時間：2023-02-09 05:40:47
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇工程熱物理論文，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
英文名稱：Journal of Shaanxi University of Technology(Natural Science Edition)
主管單位：陜西省教育廳
主辦單位：陜西理工學院
出版周期：季刊
出版地址：陜西省漢中市
語
種：中文
開
本：大16開
國際刊號：1673-2944
國內刊號：61-1444/N
郵發代號：
發行范圍：國內外統一發行
創刊時間：1985
期刊收錄：
核心期刊：
期刊榮譽：
Caj-cd規范獲獎期刊
聯系方式
期刊簡介
《陜西理工學院學報》（自然科學版）原名《陜西工學院學報》，是由陜西理工學院主辦的自然科學類學術期刊，創刊于1985年，季刊。
同等學力申碩考試報名條件：申請人獲學士學位后工作3年以上；通過學位授予單位的資格審查；通過學位授予單位組織的課程考試；通過同等學力人員申請碩士學位的外國語水平及學科綜合水平全國統一考試（申請人自通過資格審查之日起，須在4年內通過學位，授予單位的全部課程考試和國家組織的水平考試。否則，本次申請無效。）；
在通過全部考試后的一年內提出學位論文，并在半年內完成論文答辯；論文答辯未通過，本次申請無效。但論文答辯委員會建議修改論文后再重新答辯者，可在半年后至一年內重新答辯一次，答辯仍未通過或逾期未申請者，本次申請無效。申請人通過同等學力水平認定，經學位授予單位學位評定分委員會同意，報學位評定委員會批準，授予碩士學位并頒發學位證書。
同學力申碩考試報考時間：凡進入“信息平臺”的申請人，須在每年3月20日前通過“信息平臺”申請參加考試的語種或學科、參加考試的地點。考生一般應在接受其碩士學位申請的學位授予單位所在?。ㄗ灾螀^、直轄市）參加考試。如有特殊情況，需申請在工作單位所在地參加考試的，必須經接受其碩士學位申請的學位授予單位同意。
學位授予單位要認真核對考生的資格、報考語種或學科以及參加考試的地點等信息。發現不符的或有弄虛作假的要及時糾正或取消申請資格。
外國語水平和學科綜合水平考試的報名信息的匯總、命題、考務及閱卷工作委托教育部學位與研究生教育發展中心（以下簡稱“學位中心”）組織實施，相關工作的具體安排由“學位中心”另行通知。各省、自治區、直轄市學位與研究生教育主管部門根據“學位中心”的統一安排，組織本地區的考務工作。
同等學力考試形式：同等學力申碩統考即全國統一組織的外國語水平考試和學科綜合水平考試，于每年5月份舉行。
同等學力考試科目：外國語水平考試的主要語種有：英語、俄語、法語、德語和日語。
學科綜合水平考試的學科范圍包括：哲學、經濟學（含理論經濟學、應用經濟學）、法學、政治學、社會學、教育學、心理學、中國語言文學、新聞傳播學、生物學、歷史學、地理學、機械工程、動力工程及工程熱物理、電氣工程、電子科學與技術、信息與通信工程、控制科學與工程、計算機科學與技術、建筑學、作物學、臨床醫學、管理科學與工程、工商管理、農林經濟管理、公共管理和圖書館、情報與檔案管理等27個學科。
申請人自通過資格審查之日起，須在4年內通過學位授予單位的全部課程考試和國家組織的水平考試
（來源：文章屋網 ）
關鍵詞: 通風; 空調; 熱管; 節能
中圖分類號：TE08 文獻標識碼：A 文章編號：
引 言：早在1942年，Gauler就曾提出熱管技術原理。熱管是用綜合液體蒸發、冷凝和毛細管現象設計的。熱管理論是在1965年有Cotter首次提出較完整的理論的。熱管的結構主要有外殼、吸液芯和工作液組成。本文對熱管技術在通風空調工程節能應用中出現的一般性問題進行較系統的分析,為實際工程應用和設計提供參考。
1、通風空調的能流特征
采用集中式空調的建筑物，為了保證室內空氣品質,要進行適當的新風置換，小型建筑物主要通過門、窗自然排出、滲入,而大型建筑物往往設集中排風、新風系統。建筑物通風空調廢熱(冷)具有以下特點:(1) 排出的空氣狀態參數接近室內空氣的溫、濕度，對于大型建筑物，排出的廢熱(冷)相當于總負荷的30% ~40%。(2) 排風中的廢熱(冷)與新風處理所需能源品位比較接近。(3) 排風中的廢熱(冷)與新風處理能源需求在時間上完全同步,如果通過熱交換方式回收排風中的廢熱(冷)則無須增設復雜的蓄熱裝置。
2 熱管技術在通風空調節能中的應用
2.1 熱管技術在通風空調節能中的優勢
熱管換熱器與其他形式的換熱器相比，用于通風空調能源回收的熱管屬于常溫熱管，具備以下優勢: （1）傳熱效率高。熱管換熱器主要通過工質相變傳熱,具有很高的軸向傳熱能力,在小溫差傳熱方面具有很強的適應性。但徑向傳熱并無太大的改善,應重點考慮徑向傳熱強化。（2）環境適應性強。熱管換熱設備的冷凝、蒸發段的結構設計和空間布置非常靈活,特別適應空間狹小和改造工程等情況下的排風廢熱(冷)回收。（3） 管壁溫度具有可調性?？瑟毩⒏淖冋舭l段或冷凝段的傳熱面積,達到獨立改變蒸發段和冷凝段熱流密度的目的。（4） 屬于二次間壁換熱?？梢员苊庑嘛L與回、排風的交叉污染,因此特別適合工廠、醫院等特殊場合下排風熱(冷)回收。（5）管壁溫度具有可調性?？瑟毩⒏淖冋舭l段或冷凝段的傳熱面積,達到獨立改變蒸發段和冷凝段熱流密度的目的。
2.2 熱管技術在通風空調節能中的應用
2.2.1 房間空調的換氣熱(冷)回收
房間空調器在潮濕地區使用時,會因除濕能力不足而不能很好地形成舒適的室內環境。熱管-空調器系統的整體性能受旁通風量比例、新風、回風、送風參數等運行條件的影響較大,系統優化設計和優化運行很重要[12]。另外,由于增加了熱管換熱器,氣流阻力有所增加,需要適當增加空調器風機壓頭。設備造價、總體尺寸都有所加大。
2.2.2 集中排風廢熱(冷)回收
公共建筑規模大,同時由于人員密度大或者生產工藝要求,換氣次數大,例如醫院潔凈手術室要求換氣次數40次/h以上,因而集中排風廢熱(冷)回收潛力很大。通過分離式熱管換熱器,利用空調系統排風熱(冷)能量預處理新風,新風比按30%計算,可使空調系統節能7%以上。隨著排風與新風溫差的增大和新風比的增大,節能效果更加顯著,實驗表明冷、熱氣流溫差只要超過3e即可回收能量。據此,上海、南京等長江中下游地區夏季排風廢冷能量回收的時間可達1 500 h以上, 3 a內可收回設備造價。平翅片、百葉式翅片比錐形翅片、針形翅片換熱效果好,而且壓力損失小,主要原因是平翅片、百葉式翅片與管壁接觸更充分,而錐形翅片、針形翅片導致氣流擾動增強。風道風速為0. 5 m/s時,采用一排平翅片或百葉式翅片熱管,熱交換效率可達40%,二排可接近70%,之后隨著熱管排數增加,熱交換效率提高的趨勢漸緩,壓力損失明顯增大。熱管單元交錯排列與矩形排列比較,熱交換效率略有提高,但壓力損失顯著提高。
3 熱管技術在工程中的應用
3.1傳統形式熱管
傳統形式熱管換熱器中的熱管的熱傳遞存在著一系列制約因素,主要有毛細力極限、聲速極限、攜帶極限、沸騰極限等,并與熱管結構、工作介質、吸液芯結構、工作溫度等有關[3]。毛細力極限是最有普遍意義的制約因素,對于適當數量網目的吸液芯,增加層數,可以提高熱管的傳熱能力和毛細力極限,但是,增加到一定層數時,由于通道減少,傳熱能力有可能受聲速極限的制約而下降[13]。另外,傳統熱管生產工藝復雜,成本較高。
3.2 分離式熱虹吸管
分離式熱虹吸管由于蒸氣與液體分道流動,故不存在攜帶極限,限制其傳熱能力的因素主要有干涸極限、聲速極限和冷凝極限。實際上,它是一個氣液自然循環系統,循環動力是下降管系統與上升管系統中工作介質壓力差,因此,只有當冷凝段和蒸發段達到一個最小高度差,足以克服各段循環阻力,這時蒸發段出口截面含氣率為1,工質循環倍率為1,即認為達到最佳工作點。
3.3 熱虹吸管
熱虹吸管沒有吸液芯,冷凝液在重力作用下回流,傳熱極限主要有攜帶極限、干涸極限和沸騰極限。影響熱虹吸管傳熱性能的因素有熱虹吸管幾何尺寸、放置傾角、充液量、工質的熱物理性質和工作溫度等,其中充液量和傾角影響最大。關于充液量,Imura[14]得到的結果是最佳充液量為熱虹吸管總容積的1/5~1/3, Harada[15]等提出充液量為熱虹吸管總容積的25% ~30%為宜,還有人[16]得到的最佳充液量為熱虹吸管總容積的18% ~20%。
3.4 熱管工質的選擇
熱管依靠工質的相變來傳遞熱量,工質選擇一般考慮以下原則:
（1）工作液體與殼體、吸液芯材料應相容,且應具有良好的熱穩定性。
（2） 工作液體應適應熱管的工作溫度區,并有適當的飽和蒸氣壓。
（3）工作液體應具有良好的綜合熱物理性質要求液體的輸運因子、熱導因子較高,還要考慮液體在工作溫度下的過熱度。
（4）其他原則包括經濟性、毒性、環境污染等。
結 語：
熱管換熱技術應用于通風空調能源回收,結構形式建議首選熱虹吸管或者分離式熱虹吸管,工質建議選用甲醇、丙酮,充液率等問題有待系統和深入研究,其經濟性也有待更多的實際工程檢驗。由于通風空調工況條件與工業節能應用有很大差異,在設計和應用上不能簡單套用工業節能應用的方法和理論體系。熱管傳熱機理復雜,由于實驗模型、試驗條件、分析方法等的差異,不同研究者得出的一些具體結果差異較大,其一般性意義有待檢驗。
參考文獻:
[1] 楊柳.長沙地區典型商業建筑空調系統能耗實測與分析(碩士學位論文)[D].長沙:湖南大學, 2002.
