学文网功能材料论文篇1
关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料,特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和经济实力,也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此,新材料的开发与研究是材料科学发展的先导,是21世纪高科技领域的基石。
近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因,一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。
1FGM概念的提出
当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2,其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差,传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料,如金属基陶瓷涂层材料,由于各相的热胀系数和热应力的差别较大,很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面,消除物理性能的突变,使热应力降至最小[3]。
随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分类
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如***2,因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:
1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;
2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;
3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;
4)用FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。
2.2FGM的分类
根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。
3FGM的应用
FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM研究的不断深入,人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化,可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM,并可望应用于许多领域。
功能
应用领域材料组合
缓和热应
力功能及
结合功能
航天飞机的超耐热材料
陶瓷引擎
耐磨耗损性机械部件
耐热性机械部件
耐蚀性机械部件
加工工具
运动用具:建材陶瓷金属
陶瓷金属
塑料金属
异种金属
异种陶瓷
金刚石金属
碳纤维金属塑料
核功能
原子炉构造材料
核融合炉内壁材料
放射性遮避材料轻元素高强度材料
耐热材料遮避材料
耐热材料遮避材料
生物相溶性
及医学功能
人工牙齿牙根
人工骨
人工关节
人工内脏器官:人工血管
补助感觉器官
生命科学磷灰石氧化铝
磷灰石金属
磷灰石塑料
异种塑料
硅芯片塑料
电磁功能
电磁功能陶瓷过滤器
超声波振动子
IC
磁盘
磁头
电磁铁
长寿命加热器
超导材料
电磁屏避材料
高密度封装基板压电陶瓷塑料
压电陶瓷塑料
硅化合物半导体
多层磁性薄膜
金属铁磁体
金属铁磁体
金属陶瓷
金属超导陶瓷
塑料导电性材料
陶瓷陶瓷
光学功能防反射膜
光纤;透镜;波选择器
多色发光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半导体
稀土类元素玻璃
能源转化功能
MHD发电
电极;池内壁
热电变换发电
燃料电池
地热发电
太阳电池陶瓷高熔点金属
金属陶瓷
金属硅化物
陶瓷固体电解质
金属陶瓷
电池硅、锗及其化合物
4FGM的研究
FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。
4.1FGM设计
FGM设计是一个逆向设计过程[7]。
首先确定材料的最终结构和应用条件,然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构,以及制备和评价方法,最后基于上述结构和材料组合选择,根据假定的组成成份分布函数,计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数,就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布,此时的组成分布函数即最佳设计参数。
FGM设计主要构成要素有三:
1)确定结构形状,热—力学边界条件和成分分布函数;
2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;
3)采用适当的数学—力学计算方法,包括有限元方法计算FGM的应力分布,采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。
FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合,借助于计算机辅助设计系统,得出最优的设计方案。
4.2FGM的制备
FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段,实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布,从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高温合成法(SHS);涂层法:如等离子喷涂法,激光熔覆法,电沉积法,气相沉积包含物理气相沉积(PVD)和化学相沉积(CVD);形变与马氏体相变[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形,然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性,可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高,适用于制造形状比较简单的FGM部件,但工艺比较复杂,制备的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点,但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis简称SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前苏联科学家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃烧反应时,发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应,此后化学反应在自身放热的支持下,自动持续地蔓延下去,利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意***如***6所示[16]：
SHS法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系,金属与陶瓷的发热量差异大,烧结程度不同,较难控制,因而影响材料的致密度,孔隙率较大,机械强度较低。目前利用SHS法己制备出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3喷涂法
喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺,适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常,将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷***内,并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上,其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等离子喷涂法(PS)
PS法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物,形成等离子体,其温度高达1500K,同时处于高度压缩状态,所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流,速度可高达1.5km/s。原料粉末送至等离子射流中,粉末颗粒被加热熔化,有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷射在基底上,快速冷却固结,形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例,调节等离子射流的温度及流速,即可调整成分与组织,获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成,沉积效率高,无需烧结,不受基体面积大小的限制,比较容易得到大面积的块材[10],但梯度涂层与基
体间的结合强度不高,并存在涂层组织不均匀,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出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
激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末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,便会产生用B合金化的A薄涂层,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比,在上述覆层熔覆的同时注入,在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程,就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度,以及熔区的深度来获得,熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能,但由于激光温度过高,涂层表面有时会出现裂纹或孔洞,并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
4.2.3.3热喷射沉积[10]
与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化,并喷涂到基底上凝固,因此,建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中,这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固态,混入金属液滴而被涂覆在基底,形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中,通过连续地改变增强颗粒的馈送速率,热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。
4.2.3.4电沉积法
电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理,将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中,通过注入另一相的悬浮液使之混合,并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度,在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃,涂层的主要材料为TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层,以改变固体材料的表面特性,提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能,该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低,精度易控制,生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5气相沉积法
气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度,在厚度方向上实现组分的梯度化,适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制备出大厚度的梯度膜,与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两类。
化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合,在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度,精确地控制材料的组成、结构和形态,并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化,可得到按设计要求的FGM。另外,该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM,因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。
