發(fā)布時(shí)間：2023-03-22 17:38:37
序言：寫(xiě)作是分享個(gè)人見(jiàn)解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的功能材料論文樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。
關(guān)鍵詞:梯度功能材料,復(fù)合材料,研究進(jìn)展
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展的三大支柱?，F(xiàn)代高科技的競(jìng)爭(zhēng)在很大程度上依賴于材料科學(xué)的發(fā)展。對(duì)材料,特別是對(duì)高性能材料的認(rèn)識(shí)水平、掌握和應(yīng)用能力,直接體現(xiàn)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力,也是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和社會(huì)文明進(jìn)步速度的標(biāo)志。因此,新材料的開(kāi)發(fā)與研究是材料科學(xué)發(fā)展的先導(dǎo),是21世紀(jì)高科技領(lǐng)域的基石。
近年來(lái),材料科學(xué)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[1]。究其原因,一方面是各個(gè)學(xué)科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實(shí)驗(yàn)技術(shù);另一方面是實(shí)際應(yīng)用的迫切需要對(duì)材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用問(wèn)題而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合材料，這種材料對(duì)新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質(zhì)化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領(lǐng)域，所以它是近年來(lái)在材料科學(xué)中涌現(xiàn)出的研究熱點(diǎn)之一。
1FGM概念的提出
當(dāng)代航天飛機(jī)等高新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料性能的要求越來(lái)越苛刻。例如：當(dāng)航天飛機(jī)往返大氣層，飛行速度超過(guò)25個(gè)馬赫數(shù)，其表面溫度高達(dá)2000℃。而其燃燒室內(nèi)燃燒氣體溫度可超過(guò)2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達(dá)5MW/m2.對(duì)于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強(qiáng)制冷卻的冷卻劑，此時(shí)燃燒室內(nèi)外要承受高達(dá)1000K以上的溫差,傳統(tǒng)的單相均勻材料已無(wú)能為力[1]。若采用多相復(fù)合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數(shù)和熱應(yīng)力的差別較大,很容易在相界處出現(xiàn)涂層剝落[3]或龜裂[1]現(xiàn)象，其關(guān)鍵在于基底和涂層間存在有一個(gè)物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規(guī)耐熱材料的不足，日本學(xué)者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續(xù)變化的組分梯度來(lái)代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應(yīng)力降至最小[3]。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發(fā)展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)復(fù)合技術(shù)，使構(gòu)成材料的要素（組成、結(jié)構(gòu)）沿厚度方向有一側(cè)向另一側(cè)成連續(xù)變化，從而使材料的性質(zhì)和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分類
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續(xù)變化的特點(diǎn)如圖2,因此它能有效地克服傳統(tǒng)復(fù)合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比FGM有如下優(yōu)勢(shì):
1)將FGM用作界面層來(lái)連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結(jié)強(qiáng)度;
2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力;
3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點(diǎn)以及應(yīng)力自由端點(diǎn)的應(yīng)力奇異性;
4)用FGM代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻材料涂層,既可以增強(qiáng)連接強(qiáng)度也可以減小裂紋驅(qū)動(dòng)力。
2.2FGM的分類
根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)FGM有多種分類方式。根據(jù)材料的組合方式，F(xiàn)GM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據(jù)其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個(gè)基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據(jù)不同的梯度性質(zhì)變化分為密度FGM，成分FGM，光學(xué)FGM，精細(xì)FGM等[4]；根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域有可分為耐熱FGM，生物、化學(xué)工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3FGM的應(yīng)用
FGM最初是從航天領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)利用組分、結(jié)構(gòu)、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,并可望應(yīng)用于許多領(lǐng)域。
功能
應(yīng)用領(lǐng)域材料組合
緩和熱應(yīng)
力功能及
結(jié)合功能
航天飛機(jī)的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機(jī)械部件
耐熱性機(jī)械部件
耐蝕性機(jī)械部件
加工工具
運(yùn)動(dòng)用具:建材陶瓷金屬
陶瓷金屬
塑料金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石金屬
碳纖維金屬塑料
核功能
原子爐構(gòu)造材料
核融合爐內(nèi)壁材料
放射性遮避材料輕元素高強(qiáng)度材料
耐熱材料遮避材料
耐熱材料遮避材料
生物相溶性
及醫(yī)學(xué)功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關(guān)節(jié)
人工內(nèi)臟器官:人工血管
補(bǔ)助感覺(jué)器官
生命科學(xué)磷灰石氧化鋁
磷灰石金屬
磷灰石塑料
異種塑料
硅芯片塑料
電磁功能
電磁功能陶瓷過(guò)濾器
超聲波振動(dòng)子
IC
磁盤
磁頭
電磁鐵
長(zhǎng)壽命加熱器
超導(dǎo)材料
電磁屏避材料
高密度封裝基板壓電陶瓷塑料
壓電陶瓷塑料
硅化合物半導(dǎo)體
多層磁性薄膜
金屬鐵磁體
金屬鐵磁體
金屬陶瓷
金屬超導(dǎo)陶瓷
塑料導(dǎo)電性材料
陶瓷陶瓷
光學(xué)功能防反射膜
光纖;透鏡;波選擇器
多色發(fā)光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半導(dǎo)體
稀土類元素玻璃
能源轉(zhuǎn)化功能
MHD發(fā)電
電極;池內(nèi)壁
熱電變換發(fā)電
燃料電池
地?zé)岚l(fā)電
太陽(yáng)電池陶瓷高熔點(diǎn)金屬
金屬陶瓷
金屬硅化物
陶瓷固體電解質(zhì)
金屬陶瓷
電池硅、鍺及其化合物
4FGM的研究
FGM研究?jī)?nèi)容包括材料設(shè)計(jì)、材料制備和材料性能評(píng)價(jià)。
4.1FGM設(shè)計(jì)
FGM設(shè)計(jì)是一個(gè)逆向設(shè)計(jì)過(guò)程[7]。
首先確定材料的最終結(jié)構(gòu)和應(yīng)用條件,然后從FGM設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇滿足使用條件的材料組合、過(guò)渡組份的性能及微觀結(jié)構(gòu),以及制備和評(píng)價(jià)方法,最后基于上述結(jié)構(gòu)和材料組合選擇,根據(jù)假定的組成成份分布函數(shù),計(jì)算出體系的溫度分布和熱應(yīng)力分布。如果調(diào)整假定的組成成份分布函數(shù),就有可能計(jì)算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應(yīng)力分布,此時(shí)的組成分布函數(shù)即最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。
FGM設(shè)計(jì)主要構(gòu)成要素有三:
1)確定結(jié)構(gòu)形狀,熱—力學(xué)邊界條件和成分分布函數(shù);
2)確定各種物性數(shù)據(jù)和復(fù)合材料熱物性參數(shù)模型;
3)采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)—力學(xué)計(jì)算方法,包括有限元方法計(jì)算FGM的應(yīng)力分布,采用通用的和自行開(kāi)發(fā)的軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。
FGM設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是與材料的制備工藝緊密結(jié)合,借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng),得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。
4.2FGM的制備
FGM制備研究的主要目標(biāo)是通過(guò)合適的手段,實(shí)現(xiàn)FGM組成成份、微觀結(jié)構(gòu)能夠按設(shè)計(jì)分布,從而實(shí)現(xiàn)FGM的設(shè)計(jì)性能?？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(xué)相沉積(CVD);形變與馬氏體相變[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設(shè)計(jì)的梯度成分成形,然后燒結(jié)。通過(guò)控制和調(diào)節(jié)原料粉末的粒度分布和燒結(jié)收縮的均勻性,可獲得熱應(yīng)力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比較簡(jiǎn)單的FGM部件,但工藝比較復(fù)雜,制備的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的燒結(jié)法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)及反應(yīng)燒結(jié)等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、易于操作和成本低等優(yōu)點(diǎn),但要對(duì)保溫溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度進(jìn)行嚴(yán)格控制。國(guó)內(nèi)外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis簡(jiǎn)稱SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前蘇聯(lián)科學(xué)家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應(yīng)時(shí),發(fā)現(xiàn)的一種合成材料的新技術(shù)。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學(xué)反應(yīng),此后化學(xué)反應(yīng)在自身放熱的支持下,自動(dòng)持續(xù)地蔓延下去,利用反應(yīng)熱將粉末燒結(jié)成材，最后合成新的化合物。其反應(yīng)示意圖如圖6所示[16]：
SHS法具有產(chǎn)物純度高、效率高、成本低、工藝相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。并且適合制造大尺寸和形狀復(fù)雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應(yīng)的材料體系,金屬與陶瓷的發(fā)熱量差異大,燒結(jié)程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機(jī)械強(qiáng)度較低。目前利用SHS法己制備出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3噴涂法
噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝,適用于形狀復(fù)雜的材料和部件的制備。通常,將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過(guò)不同的管道輸送到等離子噴槍內(nèi),并在熔化的狀態(tài)下將它噴鍍?cè)诨w的表面上形成梯度功能材料涂層。可以通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制粉料的輸送速度和流量來(lái)得到設(shè)計(jì)所要求的梯度分布函數(shù)。這種工藝已經(jīng)被廣泛地用來(lái)制備耐熱合金發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等離子噴涂法(PS)
PS法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物,形成等離子體,其溫度高達(dá)1500K,同時(shí)處于高度壓縮狀態(tài),所具有的能量極大。等離子體通過(guò)噴嘴時(shí)急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達(dá)1.5km/s。原料粉末送至等離子射流中,粉末顆粒被加熱熔化,有時(shí)還會(huì)與等離子體發(fā)生復(fù)雜的冶金化學(xué)反應(yīng),隨后被霧化成細(xì)小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結(jié),形成沉積層。噴涂過(guò)程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調(diào)節(jié)等離子射流的溫度及流速,即可調(diào)整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優(yōu)點(diǎn)是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無(wú)需燒結(jié),不受基體面積大小的限制,比較容易得到大面積的塊材[10],但梯度涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是將預(yù)先設(shè)計(jì)好組分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便會(huì)產(chǎn)生用B合金化的A薄涂層,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時(shí)注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復(fù)以上過(guò)程,就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強(qiáng)劑熔覆金屬獲得了梯度多層結(jié)構(gòu)。梯度的變化可以通過(guò)控制初始涂層A的數(shù)量和厚度,以及熔區(qū)的深度來(lái)獲得,熔區(qū)的深度本身由激光的功率和移動(dòng)速度來(lái)控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能,但由于激光溫度過(guò)高,涂層表面有時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[10]。采用此法可制備Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
4.2.3.3熱噴射沉積[10]
與等離子噴涂有些相關(guān)的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過(guò)將增強(qiáng)粒子注射到金屬流束中,這種工藝已被推廣到制造復(fù)合材料中。陶瓷增強(qiáng)顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態(tài),混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復(fù)合材料。在噴涂沉積過(guò)程中,通過(guò)連續(xù)地改變?cè)鰪?qiáng)顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產(chǎn)生梯度6061鋁合金/SiC復(fù)合材料?？梢允褂脽岬褥o壓工序以消除梯度復(fù)合材料中的孔隙。
4.2.3.4電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學(xué)方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場(chǎng)中,通過(guò)注入另一相的懸浮液使之混合,并通過(guò)控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場(chǎng)作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來(lái),最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃,涂層的主要材料為TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層,以改變固體材料的表面特性,提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學(xué)功能、熱物理性能,該工藝由于對(duì)鍍層材料的物理力學(xué)性能破壞小、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產(chǎn)成本低廉等顯著優(yōu)點(diǎn)而備受材料研究者的關(guān)注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5氣相沉積法
氣相沉積是利用具有活性的氣態(tài)物質(zhì)在基體表面成膜的技術(shù)。通過(guò)控制彌散相濃度,在厚度方向上實(shí)現(xiàn)組分的梯度化,適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜,與基體結(jié)合強(qiáng)度低、設(shè)備比較復(fù)雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機(jī)理的不同分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)兩類。
化學(xué)氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質(zhì)源輸送到反應(yīng)器中進(jìn)行均勻混合,在熱基板上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并使反映產(chǎn)物沉積在基板上。通過(guò)控制反應(yīng)氣體的壓力、組成及反應(yīng)溫度,精確地控制材料的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài),并能使其組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)從一種組分到另一種組分連續(xù)變化,可得到按設(shè)計(jì)要求的FGM。另外,該法無(wú)須燒結(jié)即可制備出致密而性能優(yōu)異的FGM,因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過(guò)程包括：氣相反應(yīng)物的形成；氣相反應(yīng)物傳輸?shù)匠练e區(qū)域；固體產(chǎn)物從氣相中沉積與襯底[12]。
物理氣相沉積法(PVD)是通過(guò)加熱固相源物質(zhì),使其蒸發(fā)為氣相,然后沉積于基材上,形成約100μm厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD法的特點(diǎn)是沉積溫度低,對(duì)基體熱影響小,但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形變與馬氏體相變[8]
通過(guò)伴隨的應(yīng)變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個(gè)附加的被稱作“相變塑性”的變形機(jī)制。借助這種機(jī)制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應(yīng)力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內(nèi),可以通過(guò)施加應(yīng)變(或等價(jià)應(yīng)力)梯度,在這種材料中產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體體積分?jǐn)?shù)梯度。這一方法在順磁奧氏體18-8不銹鋼(Fe-18%,Cr-8%Ni)試樣內(nèi)部獲得了鐵磁馬氏體α體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍,但能提供一個(gè)簡(jiǎn)單的方法,可以一步生產(chǎn)含有飽和磁化強(qiáng)度連續(xù)變化的材料,這種材料對(duì)于位置測(cè)量裝置的制造有潛在的應(yīng)用前景。
4.3FGM的特性評(píng)價(jià)
功能梯度材料的特征評(píng)價(jià)是為了進(jìn)一步優(yōu)化成分設(shè)計(jì),為成分設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),目前已開(kāi)發(fā)出局部熱應(yīng)力試驗(yàn)評(píng)價(jià)、熱屏蔽性能評(píng)價(jià)和熱性能測(cè)定、機(jī)械強(qiáng)度測(cè)定等四個(gè)方面。這些評(píng)價(jià)技術(shù)還停留在功能梯度材料物性值試驗(yàn)測(cè)定等基礎(chǔ)性的工作上[7]。目前,對(duì)熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機(jī)械性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]。目前,日本、美國(guó)正致力于建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)特征評(píng)價(jià)體系[7~8]。
5FGM的研究發(fā)展方向
5.1存在的問(wèn)題
作為一種新型功能材料,梯度功能材料范圍廣泛,性能特殊,用途各異。尚存在一些問(wèn)題需要進(jìn)一步的研究和解決,主要表現(xiàn)在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)（包括材料體系、物性參數(shù)、材料制備和性能評(píng)價(jià)等）還需要補(bǔ)充、收集、歸納、整理和完善；
2）尚需要進(jìn)一步研究和探索統(tǒng)一的、準(zhǔn)確的材料物理性質(zhì)模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結(jié)構(gòu)以及制備條件的定量關(guān)系，為準(zhǔn)確、可靠地預(yù)測(cè)梯度材料物理性能奠定基礎(chǔ)；
3）隨著梯度材料除熱應(yīng)力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設(shè)計(jì)體系，為梯度材料在多方面研究和應(yīng)用開(kāi)辟道路；
4）尚需完善連續(xù)介質(zhì)理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結(jié)構(gòu)模型，并借助計(jì)算機(jī)模擬對(duì)材料性能進(jìn)行理論預(yù)測(cè)，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,還不具有較多的實(shí)用價(jià)值;
6)成本高。
5.2FGM制備技術(shù)總的研究趨勢(shì)[13、15、19-20]
1）開(kāi)發(fā)的低成本、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便的制備技術(shù)；
2）開(kāi)發(fā)大尺寸和復(fù)雜形狀的FGM制備技術(shù)；
3）開(kāi)發(fā)更精確控制梯度組成的制備技術(shù)（高性能材料復(fù)合技術(shù)）；
4）深入研究各種先進(jìn)的制備工藝機(jī)理，特別是其中的光、電、磁特性。
5.3對(duì)FGM的性能評(píng)價(jià)進(jìn)行研究[2、13]
有必要從以下5個(gè)方面進(jìn)行研究：
1）熱穩(wěn)定性，即在溫度梯度下成分分布隨時(shí)間變化關(guān)系問(wèn)題；
2）熱絕緣性能；
3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；
4）抗極端環(huán)境變化能力；
5）其他性能評(píng)價(jià)，如熱電性能、壓電性能、光學(xué)性能和磁學(xué)性能等
陰極過(guò)程試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)鍍液中加入SiC微粒和稀土后，復(fù)合材料的陰極沉積電流密度增加，有利于Ni-W-P合金在陰極沉積，并形成Ni-W-P-SiC或RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合材料。而在鍍液中加入PTFE后，卻降低復(fù)合材料鍍層的陰極沉積電流密度。當(dāng)稀土的添加量為7~9g/l時(shí)，復(fù)合材料鍍層的陰極沉積電流密度增加并不明顯；隨著稀土添加量的增加，復(fù)合材料鍍層的陰極沉積電流密度增加較明顯，當(dāng)添加量達(dá)到11~13g/l時(shí)，鍍層的陰極沉積電流密度增加達(dá)到最大值；若進(jìn)一步增加稀土用量，則陰極沉積電流密度有所下降。SiC微粒與Ni-W-P合金共沉積的機(jī)理是：SiC微粒本身帶負(fù)電荷，當(dāng)加入到鍍液中，它會(huì)吸附周圍的正電荷，在流體動(dòng)力學(xué)和電場(chǎng)力的作用下，遷移到陰極表面形成弱吸附；其次，到達(dá)陰極表面的SiC微粒在靜電場(chǎng)力的作用下脫去水化膜與陰極直接接觸而形成強(qiáng)吸附；第三，吸附到陰極表面的SiC微粒被Ni-W-P合金捕獲一起沉積到鍍層中。
RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層在不同濃度的硫酸、鹽酸、磷酸和氯化鐵等溶液中的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，以Ni-W-P合金為基體的復(fù)合材料鍍層在鍍態(tài)或熱處理?xiàng)l件下在硫酸,磷酸,鹽酸和氯化鐵溶液中具有較好的耐蝕性,其耐蝕性優(yōu)于316L不銹鋼;Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層在鹽酸、硫酸和氯化鐵溶液中的耐蝕性優(yōu)于Ni-W-P合金鍍層和RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層，而RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層在磷酸溶液中的耐蝕性又優(yōu)于Ni-W->:請(qǐng)記住我站域名/
復(fù)合材料鍍層的硬度和耐磨性試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著加熱溫度的提高，復(fù)合材料鍍層的硬度增加，在400℃時(shí)達(dá)峰值，加熱溫度繼續(xù)升高，鍍層硬度呈下降趨勢(shì)；此外，陰陽(yáng)極相互垂直所得復(fù)合鍍層的硬度高于陰陽(yáng)極相互平行的硬度；鍍態(tài)時(shí)復(fù)合鍍層的磨損率均最高，隨著熱處理溫度的提高，磨損率呈下降趨勢(shì)，在400℃時(shí)磨損率最低，耐磨性最好。繼續(xù)升高溫度，磨損率有所上升。另外，隨著鍍層中磷含量的增加，其耐磨性改善。在400℃熱處理?xiàng)l件下，隨著熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，復(fù)合鍍層的硬度和耐磨性增加，當(dāng)熱處理時(shí)間達(dá)到3小時(shí)時(shí)，鍍層硬度和耐磨性達(dá)到最佳值；若繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間，鍍層的硬度和耐磨性將降低。隨著鍍液中SiC濃度的增加，RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合材料鍍層的硬度增加，同時(shí)鍍層的耐磨性能也增強(qiáng)。鍍液中鎢酸鈉濃度對(duì)RE-Ni-W-P-SiC多功能復(fù)合材料硬度及耐磨性的影響規(guī)律與鍍液中SiC濃度對(duì)RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合材料硬度及耐磨性的影響規(guī)律基本一致，即隨著鎢酸鈉濃度的升高，RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層的硬度和耐磨性均提高。隨著鍍液中次亞磷酸鈉濃度的升高，鍍層的硬度和耐磨性均降低。
RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合材料鍍層的組織與結(jié)構(gòu)分析表明，復(fù)合鍍層在鍍態(tài)下為非晶態(tài)，當(dāng)熱處理溫度升到200℃時(shí)，鍍層開(kāi)始晶化并析出Ni3P相；當(dāng)溫度達(dá)到500℃時(shí)，鍍層晶化完畢，產(chǎn)生新相g-(FeNi)。因此，整個(gè)鍍層的顯微結(jié)構(gòu)隨溫度的變化過(guò)程是：非晶態(tài)混晶態(tài)晶態(tài)；稀土元素對(duì)復(fù)合鍍層的顯微組織無(wú)影響，但可以提高復(fù)合鍍層中SiC微的含量；鍍液中鎢酸鈉和檸檬酸的濃度對(duì)復(fù)合材料鍍層的結(jié)構(gòu)影響不大，復(fù)合材料中的磷含量是鍍層非晶化的主要決定因素；鍍液中鎢酸鈉和檸檬酸的濃度對(duì)復(fù)合材料鍍層的表面形貌影響較大，當(dāng)鎢酸鈉的濃度為90—150g/L和檸檬酸的濃度為150—170g/L時(shí)，復(fù)合材料鍍層表面顆粒細(xì)小，而且平整光滑。
復(fù)合材料鍍層的抗高溫氧化試驗(yàn)結(jié)果表明，在高溫氧化過(guò)程中,純鎳鍍層、Ni-W-P、Ni-W-P-SiC和RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層的氧化膜重量和氧化時(shí)間的關(guān)系,在氧化時(shí)間小于60min時(shí)，氧化膜的增長(zhǎng)規(guī)律近似于直線方程；而在氧化時(shí)間大于60min后,它的增長(zhǎng)規(guī)律可以用冪函數(shù)方程表示。四種鍍層氧化速率的大小順序是Ni>Ni-W-P>Ni-W-P-SiC>RE-Ni-W-P-SiC。在高溫氧化過(guò)程中,Ni-W-P、Ni-W-P-SiC和RE-Ni-W-P-三種鍍層的氧化膜重量隨著氧化溫度的升高而呈指數(shù)型增加。RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層與Ni-W-P合金層相比,它的高溫抗氧化性能可以提高2-3倍。鍍層的截面形貌表明,經(jīng)500℃下氧化，Ni-W-P合金已向基體擴(kuò)散,與基體之間沒(méi)有明顯的分界線；Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層與基體之間有分界線,但不明顯；而RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層在此溫度下有明顯的分界線。經(jīng)800℃下氧化后,除RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層與基體有明顯分界線外,其它兩種鍍層均無(wú)分界線。Ni-W-P、Ni-W-P-SiC和RE-Ni-W-P-SiC三種鍍層經(jīng)800℃下氧化后的X-射線衍射圖同樣顯示,RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層具有更好的抗高溫氧化能力。
對(duì)電沉積RE-Ni-W-P-SiC多功能復(fù)合材料進(jìn)行了日處理5平方米的中試試驗(yàn)，結(jié)果表明，用該工藝處理的多種零部件在磷化工、制糖和卷煙等工業(yè)中應(yīng)用，其壽命明顯高于國(guó)產(chǎn)零部件，接近或超過(guò)進(jìn)口件的水平，并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：電沉積，RE-Ni-W-P-SiC復(fù)合材料鍍層，硬度與耐磨性，耐蝕性，抗高溫氧化性，組織與結(jié)構(gòu)，應(yīng)用。
Atract
ProceandbasictheoryofelectrodepositedRE-Ni-W-P-SiCmultifunctionalcompositecompositecoatinghavebeenstudied，includingsomecontentsasfollows：
E-pHpatterofNi-P-H2OandNi-C-H2Osystemsweredrownoutonthebasisofthermodynamicanalysis，andresultsshowthatNiandPcanco-depositonthecathodeintheformofNi3P；therearesomeNi3Cphasesinthecoating，andCcomesfromorganiccompoundwhichwasaddedinthebathandCO2intheairthatwasdiolvedinwater.
ExperimentalresultsofproceparametersindicatethataseriesofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingswithdifferentcontentswereobtainedbymeaofaropriateparameters，andcomponentscopesofthecoatingsareSiC5~30wt，Ni50~60wt，W10~25wt，P5~15wtandRE5~10wt.ThecontentsofW，PandSiCi nthecompositecoatingswereincreasedwhenchloride，oxideandsulfaterareearthwasaddedinthebathreectivelyortogether.Theadditionofsodiumhypophohatemustbearopriate，ifaddedmuch，WandSiCcontentsinthecoatingsweredecreased，Sotheadditionofsodiumhypophohatemustbecontrolled10~15g/l.Currentdeity，temperatureandpHvaluehavecoiderableeffectsonthecontentsofW，PandSiCinthecompositecoatings.Generally，currentdeity（Dk）mustbecontrolled5~10A/dm2，pH6.0~6.5andtemperature55~65oC.Besides，DkandpHhaveagreateffectonthesurfacemorphologiesofthecoatings，andthecompositecoatingsgetcoarsewhenDkandpHwerehigh，onthecontrary，thecompositesgainfinecrystalwhenDkandpHwerelow.TheagitatingintervaltimehaslittleeffectonNi，WandPcontents，whileithascoiderableeffectonSiCcontentinthedeposits.ExteionofagitationandintervaltimewilldecreaseSiCcontentinthecomposites，sointervalandagitatingtimemustbecontrolled3miand4~5mireectively.
CurvesofcathodicpolarizationdilaythatwhenSiCparticlesandrareearth（RE）wereaddedinthebath，cathodicdepositingcurrentdeityofthecompositesincreases，anditisprofitableforNi-W-Pcoatingtodepositinthecathode，formingNi-W-P-SiCandRE-Ni-W-P-SiCcomposites.Onthecontrary，theadditionofPTFEinthebathdecreasescathodicdepositingcurrentdeityofthecoatings.Thecurrentdeityincreasesalittlewhentheamountofrareearth（RE）is7~9g/l；however，thedeityincreasesgreatlywithincreasingamountofRE，anditreachespeakvaluewhentheamountofREis11~13g/l.ButiftheamountofREisraisedfurther，thecurrentdeitydecreases.MechanismofSiCparticlesandNi-W-Pcoatingco-depositionis:SiCparticlescarryaboutnegativeelectricchargeitself,andtheymayadsorbpositiveelectricchargearoundwhenSiCparticlesareaddedinthebath.Theymovetothesurfaceofcathodeandformweakadsorptionundertheeffectsoffluiddynamicsandelectricfieldforce;secondly,SiCparticlesonthecathodicsurfacedehydrateundertheeffectoftheelectrostaticfieldforceandformstrongadsorptiothirdly,SiCparticlesadsorbedonthecathodicsurfacearecapturedbyNi-W-Pcoatinganddepositedinthecomposite.
CorrosionexperimentsofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatinginH2SO4，HCl，H3PO4andFeCl3solutioshowthatthecompositecoatingsonthebaseofNi-W-PcoatingshavebettercorrosionresistanceinH2SO4，HCl，H3PO4andFeCl3solutioatas-depositedorheattreatment，andtheircorrosionresistanceissuperiortothatof316Lstainlesteel；thecorrosionresistanceofNi-W-P-SiCcoatinginHCl，H2SO4andFeCl3solutioismuchbetterthanthatofNi-W-PandRE-Ni-W-P-SiCcoatings；however，thecorrosionresistanceoftheRE-Ni-W-P-SiCcompositeinH3PO4solutionissuperiortothatofNi-W-P-SiCandNi-W-Pcoatings.ThecorrosionmechanismofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatinginH2SO4andH3PO4solutioisgapandintergranularcorrosion，andinHClandFeCl3solutioispointandintergranularcorrosion.
