時間：2022-04-07 16:47:31
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)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篇功能材料論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
1纖維素復合材料
纖維素復合材料有很多種，按照組成成分區(qū)分，可分為纖維素/合成高分子復合材料、纖維素/導電聚合物復合材料等；按照功能區(qū)分，可分為力學材料、光學材料、電學材料。現(xiàn)簡要介紹有特點的功能性纖維素復合材料。
1.1具有光電活性的纖維素復合材料通過相關學者的研究發(fā)現(xiàn)，如果將氫氧化鈉/尿素水溶液作為溶劑制備纖維素或染料復合膜，那么，這種材料會顯示出較強的發(fā)光性能或熒光性能。其中，復合膜還有較強的透明性，透光率能夠達到90%.試驗發(fā)現(xiàn)，復合膜的力學性能很高，拉伸強度能夠達到138MPa。如果將天然纖維素浸泡在發(fā)光溶劑中進行離心干燥，經(jīng)過一段時間后，能夠得到光致發(fā)光紙。這種材料不僅展現(xiàn)了發(fā)光劑的吸附能力，還提供了復合紙的發(fā)光性能。因此，這些纖維素發(fā)光材料可以用于發(fā)光二極管和包裝等領域。
1.2纖維素/碳納米管復合材料從纖維素先進功能材料的研究、分析中發(fā)現(xiàn)，碳納米管具有非常優(yōu)秀的力學性能和電性能，受到人們的高度重視，并被廣泛應用于電子器件中。隨著科技的不斷發(fā)展，這種材料在生物傳感和復合材料中占有重要位置。
2化學法制備纖維素功能材料
因為天然纖維素很難溶解，所以，不適用于工業(yè)生產(chǎn)中。它作為一種天然高分子，在性能上也有一定的不足，例如，這種纖維素耐化學腐蝕性很差、強度較低、穩(wěn)定性不高。所以，相關人員可以通過化學方法改善天然纖維素的缺陷，強化其溶解性和強度，并賦予它新的性能，不斷拓展纖維素的應用領域。因為纖維素分子鏈上有很多羥基，所以，可以利用這種方法制備出各種各樣的纖維素衍生物。近幾年，纖維素衍生物材料被廣泛應用于日用化工、涂料和食品等領域。其中，纖維素的制備方法主要有均相法和非均相法。因為纖維素很難溶解，所以，在工業(yè)生產(chǎn)中，都是利用非均相法制備纖維素衍生物。但是，在這個過程中，纖維素衍生物存在結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一和不可控的缺點，同時，還會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物，所以，纖維素衍生物的種類較少。相關人員嘗試利用纖維素在不同溶液中的反應生產(chǎn)纖維素衍生物。
2.1纖維素酯纖維素酯是纖維素與強酸或羧酸衍生物，通過酯化反應得到的一種纖維素衍生物。這種衍生物的種類較多，并有較高的附加值，能夠在生物、材料、食品中廣泛應用。利用這種方式，相關人員可以合成一些具有新功能性的纖維素酯。相關人員通過酯化反應將卟啉分子連接在纖維素上，得到了光電轉(zhuǎn)換材料，卟啉分子還給予了纖維素材料全新的抗菌性能。所以，通過酯化反應，能夠在乙基纖維素上連接三苯基胺，然后得到溶致變色的纖維素衍生物，并顯現(xiàn)出藍-綠熒光。這種衍生物在溶液中的量子效率為65%，所以，它還被應用在光電器件領域。
2.2纖維素醚從傳統(tǒng)意義上講，纖維素醚類的種類很多，并有很多性能。這種物質(zhì)被廣泛應用于石油開采中，還有食品、紡織和日用化學品等方面，所以，相關人員可以引進新的基因功能，以得到新型的功能性纖維素醚。一些學者合成了纖維素咔唑醚，它能夠用于存儲信息，并在OLED的空穴中傳輸材料；還有一些學者利用醚化反應，在纖維素上連接聯(lián)苯液晶分子，從而得到對紫外光吸收能力較強的纖維素材料。近年來，相關人員發(fā)現(xiàn)了一些新型、高效的纖維素溶劑，為纖維素的再生產(chǎn)提供了新介質(zhì)。在纖維素溶液中進行衍生化反應，能夠得到結(jié)構(gòu)統(tǒng)一、可調(diào)控的功能性纖維素衍生物，例如纖維素酯、纖維素醚等。這些分子或衍生物的反應快速、高效、容易分離，為相關行業(yè)的研究奠定了良好的基礎。
3結(jié)束語
通過對纖維素先進功能材料的分析可知，纖維素先進功能材料能夠有效利用纖維素的價廉、量大、易獲得、可再生等特點，拓展纖維素材料的使用領域。相信纖維素先進功能材料的應用范圍將會越來越廣。新技術(shù)和新溶劑的開發(fā)和使用，會極大地推動纖維素功能材料的開發(fā)。
作者：姬雷賓單位：中鐵二局集團疾病預防控制中心
[關鍵詞] 北京航空航天大學；材料專業(yè)研究生；創(chuàng)新型實驗；特色實驗課程；功能材料
[中圖分類號] G643 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-893X(2012)03?0073?02
創(chuàng)新有三層含義：一是更新；二是創(chuàng)造新事物；三是改變。創(chuàng)新性人才指掌握一定專業(yè)知識技能，在社會實踐中能推陳出新，以自己的創(chuàng)新性意識和行動，在利用自然改造自然，推動社會進步中做出貢獻的人。隨著知識經(jīng)濟時代的到來，在世界各國的綜合國力競爭中，創(chuàng)新人才被越來越多的國家視為戰(zhàn)略性資源和決定性因素。培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才，順應了時代的呼喚和國家發(fā)展的要求。研究生教育是培養(yǎng)高層次專業(yè)人才的主要途徑。我國的研究生數(shù)量已跨入世界大國行列，研究生成為目前參與和推動我國科學技術(shù)發(fā)展的重要力量，其知識創(chuàng)新能力與科研實踐能力的培養(yǎng)對于提高我國的科技競爭力至關重要。而大量研究表明，當前我國研究生的創(chuàng)新實踐能力嚴重不足，主要表現(xiàn)在科研實踐參與度低、國際性的學術(shù)論文數(shù)量偏少、學術(shù)成果質(zhì)量不高、原創(chuàng)性成果稀少等等。
北京航空航天大學作為我們國家自己創(chuàng)建的第一所航空航天大學，學校面向國家重大戰(zhàn)略需求、面向世界航空航天發(fā)展的前沿，為國家經(jīng)濟事業(yè)的發(fā)展、特別是為航空航天事業(yè)做出了不可替代的貢獻。北京航空航天大學培養(yǎng)了11萬學生，這些高素質(zhì)人才大部分在我國的航空航天領域擔當重任，為我國的航空航天事業(yè)提供了人才支持。北京航空航天大學多年來服務大局、特色興校、培育人才、不斷創(chuàng)新，突出航空航天特色和工程技術(shù)優(yōu)勢，形成了獨具特色的高水平研究型大學建設模式。
北京航空航天大學提出了新時期“重基礎、強交叉、拓視野、推創(chuàng)新”的研究生教育思路，對調(diào)整研究生教育結(jié)構(gòu)，提高生源質(zhì)量，改革招生指標分配辦法，修訂培養(yǎng)方案，促進研究生課程國際化，推廣試點班教育模式，建設專業(yè)學位研究生實踐基地，創(chuàng)新學科交叉機制體制等，提出了明確要求。
一、研究生培養(yǎng)模式和實驗教學體系
北京航空航天大學在研究生培養(yǎng)模式上分為理論教學、實驗教學和學位論文研究三個階段。在強化研究生理論教學和學位論文研究的同時，采取了重大舉措來培養(yǎng)研究生的實踐能力：針對不同學科專業(yè)的特點增加了研究生教學的實驗環(huán)節(jié)；通過“211”和“985”條件建設逐步構(gòu)建了開放適用的研究生實驗教學設備條件，并構(gòu)筑人性化的實驗環(huán)境；打破了傳統(tǒng)實驗教學模式，確立了開放式的多元化的研究生公共實驗和研究生專業(yè)實驗課體系；最大限度地挖掘出研究生的知識潛能，養(yǎng)成創(chuàng)造性品格，掌握創(chuàng)造性技能，最后在研究生學位論文的寫作中得到深入和升華，使得研究生培養(yǎng)的三個階段構(gòu)成了一個由淺入深、循序漸進、具有內(nèi)在聯(lián)系的有機體。
在實驗教學體系的構(gòu)建方面，在一級學科層面，將關聯(lián)密切的研究生理論課程的實驗整合成數(shù)門獨立設置的綜合性實驗課。結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)目標和其他相關課程，建立一個包括基礎驗證實驗、綜合設計實驗和創(chuàng)新型實驗3個層次的課程體系。
北京航空航天大學還構(gòu)建了整體性的開放式創(chuàng)新實踐基地。例如自2004年以來，先后建設了“先進計算機網(wǎng)絡技術(shù)研究生創(chuàng)新基地”“復雜產(chǎn)品現(xiàn)代設計與先進制造技術(shù)研究生創(chuàng)新基地”和“先進航空航天飛行器創(chuàng)新基地” 等開放性的創(chuàng)新實踐基地。基地以航空航天與信息類優(yōu)勢學科群為中心，以重點實驗室為依托，在創(chuàng)新人才培養(yǎng)和研究生教育改革的創(chuàng)新方面進行了積極的探索。
二、材料專業(yè)研究生特種功能材料特色試驗課程設計
北京航空航天大學材料學院多年來一直非常重視研究生教育，研究生的課程設置及內(nèi)容為研究生從事科學研究打下了堅實的理論基礎。但材料學院研究生的實驗設備主要來自各科研課題組，設備種類、臺套數(shù)、完好率受限制，特別是使用時間無法保證，影響研究生試驗運行。課時數(shù)虛，授課內(nèi)容待充實。
隨著多年來對實驗室建設的不斷投入，北京航空航天大學材料學院實驗室建設遵循“以軟帶硬”的原則，即以教學改革為前提，投入的實驗設備要服務于所開設的實驗項目，硬件建設服從軟件建設。目前材料學院用于研究生實驗教學的設備已經(jīng)初具規(guī)模，擁有多套透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、電子探針顯微鏡、原子力顯微鏡、磁力顯微鏡、X射線衍射儀、ICP分析儀、拉曼光譜分析儀等先進的分析檢測設備，并對各學科實驗室進行了優(yōu)化整合和重組資源配置，發(fā)揮了實驗室的復合功能和規(guī)模效益。材料學院還承擔著大量國家級和省部級的重大科研項目，取得了一系列令人矚目的研究成果，具有良好的培養(yǎng)研究生的客觀條件。材料學院將逐步徹底改造研究生實驗課內(nèi)容和實驗條件，建立具有航空航天特色、涵蓋材料學科重要研究方向的材料制備、測試及評價方法的研究生公共實驗平臺，以國家建設和經(jīng)濟發(fā)展對材料科學與工程學科復合型人才的重大需求為導向，確定材料科學與工程學科實驗課程的具體設置方案。
北京航空航天大學材料學院以教育部“空天材料及其服役性能實驗室”為依托，開設了“先進結(jié)構(gòu)材料”和“特種功能材料”研究生創(chuàng)新型實驗課。該實驗室多年來立足于航空航天材料前沿研究，旨在將先進的和學科交叉性強的科研成果高質(zhì)量地融入到研究生實驗教學上，取得了多項重大科研成果。下面以“特種功能材料”的設置為例，從創(chuàng)新型實驗課和綜合實驗課的區(qū)別、創(chuàng)新型實驗課和研究生畢業(yè)論文研究實踐的區(qū)別、創(chuàng)新型實驗課與研究生創(chuàng)新基地三個方面來進行分析。
1. 創(chuàng)新型實驗課和綜合實驗課的區(qū)別