[2] 汪訓昌.中高檔旅館廢熱排放與熱利用分析[J].暖通空調, 1995, (4): 23-29
論文關鍵詞：光碟機,熱量,ANSYS,分析
隨著機電產品使用時間的增加，通電時間越長必然導致集成芯片發熱量增大，其散熱問題是一個必須要考慮的問題。如果熱量不能以合適的方式及時的散出去，必將影響機電產品的功能。光碟機就是一個比較典型的機電產品，其散熱問題的考慮是一個很經典的設計。ANSYS是目前應用比較廣泛的有限元分析軟件，具有強大的有限元分析功能和人性化的人機交互界面，使用該軟件，能夠有效地降低分析成本，縮短設計時間[1]。本文通過對這一問題的分析研究，對光碟機的熱分析問題進行了深入的分析，采取了合情合理的散熱方式，采用有限元分析軟件ANSYS9.0對散熱墊的散熱狀況進行散熱模擬，并對分析結果進行對比。
1 散熱理論
熱分析是基于能量守恒原理的熱平衡方程[2]：
1．1輻射
輻射是指機體以發射紅外線方式來散熱，物體發射能量并被其他物體吸收轉化為熱量能量交換[2]。當皮膚溫高于環境溫度時，機體的熱量以輻射方式散失。輻射散熱量與皮膚溫、環境溫度和機體有效輻射面積等因素有關。在一般情況下，輻射散熱量占總散熱量的40%。當然，如果環境溫度高于皮膚溫，機體就會吸收輻射熱。
1．2傳導
傳導就是機體通過傳遞分子動能的方式散發熱量，幾個完全接觸的物體之間或同一物體不同部分之間由于溫度梯度而引起的熱量交換[2]。當人體與比皮膚溫低的物體（如衣服、床、椅等）直接接觸時，熱量自身體傳給這些物體。臨床上，用冰帽、冰袋冷敷等方法給高熱病人降溫，就是利用這個原理，CPU上的平板式散熱片[3]也是利用了傳導的原理。
1．3對流
對流就是空氣的流動，這是以空氣分子為介質的一種散熱方式，物體表面與周圍環境之間，由于溫度差而引起的熱量交換[2]。與身體最接近的一層空氣被體溫加熱而上升，周圍較冷的空氣隨之流入。這樣，空氣不斷地對流體熱就不斷地向空氣中散發。對流散熱量的大小，取決于皮膚溫與環境溫度之差和風速。
1．4蒸發
液體汽化需要熱量，自人體表面每蒸發1ml水，可帶走2.32/kJ熱量。當氣溫高于皮溫時，其他幾種散熱方式都失去作用，蒸發便成為唯一的散熱途徑。
2 光碟機介紹
2.1 光碟機組成
光碟機組成按結構功能來劃分主要有三大部分，一是機芯，二是PCBA，三是承載機構和外殼等，如圖1所示:
圖1 碟機結構
Fig1. ODD structure
2.2光碟機熱量散發系統
散熱系統主要有：下蓋（BC），散熱墊（Heat sink），集成芯片（IC）和PCB四部分相接觸的物體組成，如圖2所示：
圖2 散熱系統
Fig2. Heat dissipating system
3 熱傳導散熱分析
ANSYS的熱分析是基于能量守恒原理的熱平衡方程，通過有限元法計算各節點的溫度分布，并由次導出其他熱物理量參數[2]。電子元器件功率的不斷提升導致了更多熱量的產生[3]，因而散熱顯的極為重要[4]。本例中采用穩態分析，參數設定：自然對流條件(10W/m2.K)，熱源設定6W(12V*0.5A)，光碟機內部環境溫度設定為42℃，光碟機器外部環境溫度設定為30℃。各零件的熱傳導系數如表1：
表 1
零件縮寫
熱傳導系數k(W/m.K)
BC
18.5
Heat sink
3.2
IC
50
PCB
0.36
4 分析結果
經過上述設置后，可得到散熱墊的溫度場分布圖，如圖3所示：從圖中可看出，使用該散熱墊后最高溫度可達165.92℃。
圖3 溫度場分布
Fig3.Temperature field distribute
5 結束語
ANSYS不僅能用于常規工程結構問題的靜態或動態有限元分析，還能在諸如流體力學，熱力學（溫度場）、電磁場等方面進行有限元的模擬與計算[5]。一個成熟的熱設計可以為為我們帶來一個可靠的產品,同時也為我們的使用創造舒適性[6]。本例中通過對散熱墊模擬現場情況的分析，得出散熱墊的溫度場分布，進而可比較不同散熱墊帶來的不同散熱效果,選擇合適的散熱墊來散熱，為碟機的散熱設計提供了有力的數據支撐。同時也值得其它需要散熱的產品設計者借鑒學習。
參考文獻：
[1]郝兆明．基于ANSYS組合模具過盈配合有限元分析[J]. 機械工程師,2008(5)
[2]王建江，胡仁喜，劉英林．結構與熱力學有限元分析[M]．機械工業出版社,2008(3)
[3]張遠波.CPU散熱片結構優化設計[J].華中科技大學學報.2008年第4期
[4] 盧中林．電子產品的散熱設計［J］．可靠性分析與研究(集成電路與元器件卷)，2004，（12）
[5]Saeed Moaveni．ANSYS理論與應用[M]．電子工業出版社,2003(6)
論文關鍵詞：高等工程熱力學；研究生；教學方法
為適應社會主義現代化建設對高層次專門人才的要求，研究生教學應追蹤世界最新科學研究方向，反映新知識、新成就，采用有益和有效的新經驗、新方法、新體系，注意培養學生的綜合素質。研究生課程的學習對提高研究生培養質量舉足輕重，而課程的教學方式被認為是實施創新教育的重要環節。
“高等工程熱力學”是工程熱物理、熱能工程、動力機械及工程、制冷及低溫工程等專業碩士研究生的一門主要學科基礎課程，為學位必修課。在傳統的“填鴨式”教學過程中，深感學生學完這門課程后卻不能很好地將所學的理論知識應用實際工程或自己的研究工作當中去，顯然這種教學方式是不符合研究生創新教育及綜合能力培養要求的。筆者在教學過程中逐步探索的新教學方法將與大家共享，以其對研究生教學改革起到推波助瀾的作用。
一、課堂上的多種教學方式相結合
1.精略結合的教學模式
最基本的教學方法是在課堂上教師與學生面對面進行傳道、授業、解惑。課堂上教師可以在有限時間內濃縮課程的精華，采取“細嚼慢咽”與“蜻蜓點水”兩種截然不同的講課模式相結合的策略。對課程中的重點與難點內容，教師可結合板書與多媒體課件等其他教學方法，采取課堂上的“細嚼慢咽”精講模式。對學生容易掌握的部分，教師則采用“蜻蜓點水”式引導、歸納總結、學生自學等略講模式。精略結合還體現在對課程中例題的處理上，注重對學生的啟發，把解決問題的思路、技巧傳授給學生，加強學生對涉及熱力學問題的分析能力與解決能力的培養，而淡化具體的求解計算過程。
2.恰如其分的雙語教學
“高等工程熱力學”是一門概念多、理論性與工程性均較強的課程，且緊隨時代不斷發展。若采用純中文教學模式，雖然學生掌握和理解教學內容更加容易些，但對他們查閱相關英文資料、了解國際相關知識、及時撲捉行業發展動態是不利的。倘若在課堂上教師完全采用英語授課或雙語教學中英語所占比重較大，勢必影響學生對基本理論的深刻理解與正確應用。為提高教學效果，在課件的制作及課堂教學上僅僅對專業名詞術語采用英語模式。這樣既不會增加課程的難度、不影響學生對課程基本知識的理解與掌握，還能讓學生了解并掌握專業英語詞匯，對今后查閱專業文獻資料及國際交流奠定良好的基礎。
3.鼓勵學生“質疑”，靈活運用啟發引導與討論式教學
對于已經習慣“填鴨式”教學的學生，教師在課堂教學中創造機會，提倡學生獨立思考，增強自信，鼓勵學生從學會“質疑”到敢于“質疑”、善于“質疑”。“質疑”使教學形式從教師的“一言堂”到師生的“群言堂”的轉變。通過“質疑”，培養了學生的自信，使學生敢于發現問題、提出問題，有利于學生創新思維的培養。
教師可靈活應用啟發引導與同學間、師生間互動的討論式教學方法。例如，在每一章授課結束后學生可先提出自己的問題或理解不透徹的內容，或者是現實中的問題，教師鼓勵其他學生為提問的同學解答，教師適時引導或加以補充，最后教師總結。
教師也可結合一些社會現象，或針對一些在學科發展中曾令人困擾的問題、熱點問題向學生發問，而學生通過思考、收集資料、課堂內外的討論等方式提出解決方案，教師最后對學生的解決方案做現場點評。如對熵及熵變的理解、關于“水變油”事件以及“節能減排”問題等等都可以進行討論。通過教師的啟發引導、課堂互動交流，不同觀點相互碰撞與切磋，激發學生的學習趣味性、主動性與積極性，充分調動學生的參與意識與創新欲望，再配以教師的總結與點評，可強化理論知識、活躍課堂氣氛，也提高了教學質量。這種教學方式勢必增加教師教學的動力和壓力，鞭策教師勤于學習，不斷更新知識，提高講課技能；同時，這種教學方式也使學生能夠感受到學習的樂趣和師生間的平等關系，增進師生之間的交流，提高了教學效果。
4.采用案例教學法
在大部分基本理論內容講授后，可針對工程中的實際相關問題，開展案例教學，以增加學生對工程實際問題的分析能力與解決能力。例如，在講工質的通用熱力性質這一章后，針對實際氣體混合物的配制計算問題進行案例教學。通過該案例教學，學生不僅能綜合應用所學的理論知識，還可掌握該類問題的理論分析與計算方法，對今后工作中涉及這方面問題打下深刻烙印。又如，在講述完化學熱力學內容后，針對本校專業特點，可針對發動機的實際問題進行案例教學，強化了運用熱力學基本理論對工程實際問題進行分析的能力，對學生在研究生論文中進行理論分析也有一定指導意義。
5.采用“雙5教學法”
“雙5教學法”是指在課堂教學上充分利用“起始5分鐘教學法”及課堂教學“最后5分鐘教學法”。任課教師可充分有效地利用課堂教學“開始5分鐘教學法”，在課堂教學剛開始的5分鐘內對上節重點內容進行總結、回顧，把學生的思維及注意力轉移到本門課程上來，同時注意對相關內容的上下銜接，對本節內容起到拋磚引玉的作用。
