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篇（1）

1.1具有光電活性的纖維素復合材料通過相關學者的研究發現，如果將氫氧化鈉/尿素水溶液作為溶劑制備纖維素或染料復合膜，那么，這種材料會顯示出較強的發光性能或熒光性能。其中，復合膜還有較強的透明性，透光率能夠達到90%.試驗發現，復合膜的力學性能很高，拉伸強度能夠達到138MPa。如果將天然纖維素浸泡在發光溶劑中進行離心干燥，經過一段時間后，能夠得到光致發光紙。這種材料不僅展現了發光劑的吸附能力，還提供了復合紙的發光性能。因此，這些纖維素發光材料可以用于發光二極管和包裝等領域。

1.2纖維素/碳納米管復合材料從纖維素先進功能材料的研究、分析中發現，碳納米管具有非常優秀的力學性能和電性能，受到人們的高度重視，并被廣泛應用于電子器件中。隨著科技的不斷發展，這種材料在生物傳感和復合材料中占有重要位置。

2化學法制備纖維素功能材料

因為天然纖維素很難溶解，所以，不適用于工業生產中。它作為一種天然高分子，在性能上也有一定的不足，例如，這種纖維素耐化學腐蝕性很差、強度較低、穩定性不高。所以，相關人員可以通過化學方法改善天然纖維素的缺陷，強化其溶解性和強度，并賦予它新的性能，不斷拓展纖維素的應用領域。因為纖維素分子鏈上有很多羥基，所以，可以利用這種方法制備出各種各樣的纖維素衍生物。近幾年，纖維素衍生物材料被廣泛應用于日用化工、涂料和食品等領域。其中，纖維素的制備方法主要有均相法和非均相法。因為纖維素很難溶解，所以，在工業生產中，都是利用非均相法制備纖維素衍生物。但是，在這個過程中，纖維素衍生物存在結構不統一和不可控的缺點，同時，還會產生大量的副產物，所以，纖維素衍生物的種類較少。相關人員嘗試利用纖維素在不同溶液中的反應生產纖維素衍生物。

2.1纖維素酯纖維素酯是纖維素與強酸或羧酸衍生物，通過酯化反應得到的一種纖維素衍生物。這種衍生物的種類較多，并有較高的附加值，能夠在生物、材料、食品中廣泛應用。利用這種方式，相關人員可以合成一些具有新功能性的纖維素酯。相關人員通過酯化反應將卟啉分子連接在纖維素上，得到了光電轉換材料，卟啉分子還給予了纖維素材料全新的抗菌性能。所以，通過酯化反應，能夠在乙基纖維素上連接三苯基胺，然后得到溶致變色的纖維素衍生物，并顯現出藍-綠熒光。這種衍生物在溶液中的量子效率為65%，所以，它還被應用在光電器件領域。

2.2纖維素醚從傳統意義上講，纖維素醚類的種類很多，并有很多性能。這種物質被廣泛應用于石油開采中，還有食品、紡織和日用化學品等方面，所以，相關人員可以引進新的基因功能，以得到新型的功能性纖維素醚。一些學者合成了纖維素咔唑醚，它能夠用于存儲信息，并在OLED的空穴中傳輸材料；還有一些學者利用醚化反應，在纖維素上連接聯苯液晶分子，從而得到對紫外光吸收能力較強的纖維素材料。近年來，相關人員發現了一些新型、高效的纖維素溶劑，為纖維素的再生產提供了新介質。在纖維素溶液中進行衍生化反應，能夠得到結構統一、可調控的功能性纖維素衍生物，例如纖維素酯、纖維素醚等。這些分子或衍生物的反應快速、高效、容易分離，為相關行業的研究奠定了良好的基礎。

篇（2）

2003年在國際和中國都發生了具有突發性的災難事件，但中國的GDP仍以9.1％的高速度在增長，達到了人民幣11.6萬億元，其中第二產業貢獻4萬多億元。中國現今的第二產業主要領域是冶金、制造和信息，在世界的地位是大加工廠，也是大市場。在國際競爭中所以有優勢是中國的勞動力廉價，這個優勢我們能保持多久?我們還注意到與化工有關的產品中，我們的生產效率是國際發達國家的5％，能耗是3倍，環境的破壞是9倍。這就是我們所付出的代價。不論形勢如何嚴峻，21世紀是中華民族振興的機遇期，制造業絕對是一個極其重要的領域，是個急速發展變化的領域。2003年3月國際真空學會執委會在北京舉行，會議上討論了將原來的冶金專委會改名為“表面工程專委會”，當時也考慮了另一個名字“涂層專委會”，我想用涂層材料更合適，含有繼承性和變革性。20世紀70年代曾經說成是塑料年代，此后塑料科技和工業迅速崛起，極大地改變了人類社會。繼而是信息時代，通信網、計算機網、萬維網、智能網，信息流，日新月異地改變著人類的生活和觀念。我們這個時代是高速發展的時代，技術和觀念都在與時俱進地改變著。

本世紀初興起了納米科技，促進其到來的是由于微電子小型化的發展趨勢，推動科技發展進入納米時代[1]，不僅電子學將進入納電子學領域，物理學進入介觀物理領域，各類科技，包括生物醫學等都在探索納米結構與特性。涂層和表面改性越來越多地增加了納米科技的內容，這是一種低維材料的制造和加工科技，將是制造技術的主流，將迅速地改變傳統制造技術的方法、理論和觀念，作為現今國際上的制造大國，世界加工廠，我們更應該注意研究制造技術的發展和未來。

1突破傳統制造技術的觀念

納米科技研究的內容主要是在原子、分子尺度上構造材料和器件，測量表征其結構和特性，探索、發現新現象、新規律和應用領域。與我們熟悉傳統的相比，納米材料和器件具有顯著的維數效應和尺寸效應。近幾年來，在納米材料制造方面做了大量的研究工作，在納米粒子粉材的制造，以及材料結構和特性測量、表征上取得了顯著成果[2～7]。接下來深入到納米線、納米管和納米帶的研究[8～14]，出現了一些成功有效的制造方法，發現了一些驚人的結構和特性。在此基礎上，發展了納米復合材料的研究，展現了非常有希望的應用前景[15～17]。近來人們在納米科技初期成果的基礎上挑戰某些產品的傳統加工技術，比如Al組件的快速加工。

T.B.Sercombe等人報道了快速加工鋁(Al)組件的新方法[18]，這個方法的主要特征是用快速成型技術先形成樹脂鍵合件，然后在氮氣氛中分解其鍵和第二次滲入鋁合金。在熱處理過程中，鋁與氮反應形成氮化鋁骨架，在滲透過程中得到剛體結構。與傳統制造工藝相比，這個過程是簡單的快速的，可以制造任何復雜組件，包括聚合物、陶瓷、金屬。圖1是過程示意和原型樣品，(a)是尼龍巾鑲嵌鋁粒子的SEM像，中心有結構細節的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是為還原氧化鋁，它將不是鑄件中的成分。在尼龍被燒去時，這個結構基本保持不變。(b)是氮化物骨架，圍繞Al粒子的一些環狀結構的光學顯微鏡像，再滲入Al時將形成密實結構。(c)是燒結的氮化鋁和滲鋁組件，小柱的厚為0.5mm其密度和強度都達到了傳統鑄造技術的水平。他們還制作了公斤重量多種結構的樣品。這是一種冶金技術的探索，開辟了一種新的冶金和制造技術途徑。

2納米材料的完美定律

描述材料結構的常用術語是原子結構和電子結構。原子結構的主要參量是晶格常數、鍵長、鍵角；電子結構的主要參量是能帶、量子態、分布函數。對于我們熟悉的宏觀體系，這些參量多是確定的常數，但對于納米體系，多數參量隨著原子數量的改變而變化。這是納米材料和器件的典型特征，它決定了納米材料的多樣性。其中有個重要規律，我們稱之為納米材料的完美定律，用簡單語言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了納米晶粒的魔數規則，即含有13、55、147…等數量原子的原子團是穩定的，對于富勒烯碳60和碳70存在的幾率最大，而對于碳59或碳71等結構體系根本不存在。這就是為什么斯莫利(Smmolley)他們當初能在大量的富勒烯中首先發現碳60和碳70，從而獲得了諾貝爾獎。對于一維納米結構，包括納米管和納米線，存在類似的規則。可以模型上認為是由殼層構成的，每個殼層中更精細的結構稱為股，每一股是一條原子鏈，中心為1股包裹殼層為7股的表示為7-1結構，再外殼層為11股的，表示為11-7-1結構，等等，構成最穩定的結構，這是一維納米結構的魔數規則。對二維納米膜存在類似的缺陷熔化規則，即不容許存在很多缺陷，一旦超過臨界值，缺陷自發產生，完全破壞二維晶態結構。上述這些低維結構特征是完美定律的具體表述，進步普遍表述理論是正在研究中的課題。

完美定律是我們討論涂層材料的出發點，因為納米材料有更多的人造品格，是大自然很少存在或者不存在的，需要人工大量制造。在制造過程中，方法簡單、產額高、成本低是最有競爭力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市場，一定是不計成本的特殊需要，有政治背景或短期的社會需求。因此在我們探索納米材料制造時，首先考慮的應是滿足完美定律的技術，如用甲烷電弧法制備納米金剛石粉技術[1]，電化學沉積法制備金屬納米線陣列技術[19]，以及電爐燒結法制造氧化物納米帶技術[20]等等。

3涂層納米材料將給我們帶來什么?