創(chuàng)新型實驗課和綜合實驗課在內(nèi)容上都涉及到培養(yǎng)學生多學科知識綜合應用的能力。差別在于綜合實驗課相對而言內(nèi)容更為固定，比如“材料電鏡分析實驗”是側(cè)重于使學生理解各種電子顯微分析方法的基本概念和原理，熟悉儀器結(jié)構(gòu)，掌握樣品制備方法及實驗參數(shù)選擇，并學會對各種電鏡圖像及信息進行識別、計算和分析處理等。而創(chuàng)新型實驗課是在課程內(nèi)容、形式和目的上存在更多的創(chuàng)新元素。這類實驗是學生在教師的指導下獨立自主完成 ，或者在指導教師的研究領域和學科方向上進行有目的有意識的探索研究，其教學目的在于激發(fā)學生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學生的科研興趣和研究創(chuàng)新能力。培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，關鍵在于教師是否有創(chuàng)造性的實踐活動的經(jīng)驗和體會，如大的創(chuàng)新團隊（課題組）和實驗室就是培育創(chuàng)新精神的沃土。以“特種功能材料”為例，北京航空航天大學“空天材料及其服役性能實驗室” 針對智能機翼、機載設備和航空發(fā)動機等的應用，在航空航天特種功能材料上積累了大量研究成果。其科研設備齊全，在“特種功能材料”實驗課中設立了相變材料、磁性材料等相對寬的方向，在實驗中指導教師演示其中課題組“成熟”材料從設計-制備-功能特性研究的完整的實踐過程，然后在大方向內(nèi)自由選題，運用理論課程中的基礎知識，綜合設計實驗方案和內(nèi)容，在任課教師的指導下自主探索研究。如果說綜合實驗課是學生從理論到實踐的第一步，那么創(chuàng)新型實驗則是學生開展創(chuàng)新科研工作的第一步。
2. 創(chuàng)新型實驗課和研究生畢業(yè)論文研究實踐的區(qū)別
這兩者同為科研訓練。創(chuàng)新型實驗課是“常做常新”的實驗課，指導教師要不斷開發(fā)新的實驗方法，搭建不同的新架構(gòu)。學生則應該不斷豐富自主實驗的新內(nèi)容，成為填充架構(gòu)的新單元。從時間尺度上來說，創(chuàng)新型實驗課比研究生畢業(yè)論文研究短的多，創(chuàng)新型實驗課會對科研的過程有完整的體驗，為了保障進度，增強協(xié)作溝通能力，學生可以自由結(jié)合成小項目組，分工共同完成實驗內(nèi)容。實驗課的考核以小組答辯的形式，根據(jù)選題的創(chuàng)新性、綜合性、協(xié)作情況等打分。研究生畢業(yè)論文研究一般都是學生在其導師的指導下單獨完成的。限于不同實驗條件、經(jīng)費保障條件、課題組的創(chuàng)新實踐成果積累等的不同，畢業(yè)論文研究的創(chuàng)新實踐程度會有很大差異，研究生也往往得不到自主選題和自主研究的機會。
3. 創(chuàng)新型實驗課與研究生創(chuàng)新基地的區(qū)別
兩者的教學資源開放程度和范圍不同。研究生創(chuàng)新實踐基地是一個面向全校開放的，融教學、科研為一體的實踐活動平臺。研究生創(chuàng)新基地在學科綜合性和交叉性上，可以面向更大范圍的不同學科、不同年級的研究生，實現(xiàn)教育資源的整體優(yōu)化。學科的集中交叉得資源能更集中整合，如“復雜產(chǎn)品現(xiàn)代設計與先進制造技術(shù)研究生創(chuàng)新基地”和“先進航空航天飛行器創(chuàng)新基地”等開放性的創(chuàng)新實踐基地就是如此。目前，“特種功能材料”研究生創(chuàng)新型實驗課還是材料學院研究生實驗課程體系的一部分，“特種功能材料”與物理、化學、航空、航天、電子、機械等領域有廣泛的學科交叉，可以成為培養(yǎng)研究生的綜合設計和研究探索創(chuàng)新能力的有效平臺。隨著教學實踐成果的積累、教學改革的深化和實踐教學條件建設的增強，材料學院可以向?qū)W校申報加入研究生創(chuàng)新基地的實踐活動內(nèi)容，最大限度地為學生提供更多的科技創(chuàng)新實踐機會。
三、結(jié)語
北京航空航天大學材料學院“特種功能材料”研究生創(chuàng)新型實驗課的教學實踐才剛剛起步，深厚的科研成果積累和良好實驗課程的資源配置，以及是否能高質(zhì)量地轉(zhuǎn)化到研究生實驗教學上，這些都還需要在實踐中不斷探索。指導教師團隊成員如何利用嶄新的實驗內(nèi)容引導學生主動參與科研訓練，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和探索未知的能力，還需要不斷創(chuàng)新教學，與時俱進地轉(zhuǎn)變教育思想，更新教育觀念，才能真正在教學改革中收到實效。
參考文獻：
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[3] 陳建中，趙劍曦，黃長滄，等.以科研訓練為主線培養(yǎng)研究型人才[J].中國大學教學，2005(5)：30-32.
1．何為高分子化學
顧名思義，高分子就是相對分子質(zhì)量很高的分子，它是高分子化合物的簡稱。高分子化合物，又稱聚合物或高聚物，是結(jié)構(gòu)上由重復單元（低分子化合物—單體）連接而成的高相對分子質(zhì)量化合物。高分子的相對分子質(zhì)量非常的大，小到幾千，大到幾百萬、上千萬的都有。我們有時將相對分子質(zhì)量較低的高分子化合物叫低聚物。高分子化學作為化學的一個分支，同樣也是從事制造和研究分子的科學，但其制造和研究的對象都是大分子，即由若干個原子按一定規(guī)律重復地連接成具有成千上萬甚至上百萬質(zhì)量的、最大伸直長度可達毫米量級的長鏈分子，稱為高分子、大分子或聚合物。
2．高相對分子質(zhì)量與高強度
相對分子質(zhì)量和物質(zhì)的性質(zhì)是密切相關的，是決定物質(zhì)性質(zhì)的一個重要因素。只有相對分子質(zhì)量高的化合物才有一定的機械力學性能，才能作為材料使用。例如乙烷、辛烷、廿烷、聚乙烯、超高分子量聚乙烯，都是直鏈的烷烴化合物，但是分子量變化很大，其機械力學性能因而也有極大的區(qū)別。
3．高分子科學的主要內(nèi)容
既然高分子化學是制造和研究大分子的科學，對大分子的反應和方法的研究，顯然是高分子化學最基本的研究內(nèi)容。高分子科學不僅是研究化學問題，也是一門系統(tǒng)的科學。高分子科學的主要內(nèi)容有：如何將低分子化合物連
接成高分子化合物，即聚合反應的研究。高分子化合物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關系。不同性質(zhì)的高分子，其結(jié)構(gòu)必然是不同的。為了得到不同性質(zhì)的高分子，就要去合成具有特殊結(jié)構(gòu)的高分子。
二、高分子材料化學的應用
材料是人類社會文明發(fā)展階段的標志，是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎。它是指經(jīng)過某種加工，具有一定結(jié)構(gòu)、組分和性能，并可應用于一定用途的物質(zhì)。上世紀半導體硅、高集成芯片、高分子材料的出現(xiàn)和廣泛應用，把人類由工業(yè)社會推向信息和知識經(jīng)濟社會。可以說某一種新材料的問世及其應用，往往會引起人類社會的重大變革，材料是人類文明的重要標志。如果說現(xiàn)在人人離不開高分子材料，家家離不開高分子材料，處處離不開高分子材料，是一點也不過分的。高分子化合物的最主要的應用是以高分子材料的形式出現(xiàn)的，高分子材料包括了塑料、纖維、橡膠三大傳統(tǒng)合成材料，另外許多精細化工材料也都是高分子材料。
第一，塑料：一類是通用塑料，如容器、管道、家具、薄膜、鞋底與泡沫塑料等等；另一類叫工程塑料，其強度大，如汽車零部件、保險杠、洗衣機內(nèi)的滾筒、電器的外殼等。
第二，纖維：人們開發(fā)出聚酯、尼龍、腈綸、維尼綸等高分子化合物，通過不同的加工，生產(chǎn)出了各種纖維制品，極大地滿足著人類的需要。
第三，橡膠：天然橡膠的種類和品質(zhì)都受到很大的限制，于是科學家們不斷開發(fā)出了各種人造橡膠，如丁苯橡膠、丁腈橡膠、乙丙橡膠、氟橡膠、硅橡膠等。
第四，精細化工：比如使得我們的世界變得豐富多彩的各種涂料產(chǎn)品，如家具漆、內(nèi)外墻乳膠漆、汽車漆、飛機漆等。女孩子用的指甲油，使牙齒變白的增白劑也都是涂料。還有萬能膠、建筑用膠、醫(yī)用膠、結(jié)構(gòu)膠等黏合劑，以及各種吸水樹脂等都是高分子產(chǎn)品。
三、高分子化學與高科技的結(jié)合
當今社會，人們將能源、信息和材料并列為新科技革命的三大支柱，而材料又是能源和信息發(fā)展的物質(zhì)基礎。自從合成有機高分子材料的那一天起，人們始終在不斷地研究、開發(fā)性能更優(yōu)異、應用更廣泛的新型材料，來滿足計算機、光導纖維、激光、生物工程、海洋工程、空間工程和機械工業(yè)等尖端技術(shù)發(fā)展的需要。高分子材料向高性能化、功能化和生物化方向發(fā)展，出現(xiàn)了許多產(chǎn)量低、價格高、性能優(yōu)異的新型高分子材料。
隨著生產(chǎn)和科學技術(shù)的發(fā)展，許多具有特殊功能的高分子材料也不斷涌現(xiàn)出來，如分離材料、光電材料、磁性材料、生物醫(yī)用材料、光敏材料、非線性光學材料等等。功能高分子材料是高分子材料中最活躍的領域，下面簡單介紹特種高分子材料：功能高分子是指當有外部刺激時，能通過化學或物理的方法做出相應反應的高分子材料；高性能高分子則是對外力有特別強的抵抗能力的高分子材料。它們都屬于特種高分子材料的范疇；特種高分子材料是指帶有特殊物理、力學、化學性質(zhì)和功能的高分子材料，其性能和特征都大大超出了原有通用高分子材料（化學纖維、塑料、橡膠、油漆涂料、粘合劑）的范疇。
第一，力學功能材料：強化功能材料，如超高強材料、高結(jié)晶材料等；)彈材料，如熱塑性彈性體等。
第二，化學功能材料：分離功能材料，如分離膜、離子交換樹脂、高分子絡合物等；反應功能材料，如高分子催化劑、高分子試劑；生物功能材料，如固定化酶、生物反應器等。
第三，生物化學功能材料：人工臟器用材料，如人工腎、人工心肺等；高分子藥物，如藥物活性高分子、緩釋性高分子藥物、高分子農(nóng)藥等；生物分解材料，如可降解性高分子材料等。
可以預計，在今后很長的歷史時期中，特種與功能高分子材料研究將代表了高分子材料發(fā)展的主要方向。
四、高分子化學的可持續(xù)發(fā)展
研究高分子合成材料的環(huán)境同化，增加循環(huán)使用和再生使用，減少對環(huán)境的污染乃至用高分子合成材料治理環(huán)境污染，也是21世紀中高分子材料能否得到長足發(fā)展的關鍵問題之一。比如利用植物或微生物進行有實用價值的高分子的合成，在環(huán)境友好的水或二氧化碳等化學介質(zhì)中進行化學合成，探索用前面提到的化學或物理合成的方法合成新概念上的可生物降解高分子，以及用合成高分子來處理污水和毒物，研究合成高分子與生態(tài)的相互作用，達到高分子材料與生態(tài)環(huán)境的和諧等。顯然這些都是屬于21世紀應當開展的綠色化學過程和材料的研究范疇。
參考文獻：
[1]馮新德.展望21世紀的高分子化學與工業(yè)[J].科學中國人,1997,(11)
[2]王守德,劉福田,程新.智能材料及其應用進展[J].濟南大學學報(自然科學版,2002,(01).