在以教師教、學生聽為主，涉及重點、難點問題的課堂精講教學過程中，課堂最后5分鐘也十分關鍵。在這有限的5分鐘內，教師不僅可進行總結、布置討論題，還可以采用“答題交條”的方式以激發學生的興趣與注意力?！按痤}交條”就是教師出一道涉及本節課程內容的比較重要的、或易出錯的、或趣味性的簡答題，要求學生把問題的答案、姓名與學號寫在一個小紙條上，并在離開教室前交到老師手中?！按痤}交條”意義有三：首先，可充分利用最后的5分鐘，強調本次課程的重點內容或易出錯的地方，或增加教學內容的趣味性；其次，可初步了解學生對相關知識的掌握程度；最后，該方式可作為一種點名手段，考查學生的出勤情況。學生答案的正誤、出勤都作為學生平時成績的一部分，同時對學生上課認真聽講有促進作用，一舉多得。
例如，在講完“焦耳—湯姆孫系數”這節后，若能抽出課堂最后5分鐘，可出一道關于“水蒸氣絕熱節流后的溫度變化趨勢”問題，以強化生活及工程中水蒸氣節流現象的特征。又如，在講過理想氣體性質后可出一道“若一個門窗開著的房間室內空氣的壓力不變而溫度升高了，問室內空氣的比熱力學能及總熱力學能將發生怎樣變化”的簡答題，以增加教學趣味性，培養學生從熱力學角度分析周圍的事物與現象。
二、課外的綜合能力提升
為了提升學生的綜合素質，激發學生學習的積極性，拓寬學生學習的興趣，課外綜合能力的培養也尤為關鍵。“高等工程熱力學”課程的課外教學實踐模式，不僅強化了學生所學的理論知識，更重要的是培養了學生解決問題的能力，鍛煉了學生的表達能力，提高學生的綜合素質。
1.開展換位教學
該換位教學以學生獨立自主學習為前提，結合課程相關內容，通過學生查閱資料、獨立鉆研和認真思考，獨立完成換位教學的匯報材料（如講稿、ppt）并進行匯報，從而鍛煉學生對所研究素材的自學、整理能力及表現能力。
2.寫課程總結
課程總結在課程開始時先布置下去，在課程結束后要求每位學生對所學課程的基本理論知識、難點、重點及學習心得進行總結，以文字的形式上交。該課程總結表面上是讓學生對所學知識的進一步整理，實質上是學生在整理過程中的進一步強化吸收過程。另外，通過學生的心得體會，教師還可以發現本輪課程教學中的不足，以便今后更好地完成該課程的教學工作。
3.鼓勵學生進行創新性實驗項目
學生根據所研究方向，選定或獨創一個與課程相關的實驗項目，進行試驗的可行性調研與分析。若試驗條件具備、方案可行，則要獨立準備及開展實驗，并以實驗教師的身份對同學進行講解，最后要寫出實驗報告或實踐總結報告。
三、改革課程教學評價方法
通過近幾年逐步在“高等工程熱力學”中開展課程教學改革，新的課程評價體系也逐步建立，使教學評價上完成從“一張試卷定高下”到按學生在課堂內外的實際表現和能力來綜合評定成績的轉變。該課程的教學效果評價分為基本理論知識的考核與學生對知識的綜合運用能力、綜合素質的提高等方面。課堂基本理論知識的評價通過考試的方式進行，占總成績的50％；綜合素質考評，占總成績的50％，依據學生的學習態度、完成作業、課堂討論及換位教學情況、學生的課程總結報告及創新性實驗的論證、準備、操作、報告等內容綜合評定。
關鍵詞:梯度功能材料,復合材料,研究進展
TheAdvanceofFunctionallyGradientMaterials
JinliangCui
(Qinghaiuniversity,XiningQinghai810016,china)
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是現代科學技術和社會發展的三大支柱。現代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學的發展。對材料,特別是對高性能材料的認識水平、掌握和應用能力,直接體現國家的科學技術水平和經濟實力,也是一個國家綜合國力和社會文明進步速度的標志。因此,新材料的開發與研究是材料科學發展的先導,是21世紀高科技領域的基石。
近年來,材料科學獲得了突飛猛進的發展[1]。究其原因,一方面是各個學科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實驗技術;另一方面是實際應用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實際生產應用問題而產生的一種新型復合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領域，所以它是近年來在材料科學中涌現出的研究熱點之一。
1FGM概念的提出
當代航天飛機等高新技術的發展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當航天飛機往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數，其表面溫度高達2000℃。而其燃燒室內燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內外要承受高達1000K以上的溫差,傳統的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數和熱應力的差別較大,很容易在相界處出現涂層剝落[3]或龜裂[1]現象，其關鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規耐熱材料的不足，日本學者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續變化的組分梯度來代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應力降至最小[3],如圖1所示。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機輔助材料設計為基礎，采用先進復合技術，使構成材料的要素（組成、結構）沿厚度方向有一側向另一側成連續變化，從而使材料的性質和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分類
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續變化的特點如圖2,因此它能有效地克服傳統復合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統復合材料相比FGM有如下優勢:
1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結強度;
2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應力和熱應力;
3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點以及應力自由端點的應力奇異性;
4)用FGM代替傳統的均勻材料涂層,既可以增強連接強度也可以減小裂紋驅動力。
圖2
2.2FGM的分類
根據不同的分類標準FGM有多種分類方式。根據材料的組合方式，FGM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側到另一側呈梯度漸變的結構材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據不同的梯度性質變化分為密度FGM，成分FGM，光學FGM，精細FGM等[4]；根據不同的應用領域有可分為耐熱FGM，生物、化學工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3FGM的應用
FGM最初是從航天領域發展起來的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發現利用組分、結構、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,并可望應用于許多領域。FGM的應用[8]見圖3。
圖3FGM的應用
功能
應用領域材料組合
緩和熱應
力功能及
結合功能
航天飛機的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機械部件
耐熱性機械部件
耐蝕性機械部件
加工工具
運動用具:建材陶瓷金屬
陶瓷金屬
塑料金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石金屬
碳纖維金屬塑料
核功能
原子爐構造材料
核融合爐內壁材料
放射性遮避材料輕元素高強度材料
耐熱材料遮避材料
耐熱材料遮避材料
生物相溶性
及醫學功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關節
人工內臟器官:人工血管
補助感覺器官
生命科學磷灰石氧化鋁
磷灰石金屬
磷灰石塑料
異種塑料
硅芯片塑料
電磁功能
電磁功能陶瓷過濾器
超聲波振動子
IC
磁盤
磁頭
電磁鐵
長壽命加熱器
超導材料
電磁屏避材料
高密度封裝基板壓電陶瓷塑料
壓電陶瓷塑料
硅化合物半導體
多層磁性薄膜
金屬鐵磁體
金屬鐵磁體
金屬陶瓷
金屬超導陶瓷
塑料導電性材料
陶瓷陶瓷
光學功能防反射膜
光纖;透鏡;波選擇器
多色發光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半導體
稀土類元素玻璃
能源轉化功能