涂層納米材料是納米科技領域具有代表的材料，或是低維納米材料的有序堆積結構，或者是低維納米材料填充的復合結構。兩者都比傳統材料有驚人的結構和特性。如新型高效光電池[21]、各向異性結構材料[19]、新型面光源材料[22]等，這里舉例介紹基于熱電效應的新型納米熱電變換材料。

熱電效應器件的代表是熱電偶，即利用不同導體接觸的溫差電現象進行溫度測量的器件。基于熱電效應可以制成兩類器件：熱產生電和電產生溫差。前者可以用于制造焦電器件，即用熱直接發電，如將焦電材料涂于內燃機缸表面，利用缸體溫度高于環境幾百度的溫差發電，將余熱變作電能回收。后者可以做成電致冷器件。這類的直接熱電變換器件具有無污染，沒有活動部件，長壽命，高可靠性等優點，但塊體材料制成器件的效率低，限制了它的應用。納米科技興起以后，人們探索利用納米晶或納米線結構能否解決熱電效應的效率問題。認為用量子點超晶格材料有希望顯著提高熱電器件的效率，這是由于納米材料顯著的能級分裂，有利于載流子的共振輸運和降低晶格熱傳導，從而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]報告了量子點超晶格結構的熱-電效應器件，他們制備了PbSeTe／PbTe量子點超晶格(QDSL)結構，用其制造了熱電器件(Thermo-electrics，TE)，圖2(a)是納米超晶格TE致冷器件的結構和電路圖，(b)電流-溫度曲線。將TE超晶格材料，其寬11mm，長5mm，厚0.104mm，n-型的TE片，一端置于熱槽，另一端置于冷槽，為了減小冷槽熱傳導而形成這同結接觸，用一根細金屬線與熱槽連接。當如圖2(a)所示加電流源時，將致冷降溫。對于這種納米線超晶格結構，由于量子限制效應，發生間隔很大的能級分裂，從而得到很高的熱電轉換效率。圖2(b)是TE器件的電流-溫度曲線，實驗點標明為熱與冷端溫差(T)與電流(I)關系，電流坐標表示相應通過器件的電流。■為熱端溫度Th與電流I的關系，其溫度對于流過器件的電流不敏感。為冷端溫度Tc與電流I的關系，其溫度對于電流是敏感的。圖中A是測得的最大溫差，43.7K，B是塊體(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大溫差，30.8K。從圖中可以看出，在較大電流時，冷端溫度趨于飽和。采用這種致冷器件由室溫降至一般冰箱的冷凍溫度是可能的。

電熱效應的逆過程的應用就是焦電器件，即利用熱源與環境的溫差發電。對于內燃機、鍋爐、致冷器高溫熱端等設備的熱壁，涂上超晶格納米結構涂層，利用剩余熱能發電，將是人們利用納米材料和組裝技術研究的重要課題。

類似面致冷、取暖，面光源，面環境監測等涂層功能材料，將給家電產業帶來革命性的影響，將會極大地改變人類的生活方式和觀念。

4含鐵碳納米管薄膜場發射

碳納米管陣列或含碳納米管涂層場發射被廣泛研究，以其為場發射陰極做成了平板顯示器。研究結果表明碳管的前端有較強的場發射能力，因此碳管涂層膜中多數碳管是平放在基底上的，場電子發射能力很差。我們制備了含有鐵(Fe)納米粒子的碳納米管，它的側向有更大的場發射能力，有利于用涂層法制造平板場發射陰極。圖3(a)是含鐵粒子碳納米的TEM像，碳管外形發生顯著改變。(b)是碳管場發射I-V特性曲線，I是CVD生長的豎直排列碳納米管的場發射曲線，II是含鐵粒子碳納米管豎直陣列的場發射曲線，III是含粒子碳納米管躺在基底上的場發射曲線，有最強的場發射能力。根據此結果，將含鐵的碳納米管用作涂層場發射陰極，有利于研制平板顯示器。

5電子強關聯體系和軟凝聚態物質

上面所講到的涂層納米功能材料和器件是當今國際上研究的熱門課題，會很快取得重要成果，甚至有新產品進入市場。當我們在討論這個納米科技中的重要方向時，不能不考慮更深層的理論問題和更長遠的發展前景。這就涉及到物理學的重要理論問題，即電子強關聯體系(electronstrongcorrelationsystem)與軟凝聚態物質(softcondensationmatter)。

在量子力學出現之前，金屬材料電導的來源是個謎，20世紀初量子力學誕生后，解決了金屬導電問題。基于Bloch假設：晶體中原子的外層電子，適應晶格周期調整它們的波長，在整個晶體中傳播；電子-電子間沒有相互作用。這是量子力學的簡化模型，沒有考慮電子間的相互作用，特別是在局域態電子的強相互作用。2003年又有人提出了金屬導電問題，Phillips和他的同事以“難以琢磨的Bose金屬”為題重新討論了金屬導電問題[24]。當計入電子間的相互作用時，可能產生的多體態，超導和巨磁阻就是這種狀態。晶體中的缺陷破壞了完善導體，導致電子局域化。電子與核作用的等效結果表現為電子間的吸引作用，導致電荷載流子為Cooper對。但這個對的形成，不是超導的充分條件。當所有Cooper對都成為單量子態時，才能觀察到超導性。這樣，對于費米子由于包利(Paulii)不相容原則，不可能產生宏觀上的單量子態。Cooper對的旋轉半徑小于通常兩個電子相互作用的空間，成為Bose子。宏觀上呈現單量子態，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化電子范圍內，超導性可能認為是玻色-愛因斯坦凝聚，這個觀點現今被很多人接受。從20世紀初至今，對于基本粒子的量子統計有兩種，一是Fermi統計，遵從Paulii不相容原理，即每個能量量子態上只能容納自旋不同的2個電子，而Bose子則不受這個限制。在凝聚態物質中有兩個基態：即共有化Bose子呈現超導態，局域化Bose子呈現絕緣態。然而，在幾個薄合金膜的實驗中，觀察到金屬相，破壞了超導體和絕緣體之間直接轉換。經分析認為這是玻色金屬態，參與導電的是Bose子。推斷這個金屬相可能是渦流玻璃態，這個現象在銅氧化物超導體中得到了驗證。

軟凝聚態物質研究的對象是原子、分子間不僅存在短程作用力，而且存在長程作用力，表觀上呈現的粘稠物質形態，稱為軟凝聚態。至今，人類對于晶體和原子存在強相互作用的固體已經知道得相當透徹了，但對軟凝聚態的很多科學問題還沒有深入研究，21世紀以來，引起了科學家的極大興趣。軟凝聚態物質包括流體、離子液體、復合流體、液晶、固體電解、離子導體、有機粘稠體、有機柔性材料、有機復合體，以及生物活體功能材料等。這其中的液晶由于在顯示器件上的很大市場需求，是被研究得相當清楚的一種。其他軟凝聚態結構和特性的科學問題和應用前景是目前被關注的研究課題。這其中主要有：微流體閥和泵、納米模板、納米陣列透鏡、有機半導體、有機陶瓷、流體類導體、表面敏感材料、親水疏水表面、有機晶體、生物材料(人造骨和牙齒)、柔性集成器件，以及他們的復合，統稱為分子調控材料(materialsofmolecularmanipulation)。其主要特征是原子結構的多變性和柔性，研究材料的設計、制造、結構和特性的測量、表征，追求特殊功能；理論上探討原子結構的穩定體系，光、電、熱、機械特性，以及載流子及其輸運。關于軟凝聚態物質，有些早已為人類所用，電解液、液晶等，但對其理論研究處于初期階段。科學的發展和應用的需求促進深入的理論研究，判斷體系穩定存在的依據是自由能最小，體系自由能可表示為F=E-TS，其中S是熵。對于軟凝聚態物質體系，S是重要參量。其中更多的缺陷，原子、分子運動的復雜行為，更多的電子強關聯，不再是單粒子統計所能描述，需要研究粒子間存在相互作用的統計理論。多樣性是這個體系的突出特征，因此其理論涉及廣泛、復雜問題。

物理學是探索物態結構與特性的基礎學科，是認識自然和發展科技的基礎，其中以原子間有較強作用的稠密物質體系為主要研究對象的凝聚態物理近些年有了迅速進展，研究范圍不斷擴大，從固體結構、相變、光電磁特性擴展到液晶、復雜流體、聚合物和生物體結構等。幾乎每一二十年就有新物質狀態被發現，促進了人類對自然的認識和對其規律把握能力，推動了科學和技術的發展。21世紀仍有一些老的科學問題需要深入研究，一些新科學問題已提到人們的面前。特別是低維量子限域體系和極端條件下的基本物理問題。20世紀80年代出現的介觀物理，后來發展成為納米科技所涉及的學科領域。與宏觀體系和原子體系相比，低維量子限域體系，還有很多物理問題有待解決，人們熟悉的宏觀體系得到的規則和結論有些不再有效，適用于低維量子限域體系的處理方法和理論需要探索，特別是將涉及到多層次多系統問題的描述和表征，將會有更多的新現象、新效應、新規律被發現。在納米尺度，研究原子、分子組裝、測量、表征，涉及有機材料、無機／有機復合材料和生物材料，這將大大的擴展了物理學研究的范圍和深度。涉及的重大科學前沿問題和重點發展方向有①強關聯和軟凝聚態物質，及其他新奇特性凝聚態物質；②低維量子限域體系的結構和量子特性，包括納米尺度功能材料和器件結構和特性；③粒子物理，描述物質微觀結構和基本相互作用的粒子物理標準模型和有關問題，以及復雜系統物理；④極端條件下的物理問題，探索高能過程、核結構、等離子體、新物理現象和核物質新形態等；⑤生命活動中的物理問題，物理學的基本規律、概念、技術引入生命科學中，研究生物大分子體系特征、DNA、蛋白質結構和功能等，其研究關鍵將在于定量化和系統性，必然是多學科的交叉發展，成為未來科學的重要領域。

6結論

本文討論了納米線涂層的結構和特性，重點是納米線的復合涂層和其電學特性、光電特性。其中包括制造技術新觀念，納米材料的完美定律，納米涂層的熱-電效應，碳納米管的側向場發射，以及電子強關聯體系和軟凝聚態物質，展示了涂層科學與技術的發展前景。

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篇（3）

TheAdvanceofFunctionallyGradientMaterials

JinliangCui

(Qinghaiuniversity,XiningQinghai810016,china)

Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.