論文摘要：高分子化學是研究高分子化合物的合成、化學反應、物理化學、物理、加工成型、應用等方面的一門新興的綜合性學科。那么，高分子化學具體內(nèi)容及高分子與生活、高科技的發(fā)展關系如何呢？以下作簡單介紹。
人類從一開始即與高分子有密切關系，自然界的動植物包括人體本身，就是以高分子為主要成分而構(gòu)成的，這些高分子早已被用作原料來制造生產(chǎn)工具和生活資料。人類的主要食物如淀粉、蛋白質(zhì)等，也都是高分子。只是到了工業(yè)上大量合成高分子并得到重要應用以后，這些人工合成的化合物，才取得高分子化合物這個名稱。但提到合成高分子材料（聚合物）的應用與發(fā)展，人們在想到它們極大地方便我們的生活的同時，很多人會想到“白色污染”，甚至將水污染、大氣污染等各種環(huán)境問題的產(chǎn)生怪罪于高分子，這說明他們對高分子并不十分了解。當今社會高分子的功用無處不在，而人們認識高分子時，往往忽略了它帶給人類生活的巨大變化和種種利益，不了解它為人類文明做出的貢獻是巨大的。
一、高分子化學的內(nèi)涵
1．何為高分子化學
顧名思義，高分子就是相對分子質(zhì)量很高的分子，它是高分子化合物的簡稱。高分子化合物，又稱聚合物或高聚物，是結(jié)構(gòu)上由重復單元（低分子化合物—單體）連接而成的高相對分子質(zhì)量化合物。高分子的相對分子質(zhì)量非常的大，小到幾千，大到幾百萬、上千萬的都有。我們有時將相對分子質(zhì)量較低的高分子化合物叫低聚物。高分子化學作為化學的一個分支，同樣也是從事制造和研究分子的科學，但其制造和研究的對象都是大分子，即由若干個原子按一定規(guī)律重復地連接成具有成千上萬甚至上百萬質(zhì)量的、最大伸直長度可達毫米量級的長鏈分子，稱為高分子、大分子或聚合物。
2．高相對分子質(zhì)量與高強度
相對分子質(zhì)量和物質(zhì)的性質(zhì)是密切相關的，是決定物質(zhì)性質(zhì)的一個重要因素。只有相對分子質(zhì)量高的化合物才有一定的機械力學性能，才能作為材料使用。例如乙烷、辛烷、廿烷、聚乙烯、超高分子量聚乙烯，都是直鏈的烷烴化合物，但是分子量變化很大，其機械力學性能因而也有極大的區(qū)別。
3．高分子科學的主要內(nèi)容
既然高分子化學是制造和研究大分子的科學，對大分子的反應和方法的研究，顯然是高分子化學最基本的研究內(nèi)容。高分子科學不僅是研究化學問題，也是一門系統(tǒng)的科學。高分子科學的主要內(nèi)容有：如何將低分子化合物連
接成高分子化合物，即聚合反應的研究。高分子化合物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關系。不同性質(zhì)的高分子，其結(jié)構(gòu)必然是不同的。為了得到不同性質(zhì)的高分子，就要去合成具有特殊結(jié)構(gòu)的高分子。
二、高分子材料化學的應用
材料是人類社會文明發(fā)展階段的標志，是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎。它是指經(jīng)過某種加工，具有一定結(jié)構(gòu)、組分和性能，并可應用于一定用途的物質(zhì)。上世紀半導體硅、高集成芯片、高分子材料的出現(xiàn)和廣泛應用，把人類由工業(yè)社會推向信息和知識經(jīng)濟社會。可以說某一種新材料的問世及其應用，往往會引起人類社會的重大變革，材料是人類文明的重要標志。如果說現(xiàn)在人人離不開高分子材料，家家離不開高分子材料，處處離不開高分子材料，是一點也不過分的。高分子化合物的最主要的應用是以高分子材料的形式出現(xiàn)的，高分子材料包括了塑料、纖維、橡膠三大傳統(tǒng)合成材料，另外許多精細化工材料也都是高分子材料。
第一，塑料：一類是通用塑料，如容器、管道、家具、薄膜、鞋底與泡沫塑料等等；另一類叫工程塑料，其強度大，如汽車零部件、保險杠、洗衣機內(nèi)的滾筒、電器的外殼等。
第二，纖維：人們開發(fā)出聚酯、尼龍、腈綸、維尼綸等高分子化合物，通過不同的加工，生產(chǎn)出了各種纖維制品，極大地滿足著人類的需要。
第三，橡膠：天然橡膠的種類和品質(zhì)都受到很大的限制，于是科學家們不斷開發(fā)出了各種人造橡膠，如丁苯橡膠、丁腈橡膠、乙丙橡膠、氟橡膠、硅橡膠等。
第四，精細化工：比如使得我們的世界變得豐富多彩的各種涂料產(chǎn)品，如家具漆、內(nèi)外墻乳膠漆、汽車漆、飛機漆等。女孩子用的指甲油，使牙齒變白的增白劑也都是涂料。還有萬能膠、建筑用膠、醫(yī)用膠、結(jié)構(gòu)膠等黏合劑，以及各種吸水樹脂等都是高分子產(chǎn)品。
三、高分子化學與高科技的結(jié)合
當今社會，人們將能源、信息和材料并列為新科技革命的三大支柱，而材料又是能源和信息發(fā)展的物質(zhì)基礎。自從合成有機高分子材料的那一天起，人們始終在不斷地研究、開發(fā)性能更優(yōu)異、應用更廣泛的新型材料，來滿足計算機、光導纖維、激光、生物工程、海洋工程、空間工程和機械工業(yè)等尖端技術(shù)發(fā)展的需要。高分子材料向高性能化、功能化和生物化方向發(fā)展，出現(xiàn)了許多產(chǎn)量低、價格高、性能優(yōu)異的新型高分子材料。
隨著生產(chǎn)和科學技術(shù)的發(fā)展，許多具有特殊功能的高分子材料也不斷涌現(xiàn)出來，如分離材料、光電材料、磁性材料、生物醫(yī)用材料、光敏材料、非線性光學材料等等。功能高分子材料是高分子材料中最活躍的領域，下面簡單介紹特種高分子材料：功能高分子是指當有外部刺激時，能通過化學或物理的方法做出相應反應的高分子材料；高性能高分子則是對外力有特別強的抵抗能力的高分子材料。它們都屬于特種高分子材料的范疇；特種高分子材料是指帶有特殊物理、力學、化學性質(zhì)和功能的高分子材料，其性能和特征都大大超出了原有通用高分子材料（化學纖維、塑料、橡膠、油漆涂料、粘合劑）的范疇。
第一，力學功能材料：強化功能材料，如超高強材料、高結(jié)晶材料等；)彈性功能材料，如熱塑性彈性體等。
第二，化學功能材料：分離功能材料，如分離膜、離子交換樹脂、高分子絡合物等；反應功能材料，如高分子催化劑、高分子試劑；生物功能材料，如固定化酶、生物反應器等。
第三，生物化學功能材料：人工臟器用材料，如人工腎、人工心肺等；高分子藥物，如藥物活性高分子、緩釋性高分子藥物、高分子農(nóng)藥等；生物分解材料，如可降解性高分子材料等。
可以預計，在今后很長的歷史時期中，特種與功能高分子材料研究將代表了高分子材料發(fā)展的主要方向。
四、高分子化學的可持續(xù)發(fā)展
研究高分子合成材料的環(huán)境同化，增加循環(huán)使用和再生使用，減少對環(huán)境的污染乃至用高分子合成材料治理環(huán)境污染，也是21世紀中高分子材料能否得到長足發(fā)展的關鍵問題之一。比如利用植物或微生物進行有實用價值的高分子的合成，在環(huán)境友好的水或二氧化碳等化學介質(zhì)中進行化學合成，探索用前面提到的化學或物理合成的方法合成新概念上的可生物降解高分子，以及用合成高分子來處理污水和毒物，研究合成高分子與生態(tài)的相互作用，達到高分子材料與生態(tài)環(huán)境的和諧等。顯然這些都是屬于21世紀應當開展的綠色化學過程和材料的研究范疇。
參考文獻
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(xiàn)代科學技術(shù)和社會發(fā)展的三大支柱。現(xiàn)代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學的發(fā)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(xiàn)國家的科學技術(shù)水平和經(jīng)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(fā)與研究是材料科學發(fā)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(fā)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(shù);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(chǎn)應用問題而產(chǎn)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(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域，所以它是近年來在材料科學中涌現(xiàn)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(shù)的發(fā)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(shù)，其表面溫度高達2000℃。而其燃燒室內(nèi)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(nèi)外要承受高達1000K以上的溫差,傳統(tǒng)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(shù)和熱應力的差別較大,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(guī)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(xù)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(fā)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(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)變化的特點如圖2,因此它能有效地克服傳統(tǒng)復合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統(tǒng)復合材料相比FGM有如下優(yōu)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(jié)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?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻材料涂層,既可以增強連接強度也可以減小裂紋驅(qū)動力。
圖2
2.2FGM的分類
根據(jù)不同的分類標準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FGM，精細FGM等[4]；根據(jù)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(fā)展起來的。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(jié)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(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)學功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關節(jié)
人工內(nèi)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(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
地熱發(fā)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(zhì)
金屬陶瓷
電池硅、鍺及其化合物
4FGM的研究
FGM研究內(nèi)容包括材料設計、材料制備和材料性能評價。FGM的研究開發(fā)體系如圖4所示[8]。
設計設計
圖4FGM研究開發(fā)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(jié)構(gòu)和應用條件,然后從FGM設計數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu),以及制備和評價方法,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),計算出體系的溫度分布和熱應力分布。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(shù)即最佳設計參數(shù)。
FGM設計主要構(gòu)成要素有三:
1)確定結(jié)構(gòu)形狀,熱—力學邊界條件和成分分布函數(shù);
2)確定各種物性數(shù)據(jù)和復合材料熱物性參數(shù)模型;