MHD發電
電極;池內壁
熱電變換發電
燃料電池
地熱發電
太陽電池陶瓷高熔點金屬
金屬陶瓷
金屬硅化物
陶瓷固體電解質
金屬陶瓷
電池硅、鍺及其化合物
4FGM的研究
FGM研究內容包括材料設計、材料制備和材料性能評價。FGM的研究開發體系如圖4所示[8]。
設計設計
圖4FGM研究開發體系
4.1FGM設計
FGM設計是一個逆向設計過程[7]。
首先確定材料的最終結構和應用條件,然后從FGM設計數據庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結構,以及制備和評價方法,最后基于上述結構和材料組合選擇,根據假定的組成成份分布函數,計算出體系的溫度分布和熱應力分布。如果調整假定的組成成份分布函數,就有可能計算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應力分布,此時的組成分布函數即最佳設計參數。
FGM設計主要構成要素有三:
1)確定結構形狀,熱—力學邊界條件和成分分布函數;
2)確定各種物性數據和復合材料熱物性參數模型;
3)采用適當的數學—力學計算方法,包括有限元方法計算FGM的應力分布,采用通用的和自行開發的軟件進行計算機輔助設計。
FGM設計的特點是與材料的制備工藝緊密結合,借助于計算機輔助設計系統,得出最優的設計方案。
4.2FGM的制備
FGM制備研究的主要目標是通過合適的手段,實現FGM組成成份、微觀結構能夠按設計分布,從而實現FGM的設計性能?？煞譃榉勰┲旅芊?如粉末冶金法(PM),自蔓延高溫合成法(SHS);涂層法:如等離子噴涂法,激光熔覆法,電沉積法,氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD)和化學相沉積(CVD);形變與馬氏體相變[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設計的梯度成分成形,然后燒結。通過控制和調節原料粉末的粒度分布和燒結收縮的均勻性,可獲得熱應力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比較簡單的FGM部件,但工藝比較復雜,制備的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的燒結法有常壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結及反應燒結等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設備簡單、易于操作和成本低等優點,但要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進行嚴格控制。國內外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis簡稱SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前蘇聯科學家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應時,發現的一種合成材料的新技術。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學反應,此后化學反應在自身放熱的支持下,自動持續地蔓延下去,利用反應熱將粉末燒結成材，最后合成新的化合物。其反應示意圖如圖6所示[16]：
圖6SHS反應過程示意圖
SHS法具有產物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點。并且適合制造大尺寸和形狀復雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應的材料體系,金屬與陶瓷的發熱量差異大,燒結程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機械強度較低。目前利用SHS法己制備出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3噴涂法
噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝,適用于形狀復雜的材料和部件的制備。通常,將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內,并在熔化的狀態下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層?？梢酝ㄟ^計算機程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設計所要求的梯度分布函數。這種工藝已經被廣泛地用來制備耐熱合金發動機葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等離子噴涂法(PS)
PS法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物,形成等離子體,其溫度高達1500K,同時處于高度壓縮狀態,所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達1.5km/s。原料粉末送至等離子射流中,粉末顆粒被加熱熔化,有時還會與等離子體發生復雜的冶金化學反應,隨后被霧化成細小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結,形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調節等離子射流的溫度及流速,即可調整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優點是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無需燒結,不受基體面積大小的限制,比較容易得到大面積的塊材[10],但梯度涂層與基體間的結合強度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
圖7PS方法制備FGM涂層示意圖[17]（a）單槍噴涂（b）雙槍噴涂
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是將預先設計好組分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便會產生用B合金化的A薄涂層,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復以上過程,就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強劑熔覆金屬獲得了梯度多層結構。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數量和厚度,以及熔區的深度來獲得,熔區的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能,但由于激光溫度過高,涂層表面有時會出現裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發生化學反應[10]。采用此法可制備Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
圖8同步注粉式激光表面熔覆處理示意圖[18]
4.2.3.3熱噴射沉積[10]
與等離子噴涂有些相關的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過將增強粒子注射到金屬流束中,這種工藝已被推廣到制造復合材料中。陶瓷增強顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態,混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復合材料。在噴涂沉積過程中,通過連續地改變增強顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產生梯度6061鋁合金/SiC復合材料?？梢允褂脽岬褥o壓工序以消除梯度復合材料中的孔隙。
4.2.3.4電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中,通過注入另一相的懸浮液使之混合,并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃,涂層的主要材料為TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層,以改變固體材料的表面特性,提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學功能、熱物理性能,該工藝由于對鍍層材料的物理力學性能破壞小、設備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產成本低廉等顯著優點而備受材料研究者的關注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5氣相沉積法