Keywords:FGM；composite；theAdvance

0引言

信息、能源、材料是現代科學技術和社會發展的三大支柱。現代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學的發展。對材料,特別是對高性能材料的認識水平、掌握和應用能力,直接體現國家的科學技術水平和經濟實力,也是一個國家綜合國力和社會文明進步速度的標志。因此,新材料的開發與研究是材料科學發展的先導,是21世紀高科技領域的基石。

近年來,材料科學獲得了突飛猛進的發展[1]。究其原因,一方面是各個學科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實驗技術;另一方面是實際應用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實際生產應用問題而產生的一種新型復合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領域，所以它是近年來在材料科學中涌現出的研究熱點之一。

1FGM概念的提出

當代航天飛機等高新技術的發展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當航天飛機往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數，其表面溫度高達2000℃。而其燃燒室內燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內外要承受高達1000K以上的溫差,傳統的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數和熱應力的差別較大,很容易在相界處出現涂層剝落[3]或龜裂[1]現象，其關鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規耐熱材料的不足，日本學者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續變化的組分梯度來代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應力降至最小[3],如圖1所示。

隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機輔助材料設計為基礎，采用先進復合技術，使構成材料的要素（組成、結構）沿厚度方向有一側向另一側成連續變化，從而使材料的性質和功能呈梯度變化的新型材料[4]。

2FGM的特性和分類

2.1FGM的特殊性能

由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續變化的特點如圖2,因此它能有效地克服傳統復合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統復合材料相比FGM有如下優勢:

1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結強度;

2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應力和熱應力;

3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點以及應力自由端點的應力奇異性;

4)用FGM代替傳統的均勻材料涂層,既可以增強連接強度也可以減小裂紋驅動力。

圖2

2.2FGM的分類

根據不同的分類標準FGM有多種分類方式。根據材料的組合方式，FGM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側到另一側呈梯度漸變的結構材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據不同的梯度性質變化分為密度FGM，成分FGM，光學FGM，精細FGM等[4]；根據不同的應用領域有可分為耐熱FGM，生物、化學工程FGM，電子工程FGM等[7]。

3FGM的應用

FGM最初是從航天領域發展起來的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發現利用組分、結構、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,并可望應用于許多領域。FGM的應用[8]見圖3。

圖3FGM的應用

功能

應用領域材料組合

緩和熱應

力功能及

結合功能

航天飛機的超耐熱材料

陶瓷引擎

耐磨耗損性機械部件

耐熱性機械部件

耐蝕性機械部件

加工工具

運動用具:建材陶瓷金屬

陶瓷金屬

塑料金屬

異種金屬

異種陶瓷

金剛石金屬

碳纖維金屬塑料

核功能

原子爐構造材料

核融合爐內壁材料

放射性遮避材料輕元素高強度材料

耐熱材料遮避材料

耐熱材料遮避材料

生物相溶性

及醫學功能

人工牙齒牙根

人工骨

人工關節

人工內臟器官:人工血管

補助感覺器官

生命科學磷灰石氧化鋁

磷灰石金屬

磷灰石塑料

異種塑料

硅芯片塑料

電磁功能

電磁功能陶瓷過濾器

超聲波振動子

IC

磁盤

磁頭

電磁鐵

長壽命加熱器

超導材料

電磁屏避材料

高密度封裝基板壓電陶瓷塑料

壓電陶瓷塑料

硅化合物半導體

多層磁性薄膜

金屬鐵磁體

金屬鐵磁體

金屬陶瓷

金屬超導陶瓷

塑料導電性材料

陶瓷陶瓷

光學功能防反射膜

光纖;透鏡;波選擇器

多色發光元件

玻璃激光透明材料玻璃

折射率不同的材料

不同的化合物半導體

稀土類元素玻璃

能源轉化功能

MHD發電

電極;池內壁

熱電變換發電

燃料電池

地熱發電

太陽電池陶瓷高熔點金屬

金屬陶瓷

金屬硅化物

陶瓷固體電解質

金屬陶瓷

電池硅、鍺及其化合物

4FGM的研究

FGM研究內容包括材料設計、材料制備和材料性能評價。FGM的研究開發體系如圖4所示[8]。

設計設計

圖4FGM研究開發體系

4.1FGM設計

FGM設計是一個逆向設計過程[7]。

首先確定材料的最終結構和應用條件,然后從FGM設計數據庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結構,以及制備和評價方法,最后基于上述結構和材料組合選擇,根據假定的組成成份分布函數,計算出體系的溫度分布和熱應力分布。如果調整假定的組成成份分布函數,就有可能計算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應力分布,此時的組成分布函數即最佳設計參數。

FGM設計主要構成要素有三:

1)確定結構形狀,熱—力學邊界條件和成分分布函數;

2)確定各種物性數據和復合材料熱物性參數模型;

3)采用適當的數學—力學計算方法,包括有限元方法計算FGM的應力分布,采用通用的和自行開發的軟件進行計算機輔助設計。

FGM設計的特點是與材料的制備工藝緊密結合,借助于計算機輔助設計系統,得出最優的設計方案。

4.2FGM的制備

FGM制備研究的主要目標是通過合適的手段,實現FGM組成成份、微觀結構能夠按設計分布,從而實現FGM的設計性能。可分為粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高溫合成法(SHS);涂層法:如等離子噴涂法,激光熔覆法,電沉積法,氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD)和化學相沉積(CVD);形變與馬氏體相變[10、14]。

4.2.1粉末冶金法(PM)

PM法是先將原料粉末按設計的梯度成分成形,然后燒結。通過控制和調節原料粉末的粒度分布和燒結收縮的均勻性,可獲得熱應力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比較簡單的FGM部件,但工藝比較復雜,制備的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的燒結法有常壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結及反應燒結等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設備簡單、易于操作和成本低等優點,但要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進行嚴格控制。國內外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。

4.2.2自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis簡稱SHS或CombustionSynthesis)

SHS法是前蘇聯科學家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應時,發現的一種合成材料的新技術。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學反應,此后化學反應在自身放熱的支持下,自動持續地蔓延下去,利用反應熱將粉末燒結成材，最后合成新的化合物。其反應示意圖如圖6所示[16]：

圖6SHS反應過程示意圖

SHS法具有產物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點。并且適合制造大尺寸和形狀復雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應的材料體系,金屬與陶瓷的發熱量差異大,燒結程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機械強度較低。目前利用SHS法己制備出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。

4.2.3噴涂法

噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝,適用于形狀復雜的材料和部件的制備。通常,將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內,并在熔化的狀態下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層。可以通過計算機程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設計所要求的梯度分布函數。這種工藝已經被廣泛地用來制備耐熱合金發動機葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。

4.2.3.1等離子噴涂法(PS)

PS法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物,形成等離子體,其溫度高達1500K,同時處于高度壓縮狀態,所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達1.5km/s。原料粉末送至等離子射流中,粉末顆粒被加熱熔化,有時還會與等離子體發生復雜的冶金化學反應,隨后被霧化成細小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結,形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調節等離子射流的溫度及流速,即可調整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優點是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無需燒結,不受基體面積大小的限制,比較容易得到大面積的塊材[10],但梯度涂層與基體間的結合強度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料

圖7PS方法制備FGM涂層示意圖[17]（a）單槍噴涂（b）雙槍噴涂

4.2.3.2激光熔覆法

激光熔覆法是將預先設計好組分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便會產生用B合金化的A薄涂層,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復以上過程,就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強劑熔覆金屬獲得了梯度多層結構。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數量和厚度,以及熔區的深度來獲得,熔區的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能,但由于激光溫度過高,涂層表面有時會出現裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發生化學反應[10]。采用此法可制備Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。

圖8同步注粉式激光表面熔覆處理示意圖[18]

4.2.3.3熱噴射沉積[10]

與等離子噴涂有些相關的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過將增強粒子注射到金屬流束中,這種工藝已被推廣到制造復合材料中。陶瓷增強顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態,混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復合材料。在噴涂沉積過程中,通過連續地改變增強顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產生梯度6061鋁合金/SiC復合材料。可以使用熱等靜壓工序以消除梯度復合材料中的孔隙。

4.2.3.4電沉積法

電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中,通過注入另一相的懸浮液使之混合,并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃,涂層的主要材料為TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層,以改變固體材料的表面特性,提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學功能、熱物理性能,該工藝由于對鍍層材料的物理力學性能破壞小、設備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產成本低廉等顯著優點而備受材料研究者的關注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]

4.2.3.5氣相沉積法

氣相沉積是利用具有活性的氣態物質在基體表面成膜的技術。通過控制彌散相濃度,在厚度方向上實現組分的梯度化,適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜,與基體結合強度低、設備比較復雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機理的不同分為物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)兩類。

化學氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質源輸送到反應器中進行均勻混合,在熱基板上發生化學反應并使反映產物沉積在基板上。通過控制反應氣體的壓力、組成及反應溫度,精確地控制材料的組成、結構和形態,并能使其組成、結構和形態從一種組分到另一種組分連續變化,可得到按設計要求的FGM。另外,該法無須燒結即可制備出致密而性能優異的FGM,因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應物的形成；氣相反應物傳輸到沉積區域；固體產物從氣相中沉積與襯底[12]。

物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質,使其蒸發為氣相,然后沉積于基材上,形成約100μm厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD法的特點是沉積溫度低,對基體熱影響小,但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]

4.2.4形變與馬氏體相變[8]

通過伴隨的應變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個附加的被稱作“相變塑性”的變形機制。借助這種機制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內,可以通過施加應變(或等價應力)梯度,在這種材料中產生應力誘發馬氏體體積分數梯度。這一方法在順磁奧氏體18-8不銹鋼(Fe-18%,Cr-8%Ni)試樣內部獲得了鐵磁馬氏體α體積分數的連續變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍,但能提供一個簡單的方法,可以一步生產含有飽和磁化強度連續變化的材料,這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應用前景。

4.3FGM的特性評價

功能梯度材料的特征評價是為了進一步優化成分設計,為成分設計數據庫提供實驗數據,目前已開發出局部熱應力試驗評價、熱屏蔽性能評價和熱性能測定、機械強度測定等四個方面。這些評價技術還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等基礎性的工作上[7]。目前,對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機械性能進行評價[8]。目前,日本、美國正致力于建立統一的標準特征評價體系[7~8]。

5FGM的研究發展方向

5.1存在的問題

作為一種新型功能材料,梯度功能材料范圍廣泛,性能特殊,用途各異。尚存在一些問題需要進一步的研究和解決,主要表現在以下一些方面[5、13]:

1）梯度材料設計的數據庫（包括材料體系、物性參數、材料制備和性能評價等）還需要補充、收集、歸納、整理和完善；

2）尚需要進一步研究和探索統一的、準確的材料物理性質模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結構以及制備條件的定量關系，為準確、可靠地預測梯度材料物理性能奠定基礎；

3）隨著梯度材料除熱應力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設計體系，為梯度材料在多方面研究和應用開辟道路；