Resultsofhardneandwearresistanceofthecompositecoatingsshowthatthehardneofthecoatingsincreaseswithincreasingheattreatmenttemperature，anditreachespeakvalueat400oC.Butitdecreaseswithincreasingheattreatmenttemperaturecontinually.Besides，thehardneofthecoatingbyverticalhangingbetweencathodeandanodeismuchhigherthanthatofonebyparallelhangingbetweencathodeandanode.Theabrasionrateofthecompositesishighestatas-deposited，whileitdecreaseswiththeriseoftemperature，itcutsdownlowestat400oC.Buttheabrasionrateincreaseswithcontinuingraisingheattreatmenttemperature.Thewearresistanceofthecoatingisraisedwithincreasingthephohoruscontentinthedeposit.Thehardneandwearresistanceofthecompositeincreasewithexteionofheattreatedtimeat400oC，andtheyreachtheirpeakvaluesat3hoursreectively.However，thehardneandwearresistanceofthecoatingdecreasewiththeriseoftheheattreatedtime.ThehardneandwearresistanceoftheRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingincreasewiththeriseofSiCandsodiumtungst ateconcentratiointhebathreectively，whilethehardneandwearresistanceoftheRE-Ni-W-P-SiCcoatingdecreasewithincreasingsodiumhypophohateconcentrationinthebath.
MicrostructureofelectrodepositedRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingwasstudied，andresultsshowthattheRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingisamorphousas-deposited.WhilethecoatingchangesintothecrystalandNi3Pphasesprecipitatewhenheattreatedtemperatureisraisedto200oC；Thecrystalproceofthecoatingisfinishedandnewγ-（FeNi）phaseisproducedwhentemperaturerisesto500oC.Therefore，themicrostructurechangingproceofthecoatingisamorphousmixturecrystal；therareearthhasnoeffectonthemicrostructureofthecoating，whileitcanincreasetheSiCcontentinthedeposits.Sodiumtungstateandcitricacidconcentratiointhebathhavenoeffectsonthemicrostructureofthecomposite，howevertheyhavecoiderableeffectsonthesurfacemorphologiesofthecoatings.Thecoatingswithfinecrystalandsmoothsurfacewillbeobtainedwhensodiumtungstateconcentrationis90~150g/landcitricacidconcentrationis150~170g/l.Thephohoruscontentinthecompositeisadecisivefactorthatenablesthecoatingtochangeintoamorphousstate.
TheresistancetooxidationathightemperatureofthemultifunctionalelectrodepositedRE-Ni-W-P-SiCcompositesisinvestigated.TheresultsshowthatduringhightemperatureoxidationtherelatiohipbetweentheoxidizedfilmweightofpureNi,Ni-W-P,Ni-W-P-SiCorRE-Ni-W-P-SiCcoatingandtheoxidationtimeisamixedcurve,i.e.itisaroximatelyalinearrelatiohipwhentheoxidationtimeislethan60miwhileitisapowerfunctionrelatiohipwhentheoxidationtimeisover60mi.TheoxidationrateorderofthefourcoatingsisNi>Ni-W-P>Ni-W-P-SiC>RE-Ni-W-P-SiC.TheoxidizedfilmweightofNi-W-P,Ni-W-P-SiCorRE-Ni-W-P-SiCcoatingincreasesexponentiallywithariseinoxidationtemperature.Thehightemperature-oxidationresistanceofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingis3~4timesthatofNi-W-Palloycoating.Thecrosectionmorphologiesshowthatafterheat-treatmentat500oCtheNi-W-Pcoatingdiffusesintothematrix,andthereisnoobviousboundarybetweenNi-W-Pcoatingandmatrix;thereisaboundarybetweentheNi-W-P-SiCandmatrix,butitisnotclear;thereisanobviousboundarybetweenRE-Ni-W-P-SiCcoatingandmatrix.Afterheattreatmentat800oCthereisnoboundarybetweenNi-W-PorNi-W-P-SiCcoatingandmatrixwhilethereisaboundarybetweenRE-Ni-W-P-SiCcoatingandmatrix.X-raydiffractionpatterofNi-W-P，Ni-W-P-SiCandRE-Ni-W-P-SiCcoatingsshowclearlythatRE-Ni-W-P-SiCcoatinghasbetterresistancetohightemperatureoxidation.
關(guān)鍵詞：全英語(yǔ)教學(xué)；功能材料學(xué)；教學(xué)改革
中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）03-0061-02
高等教育國(guó)際化成為當(dāng)代世界高等教育的重要理念。培養(yǎng)既有扎實(shí)專業(yè)知識(shí)，又有國(guó)際交流、合作、競(jìng)爭(zhēng)能力的國(guó)際化人才，已成為我國(guó)高等教育的最重要任務(wù)之一?！秶?guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010―2020年）》和《上海市中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010―2020年）》都將教育國(guó)際化列于突出地位。因此，上海市教委從2009年起開(kāi)展了上海高校示范性全英語(yǔ)教學(xué)課程建設(shè)，鼓勵(lì)高校教師開(kāi)展全英語(yǔ)教學(xué)，發(fā)揮課程示范輻射作用，提高國(guó)際化教學(xué)質(zhì)量[1]。上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)自2010年起開(kāi)始了本科生課程的全英語(yǔ)教學(xué)探索，目前正在建設(shè)包括材料結(jié)構(gòu)與性能、材料分析與設(shè)計(jì)和專門材料與應(yīng)用三個(gè)全英語(yǔ)教學(xué)課程群[2，3]。《功能材料學(xué)》課程主要針對(duì)材料科學(xué)與工程專業(yè)三年級(jí)學(xué)生，是專門材料與應(yīng)用課程群的核心課程之一?！豆δ懿牧蠈W(xué)》課程主要向?qū)W生講授各類功能材料的結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用的基本理論和相互關(guān)系等，并介紹當(dāng)今各類功能材料的最新研究成果，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解和掌握，并了解功能材料領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，為今后在相關(guān)領(lǐng)域?qū)W習(xí)和工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；同時(shí)，深化培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)英語(yǔ)運(yùn)用能力以及國(guó)際化視野，提升其綜合素質(zhì)。為更好地實(shí)現(xiàn)上述教學(xué)目標(biāo)，提高課程教學(xué)效果，本文結(jié)合《功能材料學(xué)》全英語(yǔ)教學(xué)課程近幾年的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段以及評(píng)價(jià)體系等方面進(jìn)行了初步探索。
一、教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化
功能材料是指具有優(yōu)異的物理、化學(xué)、生物、光電性質(zhì)并能在其之間相互轉(zhuǎn)化的材料。根據(jù)材料的功能分類，功能材料包括電子材料、磁性材料、光學(xué)材料、生物材料、各種功能轉(zhuǎn)換材料等，涵蓋電子學(xué)、光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域，是一門多學(xué)科交叉融合的學(xué)科。目前，高校的材料科學(xué)與工程專業(yè)基本都開(kāi)設(shè)功能材料學(xué)及相關(guān)的專業(yè)課程。功能材料學(xué)涵蓋面廣、信息量大，但是一般課程的教學(xué)時(shí)數(shù)相對(duì)較少，所以多數(shù)高校都是選取幾類功能材料作為教學(xué)內(nèi)容。例如華中科技大學(xué)開(kāi)設(shè)的《先進(jìn)功能材料》課程主要介紹光功能材料、電功能材料、磁功能材料和能源材料。本校的《功能材料學(xué)》課程實(shí)施全英語(yǔ)教學(xué)，雖然學(xué)生在前期已學(xué)習(xí)了全英語(yǔ)授課的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》、《現(xiàn)代材料分析方法》、《材料結(jié)構(gòu)與性能》等專業(yè)基礎(chǔ)課，能夠較好適應(yīng)全英語(yǔ)授課的節(jié)奏和方式，但是很多學(xué)生以英語(yǔ)思維方式理解和掌握專業(yè)知識(shí)仍然面臨困難和挑戰(zhàn)，所以在教學(xué)時(shí)數(shù)有限的情況下，教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化至關(guān)重要。
1.為實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)與國(guó)外接軌，同時(shí)結(jié)合功能材料領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r和本校材料學(xué)院以能源、環(huán)境、生物材料為主的研究特色，本課程教學(xué)中選用了Deborah D.L.Chung主編的原版英文教材《Functional Materials：Electrical，Dielectric，Electromagnetic，Optical and Magnetic Applications》作為主要參考教材，同時(shí)補(bǔ)充Buddy D. Ratner等人編寫(xiě)的原版英文教材《Biomaterial Science：An Introduction to Materials in Medicine》作為生物功能材料的參考教材，并將發(fā)表的經(jīng)典論文與最新研究成果等作為補(bǔ)充教材。