物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质,使其蒸发为气相,然后沉积于基材上,形成约100μm厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD法的特点是沉积温度低,对基体热影响小,但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形变与马氏体相变[8]
通过伴随的应变变化,马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此,在合适的温度范围内,可以通过施加应变(或等价应力)梯度,在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18-8不锈钢(Fe-18%,Cr-8%Ni)试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围,但能提供一个简单的方法,可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料,这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。
4.3FGM的特性评价
功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计,为成分设计数据库提供实验数据,目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前,对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前,日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。
5FGM的研究发展方向
5.1存在的问题
作为一种新型功能材料,梯度功能材料范围广泛,性能特殊,用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决,主要表现在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；
2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；
3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；
4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多的实用价值;
6)成本高。
5.2FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-
20]
1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；
2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；
3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；
4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。
5.3对FGM的性能评价进行研究[2、13]
有必要从以下5个方面进行研究：
1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随时间变化关系问题；
2）热绝缘性能；
3）热疲劳、热冲击和抗震性；
4）抗极端环境变化能力；
5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等
6结束语
FGM的出现标志着现代材料的设计思想进入了高性能新型材料的开发阶段[8]。FGM的研究和开发应用已成为当前材料科学的前沿课题。目前正在向多学科交叉,多产业结合,国际化合作的方向发展。
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功能材料论文篇2
在微流控技术中，根据微流控装置制备***液的几何结构以及液相流体流动方向的不同，***液有不同的产生形式，据此可以将微流控装置主要分为：同向流动型（co-flow）、T形交叉流动型（T-junctioncross-flow）和流动聚焦型（flow-focusing）。如***1(a)所示为典型的同向流动型微流控装置几何结构。在该装置中，作为分散相的内相液体（innerfluid）和作为连续相的外相液体（outerfluid）分别在内、外通道中同向流动，并在注射管锥口处相遇，此时内相液体受到与其互不相溶的外相液体的剪切力作用而在收集管中断裂成为尺寸均一的单***液滴。典型的T形交叉流动型微流控装置几何结构，该装置中内相液体和外相液体主要呈相互垂直流动，并在T形流道的交叉口处相遇，此时内相液体受到外相液体的剪切和挤压作用而分散断裂成液滴。流动聚焦型微流控装置几何结构的典型结构，该装置中中间通道内流动的内相液体受到两侧通道中流动的外相液体的作用，并一同流向下游处紧临的缩口小孔；此时，在外相液体产生的压力和黏性应力的作用下，内相液体变为一股细小的喷射流，并在小孔下游处断裂成液滴。在上述装置中，同向流动型微流控装置几何结构主要由玻璃毛细管组装构建而成，而T形交叉流动型和流动聚焦型微流控装置几何结构则可由微加工技术[如软光刻技术(softlithography)]在聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、玻片等材料上构建。
上述微流控技术均能产生具有良好单分散性（一般CV值小于5%）、且尺寸可精确调控的***液液滴。在产生***液的过程中，液相流动的稳定性是决定***液液滴单分散性的主要因素，而微通道的尺寸以及液相的流速则是调控***液液滴尺寸的关键因素。除了可以控制所产生液滴的尺寸和单分散性外，微流控技术另一大优点是其良好的可升级特性，即可以通过将上述3种类型的微流控装置几何结构相互结合而实现对结构复杂的多重***液的可控制备。Chu等通过将两个同向流动型微流控装置几何结构串联组装，得到了两级同向流动型微流控装置，以用于产生具有液滴嵌套液滴结构的双重***液。当第一级微流控几何结构中内相液体被中间相液体剪切产生单***液滴后，携带有该单***液滴的中间相液体将进一步地在第二级微流控装置几何结构中被同向流动的另一股外相液体剪切，从而使得单***液滴被封装在所形成的中间相液体液滴中，形成了双重***液。由于微流控技术对各级液滴产生单元所产生液滴的优良控制性，使得该双重***液也具有良好的单分散性。基于微流控装置这种优良的可升级特性，Chu等进一步组装得到了三级玻璃毛细管微流控装置，并成功可控制得了具有更多层嵌套结构的单分散三重***液。在上述多重***液中，***液内部各层所含液滴的数目和尺寸均精确可控，展现出了微流控技术在可控制备多重***液方面的巨大优势。Wang等进一步通过设计液滴产生组件、液滴汇集组件、液体提取组件等微流控功能单元用于组装微流控装置，从而可控制得了结构更加多样化，且内部可以同时包含不同组分液滴的多组分多重***液，对上述层层嵌套式多重***液的结构做了进一步地扩展。这些多组分多重***液内部各层不同组分液滴的种类、尺寸、数目、比例均精确可控。其中，液滴的种类主要取决于用于产生不同液滴的液滴产生组件的数目；液滴的尺寸主要取决于通道的尺寸以及液相流速；而多重***液内部不同液滴之间的数目和比例则取决于不同液滴的产生频率，该频率主要也是通过匹配液相流速来进行调控。微流控技术所制备出的尺寸和结构高度可控的单分散***液液滴，为具有多样化结构的新型微颗粒功能材料的设计和制备提供了优良的模板。
2以单***液滴为模板制备单分散功能微颗粒
以微流控技术制得的单分散***液液滴作为合成模板，可以制备得到尺寸均一的单分散微颗粒功能材料，并且可以通过改变液滴尺寸在较宽微尺度范围内实现对微颗粒尺寸的精确调控。此外，该方法还具有很强的通用性。如以油包水型（W/O）***液或水包油型（O/W）***液作为模板的微流控合成方法可以分别用于不同种类的基于水溶性单体或油溶性单体的聚合物微颗粒的制备，并且可以方便地通过改变模板液滴中的组分来实现对微颗粒化学组成的调节和优化，从而实现对微颗粒功能的调控。此外，微流控技术在微通道中连续制备和操控***液液滴的独特工艺，还使得其可以与各种设备相结合，以提供多样化的合成条件用于球形甚至非球形微颗粒的连续可控生产。
2.1球形功能微颗粒的微流控制备
Weitz研究组利用微流控技术产生的单分散W/O***液作为模板，通过将溶解在水滴中的N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）单体聚合，制备得到了尺寸均一的温敏型聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）水凝胶微颗粒。该温敏型PNIPAM水凝胶微颗粒具有良好的单分散性，且具有优良的温敏体积相变特性。当温度在其体积相转变温度（VPTT）（约32℃）附近变化时，该PNIPAM水凝胶微颗粒能展现出高温收缩、低温溶胀的可逆体积相变行为。类似地，Kumacheva研究组利用单分散的O/W***液作为模板，通过紫外光照引发油滴中含有的油溶性单体聚合，制备得到了不同组分的单分散聚合物微颗粒。以上研究工作均显示出了微流控法在制备单分散微颗粒功能材料方面的优势
2.2非球形功能微颗粒的微流控制备
微颗粒材料的功能除了取决于其化学组成外，颗粒的形状也对其功能和应用前景具有很大的影响。然而，由于界面张力的作用总是使液滴尽可能地保持球形，因此传统的分批聚合方法通常难以得到尺寸均一的非球形颗粒。而微流控技术对于微通道中液滴的精确操控能力，则为可控制备单分散的非球形颗粒提供了一个优良的平台。Xu等通过设计微流控装置中通道的结构和尺寸，使得流入通道中的含有单体溶液的液滴在受限空间中变形为非球形形状，再将该变形的液滴经UV光照聚合进行原位固化后，从而制得了尺寸均一的棒状和扁平状非球形高分子聚合物微颗粒。在该方法中，由于微流控产生的单分散模板液滴的体积是一定的，因此该液滴在相同的微通道中变形后所形成的非球形液滴的形状和尺寸也是一定的，从而使得聚合后可以得到均一的非球形颗粒。此外，由于在聚合过程中单体溶液由液态转变为固态会发生一定程度的体积收缩，并且得到的固体颗粒表面仍具有一层连续相液体构成的浸润液层使之与微通道之间隔离，因此有效避免了固体微颗粒对微通道的堵塞。基于这种方法，研究者还制备得到了塞子状和圆盘状的聚合物微颗粒，以及不同形状的非球形磁性水凝胶微颗粒，展现出了微流控方法在可控制备单分散非球形微颗粒功能材料方面所具有的多样化特点。
2.3Janus形功能微颗粒的微流控制备
Janus形功能微颗粒是一种两面具有截然不同的物理或化学性质（如不同的表面浸润性、磁性、光电性质等）的颗粒，目前已在自组装研究以及***液稳定剂和光学器件开发等方面展现出了独特的优势。微流控技术对于层流条件下运行的液滴的精确操控，使得其为Janus形微颗粒的制备提供了一个便利且易于工艺放大的优良技术平台。微流控技术用于制备Janus形微颗粒，主要是利用了两种同向流动的液相流体被剪切成为一个***液液滴后，短时间内仍能在液滴内部相互保持层流而不至于混合这一特点。这样，利用该含有两种液相的Janus形液滴作为模板，经过快速原位聚合，便可得到两面具有不同性质的单分散Janus形微颗粒。此外，通过改变微通道形状尺寸使Janus形液滴在受限空间变形为非球形形状，还可以进一步制备得到具有非球形结构的Janus形微颗粒。
3以复***液滴为模板制备单分散功能微颗粒
具有内部腔室结构的微颗粒功能材料由于其为物质的封装提供了一个受保护的内部空间，因此在药物传送与控释、活性物质保护、生物大分子合成、化学催化以及生化分离等领域应用非常广泛。以微流控复***液滴，如油包水包油型（O/W/O）和水包油包水型（W/O/W）双重***液，可以通过将其内部液滴作为微颗粒内部腔室，而将外部液层经反应后作为微颗粒壳层，从而实现对新型腔室型微颗粒的可控设计和制备。在该方法中，借助微流控技术对***液尺寸、形状、单分散性和结构的精确控制，可以对腔室型微颗粒的壳层尺寸和厚度，以及内部腔室的尺寸和数目等进行精确调控。而O/W/O和W/O/W双重***液的中间水层和油层使得该方法可广泛适用于多种水溶性和油溶性材料，以及可以良好分散的有机、无机纳米颗粒材料等以用于构造多样化的微颗粒。此外，O/W/O和W/O/W双重***液的内部油滴和水滴结构还分别为油溶性和水溶性物质的封装提供了具有更好溶解性的内部环境。微流控复***液滴能够实现对内部液滴的高封装率（约100%），这也为活性物质或药物等在制备微颗粒过程中的同步、高效率的封装提供了可能性。
3.1中空功能微颗粒的微流控制备
Zhang等利用O/W/O双重***液作为模板，通过将具有温敏特性的NIPAM、具有葡萄糖识别特性的3-丙烯酰胺基苯硼酸，以及亲水性丙烯酸单体加入其中间水层中并由紫外光照引发聚合，再使用有机溶剂将内部油滴洗去后，制得了具有中空腔室结构的单分散葡萄糖响应型水凝胶微颗粒。该中空微颗粒的内部空腔可用于包载胰岛素，而其水凝胶壳层可在37℃条件下响应葡萄糖浓度变化以实现胰岛素的自律式控制释放。当葡萄糖浓度升高时，水凝胶壳层溶胀使得其交联网络结构的网孔变大，从而内部包载的胰岛素可以透过壳层快速扩散释放；而当葡萄糖浓度降低时，水凝胶壳层收缩使得交联网络结构的网孔变小，从而胰岛素扩散减慢、释放速率降低。这种葡萄糖响应型中空功能微颗粒为设计和开发新型自律式控释载体以用于糖尿病***提供了新的模型和理论指导。基于这种微流控制备方法，研究者通过灵活调节中间水层中的功能组分为其他水溶材料如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，还成功制得了能够响应pH变化或者铅离子浓度变化以实现壳层溶胀收缩的中空水凝胶微颗粒，以期用于不同需求情况下物质的控制释放。
3.2核-壳型功能微颗粒的微流控制备
