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第1篇

構(gòu)成物質(zhì)的原子包含原子核及核外電子，而物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)由核外電子的結(jié)構(gòu)及電子-離子、電子-電子之間的相互作用決定。因此，研究電子的行為對(duì)材料研究具有重要意義。量子力學(xué)原理為描述電子的行為提供了理論依據(jù)。量子力學(xué)的模擬方法是通過(guò)求解薛定諤方程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該方法對(duì)單電子體系(如氫原子)行之有效，但對(duì)于復(fù)雜的多電子體系就無(wú)能為力了，原因在于無(wú)法求解復(fù)雜體系的薛定諤方程。但是，通過(guò)一些近似處理便可以得到薛定諤方程解。這些方法習(xí)慣上稱為第一性原理。最為著名的近似方法有Hartree-Fock近似、密度泛函理論(DensityFunctionalTheory，DFT)和量子蒙特卡羅方法(QuantumMonteCarlo)。其中，應(yīng)用最為廣泛的是由Hohenberg，Hohn和Sham于20世紀(jì)60年代提出的DFT方法。DFT方法的優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)電子密度分布來(lái)表示系統(tǒng)能量，將多電子問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單電子問(wèn)題，從而簡(jiǎn)化了求解過(guò)程。經(jīng)過(guò)不斷完善，DFT方法已成為計(jì)算固體物性的首選方法。此外，基于DFT原理，研究人員還發(fā)展了第一性原理分子動(dòng)力學(xué)理論及含時(shí)密度泛函，拓展了第一性原理的應(yīng)用范圍，使其在材料、醫(yī)學(xué)、生物等方面的研究中起到舉足輕重的作用。

2材料原子結(jié)構(gòu)建立過(guò)程

在已知晶體結(jié)構(gòu)信息條件下，在MS中可采用多種方法建立原子的構(gòu)型。晶體結(jié)構(gòu)的信息可以通過(guò)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件查詢，對(duì)于一些復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，可通過(guò)日本國(guó)立材料研究中心數(shù)據(jù)庫(kù)(NIMS)等查詢。

MS中構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu)一般需要用到的信息有：晶格常數(shù)，晶體結(jié)構(gòu)所屬空間群或空間群號(hào)，晶胞中的原子占位。納米二氧化鈦?zhàn)鳛橐环N新型多功能材料，性質(zhì)非常優(yōu)良，應(yīng)用十分廣泛，目前國(guó)內(nèi)外的許多研究選用其作為研究對(duì)象。它主要包括金紅石型、銳鈦礦型和版鈦型三個(gè)晶型。其中銳鈦礦型納米二氧化鈦在常溫下是穩(wěn)定的，主要應(yīng)用在環(huán)保及新材料方面，工業(yè)應(yīng)用前沿廣闊。筆者以銳鈦礦型TiO2能帶計(jì)算過(guò)程為例，介紹其建立過(guò)程。銳鈦礦型TiO2為四方晶系，空間群為I41/AMD。每個(gè)銳鈦礦型TiO2原胞由2個(gè)鈦原子和4個(gè)氧原子組成，初始原胞1×1×1為長(zhǎng)方體，如圖1a所示。首先選取銳鈦礦TiO2晶體2×2×2超級(jí)原胞，然后通過(guò)計(jì)算得到體系的最小化電子能量和原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定構(gòu)型，從而對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。經(jīng)分析，優(yōu)化后計(jì)算得到的TiO2晶體的晶格參數(shù)a，b和c與文獻(xiàn)報(bào)道實(shí)驗(yàn)測(cè)試值及其他理論計(jì)算值相似(見表1)。為了考查TiO2表面原子與吸附氧之間的反應(yīng)過(guò)程，在完成塊體優(yōu)化后，我們切出了TiO2的三個(gè)主要的低指數(shù)面(100)，(001)和(101)(如圖1所示)。其中(101)面為銳鈦礦型TiO2的最穩(wěn)定晶面，亦為銳鈦礦TiO2中最主要的晶面，約占94%以上[11-13]，對(duì)該表面的研究具有重要意義。(101)面的性能，在一定程度上可反映出銳鈦礦TiO2體相材料的性能。因此，我們主要考慮的銳鈦礦TiO2表面模型為(101)面。

對(duì)于(101)表層，分別將具有5配位和6配位的兩種鈦原子表示為Ti5C和Ti6C，具有面氧和橋氧兩種氧原子表示為O2C(brightoxygen)和O3C(planeoxygen)(如圖1所示)。為了避免交換關(guān)聯(lián)影響，選擇真空層厚度為10Å。通過(guò)MS軟件進(jìn)行計(jì)算。基于DFT理論，采用超軟贗勢(shì)描述價(jià)電子的相互作用，采用廣義梯度近似(GGA)修正交換關(guān)聯(lián)能，對(duì)構(gòu)建的(101)面進(jìn)行結(jié)構(gòu)松弛優(yōu)化。在動(dòng)能截止能量為340eV及K點(diǎn)值為6×6×1的條件下，進(jìn)行贗勢(shì)和電荷密度的自洽迭代循環(huán)。計(jì)算過(guò)程中的能量收斂精度為2×10-5eV，作用在每個(gè)原子上的力小于等于0.01eV/nm，內(nèi)應(yīng)力小于等于0.1GPa。

除了構(gòu)建原子模型之外，我們還得到了直觀能帶結(jié)構(gòu)圖(如圖2所示)。在教學(xué)過(guò)程中，運(yùn)用MS軟件，計(jì)算過(guò)程只需要2～5分鐘，學(xué)生即可得到能帶結(jié)構(gòu)圖。橫坐標(biāo)為在模型對(duì)稱性計(jì)算中設(shè)定的K點(diǎn)，K點(diǎn)就是倒格空間中的幾何點(diǎn)。按照對(duì)稱性，取縱坐標(biāo)為能量。因此，能帶結(jié)構(gòu)圖表示在研究體系中，各個(gè)具有對(duì)稱性位置的點(diǎn)的能量。各個(gè)點(diǎn)能量的加和就是整個(gè)體系的總能量。采用MS得到的能帶結(jié)構(gòu)圖，簡(jiǎn)單易懂、清晰明了，可清楚地看到價(jià)帶、導(dǎo)帶及帶隙等具置、形狀及長(zhǎng)度等。在Castep里，通過(guò)給scissors賦值，可增加價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的空間，使絕緣體的價(jià)帶和導(dǎo)帶清楚地區(qū)分出來(lái)。有助于學(xué)生更深層次地了解能帶結(jié)構(gòu)信息，為更深入的研究提供基礎(chǔ)和引導(dǎo)。

3結(jié)束語(yǔ)

第2篇

關(guān)鍵詞：納米涂層；場(chǎng)發(fā)射；電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)；軟凝聚態(tài)物質(zhì)

2003年在國(guó)際和中國(guó)都發(fā)生了具有突發(fā)性的災(zāi)難事件，但中國(guó)的GDP仍以9.1％的高速度在增長(zhǎng)，達(dá)到了人民幣11.6萬(wàn)億元，其中第二產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)4萬(wàn)多億元。中國(guó)現(xiàn)今的第二產(chǎn)業(yè)主要領(lǐng)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(chǎng)。在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中所以有優(yōu)勢(shì)是中國(guó)的勞動(dòng)力廉價(jià)，這個(gè)優(yōu)勢(shì)我們能保持多久?我們還注意到與化工有關(guān)的產(chǎn)品中，我們的生產(chǎn)效率是國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家的5％，能耗是3倍，環(huán)境的破壞是9倍。這就是我們所付出的代價(jià)。不論形勢(shì)如何嚴(yán)峻，21世紀(jì)是中華民族振興的機(jī)遇期，制造業(yè)絕對(duì)是一個(gè)極其重要的領(lǐng)域，是個(gè)急速發(fā)展變化的領(lǐng)域。2003年3月國(guó)際真空學(xué)會(huì)執(zhí)委會(huì)在北京舉行，會(huì)議上討論了將原來(lái)的冶金專委會(huì)改名為“表面工程專委會(huì)”，當(dāng)時(shí)也考慮了另一個(gè)名字“涂層專委會(huì)”，我想用涂層材料更合適，含有繼承性和變革性。20世紀(jì)70年代曾經(jīng)說(shuō)成是塑料年代，此后塑料科技和工業(yè)迅速崛起，極大地改變了人類社會(huì)。繼而是信息時(shí)代，通信網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)、萬(wàn)維網(wǎng)、智能網(wǎng)，信息流，日新月異地改變著人類的生活和觀念。我們這個(gè)時(shí)代是高速發(fā)展的時(shí)代，技術(shù)和觀念都在與時(shí)俱進(jìn)地改變著。

本世紀(jì)初興起了納米科技，促進(jìn)其到來(lái)的是由于微電子小型化的發(fā)展趨勢(shì)，推動(dòng)科技發(fā)展進(jìn)入納米時(shí)代[1]，不僅電子學(xué)將進(jìn)入納電子學(xué)領(lǐng)域，物理學(xué)進(jìn)入介觀物理領(lǐng)域，各類科技，包括生物醫(yī)學(xué)等都在探索納米結(jié)構(gòu)與特性。涂層和表面改性越來(lái)越多地增加了納米科技的內(nèi)容，這是一種低維材料的制造和加工科技，將是制造技術(shù)的主流，將迅速地改變傳統(tǒng)制造技術(shù)的方法、理論和觀念，作為現(xiàn)今國(guó)際上的制造大國(guó)，世界加工廠，我們更應(yīng)該注意研究制造技術(shù)的發(fā)展和未來(lái)。

1突破傳統(tǒng)制造技術(shù)的觀念

納米科技研究的內(nèi)容主要是在原子、分子尺度上構(gòu)造材料和器件，測(cè)量表征其結(jié)構(gòu)和特性，探索、發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、新規(guī)律和應(yīng)用領(lǐng)域。與我們熟悉傳統(tǒng)的相比，納米材料和器件具有顯著的維數(shù)效應(yīng)和尺寸效應(yīng)。近幾年來(lái)，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(jié)構(gòu)和特性測(cè)量、表征上取得了顯著成果[2～7]。接下來(lái)深入到納米線、納米管和納米帶的研究[8～14]，出現(xiàn)了一些成功有效的制造方法，發(fā)現(xiàn)了一些驚人的結(jié)構(gòu)和特性。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了納米復(fù)合材料的研究，展現(xiàn)了非常有希望的應(yīng)用前景[15～17]。近來(lái)人們?cè)诩{米科技初期成果的基礎(chǔ)上挑戰(zhàn)某些產(chǎn)品的傳統(tǒng)加工技術(shù)，比如Al組件的快速加工。

T.B.Sercombe等人報(bào)道了快速加工鋁(Al)組件的新方法[18]，這個(gè)方法的主要特征是用快速成型技術(shù)先形成樹脂鍵合件，然后在氮?dú)夥罩蟹纸馄滏I和第二次滲入鋁合金。在熱處理過(guò)程中，鋁與氮反應(yīng)形成氮化鋁骨架，在滲透過(guò)程中得到剛體結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)制造工藝相比，這個(gè)過(guò)程是簡(jiǎn)單的快速的，可以制造任何復(fù)雜組件，包括聚合物、陶瓷、金屬。圖1是過(guò)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(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)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(shí)，這個(gè)結(jié)構(gòu)基本保持不變。(b)是氮化物骨架，圍繞Al粒子的一些環(huán)狀結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡像，再滲入Al時(shí)將形成密實(shí)結(jié)構(gòu)。(c)是燒結(jié)的氮化鋁和滲鋁組件，小柱的厚為0.5mm其密度和強(qiáng)度都達(dá)到了傳統(tǒng)鑄造技術(shù)的水平。他們還制作了公斤重量多種結(jié)構(gòu)的樣品。這是一種冶金技術(shù)的探索，開辟了一種新的冶金和制造技術(shù)途徑。

2納米材料的完美定律

描述材料結(jié)構(gòu)的常用術(shù)語(yǔ)是原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)。原子結(jié)構(gòu)的主要參量是晶格常數(shù)、鍵長(zhǎng)、鍵角；電子結(jié)構(gòu)的主要參量是能帶、量子態(tài)、分布函數(shù)。對(duì)于我們熟悉的宏觀體系，這些參量多是確定的常數(shù)，但對(duì)于納米體系，多數(shù)參量隨著原子數(shù)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(gè)重要規(guī)律，我們稱之為納米材料的完美定律，用簡(jiǎn)單語(yǔ)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(shù)規(guī)則，即含有13、55、147…等數(shù)量原子的原子團(tuán)是穩(wěn)定的，對(duì)于富勒烯碳60和碳70存在的幾率最大，而對(duì)于碳59或碳71等結(jié)構(gòu)體系根本不存在。這就是為什么斯莫利(Smmolley)他們當(dāng)初能在大量的富勒烯中首先發(fā)現(xiàn)碳60和碳70，從而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。對(duì)于一維納米結(jié)構(gòu)，包括納米管和納米線，存在類似的規(guī)則。可以模型上認(rèn)為是由殼層構(gòu)成的，每個(gè)殼層中更精細(xì)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，再外殼層為11股的，表示為11-7-1結(jié)構(gòu)，等等，構(gòu)成最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這是一維納米結(jié)構(gòu)的魔數(shù)規(guī)則。對(duì)二維納米膜存在類似的缺陷熔化規(guī)則，即不容許存在很多缺陷，一旦超過(guò)臨界值，缺陷自發(fā)產(chǎn)生，完全破壞二維晶態(tài)結(jié)構(gòu)。上述這些低維結(jié)構(gòu)特征是完美定律的具體表述，進(jìn)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(fā)點(diǎn)，因?yàn)榧{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(guò)程中，方法簡(jiǎn)單、產(chǎn)額高、成本低是最有競(jìng)爭(zhēng)力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市場(chǎng)，一定是不計(jì)成本的特殊需要，有政治背景或短期的社會(huì)需求。因此在我們探索納米材料制造時(shí)，首先考慮的應(yīng)是滿足完美定律的技術(shù)，如用甲烷電弧法制備納米金剛石粉技術(shù)[1]，電化學(xué)沉積法制備金屬納米線陣列技術(shù)[19]，以及電爐燒結(jié)法制造氧化物納米帶技術(shù)[20]等等。

3涂層納米材料將給我們帶來(lái)什么?