氣相沉積是利用具有活性的氣態物質在基體表面成膜的技術。通過控制彌散相濃度,在厚度方向上實現組分的梯度化,適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜,與基體結合強度低、設備比較復雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機理的不同分為物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)兩類。
化學氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質源輸送到反應器中進行均勻混合,在熱基板上發生化學反應并使反映產物沉積在基板上。通過控制反應氣體的壓力、組成及反應溫度,精確地控制材料的組成、結構和形態,并能使其組成、結構和形態從一種組分到另一種組分連續變化,可得到按設計要求的FGM。另外,該法無須燒結即可制備出致密而性能優異的FGM,因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應物的形成；氣相反應物傳輸到沉積區域；固體產物從氣相中沉積與襯底[12]。
物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質,使其蒸發為氣相,然后沉積于基材上,形成約100μm厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD法的特點是沉積溫度低,對基體熱影響小,但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形變與馬氏體相變[8]
通過伴隨的應變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個附加的被稱作“相變塑性”的變形機制。借助這種機制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內,可以通過施加應變(或等價應力)梯度,在這種材料中產生應力誘發馬氏體體積分數梯度。這一方法在順磁奧氏體18-8不銹鋼(Fe-18%,Cr-8%Ni)試樣內部獲得了鐵磁馬氏體α體積分數的連續變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍,但能提供一個簡單的方法,可以一步生產含有飽和磁化強度連續變化的材料,這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應用前景。
4.3FGM的特性評價
功能梯度材料的特征評價是為了進一步優化成分設計,為成分設計數據庫提供實驗數據,目前已開發出局部熱應力試驗評價、熱屏蔽性能評價和熱性能測定、機械強度測定等四個方面。這些評價技術還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等基礎性的工作上[7]。目前,對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機械性能進行評價[8]。目前,日本、美國正致力于建立統一的標準特征評價體系[7~8]。
5FGM的研究發展方向
5.1存在的問題
作為一種新型功能材料,梯度功能材料范圍廣泛,性能特殊,用途各異。尚存在一些問題需要進一步的研究和解決,主要表現在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設計的數據庫（包括材料體系、物性參數、材料制備和性能評價等）還需要補充、收集、歸納、整理和完善；
2）尚需要進一步研究和探索統一的、準確的材料物理性質模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結構以及制備條件的定量關系，為準確、可靠地預測梯度材料物理性能奠定基礎；
3）隨著梯度材料除熱應力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設計體系，為梯度材料在多方面研究和應用開辟道路；
4）尚需完善連續介質理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結構模型，并借助計算機模擬對材料性能進行理論預測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結構簡單,還不具有較多的實用價值;
6)成本高。
5.2FGM制備技術總的研究趨勢[13、15、19-20]
1）開發的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術；
2）開發大尺寸和復雜形狀的FGM制備技術；
3）開發更精確控制梯度組成的制備技術（高性能材料復合技術）；
4）深入研究各種先進的制備工藝機理，特別是其中的光、電、磁特性。
5.3對FGM的性能評價進行研究[2、13]
有必要從以下5個方面進行研究：
1）熱穩定性，即在溫度梯度下成分分布隨時間變化關系問題；
2）熱絕緣性能；
3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；
4）抗極端環境變化能力；
5）其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學性能和磁學性能等
6結束語
FGM的出現標志著現代材料的設計思想進入了高性能新型材料的開發階段[8]。FGM的研究和開發應用已成為當前材料科學的前沿課題。目前正在向多學科交叉,多產業結合,國際化合作的方向發展。
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傳統研究生實驗教學的學術化和程式化培養方案，嚴重制約學生的實踐能力。該文從現代化學分析技術課程教學及研究生培養的現狀出發，以學生研究前沿的文獻資料作為新的教學內容，利用實驗室的先進儀器，組織學生自帶樣品進行測試，采集并解析圖譜，建立教學案例(卡片庫)。該課程教學內容及教學方法的改革，有利于提升研究生的創新意識，增進其操作技能，為后續科研論文的順利開展奠定基礎。
關鍵詞
現代化學分析技術;研究生培養;實驗教學改革;能力
研究生實驗教學是高等教育人才培養體系中必不可少的一個環節。傳統的研究生實驗教學培養方案，通常采用已有的學術研究成果，進行驗證式實驗教學，并按照實驗教材的順序程式化進行。這種實驗教學模式，內容乏味，很難提高學生學習的興趣和實踐能力。研究生實驗教學的目標是培養學生的實踐動手能力，提升學生的創新激情，進而培養其獨立自主的創新能力［1－2］。因此，需對其現有實驗教學模式進行大膽改革。華南理工大學十分重視研究生實踐能力的培養，提高研究生動手能力，自2010年起，獨立設置了化學類研究生2個學分的選修課———“現代化學分析技術”課程。該課程作為現代物質結構分析的一個重要手段，在各領域中得到了廣泛的應用，已成為鑒定各種化合物以及測定其結構的最常用方法。通過該實驗課程的學習，極大地提升了學生對學科前沿知識的認知，培養了學生的實際操作技能，同時為其后期的科研論文的順利實施打下了良好的科研基礎。本文闡述了在該課程教學改革方面的探索與認識。
1化學研究生創新實踐現狀
1.1現代化學分析技術課程現狀
在國內外，“現代化學分析技術”通常作為化學、化工、生命科學、材料科學、環境科學、醫藥食品等諸多領域的碩士研究生專業基礎課。一般側重介紹光、電、色、磁等物理化學方法基礎理論知識;通過授課培訓、實際操作等方式，向學生講解每一臺儀器設備的基本內容，讓學生在較短的時間內了解儀器設備構成，培養學生獨立操作如核磁共振儀、X－射線衍射儀等貴重儀器設備的能力，為其從事科研工作打下堅實的基礎。在華南理工大學，現代化學分析技術課程作為化學與化工學院碩士研究生的學位選修課，是圓滿完成碩士學位論文的基礎。目前，開設該課程的專業主要有:有機化學，應用化學，分析化學，無機化學，物理化學，化學工程等。自2010年開設以來，該課程深受各相關專業碩士生的歡迎與好評(每學期約有60位研究生選修)，同時吸引了本院和外院的博士生來旁聽。甚至有許多學生是帶著科研任務中遇到的實際問題來聽課和參與討論的。該課程的開設，不僅幫助學生解決實際科研中存在的諸多問題，而且能大大提升學生利用現代化學分析方法和技術解析化合物結構的能力。
1.2化學研究生實驗平臺現狀
當前，隨著全國研究生招生規模的不斷擴大，高等學校發展層次不平衡。如“985”“211”學校，教育部及地方投入了大量的資金，構建了一流實驗平臺，并從國內外引進大量的高素質、高水平科研人才，為研究生創新平臺的建設、研究生創新能力的培養打下良好的基礎;而普通高等院校，由于財力的原因，實驗設施簡陋、老化，很難適應現代實驗分析的需求;研究生導師自身因為科研資金有限，導致研究生從事一些低水平、重復性的科研工作，這不僅浪費人才資源，同時使學生實踐能力、創新能力的培養大打折扣。另一方面，當前研究生教育只重視傳授基本理論和方法，較少關注現代技術的不斷創新和根據研究生導師的研究方向、結合研究前沿進行創新實驗教學。學生常常只是依照老的實驗教材，進行驗證式的實驗操作，不僅適應不了現代化學實踐的需要，而且對學生創新興趣、創新能力的培養產生消極影響?；诨瘜W分析與實驗技術在現代相關領域研究中所起的重要作用，結合我校實際情況，并從化學化工、生命科學、材料科學、環境科學、醫藥食品等相關專業的發展趨勢來看，迫切需要加強研究生現代化學分析技術課程的改革，建立其大型儀器測試創新實踐基地。