Wang等通过将均匀分散有超顺磁性Fe3O4纳米颗粒的NIPAM单体溶液作为中间水相，大豆油作为内、外油相，由微流控装置制得O/W/O双重***液作为模板后，再由紫外光照引发其中间水层聚合，制得了具有热引发自爆突释功能的核-壳型（油核-水凝胶壳层）水凝胶微颗粒。该微颗粒的内部油核可用于封装油溶性的药物；而其PNIPAM水凝胶壳层的温敏体积相变特性以及壳层中镶嵌的超顺磁性纳米颗粒的磁响应特性，使得该微颗粒可先在外加磁场引导下定向运输到某一特定的位点，然后在升温作用下使壳层收缩从而挤压内部油核至壳层破裂，并最终将内部油核连同其中所溶解的物质一起快速突释出来，从而在短时间内达到较高的局部药物浓度。这种具有磁靶向运输和自爆式突释功能的核-壳型水凝胶微颗粒为新型药物传送系统的设计和研制提供了一种新的途径。基于这种微流控制备方法的通用性，研究者通过改变O/W/O双重***液模板的中间水层组分以调节微颗粒壳层的功能，还成功研制出了一系列能够响应外界环境刺激如钾离子、乙醇、没食子酸乙酯等浓度变化来实现自爆式突释功能的新型微颗粒。此外，Liu等通过使用均质***化剂制备的W/O***液作为内部油相来构造O/W/O双重***液，成功制备得到了内部油核中分散有水滴的自爆式水凝胶微颗粒，实现了自爆式微颗粒对水溶性药物或者纳米颗粒的封装运输。在升温条件下，微颗粒水凝胶壳层不断收缩挤压内部油滴，从而使得内部油滴连同封装有纳米颗粒的最内部水滴一并被快速释放到外部环境中，达到了很好的突释效果。除了上述自爆式核-壳型微颗粒外，研究者还利用O/W/O双重***液研制出另一类具有突释功能的核-壳型微颗粒。Liu等通过将壳聚糖加入中间水相、交联剂对苯二甲醛加入内部油相，由微流控装置制得O/W/O双重***液后，内相中对苯二甲醛扩散进入中间水层使壳聚糖交联形成壳层，从而制得了内含油核的核-壳型微颗粒。该微颗粒的交联壳聚糖壳层可以在较低的pH条件下降解，从而使得壳层溶解消失并将内部油核释放出来。
3.3孔-壳型功能微颗粒的微流控制备
具有封闭壳层的中空微颗粒和核-壳型微颗粒在物质封装方面展现出了高效的性能。然而，其内部所封装的物质分子通过微颗粒壳层（如上述微颗粒的水凝胶壳层）的传质往往是一个比较缓慢的过程。通过在微颗粒壳层上构造孔结构，可以促进物质分子穿过壳层的传质过程；并且，通过对孔结构进行调控，还可以进一步通过孔的尺寸和功能性控制物质的封装和控释过程，从而使微颗粒功能更加多样化。Wang等基于微流控W/O/W双重***液，通过调节中间油层组分以控制内相水滴与外部水相之间的黏结以控制双重***液的结构变化，并以此为模板制得到了壳层表面具有单个通孔结构的孔-壳型微颗粒。该方法中使用了光聚合树脂乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（ETPTA）和有机溶剂苯甲酸苄酯（BB）的混合溶液作为中间油相，并使用聚甘油蓖麻醇酯（PGPR）作为***化剂。由于ETPTA单体对PGPR的溶解度较差，因此降低了中间油相对PGPR的溶解能力，导致内相水滴与中间油层之间的W/O界面以及中间油层与外部水相之间的O/W界面趋向于黏结，从而使得双重***液由核壳型可控演化成橡子型结构。通过改变中间油相中ETPTA的比例，可以控制W/O/W双重***液的演化程度。以这些可控演化后的双重***液作为模板，便可以制得壳层表面具有单个通孔结构，且通孔尺寸和内部空腔的结构均精确可控的孔-壳型微颗粒。此外，基于微流控技术对双重***液内部液滴数目和尺寸的精确控制，还可以对微颗粒中孔-壳型结构的数目以及尺寸进行调控。这种具有可控孔-壳型结构的微颗粒可以用于基于尺寸匹配的“lock-key”式颗粒捕获；也可以用于从不同尺寸的混合颗粒中选择性地装载小颗粒，从而实现基于颗粒尺寸的选择性筛分
3.4多腔室型功能微颗粒的微流控制备
能够分隔封装不同组分的物质，并可以实现对所封装物质的按需释放的多腔室微颗粒，在作为传送载体用于不相容活性物质的协同运输，以及作为微反应容器用于不同反应物的微反应等方面具有重要的意义。多腔室微颗粒的传统制备方法通常是采用内含多个液滴的双重***液作为模板进行合成，或者是逐步将一个腔室型微颗粒封装到另一个腔室型微颗粒中；但是这些方法往往工艺复杂，并且难以***、精确地控制内部各个腔室的结构。而微流控多组分多重***液则为多腔室功能微颗粒的设计和制备提供了独特的模板，其内部不同组分的液滴可作为***的腔室用于不同组分物质甚至不相容物质的隔离封装。并且，通过精确控制其内部不同组分液滴的尺寸、数目和比例，可以实现对内部各个腔室的***调控、以及对不同组分封装剂量的优化。Wang等利用内含两种不同组分油滴的O/W/O四组分双重***液作为合成模板，通过紫外光照聚合中间水层中含有的NIPAM单体，从而一步可控制得了内含不同组分油滴且其数目和比例均精确可控的多腔室型微颗粒。当温度升至微颗粒PNIPAM壳层的VPTT以上时，微颗粒会因为壳层剧烈收缩而将内部不同组分的油滴连同所封装的物质一同释放出来。这种共封装和释放模式使得该微颗粒有望用于协同运输和释放不同组分药物或反应物以用于协同***或触发式按需反应。微流控多组分多重***液能够封装不同组分液滴的特点，也为将具有不同功能的材料整合到同一个微颗粒中以获得多功能特性提供了可能。Liu等利用O/W/O四组分双重***液作为模板成功制得了同时具有磁靶向响应特性和铅离子响应特性的多功能水凝胶微颗粒。该***液模板的外部水滴中溶解有NIPAM和苯并-18-冠-6-丙烯酰胺单体，水滴内部封装有一个含有磁性纳米颗粒和聚苯乙烯高分子（PS）的乙酸异戊酯液滴以及一个大豆油滴。首先，磁性纳米颗粒和聚苯乙烯经乙酸异戊酯挥发后沉积下来形成固体PS磁核；然后，水滴中的单体经紫外光照聚合后形成包含有PS磁核和大豆油滴的水凝胶，再经过有机溶剂洗去大豆油核后，得到了具有PS磁核和空腔的水凝胶微颗粒。该微颗粒可以在外加磁场引导下进行定向运动，并且其水凝胶壳层可以响应外界环境中铅离子的浓度变化而发生溶胀或者收缩，从而有望用作受铅离子污染的微环境中的微型传感器或执行器。
4总结与展望
功能材料论文篇3
关键词：无机功能材料；教学；改革
中***分类号：G642.0；G642.3；TB34 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）05-0072-02 华南农业大学材料化学专业的培养目标是立足广东，面向珠江三角洲，培养掌握现代化学与材料学基础的基本理论和研究方法，具备新材料研究和技术开发能力，能在化学、材料科学与工程及其相关领域，从事新材料的设计、检测、研究、开发和管理等工作的高素质复合型人才。无机功能材料是具有特殊电、磁、光、声、热、化学以及生物功能的新型材料，既是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，又在农业、化工和建材等传统产业的改造方面起着重要作用。无机功能材料是华南农业大学材料化学专业的一门重要的专业课程。本文结合教学实际，从教学内容的更新、教学方法的探索和考核方式的改革等方面进行了有益的探索和实践，取得了较好的效果。
一、加强教学内容改革与优化，建立教学新体系
无机功能材料课程内容包括无机材料概论、晶态与非晶态结构、超导材料、压电材料、介电材料、半导体材料、红外材料、光导材料、变色材料、磁性材料、特种玻璃、生物功能材料、多孔材料等内容。在十多年教学中，通过精选教学内容，加强教学内容改革与优化，以“制备—结构—特性—应用”为主线，注重教学内容与学科发展前沿、现代生活和生产实际相结合，体现了授课内容的先进性、趣味性和实用性，提高了学生学习兴趣。
1.教学内容与学科发展前沿结合，体现先进性。紧跟学科发展前沿、瞄准研究热点是更新课堂教学内容的有效途径。在授课过程中，注重从国际和国内学术期刊中获得无机功能材料研究的相关信息，把研究热点与最具代表性的研究成果制成课件，展示给学生，使学生及时了解到最新的前沿知识，接触学术前沿领域，激发学生的求知欲望[1，2]。例如，在讲授压电陶瓷材料时，首先讲授传统的压电陶瓷，以PZT为基的二元系、三元系铅基压电陶瓷的制备、性能以及在国民经济和现代科学技术等方面应用；其次向学生介绍这类压电陶瓷中大量的铅在制备、使用和废弃处理过程中都会污染环境；最后介绍当前无铅压电陶瓷研究进展，包括BaTiO3基、BNT基和铌酸盐系等无铅压电陶瓷。讲授无机超导材料时，先介绍物质磁性的分类、磁性材料种类、特性和应用，再介绍当前磁性材料科学的研究热点——磁性半导体、分子基磁体以及同时具有铁电和铁磁双重性质的磁电复合材料。在讲授无机多孔材料时，介绍2012年发表在《Nature Materials》上的吸附二氧化碳的新材料NOTT-202a的结构、特性和应用前景[3]。通过学科研究前沿知识的讲授，体现了教学内容的先进性。
2.教学内容与现代生活实际结合，体现实用性。无机功能材料在日常生活中应用广泛。在课堂教学中，将教学内容与现代生活实际相结合，提高了学生的兴趣。例如热致变色材料是一种能对外界环境变化产生响应的新型智能材料，其中的无机低温热变色材料具有随温度变化颜色改变的特性，可将在商标、封签和票据上作特殊的标记进行化学防伪，用于冷冻食品、蔬菜和水果等各类食品适宜保存温度的指示，制作热变色家具、茶具和玩具，用于绘画、美术作品和广告中产生一些奇特的效果等[4]。变温磁性材料与家用电饭锅，压电材料与煤气灶和倒车报警器，变色玻璃与太阳镜，气敏陶瓷与煤气报警器，荧光材料与彩色电视机，红外材料与节水龙头，形状记忆合金与儿童矫牙，多孔材料与饮水机，无机纳米抗菌材料与保健鞋垫，超导材料与磁悬浮列车，吸波材料与隐身飞机，泡沫玻璃与新型节能建筑材料等知识的介绍，使学生感受到无机功能材料在生活中无处不在。这种理论联系生活实际的教学，增强理论课的实用性和趣味性。
二、加强教学方法和手段的更新，增强课堂教学效果
1.讲授与讨论相结合。在教师讲授的同时，开展课堂讨论式教学，既可以培养学生学习的主动性和分析问题的能力，又可以培养学生的创造性思维，从而有效地提高课堂教学质量[5，6]。本课程在教学过程中根据选课学生人数安排讨论课次数，采用方式为：首先教师提出若干个课题，如金刚砂的制备、结构和应用，无机超导体的种类、结构和应用，宝石中的化学以及气敏陶瓷的种类、特性和应用等；其次学生自由组合成2～3人小组，查阅文献和制作PPT；最后每个小组推荐一名成员上台讲授。从实施效果来看，这种课堂讨论教学改变了传统的以教师讲授为主和学生被动接受的教学模式，增强了学生学习的主动性，提高了学生查阅文献、PPT制作、语言表达和综合分析问题的能力，促进了教与学之间的互动，活跃了课堂教学气氛。
2.传统授课方式与现代教育手段相结合。将多媒体引入传统的课堂教学，是对传统的教学方式的继承、扬弃和补充，将抽象的知识直观化和形象化，激发了学生的学习兴趣，调动了学生学习的积极性[5]。例如在讲授超导材料时，先让学生观看磁悬浮现象的视频，通过提出问题“为什么磁性圆片在低温下会在金属圆片的上方悬浮起来？”引入讲授内容——超导材料，然后从超导现象，超导特性，超导材料的种类、结构及其在输电、电机、交通运输、微电子、电子计算机、生物工程、医疗和***事等领域应用进行讲授。在讲授发光材料时，先利用中山大学部级精品课程《综合化学实验》网络资源，让学生观看“化学发光材料制备”视频，了解化学发光材料制备过程、结构表征的方法和手段，观察发光现象。在讲授激光材料和压电陶瓷前，播放一段激光雕刻机制作葫芦工艺品和压电陶瓷的有关应用的视频。在讲授激光产生的机理时，采用动画展现“三能级系统”、“四能级系统”、粒子数反转和激光形成的过程。这种讲授与动画和视频的有机结合，收到良好的教学效果。
3.理论教学与实践教学相结合。近几年来，通过以下四个方面的实现理论教学与实践教学的有机结合：（1）设置无机功能材料课程的实验。实验教学是学生创新意识和创新能力培养的重要手段与途径[7]，利用华南农业大学省级化学实验教学示范中心的有利条件，开设了溶胶—凝胶法制备纳米BaTiO3陶瓷粉体，微波辐射法合成磷酸锌，稀土发光材料的制备与发光性能等实验项目，提高了学生的实验技能。（2）组织学生参观相关企业。与深圳宝嘉能源有限公司，中山东晨磁性电子制品有限公司，佛山安亿纳米材料有限公司、东莞长发光电科技有限公司和广州台实防水补强有限公司等10余家企业建立了长期的产学研合作关系，通过组织学生参观，了解镍锌软磁铁氧体材料及器件、锂离子电池等无机功能材料的生产工艺和过程，增加了感性认识，加深了对理论知识的理解。（3）鼓励学生参与教师研究课题。近几年来，学生参与教师主持的含氮共轭聚合物与无机半导体杂化光催化剂的设计、制备与催化机理研究，双功能光转换剂的制备及其在棚膜中的应用研究，一维二氧化钛纳米管装载恩诺沙星纳米囊研制及缓释特性研究，季鏻盐类复合抗菌材料的制备和性能等多项省、部级及以上科研项目。学生通过参与教师的科研，了解无机功能材料研究的发展动态，开阔知识视野，增强学习和研究的兴趣。（4）指导学生申报大学生科技创新项目。课外创新活动是培养大学生创新能力的有效途径[8]，近几年来，材料化学专业的学生获得了碳纳米管/聚N-异丙基丙烯酰胺智能复合材料的制备与性能研究，橄榄石纳米LiFePO4正极材料的模板法制备及性能研究，稀性二氧化钛纳米管的制备及其对农药降解的研究，水热法制备钬掺杂二氧化钛纳米管及其光催化性能研究，GeS簇/MOFs复合多孔纳米材料可见光催化还原CO2和H2O合成甲醇的研究，金属氧化物改性多孔碳球的制备、表征及其用于直接甲醇燃料电池的研究和竹炭为模板制备纳米钛酸锂负极材料及其性能研究等科技创新项目，增强了学生的创新意识，提高了分析问题和解决问题的能力。
三、加强考核方式的改革，体现考核客观性和公正性
为了体现客观性和和公平性，无机功能材料课程考核采取平时考核和期末考试结合办法。平时成绩占总评成绩的40%，主要考查平时作业、课堂教学参与、小论文撰写、PPT制作和课堂讨论讲授效果等。期末考试成绩总评成60%，题型包括单项选择、不定项选择题、填空题、专业名词英汉互译和简答题。其中前三项主要考核学生对无机功能材料基本知识的掌握情况，后二者考核学生运用知识的能力。
综上所述，通过10多年的探索和实践，无机功能材料的课堂教学取得了良好的效果。从学生评教结果看，2008～2012年得分均92分以上，位居学院专业课前列。学生主持与课程相关的大学生科技创新项目24项，公开发表相关学术论文50余篇，其中SCI和EI收录32篇。在今后的工作中，将不断深化课堂教学改革，加强实践环节教学，使无机功能材料课程的教学在培养适应珠江三角洲经济发展的材料化学方面高素质复合型人才发挥更大作用。
参考文献：
[1]赵北君，朱世富，何知宇，等.“现代材料制备科学与技术”课程教学培养创新意识的尝试[J].高等理科教育，2008，（6）：77-79.