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

熱電效應(yīng)器件的代表是熱電偶，即利用不同導(dǎo)體接觸的溫差電現(xiàn)象進(jìn)行溫度測(cè)量的器件。基于熱電效應(yīng)可以制成兩類器件：熱產(chǎn)生電和電產(chǎn)生溫差。前者可以用于制造焦電器件，即用熱直接發(fā)電，如將焦電材料涂于內(nèi)燃機(jī)缸表面，利用缸體溫度高于環(huán)境幾百度的溫差發(fā)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(wú)污染，沒(méi)有活動(dòng)部件，長(zhǎng)壽命，高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，但塊體材料制成器件的效率低，限制了它的應(yīng)用。納米科技興起以后，人們探索利用納米晶或納米線結(jié)構(gòu)能否解決熱電效應(yīng)的效率問(wèn)題。認(rèn)為用量子點(diǎn)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(jí)分裂，有利于載流子的共振輸運(yùn)和降低晶格熱傳導(dǎo)，從而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]報(bào)告了量子點(diǎn)超晶格結(jié)構(gòu)的熱-電效應(yīng)器件，他們制備了PbSeTe／PbTe量子點(diǎn)超晶格(QDSL)結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)和電路圖，(b)電流-溫度曲線。將TE超晶格材料，其寬11mm，長(zhǎng)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(dǎo)而形成這同結(jié)接觸，用一根細(xì)金屬線與熱槽連接。當(dāng)如圖2(a)所示加電流源時(shí)，將致冷降溫。對(duì)于這種納米線超晶格結(jié)構(gòu)，由于量子限制效應(yīng)，發(fā)生間隔很大的能級(jí)分裂，從而得到很高的熱電轉(zhuǎn)換效率。圖2(b)是TE器件的電流-溫度曲線，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)標(biāo)明為熱與冷端溫差(T)與電流(I)關(guān)系，電流坐標(biāo)表示相應(yīng)通過(guò)器件的電流。■為熱端溫度Th與電流I的關(guān)系，其溫度對(duì)于流過(guò)器件的電流不敏感。為冷端溫度Tc與電流I的關(guān)系，其溫度對(duì)于電流是敏感的。圖中A是測(cè)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(shí)，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(yīng)的逆過(guò)程的應(yīng)用就是焦電器件，即利用熱源與環(huán)境的溫差發(fā)電。對(duì)于內(nèi)燃機(jī)、鍋爐、致冷器高溫?zé)岫说仍O(shè)備的熱壁，涂上超晶格納米結(jié)構(gòu)涂層，利用剩余熱能發(fā)電，將是人們利用納米材料和組裝技術(shù)研究的重要課題。

類似面致冷、取暖，面光源，面環(huán)境監(jiān)測(cè)等涂層功能材料，將給家電產(chǎn)業(yè)帶來(lái)革命性的影響，將會(huì)極大地改變?nèi)祟惖纳罘绞胶陀^念。

4含鐵碳納米管薄膜場(chǎng)發(fā)射

碳納米管陣列或含碳納米管涂層場(chǎng)發(fā)射被廣泛研究，以其為場(chǎng)發(fā)射陰極做成了平板顯示器。研究結(jié)果表明碳管的前端有較強(qiáng)的場(chǎng)發(fā)射能力，因此碳管涂層膜中多數(shù)碳管是平放在基底上的，場(chǎng)電子發(fā)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(cè)向有更大的場(chǎng)發(fā)射能力，有利于用涂層法制造平板場(chǎng)發(fā)射陰極。圖3(a)是含鐵粒子碳納米的TEM像，碳管外形發(fā)生顯著改變。(b)是碳管場(chǎng)發(fā)射I-V特性曲線，I是CVD生長(zhǎng)的豎直排列碳納米管的場(chǎng)發(fā)射曲線，II是含鐵粒子碳納米管豎直陣列的場(chǎng)發(fā)射曲線，III是含粒子碳納米管躺在基底上的場(chǎng)發(fā)射曲線，有最強(qiáng)的場(chǎng)發(fā)射能力。根據(jù)此結(jié)果，將含鐵的碳納米管用作涂層場(chǎng)發(fā)射陰極，有利于研制平板顯示器。

5電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系和軟凝聚態(tài)物質(zhì)

上面所講到的涂層納米功能材料和器件是當(dāng)今國(guó)際上研究的熱門課題，會(huì)很快取得重要成果，甚至有新產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。當(dāng)我們?cè)谟懻撨@個(gè)納米科技中的重要方向時(shí)，不能不考慮更深層的理論問(wèn)題和更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展前景。這就涉及到物理學(xué)的重要理論問(wèn)題，即電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系(electronstrongcorrelationsystem)與軟凝聚態(tài)物質(zhì)(softcondensationmatter)。

在量子力學(xué)出現(xiàn)之前，金屬材料電導(dǎo)的來(lái)源是個(gè)謎，20世紀(jì)初量子力學(xué)誕生后，解決了金屬導(dǎo)電問(wèn)題。基于Bloch假設(shè)：晶體中原子的外層電子，適應(yīng)晶格周期調(diào)整它們的波長(zhǎng)，在整個(gè)晶體中傳播；電子-電子間沒(méi)有相互作用。這是量子力學(xué)的簡(jiǎn)化模型，沒(méi)有考慮電子間的相互作用，特別是在局域態(tài)電子的強(qiáng)相互作用。2003年又有人提出了金屬導(dǎo)電問(wèn)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(dǎo)電問(wèn)題[24]。當(dāng)計(jì)入電子間的相互作用時(shí)，可能產(chǎn)生的多體態(tài)，超導(dǎo)和巨磁阻就是這種狀態(tài)。晶體中的缺陷破壞了完善導(dǎo)體，導(dǎo)致電子局域化。電子與核作用的等效結(jié)果表現(xiàn)為電子間的吸引作用，導(dǎo)致電荷載流子為Cooper對(duì)。但這個(gè)對(duì)的形成，不是超導(dǎo)的充分條件。當(dāng)所有Cooper對(duì)都成為單量子態(tài)時(shí)，才能觀察到超導(dǎo)性。這樣，對(duì)于費(fèi)米子由于包利(Paulii)不相容原則，不可能產(chǎn)生宏觀上的單量子態(tài)。Cooper對(duì)的旋轉(zhuǎn)半徑小于通常兩個(gè)電子相互作用的空間，成為Bose子。宏觀上呈現(xiàn)單量子態(tài)，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化電子范圍內(nèi)，超導(dǎo)性可能認(rèn)為是玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，這個(gè)觀點(diǎn)現(xiàn)今被很多人接受。從20世紀(jì)初至今，對(duì)于基本粒子的量子統(tǒng)計(jì)有兩種，一是Fermi統(tǒng)計(jì)，遵從Paulii不相容原理，即每個(gè)能量量子態(tài)上只能容納自旋不同的2個(gè)電子，而Bose子則不受這個(gè)限制。在凝聚態(tài)物質(zhì)中有兩個(gè)基態(tài)：即共有化Bose子呈現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)，局域化Bose子呈現(xiàn)絕緣態(tài)。然而，在幾個(gè)薄合金膜的實(shí)驗(yàn)中，觀察到金屬相，破壞了超導(dǎo)體和絕緣體之間直接轉(zhuǎn)換。經(jīng)分析認(rèn)為這是玻色金屬態(tài)，參與導(dǎo)電的是Bose子。推斷這個(gè)金屬相可能是渦流玻璃態(tài)，這個(gè)現(xiàn)象在銅氧化物超導(dǎo)體中得到了驗(yàn)證。

軟凝聚態(tài)物質(zhì)研究的對(duì)象是原子、分子間不僅存在短程作用力，而且存在長(zhǎng)程作用力，表觀上呈現(xiàn)的粘稠物質(zhì)形態(tài)，稱為軟凝聚態(tài)。至今，人類對(duì)于晶體和原子存在強(qiáng)相互作用的固體已經(jīng)知道得相當(dāng)透徹了，但對(duì)軟凝聚態(tài)的很多科學(xué)問(wèn)題還沒(méi)有深入研究，21世紀(jì)以來(lái)，引起了科學(xué)家的極大興趣。軟凝聚態(tài)物質(zhì)包括流體、離子液體、復(fù)合流體、液晶、固體電解、離子導(dǎo)體、有機(jī)粘稠體、有機(jī)柔性材料、有機(jī)復(fù)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(chǎng)需求，是被研究得相當(dāng)清楚的一種。其他軟凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)和特性的科學(xué)問(wèn)題和應(yīng)用前景是目前被關(guān)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(jī)半導(dǎo)體、有機(jī)陶瓷、流體類導(dǎo)體、表面敏感材料、親水疏水表面、有機(jī)晶體、生物材料(人造骨和牙齒)、柔性集成器件，以及他們的復(fù)合，統(tǒng)稱為分子調(diào)控材料(materialsofmolecularmanipulation)。其主要特征是原子結(jié)構(gòu)的多變性和柔性，研究材料的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)和特性的測(cè)量、表征，追求特殊功能；理論上探討原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定體系，光、電、熱、機(jī)械特性，以及載流子及其輸運(yùn)。關(guān)于軟凝聚態(tài)物質(zhì)，有些早已為人類所用，電解液、液晶等，但對(duì)其理論研究處于初期階段。科學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用的需求促進(jìn)深入的理論研究，判斷體系穩(wěn)定存在的依據(jù)是自由能最小，體系自由能可表示為F=E-TS，其中S是熵。對(duì)于軟凝聚態(tài)物質(zhì)體系，S是重要參量。其中更多的缺陷，原子、分子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜行為，更多的電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)，不再是單粒子統(tǒng)計(jì)所能描述，需要研究粒子間存在相互作用的統(tǒng)計(jì)理論。多樣性是這個(gè)體系的突出特征，因此其理論涉及廣泛、復(fù)雜問(wèn)題。

物理學(xué)是探索物態(tài)結(jié)構(gòu)與特性的基礎(chǔ)學(xué)科，是認(rèn)識(shí)自然和發(fā)展科技的基礎(chǔ)，其中以原子間有較強(qiáng)作用的稠密物質(zhì)體系為主要研究對(duì)象的凝聚態(tài)物理近些年有了迅速進(jìn)展，研究范圍不斷擴(kuò)大，從固體結(jié)構(gòu)、相變、光電磁特性擴(kuò)展到液晶、復(fù)雜流體、聚合物和生物體結(jié)構(gòu)等。幾乎每一二十年就有新物質(zhì)狀態(tài)被發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)了人類對(duì)自然的認(rèn)識(shí)和對(duì)其規(guī)律把握能力，推動(dòng)了科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展。21世紀(jì)仍有一些老的科學(xué)問(wèn)題需要深入研究，一些新科學(xué)問(wèn)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(wèn)題。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的介觀物理，后來(lái)發(fā)展成為納米科技所涉及的學(xué)科領(lǐng)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(wèn)題有待解決，人們熟悉的宏觀體系得到的規(guī)則和結(jié)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(tǒng)問(wèn)題的描述和表征，將會(huì)有更多的新現(xiàn)象、新效應(yīng)、新規(guī)律被發(fā)現(xiàn)。在納米尺度，研究原子、分子組裝、測(cè)量、表征，涉及有機(jī)材料、無(wú)機(jī)／有機(jī)復(fù)合材料和生物材料，這將大大的擴(kuò)展了物理學(xué)研究的范圍和深度。涉及的重大科學(xué)前沿問(wèn)題和重點(diǎn)發(fā)展方向有①?gòu)?qiáng)關(guān)聯(lián)和軟凝聚態(tài)物質(zhì)，及其他新奇特性凝聚態(tài)物質(zhì)；②低維量子限域體系的結(jié)構(gòu)和量子特性，包括納米尺度功能材料和器件結(jié)構(gòu)和特性；③粒子物理，描述物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和基本相互作用的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型和有關(guān)問(wèn)題，以及復(fù)雜系統(tǒng)物理；④極端條件下的物理問(wèn)題，探索高能過(guò)程、核結(jié)構(gòu)、等離子體、新物理現(xiàn)象和核物質(zhì)新形態(tài)等；⑤生命活動(dòng)中的物理問(wèn)題，物理學(xué)的基本規(guī)律、概念、技術(shù)引入生命科學(xué)中，研究生物大分子體系特征、DNA、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能等，其研究關(guān)鍵將在于定量化和系統(tǒng)性，必然是多學(xué)科的交叉發(fā)展，成為未來(lái)科學(xué)的重要領(lǐng)域。

6結(jié)論

本文討論了納米線涂層的結(jié)構(gòu)和特性，重點(diǎn)是納米線的復(fù)合涂層和其電學(xué)特性、光電特性。其中包括制造技術(shù)新觀念，納米材料的完美定律，納米涂層的熱-電效應(yīng)，碳納米管的側(cè)向場(chǎng)發(fā)射，以及電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系和軟凝聚態(tài)物質(zhì)，展示了涂層科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展前景。

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第3篇

關(guān)鍵詞:梯度功能材料,復(fù)合材料,研究進(jìn)展

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

Keywords:FGM；composite；theAdvance

0引言

信息、能源、材料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展的三大支柱。現(xiàn)代高科技的競(jìng)爭(zhēng)在很大程度上依賴于材料科學(xué)的發(fā)展。對(duì)材料,特別是對(duì)高性能材料的認(rèn)識(shí)水平、掌握和應(yīng)用能力,直接體現(xiàn)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力,也是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和社會(huì)文明進(jìn)步速度的標(biāo)志。因此,新材料的開發(fā)與研究是材料科學(xué)發(fā)展的先導(dǎo),是21世紀(jì)高科技領(lǐng)域的基石。

近年來(lái),材料科學(xué)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[1]。究其原因,一方面是各個(gè)學(xué)科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實(shí)驗(yàn)技術(shù);另一方面是實(shí)際應(yīng)用的迫切需要對(duì)材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用問(wèn)題而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合材料，這種材料對(duì)新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質(zhì)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(lǐng)域，所以它是近年來(lái)在材料科學(xué)中涌現(xiàn)出的研究熱點(diǎn)之一。

1FGM概念的提出

當(dāng)代航天飛機(jī)等高新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料性能的要求越來(lái)越苛刻。例如：當(dāng)航天飛機(jī)往返大氣層，飛行速度超過(guò)25個(gè)馬赫數(shù)，其表面溫度高達(dá)2000℃。而其燃燒室內(nèi)燃燒氣體溫度可超過(guò)2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達(dá)5MW/m2.對(duì)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(qiáng)制冷卻的冷卻劑，此時(shí)燃燒室內(nèi)外要承受高達(dá)1000K以上的溫差,傳統(tǒng)的單相均勻材料已無(wú)能為力[1]。若采用多相復(fù)合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數(shù)和熱應(yīng)力的差別較大,很容易在相界處出現(xiàn)涂層剝落[3]或龜裂[1]現(xiàn)象，其關(guān)鍵在于基底和涂層間存在有一個(gè)物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規(guī)耐熱材料的不足，日本學(xué)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(xù)變化的組分梯度來(lái)代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應(yīng)力降至最小[3]。

隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發(fā)展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)復(fù)合技術(shù)，使構(gòu)成材料的要素（組成、結(jié)構(gòu)）沿厚度方向有一側(cè)向另一側(cè)成連續(xù)變化，從而使材料的性質(zhì)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(xù)變化的特點(diǎn)如圖2,因此它能有效地克服傳統(tǒng)復(fù)合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比FGM有如下優(yōu)勢(shì):

1)將FGM用作界面層來(lái)連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結(jié)強(qiáng)度;

2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應(yīng)力和熱應(yīng)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(diǎn)以及應(yīng)力自由端點(diǎn)的應(yīng)力奇異性;

4)用FGM代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻材料涂層,既可以增強(qiáng)連接強(qiáng)度也可以減小裂紋驅(qū)動(dòng)力。