2化學研究生創新實踐教育舉措
2.1推動教學內容和教學方法的創新
化學分析方法發展迅速，教學應該引入最新知識。當今社會，科學技術不斷進步，科研成果不斷涌現。與此相對應，現代分析儀器日新月異，分析手段不斷創新，因此，二者有機結合，就能快速、有效地推動研究生的認知能力、并提升其研究水平。為適應新發展，“現代化學分析技術”課程教學應該以導師的研究方向為指導，以最新相關文獻、資料等為教學內容，建立新的分析方法，使學生初步掌握現代儀器的基本原理、操作規程及步驟，以及對實驗結果的分析和判斷，培養學生解決實際問題的能力，為學生從事后期科研論文的工作打下堅實基礎。教師結合本校相關領域的課題，整理和收編科研實踐中的譜圖以及采集和解析譜圖的經驗，建立相關教學案例(卡片庫)，使學生有更多機會進行有效的實例演習，以提升學生解決實際科研中所遇到問題的能力。“現代化學分析技術”課程不能囿于現有教學模式，但又不能完全脫離。在理論教學上需重視教學內容的新穎性、先進性，在實踐教學上需結合現代儀器的新特點、新方法，是一種全新新型教學模式。該課程共開設32學時，其中，教師課堂理論講授16學時;設計性、創新性實驗16學時。課堂講授包括:大型儀器實驗室安全及現代化學分析技術現狀與發展趨勢(2學時);紫外、紅外光譜儀(2學時);氣相、氣－質聯用儀(2學時);離子色譜、高效液相色譜儀(2學時);原子吸收、等離子體原子發射儀(2學時)，熱重差熱聯用熱分析儀(2學時);粒度儀、X－射線衍射儀(2學時)，以及核磁共振儀(2學時)。在16學時的設計性、創新性實驗中，著重加強實踐教學，提高學生綜合技能的培養。由于X－射線衍射儀和核磁共振儀的價格比較昂貴，在國內多數開設的儀器分析課程中，甚至學生在實際科研中，學生沒有機會動手操作這些貴重儀器。而在國外，這些儀器對研究生，甚至本科生都是開放的。為了提高本校研究生的綜合技能和素質，該課程利用化學與化工學院的資源，組織學生帶上自己科研中的樣品進行操作培訓，采集樣品圖譜。在教師的現場指導下，學生能快速掌握從選擇合適的分析方法，準備樣品，采集圖譜，處理數據到最后解析圖譜的一般程序。研究生實驗教學實施5年來，取得了較好的教學效果。如核磁共振儀，學生學會了利用Mestrenova譜圖處理軟件處理核磁原始數據的能力，運用ChemDraw進行譜圖模擬、進而進行譜圖解析的能力，使學生深刻認識到二維譜圖在結構鑒定中的重要作用，提高了學生譜圖分析和解釋問題的能力。
2.2推動大型儀器測試創新實踐基地建設
近年來，為適應新形勢發展，國內各高校紛紛投入巨資建設新型實驗教學實踐基地，積極開展科技創新活動，為研究生實驗教學新模式提供創新平臺［3－5］。實驗室經過學校多年的財經投入，擁有了一批先進的大型儀器設備，為廣大教師、研究生科學研究和實驗教學建立了較好的測試創新實踐基地。該基地的大型儀器設備主要包括:用于樣品結構和組成表征的紅外、紫外、核磁共振儀、X－射線衍射儀、等離子體原子發射光譜儀、離子色譜儀等;用于樣品高效分離的氣相色譜－質譜聯用儀、高效液相色譜儀等;以及樣品熱物性、粒度、電性分析的熱重－差熱聯用分析儀、粒度儀、電化學工作站等。多年來，這些大型儀器設備一直向廣大師生開放，實現科學、規范地為教學科研服務，取得了豐富的科研成果［6－7］。依托該實驗平臺，教師不斷地豐富實驗教學內容，提高實驗教學工作水平;學生依據其研究方向、結合學術前沿，進行相關內容、產品的測試，不僅為其后期研究課題的選題打下良好的科研基礎，而且通過課程實踐，極大地提升了學生對相關儀器設備的自主學習能力、動手操作技能，培養學生的觀察力、開拓創新意識，提高創新水平。借助該實驗平臺，教學與科研有機融合，完善了人才培養方式與創新教育模式。創新型化學研究生的培養，不僅能為研究生解決實際科研問題、提升學生動手能力、創新能力，而且隨著大型儀器創新平臺合理利用，將為社會提供更多的創新性科研專門人才，產生巨大的經濟效益和社會價值。以信息工程學院核磁共振儀為例，隨著核磁共振儀的開放共享，為學院化學、化工學科、特別是化學的發展帶來了質的飛躍。如核磁共振儀自2010年開放使用至今，幾乎滿負荷運轉，使用機時數達4.6萬，測試樣品數約15萬個，發表SCI一區TOP科研論文達80余篇，外部專用索引(ESI)進入國際前1，為我院化學學科首次進入世界大學前200強做出了應有的貢獻。
2.3提高學生綜合素養和擇業水平
目前，化學研究生擇業的主要方向為化學、化工相關企業、科研機構及高等院校等。這些行業考察并接納學生的主要依據就是學生的綜合素質及科研能力。如結合導師研究方向和科學前沿，學生能獨立開展文獻檢索，并能初步提出科學問題;學生在教學實踐中養成良好的實驗觀察、數據記錄習慣;培養學生團結協作、實事求是的科研作風等;科研素質提升的外在表現就是學生科研能力的提高。如查閱文獻、提高科技英語閱讀、寫作的能力;學生在測試過程中觀察能力、分析能力、特別是動手能力的培養;撰寫實驗報告的能力等?，F代社會是知識經濟和市場經濟的有機融合?；瘜W研究生為適應這個開放、現代、繁榮的社會，順應這個發展潮流，需提升自己的綜合素養和技能，使自己在將來的擇業上立于不敗之地。華南理工大學為化學研究生開設的新型化學實驗課程教學，就是為學生后期順利開展研究課題提供預演。學生借助新型實驗教學實踐平臺，進行獨立上機操作，不僅能驗證實驗測試原理、測試方法及測試步驟，更能培養掌握和操作大型儀器設備的技能，掌握現代先進儀器的檢測手段，為將來走向工作崗位打下堅實的基礎［8－10］。
3結束語
研究生是我國發展生產力、進行科技攻關的主力軍?；瘜W研究生是化學、化工、材料、環保等領域的中堅。傳統實驗教學模式已無法適應這變化多端、日新月異的科學社會。因此，對現有實驗教學內容和方法的改革勢在必行。化學實驗教學改革立足學術前緣、結合導師的研究方向，以高?，F代先進儀器設備作為教學平臺，通過獨立上機的操作方式、結合課堂理論，培養學生獨立從事科學研究的能力，提升學生從事科學研究的綜合素養，形成了以學生為主體的實踐教學模式［11－12］。為學生更好地融入創新型社會打下牢固的基礎。
作者：梁向暉 鐘偉強 毛秋平 單位：華南理工大學化學與化工學院
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摘要傳統建筑學專業以設計為主導的教學模式，往往重藝術、輕技術，重形態分析、輕客觀量化，這與當今社會倡導建筑節能和可持續發展背道而馳。筆者嘗試挑戰傳統的建筑教學模式，從技術理論教學中引入綠色建筑設計，并在綠色設計中強調計算機能耗模擬技術等一系列量化分析手段。然而，筆者發現以建筑技術理論為主導的綠色建筑設計，學生往往重技術而輕藝術，特別是過分注重計算機能耗模擬分析，反而忽略建筑設計這一根本。論文分析造成這種問題的主觀和客觀原因，以期實現技術與藝術更好地結合。
關鍵詞建筑技術；教學改革；綠色設計；理論教學
引言
綠色建筑無疑是未來建筑發展的一個重要趨勢。然而，我國傳統的以建筑設計為主導的建筑教學中，都會偏重建筑的藝術性，忽視技術性，重主觀分析，輕客觀量化[1、2]。這就造成建筑師對技術的漠視和生疏，設計實踐中建筑設計構思與綠色技術策略脫節；即使那些做了些綠色設計的方案，也很少能夠進行量化分析。眾所周知，缺乏數據支持的綠色設計很難做到真正的節能。此外，一些建筑師雖然采用了計算機能耗模擬分析，但對數值分析結果知之甚少，無法將分析與設計相關聯[3]。如果不正視這些問題，這些綠色建筑設計就會陷入對形式的操弄和概念把玩中，走向“偽綠色”和“反生態”[4]。作為培養未來建筑師搖籃，大學建筑教育在灌輸技術理論知識和綠色建筑設計理念方面責無旁貸。盡管我國高校建筑學系近些年來一直倡導綠色和可持續建筑教育，但我國大部分建筑學專業采用傳統的線性教學模式[5]，即將建筑技術理論和建筑設計分成涇渭分明的兩條線，建筑技術課程在內容上偏重技術理論知識，枯燥深奧，與建筑實踐聯系較少，而在師資配備上往往選擇純技術背景的教師，由于不具備建筑設計背景，這些教師很少能將技術理論與建筑設計結合講解，就更別提讓學生將所學的技術理論應用到建筑設計之中[6、7]。筆者自2010年起在南京大學建筑與城市規劃學院教授建筑學三年級本科的建筑技術課程。為改變當前現狀，筆者嘗試從建筑技術理論教學中引入綠色建筑設計，并在設計中強調計算機能耗模擬技術等一系列量化分析手段。筆者的教改無疑讓建筑學學生更為重視技術理論和綠色建筑理念，然而卻出現了一些值得探討的問題，即學生往往過分重視理論和量化分析，忘記了建筑設計這一根本。論文分析造成這些問題的主、客觀原因，并希望拋磚引玉，來引導和促進我國建筑技術課程的全面改革和創新。
1教學調整