[2]王艳荣.《无机材料科学基础》教学实践与改革探讨[J].高教论坛，2007，（2）：128-129.
[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.
[4]王海滨，刘树信，霍冀川.无机热致变色材料的研究及应用进展[J].中国陶瓷，2006，42（4）：11-13.
[5]程顺有.实施启发式教学培养学生创新能力——以专业基础课程的“课堂讨论”为例[J].高等理科教育，2004，（3）：87-90.
[6]王果.问题讨论式课堂教学法的探索与实践[J].高等农业教育，2008，（2）：60-62.
[7]陈德碧，杨帆.应用型人才培养的实验教学改革实践[J].实验科学与技术，2010，8（4）：42-43，133.
[8]黄朝晖，刘艳改，房明浩，等.基于大学生科技创新能力提高的材料专业教学优化实践[J].中国地质教育，2009，（1）：124-126.
功能材料论文篇4
关键词 功能材料；教学改革；教学质量
中***分类号：G642 文献标识码：B 文章编号：1671-489X（2012）33-0088-03
材料科学是一门领域十分宽广的学科，它所涉及的材料主要包括结构材料和功能材料两大类。功能材料是指具有特殊物理性能（如磁学、电学、热学和光学性能等）的一类材料，它包括的面宽，用途多样化，主要在各类电器和仪表中作为能量转换和信息的感知、传输和记录等元件之用[1-3]。随着高新技术发展的需要，强烈刺激现代材料向功能化材料方向发展，使得新型功能材料异***突起，赋予高新技术以新的内涵，促进高新技术发展和应用的实现。
新型功能材料课程是材料化学和应用专业学科基础课的重要组成部分，是一门材料科学与现代化学相结合的新兴课程，是综合了化学、物理学、生物学、医学等内容的一门学科。目前，高新技术的发展对新材料的研发提出更高的要求，也对高校新型功能材料课程的设置和教学提出更高的要求[4]。
笔者从教学内容、教学方法与手段以及课堂教学与自主学习的分配等方面进行初步探讨，并总结本课程课堂教学中应该注意的一些问题。
1 教学内容
新型功能材料是指近年来发展起来和正在发展中的具有优越性能和特殊功能，对高新技术的发展及新产业的形成具有决定意义的新材料。新型功能材料课程涉及领域非常广泛，如光电子信息材料、功能陶瓷材料、能源材料、生物医用材料、超导材料、功能高分子材料、先进复合材料、智能材料及生态环境材料等，此类材料都是各国科研工作者研究和开发的热点。由于功能材料自身结构的复杂性以及多样性，很多内容涉及一些正在发展的边缘学科。
目前，此门课程的相关内容还不够完善、系统。由于教学课时有限，新型功能材料课程主要针对近年来涌现的功能性分子材料进行讲授，使学生了解和掌握新型功能材料的组成、制备方法、结构和功能性间的关系，探讨新材料中存在的问题。同时，通过对超分子化学的介绍，使学生掌握超分子化学的基本概念和基本知识，引导学生从化学逐渐向功能材料过渡，从理论上了解材料结构与性能间的关系，拓宽学生对超分子化学与新功能材料的认识，为从事功能材料的设计、合成及实际应用奠定良好的理论基础。
2 教学方法
该门课程教学内容多、概念多、理论深，考虑到学生的专业知识比较局限，因此采用常规的教学方法很难提高学生的学习兴趣，从而达不到预期的教学效果。要让学生能够主动地接受这门课，需要改进教学方式与方法。
2.1 多媒体教学与板书教学相结合
多媒体教学是指应用计算机并借助于预先制作的教学课件来开展的教学活动[5]。与板书教学相比，它具有课堂容量大、形象生动、易于突出教学重点和难点等优点。
新型功能材料课程中包括很多复杂的分子结构式，结构与性能关系推理中涉及大量非常抽象的微观过程。针对这门课程特点，多媒体教学不仅可以解决教学内容多的难题，还可以向学生直观地展示此类材料的设计思路，使枯燥的理论课程更加具体生动。但是，由于多媒体信息量大，如果处理不好，学生在课堂上只是忙于记笔记，缺乏对问题的思考与理解。多媒体课件要真正服务于本课程的教学，必须体现因材施教的原则，教师要制作适合自己教学的课件，且不能盲目地“照搬照抄”。
对于一些重要的公式和理论推导，如果简单地通过多媒体展现给学生，难以使学生在短时间内完全理解，达不到教学效果。这时采用多媒体与板书相结合的教学方式，有效提高师生间的互动，这样既能够保证学生对该课程的兴趣，又可以增强学生对知识的理解。在教学过程中，要从本课程的实际出发，从学生的实际情况及个性特征出发，寻找两种方法的切入点，注意两种不同教学手段间的切换。
2.2 联系日常生活引出教学内容
本课程的教学内容与人们的日常生活结合非常紧密。如果只进行抽象的讲解，对于本课程的初学者来说，很难真正接受，似乎很多功能材料与自己无关。在本课程的课堂教学中，教师应适时结合实际生活，强调新型功能材料在现代生活中的重要作用，从而不仅可以激发学生对本课程的学习兴趣，提高他们运用知识和解决问题的能力，而且能让学生了解到最新的研究成果。
如介绍超导材料时，可以先介绍超导材料的实际应用，如利用超导磁体磁场强、体积小、质量轻的特点，用于制造超导悬浮列车和超导船；利用超导隧道效应，制造世界上最灵敏的电磁信号探测元件和用于高速运行的计算机元件，而用这种探测器制造的超导量子干涉磁强计可以测量地球磁场几十亿分之一的变化，能测量人的脑髓***和心磁***，还可以探测深水下的潜水艇，放在卫星上可用于矿产资源普查。通过对此类高新技术的介绍，激发学生的求知欲，从而引出材料的设计思路和原理。
此外，还可以举例说明生活中常见材料的不足之处，充分发挥学生的主观能动性和想象力，提出解决此类材料不足之处的方法以及设计新型功能材料的设想，为介绍新材料铺垫基础。这样，学生的学习兴趣会大大提高，教学效果也会明显得到改善。
2.3 结合最新科研进展，激发学生学习兴趣
功能材料是一门发展非常迅速的学科，不断会有新的研究成果被报道。在本课程的课堂教学中应根据学生的实际情况，将一些有重要应用价值的研究成果补充到教学内容中，让学生了解新型功能材料的研究动态及进展，提高学生对该门课程的学习兴趣。
例如，在新型储氢材料研究进展方面，从传统的高压储氢、液化储氢和金属氢化物储氢开始介绍，指出这几种储氢方式的优缺点。引导学生提出解决问题的方法，引出最新的储氢方式——微孔配位聚合物储氢，借助此种新的研究成果，讨论配位聚合物的组成以及有关分子间相互作用力产生的原因。这样就使得学生能够在分子水平上理解化学，从宏观到微观不断深入，将有利于学生从更深层次上掌握所学知识，取得更好的教学效果。
此外，教师还可以利用学校的网络数据库资源作为课堂教学的辅助手段，提供最新科研成果的链接，方便学生自行浏览。对于一些理论较浅的科研成果，鼓励学生在课堂上以口头报告的形式相互讲述。这样既能够加深学生对该类材料的全面理解，又可以让学生积极参与到教学中来，增强他们对新问题的求知欲望。
2.4 优化课程考核体系，提高学生能动性
目前，南京晓庄学院专业基础课程最终成绩考核分为两个部分，一部分是平时成绩，另一部分是考试成绩。平时成绩一般由出勤率和平时作业构成。在这种课程考核体系下，学生的学习往往处于被动状态，考得高就代表学得好，无法真正提高学生学习主动性，表现出“考完学完”。因此，优化课程考核体系，培养学生的创新思维和自主学习能力，提高学生学习能动性尤为重要。
本课程的考核方式主要有以下几种。
1）采用闭卷考试的方式不变。闭卷考试主要考核学生对各种新型功能材料的基本概念、基础知识和基本原理的掌握情况，通过闭卷考试可以评价并促进学生对本课程理论知识的学习。
2）根据课程教学的内容，筛选多个相关研究专题，让学生分成若干小组，选择不同的专题，通过共同查阅大量文献，写成4000字左右的综述。最后，从每个小组挑选一位代表以PowerPoint形式在课堂上报告该类材料的研究综述，每个小组之间可以互相提问。这既可以锻炼学生查阅文献的能力，扩大知识面，又可以使学生感到一定的成就感，给学生提供进行语言组织与表达的机会。并保证全面、科学、正确地反映学生学习情况，充分调动学生学习的自主性和积极性，保证教学质量的有效性和高效性。同时增加这部分成绩在最终成绩中的考核比例。
3）课程结束后，每个学生需要总结该课程的学习心得体会，对该课程进行简单的总结并提出自己的意见和建议。这样可以让学生对整个课程进行归纳、分析和总结，以免“学前忘后”。这部分考核内容也作为最终成绩的一部分。
3 课堂学习和课后学习的合理分配
课堂教学是学校教育的主要形式，是可以综合体现教育思想、教育内容和教育方法的阵地。它不仅有教学的任务，更有教育的功能，可以直接影响到学校的教学质量和人才的培养。课堂教学是以传授或灌输为主要特征的教学模式，但这种教学方法的弊端体现在学生被动地接受知识。自主学习包括探究学习和解决课题学习两个方面，前者偏重于自主思考，后者偏重于技术性活动。自主学习以探究学习为主，在培养学生科学研究能力方面具有更明显的效果。
在本课程的教学过程中，应以教师教授为重点，学生自学为主线。教师要引导学生自学，要提出问题让学生思考，鼓励学生自己探索问题、解决问题。可以开展大家共同参与的讨论式课堂教学活动，培养学生的协作能力和创新意识。通过课堂教学与自主学习的合理分配，最终能够使学生真正得到专业素养的训练。
4 结束语
教学内容、教学方法的改革是教育改革的重要组成部分。在新型功能材料课程的教学过程中，需要教师自身知识的不断更新，提高自身知识水平，准确把握该领域的研究前沿内容，及时补充新知识。理论教学与实践的紧密结合有助于学生创新思维的培养。优化课程考核体系能够有效地调动学生学习自主性和积极性。合理地分配课堂教学与自主学习是增强教学效果的有效方法之一。而要更进一步提高本课程的教学质量，还需要更多地学习交流，取长补短。
参考文献
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[2]田莳.功能材料[M].北京：航空航天大学出版社，1995.