2.2FGM的分類

根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)FGM有多種分類方式。根據(jù)材料的組合方式，F(xiàn)GM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(jù)其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)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(gè)基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據(jù)不同的梯度性質(zhì)變化分為密度FGM，成分FGM，光學(xué)FGM，精細(xì)FGM等[4]；根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域有可分為耐熱FGM，生物、化學(xué)工程FGM，電子工程FGM等[7]。

3FGM的應(yīng)用

FGM最初是從航天領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)利用組分、結(jié)構(gòu)、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(yīng)用于許多領(lǐng)域。

功能

應(yīng)用領(lǐng)域材料組合

緩和熱應(yīng)

力功能及

結(jié)合功能

航天飛機(jī)的超耐熱材料

陶瓷引擎

耐磨耗損性機(jī)械部件

耐熱性機(jī)械部件

耐蝕性機(jī)械部件

加工工具

運(yùn)動(dòng)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(gòu)造材料

核融合爐內(nèi)壁材料

放射性遮避材料輕元素高強(qiáng)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(yī)學(xué)功能

人工牙齒牙根

人工骨

人工關(guān)節(jié)

人工內(nèi)臟器官:人工血管

補(bǔ)助感覺(jué)器官

生命科學(xué)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(guò)濾器

超聲波振動(dòng)子

IC

磁盤

磁頭

電磁鐵

長(zhǎng)壽命加熱器

超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)陶瓷

塑料導(dǎo)電性材料

陶瓷陶瓷

光學(xué)功能防反射膜

光纖;透鏡;波選擇器

多色發(fā)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(dǎo)體

稀土類元素玻璃

能源轉(zhuǎn)化功能

MHD發(fā)電

電極;池內(nèi)壁

熱電變換發(fā)電

燃料電池

地?zé)岚l(fā)電

太陽(yáng)電池陶瓷高熔點(diǎn)金屬

金屬陶瓷

金屬硅化物

陶瓷固體電解質(zhì)

金屬陶瓷

電池硅、鍺及其化合物

4FGM的研究

FGM研究?jī)?nèi)容包括材料設(shè)計(jì)、材料制備和材料性能評(píng)價(jià)。

4.1FGM設(shè)計(jì)

FGM設(shè)計(jì)是一個(gè)逆向設(shè)計(jì)過(guò)程[7]。

首先確定材料的最終結(jié)構(gòu)和應(yīng)用條件,然后從FGM設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇滿足使用條件的材料組合、過(guò)渡組份的性能及微觀結(jié)構(gòu),以及制備和評(píng)價(jià)方法,最后基于上述結(jié)構(gòu)和材料組合選擇,根據(jù)假定的組成成份分布函數(shù),計(jì)算出體系的溫度分布和熱應(yīng)力分布。如果調(diào)整假定的組成成份分布函數(shù),就有可能計(jì)算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應(yīng)力分布,此時(shí)的組成分布函數(shù)即最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。

FGM設(shè)計(jì)主要構(gòu)成要素有三:

1)確定結(jié)構(gòu)形狀,熱—力學(xué)邊界條件和成分分布函數(shù);

2)確定各種物性數(shù)據(jù)和復(fù)合材料熱物性參數(shù)模型;

3)采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)—力學(xué)計(jì)算方法,包括有限元方法計(jì)算FGM的應(yīng)力分布,采用通用的和自行開發(fā)的軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

FGM設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是與材料的制備工藝緊密結(jié)合,借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng),得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

4.2FGM的制備

FGM制備研究的主要目標(biāo)是通過(guò)合適的手段,實(shí)現(xiàn)FGM組成成份、微觀結(jié)構(gòu)能夠按設(shè)計(jì)分布,從而實(shí)現(xiàn)FGM的設(shè)計(jì)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(xué)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(shè)計(jì)的梯度成分成形,然后燒結(jié)。通過(guò)控制和調(diào)節(jié)原料粉末的粒度分布和燒結(jié)收縮的均勻性,可獲得熱應(yīng)力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比較簡(jiǎn)單的FGM部件,但工藝比較復(fù)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(jié)法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)及反應(yīng)燒結(jié)等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、易于操作和成本低等優(yōu)點(diǎn),但要對(duì)保溫溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度進(jìn)行嚴(yán)格控制。國(guó)內(nèi)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(jiǎn)稱SHS或CombustionSynthesis)

SHS法是前蘇聯(lián)科學(xué)家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應(yīng)時(shí),發(fā)現(xiàn)的一種合成材料的新技術(shù)。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學(xué)反應(yīng),此后化學(xué)反應(yīng)在自身放熱的支持下,自動(dòng)持續(xù)地蔓延下去,利用反應(yīng)熱將粉末燒結(jié)成材，最后合成新的化合物。其反應(yīng)示意圖如圖6所示[16]：

SHS法具有產(chǎn)物純度高、效率高、成本低、工藝相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。并且適合制造大尺寸和形狀復(fù)雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應(yīng)的材料體系,金屬與陶瓷的發(fā)熱量差異大,燒結(jié)程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機(jī)械強(qiáng)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(fù)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(guò)不同的管道輸送到等離子噴槍內(nèi),并在熔化的狀態(tài)下將它噴鍍?cè)诨w的表面上形成梯度功能材料涂層。可以通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制粉料的輸送速度和流量來(lái)得到設(shè)計(jì)所要求的梯度分布函數(shù)。這種工藝已經(jīng)被廣泛地用來(lái)制備耐熱合金發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩(wěn)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(dá)1500K,同時(shí)處于高度壓縮狀態(tài),所具有的能量極大。等離子體通過(guò)噴嘴時(shí)急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達(dá)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(shí)還會(huì)與等離子體發(fā)生復(fù)雜的冶金化學(xué)反應(yīng),隨后被霧化成細(xì)小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結(jié),形成沉積層。噴涂過(guò)程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調(diào)節(jié)等離子射流的溫度及流速,即可調(diào)整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優(yōu)點(diǎn)是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無(wú)需燒結(jié),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(jié)合強(qiáng)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

4.2.3.2激光熔覆法

激光熔覆法是將預(yù)先設(shè)計(jì)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(huì)產(chǎn)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(shí)注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復(fù)以上過(guò)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(qiáng)劑熔覆金屬獲得了梯度多層結(jié)構(gòu)。梯度的變化可以通過(guò)控制初始涂層A的數(shù)量和厚度,以及熔區(qū)的深度來(lái)獲得,熔區(qū)的深度本身由激光的功率和移動(dòng)速度來(lái)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(guò)高,涂層表面有時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[10]。采用此法可制備Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。

4.2.3.3熱噴射沉積[10]

與等離子噴涂有些相關(guān)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(guò)將增強(qiáng)粒子注射到金屬流束中,這種工藝已被推廣到制造復(fù)合材料中。陶瓷增強(qiáng)顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態(tài),混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復(fù)合材料。在噴涂沉積過(guò)程中,通過(guò)連續(xù)地改變?cè)鰪?qiáng)顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產(chǎn)生梯度6061鋁合金/SiC復(fù)合材料。可以使用熱等靜壓工序以消除梯度復(fù)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(xué)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(chǎng)中,通過(guò)注入另一相的懸浮液使之混合,并通過(guò)控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場(chǎng)作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來(lái),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(xué)功能、熱物理性能,該工藝由于對(duì)鍍層材料的物理力學(xué)性能破壞小、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產(chǎn)成本低廉等顯著優(yōu)點(diǎn)而備受材料研究者的關(guān)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(tài)物質(zhì)在基體表面成膜的技術(shù)。通過(guò)控制彌散相濃度,在厚度方向上實(shí)現(xiàn)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(jié)合強(qiáng)度低、設(shè)備比較復(fù)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(jī)理的不同分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)兩類。

化學(xué)氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質(zhì)源輸送到反應(yīng)器中進(jìn)行均勻混合,在熱基板上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并使反映產(chǎn)物沉積在基板上。通過(guò)控制反應(yīng)氣體的壓力、組成及反應(yīng)溫度,精確地控制材料的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài),并能使其組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)從一種組分到另一種組分連續(xù)變化,可得到按設(shè)計(jì)要求的FGM。另外,該法無(wú)須燒結(jié)即可制備出致密而性能優(yōu)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(guò)程包括：氣相反應(yīng)物的形成；氣相反應(yīng)物傳輸?shù)匠练e區(qū)域；固體產(chǎn)物從氣相中沉積與襯底[12]。

物理氣相沉積法(PVD)是通過(guò)加熱固相源物質(zhì),使其蒸發(fā)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(diǎn)是沉積溫度低,對(duì)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(guò)伴隨的應(yīng)變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個(gè)附加的被稱作“相變塑性”的變形機(jī)制。借助這種機(jī)制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應(yīng)力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內(nèi),可以通過(guò)施加應(yīng)變(或等價(jià)應(yīng)力)梯度,在這種材料中產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體體積分?jǐn)?shù)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(nèi)部獲得了鐵磁馬氏體α體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)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(gè)簡(jiǎn)單的方法,可以一步生產(chǎn)含有飽和磁化強(qiáng)度連續(xù)變化的材料,這種材料對(duì)于位置測(cè)量裝置的制造有潛在的應(yīng)用前景。

4.3FGM的特性評(píng)價(jià)

功能梯度材料的特征評(píng)價(jià)是為了進(jìn)一步優(yōu)化成分設(shè)計(jì),為成分設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),目前已開發(fā)出局部熱應(yīng)力試驗(yàn)評(píng)價(jià)、熱屏蔽性能評(píng)價(jià)和熱性能測(cè)定、機(jī)械強(qiáng)度測(cè)定等四個(gè)方面。這些評(píng)價(jià)技術(shù)還停留在功能梯度材料物性值試驗(yàn)測(cè)定等基礎(chǔ)性的工作上[7]。目前,對(duì)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(jī)械性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]。目前,日本、美國(guó)正致力于建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)特征評(píng)價(jià)體系[7~8]。

5FGM的研究發(fā)展方向

5.1存在的問(wèn)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(wèn)題需要進(jìn)一步的研究和解決,主要表現(xiàn)在以下一些方面[5、13]:

1）梯度材料設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)（包括材料體系、物性參數(shù)、材料制備和性能評(píng)價(jià)等）還需要補(bǔ)充、收集、歸納、整理和完善；

2）尚需要進(jìn)一步研究和探索統(tǒng)一的、準(zhǔn)確的材料物理性質(zhì)模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結(jié)構(gòu)以及制備條件的定量關(guān)系，為準(zhǔn)確、可靠地預(yù)測(cè)梯度材料物理性能奠定基礎(chǔ)；

3）隨著梯度材料除熱應(yīng)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(shè)計(jì)體系，為梯度材料在多方面研究和應(yīng)用開辟道路；

4）尚需完善連續(xù)介質(zhì)理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結(jié)構(gòu)模型，并借助計(jì)算機(jī)模擬對(duì)材料性能進(jìn)行理論預(yù)測(cè)，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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,還不具有較多的實(shí)用價(jià)值;

6)成本高。

5.2FGM制備技術(shù)總的研究趨勢(shì)[13、15、19-20]

1）開發(fā)的低成本、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便的制備技術(shù)；

2）開發(fā)大尺寸和復(fù)雜形狀的FGM制備技術(shù)；

3）開發(fā)更精確控制梯度組成的制備技術(shù)（高性能材料復(fù)合技術(shù)）；

4）深入研究各種先進(jìn)的制備工藝機(jī)理，特別是其中的光、電、磁特性。

5.3對(duì)FGM的性能評(píng)價(jià)進(jìn)行研究[2、13]

有必要從以下5個(gè)方面進(jìn)行研究：

1）熱穩(wěn)定性，即在溫度梯度下成分分布隨時(shí)間變化關(guān)系問(wèn)題；

2）熱絕緣性能；

3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；

4）抗極端環(huán)境變化能力；

5）其他性能評(píng)價(jià)，如熱電性能、壓電性能、光學(xué)性能和磁學(xué)性能等

第4篇

在微流控技術(shù)中，根據(jù)微流控裝置制備乳液的幾何結(jié)構(gòu)以及液相流體流動(dòng)方向的不同，乳液有不同的產(chǎn)生形式，據(jù)此可以將微流控裝置主要分為：同向流動(dòng)型（co-flow）、T形交叉流動(dòng)型（T-junctioncross-flow）和流動(dòng)聚焦型（flow-focusing）。如圖1(a)所示為典型的同向流動(dòng)型微流控裝置幾何結(jié)構(gòu)。在該裝置中，作為分散相的內(nèi)相液體（innerfluid）和作為連續(xù)相的外相液體（outerfluid）分別在內(nèi)、外通道中同向流動(dòng)，并在注射管錐口處相遇，此時(shí)內(nèi)相液體受到與其互不相溶的外相液體的剪切力作用而在收集管中斷裂成為尺寸均一的單乳液滴。典型的T形交叉流動(dòng)型微流控裝置幾何結(jié)構(gòu)，該裝置中內(nèi)相液體和外相液體主要呈相互垂直流動(dòng)，并在T形流道的交叉口處相遇，此時(shí)內(nèi)相液體受到外相液體的剪切和擠壓作用而分散斷裂成液滴。流動(dòng)聚焦型微流控裝置幾何結(jié)構(gòu)的典型結(jié)構(gòu)，該裝置中中間通道內(nèi)流動(dòng)的內(nèi)相液體受到兩側(cè)通道中流動(dòng)的外相液體的作用，并一同流向下游處緊臨的縮口小孔；此時(shí)，在外相液體產(chǎn)生的壓力和黏性應(yīng)力的作用下，內(nèi)相液體變?yōu)橐还杉?xì)小的噴射流，并在小孔下游處斷裂成液滴。在上述裝置中，同向流動(dòng)型微流控裝置幾何結(jié)構(gòu)主要由玻璃毛細(xì)管組裝構(gòu)建而成，而T形交叉流動(dòng)型和流動(dòng)聚焦型微流控裝置幾何結(jié)構(gòu)則可由微加工技術(shù)[如軟光刻技術(shù)(softlithography)]在聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、玻片等材料上構(gòu)建。