3)采用適當?shù)臄?shù)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(fā)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(jié)合,借助于計算機輔助設計系統(tǒng),得出最優(yōu)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(xiàn)FGM組成成份、微觀結(jié)構(gòu)能夠按設計分布,從而實現(xiàn)FGM的設計性能。可分為粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高溫合成法(SHS);涂層法:如等離子噴涂法,激光熔覆法,電沉積法,氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD)和化學相沉積(CVD);形變與馬氏體相變[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設計的梯度成分成形,然后燒結(jié)。通過控制和調(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(jié)法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)及反應燒結(jié)等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設備簡單、易于操作和成本低等優(yōu)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(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簡稱SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前蘇聯(lián)科學家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應時,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反應,此后化學反應在自身放熱的支持下,自動持續(xù)地蔓延下去,利用反應熱將粉末燒結(jié)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(chǎn)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(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(nèi),并在熔化的狀態(tài)下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層。可以通過計算機程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設計所要求的梯度分布函數(shù)。這種工藝已經(jīng)被廣泛地用來制備耐熱合金發(fā)動機葉片的熱障涂層上,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1500K,同時處于高度壓縮狀態(tài),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(fā)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(jié),形成沉積層。噴涂過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)點是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無需燒結(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(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(jié)構(gòu)。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數(shù)量和厚度,以及熔區(qū)的深度來獲得,熔區(qū)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(xiàn)裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發(fā)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(tài),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(xù)地改變增強顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產(chǎn)生梯度6061鋁合金/SiC復合材料。可以使用熱等靜壓工序以消除梯度復合材料中的孔隙。
4.2.3.4電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中,通過注入另一相的懸浮液使之混合,并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃,涂層的主要材料為TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層,以改變固體材料的表面特性,提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學功能、熱物理性能,該工藝由于對鍍層材料的物理力學性能破壞小、設備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產(chǎn)成本低廉等顯著優(yōu)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(tài)物質(zhì)在基體表面成膜的技術(shù)。通過控制彌散相濃度,在厚度方向上實現(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(zhì)源輸送到反應器中進行均勻混合,在熱基板上發(fā)生化學反應并使反映產(chǎn)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(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,可得到按設計要求的FGM。另外,該法無須燒結(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的制備過程包括：氣相反應物的形成；氣相反應物傳輸?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(nèi),可以通過施加應變(或等價應力)梯度,在這種材料中產(chǎn)生應力誘發(fā)馬氏體體積分數(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體積分數(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,但能提供一個簡單的方法,可以一步生產(chǎn)含有飽和磁化強度連續(xù)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(yōu)化成分設計,為成分設計數(shù)據(jù)庫提供實驗數(shù)據(jù),目前已開發(fā)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(shù)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(tǒng)一的標準特征評價體系[7~8]。
5FGM的研究發(fā)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(xiàn)在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設計的數(shù)據(jù)庫（包括材料體系、物性參數(shù)、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(tǒng)一的、準確的材料物理性質(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(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(jié)構(gòu)簡單,還不具有較多的實用價值;
6)成本高。
5.2FGM制備技術(shù)總的研究趨勢[13、15、19-20]
1）開發(fā)的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術(shù)；
2）開發(fā)大尺寸和復雜形狀的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)（高性能材料復合技術(shù)）；
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(wěn)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(huán)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(jié)束語
FGM的出現(xiàn)標志著現(xiàn)代材料的設計思想進入了高性能新型材料的開發(fā)階段[8]。FGM的研究和開發(fā)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(chǎn)業(yè)結(jié)合,國際化合作的方向發(fā)展。
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英文名稱：Acta Photonica Sinica
主管單位：中國科學院
主辦單位：中國光學學會;中國科學院西安光學精密機械研究所
出版周期：月刊
出版地址：陜西省西安市
語
種：中文
開
本：大16開
國際刊號：1004-4213
國內(nèi)刊號：61-1235/O4
郵發(fā)代號：52-105
發(fā)行范圍：國內(nèi)外統(tǒng)一發(fā)行
創(chuàng)刊時間：1972
期刊收錄：
CA 化學文摘(美)(2009)
SA 科學文摘(英)(2009)
CBST 科學技術(shù)文獻速報(日)(2009)
Pж(AJ) 文摘雜志(俄)(2009)
EI 工程索引(美)(2009)
中國科學引文數(shù)據(jù)庫(CSCD―2008)
核心期刊：
中文核心期刊(2008)
中文核心期刊(2004)
中文核心期刊(2000)
期刊榮譽：
聯(lián)系方式
期刊簡介
目前，材料化學專業(yè)培養(yǎng)出的學生也不能完全適應社會和市場對人才的需求。這就要求材料化學專業(yè)課程體系必須充分體現(xiàn)以就業(yè)為導向的思想，提高學生的專業(yè)技能，強化學生的就業(yè)意識，使學生在考研、就業(yè)方面具有較強的競爭力。因此，材料化學專業(yè)課程體系的改革迫在眉睫。
現(xiàn)行課程體系存在的問題及其成因
1．辦學特色不明確。自我校材料化學專業(yè)招生以來，在辦學過程中發(fā)現(xiàn)在專業(yè)建設上存在一些薄弱環(huán)節(jié)，如專業(yè)學科定位不確定，專業(yè)人才培養(yǎng)目標不夠明確、課程體系中基礎課平臺不夠規(guī)范，課程設置不夠科學、合理等。究其原因，主要由于材料化學專業(yè)建立時間短，辦學經(jīng)驗不足。
2．課程設置理念滯后。合理的課程設置理念是讓每一位學生不僅受到嚴格的專業(yè)訓練，而且還應受到廣泛的通識教育，把學生培養(yǎng)成有專業(yè)知識、有愛心、有責任心、有雄心的智者。在材料化學專業(yè)課程設置中，由于受傳統(tǒng)觀念的影響，俠義專業(yè)概念的限制，只要求知識的傳授，對學生獨立思考能力、自學能力、動手能力和生存能力方面的培養(yǎng)沒有足夠的重視。同時，在課程設置中存在對社會需求、學生就業(yè)、市場前景等考慮不周等問題。
3．實踐、實驗教學條件欠缺。實踐、實驗課程是培養(yǎng)學生的動手能力、分析問題和解決問題能力必不可少的教學環(huán)節(jié)。起初，我們以三、四十人組成的實習隊伍進入企業(yè)、經(jīng)濟實體實習。而今，大型企業(yè)自動化程度很高，實習生很難進入車間進行實踐操作，另外，經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)的大型企業(yè)為數(shù)不多，小型企業(yè)又沒有能力接收大量的實習生，加上實習經(jīng)費的短缺等原因，無法實現(xiàn)“大部隊”形式的實習。在實驗教學方面，由于條件所限，只能開出部分專業(yè)課的實驗。
4．專業(yè)教師缺乏。師資隊伍是優(yōu)化課程體系的執(zhí)行者，也是人才培養(yǎng)的主導者。先有優(yōu)秀的教師，后有優(yōu)秀的學生，再有品牌專業(yè)［2］。我校材料化學專業(yè)建立以來，雖然引進了固體材料化學、無機功能材料、催化材料、分子生物學等領域的數(shù)名博士研究生充實本專業(yè)的教師隊伍，但是由于地域和待遇的局限，專業(yè)教師數(shù)量有限，還是不能完全滿足教學的需求，目前正在通過各方努力引進高水平的教師，以加強本專業(yè)的師資隊伍建設。
課程體系的優(yōu)化策略
課程體系是高校人才培養(yǎng)目標、課程指導思想、課程設置、課程結(jié)構(gòu)及教學管理模式的綜合體現(xiàn)，是學校辦學特色、學科專業(yè)特色和人才培養(yǎng)特色的綜合反映。課程體系是否科學合理，對培養(yǎng)高質(zhì)量人才目標具有決定性的意義。今年，為提高教學質(zhì)量，適應社會對人才的需求，學校開展了人才培養(yǎng)和教學體系改革研究，重新制定“2012版本科人才培養(yǎng)方案”，借此契機，化學與環(huán)境科學學院對材料化學專業(yè)課程體系作了重新修訂，通過選擇、整合與調(diào)適等措施進行了材料化學專業(yè)課程體系的優(yōu)化。
(一)調(diào)整教學計劃，優(yōu)化專業(yè)基礎課內(nèi)容教學計劃是一門課程授課的整體規(guī)劃，隨著社會經(jīng)濟和科學技術(shù)的發(fā)展，教育結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變革，教學計劃也必須不斷改革。在本次修訂人才培養(yǎng)方案的同時，材料化學專業(yè)也調(diào)整了教學計劃，對各門課程的教學內(nèi)容進行了優(yōu)化。
1．無機化學課程。現(xiàn)行的材料化學專業(yè)課程體系中，無機化學是大學一年級學生的必修課程。本課程的教學直接影響大學一年級的學生的學習思維方式和學習習慣。也是他們從中學的學習方式轉(zhuǎn)變?yōu)榇髮W學習方式的關鍵時期。在本階段，我們有意識地培養(yǎng)學生的獨立思考能力和自學能力。無機化學課程內(nèi)容包括理論部分和元素部分，對于材料化學專業(yè)的學生來說，無機化學課程的理論部分是課程的核心，元素部分是輔助內(nèi)容。在調(diào)整教學計劃前，我們就無機化學課程的講授內(nèi)容對本專業(yè)三屆(90人)學生進行了問卷調(diào)查，結(jié)果顯示，89%的學生不贊成講解課程的全部內(nèi)容，認為無機化學元素部分可在教師指導下進行自學。在元素部分的教學中，教師以典型元素的性質(zhì)進行講解，然后同學生一起討論，通過實例指導學生去認識一種元素、一族元素以及一類元素，逐步了解元素的結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—功能之間的關系，使學生掌握學習元素化學知識的方法。另外，我們在化合物的性質(zhì)教學中，教會學生如何查閱相關工具書、參考書和手冊等，這樣，其余元素部分設置為自學內(nèi)容。