[3]赵文元，王亦***.功能高分子材料化学[M].北京：化学工业出版社，1996.
功能材料论文篇5
关键词：价值工程理论；建筑材料采购；成本控制
1价值工程理论概述
1.1 理论起源
“价值工程”之一理念起源于第二次世界大战期间的19381945年，创始人麦尔斯（L.D.Miles）是美国通用电气公司（GE）采购部的一位工程师。麦尔斯在通用电气公司工作期间负责原材料的供应，由于二战期间，美国市场各种原材料供应十分紧张，促使他不断寻找代用材料以满足生产的需要。在不断探索过程中，“功能”这个概念逐渐变得清晰起来，提出了购买的不是产品本身而是产品功能的概念，实现了同功能的不同材料之间的代用，进而发展成在保证产品功能前提下降低成本的技术经济分析方法。
1947年，麦尔斯在《美国机械工程师》杂志上发表《价值分析》（Value Analysis），标志着“价值工程”这门学科正式诞生。
1.2 理论概述
价值工程是以产品或作业的功能分析为核心，以提高产品或作业的价值为目的，力求以最低寿命周期成本实现产品或作业使用所要求的必要功能的一项有组织的创造性活动。所谓价值工程，指的是通过集体智慧和有组织的活动对产品或服务进行功能分析，使目标以最低的总成本（寿命周期成本），可靠地实现产品或服务的必要功能，从而提高产品或服务的价值。这里的价值，指得是反映费用支出与获得之间的比例，用数学公式表达即：V=F/C（Ffunction：功能系数Ccost：成本系数Vvalue：功能价值系数）。
提高价值主要途径有五种，即：
①成本不变，功能提高（F/C=V）；
②功能不变，成本下降（F/C=V）；
③成本略有增加，功能大幅度提高（F大/C小=V）；
④功能略有下降，成本大幅度下降（F小/C大=V）；
⑤成本降低，功能提高（F/C=V大）。
通常来讲价值工程的工作原则为：
（l）分析问题要避免一般化，概念化，要作具体分。
（2）收集一切可用的成本资料。
（3）使用最好、最可靠的情报。
（4）打破现有框框，进行创新和提高。
（5）发挥真正的独创性。
（6）找出障碍，克服障碍。
（7）充分利用有关专家，扩大专业知识面。
（8）对于重要的公差，要换算成加工费用来认真考虑。
（9）尽量采用专业化工厂的现成产品。
（10）利用和购买专业化工厂的生产技术。
（11）采用专门生产工艺。
（12）尽量采用标准。
（13）以“我是否这样花自己的钱”作为判断标准。
2 传统建筑材料采购过程中存在的问题
每一家企业，不论它是开发商、承包商还是分包商，都必须从外部供应商手中购买原材料、获得服务、取得物料供应以支持自己公司的运作。传统的观点认为，其目标仅仅购买更便宜的物料以及以更低的成本供应物料，其主要功能是降低成本。采购管理工作的重心是与供应商之间的商业交易活动，虽然质量、交货期也是采购过程中的考虑因素，但对这两者都是通过事后把关的方式来进行控制，如到货验收等，交易过程的重点放在价格的谈判上。
建筑材料在这种传统的采购模式存在着以下几个方面的问题：
（1）在二十世纪九十年代前，只有少数的材料供应商可以提供建筑材料。这种单一来源采购局限性强，对采购价格的控制也是心有余而力不足。
（2）难以对供应商产品质量、交货期进行事前控制，增加了采购方后续施工过程的不确定性。从而导致施工方为了避免这种不确定性带来的施工中断而增加安全库存量，引起生产成本上升。
（3）单纯以比价方式来指导采购决策，确定中标供应商，缺乏科学的分析和评价，造成采购渠道比较单一、采购方式落后，从而影响采购的效益和效率。
3 价值工程在建筑材料采购应用实例分析
3.1材料选用
某高档住宅外墙装饰工程，有两种材料可供选用，一是外墙涂料，二是外墙砖。
3.1.1功能分析
外墙装饰对于建筑结构而言，他没有使用功能，只有美学功能。而美学功能是通过造型、色彩、***案来实现的。外墙涂料的主要功能是装饰和保护建筑物外墙面，使建筑物外貌美观整洁，从而达到美化城市环境的目的。同时外墙涂料也能够起到保护建筑外墙的作用，延长其使用寿命。外墙装有各种造型***案，能很好的实现美学功能，并且起到了保护外墙的作用。
3.1.2成本分析
价值工程的成本包括生产成本和维修使用成本，对于外墙砖而言，它的产品成本比外墙涂料要高，而两者的使用维修成本却刚好相反，对于外墙贴砖难修难补，有不安全隐患等问题，那都是10年后的事情了，许多开发商和购房人在建房和买房时都考虑不到。至于外墙砖容易脱落的原因，主要是出于节能的考虑，在施工时都是外墙外保温，外保温材料主要是泡沫，贴面砖时在泡沫上用水泥混一种黏合剂再贴上面砖，时间长了水泥与黏合剂失效，泡沫挂不住面砖就造成了面砖脱落，一般外墙面砖10年后开始零零散散地脱落很正常。
随着科技的发展，一些公司已经研发出最新科研成果――利用纳米材料的表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应及微分散技术。生产的“工大纳维”系列纳米涂料具有科技含量高、绿色环保、性能优异的特点。如：荷叶般的疏水效果、较强的抗沾污和自洁功能；抗菌防霉、净化环境、清新空气的绿色品质；高耐候、抗老化、耐刷洗、具有超强的保光保色性；耐刷洗次数达到10000次以上；使用寿命达十年以上。新技术的出现也影响材料的寿命周期成本。
从材料的功能和其寿命周期成本比值来衡量材料的价值才根据实际意义。
3.2 外墙涂料招标
3.2.1材料的功能定义和分析
采用0-4评分法计算得出各项功能的权重。
计算结果为：技术及质量（F1=0.335）、企业信誉及实力（F2=0.195）、售后服务（F3=0.135）、专业认证及业绩（F4=0.120）、品牌价值F5=0.215）
3.2.2方案
经资格预审，邀请立邦、多乐士、嘉宝莉、华润、美涂士五个品牌的供应商参与投标，对其投标方案比选。
3.2.3计算各投标方案的功能系数Fj。
审阅各供应商的投标文件，进行评价，计算出各家供应商的功能系数。
按照价值指数最大来选择供应商，所以应选多乐士（1.089）。如果这次招标采用低价中标，评标委员会推荐嘉宝莉和美涂士两家，但是根据价值工程原理，不仅要在功能满足的前提下考虑价格，即购买成本，还要综合考虑使用和维修成本，计算出各个品牌的价值指数，从而更客观地选择产品。虽然多乐士的报价不是最低的，但是从综合方面考虑，却是最佳选择。
4结语
价值工程理论是一个完整的系统工程，从上文的分析我们可以看到它在建筑材料采购方面的应用是非常合理的。它不仅可以有效降低项目的材料成本提高施工企业经济社会效益，也可以最大程度地满足购买者的要求，提高购买者的满意率，还可以保证建筑材料在建筑全寿命周期内的有效功效，是一项可以有效推动我国建筑行业发展的积极措施。
参考文献
[1] 严超君.运用价值工程优选建筑材料的探讨[j].跨世纪：学术版.2008.