上述微流控技術(shù)均能產(chǎn)生具有良好單分散性（一般CV值小于5%）、且尺寸可精確調(diào)控的乳液液滴。在產(chǎn)生乳液的過(guò)程中，液相流動(dòng)的穩(wěn)定性是決定乳液液滴單分散性的主要因素，而微通道的尺寸以及液相的流速則是調(diào)控乳液液滴尺寸的關(guān)鍵因素。除了可以控制所產(chǎn)生液滴的尺寸和單分散性外，微流控技術(shù)另一大優(yōu)點(diǎn)是其良好的可升級(jí)特性，即可以通過(guò)將上述3種類型的微流控裝置幾何結(jié)構(gòu)相互結(jié)合而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多重乳液的可控制備。Chu等通過(guò)將兩個(gè)同向流動(dòng)型微流控裝置幾何結(jié)構(gòu)串聯(lián)組裝，得到了兩級(jí)同向流動(dòng)型微流控裝置，以用于產(chǎn)生具有液滴嵌套液滴結(jié)構(gòu)的雙重乳液。當(dāng)?shù)谝患?jí)微流控幾何結(jié)構(gòu)中內(nèi)相液體被中間相液體剪切產(chǎn)生單乳液滴后，攜帶有該單乳液滴的中間相液體將進(jìn)一步地在第二級(jí)微流控裝置幾何結(jié)構(gòu)中被同向流動(dòng)的另一股外相液體剪切，從而使得單乳液滴被封裝在所形成的中間相液體液滴中，形成了雙重乳液。由于微流控技術(shù)對(duì)各級(jí)液滴產(chǎn)生單元所產(chǎn)生液滴的優(yōu)良控制性，使得該雙重乳液也具有良好的單分散性。基于微流控裝置這種優(yōu)良的可升級(jí)特性，Chu等進(jìn)一步組裝得到了三級(jí)玻璃毛細(xì)管微流控裝置，并成功可控制得了具有更多層嵌套結(jié)構(gòu)的單分散三重乳液。在上述多重乳液中，乳液內(nèi)部各層所含液滴的數(shù)目和尺寸均精確可控，展現(xiàn)出了微流控技術(shù)在可控制備多重乳液方面的巨大優(yōu)勢(shì)。Wang等進(jìn)一步通過(guò)設(shè)計(jì)液滴產(chǎn)生組件、液滴匯集組件、液體提取組件等微流控功能單元用于組裝微流控裝置，從而可控制得了結(jié)構(gòu)更加多樣化，且內(nèi)部可以同時(shí)包含不同組分液滴的多組分多重乳液，對(duì)上述層層嵌套式多重乳液的結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步地?cái)U(kuò)展。這些多組分多重乳液內(nèi)部各層不同組分液滴的種類、尺寸、數(shù)目、比例均精確可控。其中，液滴的種類主要取決于用于產(chǎn)生不同液滴的液滴產(chǎn)生組件的數(shù)目；液滴的尺寸主要取決于通道的尺寸以及液相流速；而多重乳液內(nèi)部不同液滴之間的數(shù)目和比例則取決于不同液滴的產(chǎn)生頻率，該頻率主要也是通過(guò)匹配液相流速來(lái)進(jìn)行調(diào)控。微流控技術(shù)所制備出的尺寸和結(jié)構(gòu)高度可控的單分散乳液液滴，為具有多樣化結(jié)構(gòu)的新型微顆粒功能材料的設(shè)計(jì)和制備提供了優(yōu)良的模板。

2以單乳液滴為模板制備單分散功能微顆粒

以微流控技術(shù)制得的單分散乳液液滴作為合成模板，可以制備得到尺寸均一的單分散微顆粒功能材料，并且可以通過(guò)改變液滴尺寸在較寬微尺度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)微顆粒尺寸的精確調(diào)控。此外，該方法還具有很強(qiáng)的通用性。如以油包水型（W/O）乳液或水包油型（O/W）乳液作為模板的微流控合成方法可以分別用于不同種類的基于水溶性單體或油溶性單體的聚合物微顆粒的制備，并且可以方便地通過(guò)改變模板液滴中的組分來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微顆粒化學(xué)組成的調(diào)節(jié)和優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微顆粒功能的調(diào)控。此外，微流控技術(shù)在微通道中連續(xù)制備和操控乳液液滴的獨(dú)特工藝，還使得其可以與各種設(shè)備相結(jié)合，以提供多樣化的合成條件用于球形甚至非球形微顆粒的連續(xù)可控生產(chǎn)。

2.1球形功能微顆粒的微流控制備

Weitz研究組利用微流控技術(shù)產(chǎn)生的單分散W/O乳液作為模板，通過(guò)將溶解在水滴中的N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）單體聚合，制備得到了尺寸均一的溫敏型聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）水凝膠微顆粒。該溫敏型PNIPAM水凝膠微顆粒具有良好的單分散性，且具有優(yōu)良的溫敏體積相變特性。當(dāng)溫度在其體積相轉(zhuǎn)變溫度（VPTT）（約32℃）附近變化時(shí)，該P(yáng)NIPAM水凝膠微顆粒能展現(xiàn)出高溫收縮、低溫溶脹的可逆體積相變行為。類似地，Kumacheva研究組利用單分散的O/W乳液作為模板，通過(guò)紫外光照引發(fā)油滴中含有的油溶性單體聚合，制備得到了不同組分的單分散聚合物微顆粒。以上研究工作均顯示出了微流控法在制備單分散微顆粒功能材料方面的優(yōu)勢(shì)

2.2非球形功能微顆粒的微流控制備

微顆粒材料的功能除了取決于其化學(xué)組成外，顆粒的形狀也對(duì)其功能和應(yīng)用前景具有很大的影響。然而，由于界面張力的作用總是使液滴盡可能地保持球形，因此傳統(tǒng)的分批聚合方法通常難以得到尺寸均一的非球形顆粒。而微流控技術(shù)對(duì)于微通道中液滴的精確操控能力，則為可控制備單分散的非球形顆粒提供了一個(gè)優(yōu)良的平臺(tái)。Xu等通過(guò)設(shè)計(jì)微流控裝置中通道的結(jié)構(gòu)和尺寸，使得流入通道中的含有單體溶液的液滴在受限空間中變形為非球形形狀，再將該變形的液滴經(jīng)UV光照聚合進(jìn)行原位固化后，從而制得了尺寸均一的棒狀和扁平狀非球形高分子聚合物微顆粒。在該方法中，由于微流控產(chǎn)生的單分散模板液滴的體積是一定的，因此該液滴在相同的微通道中變形后所形成的非球形液滴的形狀和尺寸也是一定的，從而使得聚合后可以得到均一的非球形顆粒。此外，由于在聚合過(guò)程中單體溶液由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)會(huì)發(fā)生一定程度的體積收縮，并且得到的固體顆粒表面仍具有一層連續(xù)相液體構(gòu)成的浸潤(rùn)液層使之與微通道之間隔離，因此有效避免了固體微顆粒對(duì)微通道的堵塞。基于這種方法，研究者還制備得到了塞子狀和圓盤狀的聚合物微顆粒，以及不同形狀的非球形磁性水凝膠微顆粒，展現(xiàn)出了微流控方法在可控制備單分散非球形微顆粒功能材料方面所具有的多樣化特點(diǎn)。

2.3Janus形功能微顆粒的微流控制備

Janus形功能微顆粒是一種兩面具有截然不同的物理或化學(xué)性質(zhì)（如不同的表面浸潤(rùn)性、磁性、光電性質(zhì)等）的顆粒，目前已在自組裝研究以及乳液穩(wěn)定劑和光學(xué)器件開發(fā)等方面展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。微流控技術(shù)對(duì)于層流條件下運(yùn)行的液滴的精確操控，使得其為Janus形微顆粒的制備提供了一個(gè)便利且易于工藝放大的優(yōu)良技術(shù)平臺(tái)。微流控技術(shù)用于制備Janus形微顆粒，主要是利用了兩種同向流動(dòng)的液相流體被剪切成為一個(gè)乳液液滴后，短時(shí)間內(nèi)仍能在液滴內(nèi)部相互保持層流而不至于混合這一特點(diǎn)。這樣，利用該含有兩種液相的Janus形液滴作為模板，經(jīng)過(guò)快速原位聚合，便可得到兩面具有不同性質(zhì)的單分散Janus形微顆粒。此外，通過(guò)改變微通道形狀尺寸使Janus形液滴在受限空間變形為非球形形狀，還可以進(jìn)一步制備得到具有非球形結(jié)構(gòu)的Janus形微顆粒。

3以復(fù)乳液滴為模板制備單分散功能微顆粒

具有內(nèi)部腔室結(jié)構(gòu)的微顆粒功能材料由于其為物質(zhì)的封裝提供了一個(gè)受保護(hù)的內(nèi)部空間，因此在藥物傳送與控釋、活性物質(zhì)保護(hù)、生物大分子合成、化學(xué)催化以及生化分離等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。以微流控復(fù)乳液滴，如油包水包油型（O/W/O）和水包油包水型（W/O/W）雙重乳液，可以通過(guò)將其內(nèi)部液滴作為微顆粒內(nèi)部腔室，而將外部液層經(jīng)反應(yīng)后作為微顆粒殼層，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)新型腔室型微顆粒的可控設(shè)計(jì)和制備。在該方法中，借助微流控技術(shù)對(duì)乳液尺寸、形狀、單分散性和結(jié)構(gòu)的精確控制，可以對(duì)腔室型微顆粒的殼層尺寸和厚度，以及內(nèi)部腔室的尺寸和數(shù)目等進(jìn)行精確調(diào)控。而O/W/O和W/O/W雙重乳液的中間水層和油層使得該方法可廣泛適用于多種水溶性和油溶性材料，以及可以良好分散的有機(jī)、無(wú)機(jī)納米顆粒材料等以用于構(gòu)造多樣化的微顆粒。此外，O/W/O和W/O/W雙重乳液的內(nèi)部油滴和水滴結(jié)構(gòu)還分別為油溶性和水溶性物質(zhì)的封裝提供了具有更好溶解性的內(nèi)部環(huán)境。微流控復(fù)乳液滴能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)內(nèi)部液滴的高封裝率（約100%），這也為活性物質(zhì)或藥物等在制備微顆粒過(guò)程中的同步、高效率的封裝提供了可能性。

3.1中空功能微顆粒的微流控制備

Zhang等利用O/W/O雙重乳液作為模板，通過(guò)將具有溫敏特性的NIPAM、具有葡萄糖識(shí)別特性的3-丙烯酰胺基苯硼酸，以及親水性丙烯酸單體加入其中間水層中并由紫外光照引發(fā)聚合，再使用有機(jī)溶劑將內(nèi)部油滴洗去后，制得了具有中空腔室結(jié)構(gòu)的單分散葡萄糖響應(yīng)型水凝膠微顆粒。該中空微顆粒的內(nèi)部空腔可用于包載胰島素，而其水凝膠殼層可在37℃條件下響應(yīng)葡萄糖濃度變化以實(shí)現(xiàn)胰島素的自律式控制釋放。當(dāng)葡萄糖濃度升高時(shí)，水凝膠殼層溶脹使得其交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)孔變大，從而內(nèi)部包載的胰島素可以透過(guò)殼層快速擴(kuò)散釋放；而當(dāng)葡萄糖濃度降低時(shí)，水凝膠殼層收縮使得交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)孔變小，從而胰島素?cái)U(kuò)散減慢、釋放速率降低。這種葡萄糖響應(yīng)型中空功能微顆粒為設(shè)計(jì)和開發(fā)新型自律式控釋載體以用于糖尿病治療提供了新的模型和理論指導(dǎo)。基于這種微流控制備方法，研究者通過(guò)靈活調(diào)節(jié)中間水層中的功能組分為其他水溶材料如N,N-甲基丙烯酸二甲氨基乙酯或者NIPAM和苯并-18-冠-6-丙烯酰胺，還成功制得了能夠響應(yīng)pH變化或者鉛離子濃度變化以實(shí)現(xiàn)殼層溶脹收縮的中空水凝膠微顆粒，以期用于不同需求情況下物質(zhì)的控制釋放。

3.2核-殼型功能微顆粒的微流控制備

Wang等通過(guò)將均勻分散有超順磁性Fe3O4納米顆粒的NIPAM單體溶液作為中間水相，大豆油作為內(nèi)、外油相，由微流控裝置制得O/W/O雙重乳液作為模板后，再由紫外光照引發(fā)其中間水層聚合，制得了具有熱引發(fā)自爆突釋功能的核-殼型（油核-水凝膠殼層）水凝膠微顆粒。該微顆粒的內(nèi)部油核可用于封裝油溶性的藥物；而其PNIPAM水凝膠殼層的溫敏體積相變特性以及殼層中鑲嵌的超順磁性納米顆粒的磁響應(yīng)特性，使得該微顆粒可先在外加磁場(chǎng)引導(dǎo)下定向運(yùn)輸?shù)侥骋惶囟ǖ奈稽c(diǎn)，然后在升溫作用下使殼層收縮從而擠壓內(nèi)部油核至殼層破裂，并最終將內(nèi)部油核連同其中所溶解的物質(zhì)一起快速突釋出來(lái)，從而在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的局部藥物濃度。這種具有磁靶向運(yùn)輸和自爆式突釋功能的核-殼型水凝膠微顆粒為新型藥物傳送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制提供了一種新的途徑。基于這種微流控制備方法的通用性，研究者通過(guò)改變O/W/O雙重乳液模板的中間水層組分以調(diào)節(jié)微顆粒殼層的功能，還成功研制出了一系列能夠響應(yīng)外界環(huán)境刺激如鉀離子、乙醇、沒(méi)食子酸乙酯等濃度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)自爆式突釋功能的新型微顆粒。此外，Liu等通過(guò)使用均質(zhì)乳化劑制備的W/O乳液作為內(nèi)部油相來(lái)構(gòu)造O/W/O雙重乳液，成功制備得到了內(nèi)部油核中分散有水滴的自爆式水凝膠微顆粒，實(shí)現(xiàn)了自爆式微顆粒對(duì)水溶性藥物或者納米顆粒的封裝運(yùn)輸。在升溫條件下，微顆粒水凝膠殼層不斷收縮擠壓內(nèi)部油滴，從而使得內(nèi)部油滴連同封裝有納米顆粒的最內(nèi)部水滴一并被快速釋放到外部環(huán)境中，達(dá)到了很好的突釋效果。除了上述自爆式核-殼型微顆粒外，研究者還利用O/W/O雙重乳液研制出另一類具有突釋功能的核-殼型微顆粒。Liu等通過(guò)將殼聚糖加入中間水相、交聯(lián)劑對(duì)苯二甲醛加入內(nèi)部油相，由微流控裝置制得O/W/O雙重乳液后，內(nèi)相中對(duì)苯二甲醛擴(kuò)散進(jìn)入中間水層使殼聚糖交聯(lián)形成殼層，從而制得了內(nèi)含油核的核-殼型微顆粒。該微顆粒的交聯(lián)殼聚糖殼層可以在較低的pH條件下降解，從而使得殼層溶解消失并將內(nèi)部油核釋放出來(lái)。