筆者所教授的建筑技術課程有兩門—‘建筑技術II-建筑聲、光、熱’和‘建筑技術III-建筑設備’，這兩門都為技術核心課。前者為建筑學傳統的‘建筑物理’，主要學習建筑熱工、光學、聲學中的概念和原理，以及一些基本的節能知識。后者為‘建筑設備’課程，主要介紹建筑給排水系統、采暖通風與空氣調節系統、電氣工程的基本理論、知識和技能。這兩門課的主要特點是技術理論性強，學科跨度大，知識點多，涉及面廣。為了使這兩門課程能夠更能適合當代綠色和可持續建筑發展，筆者在教學內容上做了以下調整和修改：（1）大量介紹綠色建筑優秀設計案例。除基礎技術理論教學外，筆者介紹了大量的優秀綠色建筑設計。比如以倫佐•皮亞諾所設計的Tjibaou文化中心，來講解如何利用當地氣候特點來進行被動節能設計。在講解建筑如何適應干熱和濕熱這兩種不同氣候特點時，以不同地域的當地民居為著眼點，從整體規劃到單體建筑的設計案例來分析如何通過設計來應對不同的環境。（2）強調主動和被動節能設計的有機結合。被動節能設計強調的是建筑對氣候和自然環境的適應，特別是在減少甚至是不依賴主動節能設備的情況下，通過建筑設計手段來創造較為舒適的建筑物理環境，這對于建筑學學生尤為重要。但同時隨著建筑技術的發展，也不可能忽視建筑設備在建筑設計中所占的地位。筆者以ReynerBanham的《ArchitectureoftheWell-temperedEnvironment》一書為基點[8]，講解現代建筑技術如何影響和改變現代建筑設計和理念，幫助學生重視被動節能設計的同時，也要兼顧主動建筑節能設計。（3）注重大建筑環境的整體可持續發展。美國綠色建筑委員會（U.SGreenBuildingCouncil）建立并推行的LEED評估體系（LeadershipinEnergyandEnvironmentalDesign），對城市生態和基地的自然保護非常重視，特別是建筑節水和水循環利用方面，但相關知識在我國建筑學教育中卻相對薄弱，僅在建筑設備教材中介紹了一些設備節水和中水處理的基礎理論知識。對于如何通過利用規劃和設計來綜合考慮雨水收集、廢水利用等則是完全沒有涉及。為了增強這方面的知識，筆者引入了與建筑與景觀設計最為密切的LID技術。LowImpactDevelopment（英文簡稱：LID）技術是20世紀90年代末發展起的暴雨管理和面源污染處理技術，和傳統的技術如濕地、滯留塘、草溝等不同的是LID技術是通過分散的，小規模的源頭控制來達到對暴雨所產生的徑流和污染的控制，使開發地區盡量接近于自然的水文循環[9]。LID技術所涵蓋的內容包括：城市自然排水體系、雨水花園、生態滯留草溝、綠色街道、可滲透路面、生態屋頂、雨水再生系統等都一一被介紹到，與LID技術相關的各種網站也都提供給學生[10]。（4）強化量化分析的意識和手段。我國綠色建筑節能設計面臨另一個重大問題是缺乏量化分析，而真正的綠色設計往往需要客觀數據的支持，只有通過對其綠色設計的定量評價，才具有可信性與科學性。為加強量化分析手段，筆者將Autodesk公司的Ecotect這一能耗模擬軟件引入到建筑技術課程中。Ecotect具有較全面的整體環境分析手段，可以對建筑物的朝向、立面、空間劃分等進行能耗比較分析。根據以往經驗，筆者在教授過程中會一再強調計算機模擬軟件的優劣性，以及如何解讀模擬結果。此外，筆者還組織學生進行實地參觀和測量、邀請校外專家進行專題講座、參與各種綠色設計競賽等一系列方式來加深和拓寬學生對綠色建筑理念的認識。
2綠色設計
為了讓建筑技術理論更好地與建筑設計相結合，筆者取消了與設計課脫節的作業和理論知識考試，而是布置了一個既有建筑的綠色節能改造設計。選擇既有建筑可以讓學生掌握建筑技術的實踐知識，而專項設計不僅可以節省設計時間，還能使設計課題更具有針對性。既有建筑的綠色節能改造設計分成兩部分。首先是實地考察該建筑的現狀，以小組為單位選擇一個中型公共建筑，實地測量和評估該建筑的聲、光、熱物理環境現狀，此外還要求學生去調查建筑的用水量、照明和設備用電量等能耗信息。在此基礎上，就是針對改建筑進行綠色節能改造設計。設計要求是可以不考慮改造室內平面布局和建筑物整體結構的情況下，根據當地地理、氣候特點，進行可持續再利用改造，如增加遮陽、綠色屋面（屋頂花園）、垂直綠化、被動和主動太陽能利用、雨水回收及再利用、固體垃圾分類處理等。為配合課程需要，設計還要求學生研究一些基礎的節能設計手段，如改變既有建筑的窗墻比、增加遮陽、利用自然通風等，或改善建筑圍護結構的保溫隔熱性能等手法，進行節能優化設計。盡管要求學生利用計算機能耗模擬分析等手段，定量研究不同的綠化節能設計，并進行方案優化比較，但也說明如果某些綠色節能設計較難進行定量分析，可采用概念設計，但需要有設計詳圖和一定的文字進行補充說明。筆者希望以建筑技術理論為主導的綠色建筑設計，可以改變建筑系學生重藝術而輕技術，重形態分析而輕客觀量化的問題。然而兩年的教改實驗結果卻令人失望，學生的綠色設計走向令一個極端。盡管也有一些優秀的綠色設計出現（圖1），但大部分學生在綠色節能改造設計中過分看重技術和客觀量化分析，反而忽略建筑設計這一根本，圖2為一個典型的學生作業。筆者發現很多學生將主要時間和精力集中在計算機能耗模擬分析上，在節能設計上大部分學生傾向于利用技術手段而不是設計手法，如采用先進的建筑保溫隔熱材料來減少建筑的能耗。盡管筆者在今年增加了強制性被動節能設計要求，但很多學生往往采用一些如增加遮陽設計，減少窗墻比等簡單的設計措施，真正好的綠色設計卻很少見。此外，就是深入設計問題，如在課程中介紹了LID技術后，很多學生都想到收集雨水，但大部分只是簡單地設計了一個雨水收集池，但卻沒有人能做進一步的考慮，包括如何處理收集來的雨水以及與周圍環境相配合等。
3分析與討論
表1是筆者對2014、2015年度65名南大建筑學系三年級學生的綠色節能改造設計的分析總結。從表1可以看出大部分學生雖然掌握了建筑節能相關的理論知識，卻沒有很好的運用于建筑設計中。從分析中可以發現有70%學生雖然提出了一些綠色節能概念，但有半數停步在簡單的綠色節能概念運用上，有些對綠色節能改造設計做了嘗試，但卻不知道如何深化自己的設計。一般而言，設計能力較強的學生在作業中表現地較好，無論是在設計創意、深化設、圖面表達上等都略勝一籌。造成課程設計的結果不盡人意存在著很多主觀和客觀原因，與普通的建筑設計課程相比，主要包括:（1）教學內容和方式的差異性。我國建筑學專業采用的傳統地線性教學模式，不僅使建筑技術理論課程與建筑設計課相脫節，也導致二者無論在教學內容還是教學方式上也有著本質的不同。我國技術理論課程的教學方式以老師授課為主，課堂時間即無法留給學生做設計，老師也無法指導設計。而建筑設計課程則是以學生自己動手做設計，老師的課堂時間主要是進行講解和修改。此外，教學內容的側重點也是不同，例如以綠色設計為主題的建筑設計課通常也是以建筑設計為主，綠色為輔，更多的強調建筑設計的合理性和藝術性。盡管筆者在技術理論課中大量引入和強調了綠色設計實踐，但課程內容的側重點還是基礎理論和專業技術知識，因而從建筑技術理論課中引入的建筑設計，課程內容側重點本身會給學生造成以技術為主的指向作用，因而在設計中自然而然會更強調技術。（2）設計命題的差異性。傳統的建筑設計課程，特別本科教學中的建筑設計課的命題往往針對某種類別的建筑進行設計，如學校、賓館或商業綜合體等。而本次課程設計則是問題化命題，即通過一個或幾個設計解決一個專業問題，這要求學生通過設計問題來學習相應的專業技術知識，再將知識融入到自己的設計之中。但顯然學生還不是很適應這種工作模式和思維方式。特別是選擇既有建筑進行節能設計改造，學生更覺得具有一定的局限性，因而限制了一些的學生設計構思。（3）數字技術教學需要進一步探討。無論是建筑設計課程還是技術課程都面對著同樣的問題，就是日新月異的數字化技術是一把雙刃劍，一方面它是一個功能強大的設計輔助手段，但另一方面它也僅僅是一個工具而已，因而有必要讓學生認識到數字技術本身的局限性以及其僅僅作為工具的特性[11]。尤其是當前的能耗模擬軟件，往往都是對先進設備和新材料進行更有效能的模擬，如將窗體從普通玻璃更換成LOW-E玻璃的節能效果要遠遠高于一些復雜而需要深入考慮的被動節能設計，學生就更傾向于簡單而效果相對較好的節能設計。此外，就是學生在學了計算機能耗模擬軟件后，往往會將多種能耗模擬分析結果作為設計主體。盡管筆者一直在做這方面的教學探索，但收效甚微。由此可見，將數字化技術較好的應用到建筑設計創作或量化分析上，需要一套從理論、方法到技術的完整教育體系，而這一新體系的建立可能需要花費很長時間的艱苦探索。結語如何將建筑技術與藝術完美的融合，一直是當前業界探討的問題。綠色節能建筑不是技術的自然生成，也不是形式和概念的把玩。建筑設計是基本要素，技術是不可缺少的手段，二者需要有機融合。筆者的教學探索表明建筑技術類課程需要一個全面的改革，傳統的課堂教學完全無法滿足培養綠色建筑設計人才的需要，筆者建議教學改革可以從以下三方面做起：（1）打破我國傳統專業教師和設計教師之間的壁壘。在這里可以借鑒香港大學的教學體制，即設計教師在教授設計課時，同時必須開設1-2門專業課（建筑技術、歷史、理論均可），從教師結構上創造專業課與設計課的結合環境，這樣學生在學習設計知識的同時，也會學到專業教師所側重的專業技術知識[12]。（2）打破建筑技術課和設計課程在教學上的壁壘。改革我國傳統建筑學線性教學結構，采用技術課程與建筑設計課程的交叉式教學，通過合理的設計課程安排，引導學生加強技術理論學習。（3）打破建筑技術課和設計課程在作業和評分上的壁壘。取消建筑技術課程的作業，而是結合設計課程的某個設計題目，通過給出的不同技術問題進行分項、分段設計和計分，而學生最終設計成果中包括相關課題的分項成果。筆者認為只有讓學生在設計中掌握技術理論知識的需求，在掌握理論知識后有用到設計中的動力，才是做好綠色設計的關鍵。失敗是成功之母，希望業內同行以此為鑒，共同探索建筑技術課程的全面教學改革，為我國培養出一代可持續發展型的設計人才。