功能材料论文篇6
关键词：议论文 写作能力 广积粮 深挖洞 积累 挖掘材料
我之所以老调重谈，是因为议论文正在遭删划，被淡化。初中阶段需要训练的几种写作能力，议论文无疑是最难的。而现在中考又是淡化文体的，于是乎许多老师更***简便，走捷径，明确告诉学生：“如果文体不限，你就写记叙文的文章”。平时训练当然也不例外，对议论文走过场、重形式、模式化。
平心而论，分析议论文的能力是初中阶段最需要培养的能力，也是生活中必须具备的能力。如果说记叙文培养了学生的观察力，议论文则培养了学生的分析力；如果说记叙文培养了学生的描摹能力，议论文则培养了学生的推理能力；如果说记叙文激发学生的情感，议论文则让学生明白了是非。议论文的重要由此可见一斑。
那么，怎样才能在有限的时间内培养好学生的议论文写作能力呢？我借用的话“深挖洞，广积粮”来谈一谈自己的看法。一句话，就是要在“积”和“挖”上做文章。
一、广积粮。
俗语说：“巧妇难为无米之炊”。议论文最难之处往往是没“米”下锅，明知观点正确，想举一两个典型的有代表性的事例来证明，但囊中羞涩，要么“袋”里没货，要么货不对版，要么陈货太多。要解决这个问题，必须培养学生积累的习惯。积累的方法很多，可摘抄、可剪贴、可论纲目、可写感想，书店有专门的“议论文材料库”一类的书，可找一本来多读一读，记一记。积累的途径也很多，多进阅览室、多看课外书、同学之间可交流、课内的材料也可借鉴。只要做一个有心人，不怕存不了“米”。
当然，不同的“米”做出的“饭”也不一样，老师应适当引导，让学生能识“米”，把“米”分类存放，到“炊”的时候，才好按“饭”的要求选用相应的“米”。否则，我要的是糯米饭，你下的是籼米，那就牛头不对马嘴了。
我曾经采用过一种很有效的积累方式，我要求学生在语文课前抽三分钟时间在讲台上口叙一则议论文的材料，并略加评说，按位轮置，概莫能外，这样一举几得，既督促了学生积累，又交流了积累的内容，同时营造了气氛，锻炼了学生的口头表达能力。同学们积累的材料，真可谓无所不有，有的材料不仅对学生是一种教益，对老师也是一种启发。俗话说：“广积粮，少饥荒”，缸里有了米，还怕饿肚皮？
二、深挖洞。
仅仅“陈谷满仓”是远远不够的。还得把它辗成米，这就是涉及到材料的发挥问题。对材料的挖掘关键在引导、抓细节、抓关键，不只见皮毛不见骨，不牵强附会，最好是组织几次专题讲座或专题讨论，让学生举一反三，领悟材料的妙用。我曾经安排过这样的一堂讨论课：
初中教材有一则材料说：古希腊有个名叫德摩斯梯尼的演讲家，小时候就口吃，登台演讲时，声音含混，发音不准，常常被雄辩的对手压倒。可是他不灰心、不气馁，为了克服弱点，战胜雄辩的对手，他便每天口含石子面对大海朗诵，不管春夏秋冬，坚持五十年如一日，连跑步、爬山口中含之有词，终于成了全希腊有名气的演说家。
看了材料后，我给学生五分钟时间讨论，这些材料可证明哪些观点，然后每一组推荐一名代表发言，经过讨论，大家一致的观点有：1、五十年如一日的练习成正果，证明“天才在于勤奋”；2、五十年如一日得于成功证明“学贵以恒”；3、口吃的人能成演讲家证明“勤能补拙”；4、先败后胜证明“失败是成功之母”；5、“不灰心、不气馁”最终超过对手证明“自信是成功的关键”。有学生也提出其他看法时我进一步启发：德摩斯梯尼明明小时候口吃，为什么选择演讲作职业？他为什么口含石子来练习？在雄辩的对手面前，是什么支撑他要超过对手？在我的启发下，学生又补充了如下可证明的观点：1、成功源于兴趣；2、学习要讲究方法；3、世上无难事，只怕有心人；4、有对手才有提高。
功能材料论文篇7
2009年央视火灾之后，杨宗焜召集包括科学院士在内的70余名专家共同致函***，提出国家应加强新型防火保温墙体材料的研发工作，如今，该专家团队已对当今世界最佳有机保温材料聚氨酯进行了分子结构改性，成功研发了难燃B1等级聚氨酯泡沫新材料。在此基础上，杨宗焜带领专家团队将目光投向新的科研高地，力争在建筑材料科学领域内研发出更多新型节能防火材料，为创建有中国特色的建筑节能防火安全新体系而不懈奋斗。
苦心钻研，硕果累累
我国“六五”、“七五”期间，杨宗焜就受命参加了聚氨酯防火氧指数（OXYGENINDEX）≥26的国家攻关项目。经过潜心研发，他终于攻克了国内第一个聚氨酯保温材料氧指数的≥30%的数值，随后，该研发项目凭借其优良的难燃性很快应用于国内航空、铁路、建筑等一级防火标准工程。
1999年，杨宗焜又成功研制出国内第一个聚氨酯难燃B1等级泡沫，并成功应用在空调保温风道板的连续生产线中。2000年10月，上海科学技术情报所对以杨宗焜为主研发的“B1级难燃硬质聚氨酯泡沫塑料板”进行成果检索，并确定该产品属国内领先水平，氧指数指标达到了国际先进水平。同年，上海市促进高新技术成果转化项目认定办公室认定杨宗焜研制的“B1级难燃硬质聚氨酯泡沫塑料板”为上海市高新技术成果转化项目，上海万国科技发展有限公司为该项目高新技术企业。
迈入21世纪后，我国建筑节能正面临着大规模需求高效节能防火保温泡沫塑料的新形势，杨宗焜在花甲之年，老骥伏枥，坚定科学发展观的信念，全心全力投入前沿性的聚氨酯泡沫阻燃和防火应用为一体的高科技研究中，并组建了以退休专家为主的“杨宗焜高科技聚氨酯材料研发专家团队”，成立了以课题技术负责人杨玉楠为核心的攻关组。攻关组经过潜心研究，提出了国内第一个聚氨酯无卤化结碳膨胀型阻燃技术路线和工艺，通过曼尼希反应，在聚氨酯易燃的氨基甲酸酯键的分子结构中，进行分子结构改性，引入难燃、耐温、低发烟、低毒性环状结构化合物（异氰脲酸酯环、唑烷酮、芳香族杂环、苯环等），以及具有抗火灾功能的纳米颗粒聚合物，将原本易燃的聚氨酯泡沫改变为氧指数高、火焰传播小、烟雾小、毒性小、耐燃性好、耐火焰贯穿强的难燃材料。
该项研究成果的成功，攻克了易燃聚氨酯的耐火等级低、烟雾大、毒性高的世界性三大难题。该材料经国家权威机构检测达到国家标准GB8624-1997的难燃B1级，GB8624-2006(相当于标准欧盟EN13501)的难燃C级，氧指数≥32，最高达到36，烟密度SDR等级≤25，最小为15。其科研成果处于国际、国内领先水平。此种新型防火保温墙体材料对遏制我国频频发生的建筑火灾和预防群死群伤现象的发生具有深远意义。
杨宗焜深信，中国目前已是世界建筑生产大国，将来将成长为世界建筑强国，中国外墙外保温建材行业将来更有望建立拥有自主知识产权的建筑外墙屋面节能保温防火安全体系，并可有效防范建筑外墙屋面工程恶性和重大火灾；有能力适应现代建筑发展和高层建筑节能防火需要。
理论联系实际，成功源于探索
杨宗焜本着仁爱之心，不愿看到我国建筑领域频频发生的火灾对人民生命财产的威胁。寄心于此，杨宗焜在其数十年的职业生涯中，一直苦心研究建筑防火技术，他历经磨难，终于在国内第一个提出考察并识别有机保温材料能否达到难燃级防火的“碳化层理论”和“火灾性能理论”；并在国内首先提出并有效解决了使易燃PU有机保温材料迅速形成具有抗火灾碳化层结构的无卤化结碳膨胀型难燃技术路线及工艺路线。
其中“碳化层”理论和“火灾性能”理论的提出，是源自于长期的建筑节能防火实践中，通过针对大量的中国建筑火灾案例，并在其中摸索出引发火灾的规律和探索从材料的源头上遏制引发火灾成因而共同形成的理论。
两个理论均以新的GB8624-2006分级体系为依据，参照欧盟EN13501－1：2002标准和规定的试验方法及等级标准，按附加燃烧生成物的毒性试验要求，对材料在真实火灾场景中的燃烧特性进行的。杨宗焜指出，必须将试验的设计和数据的采集建立在火灾理论的基础上，以实际的火灾为参考场景，以此获得“火灾性能”数据。以实体火灾为参考场景，可测得一系列与潜在火灾危险性相关参数：燃烧热释放速率、产烟量、产烟速率、烟气毒性、火焰传播等多项参数。利用这些参数就可以全面地、系统地、描述火灾发生的三个阶段。第一阶段是指制品被新燃的着火阶段，利用小火焰施加于制品的局部区域；第二阶段是指火灾逐步扩大，直至轰燃阶段；第三阶段是在轰燃后，所有可燃制品均成了火灾荷载。用这些参数可将建筑材料分为A1、A2、B、C、D、E和F七个级别。
将上述达到难燃级别材料同防火构造结合起来，就能建立系统的“外墙外保温防火安全体系”，采用大型火灾性试验进行最终考察，判断其“火灾性能”，就能进行合理科学的防火分级，有利于做好火灾成因的分析与解决。
我国在“十一五”期间，由于大量应用具有严重火灾隐患的易燃材料，因此建筑火灾不断，这是造成诸如央视大火、沈阳第一高楼大火，以及上海“11·15”的58人被烟熏毒死、烧死等多起特大火灾事故发生的根源之一。
此外，我国现有的建筑墙体材料中大量应用的是B3级热塑性有机保温材料（EPS、XPS），由于它具有吸收热量的功能，也可取得难燃烧性能数据。但在实际的火灾中，这种热塑性材料在超过75℃就会出现融化、滴落的现象，其火灾防御性能很差，同时还存在火灾隐患，所以不是理想的保温材料。
相比之下，无机材料虽是不燃材料，但抵抗不住火灾高温的炙烤，而混凝土在350℃开始崩裂、钢结构在600℃变软、500℃以上金属铝燃烧会产生更大的热值（通常为有机保温材料热值的7-8倍）。在我国许多建筑火灾案例中，无机保温材料也被证实是经不住真实大火高温攻击的，例如不燃玻璃棉350℃就会脆化，岩棉650℃就会粉化，因而无机保温材料不能进入防火保险箱。
基于此，杨宗焜利用聚氨酯材料的化学热固性特点，提出了制备优质防火材料的“碳化层”理论，即将原来易燃的聚氨酯材料通过高科技的分子结构改性为难燃聚氨酯（PIR）泡沫，这种新材料在高温火的攻击下，泡沫表面会迅速形成碳化层。在大型建筑火灾中，只有具有碳化层结构的材料才能起到保护墙体结构的防火性能。聚氨酯材料表面碳化层不仅可以阻止火焰的蔓延和阻遏烟毒气体的释放，还具有抗火焰贯穿、隔火、隔高温等功能。“杨宗焜研发团队”研发的这种新材料经过检测，其燃烧碳化层残留率近50%，达到国内外的先进水平，在国内外大量的火灾案例中，碳化层理论的科学性和实际应用的指导性非常明显。由此，此种新型材料理所当然地成为了当前最佳的新型节能、防火、保温的墙体材料之一。目前，此种新型碳化层高效抗火功能的原理已广泛应用于航空、航天、导弹等***事尖端领域，并得到了验证和认可。