3.3孔-殼型功能微顆粒的微流控制備

具有封閉殼層的中空微顆粒和核-殼型微顆粒在物質(zhì)封裝方面展現(xiàn)出了高效的性能。然而，其內(nèi)部所封裝的物質(zhì)分子通過(guò)微顆粒殼層（如上述微顆粒的水凝膠殼層）的傳質(zhì)往往是一個(gè)比較緩慢的過(guò)程。通過(guò)在微顆粒殼層上構(gòu)造孔結(jié)構(gòu)，可以促進(jìn)物質(zhì)分子穿過(guò)殼層的傳質(zhì)過(guò)程；并且，通過(guò)對(duì)孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，還可以進(jìn)一步通過(guò)孔的尺寸和功能性控制物質(zhì)的封裝和控釋過(guò)程，從而使微顆粒功能更加多樣化。Wang等基于微流控W/O/W雙重乳液，通過(guò)調(diào)節(jié)中間油層組分以控制內(nèi)相水滴與外部水相之間的黏結(jié)以控制雙重乳液的結(jié)構(gòu)變化，并以此為模板制得到了殼層表面具有單個(gè)通孔結(jié)構(gòu)的孔-殼型微顆粒。該方法中使用了光聚合樹脂乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（ETPTA）和有機(jī)溶劑苯甲酸芐酯（BB）的混合溶液作為中間油相，并使用聚甘油蓖麻醇酯（PGPR）作為乳化劑。由于ETPTA單體對(duì)PGPR的溶解度較差，因此降低了中間油相對(duì)PGPR的溶解能力，導(dǎo)致內(nèi)相水滴與中間油層之間的W/O界面以及中間油層與外部水相之間的O/W界面趨向于黏結(jié)，從而使得雙重乳液由核殼型可控演化成橡子型結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變中間油相中ETPTA的比例，可以控制W/O/W雙重乳液的演化程度。以這些可控演化后的雙重乳液作為模板，便可以制得殼層表面具有單個(gè)通孔結(jié)構(gòu)，且通孔尺寸和內(nèi)部空腔的結(jié)構(gòu)均精確可控的孔-殼型微顆粒。此外，基于微流控技術(shù)對(duì)雙重乳液內(nèi)部液滴數(shù)目和尺寸的精確控制，還可以對(duì)微顆粒中孔-殼型結(jié)構(gòu)的數(shù)目以及尺寸進(jìn)行調(diào)控。這種具有可控孔-殼型結(jié)構(gòu)的微顆粒可以用于基于尺寸匹配的“l(fā)ock-key”式顆粒捕獲；也可以用于從不同尺寸的混合顆粒中選擇性地裝載小顆粒，從而實(shí)現(xiàn)基于顆粒尺寸的選擇性篩分

3.4多腔室型功能微顆粒的微流控制備

能夠分隔封裝不同組分的物質(zhì)，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所封裝物質(zhì)的按需釋放的多腔室微顆粒，在作為傳送載體用于不相容活性物質(zhì)的協(xié)同運(yùn)輸，以及作為微反應(yīng)容器用于不同反應(yīng)物的微反應(yīng)等方面具有重要的意義。多腔室微顆粒的傳統(tǒng)制備方法通常是采用內(nèi)含多個(gè)液滴的雙重乳液作為模板進(jìn)行合成，或者是逐步將一個(gè)腔室型微顆粒封裝到另一個(gè)腔室型微顆粒中；但是這些方法往往工藝復(fù)雜，并且難以獨(dú)立、精確地控制內(nèi)部各個(gè)腔室的結(jié)構(gòu)。而微流控多組分多重乳液則為多腔室功能微顆粒的設(shè)計(jì)和制備提供了獨(dú)特的模板，其內(nèi)部不同組分的液滴可作為獨(dú)立的腔室用于不同組分物質(zhì)甚至不相容物質(zhì)的隔離封裝。并且，通過(guò)精確控制其內(nèi)部不同組分液滴的尺寸、數(shù)目和比例，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部各個(gè)腔室的獨(dú)立調(diào)控、以及對(duì)不同組分封裝劑量的優(yōu)化。Wang等利用內(nèi)含兩種不同組分油滴的O/W/O四組分雙重乳液作為合成模板，通過(guò)紫外光照聚合中間水層中含有的NIPAM單體，從而一步可控制得了內(nèi)含不同組分油滴且其數(shù)目和比例均精確可控的多腔室型微顆粒。當(dāng)溫度升至微顆粒PNIPAM殼層的VPTT以上時(shí)，微顆粒會(huì)因?yàn)闅觿×沂湛s而將內(nèi)部不同組分的油滴連同所封裝的物質(zhì)一同釋放出來(lái)。這種共封裝和釋放模式使得該微顆粒有望用于協(xié)同運(yùn)輸和釋放不同組分藥物或反應(yīng)物以用于協(xié)同治療或觸發(fā)式按需反應(yīng)。微流控多組分多重乳液能夠封裝不同組分液滴的特點(diǎn)，也為將具有不同功能的材料整合到同一個(gè)微顆粒中以獲得多功能特性提供了可能。Liu等利用O/W/O四組分雙重乳液作為模板成功制得了同時(shí)具有磁靶向響應(yīng)特性和鉛離子響應(yīng)特性的多功能水凝膠微顆粒。該乳液模板的外部水滴中溶解有NIPAM和苯并-18-冠-6-丙烯酰胺單體，水滴內(nèi)部封裝有一個(gè)含有磁性納米顆粒和聚苯乙烯高分子（PS）的乙酸異戊酯液滴以及一個(gè)大豆油滴。首先，磁性納米顆粒和聚苯乙烯經(jīng)乙酸異戊酯揮發(fā)后沉積下來(lái)形成固體PS磁核；然后，水滴中的單體經(jīng)紫外光照聚合后形成包含有PS磁核和大豆油滴的水凝膠，再經(jīng)過(guò)有機(jī)溶劑洗去大豆油核后，得到了具有PS磁核和空腔的水凝膠微顆粒。該微顆粒可以在外加磁場(chǎng)引導(dǎo)下進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)，并且其水凝膠殼層可以響應(yīng)外界環(huán)境中鉛離子的濃度變化而發(fā)生溶脹或者收縮，從而有望用作受鉛離子污染的微環(huán)境中的微型傳感器或執(zhí)行器。

4總結(jié)與展望

第5篇

關(guān)鍵詞：相變；保溫材料；建筑；節(jié)能；工程

一、前言

在建筑施工過(guò)程中隨著新工藝和新技術(shù)的不斷發(fā)展，保溫材料在建筑中的應(yīng)用也越加的廣泛，在建筑施工過(guò)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(diǎn)

1、真空隔熱板。在以往建筑工程項(xiàng)目的建設(shè)過(guò)程中，所用的保溫材料，其厚度相對(duì)比較大，易減少層和層之間的距離，出現(xiàn)窗洞不斷加深等各種問(wèn)題，為有效地解決這些問(wèn)題，出現(xiàn)了一種新的保溫材料，即真空隔熱板，該材料自身較薄，同時(shí)所排放的CO量也較小，在其外表面裹有相應(yīng)的紙質(zhì)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(yīng)用前景非常廣泛。

2、復(fù)合型硅酸巖保溫材料。該材料含有硅酸鹽、鋁以及鎂等物質(zhì)，是一種非金屬的礦物基料，通過(guò)添加相應(yīng)的輔助原料與化學(xué)添加劑，借助于新技術(shù)以及新工藝的應(yīng)用制造而成。縱觀我國(guó)當(dāng)前建筑材料市場(chǎng)，這種材料是當(dāng)前最為理想的一種保溫材料，其導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低、用料厚度也比較少且熱損也比較小，具有無(wú)毒特性，不會(huì)對(duì)設(shè)備造成腐蝕，也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，屬于一種高效保溫且輕質(zhì)性的材料。除此之外，相對(duì)于其他類型的保溫材料而言，該材料還具有無(wú)粉塵與無(wú)刺激等特點(diǎn)，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行任意地裁剪，便于施工等。

三、外墻保溫特點(diǎn)

不同的建筑在節(jié)能上的要求不同，根據(jù)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)在施工時(shí)將保溫材料同墻體固定復(fù)合，通過(guò)該種方式降低建筑墻體的導(dǎo)熱系數(shù)，達(dá)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(dǎo)熱系數(shù)較低的塊材或者松散材料，可以通過(guò)直接粘附于墻上的辦法進(jìn)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(nèi)保溫，就保溫效果而言，外保溫效果最佳。以下就外保溫特點(diǎn)展開敘述：

1、外保溫能夠消除熱橋效應(yīng)。

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

3、對(duì)外保溫加強(qiáng)后，以室內(nèi)熱環(huán)境保持為前提對(duì)室溫做適當(dāng)?shù)慕档停坏軌虮ＷC室內(nèi)環(huán)境溫度的適宜，同時(shí)還能夠降低能耗，以此節(jié)約能源減少采暖負(fù)荷。

4、由于墻體外添加了外保溫材料，因此建筑內(nèi)部的主體墻溫度會(huì)相對(duì)較高，從而濕度相對(duì)較低。由于保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小因此主體墻熱應(yīng)力減小，因而裂縫、變形以及破損等主體墻的病害出現(xiàn)幾率就會(huì)相對(duì)降低。

5、外墻保溫優(yōu)點(diǎn)概述：

（1）外墻保溫從技術(shù)結(jié)構(gòu)上分析能夠減少外界環(huán)境（降水、紫外線、溫度等）對(duì)主體結(jié)構(gòu)造成的不良影響。

（2）擴(kuò)大使用空間。由于外墻保溫材料設(shè)置在外部，因此會(huì)節(jié)約內(nèi)部空間。

（3）在舊房改造中能夠發(fā)巨大的優(yōu)勢(shì)，且不會(huì)干擾人們的正常生活。

四、相變保溫材料在建筑工程節(jié)能技術(shù)中的應(yīng)用

1、相變保溫材料在建筑工程中的應(yīng)用特點(diǎn)

在建筑工程的施工建設(shè)中，采用相變保溫材料能夠大大提升工程的施工效率、促進(jìn)工作進(jìn)度和增加工程效益，這也給我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展和建設(shè)和諧社會(huì)提供了新的途徑，同時(shí)這也是可持續(xù)發(fā)展觀念和建設(shè)和諧社會(huì)主義目標(biāo)的主要途徑。變形保溫材料在建筑工程中的主要特點(diǎn)有如下幾點(diǎn)。

（1）新型保溫材料

一些性能良好的節(jié)能保溫材料對(duì)于建筑的保溫起到了很好的作用，這也讓現(xiàn)代建筑實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的節(jié)能目標(biāo)。且在國(guó)外，一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)在建筑節(jié)能保溫材料方面取得了突破性的成果。

（2）紅外熱反射技術(shù)

紅外熱反射技術(shù)是最近新興保溫技術(shù)，它的工作原理是通過(guò)在建筑物的內(nèi)部或者外表以及護(hù)結(jié)構(gòu)的空氣間層中通過(guò)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(dá)到隔絕建筑物內(nèi)部熱量的散失、提高居住環(huán)境的舒適程度的目的。

2、配制漿料

保溫漿料需要專業(yè)人員來(lái)配制，這樣才不會(huì)出現(xiàn)攪拌不勻而出現(xiàn)保溫效果失常的情況。

3、抹底層相變節(jié)能材料

保溫層應(yīng)當(dāng)分成三次涂抹，且每一次的厚度應(yīng)當(dāng)控制在10～12mm左右。每次涂抹的間隔時(shí)間也不能太短，這樣才能夠保證涂抹層的穩(wěn)定性。

五、相變材料與隔熱材料的具體應(yīng)用

節(jié)能環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，促使人們對(duì)房屋建筑質(zhì)量在節(jié)能環(huán)保方面的要求有所提高，建筑市場(chǎng)對(duì)保溫隔熱型環(huán)保材料的應(yīng)用也變得更加重視。隨著深入探索與實(shí)踐，隔熱保溫材料在墻體中的應(yīng)用理論和技術(shù)日益完善和成熟。外墻保溫材料的應(yīng)用主要分為三類：內(nèi)保溫、外保溫以及空夾心復(fù)合型墻體保溫。外墻保溫材料的應(yīng)用使得建筑節(jié)能環(huán)保效果有了大幅度的提高。由于保溫隔熱材料自身導(dǎo)熱系數(shù)低、構(gòu)成材質(zhì)強(qiáng)，熱穩(wěn)定性極佳，同時(shí)耐火、耐氣候性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此較之一般材料，具有非常顯著的優(yōu)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(xiàn)代建筑的實(shí)際需求。目前市場(chǎng)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(diào)光玻璃、熱反射玻璃、低輻射玻璃等，在實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能、降低污染的同時(shí)，還能充分滿足人們的個(gè)性化需求，因此在現(xiàn)代建筑中可以廣泛利用。

基于標(biāo)準(zhǔn)房間熱過(guò)程模擬的非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，并采用專用氣象數(shù)據(jù)對(duì)相變材料的兩種不同應(yīng)以北京的建筑為例，就外墻的保溫節(jié)能工程進(jìn)行闡述。

對(duì)于被動(dòng)式建筑，可充分利用白天太陽(yáng)能和夜間冷風(fēng)自然資源，將相變材料應(yīng)用于被動(dòng)式建筑中，在夏天材料可吸收室內(nèi)多余熱溫，進(jìn)而降低室內(nèi)溫度波動(dòng)幅度，可蓄存夜間冷風(fēng)量，使室內(nèi)始終保持較好的舒適度。通過(guò)對(duì)北京地區(qū)建筑有外保溫和無(wú)外保溫、內(nèi)墻為相變墻體和普通墻體的夏季室內(nèi)溫度變化情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)內(nèi)墻采用相變墻體且墻體熔點(diǎn)合適時(shí)，被動(dòng)式建筑房間的溫度在整個(gè)夏季都會(huì)滿足舒適度要求，而應(yīng)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?xí)霈F(xiàn)室外溫度較低但室內(nèi)溫度卻較高的情況。通過(guò)對(duì)冬季有外保溫和無(wú)外保溫、內(nèi)墻為相變墻體和普通墻體的室內(nèi)溫度逐時(shí)變化情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被動(dòng)式建筑采用的內(nèi)墻為相變墻體時(shí)對(duì)室內(nèi)溫度的影響較小，只有在室溫接近墻體熔點(diǎn)時(shí)才會(huì)發(fā)生相變，相變材料作用無(wú)法得到有效發(fā)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(duì)被動(dòng)式建筑室內(nèi)溫度的影響時(shí)，無(wú)法選擇較為合適熔點(diǎn)的相變墻體同時(shí)滿足北京地區(qū)建筑對(duì)冬夏兩季舒適度的要求，雖然外保溫在夏季無(wú)法發(fā)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(lái)提高被動(dòng)式建筑舒適度更為合理。

對(duì)于相變材料與隔熱材料在主動(dòng)式建筑中的應(yīng)用則可通過(guò)空調(diào)、采暖運(yùn)行過(guò)程中的耗電量來(lái)對(duì)兩者應(yīng)用效果進(jìn)行比較分析。主動(dòng)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(tǒng)，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(shí)也可大大節(jié)約采暖費(fèi)，而采用隔熱材料時(shí)不僅耗電量低，采暖費(fèi)的節(jié)約率也更高。在夏季，主動(dòng)式建筑北墻采用相變墻體時(shí)，其單位面積空調(diào)冷耗量最小，相較于普通房間要低約16%，而在墻體內(nèi)設(shè)置保溫層或是添加相變材料空調(diào)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(duì)北京地區(qū)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(diào)采暖耗量，選擇外保溫比較合適。

六、結(jié)束語(yǔ)

在建筑設(shè)計(jì)施工過(guò)程中我們要不斷的提高節(jié)能意識(shí)，在建筑施工中應(yīng)用新工藝和新技術(shù)來(lái)提高節(jié)能效果。

