發(fā)布時(shí)間：2023-03-23 15:15:09
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篇的新材料導(dǎo)論論文樣本，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。
一、“礦物材料工程”課程教學(xué)改革與實(shí)踐
1．課程教材建設(shè)
礦物材料工程學(xué)科主要教學(xué)體系包括礦物基本特性、材料研究基礎(chǔ)、材料制備與分析測(cè)試、材料功能化設(shè)計(jì)等內(nèi)容，據(jù)此編寫(xiě)了《非金屬礦物材料》《非金屬礦加工與應(yīng)用》《超微粉體加工技術(shù)與應(yīng)用》《超細(xì)粉碎工程》《粉體表面改性》等系列教材叢書(shū)。系列教材的編寫(xiě)主要是結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)，一方面注重礦物材料結(jié)構(gòu)與組成、加工工藝、材料性能與應(yīng)用性能等材料科學(xué)要素內(nèi)部關(guān)系，另一方面融合了礦物學(xué)、結(jié)晶學(xué)、礦物加工學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科理論知識(shí)體系，突出礦物材料的功能性與應(yīng)用特性。教材深入淺出，內(nèi)容翔實(shí)，注重新的技術(shù)發(fā)展以及基礎(chǔ)理論與實(shí)際應(yīng)用融合。由于礦物材料相關(guān)產(chǎn)品的加工技術(shù)與應(yīng)用技術(shù)不斷創(chuàng)新，應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，新的國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不斷更新，相關(guān)教材也在不斷修訂，例如《非金屬礦加工與應(yīng)用》已于2013年完成第三次修訂，及時(shí)補(bǔ)充了相關(guān)內(nèi)容的新變化與新發(fā)展，刪除了已不再先進(jìn)或已淘汰的技術(shù)和已廢棄的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，這些教材建設(shè)工作保證了本學(xué)科發(fā)展方向的前沿性，從而能夠滿足日新月異的新時(shí)代背景下礦物材料領(lǐng)域?qū)I(yè)高級(jí)人才培養(yǎng)的需要。
2．課程內(nèi)容優(yōu)化改革
在礦物學(xué)、礦物加工學(xué)等相關(guān)理論課程基礎(chǔ)上，對(duì)本學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了新的優(yōu)化改革，刪除了重復(fù)和陳舊過(guò)時(shí)的教學(xué)內(nèi)容，建立了以《非金屬礦加工與應(yīng)用》課程為核心，配合《粉體表面改性》《非金屬礦物材料》等特色鮮明的專(zhuān)業(yè)方向選修課的課程體系，著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新能力?！斗墙饘俚V加工與應(yīng)用》課程考慮到礦物材料的加工與應(yīng)用開(kāi)發(fā)重在其功能性的開(kāi)發(fā)，著重通過(guò)課堂教學(xué)介紹我國(guó)非金屬礦加工與應(yīng)用技術(shù)的一些共性規(guī)律，并通過(guò)聯(lián)系當(dāng)前我國(guó)非金屬礦加工技術(shù)的實(shí)際生產(chǎn)與技術(shù)發(fā)展水平，突出介紹非金屬礦物材料新工藝、新方法及新產(chǎn)品方面的研究進(jìn)展，內(nèi)容上有意將礦物的應(yīng)用特性、結(jié)構(gòu)與組成特性及功能性相結(jié)合，注重新的技術(shù)發(fā)展。課程內(nèi)容的設(shè)置上，強(qiáng)調(diào)不同相關(guān)學(xué)科之間的融合，脫離枯燥乏味的原理與理論知識(shí)，通過(guò)更多的實(shí)例，尤其是生活中所熟悉的能夠激發(fā)學(xué)生興趣的例子，達(dá)到舉一反三，靈活運(yùn)用課本知識(shí)的教學(xué)目的。建立以“礦物材料結(jié)構(gòu)與組成－制備與加工－材料性能－工藝原理”為主體的教學(xué)體系，不僅提高了課堂教學(xué)質(zhì)量與效率，而且也培養(yǎng)了該學(xué)科學(xué)生的就業(yè)能力。
3．教學(xué)方法與手段
課堂教學(xué)主要采用啟發(fā)－討論式的教學(xué)手段，通過(guò)單獨(dú)設(shè)課、綜合設(shè)課或者前沿研究講座等多種形式，充分使學(xué)生融入到課堂教學(xué)活動(dòng)中，并了解學(xué)科當(dāng)前的前沿理論與新技術(shù)。充分利用現(xiàn)代化教學(xué)手段，開(kāi)發(fā)新的多媒體教學(xué)課件，不斷提高教學(xué)效果與質(zhì)量。在課堂教學(xué)中，通過(guò)引入趣味性、互動(dòng)性強(qiáng)的閱讀教材與自學(xué)內(nèi)容，避免傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的求知欲與學(xué)習(xí)興趣。