值得一提的是，“火灾性能”理论也是杨宗焜的又一重大科研贡献，其在理论中指出，我国有机保温材料在国际、国内标准的中小试验条件下，想取得燃烧性能数据具有很大的局限性，而这恰恰也是困扰我国能否科学检测材料燃烧性能的一大难点。杨宗焜在科学检测材料燃烧性能方面指出，只有从接近真实火灾的大型火灾测试中才能取得材料真实的燃烧性能数据，即“火灾性能”数据。按照“火灾性能”数据才能真正建立并获得长效建筑保温材料对于抗火灾的耐火功能。可以认为，杨宗焜的“碳化层”理论和“火灾性能”理论是在源头处创建了我国未来建筑节能新型防火保温墙体新材料的指导性理论，这也为我国未来建筑节能新型防火保温墙体新材料研发指明了方向。
再接再厉，志在千里
2011年末，在***国发《***关于加强和改进消防工作的意见》46号文中，已对墙体材料明确提出“新建、改建、扩建工程的外保温材料一律不得使用易燃材料，并作出严格限制使用可燃材料”的规定，这是从材料的源头上遏制建筑火灾的重大举措。
为了正确贯彻***46号文，“杨宗焜专家团队”提出，中国建筑节能防火保温墙体材料不能生搬硬套国外模式，必须结合我国的高层建筑多，超高层建筑多，人口密集建筑多，消防安全难度大等实际，依靠科技创新，研发防火安全好的优质材料，同时还应研发出更好的新型防火构造体系，力争从源头上治理建筑火灾频发的问题。此外，还必须贯彻***46号文提出的要“鼓励自主创新和引进消化吸收国际先进技术”，而不是照搬照套，跟在别人后面亦步亦趋。具体而言，解决外墙防火安全问题必须从两方面入手，一是从引发火灾源头上查找原因，规范有机保温材料的防火级别，依靠科技创新研发低烟、低毒的高效防火有机保温材料；二是要加快研制具有新型抗火灾功能的防火构造，深入落实***46号文的精神，保温材料的燃烧性能必须向难燃B级和不燃材料靠拢，积极研发低能耗、低烟毒的优质先进保温材料。
研究团队最终得出的结论是：建筑防火安全体系的建立，不仅离不开材料防火的级别、构造选择，而且离不开模型火灾试验的验证。而上述种种研究结论，又必须最终服从建筑科学中“整体防火第一、系统防火第一”的理念。所有研究成果只有在实际建筑防火构造系统中得到最终验证，才能得出所有材料防火研究、火灾模型火研究都是为建筑科学服务的结论。
***46号文出台后，我国防火材料又遇到了一些新的问题，如材料与制品各自燃烧性能等级要求的含混，这给执行46号文带来了一定的难度；模型火灾试验有漏洞，材料燃烧性能级别容易“以次充好”、“掺杂使假”；薄抹灰系统的缺陷尚未得到解决，材料产烟毒性检测只列为附录，以上弊端均为贯彻***46号文增添了难度。
最终，“杨宗焜专家团队”研制的低碳、低烟、低毒改性难燃聚氨酯材料，一举成为了当前最佳的节能保温防火材料，目前此材料已受到来自国内外同仁的高度关注与青睐。例如，广州朗腾聚氨酯有限公司按照“杨宗焜教授研发团队”的思路和技术配方，目前已成功开发出低碳、低烟、低毒难燃聚氨酯新材料，并通过了美国ASTM E-84一级标准，获得了美国权威机构颁发的等级标识授权使用证书，利用该技术生产的产品已远销美国、东南亚、欧洲等国家。
又如山东鲁盾聚氨酯制品有限公司目前已拥有4条硬泡聚氨酯保温板连续生产线，其产品有硬泡聚氨酯外墙粘贴板系列产品，现拟与朗腾聚氨酯有限公司合作开发20万吨低烟、低毒、高阻燃特种聚氨酯新材料。
值得一提的是，南京鑫叶高分子科技有限公司作为一家集科研、生产、销售等多种经营形态于一体的综合性企业，现已形成以阻燃聚醚为特色的聚氨酯原料、阻燃剂和助剂为主体的三大产品结构。该公司目前决定与“杨宗焜专家团队”合作，致力于开发和推广“杨宗焜专家团队”的低碳、低烟、低毒改性难燃聚氨酯泡沫新型保温墙体新材料、新产品，为聚氨酯制品性能的改善和提高不断注入新的活力。除此之外，江苏长顺集团有限公司、中美合资通达豪森建筑科技发展公司等企业目前也提出要与“杨宗焜专家团队”成为新材料研制的合作伙伴。
“杨宗焜专家团队”目前正准备研制一种既具有保温隔热功能，又具有反射、发射、抗辐射功能于一体的新型外墙保温材料，并力求研发出一种可使建筑外墙外保温材料由原来厚重的“棉大衣”转变为高性能超薄型“太空衣”的建筑节能新型防火保温墙体材料。
杨宗焜带领的科研团队的成长经历和取得的不凡成就带给我们的最大启示是，我国在从建筑大国向建筑强国的转变过程中，能否成功创建中国建筑节能防火安全体系，在国际和国内都有重大意义。节能与防火安全不能有任何偏废，大规模使用新型高效有机保温材料势在必行。
功能材料论文篇8
关键词：材料学；教学内容；教学模式；课程考核
中***分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）23-0151-02
《材料学概论》是我校无机非金属材料专业开设的入门基础课程。该课程内容较多，涵盖金属、无机非金属、高分子和复合材料等传统四大材料的基础理论知识，同时又包括各种层出不穷的新兴功能材料。开设该课程的主要目的是让学生对自己所学的专业有初步的认识，同时拓宽学生的知识面，激发学生的兴趣，从而引导学生进行更深层次专业知识的学习。因为是概述性课程，多为陈述性知识，不像其他材料专业课程有其核心的理论体系，该课的课程内容连贯性不强，教学过程中容易让学生感到枯燥，教学难度较大。因此，探索和实践本课程的教学内容、教学模式、课程考核对于提高课程教学质量，挖掘学生对所学专业知识的深入学习具有重要意义。
一、教学内容的选材
该课程的教学内容主要包括金属、无机非金属、有机高分子、复合材料和日新月异的新兴功能材料。课程设置仅为24课时，这要求我们必须突出重点，同时能为后续专业课的学习作前期铺垫。在教学内容的选材方面，首先，我们先介绍传统四大材料的知识点，同时兼顾后续主干课程的教学内容，如无机材料科学基础等，在具有这些知识的基础上，再介绍相关材料在现代工农业生产和国防***工等方面的应用，这样学生们就比较容易理解和感兴趣；其次，结合现在的就业情况及研究热点，教学过程中我们将学科内容与学科前沿相结合，既考虑了学生们以后的就业，也考虑到想进一步深造读研究生的学生们的研究兴趣，如将炙手可热的新能源动力汽车电池、碳家族材料、光电功能材料的发展现状及面临的挑战引入课堂教学，在拓宽学生视野的同时，潜在地激发了学生的科研兴趣。
二、教学模式的探索
除传统的金属、无机非金属、有机高分子、复合材料外，新兴功能材料日新月异，这就要求授课教师应及时跟踪掌握最新的研究进展，及时更新课件内容，使得教学内容能够跟上最新的研究成果，也能让学生及时了解学习最新的材料知识。
传统的教学方法主要以黑板樵靥澹对于想要讲授功能性各异的材料知识体系来说显然已不能满足，这就需要借助各种新方法、新手段。多媒体教学能将文字、***形、动画和声音等各种资源有机整合，在视觉上能够让学生很直观地学习知识，有助于激发学生学习的兴趣。比如：锂离子电池的工作原理，我们可以在多媒体上给出锂离子电池工作原理示意***，然后再结合扣式电池的组成构件给学生详细讲解其原理，加深学生对其内容的理解和掌握。再比如，在讲解金属催化CVD法制备石墨烯工艺流程时，可以通过动画演示，让学生很直观地了解催化原理及石墨烯的形成过程。值得注意的是，在整个的教学过程中，我们一定要重视学生的参与和互动。如采用启发式及提问式的教学方法，通过设置难度适宜、范围适中的问题或课外作业，启发学生自主思考、查阅相关资料、分组讨论，提高学生的专业积极性。
三、课程考核方式的选择
为充分调动学生学习的积极性和主动性，加强学生查阅专业资料和有效整合专业知识的能力，提升学生的逻辑思维和科研素养。该课程的期末考核方式较为新颖，让学生自主选题、自由组成小队，完成一个关于材料某相关领域的研究进展课题，并最终答辩的方式。该课题从开学初就布置，这样能让学生有充分的时间选题、组团、查阅和整理资料、制作PPT、组织答辩，通过这种考核方式不仅最大程度上提高了学生的主观能动性，拓展了学生的知识视野，加深了对课题的认识和理解，还培养了学生良好的科研素养和科学态度。
同时，我们还通过出勤率、上课积极性、课后作业、网上教学互动等方面进行平时成绩的考核。课堂提问可以考查学生对上节课内容的掌握程度，还可以考查学生是否认真听讲、是否认真思考问题。课后作业主要是对课堂内容的考查和巩固，同时也是对课外知识的拓展，督促学生课后自主查阅相关文献，以培养学生的学习能力。
四、需要改进的地方
《材料学概论》作为一门概述性课程，授课难度较大，在教学的探索与实践过程中难免会有一些不足，这需要我们不断去改进和提升，具体包括以下几个方面：
1.网络教学课堂的互动有待进一步加强。随着新兴教学手段的出现，网络教学作为教学的辅助部分还没有得到充分认识和重视，学生课后很少在网上课堂查阅老师上传的文献和资料，这会延长教师和学生有效沟通的时间。
2.在教学的过程中，我们还应该出示实物，让学生能够直接接触，加深印象。如展示新能源动力汽车电池用模型，让他们对新能源汽车之芯有直接的感性认识。
3.在教学过程中，我们还应该适当地引入专业英文资料，以提高学生掌握专业知识和运用英语的综合能力。
五、结语
本文从教学内容、教学模式及课程考核等三个方面对我校无机非金属材料专业入门基础课《材料学概论》课程教学进行了初步探索、思考与实践。认识到充分调动学生主观能动性和让学生参与到教学过程中来的重要性。另外，合理利用网络教学平台和有效提取网络资源也非常关键。同时，我们还对课程教学过程中需要改进的地方进行了分析，希望在以后的教学中能够取得更好的效果。
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"Introduction to Materials Science"Exploration and Practice of Curriculum Teaching
DUAN Jun-fei
（College of Materials Science and Engineering，Changsha University of Science & Technology，Changsha，Hunan 410114，China）
功能材料论文篇9
关键词：教学探索；生物功能材料；生物医用高分子
中***分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）38-0198-02