參考文獻(xiàn)：

第6篇

陰極過(guò)程試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)鍍液中加入SiC微粒和稀土后，復(fù)合材料的陰極沉積電流密度增加，有利于Ni-W-P合金在陰極沉積，并形成Ni-W-P-SiC或RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合材料。而在鍍液中加入PTFE后，卻降低復(fù)合材料鍍層的陰極沉積電流密度。當(dāng)稀土的添加量為7~9g/l時(shí)，復(fù)合材料鍍層的陰極沉積電流密度增加并不明顯；隨著稀土添加量的增加，復(fù)合材料鍍層的陰極沉積電流密度增加較明顯，當(dāng)添加量達(dá)到11~13g/l時(shí)，鍍層的陰極沉積電流密度增加達(dá)到最大值；若進(jìn)一步增加稀土用量，則陰極沉積電流密度有所下降。SiC微粒與Ni-W-P合金共沉積的機(jī)理是：SiC微粒本身帶負(fù)電荷，當(dāng)加入到鍍液中，它會(huì)吸附周圍的正電荷，在流體動(dòng)力學(xué)和電場(chǎng)力的作用下，遷移到陰極表面形成弱吸附；其次，到達(dá)陰極表面的SiC微粒在靜電場(chǎng)力的作用下脫去水化膜與陰極直接接觸而形成強(qiáng)吸附；第三，吸附到陰極表面的SiC微粒被Ni-W-P合金捕獲一起沉積到鍍層中。

RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層在不同濃度的硫酸、鹽酸、磷酸和氯化鐵等溶液中的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，以Ni-W-P合金為基體的復(fù)合材料鍍層在鍍態(tài)或熱處理?xiàng)l件下在硫酸,磷酸,鹽酸和氯化鐵溶液中具有較好的耐蝕性,其耐蝕性優(yōu)于316L不銹鋼;Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層在鹽酸、硫酸和氯化鐵溶液中的耐蝕性優(yōu)于Ni-W-P合金鍍層和RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層，而RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層在磷酸溶液中的耐蝕性又優(yōu)于Ni-W->:請(qǐng)記住我站域名/

復(fù)合材料鍍層的硬度和耐磨性試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著加熱溫度的提高，復(fù)合材料鍍層的硬度增加，在400℃時(shí)達(dá)峰值，加熱溫度繼續(xù)升高，鍍層硬度呈下降趨勢(shì)；此外，陰陽(yáng)極相互垂直所得復(fù)合鍍層的硬度高于陰陽(yáng)極相互平行的硬度；鍍態(tài)時(shí)復(fù)合鍍層的磨損率均最高，隨著熱處理溫度的提高，磨損率呈下降趨勢(shì)，在400℃時(shí)磨損率最低，耐磨性最好。繼續(xù)升高溫度，磨損率有所上升。另外，隨著鍍層中磷含量的增加，其耐磨性改善。在400℃熱處理?xiàng)l件下，隨著熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，復(fù)合鍍層的硬度和耐磨性增加，當(dāng)熱處理時(shí)間達(dá)到3小時(shí)時(shí)，鍍層硬度和耐磨性達(dá)到最佳值；若繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間，鍍層的硬度和耐磨性將降低。隨著鍍液中SiC濃度的增加，RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合材料鍍層的硬度增加，同時(shí)鍍層的耐磨性能也增強(qiáng)。鍍液中鎢酸鈉濃度對(duì)RE-Ni-W-P-SiC多功能復(fù)合材料硬度及耐磨性的影響規(guī)律與鍍液中SiC濃度對(duì)RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合材料硬度及耐磨性的影響規(guī)律基本一致，即隨著鎢酸鈉濃度的升高，RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層的硬度和耐磨性均提高。隨著鍍液中次亞磷酸鈉濃度的升高，鍍層的硬度和耐磨性均降低。

RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合材料鍍層的組織與結(jié)構(gòu)分析表明，復(fù)合鍍層在鍍態(tài)下為非晶態(tài)，當(dāng)熱處理溫度升到200℃時(shí)，鍍層開始晶化并析出Ni3P相；當(dāng)溫度達(dá)到500℃時(shí)，鍍層晶化完畢，產(chǎn)生新相g-(FeNi)。因此，整個(gè)鍍層的顯微結(jié)構(gòu)隨溫度的變化過(guò)程是：非晶態(tài)混晶態(tài)晶態(tài)；稀土元素對(duì)復(fù)合鍍層的顯微組織無(wú)影響，但可以提高復(fù)合鍍層中SiC微的含量；鍍液中鎢酸鈉和檸檬酸的濃度對(duì)復(fù)合材料鍍層的結(jié)構(gòu)影響不大，復(fù)合材料中的磷含量是鍍層非晶化的主要決定因素；鍍液中鎢酸鈉和檸檬酸的濃度對(duì)復(fù)合材料鍍層的表面形貌影響較大，當(dāng)鎢酸鈉的濃度為90—150g/L和檸檬酸的濃度為150—170g/L時(shí)，復(fù)合材料鍍層表面顆粒細(xì)小，而且平整光滑。

復(fù)合材料鍍層的抗高溫氧化試驗(yàn)結(jié)果表明，在高溫氧化過(guò)程中,純鎳鍍層、Ni-W-P、Ni-W-P-SiC和RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層的氧化膜重量和氧化時(shí)間的關(guān)系,在氧化時(shí)間小于60min時(shí)，氧化膜的增長(zhǎng)規(guī)律近似于直線方程；而在氧化時(shí)間大于60min后,它的增長(zhǎng)規(guī)律可以用冪函數(shù)方程表示。四種鍍層氧化速率的大小順序是Ni>Ni-W-P>Ni-W-P-SiC>RE-Ni-W-P-SiC。在高溫氧化過(guò)程中,Ni-W-P、Ni-W-P-SiC和RE-Ni-W-P-三種鍍層的氧化膜重量隨著氧化溫度的升高而呈指數(shù)型增加。RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層與Ni-W-P合金層相比,它的高溫抗氧化性能可以提高2-3倍。鍍層的截面形貌表明,經(jīng)500℃下氧化，Ni-W-P合金已向基體擴(kuò)散,與基體之間沒(méi)有明顯的分界線；Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層與基體之間有分界線,但不明顯；而RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層在此溫度下有明顯的分界線。經(jīng)800℃下氧化后,除RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層與基體有明顯分界線外,其它兩種鍍層均無(wú)分界線。Ni-W-P、Ni-W-P-SiC和RE-Ni-W-P-SiC三種鍍層經(jīng)800℃下氧化后的X-射線衍射圖同樣顯示,RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層具有更好的抗高溫氧化能力。

對(duì)電沉積RE-Ni-W-P-SiC多功能復(fù)合材料進(jìn)行了日處理5平方米的中試試驗(yàn)，結(jié)果表明，用該工藝處理的多種零部件在磷化工、制糖和卷煙等工業(yè)中應(yīng)用，其壽命明顯高于國(guó)產(chǎn)零部件，接近或超過(guò)進(jìn)口件的水平，并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：電沉積，RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合材料鍍層，硬度與耐磨性，耐蝕性，抗高溫氧化性，組織與結(jié)構(gòu)，應(yīng)用。

Atract

ProceandbasictheoryofelectrodepositedRE-Ni-W-P-SiCmultifunctionalcompositecompositecoatinghavebeenstudied，includingsomecontentsasfollows：

E-pHpatterofNi-P-H2OandNi-C-H2Osystemsweredrownoutonthebasisofthermodynamicanalysis，andresultsshowthatNiandPcanco-depositonthecathodeintheformofNi3P；therearesomeNi3Cphasesinthecoating，andCcomesfromorganiccompoundwhichwasaddedinthebathandCO2intheairthatwasdiolvedinwater.

ExperimentalresultsofproceparametersindicatethataseriesofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingswithdifferentcontentswereobtainedbymeaofaropriateparameters，andcomponentscopesofthecoatingsareSiC5~30wt，Ni50~60wt，W10~25wt，P5~15wtandRE5~10wt.ThecontentsofW，PandSiCi nthecompositecoatingswereincreasedwhenchloride，oxideandsulfaterareearthwasaddedinthebathreectivelyortogether.Theadditionofsodiumhypophohatemustbearopriate，ifaddedmuch，WandSiCcontentsinthecoatingsweredecreased，Sotheadditionofsodiumhypophohatemustbecontrolled10~15g/l.Currentdeity，temperatureandpHvaluehavecoiderableeffectsonthecontentsofW，PandSiCinthecompositecoatings.Generally，currentdeity（Dk）mustbecontrolled5~10A/dm2，pH6.0~6.5andtemperature55~65oC.Besides，DkandpHhaveagreateffectonthesurfacemorphologiesofthecoatings，andthecompositecoatingsgetcoarsewhenDkandpHwerehigh，onthecontrary，thecompositesgainfinecrystalwhenDkandpHwerelow.TheagitatingintervaltimehaslittleeffectonNi，WandPcontents，whileithascoiderableeffectonSiCcontentinthedeposits.ExteionofagitationandintervaltimewilldecreaseSiCcontentinthecomposites，sointervalandagitatingtimemustbecontrolled3miand4~5mireectively.

CurvesofcathodicpolarizationdilaythatwhenSiCparticlesandrareearth（RE）wereaddedinthebath，cathodicdepositingcurrentdeityofthecompositesincreases，anditisprofitableforNi-W-Pcoatingtodepositinthecathode，formingNi-W-P-SiCandRE-Ni-W-P-SiCcomposites.Onthecontrary，theadditionofPTFEinthebathdecreasescathodicdepositingcurrentdeityofthecoatings.Thecurrentdeityincreasesalittlewhentheamountofrareearth（RE）is7~9g/l；however，thedeityincreasesgreatlywithincreasingamountofRE，anditreachespeakvaluewhentheamountofREis11~13g/l.ButiftheamountofREisraisedfurther，thecurrentdeitydecreases.MechanismofSiCparticlesandNi-W-Pcoatingco-depositionis:SiCparticlescarryaboutnegativeelectricchargeitself,andtheymayadsorbpositiveelectricchargearoundwhenSiCparticlesareaddedinthebath.Theymovetothesurfaceofcathodeandformweakadsorptionundertheeffectsoffluiddynamicsandelectricfieldforce;secondly,SiCparticlesonthecathodicsurfacedehydrateundertheeffectoftheelectrostaticfieldforceandformstrongadsorptiothirdly,SiCparticlesadsorbedonthecathodicsurfacearecapturedbyNi-W-Pcoatinganddepositedinthecomposite.

CorrosionexperimentsofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatinginH2SO4，HCl，H3PO4andFeCl3solutioshowthatthecompositecoatingsonthebaseofNi-W-PcoatingshavebettercorrosionresistanceinH2SO4，HCl，H3PO4andFeCl3solutioatas-depositedorheattreatment，andtheircorrosionresistanceissuperiortothatof316Lstainlesteel；thecorrosionresistanceofNi-W-P-SiCcoatinginHCl，H2SO4andFeCl3solutioismuchbetterthanthatofNi-W-PandRE-Ni-W-P-SiCcoatings；however，thecorrosionresistanceoftheRE-Ni-W-P-SiCcompositeinH3PO4solutionissuperiortothatofNi-W-P-SiCandNi-W-Pcoatings.ThecorrosionmechanismofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatinginH2SO4andH3PO4solutioisgapandintergranularcorrosion，andinHClandFeCl3solutioispointandintergranularcorrosion.

Resultsofhardneandwearresistanceofthecompositecoatingsshowthatthehardneofthecoatingsincreaseswithincreasingheattreatmenttemperature，anditreachespeakvalueat400oC.Butitdecreaseswithincreasingheattreatmenttemperaturecontinually.Besides，thehardneofthecoatingbyverticalhangingbetweencathodeandanodeismuchhigherthanthatofonebyparallelhangingbetweencathodeandanode.Theabrasionrateofthecompositesishighestatas-deposited，whileitdecreaseswiththeriseoftemperature，itcutsdownlowestat400oC.Buttheabrasionrateincreaseswithcontinuingraisingheattreatmenttemperature.Thewearresistanceofthecoatingisraisedwithincreasingthephohoruscontentinthedeposit.Thehardneandwearresistanceofthecompositeincreasewithexteionofheattreatedtimeat400oC，andtheyreachtheirpeakvaluesat3hoursreectively.However，thehardneandwearresistanceofthecoatingdecreasewiththeriseoftheheattreatedtime.ThehardneandwearresistanceoftheRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingincreasewiththeriseofSiCandsodiumtungst ateconcentratiointhebathreectively，whilethehardneandwearresistanceoftheRE-Ni-W-P-SiCcoatingdecreasewithincreasingsodiumhypophohateconcentrationinthebath.

MicrostructureofelectrodepositedRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingwasstudied，andresultsshowthattheRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingisamorphousas-deposited.WhilethecoatingchangesintothecrystalandNi3Pphasesprecipitatewhenheattreatedtemperatureisraisedto200oC；Thecrystalproceofthecoatingisfinishedandnewγ-（FeNi）phaseisproducedwhentemperaturerisesto500oC.Therefore，themicrostructurechangingproceofthecoatingisamorphousmixturecrystal；therareearthhasnoeffectonthemicrostructureofthecoating，whileitcanincreasetheSiCcontentinthedeposits.Sodiumtungstateandcitricacidconcentratiointhebathhavenoeffectsonthemicrostructureofthecomposite，howevertheyhavecoiderableeffectsonthesurfacemorphologiesofthecoatings.Thecoatingswithfinecrystalandsmoothsurfacewillbeobtainedwhensodiumtungstateconcentrationis90~150g/landcitricacidconcentrationis150~170g/l.Thephohoruscontentinthecompositeisadecisivefactorthatenablesthecoatingtochangeintoamorphousstate.

TheresistancetooxidationathightemperatureofthemultifunctionalelectrodepositedRE-Ni-W-P-SiCcompositesisinvestigated.TheresultsshowthatduringhightemperatureoxidationtherelatiohipbetweentheoxidizedfilmweightofpureNi,Ni-W-P,Ni-W-P-SiCorRE-Ni-W-P-SiCcoatingandtheoxidationtimeisamixedcurve,i.e.itisaroximatelyalinearrelatiohipwhentheoxidationtimeislethan60miwhileitisapowerfunctionrelatiohipwhentheoxidationtimeisover60mi.TheoxidationrateorderofthefourcoatingsisNi>Ni-W-P>Ni-W-P-SiC>RE-Ni-W-P-SiC.TheoxidizedfilmweightofNi-W-P,Ni-W-P-SiCorRE-Ni-W-P-SiCcoatingincreasesexponentiallywithariseinoxidationtemperature.Thehightemperature-oxidationresistanceofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingis3~4timesthatofNi-W-Palloycoating.Thecrosectionmorphologiesshowthatafterheat-treatmentat500oCtheNi-W-Pcoatingdiffusesintothematrix,andthereisnoobviousboundarybetweenNi-W-Pcoatingandmatrix;thereisaboundarybetweentheNi-W-P-SiCandmatrix,butitisnotclear;thereisanobviousboundarybetweenRE-Ni-W-P-SiCcoatingandmatrix.Afterheattreatmentat800oCthereisnoboundarybetweenNi-W-PorNi-W-P-SiCcoatingandmatrixwhilethereisaboundarybetweenRE-Ni-W-P-SiCcoatingandmatrix.X-raydiffractionpatterofNi-W-P，Ni-W-P-SiCandRE-Ni-W-P-SiCcoatingsshowclearlythatRE-Ni-W-P-SiCcoatinghasbetterresistancetohightemperatureoxidation.