對(duì)較難理解的教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)多媒體教學(xué)軟件和信息資源來(lái)輔助教學(xué)，增強(qiáng)教學(xué)的說(shuō)服力，加深學(xué)生對(duì)難點(diǎn)知識(shí)的消化與理解。對(duì)一些與科研和生產(chǎn)密切相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，教師結(jié)合自己的科研活動(dòng)與經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)記錄的錄像及收集的圖片資料向?qū)W生形象地展現(xiàn)，讓學(xué)生能夠充分了解該領(lǐng)域新的研究動(dòng)態(tài)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。針對(duì)一些礦物新材料的熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生撰寫(xiě)綜述性論文，通過(guò)閱讀相關(guān)文獻(xiàn)資料，提出自己的想法，從而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究和探索的主動(dòng)意識(shí)。
4．創(chuàng)新與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)建設(shè)
本學(xué)科除了要求學(xué)生掌握基本的礦物材料工藝流程及其原理外，培養(yǎng)工程實(shí)踐能力同樣尤為重要。我校近幾年通過(guò)設(shè)立專(zhuān)業(yè)性的“科研導(dǎo)論”“科研選題訓(xùn)練”“大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目”等創(chuàng)新教學(xué)環(huán)節(jié)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)各種礦物材料工藝方法的基本原理、制備工藝及相關(guān)設(shè)備與材料性能測(cè)試方法的理解。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)，掌握試驗(yàn)方法、熟悉試驗(yàn)手段，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣，提高專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平。除了常規(guī)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)實(shí)踐環(huán)節(jié)外，通過(guò)開(kāi)設(shè)畢業(yè)論文結(jié)合科研、研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生能夠從生產(chǎn)實(shí)際中去選取自己的畢業(yè)課題，鍛煉學(xué)生的實(shí)際工作能力。另外，通過(guò)鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)表學(xué)術(shù)論文、科技創(chuàng)新與發(fā)明，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生科研的思維與能力。
二、結(jié)語(yǔ)
關(guān)鍵詞：課程項(xiàng)目；功能材料；工程教育模式
中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-0568（2011）35－0090－02
一、引言
我國(guó)傳統(tǒng)的通識(shí)教育過(guò)于強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)科學(xué)理論，弱化專(zhuān)業(yè)內(nèi)容和工程實(shí)踐，企業(yè)普遍反映畢業(yè)生缺乏創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。而西方國(guó)家針對(duì)這一問(wèn)題開(kāi)展了大量的研究實(shí)踐，成果豐富，其中尤以工程教育模式更為突出。它是以工程項(xiàng)目為載體，以從科研到運(yùn)行為生命周期，讓學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)踐，以課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程?！白鲋袑W(xué)”是工程教育改革的戰(zhàn)略之一，中國(guó)教育部于2008年開(kāi)始組織課題組進(jìn)行試點(diǎn)。
《功能材料》是一門(mén)既有一定的理論基礎(chǔ)知識(shí)，又與實(shí)際應(yīng)用密切相關(guān)的多學(xué)科交叉的課程。以教師講解為主的傳統(tǒng)教學(xué)方式無(wú)法充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與積極性，解決實(shí)際問(wèn)題的能力得不到體現(xiàn)。本文就是根據(jù)這一實(shí)際需要，適應(yīng)北京石油化工學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“我院”）素質(zhì)教育，滿足培養(yǎng)綜合性、創(chuàng)新性、應(yīng)用型人才的要求，就工程教育模式下《功能材料》課程在教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面的教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行探究。