4）尚需完善連續介質理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結構模型，并借助計算機模擬對材料性能進行理論預測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。

5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結構簡單,還不具有較多的實用價值;

6)成本高。

5.2FGM制備技術總的研究趨勢[13、15、19-20]

1）開發的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術；

2）開發大尺寸和復雜形狀的FGM制備技術；

3）開發更精確控制梯度組成的制備技術（高性能材料復合技術）；

4）深入研究各種先進的制備工藝機理，特別是其中的光、電、磁特性。

5.3對FGM的性能評價進行研究[2、13]

有必要從以下5個方面進行研究：

1）熱穩定性，即在溫度梯度下成分分布隨時間變化關系問題；

2）熱絕緣性能；

3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；

4）抗極端環境變化能力；

5）其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學性能和磁學性能等

6結束語

FGM的出現標志著現代材料的設計思想進入了高性能新型材料的開發階段[8]。FGM的研究和開發應用已成為當前材料科學的前沿課題。目前正在向多學科交叉,多產業結合,國際化合作的方向發展。

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篇（4）

1.培養模式不利于專業碩士科技論文寫作

專業碩士要求畢業后能夠承擔生產、研發、技術服務等的一線工作，與傳統的純學術上的研究生教育相比，高校在全日制專業碩士的培養上更著重于聯合企業生產研發的實踐環節的培養。因此，在專業碩士的培養上就要求增多實踐實習類教學。以材料工程專業碩士為例，他們有一部分時間是在工廠或企業中度過，這種實踐教學模式必然會減少專業碩士的科技論文寫作時間和能力。

2.高校對專業碩士科技論文寫作課程重視不夠

目前高校雖開設了科技論文寫作課程，但課程主要講解科技論文的寫作要求及內容，學生只能學到科技論文的寫作格式，缺乏基礎載體，對于給定的研究對象，用什么方法加以研究，還是無從知曉。而且，高校在專業碩士實踐教學和科技論文寫作教學方面結合得還不夠，學生不能很好地將實踐成果如實驗數據等歸納整理到科技論文中去。

3.學生寫作能力差，主動性不強

目前研究生尤其是理工科學生寫作水平較低，面對科技論文感到壓力很大，往往帶著強烈的排斥情緒去完成寫作，更提不上主動地開展科學問題研究。不少研究生對科技論文、研究報告甚至畢業設計都采取應付的態度，缺乏創新思維和能力。學生還存在實踐過程中不知如何把理論知識應用于實踐，不能很好地閱讀和理解英文文獻等問題。

4.缺乏提高學生科技論文寫作能力的實踐活動

進行科技論文的創作，需要大量的寫作經驗和素材。科技論文寫作活動的開展，如開放高水平科研平臺資源，開展交叉學科學術交流，定期開展課題組科研報告，邀請有經驗的老師和同學做學術交流等活動，能夠培養學生的寫作積極性，能夠鍛煉學生快速有效地獲取并分析科研資源和綜合運用科研知識撰寫科技論文的能力。但目前高校在這方面的培養主要停留在理論課程方面，缺乏提高學生科技論文寫作能力的實踐活動。

二、專業碩士科技論文寫作能力培養的探索與實踐

專業碩士的培養目標要求其知識構成既要專業又要全面。加強專業碩士的科技論文寫作能力的培養有助于充實學生的專業知識，也有助于學生科技創新能力、邏輯思維、語言組織和總結歸納能力的提高。筆者從專業碩士的特點入手，針對這個新生的研究生群體探索和歸納了如下幾點提高專業碩士科技論文寫作能力的舉措：

1.提高高校對專業碩士科技論文寫作的重視

首先，我國現有的針對專業碩士的科技論文寫作教學體系還不夠完善，高校各級領導和老師應從制度上重視專業碩士的科技論文寫作能力培養，采取靈活實用的教學方法，制定切實有效的措施，強化管理和監督機制來保證論文寫作質量。其次，我國目前研究生教育實行導師制，導師在提高研究生論文寫作水平中充當著重要的角色。為此，各高校需要加大師資力量的投入，打造優秀的研究生導師隊伍，增強導師的工作積極性和使命感，聘請具有豐富寫作經驗的老師授課。最后，高校應重視專業碩士科技論文寫作教學，編寫具有針對性的教材，建設國際化的課程體系，設置合理的課程結構，注重寫作課程的專業性和實用性。

2.優化科技論文寫作課程教學

傳統的科技論文寫作教學主要在理論層面，對于專業碩士而言，可以通過結合寫作理論課和寫作實踐課來達到優化寫作教學的目的。在專業碩士的科技論文寫作課程教學中，除了向學生講解科技論文的寫作格式、內容、要求和創作思路外，還應做到：（1）向學生介紹和演示常用的論文檢索方法。例如對材料工程碩士而言，要使學生學會利用知網、維普網、萬方數據庫、ISIWebofScience、EIVillage、Springer、Elsevier和Google學術搜索等檢索資源查詢文獻。（2）向學生介紹不同研究方向的中英文專業詞匯和關鍵詞，以利于學生檢索和閱讀文獻。（3）教會學生使用Excel、Origin等數據處理軟件，現場演示，增加學生學習的好奇感和積極性，讓學生學會軟件的實際操作。（4）舉例說明寫作過程，在學生心中確立參照，激發其寫作的動力。（5）實時以作業強化學生對課程的理解，進行論文寫作能力的實踐，以撰寫綜述類論文的方式對學生的課程掌握程度進行考查。

3.建設科研平臺、舉辦科研活動

科研平臺和科研活動是提高研究生科技論文寫作能力的有力手段。為此，各高校應注重科研平臺的建設，如開設研究生科技創新項目，成立專項創新基金用于學生科技立項及科學研究，讓學生提前進入實驗室參與科學實驗，以及通過校企結合和科研孵化搭建研究生科技創新平臺等為學生提供良好的科技論文寫作條件。學生在各種科研平臺的有力推動下可以將其科研成果進行歸納和總結，并結合項目內容撰寫科技論文。同時，高校應注重創造有利于學生科技發展的學術研討氛圍，利用科研活動對學生進行適當的引導，如開展豐富多彩的課外科技實踐活動，強化研究生課外訓練，定期邀請國內外專家進行學術專題講座，鼓勵學生參與各種各樣的科研競賽等，使學生掌握自己研究領域的最新科研動態，充實專業知識。此外，高校應完善研究生創新激勵機制，可設立科研基金對研究生科技論文等科研成果給予獎勵，轉化研究生科技創新成果，提高學生對科技創新的重視。

4.聯合實踐教學與科技論文寫作教學

科研實驗和實習實訓等實踐教學的開展能夠將學生在課堂中學到的理論知識運用到實際中去，而科技論文寫作教學旨在指導學生有目的地進行實踐活動，把課內教學、課外科學研究與實踐緊密地結合起來。專業碩士的培養目標要求學生較快地承擔起企業生產研發和技術服務等的實際一線工作，這就要求其培養模式中實踐教學的比例要高于傳統的研究生教學。針對專業碩士的這一特點，應強化學生實驗實踐教學環節，系統地構建聯合專業碩士實踐教學和科技論文寫作教學來提高專業碩士科技創新能力的內容和實現方法。首先，需要學校重充分利用現有實踐教學資源，結合國內外研究生創新能力培養的成功經驗，及時解決實踐教學中暴露的問題，利用產學研的有機結合來推動研究生實踐教學的順利開展。其次，需要強化學生對實踐教學的理解，增強研究生的科技創新意識和參與科研活動的積極性，使學生能用科技論文的創作思維去進行科研實踐活動，也能將實踐中的收獲運用到科技論文的創作中去，從而提高學生的寫作能力。我校目前和重慶理工大學聯合培養有十六名材料工程碩士，學校在專業碩士的培養上給予了高度重視，在培養模式上實行校內和企業雙導師制，已與華益機械鑄造有限責任公司、招商局鋁業（重慶）有限公司、中船重工重慶紅江機械有限責任公司、永紅機械公司、成量集團有限公司、都江堰光明玻璃有限公司等大型企業簽訂了聯合培養研究生的合作協議。課程體系上，學校為突出專業碩士特色，形成科學合理的課程群，開設有材料成型、粉末冶金、微納米材料與器件和薄膜材料四個研究方向。學校還實施專項基金，設立“材料工程研究生創新基金”鼓勵教師和學生參與科研。既利用現有實驗室條件，組織學生開展科學實驗，提高學生的實踐能力，同時也提高了儀器設備的使用率。基于以上優勢并通過研究生的寫作課程教學和工程實踐創新能力培養，我校專業碩士近兩年在國內外知名期刊上發表了科技論文十余篇，學生的科技論文寫作水平得到了顯著提高。

篇（5）

一、前言

在建筑施工過程中隨著新工藝和新技術的不斷發展，保溫材料在建筑中的應用也越加的廣泛，在建筑施工過程中相變保溫材料作為一種新的保溫材料正在被廣泛的使用。

二、保溫材料特點

1、真空隔熱板。在以往建筑工程項目的建設過程中，所用的保溫材料，其厚度相對比較大，易減少層和層之間的距離，出現窗洞不斷加深等各種問題，為有效地解決這些問題，出現了一種新的保溫材料，即真空隔熱板，該材料自身較薄，同時所排放的CO量也較小，在其外表面裹有相應的紙質與金屬外殼，在殼間形成真空，且填充了纖維、壓縮硅酸鹽與泡沫塑料等，其中所填充的這種纖維為多孔。真空隔熱板作為一種高效且新型的材料，其應用前景非常廣泛。

2、復合型硅酸巖保溫材料。該材料含有硅酸鹽、鋁以及鎂等物質，是一種非金屬的礦物基料，通過添加相應的輔助原料與化學添加劑，借助于新技術以及新工藝的應用制造而成。縱觀我國當前建筑材料市場，這種材料是當前最為理想的一種保溫材料，其導熱系數相對較低、用料厚度也比較少且熱損也比較小，具有無毒特性，不會對設備造成腐蝕，也不會對環境造成污染，屬于一種高效保溫且輕質性的材料。除此之外，相對于其他類型的保溫材料而言，該材料還具有無粉塵與無刺激等特點，能夠對其進行任意地裁剪，便于施工等。