第7篇

《光電材料導(dǎo)論》是我校無(wú)機(jī)非金屬材料專業(yè)2013年開設(shè)的專業(yè)課程。開設(shè)這門課程的原因是：（1）國(guó)家在十二五規(guī)劃中提出了重點(diǎn)發(fā)展的七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，其中之一的的新材料產(chǎn)業(yè)包含了功能材料，而光電材料是功能材料的一種；（2）我校的無(wú)機(jī)非金屬材料教研室的很多老師從事光電材料相關(guān)的研究，具備開設(shè)這門課程的師資力量。所以在課程的教學(xué)內(nèi)容的選材方面，我們會(huì)著重從這兩個(gè)方面考慮。而教學(xué)方法會(huì)利用現(xiàn)在的多媒體技術(shù)，與傳統(tǒng)的板書相結(jié)合，讓學(xué)生更加形象生動(dòng)的加深對(duì)知識(shí)的理解[1]。

1 教學(xué)內(nèi)容的選材

在教學(xué)內(nèi)容的選材方面，我們綜合考慮了以下幾個(gè)因素：

首先，學(xué)生必須能夠有所學(xué)，開設(shè)一門課程才是有意義的。光電材料是功能材料的一種，為了便于學(xué)生循序漸進(jìn)地吸收理解光電材料的專業(yè)知識(shí)點(diǎn)，教學(xué)內(nèi)容分成三個(gè)方面：光功能材料、電功能材料、光電材料及器件。首先，講解光功能材料和電功能材料方面的知識(shí)點(diǎn)，在具有這些知識(shí)的基礎(chǔ)上，再講解光電材料及器件方面的知識(shí)，學(xué)生們就比較容易理解。

其次，我們結(jié)合現(xiàn)在的就業(yè)情況及研究熱點(diǎn)。我們?cè)O(shè)置的教學(xué)內(nèi)容，既考慮了學(xué)生們以后的就業(yè)，也考慮到想進(jìn)一步深造讀研究生的學(xué)生們的研究工作。光功能材料方面的教學(xué)內(nèi)容包含了激光材料、發(fā)光材料、紅外材料及光纖材料。電功能材料方面的教學(xué)內(nèi)容包含了導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料、介電材料、鐵電材料及超導(dǎo)材料，其實(shí)半導(dǎo)體材料也是一種導(dǎo)電材料，之所以把半導(dǎo)體材料單獨(dú)作為一個(gè)章節(jié)，是因?yàn)榘雽?dǎo)體材料是太陽(yáng)能電池和LED照明燈的核心材料，這也是為后面的光電材料及器件的講解做鋪墊。光電材料及器件方面的教學(xué)內(nèi)容包含了光電子發(fā)射材料、光電導(dǎo)材料、透明導(dǎo)電薄膜材料、光伏材料與太陽(yáng)能電池及光電顯示材料。

2 教學(xué)方法的探索

光電材料的內(nèi)容更新很快，現(xiàn)在的學(xué)生不僅應(yīng)該掌握傳統(tǒng)基礎(chǔ)的材料知識(shí)，更應(yīng)該掌握最新的知識(shí)點(diǎn)，更應(yīng)該了解光電材料的最新研究進(jìn)展，而使用多媒體教學(xué)能夠及時(shí)地更新課件的內(nèi)容，使得教學(xué)內(nèi)容能夠跟上最新的研究成果[2]，也能讓學(xué)生及時(shí)了解學(xué)習(xí)最新的材料知識(shí)。

多媒體教學(xué)還有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣[3]，因?yàn)樗谝曈X(jué)上能夠讓學(xué)生很直觀的學(xué)習(xí)知識(shí)，比如：太陽(yáng)能電池的工作原理，我們可以在Powerpoint（PPT）上給出太陽(yáng)能電池工作原理圖，然后再對(duì)照?qǐng)D給學(xué)生詳細(xì)講解其原理，學(xué)生將更深刻的理解其原理。再比如，在講解光纖的傳輸原理時(shí)，可以通過(guò)多媒體技術(shù)使用動(dòng)畫，讓學(xué)生很直觀地了解光纖的原理。

但是多媒體教學(xué)應(yīng)該和傳統(tǒng)的板書結(jié)合起來(lái)，因?yàn)橛行┲R(shí)僅僅通過(guò)多媒體展示，學(xué)生可能比較難理解，還需要老師再次將其中的重點(diǎn)和難點(diǎn)板書出來(lái)詳細(xì)講解，同時(shí)也可以加深同學(xué)的印象。

同時(shí)，我們?cè)谡麄€(gè)的教學(xué)過(guò)程中，采用的是啟發(fā)式及提問(wèn)式的教學(xué)方法。通過(guò)對(duì)學(xué)生進(jìn)行提問(wèn)，啟發(fā)學(xué)生自主思考，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。

3 課程考核方式的選擇

課程考核的成績(jī)包含兩個(gè)方面，一個(gè)是平時(shí)成績(jī)的考核，一個(gè)是期末成績(jī)的考核。

平時(shí)成績(jī)的考核，我們通過(guò)上課提問(wèn)、課后習(xí)題、出勤率等方面進(jìn)行考核。上課提問(wèn)可以考查學(xué)生對(duì)上節(jié)課內(nèi)容的掌握程度，還可以考查學(xué)生是否認(rèn)真聽講、是否認(rèn)真思考問(wèn)題。課后習(xí)題包括兩個(gè)方面，一個(gè)是對(duì)課上內(nèi)容的考查，幫助學(xué)生鞏固課上知識(shí)，另一個(gè)是對(duì)課外知識(shí)的拓展，督促學(xué)生課后查閱文獻(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。

期末成績(jī)的考核，我們采用撰寫科技論文的形式進(jìn)行考核。《光電材料導(dǎo)論》開設(shè)在大四上學(xué)期，總共24個(gè)課時(shí)。因?yàn)楣怆姴牧系膬?nèi)容更新比較快，而教學(xué)課時(shí)比較有限，通過(guò)撰寫科技論文的形式，既可以督促學(xué)生去更全面的了解光電材料最新的研究進(jìn)展，又可以鍛煉學(xué)生查閱文獻(xiàn)的能力，培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)文獻(xiàn)的能力，有利于大四學(xué)生在下學(xué)期更快進(jìn)入本科畢業(yè)論文的工作。

4 需要改進(jìn)的地方

作為本專業(yè)開設(shè)的新課，在教學(xué)的探索與實(shí)踐過(guò)程中，肯定存在一些不足，有很多地方需要我們?nèi)シ词『透倪M(jìn)。我們自己對(duì)此進(jìn)行了總結(jié)，具體包括以下三個(gè)方面：

（1）在多媒體教學(xué)過(guò)程中，我們不僅只是使用了PPT這個(gè)軟件，還應(yīng)該引入視頻，比如，在講解使用直拉法制備單晶硅時(shí)，就可以引入一段視頻，讓學(xué)生更直觀地了解使用直拉法是如何制備單晶硅的。

（2）在教學(xué)的過(guò)程中，我們還應(yīng)該出示實(shí)物，讓學(xué)生能夠直接接觸，加深印象。可以出示實(shí)物包括光纖、發(fā)光二極管LED，單晶硅片和多晶硅片（這時(shí)，還可以教學(xué)生從宏觀上如何分辨單晶硅片和非晶硅片）、ITO玻璃、閃鋅礦及纖鋅礦結(jié)構(gòu)模型等，不但增強(qiáng)生學(xué)習(xí)光電材料的興趣，而且讓他們對(duì)光電材料實(shí)體有直接的感性認(rèn)識(shí)[4]。

（3）在教學(xué)過(guò)程中，我們還應(yīng)該加入兩個(gè)學(xué)時(shí)的討論課，老師布置一個(gè)題目，讓學(xué)生課后準(zhǔn)備，幾個(gè)學(xué)生一組，進(jìn)行資料搜集與整理，然后讓一個(gè)學(xué)生做代表，在討論課上做PPT報(bào)告，其他組的學(xué)生進(jìn)行提問(wèn)，作報(bào)告的學(xué)生做解答。同時(shí)這個(gè)也要納入平時(shí)成績(jī)中，占總成績(jī)的20%。

第8篇

關(guān)鍵詞：課程項(xiàng)目；功能材料；工程教育模式

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-0568（2011）35－0090－02

一、引言

我國(guó)傳統(tǒng)的通識(shí)教育過(guò)于強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)科學(xué)理論，弱化專業(yè)內(nèi)容和工程實(shí)踐，企業(yè)普遍反映畢業(yè)生缺乏創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。而西方國(guó)家針對(duì)這一問(wèn)題開展了大量的研究實(shí)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(xiàng)目為載體，以從科研到運(yùn)行為生命周期，讓學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)踐，以課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。“做中學(xué)”是工程教育改革的戰(zhàn)略之一，中國(guó)教育部于2008年開始組織課題組進(jìn)行試點(diǎn)。

《功能材料》是一門既有一定的理論基礎(chǔ)知識(shí)，又與實(shí)際應(yīng)用密切相關(guān)的多學(xué)科交叉的課程。以教師講解為主的傳統(tǒng)教學(xué)方式無(wú)法充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與積極性，解決實(shí)際問(wèn)題的能力得不到體現(xiàn)。本文就是根據(jù)這一實(shí)際需要，適應(yīng)北京石油化工學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“我院”）素質(zhì)教育，滿足培養(yǎng)綜合性、創(chuàng)新性、應(yīng)用型人才的要求，就工程教育模式下《功能材料》課程在教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面的教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行探究。

二、工程教育模式應(yīng)用到《功能材料》課程的依據(jù)

將工程教育模式應(yīng)用到《功能材料》課程，符合高等院校工程教育培養(yǎng)的目標(biāo)要求。工程教育模式突破了傳統(tǒng)教學(xué)模式，通過(guò)選取項(xiàng)目創(chuàng)設(shè)情景，協(xié)作學(xué)生學(xué)習(xí)開展教學(xué)，通過(guò)完成項(xiàng)目達(dá)到意義建構(gòu)，通過(guò)解決問(wèn)題實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握，充分體現(xiàn)我院以研究型和應(yīng)用型人培養(yǎng)為目標(biāo)的教育特點(diǎn)。

功能材料作為能源、計(jì)算機(jī)、通訊、電子等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究的基礎(chǔ)，近年來(lái)已成為材料科學(xué)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一。種類繁多、功能各異的新型功能材料正在眾多不同領(lǐng)域?qū)萍嫉倪M(jìn)步、社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生了越來(lái)越大的影響。目前根據(jù)我院2009版新大綱要求，《功能材料》課程涉及面廣、頭緒多、內(nèi)容繁雜、系統(tǒng)性不強(qiáng)，而且課程的理論教學(xué)時(shí)數(shù)相對(duì)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(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果不理想。而且，事實(shí)也證明，按照傳統(tǒng)方式培養(yǎng)出來(lái)的畢業(yè)生在今后的工作中的應(yīng)用能力也比較差，不能達(dá)到用人單位對(duì)人才的要求標(biāo)準(zhǔn)。

三、工程教育模式應(yīng)用于《功能材料》教學(xué)的實(shí)踐

以真實(shí)項(xiàng)目為載體開展項(xiàng)目式教學(xué)，能使學(xué)生親身經(jīng)歷產(chǎn)品構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作的項(xiàng)目開發(fā)生命周期，在與課程緊密聯(lián)系的項(xiàng)目實(shí)踐中積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的應(yīng)用能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，增強(qiáng)學(xué)生的成就感，充分挖掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能。

1.構(gòu)思

根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容選取研究項(xiàng)目。課程研究項(xiàng)目是《功能材料》課程學(xué)習(xí)的一個(gè)重要組成部分。通過(guò)實(shí)施課程研究項(xiàng)目，學(xué)生可以深入掌握課程的理論知識(shí)體系，提高綜合應(yīng)用已有知識(shí)解決問(wèn)題的能力，更好地培養(yǎng)材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的專業(yè)技術(shù)能力和綜合素質(zhì)。

2.課程研究項(xiàng)目設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)，我院設(shè)計(jì)了《功能材料》課程研究項(xiàng)目指導(dǎo)書，主要內(nèi)容包括：①項(xiàng)目的題目；②項(xiàng)目組成員；③項(xiàng)目的研究背景及意義；④項(xiàng)目擬開展的主要研究?jī)?nèi)容；⑤擬采用的主要研究方法或研究工具等；⑥項(xiàng)目主要的日程安排或時(shí)間節(jié)點(diǎn)；⑦主要參考文獻(xiàn)。讓學(xué)生在完成研究項(xiàng)目指導(dǎo)計(jì)劃書的過(guò)程中掌握項(xiàng)目所包含的理論知識(shí)，真正實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”。

3.任務(wù)實(shí)現(xiàn)

教師經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的理論介紹和導(dǎo)入之后，帶領(lǐng)學(xué)生實(shí)施項(xiàng)目，鼓勵(lì)學(xué)生自己選取感興趣的項(xiàng)目。把學(xué)生分成小組（每組最多3個(gè)學(xué)生），每一小組選出一個(gè)組長(zhǎng)，全面負(fù)責(zé)該組的任務(wù)。所有環(huán)節(jié)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)都靠小組成員的共同努力。

研究項(xiàng)目選取的難易程度，研究?jī)?nèi)容的多少，都會(huì)影響到每組的最終成績(jī)。每個(gè)小組要在項(xiàng)目報(bào)告中標(biāo)明每個(gè)人在總體工作中的貢獻(xiàn)和工作比例，或者每個(gè)人負(fù)責(zé)的內(nèi)容。

4.成果展示

所有的項(xiàng)目都要按照規(guī)定的時(shí)間對(duì)教師和全體學(xué)生進(jìn)行演示匯報(bào)。演示匯報(bào)的主要目的是讓教師和其他學(xué)生了解各組的工作和研究成果。小組的學(xué)生都要在臺(tái)前匯報(bào)，匯報(bào)前由教師指定主匯報(bào)人。每個(gè)項(xiàng)目演示匯報(bào)時(shí)間不超過(guò)10分鐘，另外有5分鐘的提問(wèn)時(shí)間。每個(gè)組必須嚴(yán)格控制演示時(shí)間，超過(guò)時(shí)間1分鐘以上要扣分。