2．高等數(shù)學課程。高等數(shù)學是材料化學專業(yè)的一門必修課程。目前我院材料化學專業(yè)使用的教材為“生化類”《高等數(shù)學》。隨著材料化學學科的知識量迅速增加，對材料的定性定量分析、材料結(jié)構(gòu)分析、材料物理性能測試等技術(shù)的要求，需要高深的高等數(shù)學知識。因此，我們把材料化學專業(yè)的“生化類”高等數(shù)學調(diào)整為“理工類”高等數(shù)學。同時，在高等數(shù)學課程中增加了線性代數(shù)的內(nèi)容，以達到材料結(jié)構(gòu)測試和性能計算知識的要求。
3．材料結(jié)構(gòu)分析方法課程。測試方法在材料化學專業(yè)的發(fā)展中有著非常重要的作用。隨著對材料的性能、組成和微觀結(jié)構(gòu)的深入研究，新的研究方法、實驗方法和測試手段越來越多樣化。因此，我們把材料結(jié)構(gòu)分析方法課程的教學分為理論講授和儀器操作。首先，教師在課堂上講解測定材料結(jié)構(gòu)和性能的儀器，然后學生到儀器實驗室進行觀摩，在教師的指導下學生自己動手測定樣品學習操作。另外，還可借助內(nèi)蒙古功能材料物理與化學重點實驗室的部分高檔儀器進行學習。
4．專業(yè)前沿知識講座。課程內(nèi)容應隨著社會、科技的發(fā)展及時充實新知識。材料化學專業(yè)教材的內(nèi)容往往是數(shù)年、甚至數(shù)十年的科學知識總結(jié)。為及時補充材料科學領域的新知識，我們將現(xiàn)代材料科技成果融入到教學中，用前沿的材料科學研究內(nèi)容去充實陳舊的教學內(nèi)容，在人才培養(yǎng)方案中增加了專業(yè)前沿知識專題講座課程，及時傳授本學科的前沿知識和最新研究成果、動態(tài)。
(二)加強實踐教學，優(yōu)化課程類型多元化的實踐教學是培養(yǎng)學生創(chuàng)新和動手能力的最有效的手段，通過實驗來研究物質(zhì)及其變化規(guī)律，使學生獲取基本的實驗動手能力、綜合分析問題的能力、解決問題的能力、一定的科學研究能力和一般的創(chuàng)新能力［3］。根據(jù)“高等院校理工科教學指導委員會通訊”所提倡的高等院校材料化學專業(yè)規(guī)范討論稿的要求，材料化學專業(yè)的實踐課程有基礎課實驗、專業(yè)基礎課實驗、專業(yè)課實驗、專業(yè)實習、畢業(yè)論文等等內(nèi)容［4］。在材料化學專業(yè)實驗教學中，充分考慮實驗內(nèi)容的科學性和系統(tǒng)性，選擇具有一定難度和較大覆蓋面的交叉型綜合實驗作為實驗教學的主要內(nèi)容，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。學院全面開放所有實驗室，給學生創(chuàng)造開展專業(yè)綜合技能訓練的場所，提高學生的實驗能力。目前，在各級有關部門的支持下，按材料化學人才培養(yǎng)方案的要求，材料化學實驗室基本具備完成基礎課、專業(yè)基礎課和專業(yè)課的實驗教學條件。學院倡導請相關的知名企業(yè)家、工程師指導部分實踐教學，實現(xiàn)學校與地方大中小型企業(yè)的對接。根據(jù)各企業(yè)的實際，按照學生意愿分成由五至八人組成的“小組”進入不同的微小企業(yè)進行多元化的實習。材料化學專業(yè)對學生完成畢業(yè)論文(設計)實行分類指導和分流培養(yǎng)的方式，改變以往的畢業(yè)論文撰寫模式，允許學生在教師的指導下根據(jù)自已的興趣、愛好以及個人的從業(yè)需求選擇畢業(yè)論文課題，可以在本學院教師的指導下，也可以在科研院所、企業(yè)、經(jīng)濟實體中科技人員的指導下完成畢業(yè)論文(設計)。#p#分頁標題#e#
關鍵詞：材料科學；結(jié)構(gòu)化學；教學內(nèi)容
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）18-0032-02
湘潭大學目前除了化學專業(yè)、應用化學專業(yè)開設結(jié)構(gòu)化學之外，材料物理、材料化學、材料科學與工程這3個材料科學類的專業(yè)也開設結(jié)構(gòu)化學課程，5個專業(yè)使用的教材均為周公度、段連運先生編著，北京大學出版社出版的結(jié)構(gòu)化學基礎（第4版）一書。根據(jù)近幾年來材料科學類結(jié)構(gòu)化學的教學實踐情況，考慮到材料科學學科與化學學科之間的差異，根據(jù)材料科學與工程教學指導委員會制訂的高等學校材料物理、材料化學專業(yè)規(guī)范，優(yōu)化適合于材料科學類3個專業(yè)的結(jié)構(gòu)化學課程的教學內(nèi)容實有必要。
一、結(jié)構(gòu)化學的內(nèi)容和課程的任務
結(jié)構(gòu)化學是研究原子在空間相互結(jié)合成分子或化學實體的方式（結(jié)構(gòu)）、依據(jù)（化學鍵本質(zhì)）、規(guī)律及結(jié)構(gòu)與性能間的聯(lián)系，它是聯(lián)系材料宏觀與微觀的橋梁，是材料設計的基礎。結(jié)構(gòu)化學以在分子水平上研究自然科學問題為其主要目標與特征，這決定了它不僅是研究化學反應機制、化學的內(nèi)在規(guī)律性、各類化學體系立體構(gòu)型、鍵型及構(gòu)效關系的指南，而且已成為材料科學、分子生物學、金屬有機化學等新興、邊緣或綜合學科發(fā)展的支柱。結(jié)構(gòu)化學不僅與化學各分支學科，而且與材料科學、物理學、地學、生命科學、冶金學等學科有廣泛的橫向聯(lián)系與交叉。結(jié)構(gòu)化學的另一個重要內(nèi)容就是與合成化學、理論化學以及材料科學、生命科學、固體物理等相鄰學科一起，建立分子工程學、晶體工程學等學科。
結(jié)構(gòu)化學課程是材料科學類的一門基礎課，其任務是使學生深刻掌握微觀物質(zhì)運動的基本規(guī)律，獲得原子、分子和晶體結(jié)構(gòu)的基本理論、基礎知識，深入掌握物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能的相互關系，牢固樹立結(jié)構(gòu)決定性能的觀點，了解研究分子和晶體結(jié)構(gòu)的近代物理方法。通過這門課程的學習，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力，進一步培養(yǎng)學生從結(jié)構(gòu)的觀點分析問題和解決問題的能力。結(jié)構(gòu)化學的教學對于鍛煉學生思維、開發(fā)學生智力、發(fā)展學生能力、提高學生綜合素質(zhì)有著極其重要的作用。凡具有較好理論基礎的大學畢業(yè)生，適應能力強，后勁足，結(jié)構(gòu)化學的教學起著十分重要的作用。
二、材料科學的特征
材料科學與工程正在發(fā)生深刻的變化，其研究已深入到原子尺度，突出特征表現(xiàn)在3個方面。第一，材料科學技術(shù)化，材料技術(shù)科學化，材料科學與工程技術(shù)日益融合，相互促進；第二，新材料、新技術(shù)、新工藝相互結(jié)合，為各個工程領域開拓了新的研究內(nèi)容，帶來了新的生命力和發(fā)展前景；最后，學科之間的相互交叉滲透，使得各學科之間的關系日益密切，難以分割。基礎科學與現(xiàn)代技術(shù)的新成果也和材料科學與工程的發(fā)展交織在一起。
從教材角度看材料科學，具有3個特征：基礎性、前沿性和應用性。基礎性，一方面指材料科學的研究是建立在物理、化學的基礎上，沒有扎實的理化基礎從事材料研究與開發(fā)是難以想象的。另一方面，當前材料科學研究顯示出突出的交叉性和綜合性，學科內(nèi)容及規(guī)模不僅體系龐大而且紛繁蕪雜，沒有扎實的基礎就難以抓住要害，不能適應學科的變化和發(fā)展，這就要求教材毫不含糊地重視基礎。前沿性是指材料科學的發(fā)展速度迅猛，只有在教材中恰當?shù)胤从尺@些變化，才能使學生適應日后的研究工作。應用性是指材料研究的目的而言，是為了實際應用。當今材料研究從實驗室到工業(yè)化的時間大大縮短，材料研究與開發(fā)已成為高科技的重要組成部分，要求在教材中有意識地體現(xiàn)這一特征。
三、結(jié)構(gòu)化學課程教學的主要內(nèi)容與基本要求
根據(jù)結(jié)構(gòu)化學的研究內(nèi)容和材料科學學科的特征，材料科學類的結(jié)構(gòu)化學課程不僅要兼顧物理系的材料物理和化學系的材料化學2個專業(yè)，包含適當?shù)牧孔恿W基礎、固體理論和表面結(jié)構(gòu)化學，還要適當?shù)亟榻B一些的功能材料，不能“有理無物”，而且既要與材料物理課程和材料化學課程緊密地相聯(lián)系，又要區(qū)別開來，既要與計算物理課程和計算化學課程相聯(lián)系，又要區(qū)別開來，突出材料結(jié)構(gòu)與性能的關系，簡要介紹分子設計學。遵循加強基礎、強化能力、整體優(yōu)化、精選內(nèi)容、更新知識、突出應用、反映前沿及簡明扼要的原則，進行教材編寫。
在內(nèi)容的選取上，首先把握更新與精選，處理好“新”與“基”的關系。在加強基本教學內(nèi)容的前提下適當反映新內(nèi)容，拓寬知識面，體現(xiàn)“少而精”、“精而新”的原則。不僅要反映現(xiàn)代科學的發(fā)展趨勢和學科的前沿理論，而且應注重結(jié)構(gòu)化學課程對其他課程和學科的滲透，提高綜合度。其次充分重視理論聯(lián)系實際。在不同部分側(cè)重點不同，力求加強宏觀與微觀的聯(lián)系，掌握規(guī)律。第三，注意演繹法和歸納法2種方法的應用。RHoffmann曾說：“化學理論的最主要作用是提供一種思維方式，以總結(jié)更新知識”。結(jié)構(gòu)化學作為理論化學的重要組成部分，要求該課程使學生在2種思維模式即演繹法和歸納法方面均得到較好的訓練。中國傳統(tǒng)教學偏重演繹，優(yōu)點是嚴謹，但缺乏創(chuàng)新意識，而美國等國家在教學上側(cè)重歸納，優(yōu)點是獨立思考和創(chuàng)造能力強，缺點是基礎不夠扎實。因此，我們力求將2種思維模式在各個章節(jié)都有所體現(xiàn)，期望學生受到全面的訓練。第四，充分注意習題的作用。習題是鍛煉思維的體操，是學習過程中的重要一環(huán)，做習題不僅是理解、掌握知識，而且是學會如何運用知識。雖然做習題本身不是科學研究，但對研究能力的養(yǎng)成有重要作用。許多科學大師都曾津津樂道于他們早年在習題中的受益。A Sommerfeld曾寫信給他的學生W Heisenberg，告誡他：要勤奮地去做練習，只有這樣，你才會發(fā)現(xiàn)，哪些你理解了，哪些你還沒有理解。楊振寧也曾回憶他的大學學習：西南聯(lián)大教學風氣是非常認真的，我們那時念的課，一般老師準備得很好，學生習題做得很多。的確，“勤奮地去做練習”，“習題做得很多”，往往是達到成功的一個階梯。因此例題習題選編的恰當與否直接影響教學效果，這在內(nèi)容多、學時少、提倡自學的當今時代顯得尤為重要，對于結(jié)構(gòu)化學課程而言更是如此。習題不能全部簡單化，我們編寫了一定數(shù)量的綜合訓練題。最后，注意課外讀物的作用。課外讀物有利于拓寬學生的知識面，培養(yǎng)學生的自學能力。閱讀原始研究論文能夠培養(yǎng)學生良好的思維能力和思考問題的方法，提高他們分析問題和解決問題的能力。在結(jié)構(gòu)化學中，每一個基本原理或理論大都對應一位科學大師，學習他們的研究方法及寫作技巧，對學生將來從事科研等工作十分有益。
因此，材料科學類的結(jié)構(gòu)化學課程教學內(nèi)容應包括下列6部分內(nèi)容，各部分的基本要求如下：
1.量子力學基礎和原子結(jié)構(gòu)。這部分內(nèi)容在第1、2章中講授。要求了解量子力學的基本假設，掌握氫原子和類氫離子的薛定諤方程及求解要點，提高對原子結(jié)構(gòu)的認識，深入理解原子軌道的意義、性質(zhì)和空間圖象。了解多電子原子的自恰場方法及中心力場近似法，了解核外電子布居的依據(jù)，了解角動量的偶合及原子光譜項的意義。
2.化學鍵理論和分子結(jié)構(gòu)。這部分內(nèi)容主要在第3、5、6、10章中講授。要求重點掌握化學鍵的三個基本理論：分子軌道理論、價鍵理論和配位場理論。其中第3章要求了解線性變分法處理H2+和H2，了解共價鍵本質(zhì)及典型的雙原子分子的電子排布。第5章要求掌握價鍵理論在多原子分子結(jié)構(gòu)中的應用，掌握s-p雜化軌道的造法及鍵角公式。要求掌握HMO方法及其在共軛分子中的應用，掌握前線軌道理論和能量相關圖及其應用。第6章要求掌握配位場理論在配位化合物結(jié)構(gòu)中的應用，π-σ配鍵化合物和過度金屬簇合物的電子結(jié)構(gòu)或成鍵特征與性能。了解分子光譜、電子能譜原理。掌握現(xiàn)代化學鍵理論在討論非金屬化合物成鍵特征及結(jié)構(gòu)與性能關系方面的應用。
3.點陣理論和晶體結(jié)構(gòu)。這部分內(nèi)容主要在第4、7、8、9章中講授。要求根據(jù)分子的幾何構(gòu)型確定分子所屬的點群，初步了解群的表示和特征表的意義。了解偶極矩、旋光性與分子結(jié)構(gòu)的關系。要求著重了解X射線衍射等方法所依據(jù)的基本原理，以及在測定結(jié)構(gòu)中的作用和應用范圍，為了解與掌握現(xiàn)代化學中的重要實驗方法打下初步的理論基礎。掌握描述晶體結(jié)構(gòu)的表達方法，掌握金屬、離子化合物的晶體結(jié)構(gòu)與性能。了解用結(jié)構(gòu)化學理論研究固體表面的結(jié)構(gòu)和性能的方法。
4.功能材料結(jié)構(gòu)與性能。這部分內(nèi)容在11章中講授。初步了解幾類重要的功能材料，加深理解結(jié)構(gòu)決定性能的觀點，初步了解功能材料結(jié)構(gòu)與性能的關系。
5.分子設計基礎。這部分內(nèi)容在12章中講授。初步了解分子設計的基本原理及其應用。
關鍵詞：材料化學專業(yè)；課程體系；優(yōu)化策略
為社會培養(yǎng)合格的“高級材料化學專業(yè)人才”是材料化學專業(yè)教育的本質(zhì)［1］。目前，各高等院校不斷優(yōu)化材料化學課程體系，使其更加科學化和合理化。科學完備的課程體系是知識結(jié)構(gòu)和能力培養(yǎng)的優(yōu)化組合，材料化學專業(yè)課程體系是材料化學人才培養(yǎng)方案的核心，對材料化學專業(yè)人才培養(yǎng)起著至關重要的作用。材料化學專業(yè)課程體系的優(yōu)化首先是課程體系和教學內(nèi)容的整體優(yōu)化。
一、優(yōu)化材料化學專業(yè)課程體系的必要性