二、工程教育模式應(yīng)用到《功能材料》課程的依據(jù)
將工程教育模式應(yīng)用到《功能材料》課程，符合高等院校工程教育培養(yǎng)的目標(biāo)要求。工程教育模式突破了傳統(tǒng)教學(xué)模式，通過(guò)選取項(xiàng)目創(chuàng)設(shè)情景，協(xié)作學(xué)生學(xué)習(xí)開(kāi)展教學(xué)，通過(guò)完成項(xiàng)目達(dá)到意義建構(gòu)，通過(guò)解決問(wèn)題實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握，充分體現(xiàn)我院以研究型和應(yīng)用型人培養(yǎng)為目標(biāo)的教育特點(diǎn)。
功能材料作為能源、計(jì)算機(jī)、通訊、電子等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究的基礎(chǔ)，近年來(lái)已成為材料科學(xué)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一。種類(lèi)繁多、功能各異的新型功能材料正在眾多不同領(lǐng)域?qū)萍嫉倪M(jìn)步、社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生了越來(lái)越大的影響。目前根據(jù)我院2009版新大綱要求，《功能材料》課程涉及面廣、頭緒多、內(nèi)容繁雜、系統(tǒng)性不強(qiáng)，而且課程的理論教學(xué)時(shí)數(shù)相對(duì)較少。如果還像以前一樣照本宣科，在課堂上根本不能吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果不理想。而且，事實(shí)也證明，按照傳統(tǒng)方式培養(yǎng)出來(lái)的畢業(yè)生在今后的工作中的應(yīng)用能力也比較差，不能達(dá)到用人單位對(duì)人才的要求標(biāo)準(zhǔn)。
三、工程教育模式應(yīng)用于《功能材料》教學(xué)的實(shí)踐
以真實(shí)項(xiàng)目為載體開(kāi)展項(xiàng)目式教學(xué)，能使學(xué)生親身經(jīng)歷產(chǎn)品構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)生命周期，在與課程緊密聯(lián)系的項(xiàng)目實(shí)踐中積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的應(yīng)用能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，增強(qiáng)學(xué)生的成就感，充分挖掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能。
1.構(gòu)思
根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容選取研究項(xiàng)目。課程研究項(xiàng)目是《功能材料》課程學(xué)習(xí)的一個(gè)重要組成部分。通過(guò)實(shí)施課程研究項(xiàng)目，學(xué)生可以深入掌握課程的理論知識(shí)體系，提高綜合應(yīng)用已有知識(shí)解決問(wèn)題的能力，更好地培養(yǎng)材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)技術(shù)能力和綜合素質(zhì)。
2.課程研究項(xiàng)目設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)，我院設(shè)計(jì)了《功能材料》課程研究項(xiàng)目指導(dǎo)書(shū)，主要內(nèi)容包括：①項(xiàng)目的題目；②項(xiàng)目組成員；③項(xiàng)目的研究背景及意義；④項(xiàng)目擬開(kāi)展的主要研究?jī)?nèi)容；⑤擬采用的主要研究方法或研究工具等；⑥項(xiàng)目主要的日程安排或時(shí)間節(jié)點(diǎn)；⑦主要參考文獻(xiàn)。讓學(xué)生在完成研究項(xiàng)目指導(dǎo)計(jì)劃書(shū)的過(guò)程中掌握項(xiàng)目所包含的理論知識(shí)，真正實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”。
3.任務(wù)實(shí)現(xiàn)
教師經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的理論介紹和導(dǎo)入之后，帶領(lǐng)學(xué)生實(shí)施項(xiàng)目，鼓勵(lì)學(xué)生自己選取感興趣的項(xiàng)目。把學(xué)生分成小組（每組最多3個(gè)學(xué)生），每一小組選出一個(gè)組長(zhǎng)，全面負(fù)責(zé)該組的任務(wù)。所有環(huán)節(jié)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)都靠小組成員的共同努力。