2.由于本課程的學(xué)生已學(xué)習(xí)了大量的材料學(xué)基礎(chǔ)理論課程，所以教學(xué)內(nèi)容以功能材料的應(yīng)用為主，兼顧理論知識(shí)的鞏固。以材料設(shè)計(jì)中的“結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用”基本思路為主線，在介紹某種功能材料的結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，著重講授功能材料的性能與應(yīng)用之間的相互關(guān)系，突出實(shí)際應(yīng)用案例。這樣，課程教學(xué)內(nèi)容既保證學(xué)生可以鞏固功能材料學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，又引導(dǎo)學(xué)生將基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
3.為了教學(xué)內(nèi)容能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生把握功能材料領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，本課程以專題形式只在壓電材料、磁性材料、光電材料、電池能源材料、生物材料等范圍內(nèi)選擇幾種經(jīng)典的和最新發(fā)展的功能材料及其制備新技術(shù)作為講授內(nèi)容，同時(shí)引入新材料、新技術(shù)等方面的課堂討論內(nèi)容。例如在講授太陽(yáng)能電池材料及新技術(shù)時(shí)，除了介紹太陽(yáng)能電池的工作原理、目前研究的太陽(yáng)能電池材料外，結(jié)合本院開(kāi)展太陽(yáng)能電池材料研究的老師的科研成果，課堂討論太陽(yáng)能電池材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。
二、多元化教學(xué)方法與手段的運(yùn)用
全英語(yǔ)教學(xué)是指用英語(yǔ)全程授課，讓學(xué)生在全英語(yǔ)環(huán)境中學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，這對(duì)學(xué)生提出了更高要求。復(fù)旦大學(xué)蔡基剛教授研究認(rèn)為，具有大學(xué)英語(yǔ)四級(jí)水平以上的學(xué)生，具備上全英語(yǔ)課程的能力，關(guān)鍵在于堅(jiān)持和信心[4]。目前，本專業(yè)學(xué)生在上海市及全國(guó)范圍內(nèi)均為一本招生，英語(yǔ)整體水平較高，而且學(xué)生在前期已經(jīng)學(xué)習(xí)了多門全英語(yǔ)授課的專業(yè)基礎(chǔ)課。但是，部分學(xué)生仍然對(duì)全英語(yǔ)課程產(chǎn)生畏難情緒。因此，在全英語(yǔ)教學(xué)中，如何提高學(xué)生對(duì)課程的興趣以幫助學(xué)生克服畏難情趣，是影響教學(xué)效果的重要因素。在近幾年的全英語(yǔ)教學(xué)實(shí)踐中，我們對(duì)多種教學(xué)方法和手段進(jìn)行了融合運(yùn)用。
1.多媒體教學(xué)，精心準(zhǔn)備課件及教學(xué)細(xì)節(jié)。在課前精心組織教學(xué)內(nèi)容，注重最新研究成果和經(jīng)典功能材料的實(shí)際應(yīng)用案例，力求課程內(nèi)容的前沿性、實(shí)用性和趣味性。多媒體課件盡量通過(guò)圖片、表格、動(dòng)畫(huà)以及視頻等資料，以直觀的方式體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，避免在幻燈片上出現(xiàn)大段文字，以此吸引學(xué)生的注意力，幫助其克服語(yǔ)言障礙。通過(guò)講授過(guò)程中放慢語(yǔ)速或者重點(diǎn)內(nèi)容重復(fù)多次的方式，爭(zhēng)取絕大多數(shù)同學(xué)在課堂上能夠聽(tīng)懂、理解，并且設(shè)置提問(wèn)環(huán)節(jié)以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握。
2.將研究和探索的氛圍帶到課程教學(xué)中。本課程的教學(xué)內(nèi)容結(jié)合了學(xué)院的研究特色，教學(xué)團(tuán)隊(duì)由多名從事不同功能材料研究的科研一線教師組成，分別在其擅長(zhǎng)的研究領(lǐng)域講授教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)將各自的科研成果引入教學(xué)，豐富教學(xué)內(nèi)容，使教學(xué)與科研有機(jī)結(jié)合起來(lái)。增加教師本人的科研成果展示、科研故事等內(nèi)容，使課程充滿研究和探索的氣氛，激發(fā)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容和功能材料研究的興趣。
3.開(kāi)展當(dāng)前研究熱點(diǎn)和最新研究成果的課堂討論。通常學(xué)生對(duì)研究熱點(diǎn)和最新研究成果都比較感興趣。例如在講授目前非常熱門的石墨烯材料時(shí)，教師提前給學(xué)生布置討論題目：石墨烯材料具有非常優(yōu)異的電導(dǎo)、機(jī)械強(qiáng)度、韌性等性能，那么這類材料的應(yīng)用領(lǐng)域在哪里？在課堂上，教師在講授完石墨烯材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系后，在輕松的氛圍下開(kāi)始課堂討論。這樣的教學(xué)方式不僅有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)參與的積極性，而且可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和分析判斷問(wèn)題的能力以及交流、討論、合作的熱情和能力。
4.注重學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課后知識(shí)鞏固。全英語(yǔ)教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生的課前預(yù)習(xí)對(duì)提高課堂教學(xué)效果非常重要。為了讓學(xué)生的課前預(yù)習(xí)有的放矢，教師在課程開(kāi)始前將課件放在課程網(wǎng)站上，讓學(xué)生根據(jù)課程進(jìn)度表提前下載課件并配合英語(yǔ)參考教材預(yù)習(xí)，避免了英語(yǔ)參考教材信息量大、學(xué)生預(yù)習(xí)無(wú)從下手的情況。通過(guò)預(yù)習(xí)，學(xué)生可以熟悉課堂的教學(xué)內(nèi)容以及專業(yè)詞匯，盡量避免因?yàn)檎n程內(nèi)容和詞匯生疏帶來(lái)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解困難，有助于學(xué)生跟上教師授課節(jié)奏，提高課堂教學(xué)效果。而對(duì)學(xué)生課前預(yù)習(xí)要求的檢查和督促則通過(guò)教師課堂隨機(jī)測(cè)驗(yàn)、點(diǎn)名提問(wèn)等方式進(jìn)行，并且將結(jié)果計(jì)入平時(shí)成績(jī)。另外，為了進(jìn)一步鞏固課堂所學(xué)知識(shí)，每個(gè)專題授課結(jié)束后都會(huì)通過(guò)布置作業(yè)來(lái)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行回顧。對(duì)學(xué)生課后作業(yè)完成情況的檢查則通過(guò)作業(yè)批改、在課堂上問(wèn)答的互動(dòng)方式進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)解答定期上傳至課程網(wǎng)站，以便學(xué)生加深對(duì)課程內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。同時(shí)，本課程還設(shè)置課后輔導(dǎo)答疑環(huán)節(jié)，學(xué)生在每周的固定時(shí)間可到教師辦公室接受答疑輔導(dǎo)。
三、課程教學(xué)評(píng)價(jià)體系的建立
好的課程教學(xué)評(píng)價(jià)體系也可以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。傳統(tǒng)的以期末考試為主的評(píng)價(jià)方式，容易導(dǎo)致學(xué)生考試前突擊死記硬背知識(shí)點(diǎn)，而忽視平時(shí)對(duì)所學(xué)知識(shí)的運(yùn)用以及綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。本課程采用教學(xué)過(guò)程中的課堂參與度等作為過(guò)程性評(píng)價(jià)和學(xué)期末綜合考試作為總結(jié)性評(píng)價(jià)。過(guò)程性評(píng)價(jià)包括了全英語(yǔ)課后作業(yè)、課堂問(wèn)答互動(dòng)、小組課堂專題演講以及查閱英語(yǔ)文獻(xiàn)與資料能力等構(gòu)成，占總成績(jī)的50%～60%；而期末綜合考試則主要考查學(xué)生對(duì)重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)的理解以及解決實(shí)際問(wèn)題的能力，占40%～50%。采用這樣的評(píng)價(jià)方式，鼓勵(lì)學(xué)生參與課程教學(xué)，激勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。既讓學(xué)生重視對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和靈活運(yùn)用，而不是死記硬背基本知識(shí)點(diǎn)和基本概念，也加強(qiáng)了學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。
全英語(yǔ)課程教學(xué)已成為高校培養(yǎng)國(guó)際化人才的重要舉措?！豆δ懿牧蠈W(xué)》課程是材料科學(xué)與工程專業(yè)非常重要的專業(yè)課，要達(dá)到提高學(xué)生專業(yè)知識(shí)水平，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力以及國(guó)際化視野，提升綜合素質(zhì)的教學(xué)目標(biāo)，在全英語(yǔ)教學(xué)中，必須要在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段、教學(xué)評(píng)價(jià)體系等方面下功夫，激發(fā)學(xué)生對(duì)全英語(yǔ)教學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生克服畏難情緒，能夠在教學(xué)過(guò)程中成為教學(xué)主體。全英語(yǔ)教學(xué)還是一種新的教學(xué)模式，在引導(dǎo)學(xué)生成為教學(xué)主體的同時(shí)，教師也要不斷學(xué)習(xí)、提高教學(xué)理念和教學(xué)水平。只有教師和學(xué)生教學(xué)相長(zhǎng)，才能真正提高全英語(yǔ)教學(xué)質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)：
關(guān)鍵詞：材料科學(xué)基礎(chǔ) 功能材料專業(yè) 教學(xué)改革
Teaching experience of material science foundation course for functional materials major
Bai Jing， Teng Fei， Huang Mingli， Luo Shaohua， Qi Jianquan
Northeastern university at Qinhuangdao branch， Qinhuangdao， 066004， China
Abstract： The materials science of the metallic materials， the inorganic non-metallic materials and the polymer materials has been combined for the functional materials major in our university， and added the latest research results to the traditional knowledge of fundamentals materials science to gain better teaching effect. In this paper， based on the idea of teaching reform， several important reforming measures have been discussed in detail for the teaching reform of the materials science foundation course， aimed at improving the teaching quality and teaching efficiency； enhance students' analytical ability and innovative ability.