作者：吳蔚
癡心報國不言悔
1982年9月，作為吉林省蛟河市偏遠山區農村中學的高中畢業生，張福成以優異的高考成績被燕山大學的前身――東北重型機械學院金屬材料專業錄取。大學期間，私下里他曾聽到一些同學對專業前景的“描繪”：畢業后只能到輔助部門工作，不僅沒有發展前途，而且將終日在粉塵和高溫的惡劣環境中工作。張福成卻認為，“行行出狀元”，只要是國家的發展建設需要，就不應計較個人的得失。尤其是他從專業課上得知：全世界每年因磨損就消耗掉200萬噸以上的奧氏體錳鋼。他越發堅定了努力學好專業知識，在金屬材料專業領域有所作為的堅定信念。從此，張福成便與耐磨材料結下了不解之緣。本科畢業論文的題目，他選的是耐磨材料方面的；碩士、博士研究生的研究方向，他仍選擇了耐磨材料。1986年本科畢業時，當時實行的是統招統分的政策，張福成在全專業四年總成績排名第一，但他毅然放棄了到北京和上海工作的機會。讀碩士和博士研究生時，他沒有選擇當時一些人趨之若鶩的熱門專業，也經受住了“下海經商”大潮的巨大誘惑，始終默默地在被有些人看不上眼的耐磨材料領域里上下求索，潛心鉆研，一點一滴地打下了堅實的專業基礎。
1986年，正在燕大讀研究生的張福成參與了碩士生導師鄭煬曾教授承擔的國家“七五”重點攻關項目“濕式中硬礦特大磨球機襯板材料的研究”的科研工作，也開始了他在耐磨材料領域不斷拼搏進取的科研生涯。研究耐磨材料需要經常做磨損試驗，試驗中作為磨料的石英石會產生大量的粉塵，長期在這種環境中工作容易得矽肺病。從1988年至1998年，張福成教授整整與石英石粉塵打了10年的交道，經常是每天1 O多個小時的磨損試驗一做就是半年。從事耐磨材料的研究，還要經常到工作環境惡劣的水泥廠、煉鋼廠和礦山做現場試驗，有時還要冒意想不到的風險。1994年的一天，張福成教授正在山東的一個鋼廠的煉鋼爐前作現場實驗，投入煉鋼爐的廢鋼鐵中混入了一發舊炮彈。若不是突然停電，張福成和同伴將面臨不堪設想的后果!從小在農村艱苦的勞動生活中磨煉出的堅強意志和吃苦耐勞的品格，使張福成在科研工作中遇到的各種困難面前總是從容不迫，知難而進。
22年來。正是憑著堅韌不拔的意志和科學的創新精神，張福成在耐磨材料領域的科研能力和水平不斷提高，并取得了豐碩的科研成果，從而奠定了他在我國耐磨材料領域中舉足輕重的地位。作為課題負責人或主要完成人。他先后完成了國家“七五”、“八五”攻關項目，國家“973”項目和省部級以上的科研項目二十多項。在耐磨材料的理論研究方面，他提出了“耐磨奧氏體錳鋼中合金元素原子呈短程有序偏聚分布”的理論，圓滿地解釋了學術界近百年來在奧氏體錳鋼研究領域中一直有爭議的一些理論問題，如加工硬化機制、耐磨機理及其中的應變誘發馬氏體相變機制等。根據這個理論，張福成教授又設計了新型耐磨材料――新型耐磨奧氏體錳鋼，其耐磨性比原普通高錳鋼提高1倍以上。這種新型耐磨材料已被全國的五十多家企業采用，用于制作球磨機襯板、鐵路轍叉、齒板、破碎篦、鏟齒和履帶板等各行業急需的耐磨零部件，累計為國家創造利稅6億元，取得了顯著的經濟和社會效益。這項成果先后獲得2002年國家科技進步二等獎，2000年中國高校科技進步一等獎。
隨著鐵路運輸事業的發展，高速、重載、跨區間無縫線路已成為發展的必然趨勢。這對鐵路轍叉的使用壽命和結構形式提出了新的更高的要求，然而，其中有許多技術問題十分棘手，它們已經成為鐵路運輸事業發展的瓶頸和障礙。
高錳鋼轍叉和高碳鋼鋼軌的焊接是我國鐵路實現全面提速的關鍵技術之一，國際上只有法國和奧地利擁有該項技術的發明專利。從1997年起，始終在耐磨材料領域不懈地探索的張福成教授又毅然承擔了國家科委重點攻關項目――“高速鐵路用高錳鋼轍叉與碳鋼鋼軌焊接”這一長期困擾著材料焊接領域發展和全國鐵路大提速的難題。此前，我國的幾十家科研單位曾進行了20多年的研究，但始終沒有取得突破性的成果。高碳鋼焊接要求緩冷，以防止熱影響區出現馬氏體和產生大的熱應力。然而，高錳鋼焊接卻要求快冷，以抑止奧氏體晶界的碳化物析出。否則會產生熱裂紋和韌性急劇下降的后果；同時，兩種材料的熱物理性能差異很大，直接焊接將導致接頭處產生很大的內應力，不僅降低接頭的強度和韌性，而且嚴重降低其疲勞壽命。因此，高錳鋼轍叉與高碳鋼鋼軌焊接技術一直是制約我國鐵路提速的難題之一。
在攻關的過程中，張福成教授查閱了國內外關于焊接技術的最新理論，做了上百次的等離子焊、鑄焊、氬弧焊等試驗，經過5年的反復研究后終于提出了利用材料性質梯度過渡的思路。并設計了一種物理性質和組織結構介于高錳鋼和高碳鋼之間的材料作為焊接材料，并優化出焊接速度快、自動化程度高、焊接質量穩定的閃光焊接方法作為高錳鋼轍叉與碳鋼鋼軌的焊接技術；同時對高錳鋼進行特殊的變質處理，降低晶界碳化物析出和液化裂紋形成的傾向，從而發明了高錳鋼轍叉焊接技術。高錳鋼轍叉焊接技術使高錳鋼轍叉使用壽命進一步提高60％以上，平均過載量從1.8億噸提高到3.0億噸以上，最高達到5億噸以上，減少了火車對鐵路路軌的沖擊。提高了鐵路路軌和火車的使用壽命。高錳鋼轍叉焊接技術的發明使我國成為世界上第三個自主擁有該項技術的國家，在我國鐵路全面提速中發揮了重要作用。與法國和奧地利兩個國家的技術相比，張福成教授發明的技術具有綜合成本低、工藝簡單和性能優異等特點。2001年，在秦嶺隧道建設項目驗收會上，鐵道部科技司的一位領導對參會的近百名鐵道部所屬院校和科研單位的科研人員講話時說“鐵路轍叉焊接項目，鐵道部曾經給一所大學和鐵道部研究部門800多萬元進行開發研究。最終沒有搞成，而只給了燕山大學12萬元，項目就搞成了，所以，今后我們要加強路內路外科研單位的項目合作?！辫F道部組織的成果鑒定委員會認為：這項成果“是我國高錳鋼與鋼軌焊接技術的重大突破”，“填補了國內空白，總體技術水平達到國際先進水平”，“它為實現我國高速、重載、跨區間無縫線路的技術跨越創造了條件”。這項技術在近幾年的國際招標中連續幾十次中標，已成為我國高錳鋼轍叉焊接采用的唯一技術，并在中鐵山橋集團有限公司投產，產品出口加拿大、澳大利亞、新西蘭、伊朗、印尼、委內瑞拉等十幾個國家和香港地區，僅高錳鋼轍叉一項年產值就達8000余萬元，出口創匯450萬美元。
近幾年來，繼發明高錳鋼轍叉焊接技術之后，張福成教授在鐵路轍又用材研究領域又連續取得了一系列新的研究成
果：純凈高錳鋼轍叉制造新技術、高錳鋼轍叉爆炸硬化技術、鍛造高錳鋼轍叉制造技術、含氮高錳鋼轍叉用鋼、高錳鋼轍叉與碳鋼鋼軌焊接材料及其制造技術、高錳鋼轍叉專用堆焊材料及其制造技術和鐵路轍叉用貝氏體鋼及其制造技術等。目前，這些新成果中的大部分已被應用在我國和外國的提速或高速鐵路線路中。
20多年來，張福成教授先后主持了二十幾項國家“七五”、“八五”攻關項目、國家“973”項目、國家自然基金項目、國家重點攻關項目、國家中小企業創新基金項目、鐵道部重點攻關項目和河北省自然基金項目，并在國內外學術刊物上100余篇，獲得國家發明專利16項。
嘔心瀝血培育創新型人才
在科研領域不斷勇攀高峰，取得累累碩果的同時，從1989年研究生畢業起就承擔教學任務的張福成教授也無愧于人民教師的光榮稱號。張福成教授認為，大學是培養創新型人才的搖籃，作為一名高校教師，在不斷地提高自身素質的同時，還應自覺主動地改革教學內容和教學方法。為社會培養出更多的高素質創新型人才。在長期的教學工作中，無論是對待本科生還是對待研究生，他都堅持高標準、嚴要求。他以嚴謹的治學態度和敢為人先的膽識，大膽地進行教學內容和方法的改革。在講授每一門專業課前，他都認真地查閱大量文獻資料。并結合自己的科研工作，把國內外最新的科研動態和成果寫進講義；講課時，他總是結合教學內容，毫無保留地把自己多年從事科研工作的成功經驗傳授給學生。為培養學生的科技創新能力，根據當代科技發展呈現多學科交叉的趨勢，結合學生的實際情況，張福成教授鼓勵、引導學生不斷拓展自己的知識面，使自己的視野更開闊，為走上工作崗位后的科技創新活動打下堅實的基礎。
根據自己多年從事創新性科研工作的切身體會，張福成教授十分重視培養學生的動手能力。在金相實驗技術課的教學中，他發現，長期以來，金相實驗技術課的教學一直沿用傳統的課堂講授為主、實驗教學為輔的方法，而忽略了金相實驗技術課是讓學生掌握金屬試樣的制備及組織分析方法，了解相關實驗設備的原理及應用技術的主要目的。以致使學生在金相實驗技術課結業時，從試樣的制備到金相組織的分析能力都達不到應有的要求。張福成教授看在眼里，急在心上，他決心改變這種現狀。經過認真的思考和充分的準備，從1996年秋季起，張福成教授在實驗室的老師們的支持和配合下，開始了改變傳統的教學方式的改革實踐。他把金相實驗技術課的課堂直接搬到實驗室，由具有豐富實驗經驗的實驗教師現場指導、講解實驗。然后他再對較深的理論進行課堂講解。他在實驗室講課時，堅持以培養學生動手能力為主，講解為輔的原則，對學生在實驗過程中出現的問題再進行講解，使學生既鍛煉了動手能力，又提高了觀察問題、發現問題、分析問題的能力。金相實驗技術課教學改革的實踐證明，學生的動手能力和金相組織分析能力明顯地得到了提高。
20年來，張福成教授講授的專業課始終受到本科生和研究生的歡迎。許多本科生由此對專業產生了興趣，許多人畢業后考上了研究生。張福成教授指導培養的研究生知識面廣、基礎扎實、科技創新能力強，不少人目前已成為國內材料科學研究領域的骨干。