三、外墻保溫特點

不同的建筑在節能上的要求不同，根據節能標準在施工時將保溫材料同墻體固定復合，通過該種方式降低建筑墻體的導熱系數，達到隔熱的目的，使得建筑具有更好的保溫能力。保溫材料大多為導熱系數較低的塊材或者松散材料，可以通過直接粘附于墻上的辦法進行安裝，也可以將材料同外裝飾一齊掛在墻面上。外墻保溫分為三種：外保溫、夾心保溫以及內保溫，就保溫效果而言，外保溫效果最佳。以下就外保溫特點展開敘述：

1、外保溫能夠消除熱橋效應。

2、建筑采用外保溫的形式后，能夠使得室內貯存更多熱量，這是由于保溫材料內部實體墻熱容較大，因而可以達到保溫的目的。

3、對外保溫加強后，以室內熱環境保持為前提對室溫做適當的降低，不但能夠保證室內環境溫度的適宜，同時還能夠降低能耗，以此節約能源減少采暖負荷。

4、由于墻體外添加了外保溫材料，因此建筑內部的主體墻溫度會相對較高，從而濕度相對較低。由于保溫材料的導熱系數較小因此主體墻熱應力減小，因而裂縫、變形以及破損等主體墻的病害出現幾率就會相對降低。

5、外墻保溫優點概述：

（1）外墻保溫從技術結構上分析能夠減少外界環境（降水、紫外線、溫度等）對主體結構造成的不良影響。

（2）擴大使用空間。由于外墻保溫材料設置在外部，因此會節約內部空間。

（3）在舊房改造中能夠發巨大的優勢，且不會干擾人們的正常生活。

四、相變保溫材料在建筑工程節能技術中的應用

1、相變保溫材料在建筑工程中的應用特點

在建筑工程的施工建設中，采用相變保溫材料能夠大大提升工程的施工效率、促進工作進度和增加工程效益，這也給我國的可持續發展和建設和諧社會提供了新的途徑，同時這也是可持續發展觀念和建設和諧社會主義目標的主要途徑。變形保溫材料在建筑工程中的主要特點有如下幾點。

（1）新型保溫材料

一些性能良好的節能保溫材料對于建筑的保溫起到了很好的作用，這也讓現代建筑實現了大規模的節能目標。且在國外，一些發達國家已經在建筑節能保溫材料方面取得了突破性的成果。

（2）紅外熱反射技術

紅外熱反射技術是最近新興保溫技術，它的工作原理是通過在建筑物的內部或者外表以及護結構的空氣間層中通過采用高純度的鋁箔或者其他的一些高效熱反射材料，將絕大部分的紅外線反射回去，從而達到隔絕建筑物內部熱量的散失、提高居住環境的舒適程度的目的。

2、配制漿料

保溫漿料需要專業人員來配制，這樣才不會出現攪拌不勻而出現保溫效果失常的情況。

3、抹底層相變節能材料

保溫層應當分成三次涂抹，且每一次的厚度應當控制在10～12mm左右。每次涂抹的間隔時間也不能太短，這樣才能夠保證涂抹層的穩定性。

五、相變材料與隔熱材料的具體應用

節能環保意識的逐漸增強，促使人們對房屋建筑質量在節能環保方面的要求有所提高，建筑市場對保溫隔熱型環保材料的應用也變得更加重視。隨著深入探索與實踐，隔熱保溫材料在墻體中的應用理論和技術日益完善和成熟。外墻保溫材料的應用主要分為三類：內保溫、外保溫以及空夾心復合型墻體保溫。外墻保溫材料的應用使得建筑節能環保效果有了大幅度的提高。由于保溫隔熱材料自身導熱系數低、構成材質強，熱穩定性極佳，同時耐火、耐氣候性強等特點，因此較之一般材料，具有非常顯著的優越性。特別是保溫隔熱材料具備良好的抗壓性、耐火性，極其適合現代建筑的實際需求。目前市場中還有一些玻璃材料，具有非常良好的保溫效果，而且種類日益繁多，比如吸熱玻璃、調光玻璃、熱反射玻璃、低輻射玻璃等，在實現環保節能、降低污染的同時，還能充分滿足人們的個性化需求，因此在現代建筑中可以廣泛利用。

基于標準房間熱過程模擬的非穩態傳熱模型，并采用專用氣象數據對相變材料的兩種不同應以北京的建筑為例，就外墻的保溫節能工程進行闡述。

對于被動式建筑，可充分利用白天太陽能和夜間冷風自然資源，將相變材料應用于被動式建筑中，在夏天材料可吸收室內多余熱溫，進而降低室內溫度波動幅度，可蓄存夜間冷風量，使室內始終保持較好的舒適度。通過對北京地區建筑有外保溫和無外保溫、內墻為相變墻體和普通墻體的夏季室內溫度變化情況進行分析發現，當內墻采用相變墻體且墻體熔點合適時，被動式建筑房間的溫度在整個夏季都會滿足舒適度要求，而應用隔熱材料則不利于夜間散熱，其降低室溫的效果不明顯，在某種情況下甚至會出現室外溫度較低但室內溫度卻較高的情況。通過對冬季有外保溫和無外保溫、內墻為相變墻體和普通墻體的室內溫度逐時變化情況進行分析發現，當被動式建筑采用的內墻為相變墻體時對室內溫度的影響較小，只有在室溫接近墻體熔點時才會發生相變，相變材料作用無法得到有效發揮，而隔熱材料卻具有良好的保溫效果。綜合考慮冬季、夏季外保溫和相變墻體對被動式建筑室內溫度的影響時，無法選擇較為合適熔點的相變墻體同時滿足北京地區建筑對冬夏兩季舒適度的要求，雖然外保溫在夏季無法發揮作用，但是在冬季具有良好的保溫效果，所以采用隔熱材料來提高被動式建筑舒適度更為合理。

對于相變材料與隔熱材料在主動式建筑中的應用則可通過空調、采暖運行過程中的耗電量來對兩者應用效果進行比較分析。主動式建筑在冬季采暖期間，采用相變蓄能式電加熱地板采暖系統，白天耗電量較低，只是普通房間的20%左右，這有利于緩解白天供電緊張的情況，同時也可大大節約采暖費，而采用隔熱材料時不僅耗電量低，采暖費的節約率也更高。在夏季，主動式建筑北墻采用相變墻體時，其單位面積空調冷耗量最小，相較于普通房間要低約16%，而在墻體內設置保溫層或是添加相變材料空調降耗效果并不明顯。雖然夏季使用相變墻體能夠降低冷耗量，但是針對北京地區氣象條件，其冬季采暖比重更高，由此可以推斷，若綜合考慮全年空調采暖耗量，選擇外保溫比較合適。

六、結束語

在建筑設計施工過程中我們要不斷的提高節能意識，在建筑施工中應用新工藝和新技術來提高節能效果。

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中圖分類號：TU761文獻標識碼： A 文章編號：

引言：

節約能源是我國刻不容緩的突出問題，其中建筑節能是重中之重，這是因為建筑能耗量約占全國總用能量的 1/4，居耗能首位。中國的經濟和能源面對這種巨大壓力時，政府已陸續出臺相關法律文件，實行具體政策，推動建筑節能是符合中國的可持續發展戰略。隨著社會和經濟不斷發展，建筑領域內開展節能方面的學術研究有利于生態環境的協調發展，因此建筑節能保溫材料的研發是非常有必要的。我們需要對建筑材料的保溫隔熱性能、實用價值、材料的穩定性等方面的優、缺點進行深入剖析，以滿足不同條件下的使用需求。

一、對保溫材料分析

1、無機保溫材料

巖棉、玻璃棉和膨脹珍珠巖都屬于無機保溫材料，其中巖棉和玻璃棉有時統稱礦物棉， 它們是一種優質的保溫材料，應用也最廣泛。

1.1無機保溫材料在建筑施工運用中的優點：耐酸堿，耐腐蝕，不開裂，不脫落，穩定性高，不會存在老化問題。具有不燃、不霉、不蛀、保溫、隔熱、隔音等性能，能夠做到與結構壽命同步，價格較低施工簡便，適用范圍廣，對各種材質各種形狀的墻體均合適。而且沒有冷熱橋產生，全封閉無接縫無空腔。不僅可以做外墻外保溫還可以做外墻內保溫，或者外墻內外在同時保溫和屋面的保溫和地熱的隔熱層。防火等級高阻燃性能好，適用廣泛，大多用于密集的住宅、防火等級要求嚴格的公共場所。另外，還可作為防火隔離帶的施工材料，可達到高級別防火標準。

1.2無機保溫材料存在以下主要缺點：不環保、保溫性能差、受壓強度低下；吸濕性高、在施工中會對人產生有害氣體，如玻璃棉潮濕后會釋放有毒氣體，一些發達國家已經禁止此類材料的使用。

2、有機發泡類保溫材料

聚苯乙烯泡沫保溫材料是一種熱塑性材料（又叫EPS板和XPS板），優越于無機保溫材料性能。目前膨脹聚苯板EPS、擠塑聚苯板XPS、噴涂聚氨酯SPU和聚苯顆粒等都屬于我國有機發泡類建筑節能保溫材料，輔助材料有聚合物粘結砂漿、界面劑和界面砂漿、專用膨脹螺絲、耐堿玻纖網格布和鍍鋅鋼絲網格布等。

2.1有機保溫材料有以下優點：它具有密度小、重量輕、可加工性能好、導熱系數小、低吸水率、保溫隔熱隔音性能好、結構均勻而且尺寸精度高等優點，主要應用有聚苯板、鋼絲網架夾芯復合內外墻板、金屬復合夾芯板等

2.2他在施工運用中的缺點：由于EPS/XPS保溫材料有空腔結構，所以外界空氣容易通過縫隙影響保溫效果；抗風性差：EPS抗拉強度在干燥狀況下僅為0.1M pa，浸水后更低，所以EPS保溫材料一般不用于高層建筑；由于實際中很難做到EPS/XPS保溫材料必須存放40天后才能用于施工，所以應用EPS保溫材料的工程易出現裂縫、墻體透濕和返水現象；EPS/XPS保溫材料大都采用氟利昂發泡，很容易造成大氣污染，遇火高溫下產生的熔滴易發生二次燃燒，具有極快的火焰傳播速度。因此公共場所和高層建筑必須謹慎使用；在發達的美國有多個州禁止使用；在英國18米以上建筑不允許使用EPS板作外墻保溫材料；歐洲許多板材廠不再生產EPS板；許多保險公司已禁止給EPS板作保溫建筑保險。