Key words： material science foundation； functional materials major； teaching reform
21世紀(jì)，材料科學(xué)與工程技術(shù)是國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要基礎(chǔ)和支撐之一。材料科學(xué)基礎(chǔ)是材料科學(xué)與工程類學(xué)科的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，這門課程既要密切聯(lián)系理論，又要為其他專業(yè)課程打下扎實(shí)的基礎(chǔ)[1]。通過(guò)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)，學(xué)生能較好地了解材料的成分與組織結(jié)構(gòu)，合成與制備，材料的性能及應(yīng)用的基本知識(shí)，相互關(guān)系及其影響規(guī)律；對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法、創(chuàng)新能力及運(yùn)用基礎(chǔ)理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力作用巨大。高等教育專業(yè)設(shè)置變化和課程體系的改革以及材料科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)材料科學(xué)與工程類人才素質(zhì)提出了新的要求，已從原來(lái)較單一的技術(shù)人才轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚刭|(zhì)、寬口徑的復(fù)合型人才，材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題也日益顯現(xiàn)。研究和探討課程體系的優(yōu)化，兼顧金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料和高分子材料的共性和個(gè)性，對(duì)提高該課程教學(xué)效果，培養(yǎng)復(fù)合型人才具有十分重要的意義。
1 材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)改革的基本思路
材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)改革的基本思路是：以厚基礎(chǔ)、寬口徑、面向現(xiàn)代工程為前提，根據(jù)本校實(shí)際情況進(jìn)行。2011年，我校應(yīng)教育部要求開(kāi)設(shè)功能材料新學(xué)科，而功能材料以所需知識(shí)領(lǐng)域?qū)挕W(xué)科發(fā)展迅速區(qū)別于常規(guī)的結(jié)構(gòu)材料學(xué)科。
（1）我校集合常年工作在金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料和高分子材料教學(xué)和科研一線的教師編寫(xiě)了一本《材料科學(xué)基礎(chǔ)》（功能材料用）新教材，融入金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料和高分子材料的共性和個(gè)性知識(shí)，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展以及本校學(xué)科建設(shè)的進(jìn)展，突出《材料科學(xué)基礎(chǔ)》理論的共性，書(shū)中尤其注意了不同種類材料之間知識(shí)的交叉和滲透。
（2）著重培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法和創(chuàng)新能力以及運(yùn)用基礎(chǔ)理論解決實(shí)際問(wèn)題的能力，即注重培養(yǎng)學(xué)生獲取知識(shí)、運(yùn)用知識(shí)、創(chuàng)新知識(shí)的能力。功能材料領(lǐng)域材料科學(xué)發(fā)展非常迅速，課本的知識(shí)永遠(yuǎn)落后于最新的科研成果，因而，能力的發(fā)展重于知識(shí)的傳授。
①我校對(duì)大學(xué)二年級(jí)的學(xué)生采用導(dǎo)師制培養(yǎng)方式，每位導(dǎo)師都有自己的專攻學(xué)術(shù)領(lǐng)域，而學(xué)生根據(jù)自己的興趣愛(ài)好可以自主選擇導(dǎo)師。在導(dǎo)師帶領(lǐng)下，學(xué)生開(kāi)始進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，學(xué)習(xí)使用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備以及最新的學(xué)科動(dòng)態(tài)。學(xué)校方面，給予大學(xué)二年級(jí)和三年級(jí)的學(xué)生一定的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，通過(guò)創(chuàng)新實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣和自學(xué)能力。很多學(xué)生在教師的帶領(lǐng)下參加各種國(guó)家級(jí)、省級(jí)科技競(jìng)賽，如全國(guó)大學(xué)生節(jié)能減排大賽和全國(guó)大學(xué)生挑戰(zhàn)杯科技競(jìng)賽等，并多次獲得獎(jiǎng)項(xiàng)。2013年我院81002班本科生張溪溪等人“利用提釩棄渣制備鋰離子電池正極材料LiFePO4及其電化學(xué)性能研究”，81002班侯瑞等人的“基于廢棄鋅錳干電池制備ZnMn2O4及其電化學(xué)性能研究”獲得2013年“力諾瑞特”杯第六屆全國(guó)大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽三等獎(jiǎng)。
②為切實(shí)做到“強(qiáng)專業(yè)、重實(shí)踐”，我校采用3+1教學(xué)模式，即3年授課+1年畢業(yè)設(shè)計(jì)。在“3+1”模式的導(dǎo)向下，越來(lái)越多的學(xué)生在本科階段有了更為清晰的專業(yè)成長(zhǎng)目標(biāo)。充足的畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間，使大四本科生充分參與到指導(dǎo)教師的科研課題中，對(duì)本專業(yè)的前沿領(lǐng)域和基礎(chǔ)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用有了深刻的了解，優(yōu)秀大四學(xué)生能多次發(fā)表學(xué)術(shù)論文以及申請(qǐng)專利項(xiàng)目。例如，羅紹華（本校教師）、翟向樂(lè)（學(xué)生）、張雅倩（學(xué)生）、田勇（學(xué)生）、李輝（學(xué)生），申請(qǐng)的發(fā)明專利“硅酸錳鋰/納米氧化物復(fù)合正極材料及其制備方法”（專利號(hào)：ZL 2011 1 0109725.0）已獲國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授權(quán)。
在教學(xué)過(guò)程中，適當(dāng)安排部分章節(jié)讓學(xué)生自學(xué)。學(xué)生通過(guò)查找相關(guān)參考書(shū)籍，總結(jié)概括自學(xué)部分的知識(shí)要點(diǎn)，科研領(lǐng)域的名人軼事，材料領(lǐng)域發(fā)展中的重大里程碑進(jìn)展等，然后分小組分析討論，提高學(xué)生的自學(xué)能力和對(duì)材料專業(yè)課的學(xué)習(xí)興趣。此外，在教學(xué)安排中，每年度安排兩次參觀。一次是參觀本校太陽(yáng)能電池和鋰離子電池實(shí)驗(yàn)室，一次是參觀磁性材料生產(chǎn)企業(yè)，讓學(xué)生可以理論聯(lián)系實(shí)際，運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。我們還通過(guò)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力[2]。
2 將最新科研成果融入材料科學(xué)基礎(chǔ)課程講授中
在材料科學(xué)基礎(chǔ)課程備課過(guò)程中，注意融入最新的相關(guān)領(lǐng)域的科研成果。學(xué)生覺(jué)得所學(xué)知識(shí)非常新鮮和超前，能夠及時(shí)了解本學(xué)科的前沿動(dòng)態(tài)，從而提升學(xué)習(xí)興趣，對(duì)傳統(tǒng)知識(shí)的理解亦會(huì)更為深刻。這種教學(xué)方法抓住了“90后”學(xué)生喜歡新鮮事物的特性，獲得了良好的教學(xué)效果。
圖1 強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)Fe-C二元合金相圖共析點(diǎn)的影響
例如：在講授Fe-C二元相圖時(shí)，加入了全國(guó)優(yōu)秀百篇博士論文獲得者張宇東博士（東北大學(xué)畢業(yè)）關(guān)于10特斯拉強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)Fe-C相圖影響的內(nèi)容[2]。強(qiáng)磁場(chǎng)的使用會(huì)使共析點(diǎn)向高溫高碳的方向移動(dòng)（如圖1所示）。從而將課本中平衡相圖的局限打破，引入了外場(chǎng)對(duì)平衡相圖的影響。
另外，在講述固態(tài)相變―馬氏體轉(zhuǎn)變章節(jié)時(shí)，講授應(yīng)用馬氏體相變過(guò)程中的體積效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)溫控形狀記憶效應(yīng)。在該部分，融入了最新的研究成果，說(shuō)明由馬氏體相變引起的形狀記憶效應(yīng)不僅可以由溫度場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，還可以由磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，由此產(chǎn)生一類新的智能材料被稱為磁控形狀記憶合金，它兼具大的磁場(chǎng)誘導(dǎo)應(yīng)變（傳統(tǒng)的溫控形狀記憶合金）以及快速的響應(yīng)頻率（壓電陶瓷和磁致伸縮材料），現(xiàn)已成為國(guó)際范圍內(nèi)智能材料的研究熱點(diǎn)，從而補(bǔ)充和擴(kuò)展了原有的知識(shí)體系。
3 合理運(yùn)用板書(shū)與多媒體教學(xué)方式
材料科學(xué)基礎(chǔ)課程內(nèi)容多且抽象性、理論性強(qiáng)，為了提高該課程的教學(xué)效果，應(yīng)該采用有效的教學(xué)手段和教學(xué)方法。
傳統(tǒng)的板書(shū)教學(xué)是課堂教學(xué)的一種重要手段[3，4]。板書(shū)這種教學(xué)手段數(shù)百年來(lái)在教學(xué)發(fā)展史上起到了重要的作用，即使在科技高度發(fā)達(dá)的今天，也始終沒(méi)有退出歷史舞臺(tái)。但是單純使用板書(shū)教學(xué)的局限性也是顯而易見(jiàn)的，如信息容量小且板書(shū)內(nèi)容不易保存，缺乏生動(dòng)性和趣味性，學(xué)生很難保持持續(xù)的注意力，已不能完全滿足課堂教學(xué)的需求。
隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，多媒體教學(xué)已經(jīng)啟動(dòng)并迅速開(kāi)展。與板書(shū)相比，多媒體教學(xué)有很多優(yōu)點(diǎn)，能創(chuàng)造出一個(gè)有聲有色、圖文并茂的教學(xué)環(huán)境，把抽象的事物直觀化，把復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，為教師教學(xué)的順利實(shí)施提供形象的表達(dá)工具，從而可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如將F-R位錯(cuò)源、位錯(cuò)掃過(guò)、位錯(cuò)的多滑移和交滑移、熱聚合物拉伸變形、馬氏體的表面浮凸現(xiàn)象等由書(shū)本的平面教學(xué)轉(zhuǎn)為多媒體3D教學(xué)，使原來(lái)單調(diào)的課堂教學(xué)直觀生動(dòng)、新奇有趣，易于學(xué)生理解和接受，激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。多媒體教學(xué)省去教師板書(shū)的時(shí)間，可以增加課堂信息量，提高課堂教學(xué)效率。
當(dāng)然，也有教師指出過(guò)多使用多媒體手段的弊端，如教師備課不充分，多媒體教學(xué)要求教師制作課件，因而沒(méi)有充足的時(shí)間備課；有的教師自己不制作課件，使用其他教師的課件，不能把課本知識(shí)充分消化理解，把講課變成了“念課”，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)能力、思維能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而且一旦停電，講課教師便束手無(wú)策，影響正常上課秩序。因此，授課教師必須充分備課、認(rèn)真?zhèn)湔n，將課本知識(shí)深刻理解，并且充分了解學(xué)生的知識(shí)水平，將學(xué)生難于理解的知識(shí)點(diǎn)用通俗易懂的語(yǔ)言流利地表達(dá)出來(lái)。課堂教學(xué)時(shí)使用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方式，利用板書(shū)和多媒體課件相結(jié)合的方式來(lái)授課。將理論知識(shí)和一些不易使用板書(shū)的教學(xué)內(nèi)容用多媒體課件呈現(xiàn)；對(duì)于一些學(xué)生應(yīng)重點(diǎn)掌握的知識(shí)點(diǎn)則使用板書(shū)的形式著重強(qiáng)調(diào)。將每堂課的知識(shí)點(diǎn)精心組織，恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置問(wèn)題進(jìn)行啟發(fā)，并預(yù)見(jiàn)學(xué)生的回答。從而達(dá)到板書(shū)、多媒體與啟發(fā)式教學(xué)完美地結(jié)合，保證教學(xué)按照預(yù)期效果順利完成。
4 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，材料科學(xué)基礎(chǔ)是一門傳統(tǒng)的基礎(chǔ)課程，在建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家以及材料科學(xué)快速發(fā)展、本科教育向應(yīng)用型方向轉(zhuǎn)變的背景之下，該課程的教學(xué)要求、目標(biāo)、重點(diǎn)、手段都已發(fā)生了根本性的變化。緊跟現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展的步伐，及時(shí)更新和充實(shí)材料科學(xué)的最新理論及應(yīng)用成果，使課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，才能卓有成效地提高材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的教學(xué)質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)
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[Abstract] With the progress of economics, cars in the city are more and more with the urbanization. What is the development trend of the future about the car is really needed to be studied and discussed.