1．高等教育改革的需要。
目前，優(yōu)化課程體系，改革教學內(nèi)容，構(gòu)建合理的知識結(jié)構(gòu)，注重理論聯(lián)系實際，更新教學手段是高等教育改革的需求。優(yōu)化課程體系不僅要使它所包含的專業(yè)基礎課、專業(yè)課、實踐課等形成相互聯(lián)系的統(tǒng)一整體，而且要充分體現(xiàn)培養(yǎng)目標和培養(yǎng)規(guī)格。
2．現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的需要。
近年來，隨著材料化學專業(yè)教育課程論及教育理念的發(fā)展，我們根據(jù)材料科學發(fā)展規(guī)律，對材料化學專業(yè)課程體系進行了兩次優(yōu)化調(diào)整（分別為2008年下半年和2012年上半年）。我們優(yōu)化的材料化學專業(yè)課程體系能夠體現(xiàn)材料化學專業(yè)教育特色，完善材料化學專業(yè)課程體系，加強材料化學專業(yè)的學科方法論教育。
3．市場經(jīng)濟發(fā)展的需要。
優(yōu)化材料化學專業(yè)課程體系能夠反映社會和市場經(jīng)濟對綜合性專業(yè)人才的要求。優(yōu)化的材料化學專業(yè)課程體系應該充分體現(xiàn)以就業(yè)為導向的思想。我們倡導與專業(yè)相關的知名企業(yè)家走進課堂開展必修課教學，實現(xiàn)在校內(nèi)與企業(yè)的對接，強化學生的就業(yè)意識，提高學生的專業(yè)技能。
二、現(xiàn)行課程體系存在的問題及其成因
1．辦學特色不明確。
專業(yè)建設存在一些薄弱環(huán)節(jié)，如材料化學課程體系的基礎課平臺不夠規(guī)范，課程設置不夠科學，教學進程安排不夠合理，等等。此外，由于材料化學專業(yè)辦學時間短，存在專業(yè)學科定位不準，專業(yè)人才培養(yǎng)目標不夠明確，課程體系不夠科學等問題。近年來，為提高教學質(zhì)量，適應社會對人才的需求，很多高校開展了人才培養(yǎng)和教學體系研究。因此，有必要對材料化學專業(yè)課程體系的建設進行思考。
2．課程設置理念滯后。
在材料化學專業(yè)課程設置中，我們受傳統(tǒng)的重視知識傳授的狹義專業(yè)概念的限制，不夠重視獨立思考習慣、自學能力、動手能力和生存能力的培養(yǎng)。同時，在課程設置中存在社會需求、學生的就業(yè)取向、市場前景等的考慮程度不夠周到等問題。合理的課程設置理念是讓每一位學生不僅受到本專業(yè)的學術(shù)訓練，而且受到廣泛的通識教育，把學生培養(yǎng)成有專業(yè)知識、有愛心、有責任心和有雄心的智者。
3．實驗教學條件欠缺。
優(yōu)化實踐教學應該體現(xiàn)以下三個方面內(nèi)容：一是畢業(yè)實習、畢業(yè)論文（設計）實行“分類指導，分流培養(yǎng)”。學生可根據(jù)個人從業(yè)需要，撰寫高水平的實習報告，獲取名副其實的學分。二是優(yōu)化實踐教學進程。各專業(yè)可根據(jù)專業(yè)特點和人才培養(yǎng)需要，科學、合理地確定畢業(yè)實習的時間和進程。三是增設創(chuàng)業(yè)實踐環(huán)節(jié)。學生可通過創(chuàng)業(yè)訓練、第二課堂與創(chuàng)新活動，獲得創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)學分。而我們現(xiàn)行的材料化學專業(yè)的實踐教學環(huán)節(jié)，因人力資源和物質(zhì)資源等原因，欠缺根據(jù)學生需要安排實習和創(chuàng)新性實踐內(nèi)容。
4．師資隊伍建設力度不夠。
師資隊伍是優(yōu)化課程體系的執(zhí)行者，也是培養(yǎng)材料化學專業(yè)人才的主導者。先有優(yōu)秀的教師，后有優(yōu)秀的學生，再有品牌專業(yè)［2］。材料化學專業(yè)成立以來，我們加大力度引進了固體材料化學、無機功能材料、催化材料、分子生物學等領域的博士研究生數(shù)名，充實了本專業(yè)的教師隊伍。目前我們正在通過各方努力引進高水平教師，加強材料化學專業(yè)的師資隊伍建設。
三、課程體系的優(yōu)化策略
課程體系是高校人才培養(yǎng)目標、課程指導思想、課程設置、課程結(jié)構(gòu)及教學管理模式的綜合體現(xiàn)，是學校辦學特色、學科專業(yè)特色和人才培養(yǎng)特色的綜合反映。
課程體系是構(gòu)建人才培養(yǎng)方案的核心內(nèi)容，其是否科學合理，對培養(yǎng)高質(zhì)量人才目標具有決定性的意義。我們通過選擇、整合與調(diào)適課程體系等措施優(yōu)化了材料化學專業(yè)課程體系。
1.調(diào)整教學計劃，優(yōu)化專業(yè)基礎課內(nèi)容。
（1）優(yōu)化材料化學專業(yè)的無機化學課程內(nèi)容
材料化學專業(yè)課程體系是材料化學專業(yè)人才培養(yǎng)方案的核心，課程體系的科學性直接影響材料化學專業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量。因此，隨著材料化學專業(yè)辦學條件的改善和教學理念的科學化，有必要優(yōu)化材料化學專業(yè)課程體系。我們現(xiàn)行的材料化學專業(yè)課程體系中無機化學課程是大學一年級學生的必修課程。此門課程的指導思想直接影響學生在大學學習的思維模式和獲取知識的習慣，這個階段也是在大學一年級學生從中學學習模式轉(zhuǎn)變成大學學習模式的關鍵時期。因此我們有意識地培養(yǎng)學生的獨立思考意識和自學能力，為學生將來的學習工作打下良好的基礎。
無機化學課程內(nèi)容包括理論部分和元素部分。我們認為無機化學理論部分內(nèi)容是無機化學課程的核心部分，元素部分內(nèi)容是輔助部分。目前無機化學課程詳細介紹理論部分內(nèi)容和元素部分內(nèi)容。我們對材料化學專業(yè)的三屆（2007、2008、2009級學生）90名同學進行問卷調(diào)查，結(jié)果80名同學不贊成全部介紹無機化學元素部分內(nèi)容，而是希望在老師的指導下以自學方式完成無機化學元素部分內(nèi)容的學習。
對元素部分內(nèi)容我們采取了抓典型元素性質(zhì)的分析和討論，引導學生掌握學習元素化學知識的方法；通過實例指導學生去認識一個元素、一族元素或一類元素；逐步了解結(jié)構(gòu)—性能—功能之間的關系；初步掌握如何通過查閱參考書、手冊汲取知識的模式。其余元素部分內(nèi)容我們設置為自學內(nèi)容。
（2）優(yōu)化材料化學專業(yè)的高等數(shù)學課程內(nèi)容
高等數(shù)學作為高等院校的基礎學科，承擔著培養(yǎng)學生數(shù)學能力，提高學生邏輯思維能力，為專業(yè)課程學習提供數(shù)學思想和數(shù)理方法論的任務。高等數(shù)學是化學、生物、物理、材料物理、材料化學專業(yè)的基礎課程。目前一些普通高等院校的課程設置中有生物、化學、材料化學專業(yè)的“生化材”類高等數(shù)學教育教學。而隨著材料化學學科與數(shù)學學科的交叉日益加深，定性定量分析發(fā)展迅速，材料結(jié)構(gòu)分析、材料物理性能測試計算時需要更深的高等數(shù)學知識，所以我們把材料化學專業(yè)的“生化類”高等數(shù)學調(diào)整為“理工類”高等數(shù)學教學。同時我們在材料化學專業(yè)的高等數(shù)學課程內(nèi)容中增加了線性代數(shù)的內(nèi)容，以便達到材料結(jié)構(gòu)測試和性能計算的知識要求。
（3）材料結(jié)構(gòu)分析方法課程的教學形式的優(yōu)化
測試方法在材料化學專業(yè)的發(fā)展起著非常重要的作用。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們對材料性能的要求日益廣發(fā)和苛刻，對材料性能及其組分和微觀結(jié)構(gòu)的關系越來越感興趣，因而不斷出現(xiàn)新的研究方法。測試手段也越來越多樣化，實驗方法的數(shù)量隨著科學技術(shù)的發(fā)展而急速增加。因此我們把材料結(jié)構(gòu)分析方法課程的教學形式進行優(yōu)化。具體做法是任課老師在課堂上介紹材料結(jié)構(gòu)和性能測定儀器的原理，然后到實際儀器設備房間進行教學。學生在儀器管理人員的指導下，利用化學與環(huán)境科學學院和內(nèi)蒙古功能材料物理與化學重點實驗室的科學儀器設備完成本課程的學習內(nèi)容。這樣設置學生自己動手測定樣品的結(jié)構(gòu)和性能的課程，有助于提高學生的動手能力和解決實際問題的能力。
（4）以專業(yè)前沿知識講座充實課程內(nèi)容
課程內(nèi)容應當隨著社會、企業(yè)、科技的發(fā)展及時充實新知識。材料化學專業(yè)教材的內(nèi)容常常是數(shù)年，甚至數(shù)十年前的人類材料科學知識的概括。所以，任課老師要根據(jù)自身研究工作經(jīng)歷及時充實現(xiàn)代材料科學知識，優(yōu)化課程內(nèi)涵結(jié)構(gòu)。材料化學專業(yè)老師可以采用以下三種方法：一是將現(xiàn)代材料科技成果恰當?shù)厝谌氲交A課教學中，用新的材料科技內(nèi)容去改造、替代、充實陳舊的教學內(nèi)容，并處理好知識的繼承和發(fā)展的關系，使其有機地融合在一起；二是開設材料加工新技術(shù)課程內(nèi)容或開展材料設計加工科技活動，激發(fā)學生的興趣，提高他們的動手能力；三是開展能夠反映本學科專業(yè)前沿知識、最新科技成就的專題講座。
2.加強實踐教學，優(yōu)化課程類型。
根據(jù)“高等院校理工科教學指導委員會通訊”所提倡的高等院校材料化學專業(yè)規(guī)范討論稿的要求，材料化學專業(yè)的實踐課程有基礎課實驗、專業(yè)基礎課實驗、專業(yè)課實驗、專業(yè)實習、畢業(yè)論文等內(nèi)容［3］。
多元化的實踐教學是培養(yǎng)學生創(chuàng)新和動手能力的最有效手段，通過實驗來研究物質(zhì)及其變化規(guī)律，使學生獲取基本的實驗動手能力、綜合分析問題的能力、解決問題的能力，一定的科學研究能力和創(chuàng)新能力［4］。在材料化學專業(yè)實驗教學上，充分考慮實驗內(nèi)容的科學性和系統(tǒng)性，選擇具有一定難度和較大覆蓋面的交叉型綜合實驗作為實驗教學的主要內(nèi)容，著重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。全面開放所有實驗室，給學生創(chuàng)造開展專業(yè)綜合技能訓練的場所，提高學生的專業(yè)素質(zhì)。
目前，在各級有關部門的支持下，按材料化學課程體系要求能完成基礎課、專業(yè)基礎課和專業(yè)課的實驗教學任務。但是經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)的高等院校的材料化學專業(yè)的實踐教學課程出現(xiàn)了一些新情況。以往三四十人的實習隊伍進入企業(yè)、經(jīng)濟實體完成實踐教學任務。而今，大型企業(yè)自動化程度很高，實習生很難進入車間進行實地實踐學習，微小企業(yè)又沒有能力接收大量實習生，加上專業(yè)實習經(jīng)費的缺乏等原因，材料化學專業(yè)的實踐教學課程無法實現(xiàn)“大部隊”形式的實習任務。所以，我們對材料化學專業(yè)實踐教學課程進行了優(yōu)化。我們設置了適合地區(qū)特點的、按學生興趣分成由五—八人組成的“小組”進入不同的微小企業(yè)進行不同內(nèi)容的實踐的多元化實踐教學模式。在不同的微小企業(yè)完成實踐教學課程時我們注重學生自身管理和實踐指導老師巡視管理相結(jié)合，保證實踐教學過程中的實習效率和學生安全問題。
改變材料化學專業(yè)現(xiàn)行畢業(yè)論文模式，允許學生做畢業(yè)論文時根據(jù)自身興趣愛好和就業(yè)取向選擇課題，可以在學院老師的指導下完成畢業(yè)論文課題，也可以在科研所、企業(yè)、經(jīng)濟實體完成畢業(yè)論文課題。
3.增設自學選修課程，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)。
目前我院材料化學專業(yè)的課程體系中沒有設置自學性選修課程。材料化學專業(yè)教育不僅僅是傳授材料科學相關的知識，更重要的是傳授獲取知識的方法，以便學生順應社會需求選擇性地學習新領域的新知識而提高生存能力。社會需求多元化的當今時代，需要的人才不是單一性人才，而是綜合能力較強的復合人才。所以，在材料化學專業(yè)課程體系中增設自學性選修課程是社會和科學發(fā)展的必然要求。
培養(yǎng)學生的自學能力是豐富學生知識面的重要措施，是教師的基本職責，是素質(zhì)教育的必然要求，是終身學習的客觀需要。優(yōu)化教學理念和教學觀點是培養(yǎng)學生自學能力的前提條件，激發(fā)學生的學習興趣是培養(yǎng)學生自學能力的關鍵所在，營造學生自主主動學習的輿論氛圍是培養(yǎng)學生自學能力的重要環(huán)節(jié)，科學指導學生自學是培養(yǎng)學生自學能力的基本內(nèi)容，科學的評價標準是促使學生自學的原動力［5］。在材料化學專業(yè)課程體系中增設自學性選修課是提高學生自學能力的一種措施。
目前，材料化學專業(yè)課程體系中的化學與社會、化學史等課程完全可以設置為自學性選修課程。優(yōu)化的材料化學課程體系中應有無機化學元素部分的一些內(nèi)容，還應有自學性選修課程。只有這樣才能給學生創(chuàng)建重視自學，提高自學能力的學習環(huán)境。
總之，優(yōu)化材料化學專業(yè)課程體系是材料科學發(fā)展的客觀需求，是培養(yǎng)合格的材料化學專業(yè)人才的要求。優(yōu)化材料化學專業(yè)課程體系是我們辦學條件改善和教學理念提升的產(chǎn)物。我們主張在課程體系設置中遵循學生的認知規(guī)律，留給學生足夠的空間，讓學生獨立思考自己有興趣的材料科學問題。同時，我們給學生創(chuàng)造進行獨立或在老師指導下的半獨立實踐活動的條件。采取上述無機化學課程、高等數(shù)學課程、實踐教學課程和自學性選修課程的優(yōu)化措施，可培養(yǎng)具有獨立思考材料化學專業(yè)問題、具有一定自學能力和動手能力的符合社會需求的專業(yè)人才。
參考文獻：
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［3］高等院校材料化學規(guī)范討論稿［EB/OL］.高等院校理工科教學指導委員會通訊，2006，9.