3、聚氨酯硬泡節能保溫材料

3.1聚氨酯PU硬泡節能保溫材料的優點：它較無機保溫材料和有機保溫材料的熱導率最低。它使用最小的絕緣材料厚度來達到同樣的隔熱效果。硬泡閉孔率高達95% 以上的閉孔結構，具有很好的防水、隔汽性能，能阻隔水、水蒸氣滲透，使墻體保持穩定的絕熱狀態，這是其他材料不能媲美的優點。聚氨酯PU 硬泡節能保溫材料的韌性很好，不易產生開裂現象，耐沖擊具有較強的抵抗外力的能力。

3.2聚氨酯PU硬泡節能保溫材料的缺點：國產的環保、阻燃和消煙性能不過關，在燃燒時易產生大量濃煙，引起人員傷亡，某些地方規定不許在高層及公共場所建筑使用該材料。

4、復合型材料

利用處理過的農作物秸桿和經過無害處理的保溫材質的垃圾通過發泡等技術手段生產的空心材料等是復合型材料。

4.1復合材料的優點：保溫隔熱性能好，它兼具無機材料的很多優點（如防火能力，變形系數小，抗老化，性能穩定，絕緣層，高強度，良好的環保，壽命長，施工難度小，成本低），以及其原材料來源廣泛，節約資源，提高資源的循環再利用。

4.2復合材料缺點：復合材料在市場上局限正處在研發發展中。有一定的保溫隔熱效果，應用上也取得了一定進展，但其性能和應用上存在局限性：成本較高，涂層老化快。

5、發泡水泥

發泡水泥是通過發泡機的發泡系統利用機械方式充分泡沫，使泡沫和水泥漿料均勻地混合，然后經過發泡機的泵送系統進行現澆施工或模具成型，經自然養護形成的一種含有大量封閉氣孔的新型輕質保溫材料。

5.1發泡水泥的優點：強度高，發泡水泥絕熱層的強度明顯高于聚苯板絕熱層的強度。經適當養護，正常施工的發泡水泥絕熱層在容重為400kg/cm3時，其立方抗壓強度可達2MPa以上，足夠承載各種施工荷載；保溫性能好經計算得知：發泡水泥保溫效果要明顯優于聚苯板保溫效果；穩定性發泡水泥與一般混凝土一樣，都屬于無機材料，有著極其穩定的化學性能，在正常情況下，歷經百年也不會老化變質，且不燃燒、環保；施工因素發泡水泥適合采用機械化大面積施工，勞動強度低，工程進度快，且與上、下各構造層容易結合為一體；經濟性由于發泡水泥的主要材料是水泥，且基本無廢料，又可省略找平層等多道工序，綜合造價相對要低一些。

5.2發泡水泥的缺點：強度低，吸水率高，無法與泡沫玻璃、泡沫陶瓷、酚醛泡沫板、聚苯顆粒、聚苯板、擠塑板等墻體保溫材料相比。

6、聚苯顆粒保溫漿料

聚苯顆粒保溫料漿是由聚苯顆粒和保溫膠粉料組成。使用時按配比加水在攪拌機中攪拌完成后再加入聚苯顆粒，充分攪拌后形成塑性良好的膏狀體，將其抹于墻體干燥后便形成保溫性能優良的隔熱層。

6.1聚苯顆粒保溫漿料優點：該材料具有導熱系數低，保溫隔熱性能好，抗壓強度高，粘接力強，附著力強，耐凍融等優點，而且施工方便施工速度快，施工速度快。對平整度要求不高的基層施工適應好，可以減少大量的剔鑿工序，施工質量好。每平米造價低，經濟效益好。但聚苯顆粒保溫材料的吸水率高于其他材料，使用時必須加做抗裂防水層。由抗裂水泥砂漿復合玻纖網組成抗裂保護層材料，有效控制裂縫的產生。聚苯顆粒保溫料漿容易成型、可以適應結構復雜的建筑保溫，彌補聚苯乙烯泡沫塑料板的不足，因此它在建筑保溫隔熱材料的應用上占有重要地位。

6.2聚苯顆粒保溫漿料在施工運用中的缺點：墻體界面的界面砂漿不夠，可能降低附著力。

二、為我國建筑節能保溫材料的健康發展提以下建議

1、增加投入研發力度，增加產品穩定性。

在我國建筑行業的應用研發進展緩慢，需要加大投入研發力度，增加產品質量和各項性能。

2、完善相關法規，強制性節能環保。

必須加大建筑節能的工作研究，制定和頒布相應的建筑節能法規，加大建筑保溫行業的執法力度，強制建筑企業使用新型保溫材料。

結語：

從現在節能保溫材料的使用，已經看到了我們未來的發展方向是美好的。是智能化、綠色化、生態化方向發展。選擇好的保溫材料，才能有力的發揮外墻保溫系統的保溫性能。既有利于緩解能源緊張，又能減少溫室氣體。國家建設部節能總體目標是：到2020年北方和沿海經濟發達地區新建筑實現節能65%，所以今后的努力的方向是不斷改善節能保溫材料的各種不足，不斷提高優良性能。未來建筑將是由專業建筑師，結構工程師，設備工程師，建筑物理學家，能源專家，共同發展建設。高效節能設施將成為未來建筑的核心，只有這樣才能實現可持續發展的建筑節能，保護生態。

參考文獻:

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經濟全球化和文化全球化的快速發展，促進了人才的國際流通性。符合新時代要求的人才，需要具有國際視野和國際競爭力。為了提高工程科學技術人才的培養質量，使工程教育專業質量標準與國際接軌，我國于2016年成為《華盛頓協議》的締約成員，工程教育專業認證不僅可以推動和發展我國的工程教育專業質量，國外先進的教學理念還可以彌補我國工程科學技術領域的教學不足，優化我國的工程科學技術人才隊伍[1]。功能材料專業英語是功能材料專業的專業基礎課程，側重于功能材料專業英語知識、重點詞匯、科技論文寫作和專業閱讀材料中英互譯的教學。學生通過該課程的學習，可以掌握部分專業英語詞匯，可以獨立閱讀功能材料專業相關的英文文獻，撰寫簡單的英文專業論文摘要，為將來的學習和工作打下專業英語基礎。但是，一般情況下，該門課程為32學時，在較短的時間內提高學生的專業英語水平難度較大。并且傳統的教學內容、教學方式和考核方式沒有辦法充分調動學生的學習積極性，英語基礎本就薄弱的學生在接觸難度較大的專業英語時，容易產生畏難情緒。結合工程教育專業認證的要求，以學生為中心，以產出為導向，就這需要對傳統的教學模式進行改革。包括對教學內容的改革，課堂角色的變換以及課程考核方式的改革[2-3]。

1教學內容的優化

以往的功能材料專業英語課程主要向學生介紹功能材料專業英語的重點詞匯，科技論文的結構和寫作方法。主要培養學生在閱讀、理解、翻譯和寫作等方面的能力，使學生能夠閱讀專業相關的英文文獻和資料，為后期的深造和工作打下英語基礎。而在工程教育專業認證的背景下，功能材料專業的培養目標是將學生培養成能適應社會發展需要，具有社會責任感、有團隊精神、有良好的交流能力和國際視野，能夠使用工程基礎與專業知識解決科學研究、技術開發、產品設計和生產管理中出現的復雜工程問題的高級工程技術型人才[4-5]。對照工程教育專業認證的要求，在課程的實施過程中僅僅培養學生的讀寫能力顯然是不夠的。要具有國際視野和良好的交流能力，聽和說的能力也十分重要。所以在制定教學大綱時，統籌考慮學生聽、說、讀、寫能力的培養，合理分配聽、說、讀、寫四個方面的教學內容。在講授專業知識的過程中，使用雙語教學提高學生的聽力水平，并鼓勵學生大膽說英文。功能材料專業的學生在進入本科階段后，只有第一學年有英語課程，學生說英語的機會很少，并且大多數學生基于各種原因不敢說英語、害怕說英語。在教學的過程中，要培養學生對專業英語知識的學習興趣，引導其利用網絡資源和校內圖書館資源獲取最新的音視頻材料，提高學生的聽說能力，使其能夠使用英語進行簡單的專業知識交流和技術溝通，為后續的工作學習奠定基礎。

2課堂角色的轉變

在傳統的課堂教學過程中，教學活動以教師為中心。工程教育專業認證要求以產出為導向，以學生為中心。要求教師在教學過程中提高學生的主觀能動性，激發學生的學習熱情。功能材料專業英語是一門集專業知識和英語于一體的課程，不僅要求學生掌握扎實的專業知識，還要求學生具有一定的英語聽說讀寫能力。這就要求學生課前要對專業知識進行預習和復習，課后要進行廣泛的英語聽力練習和英文科技論文的閱讀和翻譯。課堂是教學育人的主渠道，教師要結合講授法、互動教學法和任務驅動法提高學生的學習積極性和課堂參與度。在課堂教學過程中，要善于利用雨課堂和MOOC學習平臺提高學生學習的積極性和主動性，采用啟發式教學引入知識點，引導學生進行思考和討論，突出教學重點和難點。建立課程學習QQ群，及時和學生進行問題交流，鼓勵學生使用萬方數據庫、知網和webofscience進行專業資料檢索。組織學生成立學習小組，模擬國際會議，開展課堂專題報告和學術交流。通過互換教學身份提高學生的學習積極性和課堂氛圍，培養學生的團隊合作精神，增強學生的交流溝通能力，鍛煉學生收集材料、篩選材料、總結材料的能力。同時提高學生的英語口語表達能力，提高學生的專業自信。使得學生通過該門課程的學習，不僅可以掌握功能材料專業英語的重點詞匯，掌握專業英語的基本翻譯技巧和寫作技巧，還可以獲取檢索專業資料的能力，利用所學專業英語知識進行學術溝通和交流的能力。

