国天津大学的研究人员们合作，将导电性能良好的碳纳米管和高容量的氧化钒编织成多孔的纤维复合材料，并将该复合材料应用到超级电容器的电极上，获得了新型的具有高能量密度和高循环稳定性的超级电容器。这种超级电容器是非对称的，包含复合材料的阳极和传统的阴极，以及有机的电解质。其中电极薄膜的厚度要比之前的报道高很多，可以达到100微米上，从而使其可以获得更高的能量密度。由于其制备过程与传统的锂离子电池和电容器的生产过程近似，研究人员们认为这种新型电容器的可以比较容易地投入大规模生产。同时，他们也相信该项研究成果向同行们展示了纳米复合材料在高能量、高功率电子设备中的应用前景。

通过先进碳材料的应用，综合了人造石墨和天然石墨做为锂离子电池负极材料活性物质的优点，克服了它们各自存在的缺点，是满足先进锂离子电池性能要求的新一代碳贮锂材料。具有下列优点：微观结构稳定性好，适合大电流充放电;表观性状相容性好，适合形成稳定的SEI膜;粒子形貌、粒径分布适应性强，适合不同的加工工艺要求。适用于先进锂离子电池(液态、聚合物)对下列性能的要求：更高的比能量(体积比、重量比);更高的比功率;更长的循环寿命;更低的使用成本。

应用纳米TiO2泡沫镍金属滤网及甲醛、氨、TVOC吸附改性活性炭等新材料，以及采用惯流风扇取代传统的离心风扇结构，提高空气净化器的性能。光催化泡沫镍金属滤网的特性;镍金属网是用特殊的工艺方式将金属镍制作成具有三维网状结构的金属滤网。它具有：空隙加大，一般大于96%;通透性好，流体通过阻力小;其实际面积比表观面积大很多倍的特性。镍金属网是将纳米级的TiO2以特殊工艺镶嵌在泡沫状镍金属网上，从而将光催化材料的杀菌、除臭、分解有机物的功能和镍的超稳定性很好的结合在一起。它有效的解决了其他光催化材料在使用中存在的有效受光面积小、流体和光催化材料接触面积小、气阻大以及因光催化材料在光催化作用下的强氧化性致使其附着基材易老化和光催化易脱落而使其寿命短的缺陷。活性炭改性工艺及增强性能;活性炭是一种多孔性的含碳物质，它具有高度发达的空隙构造，是一种优良的空气中异味吸附剂。

纳米TiO2具有巨大的比表面积，与废水中有机物更充分地接触，可将有机物最大限度地吸附在它的表面具有更强的紫外光吸收能力，因而具有更强的光催化降解能力可快速降息夫在其表面的有机物分解。此外，在汽车尾气催化的性能方面以及在空气净化中广泛应用。

常规陶瓷由于气孔、缺陷的影响，存在着低温脆性的缺点，它的弹性模量远高于人骨，力学相容性欠佳，容易发生断裂破坏，强度和韧性都还不能满足临床上的高要求，使它的应用受到一定的限制。而纳米陶瓷由于晶粒很小，使材料中的内在气孔或缺陷尺寸大大减少，材料不易造成穿晶断裂，有利于提高材料的断裂韧性;而晶粒的细化又同时使晶界数量大大增加，有助于晶粒间的滑移，使纳米陶瓷表现出独特的超塑性。许多纳米陶瓷在室温下或较低温度下就可以发生塑性变形。纳米陶瓷的超塑性是其最引入注目的成果。传统的氧化物陶瓷是一类重要的生物医学材料，在临床上已有多方面应用，主要用于制造人工骨、人工足关节、肘关节、肩关节、骨螺钉、人工齿，以及牙种植体、耳听骨修复体等等。

由碳元素组成的碳纳米材料统称为纳米碳材料。在纳米碳材料中主要包括纳米碳纤维、碳纳米管、类金刚石碳等;纳米碳纤维除了具有微米级碳纤维的低密度、高比模量、比强度、高导电性之外，还具有缺陷数量极少、比表面积大、结构致密等特点，这些超常特性和良好的生物相容性，使它在医学领域中有广泛的应用前景，包括使人工器官、人工骨、人工齿、人工肌腱在强度、硬度、韧性等多方面的性能显著提高;此外，利用纳米碳材料的高效吸附特性，还可以将它用于血液的净化系统，清除某些特定的病毒或成份。

目前，纳米高分子材料的应用已涉及免疫分析、药物控制释放载体、及介入性诊疗等许多方面。免疫分析作为一种常规的分析方法，在蛋白质、抗原、抗体乃至整个细胞的定量分析上发挥着巨大的作用。在特定的载体上，以共价结合的方式固定对应于分析对象的免疫亲和分子标识物，将含有分析对象的溶液与载体温育，通过显微技术检测自由载体量，就可以精确地对分析对象进行定量分析。在免疫分析中，载体材料的选择十分关键。纳米聚合物粒子，尤其是某些具有亲水性表面的粒子，对非特异性蛋白的吸附量很小，因此已被广泛地作为新型的标记物载体来使用。

近年来，组织工程成为一个崭新的研究领域，吸引了众多学科研究者的关注。在工程化的方法培养组织、器官的过程中，用于细胞种植、生长的支架材料是一个关键的因素，能否使种植的细胞保持活性和增殖能力，是支架材料应用的重要条件。据报道，将甲壳素按一定的比例加入到胶原蛋白中可以制成一种纳米结构的复合材料，与以往的胶原蛋白支架相比，其力学强度得到增强，孔径尺寸增大，表明这种具有纳米结构的复合材料作为细胞生长的三维支架，在力学、生物学方面有很大的优越性和应用潜力。在硬组织修复与替换的研究中，纳米复合材料也开始逐步显示出其优异的性能。用肽分子和两亲化合物的自组装可以得到一种类似细胞外基质的纤维状支架，这种纳米纤维可以引导羟基磷灰石的矿化，形成纳米结构的复合材料，研究发现，这种纳米复合材料内部的微观结构与自然骨中胶原蛋白/羟基磷灰石晶粒的排列结构一致。

参考文献：

[1] 陈飞. 浅谈纳米材料的应用[J]. 中小企业管理与科技(下旬刊). 2009(03)

[2] 张桂芳. 纳米材料应用与发展前景概述[J]. 黑龙江科技信息. 2009(16)