各部分的教學內(nèi)容皆圍繞一條主線即：組成性質(zhì)應用而展開。主要性質(zhì)及其應用：通過對比，掌握不同結(jié)構(gòu)材料的不同性質(zhì)，比如混凝土、砂漿和砌筑塊材等脆性材料的抗壓性能遠優(yōu)于其抗拉性能，工程中主要作為受壓材料，如用于受壓柱和墻等，而建筑鋼材和木材等韌性材料由于具有較好的抗拉性能主要用于梁等受彎構(gòu)件或構(gòu)件的受拉部位。密切聯(lián)系工程實際：在課程教學中注意密切結(jié)合工程實例。如對一些工程質(zhì)量事故，可以分析技術(shù)上的原因，同時指出劣質(zhì)建材或偷工減料產(chǎn)生的社會根源，培養(yǎng)他們的責任感和事業(yè)心。[3]通過工程材料應用的正面和反面的案例，幫助學生認識材料性質(zhì)的優(yōu)劣對工程質(zhì)量和人民生命財產(chǎn)的重要影響。又既加深了對材料性質(zhì)和正確應用的認識，又增強了責任感，為培養(yǎng)合格的土木工程師做準備。其他材料部分對其他工程材料，如防水材料、保溫隔熱材料、吸聲隔聲材料等，結(jié)合具備各功能的基本原理介紹現(xiàn)有不同的功能材料常見品種和優(yōu)缺點，弄清如何根據(jù)不同工程應用條件合理選用功能材料。
課堂教學理論知識的課堂講授應該避免滿堂灌式的填鴨式教學，對課堂教學應該進行合理的教學設計和組織，在課堂上充分調(diào)動學生學習的積極性，以提高學習效率和教學質(zhì)量。每節(jié)課的組織最好包括以下幾部分內(nèi)容：（1）用五至十分鐘作引言：課堂前十分鐘左右，學生大多還不能高效的接受教師所要介紹的內(nèi)容，故教師不宜直入主題，設置引言可起到鋪墊作用，使學生漸入情景，并激起其對本堂課主要講授內(nèi)容的求知欲。（2）用三十分鐘講授本堂課的重點內(nèi)容：針對不同的教學內(nèi)容，教師可采用多種靈活的教學方法：可講授、可討論等等。（3）用五分鐘小結(jié)：小結(jié)是對本堂教學內(nèi)容的梳理和歸納，使重點更加明確。（4）用五分鐘引入下次課內(nèi)容：小結(jié)后可通過設問等方法引入下節(jié)課將要介紹的內(nèi)容，例如采用課前提問的辦法，即在本節(jié)課快要結(jié)束時，給學生們提出幾個問題，下節(jié)課講述課程新內(nèi)容前，先向?qū)W生提問，要求學生回答上一節(jié)課提出的問題，以促進學生課后通過自學獲取知識，[4]同時方便學生帶著問題提前預習。當然每堂課的實際教學活動的開展需要根據(jù)不同的教學內(nèi)容和不同的情況靈活處理。
除了時間和內(nèi)容的把握，教師在教學過程中應該遵循以下原則：（1）語速適中：教師講授的內(nèi)容對學生來說是全新的東西，特別是對于抽象或艱深的東西，學生有一個理解和接收的過程，因此，講課時忌語速過快。（2）講解準確：在內(nèi)容正確的基礎上，教師的講解力求準確。（3）力求精辟：對知識點的概括力求精辟，讓學生掌握到精髓。另外，在教學過程中，教師要善于創(chuàng)設和諧、寬松的教學情境，促使學生敢疑、善疑，探尋具有創(chuàng)新意義的新方法。教師在教學中,要盡量拋棄以“量”為主的知識觀,樹立以知識的“質(zhì)”和“結(jié)構(gòu)”為主的觀念，真正使教學成為培養(yǎng)創(chuàng)新精神、提高創(chuàng)新能力的有效途徑。[5]2.2課內(nèi)實驗本課程的特點是實踐性強，貼近工程實際。課內(nèi)材料試驗的進行可以幫助學生對不同材料的性質(zhì)獲得直接的感性認識，有助于其對所學理論的理解和掌握。通過對材料進行相關試驗，可以掌握基本的試驗操作和材料性能檢驗方法，為學生畢業(yè)后從事相關工程技術(shù)工作：材料驗收、質(zhì)量鑒定、材料試驗研究等方面，打下必要的基礎。對所獲得有關性質(zhì)的實驗數(shù)據(jù)，例如強度、彈性模量等有一定的感性認識，為后續(xù)課程的學習和結(jié)構(gòu)的設計或分析等打下基礎。為保證課內(nèi)試驗的教學效果，應做好實驗組織和考核工作，細化考核指標，保證每個學生參與實驗，在此基礎上，可適當開放試驗室資源，鼓勵學有余力和有興趣的學生開展適當?shù)膭?chuàng)新性實驗。
實習現(xiàn)場施工的工程實踐是感性認識的另一重要來源。實習是一個非常重要的教學環(huán)節(jié)，是學生完善相關知識體系、理論聯(lián)系實際的重要途徑。在工地上，可以看到不同材料的具體應用、學到具體的施工操作和檢測方法、了解常見工程弊病及其解決方法等課堂上學不到的知識。其重要性不言而喻。因此，教師要本著高度負責的精神，引導學生在實習中多觀察、勤思考、善于發(fā)現(xiàn)和解決問題，做到學以致用。學科競賽與科研活動組織學生參加建筑材料方面的設計競賽，是另一種作用顯著的激發(fā)學生學習興趣的途徑。通過組織學生參加競賽可以檢驗他們對相關知識掌握的程度以及是否具有創(chuàng)新能力。通過組織參加全國“第二屆混凝土材料設計大賽”發(fā)現(xiàn)，學生的參與熱情較高，由于有了展示和發(fā)揮的平臺，下屆學生學習本門課程的積極性也明顯提高。而且通過學科競賽我們也發(fā)現(xiàn)了教學中存在的問題，對下一步的教學也有一定的校正和促進作用。學科競賽等活動為學生提供了學以致用的平臺，經(jīng)過實踐修正的理論才能更好地指導實踐。學有余力的學生參與教師的科研活動，可在鞏固所學知識的基礎上，讓學生了解本學科的動態(tài)和前沿，學會查閱文獻、制訂方案、撰寫論文等，為日后繼續(xù)深造等積累一定的科研經(jīng)驗。此類創(chuàng)新或科研活動的開展，有利于培養(yǎng)出高素質(zhì)的工程技術(shù)和科研人才。
作者：劉鳳利 劉俊華 單位：河南大學土木建筑學院 開封大學土木建筑工程學院
論文關鍵詞：靜電紡絲，硝酸鑭，氟化銨，PVP，納米纖維
隨著稀土應用研究的廣泛和深入發(fā)展，稀土氟化物在新材料特別是功能材料研究方面，重要性日漸突現(xiàn)。LaF3晶體具有低的聲子能量,高的熱和環(huán)境穩(wěn)定性,被廣泛用于發(fā)光基質(zhì)材料[1-4]。近幾年，摻雜稀土的氟氧化物因其在光通訊方面的應用而發(fā)展了起來。這種材料可以提供低的聲子能量[5]。自從1993年首次報道以來，稀土離子在氟氧化物中的溶解性，熱和環(huán)境穩(wěn)定性的研究得到了很大發(fā)展[6,7]。
目前，已見很多文獻報道了用不同方法制備出稀土氟化鑭納米微粒[8]、氟化鑭薄膜[9]、氟化鑭納米線[10]等，未見有制備出氟化鑭納米纖維的相關報道。本文將稀土氟化物和氟氧化物的特點結(jié)合起來，用靜電紡絲技術(shù)成功制備出LaF3/LaOF復合納米纖維PVP，并對其進行了結(jié)構(gòu)表征，希望發(fā)現(xiàn)新的特性。
1 實 驗
1.1 LaF3 /PVP溶液的配制
(1)用電子天平稱取一定量PVP，置于磨口燒瓶中，量取一定量無水乙醇，注入磨口燒瓶中，再放入磁力攪拌子,蓋上瓶塞。將該磨口燒瓶置于磁力攪拌器上，常溫下攪拌12小時雜志網(wǎng)。得到無色透明有一定黏度的PVP的乙醇溶液。
(2)稱量一定量硝酸鑭固體和氟化銨固體，放入燒杯中，加入少量去離子水，攪拌幾分鐘，生成白色沉淀。將沉淀加入到PVP溶液中，攪拌24小時，形成白色懸濁液，即為LaF3/(PVP+乙醇)混合溶液。靜置3小時，即可進行紡絲。
1.2 LaF3/PVP纖維的制備
將適量制備好的不透明溶膠倒入注射器內(nèi)，金屬電極插入注射管前端。接收距離以毛細管尖端與接收板（鐵絲網(wǎng)）的距離為準，為15cm，然后施加20kV的電壓。接收時間為48h，得到一層纖維氈。此過程需要不斷向容器內(nèi)補充LaF3/PVP復合溶液PVP，每隔約10min須用干凈的濾紙擦拭毛細管管口。
1.3 LaF3/LaOF復合纖維的制備
取上一步驟制備的纖維，將其平鋪在坩堝或方舟內(nèi)，放置于馬弗爐中加熱。升溫速度控制在約0.5°C/min，分別在500°C，600°C，900°C保溫10h，自然降溫。高溫焙燒之后，纖維體積減少，韌性差。樣品在熱處理中發(fā)生了很大的變化，處理前是白色的纖維，當達到500°C時，樣品體積明顯變小，呈淺灰色薄膜狀。達到600°C時，樣品體積明顯變小，呈白色薄膜狀。達到900°C時，樣品體積明顯變小，呈白色顆粒狀。
1.4 測 試
采用S-4200型SEM進行納米纖維形貌與直徑分析；采用Y-2000型X射線衍射儀進行結(jié)構(gòu)分析；采用SDT-2960型差熱分析儀對樣品進行熱重分析和差熱分析。
2 結(jié)果與討論
2.1 掃描電鏡分析(SEM)
無機-有機前軀體纖維以及經(jīng)過不同溫度煅燒的纖維的形貌如圖1。其中(a)為前驅(qū)體纖維，由掃描電鏡的照片可以看出，LaF3/PVP復合纖維直徑較大PVP，約為400nm，表面光滑，尺寸分布均一，彼此沒有交連。而由經(jīng)過焙燒后的 (b)可以看出，纖維中的PVP 逐漸分解，纖維產(chǎn)生非常明顯的收縮，直徑由原來400nm減小到200~250nm。纖維在熱處理過程中，除了體積上的明顯收縮以外，纖維出現(xiàn)彎曲雜志網(wǎng)。(c)可以看出，600°C時，PVP已分解完全，纖維沒有因為高分子的分解而失去支撐，纖維直徑約為150nm。 (d)可以看出900°C焙燒后纖維部分斷裂，由顆粒堆積組成，說明焙燒溫度過高不易得到纖維。
圖1. LaF3/PVP復合纖維及不同焙燒溫度下樣品的
SEM照片
(a) LaF3/PVP復合纖維 (b) 500°C (c) 600°C (d) 900°C
2.2 XRD分析
將LaF3/PVP復合纖維分別在500℃，600℃，900℃下焙燒，所得樣品的X射線衍射見圖2。由圖中a,b,c可以看出，500℃時已經(jīng)生成氟化鑭晶體PVP，但是晶體發(fā)育還不完全，衍射峰不明顯，基線比較雜亂。600℃時晶體發(fā)育比較好，但是部分氟化鑭轉(zhuǎn)變成了氟氧化鑭，這是由于焙燒溫度升高、焙燒時間延長所致。900℃時晶體發(fā)育完全，但是大部分氟化鑭轉(zhuǎn)變成了氟氧化鑭，這是由于焙燒溫度更高，時間更長所致。