3考核方式的調整

傳統的課程考核總成績包括期末考試卷面成績和平時成績兩部分，其中平時成績占30%，期末考試成績占70%。平時成績主要包括考勤、平時作業和課堂表現，期末考試主要考察學生的讀寫能力，這樣的考核方式沒有辦法考察學生的聽說能力，也不能全面而真實地反映學生的學習效果和學習質量。并且以期末考試為主的考核方式，容易讓學生忽略平常的學習，導致考前突擊、臨時抱佛腳的考前現象。降低期末考試的比重，將課堂英語互動、英語專題演講和學生收集、整理、分析資料的能力納入考察范圍，可以有效地激發學生的學習興趣和課堂參與度，從而提高教學質量。幫助學生克服畏難情緒，成為學習的主角，主動參與教學過程。給學生營造良好的學習氛圍，教學相長，讓教學過程成為雙方主動介入的過程。

4結語

工程教育專業認證是我國高等教育的必然趨勢，推動著工程教育改革的步伐。工程教育專業認證體系以學生為中心的理念，打破了傳統的教學模式，需要教師優化教學內容，改進教學方法，調整考核方式，激發學生的學習熱情，提高學生的主觀能動性，增強學生的溝通能力和解決問題的能力，培養學生求是的科學態度和求實的科學精神。

參考文獻

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[3]朱敏，朱鈺方．《功能材料學》課程全英語教學改革初探[J]．教育教學論壇，2015，3：61-62．

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中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0568（2011）35－0090－02

一、引言

我國傳統的通識教育過于強調基礎科學理論，弱化專業內容和工程實踐，企業普遍反映畢業生缺乏創新精神和創新能力。而西方國家針對這一問題開展了大量的研究實踐，成果豐富，其中尤以工程教育模式更為突出。它是以工程項目為載體，以從科研到運行為生命周期，讓學生主動參與實踐，以課程之間有機聯系的方式學習工程。“做中學”是工程教育改革的戰略之一，中國教育部于2008年開始組織課題組進行試點。

《功能材料》是一門既有一定的理論基礎知識，又與實際應用密切相關的多學科交叉的課程。以教師講解為主的傳統教學方式無法充分調動學生的參與積極性，解決實際問題的能力得不到體現。本文就是根據這一實際需要，適應北京石油化工學院（以下簡稱“我院”）素質教育，滿足培養綜合性、創新性、應用型人才的要求，就工程教育模式下《功能材料》課程在教學方法、教學手段等方面的教學實踐進行探究。

二、工程教育模式應用到《功能材料》課程的依據

將工程教育模式應用到《功能材料》課程，符合高等院校工程教育培養的目標要求。工程教育模式突破了傳統教學模式，通過選取項目創設情景，協作學生學習開展教學，通過完成項目達到意義建構，通過解決問題實現學生對知識的掌握，充分體現我院以研究型和應用型人培養為目標的教育特點。

功能材料作為能源、計算機、通訊、電子等現代科學技術研究的基礎，近年來已成為材料科學領域中的研究熱點之一。種類繁多、功能各異的新型功能材料正在眾多不同領域對科技的進步、社會的發展產生了越來越大的影響。目前根據我院2009版新大綱要求，《功能材料》課程涉及面廣、頭緒多、內容繁雜、系統性不強，而且課程的理論教學時數相對較少。如果還像以前一樣照本宣科，在課堂上根本不能吸引學生的注意力，激發學生的學習興趣，教學效果不理想。而且，事實也證明，按照傳統方式培養出來的畢業生在今后的工作中的應用能力也比較差，不能達到用人單位對人才的要求標準。

三、工程教育模式應用于《功能材料》教學的實踐

以真實項目為載體開展項目式教學，能使學生親身經歷產品構思、設計、實現、運作的項目開發生命周期，在與課程緊密聯系的項目實踐中積極主動地學習專業知識，提高學生對理論知識的應用能力和實踐動手能力，增強學生的成就感，充分挖掘學生的創造潛能。

1.構思

根據課程教學內容選取研究項目。課程研究項目是《功能材料》課程學習的一個重要組成部分。通過實施課程研究項目，學生可以深入掌握課程的理論知識體系，提高綜合應用已有知識解決問題的能力，更好地培養材料科學與工程專業學生的專業技術能力和綜合素質。

2.課程研究項目設計

為了實現項目教學目標，我院設計了《功能材料》課程研究項目指導書，主要內容包括：①項目的題目；②項目組成員；③項目的研究背景及意義；④項目擬開展的主要研究內容；⑤擬采用的主要研究方法或研究工具等；⑥項目主要的日程安排或時間節點；⑦主要參考文獻。讓學生在完成研究項目指導計劃書的過程中掌握項目所包含的理論知識，真正實現“做中學”。

3.任務實現

教師經過簡單的理論介紹和導入之后，帶領學生實施項目，鼓勵學生自己選取感興趣的項目。把學生分成小組（每組最多3個學生），每一小組選出一個組長，全面負責該組的任務。所有環節任務的實現都靠小組成員的共同努力。

研究項目選取的難易程度，研究內容的多少，都會影響到每組的最終成績。每個小組要在項目報告中標明每個人在總體工作中的貢獻和工作比例，或者每個人負責的內容。

4.成果展示

所有的項目都要按照規定的時間對教師和全體學生進行演示匯報。演示匯報的主要目的是讓教師和其他學生了解各組的工作和研究成果。小組的學生都要在臺前匯報，匯報前由教師指定主匯報人。每個項目演示匯報時間不超過10分鐘，另外有5分鐘的提問時間。每個組必須嚴格控制演示時間，超過時間1分鐘以上要扣分。

不同項目的設定有利于滿足不同層次學習者的學習需求，便于開展個性化、差異化教學。通過個體和合作的形式進行項目學習和實訓，學生不僅能培養自主學習的能力，而且能培養合作、溝通和組織能力。項目完成后的及時反饋，又有利于學生間經驗的分享。該模式構建出一個開放性、研究性的學習環境，充分體現了以學生為中心、以學生的全面發展為中心的教育思想。

四、在工程教育模式下教師的角色

將工程教育模式應用到“功能材料”課程，有利于教師教學科研水平的提高。要將工程教育模式應用到課程教學，教師必須結合院校教學實際，以及本校學生的知識層次、結構能力，合理制定教學大綱，優選教學內容，加強教材建設，不斷改進教學方法、教學手段，理論結合實踐，設計工程項目，體現以能力培養為主的原則。這個過程本身就是一個學習知識、提高理論層次和教學水平的過程，也是工程教育的具體體現。這個過程有利于進行多種資源的有效整合，不僅要求教師具有良好的專業設計經驗和教學組織能力，而且利于發揮學生的主體地位和教師的主導地位，培養學生的綜合應用能力，能極大地提高教師的業務能力和教學科研水平。

五、結語

《功能材料》課程結合工程教育理念的教學模式，加強學生對課程內容本質性理解，促使學生結合課程主動考慮并構思滿足要求的設計，設計的任務緊扣《功能材料》課程的核心內容，并具有豐富的題材和多樣的結果。注重培養學生的自學能力、團隊協作能力以及系統調控能力。使學生養成主動查找書籍資料的良好習慣，讓學生學會關注科技發展，極大地提高學生的系統調控能力。

參考文獻：

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中圖分類號：G642.0；G642.3；TB34 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）05-0072-02 華南農業大學材料化學專業的培養目標是立足廣東，面向珠江三角洲，培養掌握現代化學與材料學基礎的基本理論和研究方法，具備新材料研究和技術開發能力，能在化學、材料科學與工程及其相關領域，從事新材料的設計、檢測、研究、開發和管理等工作的高素質復合型人才。無機功能材料是具有特殊電、磁、光、聲、熱、化學以及生物功能的新型材料，既是信息技術、生物技術、能源技術等高技術領域和國防建設的重要基礎材料，又在農業、化工和建材等傳統產業的改造方面起著重要作用。無機功能材料是華南農業大學材料化學專業的一門重要的專業課程。本文結合教學實際，從教學內容的更新、教學方法的探索和考核方式的改革等方面進行了有益的探索和實踐，取得了較好的效果。

一、加強教學內容改革與優化，建立教學新體系

無機功能材料課程內容包括無機材料概論、晶態與非晶態結構、超導材料、壓電材料、介電材料、半導體材料、紅外材料、光導材料、變色材料、磁性材料、特種玻璃、生物功能材料、多孔材料等內容。在十多年教學中，通過精選教學內容，加強教學內容改革與優化，以“制備—結構—特性—應用”為主線，注重教學內容與學科發展前沿、現代生活和生產實際相結合，體現了授課內容的先進性、趣味性和實用性，提高了學生學習興趣。

1.教學內容與學科發展前沿結合，體現先進性。緊跟學科發展前沿、瞄準研究熱點是更新課堂教學內容的有效途徑。在授課過程中，注重從國際和國內學術期刊中獲得無機功能材料研究的相關信息，把研究熱點與最具代表性的研究成果制成課件，展示給學生，使學生及時了解到最新的前沿知識，接觸學術前沿領域，激發學生的求知欲望[1，2]。例如，在講授壓電陶瓷材料時，首先講授傳統的壓電陶瓷，以PZT為基的二元系、三元系鉛基壓電陶瓷的制備、性能以及在國民經濟和現代科學技術等方面應用；其次向學生介紹這類壓電陶瓷中大量的鉛在制備、使用和廢棄處理過程中都會污染環境；最后介紹當前無鉛壓電陶瓷研究進展，包括BaTiO3基、BNT基和鈮酸鹽系等無鉛壓電陶瓷。講授無機超導材料時，先介紹物質磁性的分類、磁性材料種類、特性和應用，再介紹當前磁性材料科學的研究熱點——磁性半導體、分子基磁體以及同時具有鐵電和鐵磁雙重性質的磁電復合材料。在講授無機多孔材料時，介紹2012年發表在《Nature Materials》上的吸附二氧化碳的新材料NOTT-202a的結構、特性和應用前景[3]。通過學科研究前沿知識的講授，體現了教學內容的先進性。