研究項(xiàng)目選取的難易程度，研究?jī)?nèi)容的多少，都會(huì)影響到每組的最終成績(jī)。每個(gè)小組要在項(xiàng)目報(bào)告中標(biāo)明每個(gè)人在總體工作中的貢獻(xiàn)和工作比例，或者每個(gè)人負(fù)責(zé)的內(nèi)容。
4.成果展示
所有的項(xiàng)目都要按照規(guī)定的時(shí)間對(duì)教師和全體學(xué)生進(jìn)行演示匯報(bào)。演示匯報(bào)的主要目的是讓教師和其他學(xué)生了解各組的工作和研究成果。小組的學(xué)生都要在臺(tái)前匯報(bào)，匯報(bào)前由教師指定主匯報(bào)人。每個(gè)項(xiàng)目演示匯報(bào)時(shí)間不超過(guò)10分鐘，另外有5分鐘的提問(wèn)時(shí)間。每個(gè)組必須嚴(yán)格控制演示時(shí)間，超過(guò)時(shí)間1分鐘以上要扣分。
不同項(xiàng)目的設(shè)定有利于滿足不同層次學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)需求，便于開(kāi)展個(gè)性化、差異化教學(xué)。通過(guò)個(gè)體和合作的形式進(jìn)行項(xiàng)目學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)，學(xué)生不僅能培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的能力，而且能培養(yǎng)合作、溝通和組織能力。項(xiàng)目完成后的及時(shí)反饋，又有利于學(xué)生間經(jīng)驗(yàn)的分享。該模式構(gòu)建出一個(gè)開(kāi)放性、研究性的學(xué)習(xí)環(huán)境，充分體現(xiàn)了以學(xué)生為中心、以學(xué)生的全面發(fā)展為中心的教育思想。
四、在工程教育模式下教師的角色
將工程教育模式應(yīng)用到“功能材料”課程，有利于教師教學(xué)科研水平的提高。要將工程教育模式應(yīng)用到課程教學(xué)，教師必須結(jié)合院校教學(xué)實(shí)際，以及本校學(xué)生的知識(shí)層次、結(jié)構(gòu)能力，合理制定教學(xué)大綱，優(yōu)選教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)教材建設(shè)，不斷改進(jìn)教學(xué)方法、教學(xué)手段，理論結(jié)合實(shí)踐，設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目，體現(xiàn)以能力培養(yǎng)為主的原則。這個(gè)過(guò)程本身就是一個(gè)學(xué)習(xí)知識(shí)、提高理論層次和教學(xué)水平的過(guò)程，也是工程教育的具體體現(xiàn)。這個(gè)過(guò)程有利于進(jìn)行多種資源的有效整合，不僅要求教師具有良好的專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)組織能力，而且利于發(fā)揮學(xué)生的主體地位和教師的主導(dǎo)地位，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，能極大地提高教師的業(yè)務(wù)能力和教學(xué)科研水平。
五、結(jié)語(yǔ)
《功能材料》課程結(jié)合工程教育理念的教學(xué)模式，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容本質(zhì)性理解，促使學(xué)生結(jié)合課程主動(dòng)考慮并構(gòu)思滿足要求的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的任務(wù)緊扣《功能材料》課程的核心內(nèi)容，并具有豐富的題材和多樣的結(jié)果。注重培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及系統(tǒng)調(diào)控能力。使學(xué)生養(yǎng)成主動(dòng)查找書(shū)籍資料的良好習(xí)慣，讓學(xué)生學(xué)會(huì)關(guān)注科技發(fā)展，極大地提高學(xué)生的系統(tǒng)調(diào)控能力。
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關(guān)鍵詞：環(huán)境功能材料；教學(xué)方法；教學(xué)效果
中圖分類(lèi)號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）03-0226-02
一、引言