青岛农业大学化学与药学院生物功能材料专业成立于2011年，专业成立时间短，国内开设此专业的院校也非常少。开设的专业课程主要有：《高分子化学与物理》、《生物医用高分子材料》、《可降解与吸收材料》、《生物材料学》、《无机生物材料》等。其中，《生物医用高分子材料》是生物功能材料专业的重要专业课程，界定该课程的讲授内容、探讨其讲授方法、发展其教学规划、增强该课程的培养效果，是非常有意义的一项课题。《生物医用高分子材料》课程是一门交叉课程，医学、生命科学、化学及材料等学科专业均有开设，相互之间密切相连，其研究与开发兼有重大的社会与经济需求。此课程在生物功能材料专业中开设，有利于学生对生物医用高分子的概念、分类、结构、应用等的学习，培养学生对生物功能材料的研究兴趣，提高其自主思考、创新能力。相对于《无机化学》、《有机化学》、《分析化学》等基础课程，生物医用高分子的相关研究尚短，理论不成熟、系统，且内容众多、繁琐，而该课程开课学时仅32学时。这样的课时设置给我们的授课带来了极大难度。如何上好《生物医用高分子材料》、如何在有限的时间内对该课程进行系统的讲解，让学生对《生物医用高分子材料》课程有一个清晰、系统的认识，将是该课程授课教师需要重点探索的问题。作者从事高分子、生物材料的相关教学工作，具有一定的教学经验，就如何更好地开展《生物医用高分子材料》课程教学，凸显其在生物功能材料专业中的作用，介绍相关见解和体会如下。
一、课程内容与学生（生物功能材料专业）素质、能力之间构效关系的建立
课程内容是学生接触到的直观材料，是指导学生思考、分析、学习的基本要素。课程内容选择的适当与否，直接关系到所培养学生素质、能力的高低。选择合适的讲授内容，应遵循原则如下：
1.课程内容是否可引起学生的兴趣？兴趣是学生学习的动力。课程内容的设计是引导学生学习的第一步，一个优秀的课程内容预示着成功了一半。本教学中部分章节重点讲述人工器官、医疗诊断用高分子材料，如牙科材料、眼科材料、医用缝合线等，贴近生活中的应用，一下子拉近了生物医用高分子材料与大家的距离，在让学生感觉有趣的情况下引发他们的思考，做到事半功倍的效果。同时，让学生真正了解到课堂上学习的知识是有用的、与生活密切相关的，击溃社会、校园传播的“读书无用论”，激发学生学习的兴趣、动力。
2.课程内容是否与专业人才培养目标息息相关？本专业为生物功能材料，致力于生物功能材料高素质、强能力人才的培养，选择课程内容时应密切联系“生物”、“功能”、“材料”三概念。选择一本《生物医用高分子材料》教材，并不意味着本教材所有内容均需详细讲解，与专业人才培养相关的重点讲解，不相关的则可只言片语带过。如绪论中对生物医用高分子材料的发展、由来的讲解，可用0.5学时或更少的时间讲述；而对该材料的生物相容性、安全性评价及其应用，则需重点讲述。有目的、有选择性地讲授课程内容，突出重点，结合实际应用讲解。
3.课程内容是否紧跟学术前沿？《生物医用高分子材料》课程中，部分章节对典型的生物医用高分子材料进行了讲解，如聚***酸、聚磷酸酯等。本科学生主要专注于理论知识的学习，及一定程度创新、动手能力的培养，对于化学、材料合成方法、技术的发展知之甚少。讲授《生物医用高分子材料》课程时，适当介绍相关材料研究的最新热点，如聚***酸的合成方法、特殊的性能等，有利于学生综合素质能力的培养。
4.课程内容与开设课时是否匹配？针对课时较少的现状，需对教学内容进行合理的安排。首先讲述高分子材料的生物相容性、安全性，及其和生物体的相互作用；再次讲述生物医用高分子材料在人工器官、医疗诊断、药物缓控释、组织工程等领域中的应用；接着讲述生物医用高分子材料的性能及其改性；最后依据前面信息，总结关系规律，讲述生物医用高分子材料的设计方法。这样既保证了对该课程的系统讲解，使学生对生物医用高分子材料的基本概念、分类及应用有了初步了解，又没有因为课程过难或过多给学生造成负担。
二、教学方法的优化探讨
众所周知，大学的课堂基本上都是教师高谈阔论，学生按部就班，到了考试周就划重点，疯狂背，及格就万事大吉，但这并不是我们设计的目标结果，我们的目标是希望每一位学生都真真正正地学到知识。因此，有必要建立良好的教学方法、教学模式、教学手段。教学方法是教师和学生为了实现共同的教学目标，完成共同的教学任务，在教学过程中运用的方式与手段的总称。包括教师教的方法（教授法）和学生学的方法（学习方法）两大方面，是教授方法与学习方法的统一。教授法必须依据学习法，否则便会因缺乏针对性和可行性而不能有效地达到预期的目的。但由于教师在教学过程中处于主导地位，所以在教法与学法中，教法处于主导地位。在课堂上应使用多媒体与板书相结合的教学方法。多媒体教学可具体、直观、生动地表达抽象的现象，促进学生对知识的理解、吸收。比如，制作材料合成、加工、性能表征及应用的视频，打破传统的“说―听”教学模式。新的方法是积极鼓励引导学生参与到课堂中来，激发学生学习的积极性，努力让学生主动学，让学习效率更高。材料包括材料的组成、材料的性能、材料的使用，三者之间环环相扣，抓住了这一点就能很好的让同学们更好地理解一种材料的产生，更能锻炼同学们的整体思维。鼓励同学们自主学习，学生在课堂的时间是非常短暂的，更多的是课余时间，老师在课堂上提出几个探讨性的问题，鼓励同学们成立小组相互讨论，引导同学们上网查询资料，到***书馆资料室查资料，增加自己的眼见，丰富知识。使同学们在课堂学的知识能理论联系实际，学以致用。在课堂上讲到一种材料，如硅胶，可以作为隆胸的材料等。通过具体实际的例证说明此种材料的用途，加深同学们的理解。在课堂上让同学们认真地做笔记，在做笔记的同时也加深了理解，同时也能让同学们更加深入的思考。同时在教学过程中，应开展互动式教学，促进教师、学生之间的紧密沟通交流。作者在课堂上采取提问、讨论与学生上讲台相结合的教学方法，增加了教与学双方的主动性，取得了较好的效果。比如在讲述生物医用高分子材料相容性与安全性知识点时，在课前教师可先提出问题：补牙时使用劣质材料，则会导致牙齿发炎、疼痛，分析其原因、阐述理由。让学生通过预习和查阅资料***思考，得出自己的结论。下次上课时，可让学生先就自己的结论相互讨论，教师进行纠正或补充。这样既促使学生进行了课前预习，也提高了学生的自学能力。
三、结语
以上就是我们对生物医用高分子材料课程教学内容、教学方法的探索和改革，改革的目的是让同学们更好地理解学习知识，让学习的效率更高。更好地培养专业基础知识稳扎、具有创新性思维的优秀专业人才，而达到这一目的，无疑改革和创新才是动力源泉与保证。
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功能材料论文篇10
中***分类号： O322； O343.7文献标识码： A文章编号： 10044523（2013）05064707
引言
功能梯度材料（FGMs）作为一种特殊的非均匀复合材料，其材料性质可随空间位置连续变化，从而能够适应不同的工程需要。因其所具有的诸多优越性，FGM已被广泛应用于许多工程场合，其结构分析也成为力学中的重要研究课题之一[1]。振动特性和动力响应是FGM结构分析中的研究热点，许多学者致力于这方面的研究并取得了丰富的研究成果[2]。Loy等基于Love壳体理论[3]，采用Ritz法分析了两端简支功能梯度圆柱壳在不同组分材料配置时的自振频率，讨论了组分材料体积分数对FGM圆柱壳振动频率的影响。陈伟球等利用状态空间法和分层近似理论研究了横观各向同性FGM矩形板的自由振动[4]，发现此功能梯度矩形板存在两类***的自由振动形式：纯板内振动和一般的弯曲振动。Yang和Shen基于Reddy高阶剪切变形理论[5]，采用半解析法研究了FGM柱形曲板的自由振动问题，讨论材料组分、温度、几何参数以及边界条件对其振动频率的影响。边祖光等从三维弹性力学方程出发[6]，结合层合近似模型，计算了柱形正交各向异性FGM圆柱壳的自由振动频率。Matsunaga采用一种二维高阶变形理论分别研究了计及横向剪切和法向变形及转动惯量的FGM平板、浅壳和圆柱壳的自由振动和屈曲特性[7～9]。杜长城和李映辉采用Donnell壳体理论研究了FGM薄壁圆柱壳的自由振动特性[10， 11]。近几年，针对FGM结构的非线性振动问题，也有成果报道。杜长城和李映辉研究了FGM矩形板的大挠度非线性自由振动[12]，理论和数值分析均发现由于存在拉弯耦合效应，FGM板的单模态固有振动其振幅不再在具有关于板中面的对称性。Alijani等基于Donnell非线性浅壳理论研究了具有矩形底面的FGM双向曲线型浅壳的非线性强迫振动[13]，采用多尺度法讨论了其主共振和次谐共振响应，得到了分岔***和Poincaré映射，通过计算Lyapunov指数和Lyapunov维给出了系统的混沌域。张小广等应用多尺度法对四边固支FGM矩形板的非线性主共振问题进行了定量分析[14]，讨论了不同参数对其非线性振动特性的影响。张志强和胡宇达研究了热环境中FGM圆板在横向简谐激振力作用下的非线性动力响应问题[15]，揭示了FGM圆板在热环境中可能出现周期、拟周期和混沌响应。Hao等基于三阶剪切板理论采用渐近摄动法分析了热环境中FGM悬臂矩形板的前两阶模态的1∶1内共振和1∶2次谐共振特性[16]，结果同样显示，在特定条件下FGM悬臂矩形板可表现出周期、拟周期或者混沌运动。
本文旨在讨论FGM薄壁圆柱壳非线性振动中的模态相互作用及振动能量在模态间的传递，揭示其振动中的混沌运动特性。在研究方法上，为了更加直观地反映能量大小对振动特性的影响，通过系统能量分析，采用Hamilton动力学理论对功能梯度圆柱壳进行建模。
1能量基本方程
3数值积分与结果讨论
当振动能量很高时，Poincaré截面出现大片的混沌区域，而在混沌域中同时存在许多规则的不变圈岛屿，暗示了功能梯度圆柱壳在高能状态下从某些初始条件出发的振动将会表现出强烈的不规则运动特性，而从某些初始条件出发的振动仍然保持规则振动性质。
4结论
本文基于Donnell非线性壳体理论，给出了FGM薄壁圆柱壳的动能及势能表达式。采用Hamilton动力学建立了无限长FGM薄壁圆柱壳双模态振动的运动微分方程，通过数值积分和Poincaré映射研究了系统的模态相互作用和能量交换现象，揭示了系统的复杂动力学行为。研究表明：（1）系统在低能振动时表现为规则运动，而振动能量较大时，从某些初始条件出发的振动会产生混沌运动；（2）能量对系统振动特性具有非常显著的影响：随着系统能量的升高，FGM柱壳将经历一个分岔，使得在低能振动时的稳定轴对称单模态运动变为不稳定，触发能量在两个模态之间的传递和交换，能量进一步升高则直接导致系统混沌运动的产生；（3）FGM的梯度指数会对触发模态相互作用和能量交换的能量分岔点产生明显的影响。
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