不同項(xiàng)目的設(shè)定有利于滿足不同層次學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)需求，便于開展個(gè)性化、差異化教學(xué)。通過(guò)個(gè)體和合作的形式進(jìn)行項(xiàng)目學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)，學(xué)生不僅能培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的能力，而且能培養(yǎng)合作、溝通和組織能力。項(xiàng)目完成后的及時(shí)反饋，又有利于學(xué)生間經(jīng)驗(yàn)的分享。該模式構(gòu)建出一個(gè)開放性、研究性的學(xué)習(xí)環(huán)境，充分體現(xiàn)了以學(xué)生為中心、以學(xué)生的全面發(fā)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(yīng)用到“功能材料”課程，有利于教師教學(xué)科研水平的提高。要將工程教育模式應(yīng)用到課程教學(xué)，教師必須結(jié)合院校教學(xué)實(shí)際，以及本校學(xué)生的知識(shí)層次、結(jié)構(gòu)能力，合理制定教學(xué)大綱，優(yōu)選教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)教材建設(shè)，不斷改進(jìn)教學(xué)方法、教學(xué)手段，理論結(jié)合實(shí)踐，設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目，體現(xiàn)以能力培養(yǎng)為主的原則。這個(gè)過(guò)程本身就是一個(gè)學(xué)習(xí)知識(shí)、提高理論層次和教學(xué)水平的過(guò)程，也是工程教育的具體體現(xiàn)。這個(gè)過(guò)程有利于進(jìn)行多種資源的有效整合，不僅要求教師具有良好的專業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)組織能力，而且利于發(fā)揮學(xué)生的主體地位和教師的主導(dǎo)地位，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，能極大地提高教師的業(yè)務(wù)能力和教學(xué)科研水平。

五、結(jié)語(yǔ)

《功能材料》課程結(jié)合工程教育理念的教學(xué)模式，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容本質(zhì)性理解，促使學(xué)生結(jié)合課程主動(dòng)考慮并構(gòu)思滿足要求的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的任務(wù)緊扣《功能材料》課程的核心內(nèi)容，并具有豐富的題材和多樣的結(jié)果。注重培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及系統(tǒng)調(diào)控能力。使學(xué)生養(yǎng)成主動(dòng)查找書籍資料的良好習(xí)慣，讓學(xué)生學(xué)會(huì)關(guān)注科技發(fā)展，極大地提高學(xué)生的系統(tǒng)調(diào)控能力。

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第9篇

關(guān)鍵詞：全英語(yǔ)教學(xué)；功能材料學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）03-0061-02

高等教育國(guó)際化成為當(dāng)代世界高等教育的重要理念。培養(yǎng)既有扎實(shí)專業(yè)知識(shí)，又有國(guó)際交流、合作、競(jìng)爭(zhēng)能力的國(guó)際化人才，已成為我國(guó)高等教育的最重要任務(wù)之一。《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010―2020年）》和《上海市中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010―2020年）》都將教育國(guó)際化列于突出地位。因此，上海市教委從2009年起開展了上海高校示范性全英語(yǔ)教學(xué)課程建設(shè)，鼓勵(lì)高校教師開展全英語(yǔ)教學(xué)，發(fā)揮課程示范輻射作用，提高國(guó)際化教學(xué)質(zhì)量[1]。上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)自2010年起開始了本科生課程的全英語(yǔ)教學(xué)探索，目前正在建設(shè)包括材料結(jié)構(gòu)與性能、材料分析與設(shè)計(jì)和專門材料與應(yīng)用三個(gè)全英語(yǔ)教學(xué)課程群[2，3]。《功能材料學(xué)》課程主要針對(duì)材料科學(xué)與工程專業(yè)三年級(jí)學(xué)生，是專門材料與應(yīng)用課程群的核心課程之一。《功能材料學(xué)》課程主要向?qū)W生講授各類功能材料的結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用的基本理論和相互關(guān)系等，并介紹當(dāng)今各類功能材料的最新研究成果，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解和掌握，并了解功能材料領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，為今后在相關(guān)領(lǐng)域?qū)W習(xí)和工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；同時(shí)，深化培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)英語(yǔ)運(yùn)用能力以及國(guó)際化視野，提升其綜合素質(zhì)。為更好地實(shí)現(xiàn)上述教學(xué)目標(biāo)，提高課程教學(xué)效果，本文結(jié)合《功能材料學(xué)》全英語(yǔ)教學(xué)課程近幾年的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段以及評(píng)價(jià)體系等方面進(jìn)行了初步探索。

一、教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化

功能材料是指具有優(yōu)異的物理、化學(xué)、生物、光電性質(zhì)并能在其之間相互轉(zhuǎn)化的材料。根據(jù)材料的功能分類，功能材料包括電子材料、磁性材料、光學(xué)材料、生物材料、各種功能轉(zhuǎn)換材料等，涵蓋電子學(xué)、光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域，是一門多學(xué)科交叉融合的學(xué)科。目前，高校的材料科學(xué)與工程專業(yè)基本都開設(shè)功能材料學(xué)及相關(guān)的專業(yè)課程。功能材料學(xué)涵蓋面廣、信息量大，但是一般課程的教學(xué)時(shí)數(shù)相對(duì)較少，所以多數(shù)高校都是選取幾類功能材料作為教學(xué)內(nèi)容。例如華中科技大學(xué)開設(shè)的《先進(jìn)功能材料》課程主要介紹光功能材料、電功能材料、磁功能材料和能源材料。本校的《功能材料學(xué)》課程實(shí)施全英語(yǔ)教學(xué)，雖然學(xué)生在前期已學(xué)習(xí)了全英語(yǔ)授課的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》、《現(xiàn)代材料分析方法》、《材料結(jié)構(gòu)與性能》等專業(yè)基礎(chǔ)課，能夠較好適應(yīng)全英語(yǔ)授課的節(jié)奏和方式，但是很多學(xué)生以英語(yǔ)思維方式理解和掌握專業(yè)知識(shí)仍然面臨困難和挑戰(zhàn)，所以在教學(xué)時(shí)數(shù)有限的情況下，教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化至關(guān)重要。

1.為實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)與國(guó)外接軌，同時(shí)結(jié)合功能材料領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r和本校材料學(xué)院以能源、環(huán)境、生物材料為主的研究特色，本課程教學(xué)中選用了Deborah D.L.Chung主編的原版英文教材《Functional Materials：Electrical，Dielectric，Electromagnetic，Optical and Magnetic Applications》作為主要參考教材，同時(shí)補(bǔ)充Buddy D. Ratner等人編寫的原版英文教材《Biomaterial Science：An Introduction to Materials in Medicine》作為生物功能材料的參考教材，并將發(fā)表的經(jīng)典論文與最新研究成果等作為補(bǔ)充教材。

2.由于本課程的學(xué)生已學(xué)習(xí)了大量的材料學(xué)基礎(chǔ)理論課程，所以教學(xué)內(nèi)容以功能材料的應(yīng)用為主，兼顧理論知識(shí)的鞏固。以材料設(shè)計(jì)中的“結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用”基本思路為主線，在介紹某種功能材料的結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，著重講授功能材料的性能與應(yīng)用之間的相互關(guān)系，突出實(shí)際應(yīng)用案例。這樣，課程教學(xué)內(nèi)容既保證學(xué)生可以鞏固功能材料學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，又引導(dǎo)學(xué)生將基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

3.為了教學(xué)內(nèi)容能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生把握功能材料領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，本課程以專題形式只在壓電材料、磁性材料、光電材料、電池能源材料、生物材料等范圍內(nèi)選擇幾種經(jīng)典的和最新發(fā)展的功能材料及其制備新技術(shù)作為講授內(nèi)容，同時(shí)引入新材料、新技術(shù)等方面的課堂討論內(nèi)容。例如在講授太陽(yáng)能電池材料及新技術(shù)時(shí)，除了介紹太陽(yáng)能電池的工作原理、目前研究的太陽(yáng)能電池材料外，結(jié)合本院開展太陽(yáng)能電池材料研究的老師的科研成果，課堂討論太陽(yáng)能電池材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。

二、多元化教學(xué)方法與手段的運(yùn)用

全英語(yǔ)教學(xué)是指用英語(yǔ)全程授課，讓學(xué)生在全英語(yǔ)環(huán)境中學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，這對(duì)學(xué)生提出了更高要求。復(fù)旦大學(xué)蔡基剛教授研究認(rèn)為，具有大學(xué)英語(yǔ)四級(jí)水平以上的學(xué)生，具備上全英語(yǔ)課程的能力，關(guān)鍵在于堅(jiān)持和信心[4]。目前，本專業(yè)學(xué)生在上海市及全國(guó)范圍內(nèi)均為一本招生，英語(yǔ)整體水平較高，而且學(xué)生在前期已經(jīng)學(xué)習(xí)了多門全英語(yǔ)授課的專業(yè)基礎(chǔ)課。但是，部分學(xué)生仍然對(duì)全英語(yǔ)課程產(chǎn)生畏難情緒。因此，在全英語(yǔ)教學(xué)中，如何提高學(xué)生對(duì)課程的興趣以幫助學(xué)生克服畏難情趣，是影響教學(xué)效果的重要因素。在近幾年的全英語(yǔ)教學(xué)實(shí)踐中，我們對(duì)多種教學(xué)方法和手段進(jìn)行了融合運(yùn)用。

1.多媒體教學(xué)，精心準(zhǔn)備課件及教學(xué)細(xì)節(jié)。在課前精心組織教學(xué)內(nèi)容，注重最新研究成果和經(jīng)典功能材料的實(shí)際應(yīng)用案例，力求課程內(nèi)容的前沿性、實(shí)用性和趣味性。多媒體課件盡量通過(guò)圖片、表格、動(dòng)畫以及視頻等資料，以直觀的方式體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，避免在幻燈片上出現(xiàn)大段文字，以此吸引學(xué)生的注意力，幫助其克服語(yǔ)言障礙。通過(guò)講授過(guò)程中放慢語(yǔ)速或者重點(diǎn)內(nèi)容重復(fù)多次的方式，爭(zhēng)取絕大多數(shù)同學(xué)在課堂上能夠聽懂、理解，并且設(shè)置提問(wèn)環(huán)節(jié)以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握。

2.將研究和探索的氛圍帶到課程教學(xué)中。本課程的教學(xué)內(nèi)容結(jié)合了學(xué)院的研究特色，教學(xué)團(tuán)隊(duì)由多名從事不同功能材料研究的科研一線教師組成，分別在其擅長(zhǎng)的研究領(lǐng)域講授教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)將各自的科研成果引入教學(xué)，豐富教學(xué)內(nèi)容，使教學(xué)與科研有機(jī)結(jié)合起來(lái)。增加教師本人的科研成果展示、科研故事等內(nèi)容，使課程充滿研究和探索的氣氛，激發(fā)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容和功能材料研究的興趣。

3.開展當(dāng)前研究熱點(diǎn)和最新研究成果的課堂討論。通常學(xué)生對(duì)研究熱點(diǎn)和最新研究成果都比較感興趣。例如在講授目前非常熱門的石墨烯材料時(shí)，教師提前給學(xué)生布置討論題目：石墨烯材料具有非常優(yōu)異的電導(dǎo)、機(jī)械強(qiáng)度、韌性等性能，那么這類材料的應(yīng)用領(lǐng)域在哪里？在課堂上，教師在講授完石墨烯材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系后，在輕松的氛圍下開始課堂討論。這樣的教學(xué)方式不僅有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)參與的積極性，而且可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和分析判斷問(wèn)題的能力以及交流、討論、合作的熱情和能力。

4.注重學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課后知識(shí)鞏固。全英語(yǔ)教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生的課前預(yù)習(xí)對(duì)提高課堂教學(xué)效果非常重要。為了讓學(xué)生的課前預(yù)習(xí)有的放矢，教師在課程開始前將課件放在課程網(wǎng)站上，讓學(xué)生根據(jù)課程進(jìn)度表提前下載課件并配合英語(yǔ)參考教材預(yù)習(xí)，避免了英語(yǔ)參考教材信息量大、學(xué)生預(yù)習(xí)無(wú)從下手的情況。通過(guò)預(yù)習(xí)，學(xué)生可以熟悉課堂的教學(xué)內(nèi)容以及專業(yè)詞匯，盡量避免因?yàn)檎n程內(nèi)容和詞匯生疏帶來(lái)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解困難，有助于學(xué)生跟上教師授課節(jié)奏，提高課堂教學(xué)效果。而對(duì)學(xué)生課前預(yù)習(xí)要求的檢查和督促則通過(guò)教師課堂隨機(jī)測(cè)驗(yàn)、點(diǎn)名提問(wèn)等方式進(jìn)行，并且將結(jié)果計(jì)入平時(shí)成績(jī)。另外，為了進(jìn)一步鞏固課堂所學(xué)知識(shí)，每個(gè)專題授課結(jié)束后都會(huì)通過(guò)布置作業(yè)來(lái)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行回顧。對(duì)學(xué)生課后作業(yè)完成情況的檢查則通過(guò)作業(yè)批改、在課堂上問(wèn)答的互動(dòng)方式進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)解答定期上傳至課程網(wǎng)站，以便學(xué)生加深對(duì)課程內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。同時(shí)，本課程還設(shè)置課后輔導(dǎo)答疑環(huán)節(jié)，學(xué)生在每周的固定時(shí)間可到教師辦公室接受答疑輔導(dǎo)。

三、課程教學(xué)評(píng)價(jià)體系的建立

好的課程教學(xué)評(píng)價(jià)體系也可以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。傳統(tǒng)的以期末考試為主的評(píng)價(jià)方式，容易導(dǎo)致學(xué)生考試前突擊死記硬背知識(shí)點(diǎn)，而忽視平時(shí)對(duì)所學(xué)知識(shí)的運(yùn)用以及綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。本課程采用教學(xué)過(guò)程中的課堂參與度等作為過(guò)程性評(píng)價(jià)和學(xué)期末綜合考試作為總結(jié)性評(píng)價(jià)。過(guò)程性評(píng)價(jià)包括了全英語(yǔ)課后作業(yè)、課堂問(wèn)答互動(dòng)、小組課堂專題演講以及查閱英語(yǔ)文獻(xiàn)與資料能力等構(gòu)成，占總成績(jī)的50%～60%；而期末綜合考試則主要考查學(xué)生對(duì)重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)的理解以及解決實(shí)際問(wèn)題的能力，占40%～50%。采用這樣的評(píng)價(jià)方式，鼓勵(lì)學(xué)生參與課程教學(xué)，激勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。既讓學(xué)生重視對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和靈活運(yùn)用，而不是死記硬背基本知識(shí)點(diǎn)和基本概念，也加強(qiáng)了學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

全英語(yǔ)課程教學(xué)已成為高校培養(yǎng)國(guó)際化人才的重要舉措。《功能材料學(xué)》課程是材料科學(xué)與工程專業(yè)非常重要的專業(yè)課，要達(dá)到提高學(xué)生專業(yè)知識(shí)水平，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力以及國(guó)際化視野，提升綜合素質(zhì)的教學(xué)目標(biāo)，在全英語(yǔ)教學(xué)中，必須要在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段、教學(xué)評(píng)價(jià)體系等方面下功夫，激發(fā)學(xué)生對(duì)全英語(yǔ)教學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生克服畏難情緒，能夠在教學(xué)過(guò)程中成為教學(xué)主體。全英語(yǔ)教學(xué)還是一種新的教學(xué)模式，在引導(dǎo)學(xué)生成為教學(xué)主體的同時(shí)，教師也要不斷學(xué)習(xí)、提高教學(xué)理念和教學(xué)水平。只有教師和學(xué)生教學(xué)相長(zhǎng)，才能真正提高全英語(yǔ)教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：