2.教學內容與現代生活實際結合，體現實用性。無機功能材料在日常生活中應用廣泛。在課堂教學中，將教學內容與現代生活實際相結合，提高了學生的興趣。例如熱致變色材料是一種能對外界環境變化產生響應的新型智能材料，其中的無機低溫熱變色材料具有隨溫度變化顏色改變的特性，可將在商標、封簽和票據上作特殊的標記進行化學防偽，用于冷凍食品、蔬菜和水果等各類食品適宜保存溫度的指示，制作熱變色家具、茶具和玩具，用于繪畫、美術作品和廣告中產生一些奇特的效果等[4]。變溫磁性材料與家用電飯鍋，壓電材料與煤氣灶和倒車報警器，變色玻璃與太陽鏡，氣敏陶瓷與煤氣報警器，熒光材料與彩色電視機，紅外材料與節水龍頭，形狀記憶合金與兒童矯牙，多孔材料與飲水機，無機納米抗菌材料與保健鞋墊，超導材料與磁懸浮列車，吸波材料與隱身飛機，泡沫玻璃與新型節能建筑材料等知識的介紹，使學生感受到無機功能材料在生活中無處不在。這種理論聯系生活實際的教學，增強理論課的實用性和趣味性。

二、加強教學方法和手段的更新，增強課堂教學效果

1.講授與討論相結合。在教師講授的同時，開展課堂討論式教學，既可以培養學生學習的主動性和分析問題的能力，又可以培養學生的創造性思維，從而有效地提高課堂教學質量[5，6]。本課程在教學過程中根據選課學生人數安排討論課次數，采用方式為：首先教師提出若干個課題，如金剛砂的制備、結構和應用，無機超導體的種類、結構和應用，寶石中的化學以及氣敏陶瓷的種類、特性和應用等；其次學生自由組合成2～3人小組，查閱文獻和制作PPT；最后每個小組推薦一名成員上臺講授。從實施效果來看，這種課堂討論教學改變了傳統的以教師講授為主和學生被動接受的教學模式，增強了學生學習的主動性，提高了學生查閱文獻、PPT制作、語言表達和綜合分析問題的能力，促進了教與學之間的互動，活躍了課堂教學氣氛。

2.傳統授課方式與現代教育手段相結合。將多媒體引入傳統的課堂教學，是對傳統的教學方式的繼承、揚棄和補充，將抽象的知識直觀化和形象化，激發了學生的學習興趣，調動了學生學習的積極性[5]。例如在講授超導材料時，先讓學生觀看磁懸浮現象的視頻，通過提出問題“為什么磁性圓片在低溫下會在金屬圓片的上方懸浮起來？”引入講授內容——超導材料，然后從超導現象，超導特性，超導材料的種類、結構及其在輸電、電機、交通運輸、微電子、電子計算機、生物工程、醫療和軍事等領域應用進行講授。在講授發光材料時，先利用中山大學國家級精品課程《綜合化學實驗》網絡資源，讓學生觀看“化學發光材料制備”視頻，了解化學發光材料制備過程、結構表征的方法和手段，觀察發光現象。在講授激光材料和壓電陶瓷前，播放一段激光雕刻機制作葫蘆工藝品和壓電陶瓷的有關應用的視頻。在講授激光產生的機理時，采用動畫展現“三能級系統”、“四能級系統”、粒子數反轉和激光形成的過程。這種講授與動畫和視頻的有機結合，收到良好的教學效果。

3.理論教學與實踐教學相結合。近幾年來，通過以下四個方面的實現理論教學與實踐教學的有機結合：（1）設置無機功能材料課程的實驗。實驗教學是學生創新意識和創新能力培養的重要手段與途徑[7]，利用華南農業大學省級化學實驗教學示范中心的有利條件，開設了溶膠—凝膠法制備納米BaTiO3陶瓷粉體，微波輻射法合成磷酸鋅，稀土發光材料的制備與發光性能等實驗項目，提高了學生的實驗技能。（2）組織學生參觀相關企業。與深圳寶嘉能源有限公司，中山東晨磁性電子制品有限公司，佛山安億納米材料有限公司、東莞長發光電科技有限公司和廣州臺實防水補強有限公司等10余家企業建立了長期的產學研合作關系，通過組織學生參觀，了解鎳鋅軟磁鐵氧體材料及器件、鋰離子電池等無機功能材料的生產工藝和過程，增加了感性認識，加深了對理論知識的理解。（3）鼓勵學生參與教師研究課題。近幾年來，學生參與教師主持的含氮共軛聚合物與無機半導體雜化光催化劑的設計、制備與催化機理研究，雙功能光轉換劑的制備及其在棚膜中的應用研究，一維二氧化鈦納米管裝載恩諾沙星納米囊研制及緩釋特性研究，季鏻鹽類復合抗菌材料的制備和性能等多項省、部級及以上科研項目。學生通過參與教師的科研，了解無機功能材料研究的發展動態，開闊知識視野，增強學習和研究的興趣。（4）指導學生申報大學生科技創新項目。課外創新活動是培養大學生創新能力的有效途徑[8]，近幾年來，材料化學專業的學生獲得了碳納米管/聚N-異丙基丙烯酰胺智能復合材料的制備與性能研究，橄欖石納米LiFePO4正極材料的模板法制備及性能研究，稀性二氧化鈦納米管的制備及其對農藥降解的研究，水熱法制備鈥摻雜二氧化鈦納米管及其光催化性能研究，GeS簇/MOFs復合多孔納米材料可見光催化還原CO2和H2O合成甲醇的研究，金屬氧化物改性多孔碳球的制備、表征及其用于直接甲醇燃料電池的研究和竹炭為模板制備納米鈦酸鋰負極材料及其性能研究等科技創新項目，增強了學生的創新意識，提高了分析問題和解決問題的能力。

三、加強考核方式的改革，體現考核客觀性和公正性

為了體現客觀性和和公平性，無機功能材料課程考核采取平時考核和期末考試結合辦法。平時成績占總評成績的40%，主要考查平時作業、課堂教學參與、小論文撰寫、PPT制作和課堂討論講授效果等。期末考試成績總評成60%，題型包括單項選擇、不定項選擇題、填空題、專業名詞英漢互譯和簡答題。其中前三項主要考核學生對無機功能材料基本知識的掌握情況，后二者考核學生運用知識的能力。

綜上所述，通過10多年的探索和實踐，無機功能材料的課堂教學取得了良好的效果。從學生評教結果看，2008～2012年得分均92分以上，位居學院專業課前列。學生主持與課程相關的大學生科技創新項目24項，公開發表相關學術論文50余篇，其中SCI和EI收錄32篇。在今后的工作中，將不斷深化課堂教學改革，加強實踐環節教學，使無機功能材料課程的教學在培養適應珠江三角洲經濟發展的材料化學方面高素質復合型人才發揮更大作用。

參考文獻：

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[3]YANG Sihai，LIN Xiang，L.William，et al.A partially interpenetrated metal-organic framework for selective hysteretic sorption of carbon dioxide[J].Nature Materials，2012，11（8）：710-716.

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[5]程順有.實施啟發式教學培養學生創新能力——以專業基礎課程的“課堂討論”為例[J].高等理科教育，2004，（3）：87-90.

[6]王果.問題討論式課堂教學法的探索與實踐[J].高等農業教育，2008，（2）：60-62.

[7]陳德碧，楊帆.應用型人才培養的實驗教學改革實踐[J].實驗科學與技術，2010，8（4）：42-43，133.

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項目背景

自20世紀90年代以來，納米材料與納米技術的發展形成了基礎研究與應用研究并行發展的格局。納米材料的研發涉及到有機、無機、高分子等各個方面，納米材料結構功能的復合化已成為其應用研究極具生命力的方向之一；同時，與人們生活息息相關的化學纖維，從原料、技術、產品到應用都在迅速發展，傳統功能材料已難以滿足細旦化功能性化學纖維開發的技術要求，聚丙烯纖維的可染化、功能化、細旦化技術成為聚丙烯纖維新產品開發的主導方向。

然而，功能材料的納米化，又為其在高粘度、復雜流場(溫度場、剪切力場和速度場)作用下的高聚物熔體中的應用帶來了新的難題，納米功能材料在熱塑性高聚物基體中的納米尺度分散成為功能細旦化學纖維開發的核心問題。其具體難點表現在：(1)無機納米粉體制備使用過程中的易團聚與難分散：(2)纖維成形過程中納米結構有機分散相的形成機理與結構控制；(3)納米復合材料功能纖維工業化推廣的技術可行性與成本控制。針對目前可染聚丙烯及功能聚丙烯纖維材料研究開發和生產應用過程中存在的問題，該項目將前沿納米技術與新型雜化技術、功能組裝技術以及纖維加工技術有機結合，深入系統研究有機分散相原位納米尺度生成、有機一無機雜化材料制備及成纖用納米功能材料制備、修飾及纖維生產加工等一系列關鍵技術，開發出了新型可染細旦聚丙烯和納米復合功能聚丙烯纖維及制品。

主要創新點

1、通過調控改性聚烯烴(MPO)與基體(PP)兩組分配比和特性(粘度比、相容性等)配伍，控制纖維成形過程中的動力學參數(時間、壓力等)和熱力學參數(溫度)，自主開發了聚丙烯成纖過程中有機納米分散相原位生成技術，首次研制出具有納米級染座的常壓可染細旦(纖維直徑小于10 μm)聚丙烯纖維。

2、采用有機一無機及有機一有機雜化技術在聚丙烯基體中引入有機和無機納米相，通過對聚丙烯基雜化材料的結構設計，首次研制出鮮艷度明顯提高的可染細旦聚丙烯纖維。

3、首次建立了聚丙烯基納米復合材料紡絲動力學模型，揭示了無機納米功能材料與聚丙烯基體在外場作用下的相互作用機理，開發了高壓和高剪切紡絲成形工藝，解決了功能纖維細旦化難、可加工性差和納米材料的“二次團聚”等系列關鍵問題，為生產推廣中成纖過程工藝參數的制定提供基礎理論依據。

4、研制出色牢度4～5級的可染至中偏深色的細旦聚丙烯纖維以及負氧離子發生率＞5000個/cm3的系列負離子細旦聚丙烯纖維和遠紅外發射率＞87％的系列遠紅外細旦聚丙烯纖維和抑菌率＞99％的系列抗菌細旦聚丙烯纖維。

推廣應用

該成果首次實現了通用纖維功能性、舒適性與可加工性的有效統一。產業化效果顯著，聚丙烯纖維在可染基礎上鮮艷度明顯提高，功能組分加入量減少50％以上，可紡性好，生產過程無任何氣固液廢物排放，不會增加能源消耗，產品的加工成本低。