圖2. LaF3/PVP復合纖維在不同焙燒溫度下樣品的XRD圖
a.500°C b. 600°C c. 900°C
2.3 LaF3/LaOF復合納米的形成機理
3 結(jié) 論
(1)采用靜電紡絲技術(shù)成功制備出大量的
LaF3/LaOF復合納米纖維，使無機納米纖維的制備工藝大大簡化，為一維結(jié)構(gòu)納米材料的深入研究奠定了堅實的基礎。
(2) SEM 分析表明，得到的纖維平均直徑150 nm，長度>50μm。
(3)XRD 分析表明，得到的纖維為LaF3/LaOF復合納米纖維。在600℃時晶體發(fā)育比較好，衍射峰比較強。
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創(chuàng)新了科研服務理念
科研理念是高校科研工作的靈魂。如何適應新時期科研發(fā)展的需求，從被動性工作向主動性工作轉(zhuǎn)變、從服務于工作崗位向服務于經(jīng)濟社會發(fā)展轉(zhuǎn)變，成為擺在科研工作面前的重要挑戰(zhàn)。受多種因素影響，河南大學長期以來形成了科研競爭意識淡漠的觀念，教師參與科研的積極性不高，學術(shù)交流與合作意識不強，人均科研成果數(shù)量和質(zhì)量都較低。不從思想上根本改變這種觀念，不從體制上加以限制和約束，學校將很難融入?yún)^(qū)域科技創(chuàng)新體系。通過召開科研大會、赴同類先進院校調(diào)研、深入基層科研單位開展調(diào)查研究，主動發(fā)現(xiàn)問題并切實落實解決，在此基礎上，結(jié)合學校科研工作實際和建設全國一流大學的目標，學校出臺了一系列管理文件，凝練出科研工作的基本理念：積極貫徹科學發(fā)展觀，促進科研觀念的轉(zhuǎn)變，使科研成為全體教師的一種生存狀態(tài)和成長方式，倡導“問題即課題，教學即研究，成果即成長”，不斷營造寬松科研氛圍，強化科研競爭意識，增強自主創(chuàng)新能力，突出重點，以點帶面，堅定不移地實施跨越式發(fā)展戰(zhàn)略，為建設高水平研究教學型大學、進而創(chuàng)建全國一流大學提供科研支撐。同時強化管理部門服務意識、營造人人參與科研、全校支持科研的和諧寬松的學術(shù)氛圍。學校科研競爭意識顯著增強，近年來在科研工作方面取得了突出成績，實現(xiàn)了若干領域新的突破。
完善了創(chuàng)新平臺體系
針對普遍存在科研要素條塊分割的問題，學校提出大科研概念，把與科研密切相關的要素整合起來，進一步完善科研機構(gòu)運行機制，理順學院和研究機構(gòu)的關系，使科研機構(gòu)成為產(chǎn)出高水平研究成果的科研基礎平臺。“黃河文明與可持續(xù)發(fā)展研究中心”和“體育改革與發(fā)展研究中心”已經(jīng)成為全國乃至國際上有重要影響的研究基地，“特種功能材料重點實驗室”和“植物逆境生物學重點實驗室”正向國家重點實驗室邁進，“河南省納米材料工程技術(shù)研究中心”成為國內(nèi)納米科學技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化基地。“河南省高校數(shù)字區(qū)域模擬重點學科開放實驗室”等一批重點實驗室、工程中心為河南的經(jīng)濟社會發(fā)展做出了重要貢獻。學校還整合全校科研資源，在基層科研單位設立51個校級重點研究機構(gòu)，每年給予每個機構(gòu)3萬元的運轉(zhuǎn)經(jīng)費和平均11萬元的項目建設經(jīng)費，使科研成為教師工作的重要組成部分，極大地提高了教師的科研積極性、主動性和創(chuàng)造性，三年建設期產(chǎn)出了大批創(chuàng)新成果。同時學校還依托自身技術(shù)與企業(yè)聯(lián)合組建研發(fā)中心，積極探索新形勢下校企聯(lián)合、產(chǎn)學研一體化的新模式。目前，學校基本形成國家、省部、廳局、校四級層次分明，結(jié)構(gòu)合理的科研創(chuàng)新平臺體系，參與經(jīng)濟建設和社會發(fā)展的能力顯著增強，在創(chuàng)新型河南建設中的貢獻率和顯示度日益顯現(xiàn)。
構(gòu)筑了人才高地
學校以學科建設為中心，吸引和整合創(chuàng)新人才，以提高原始創(chuàng)新能力為目標，淡化行政隸屬關系，凝練學科方向，打造學術(shù)隊伍，依托重大科研項目、國際學術(shù)交流與合作項目、各級重點學科和重點科研機構(gòu)，著力培養(yǎng)造就一批創(chuàng)新能力強的高水平學科帶頭人，積極引進領軍人才，推進創(chuàng)新團隊建設。隨著各項事業(yè)的快速發(fā)展，目前學校正處在加快杰出人才隊伍建設的階段，正計劃在一些優(yōu)勢學科每年投入1000萬元引進2～3位大師級人才，讓一個大師級的人物率領一支團隊，帶領和培養(yǎng)新的杰出人才，開辟新的研究領域和新的優(yōu)勢學科，建成2～3個國內(nèi)相同領域的科研重鎮(zhèn)，實現(xiàn)高層次突破，在國際學術(shù)前沿嶄露頭腳。嘗試在校內(nèi)建立“學科特區(qū)”，按照國外的模式對引進人才進行管理，給他們提供優(yōu)越的工作生活條件、充足的科研經(jīng)費、自由的財權(quán)和人事權(quán)力，消除他們的后顧之憂，盡最大努力提供充分發(fā)展的空間，大力改善吸引優(yōu)秀人員的大環(huán)境和小環(huán)境。同時，學校每年面向新參加工作的教師進行崗前培訓，幫助他們了解學校整體科研情況和科研基本規(guī)律，盡快融入各科研工作中。近年來，學校匯聚了一大批優(yōu)秀人才，為創(chuàng)新科學研究提供了智力支撐。
強化科研激勵措施
科研體制順暢是科研工作運行的重要保障。學校重新制定科研工作量核算辦法，實行積分制，出臺《河南大學科研獎勵管理辦法》，增加教師科研的靈活性。尤其是高起點、大額度重獎對學校學科建設、學位點建設、學術(shù)水平有重要支撐作用的高層次項目和高層次成果(SCI按影響因子獎勵)，對全國百篇優(yōu)秀博士論文和提名論文給予重獎，對發(fā)明專利給予1萬元的獎勵，對一般性項目和成果不再給予獎勵。學校還設立“河南大學年度特別貢獻獎”，對實現(xiàn)高層次突破、擴大學校學術(shù)聲譽，產(chǎn)生重大社會影響的科研人員給予特別貢獻獎，引導教師積極承擔高層次項目和推出高水平研究成果。同時全面梳理科研管理文件，修訂完善符合學校目前發(fā)展需要的制度體系，這些政策措施的出臺，在校內(nèi)引起強烈震動，激發(fā)了教師向高層次目標沖刺，為建設全國一流大學提供了強有力的科研支撐。
加大科研投入
學校設立博士科研啟動基金，每年投入300萬元用于資助剛參加工作的博士從事科研啟動工作；投入100萬元作為科研基金項目經(jīng)費，用于資助青年教師的科研工作；投入60萬元作為校重點科研項目經(jīng)費，主要資助通過國家級項目評審而未獲立項的課題，使有發(fā)展前景和良好基礎的課題繼續(xù)開展研究并向國家級項目沖刺；投入100萬元作為學術(shù)交流基金，采取“走出去，請進來”的辦法，資助教師參與學術(shù)交流，資助在學校召開的國際、國內(nèi)重要學術(shù)會議，重點資助來校講學或進行研究的諾貝爾獎獲得者、院士、長江學者、國家杰出青年基金獲得者等高層次專家和學者；投入200萬元作為“科技成果轉(zhuǎn)化基金”，設立了專利基金、對外開放基金等多種基金，為科研創(chuàng)新、學術(shù)交流、成果轉(zhuǎn)化等提供了充足的經(jīng)費保障。
加強科技成果推廣轉(zhuǎn)化工作
學校以市場為導向，加強管理、組織和領導，制定了一系列激勵措施，使橫向項目與科研人員的切身利益，尤其是職稱評定掛起鉤來，引導科研人員在重視縱向課題的同時，更加積極主動地爭取橫向研究課題。學校積極組織現(xiàn)有技術(shù)成果有意識地參加深圳高交會、上海工博會等全國各地的技術(shù)成果信息會、展示會、
洽談會等活動，推廣現(xiàn)有技術(shù)成果并尋找新的研究課題。學校還與開封市政府合作，建立了產(chǎn)學研合作領導協(xié)調(diào)小組，正式啟動產(chǎn)學研合作工程，一批科技成果紛紛在當?shù)芈鋺簟Ｈ鐚＠夹g(shù)“從焦化粗苯生產(chǎn)中提取噻吩”已在開封巨龍化工廠實施，從根本上解決了焦化苯生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢酸污染問題，同時又生產(chǎn)出另一種產(chǎn)品“噻吩”，每年可產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益800多萬元。
學校充分利用200萬元科技成果轉(zhuǎn)化基金，整合科技資源，加快學校科技成果向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化的進程，資助了一批中試成果向工業(yè)化轉(zhuǎn)化項目，建立了一批技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的樣板工程，為進一步推廣奠定了堅實基礎。如董學芝教授的“造紙黑液堿回收中直接生產(chǎn)沉淀碳酸鈣新技術(shù)”解決了圍繞造紙界的白泥二次污染問題，達到國際先進水平，獲得美國、澳大利亞、俄羅斯三國發(fā)明專利，已在武漢晨鳴紙業(yè)集團和河南華豐紙業(yè)有限公司進行工業(yè)化生產(chǎn)，每年新增效益達2000多萬元；特種功能材料實驗室“可分散性納米二氧化硅合成新技術(shù)”正在濟源市建設年產(chǎn)1000噸納米二氧化硅系列產(chǎn)品生產(chǎn)線，每年可實現(xiàn)產(chǎn)值8400萬元；河南省納米材料工程技術(shù)研究中心中試基地完成了“低滲油井增注劑”項目的中試放大和技術(shù)轉(zhuǎn)讓。2006年10月，學校與企業(yè)投資3000萬元開展的國家創(chuàng)新藥物研究項目正式啟動。