關(guān)鍵字：汽車電器；組成；現(xiàn)狀與發(fā)展
[Keywords] vehicle electrical ; composition ; status and development
中圖分類號(hào)：F407.471 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
1、汽車電器的主要組成部分
1.1電源系統(tǒng)
電源系統(tǒng)包括蓄電池、發(fā)電機(jī)、調(diào)節(jié)器。其中發(fā)電機(jī)為主電源，發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，由發(fā)電機(jī)向全車用電設(shè)備供電，同時(shí)給蓄電池充電。調(diào)節(jié)器的作用是使發(fā)電機(jī)的輸出電壓保持恒定。蓄電池為可逆的直流電源。在汽車上使用最廣泛的是起動(dòng)用鉛蓄電池，它與發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)，向用電設(shè)備供電。
發(fā)電機(jī)是汽車電系的主要電源，它在正常工作時(shí)，對(duì)除起動(dòng)機(jī)以外的所有的用電設(shè)備供電，并向蓄電池充電，以補(bǔ)充蓄電池在使用中所消耗的電能。發(fā)電機(jī)可以說(shuō)是歷史上獨(dú)一無(wú)二的最偉大的電學(xué)發(fā)明，現(xiàn)在汽車使用的發(fā)電機(jī)都是交流發(fā)電機(jī)。在汽車上，發(fā)電機(jī)既是用電器的電源，又是蓄電池的充電裝置。為了滿足用電器和蓄電池的要求對(duì)發(fā)電機(jī)的供電電壓和電流變化范圍也有一定的限制。直流發(fā)電機(jī)所匹配的調(diào)節(jié)器一般都是由電壓調(diào)節(jié)器、電流限制器、截?cái)嗬^電器三部分組成。
1.2啟動(dòng)系統(tǒng)
美國(guó)物理學(xué)家亨利于1831年發(fā)現(xiàn)自感現(xiàn)象后，發(fā)表了介紹電動(dòng)機(jī)的論文。根據(jù)發(fā)電機(jī)原理，做成與發(fā)電機(jī)原理相反的電動(dòng)機(jī)（馬達(dá)），這就是起動(dòng)機(jī)。可以說(shuō)，發(fā)電機(jī)技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)就有了起動(dòng)機(jī)。起動(dòng)機(jī)是用來(lái)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的，它主要由電機(jī)部分、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（或稱嚙合機(jī)構(gòu)）和起動(dòng)開(kāi)關(guān)三部分組成。
1.3照明系統(tǒng)
包括汽車內(nèi)、外各種照明燈及其控制裝置。用來(lái)保證夜間行車安全。主要有前照燈、霧燈、尾燈、制動(dòng)燈、棚燈、電喇叭、轉(zhuǎn)向燈閃光器等。1898年“哥倫比亞”號(hào)電動(dòng)汽車首先把電用于前燈和尾燈。最初的前大燈不能調(diào)光，所以汽車在會(huì)車時(shí)有些晃眼，后來(lái)采用了附加光度調(diào)節(jié)器，并由美國(guó)異航燈具公司推廣應(yīng)用。這種前大燈可以在垂直方向上下移動(dòng)，但駕駛員必須下車搬動(dòng)夾具裝置，非常不方便。1925年，導(dǎo)航燈具公司推廣了雙絲燈泡，遠(yuǎn)光和近光的調(diào)節(jié)通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)控制，才把這個(gè)問(wèn)題徹底解決。
1.4儀表系統(tǒng)
包括各種電器儀表（電流表、充電指示燈或電壓表、機(jī)油壓力表、溫度表、燃油表、車速及里程表、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表等）。用來(lái)顯示發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車行駛中有關(guān)裝置的工作狀況。 最早的汽車儀表與信號(hào)是由一排外視器組成的，隨后出現(xiàn)的儀表是精確計(jì)時(shí)儀。汽車儀表的作用是幫助駕駛員隨時(shí)掌握汽車主要部分的工作情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除可能出現(xiàn)的故障和不安全因素，以保證良好的行使?fàn)顟B(tài)。汽車常用儀表有電流表、水溫表、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力表、燃油油量表及車速里程表，有的汽車還有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表和制動(dòng)系貯氣筒氣壓表等。 目前，汽車儀表總的發(fā)展趨勢(shì)正在向簡(jiǎn)潔明了的模擬式儀表和模仿模擬式儀表方向發(fā)展。
1.5輔助電器系統(tǒng)
包括電動(dòng)刮水器、空調(diào)器、低溫啟動(dòng)預(yù)熱裝置、收錄機(jī)、點(diǎn)煙器、玻璃升降器等。 隨著汽車輔助工業(yè)的發(fā)展和現(xiàn)代化技術(shù)在汽車方面的應(yīng)用，現(xiàn)代汽車裝用的輔助電氣設(shè)備很多，除了汽車用音響設(shè)備，通訊器材和汽車電視等服務(wù)性裝置外，都是一些與汽車本身使用性能有關(guān)的電氣設(shè)備。如電動(dòng)刮水器，電動(dòng)洗窗器，電動(dòng)玻璃升降器，暖風(fēng)通風(fēng)裝置、電動(dòng)座位移動(dòng)機(jī)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系電動(dòng)風(fēng)扇、電動(dòng)燃料泵，冷氣壓縮機(jī)用電磁離合等等。
2、汽車電器系統(tǒng)的特點(diǎn)
①低壓——汽油車多采用12V，柴油車多采用24V。②直流——主要從蓄電池的充電來(lái)考慮。③單線制——單線制即從電源到用電設(shè)備使用一根導(dǎo)線連接，而另一根導(dǎo)線則用汽車車體或發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的金屬部分代替。單線制可節(jié)省導(dǎo)線，使線路簡(jiǎn)化、清晰，便于安裝與檢修。④負(fù)極搭鐵——將蓄電池的負(fù)極與車體相連接，稱為負(fù)極搭鐵。
3、汽車傳感器的發(fā)展趨勢(shì)
根據(jù)現(xiàn)代汽車的發(fā)展趨勢(shì)，主要闡述一下傳感器總的發(fā)展趨勢(shì)，它
的趨勢(shì)是向多功能化、集成化、智能化、微型化方向發(fā)展。
3.1發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象
利用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)和生物效應(yīng)等是各種傳感器的基本原理，所以發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象與新效應(yīng)是現(xiàn)代傳感器發(fā)展的重要基礎(chǔ)。
3.2開(kāi)發(fā)新材料
功能材料是發(fā)展傳感器技術(shù)的另一個(gè)重要基礎(chǔ)。由于材料科學(xué)的進(jìn)步，在制造各種材料時(shí)，人們可以任意控制他的成份，從而可以設(shè)計(jì)與制造出各種用于傳感器的功能材料。例如控制半導(dǎo)體氧化物的成份，可以制造出各種氣體傳感器；光導(dǎo)纖維用于傳感器是傳感器功能材料的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)；有機(jī)材料作為功能材料，正引起國(guó)內(nèi)外汽車電子化專家的極大關(guān)注。
3.3采用新工藝
傳感器的敏感元件性能除了由其功能材料決定外，還與其加工工藝有關(guān)。隨著半導(dǎo)體、陶瓷等新型材料用于傳感器敏感元件，許多現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)也引入汽車傳感器制造技術(shù)，例如集成技術(shù)，微細(xì)加工技術(shù)，薄膜技術(shù)等，能制作出性能穩(wěn)定、可靠性高、體積小、重量輕的微型化敏感元件。近年來(lái)從半導(dǎo)體集成電路技術(shù)發(fā)展而來(lái)的微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)日漸成熟，利用這一技術(shù)可以制作各種能敏感和檢測(cè)力學(xué)量、磁學(xué)量、熱學(xué)量、化學(xué)量和生物量的微型傳感器，這些傳感器的體積和能耗小，可實(shí)現(xiàn)許多全新的功能，這些特點(diǎn)使得他們非常適合于汽車方面的應(yīng)用。
3.4研究智能式傳感器
智能傳感器是一種帶微型計(jì)算機(jī)兼有檢測(cè)、判斷、信息處理等功能的傳感器。與傳統(tǒng)傳感器相比，他具有很多特點(diǎn)。例如，他可以確定傳感器工作狀態(tài)，對(duì)測(cè)量資料進(jìn)行修正，以便減少環(huán)境因素如溫度引起的誤差；用軟件解決硬件難以解決的問(wèn)題；世界各國(guó)都在車用傳感器硬件的基礎(chǔ)上，努力用軟件來(lái)解決汽車電氣干擾大、環(huán)境差（溫度高、溫度梯度大、污染厲害等）等問(wèn)題造成的對(duì)汽車參數(shù)測(cè)量的影響。而且智能式傳感器精度高、量程覆蓋范圍大、輸出信號(hào)大、信噪比高、抗干擾性能好，有的還帶有自檢功能。不少汽車大公司在該方面進(jìn)行研制與開(kāi)發(fā)，并取得了成就和應(yīng)用。
2013年新入選 CODE 期刊名稱
H700 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)
H199 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)
G046 江蘇醫(yī)藥
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H701 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)
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M012 金屬學(xué)報(bào)
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戈磊，1979年生，2006年9月畢業(yè)于天津大學(xué)，獲得材料學(xué)博士學(xué)位。在那個(gè)有著悠久光榮歷史的中國(guó)第一所現(xiàn)代大學(xué)(前身北洋大學(xué))，學(xué)?！皩?shí)事求是”的校訓(xùn)和“嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)，嚴(yán)格教學(xué)要求”的治學(xué)方針刻骨銘心地浸入他的為學(xué)和為人之魂，也奠定了他以后快速成長(zhǎng)的基石。2006年10月他進(jìn)入中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)電學(xué)院材料系工作：2007年7月被評(píng)為校青年拔尖人才，聘為崗位教授(4級(jí)崗)；2009年1月入選北京市人才項(xiàng)目――科技新星計(jì)劃B類，得到了學(xué)校和北京市的重點(diǎn)培養(yǎng)，并取得了超乎想象的成績(jī)。
在科研上，他主要從事新型光催化功能材料和腐蝕防護(hù)方面的研究，在短短三年時(shí)間，他不分晝夜，將自己完全投入到材料研究的廣袤之地，以努力和智慧為雙翅，目標(biāo)就在那無(wú)際遠(yuǎn)方。
在光催化功能材料方向，他首次以過(guò)氧化氫絡(luò)合法在低溫下合成了具有可見(jiàn)光活性的納米Tioz光催化劑，目前已獲得兩項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)。利用軟化學(xué)一水熱法合成了高性能的新型InV04光催化材料，并設(shè)計(jì)制備了新型可見(jiàn)光活性的InV04-Tioz復(fù)合半導(dǎo)體光催化薄膜體系，對(duì)該體系進(jìn)行了貴金屬修飾，從材料費(fèi)米能級(jí)和光生載流子遷移的角度解釋了復(fù)合體系可見(jiàn)光活性的機(jī)理。他采用軟化學(xué)一水熱、微乳液法制備了新型可見(jiàn)光催化劑BiV04。Bi2W06、CaBi04。ln203-caln204等，并對(duì)其可見(jiàn)光催化活性和改性機(jī)制進(jìn)行了研究。采用軟化學(xué)法成功在玻璃片上制備了金紅石相Ti0：納米線陣列，對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)機(jī)理和催化性能進(jìn)行了研究，該方向已申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明5項(xiàng)，在光催化方面獲得了教育部重點(diǎn)項(xiàng)目，教育部博士點(diǎn)基金、北京市科技新星計(jì)劃等3個(gè)基金的支持，項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)41.6萬(wàn)元。
在材料腐蝕與防護(hù)研究方向，他作為骨干參與了“中國(guó)石油大學(xué)(北京)加拿大哈斯基能源公司材料腐蝕與防護(hù)聯(lián)合研究中心“的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作；承擔(dān)了中石化科技部重點(diǎn)項(xiàng)目”高含H2S／Co2介質(zhì)對(duì)鉆采設(shè)備材料性能的影響”，國(guó)家安全總局、國(guó)家重大專項(xiàng)國(guó)家“863”計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金，中石化西北局、中海油服等十多個(gè)項(xiàng)目的研究工作，個(gè)人承擔(dān)項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)100余萬(wàn)元。對(duì)普光氣田鉆采設(shè)備材料在高含H2S／C02環(huán)境中的腐蝕性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，獲得了耐蝕合金油套管的交貨技術(shù)條件和腐蝕評(píng)價(jià)規(guī)范，研究了鎳基合金鈍化膜的結(jié)構(gòu)和耐蝕機(jī)理，評(píng)價(jià)了鉆桿、集輸管線，井口裝置，閥門等設(shè)備在Hts環(huán)境中的HIc和SSC性能。在防腐研究方面，主要從事緩蝕劑的開(kāi)發(fā)與性能評(píng)價(jià)，制備了多種不同結(jié)構(gòu)的新型H2S緩蝕劑，對(duì)其緩蝕性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
一、以團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)模式推動(dòng)校企人才協(xié)同培養(yǎng)
學(xué)校以校企聯(lián)合培養(yǎng)基地為依托，探索建立了全日制專業(yè)學(xué)位碩士研究生“團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)模式”：通過(guò)組建不同學(xué)科領(lǐng)域?qū)熃M成的導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)，建立了團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)的課程體系，構(gòu)架了“平臺(tái)+模塊”的可趁體系；形成了學(xué)位論文撰寫(xiě)和答辯制度，進(jìn)入團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)的研究生在基地實(shí)踐的時(shí)間不得少于12個(gè)月，學(xué)位論文選題必須來(lái)自于企業(yè)的項(xiàng)目，由導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)組織論文答辯。經(jīng)過(guò)在河北沙河市等相關(guān)行業(yè)企業(yè)的試點(diǎn)，這種培養(yǎng)模式的成效已初步顯現(xiàn)，企業(yè)還將獲得優(yōu)秀的高層次專業(yè)人才；深入企業(yè)直接參與實(shí)踐，專業(yè)學(xué)位研究生將專業(yè)理論與專業(yè)實(shí)踐緊密結(jié)合，專業(yè)素養(yǎng)水平不斷提升，學(xué)生及其開(kāi)展的研究對(duì)企業(yè)也具有一定吸引力?！皥F(tuán)隊(duì)培養(yǎng)模式”促進(jìn)了校企資源的有效對(duì)接，創(chuàng)新了校企人才培養(yǎng)的協(xié)同機(jī)制，形成了校企雙贏的格局。
二、以產(chǎn)學(xué)研一體化模式推動(dòng)校企協(xié)同研究與成果轉(zhuǎn)化
學(xué)校與中國(guó)建筑材料集團(tuán)有限公司和中國(guó)中材集團(tuán)有限公司簽署了共建“‘985工程’綠色建筑材料與新材料科技創(chuàng)新平臺(tái)”協(xié)議，通過(guò)建設(shè)學(xué)?，F(xiàn)有的材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和材料研究與測(cè)試中心，支持學(xué)校材料科學(xué)開(kāi)展原創(chuàng)性基礎(chǔ)研究，提升學(xué)校材料學(xué)科基礎(chǔ)研究創(chuàng)新能力；通過(guò)建設(shè)學(xué)校現(xiàn)有的光纖傳感技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室、特種功能材料技術(shù)教育部國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和綠色建筑材料及其制作教育部工程研究中心等國(guó)家和省部級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，支持學(xué)校材料科學(xué)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究，提升學(xué)校材料學(xué)科應(yīng)用研究創(chuàng)新能力；通過(guò)建設(shè)中國(guó)建筑材料集團(tuán)有限公司、中國(guó)中材集團(tuán)有限公司與學(xué)校的聯(lián)合研究中心，校企合作開(kāi)展材料學(xué)科的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研究，提升材料學(xué)科的科技成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化能力。這種以學(xué)校的三個(gè)國(guó)家及科研基地為依托開(kāi)展原創(chuàng)研究、以學(xué)校的有關(guān)工程技術(shù)中心為基礎(chǔ)開(kāi)展應(yīng)用技術(shù)研發(fā)、以企業(yè)的研發(fā)中心為骨干進(jìn)行產(chǎn)品工程化研究并將三者結(jié)合的思路，得到了國(guó)家相關(guān)部門的認(rèn)可和支持，得以獲批建設(shè)“985”優(yōu)勢(shì)學(xué)科創(chuàng)新平臺(tái)。
三、以行業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心建設(shè)推動(dòng)校研企協(xié)同創(chuàng)新。