在當(dāng)今的世界，環(huán)境污染威脅著人類(lèi)的生存，制約著人類(lèi)的發(fā)展。因此，用于環(huán)境保護(hù)的功能材料成為世界關(guān)注的熱點(diǎn)。環(huán)境功能材料是指具有獨(dú)特化學(xué)、物理、生物性能，并有良好環(huán)境凈化能力的新型材料。它們可以在經(jīng)典的環(huán)境凈化工藝中發(fā)揮重要作用，也可以為人類(lèi)新的環(huán)境污染提供解決方案。為了使學(xué)生掌握好材料與環(huán)境之間的關(guān)系，并為今后的研究和實(shí)際工作中利用好環(huán)境功能材料治理環(huán)境污染打下前期基礎(chǔ)，在環(huán)境專(zhuān)業(yè)中開(kāi)設(shè)“環(huán)境功能材料”課程至關(guān)重要。但是，這門(mén)課的教學(xué)面臨著諸多問(wèn)題，比如：這門(mén)課程內(nèi)容涉及材料、化學(xué)、物理、環(huán)境、生物等多個(gè)領(lǐng)域，學(xué)習(xí)內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少。而且大部分的材料是學(xué)生日常不熟悉的，容易造成學(xué)習(xí)困難。因此，如何在有限的教學(xué)時(shí)間獲得良好的教學(xué)效果，是師生共同關(guān)注的問(wèn)題。本文作者結(jié)合近幾年來(lái)對(duì)本課程的教學(xué)體會(huì)闡述一些個(gè)人的觀點(diǎn)和看法，與同行商榷。
二、將生活實(shí)際融入課程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣
學(xué)生對(duì)這門(mén)課程的興趣將直接關(guān)系到他們對(duì)這門(mén)課的掌握程度。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，筆者平時(shí)留心將環(huán)境功能材料有關(guān)的生活資料收集和整理出來(lái)，適時(shí)穿插到課程中去。例如，在講到吸附材料或活性炭時(shí)，先給學(xué)生提出一個(gè)問(wèn)題：“大家常見(jiàn)的空氣凈化器以及廚房?jī)羲到y(tǒng)用的濾芯一般用的是什么材料？”讓學(xué)生調(diào)研后再來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題；在講到汽車(chē)尾氣凈化材料時(shí)，可以讓學(xué)生先去了解一下平時(shí)經(jīng)常聽(tīng)到的“三效催化劑”到底能處理哪三種污染物，車(chē)子的性能與“三效催化劑”是否有關(guān)等問(wèn)題，然后再對(duì)材料的組分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和講解，這樣可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，將環(huán)境功能材料的理論與學(xué)生日常生活中感受到的、易于接受的實(shí)際問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)，并能學(xué)以致用，使學(xué)生對(duì)環(huán)境相關(guān)的新材料產(chǎn)生強(qiáng)烈的親切感，由此激發(fā)強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，進(jìn)而主動(dòng)學(xué)習(xí)這門(mén)課程。
三、成立興趣小組，定期開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情
可以通過(guò)自薦和推薦的方式將學(xué)習(xí)環(huán)境功能材料興趣濃厚的學(xué)生組織起來(lái)，成立由老師指導(dǎo)的興趣小組，定期開(kāi)展與課程相關(guān)的小型實(shí)驗(yàn)課題研究，以期進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。在積累了一定研究成果的基礎(chǔ)上，舉行階段性研究成果小型報(bào)告會(huì)，鍛煉學(xué)生的講演能力，同時(shí)增加成就感。報(bào)告會(huì)要適當(dāng)邀請(qǐng)環(huán)境功能材料專(zhuān)業(yè)老師、研究人員和學(xué)院相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)參加。例如，利用業(yè)余時(shí)間，讓興趣小組的學(xué)生針對(duì)當(dāng)前某種典型的水或大氣污染，基于某種環(huán)境功能材料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案來(lái)治理或解決這種污染，對(duì)所選擇的環(huán)境功能材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男曰蚪Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，并研究材料的微觀結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，最后將所得到的改性材料盡可能做到一個(gè)簡(jiǎn)單的小產(chǎn)品中，實(shí)現(xiàn)更高的污染物去除能力。如果效果理想的話，可以讓他們參加校級(jí)或市級(jí)的大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目比賽，或?qū)⒆罱K的成果寫(xiě)成。實(shí)踐證明，這些有針對(duì)性的、趣味性的小項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)，不僅提高了興趣小組學(xué)生的獨(dú)立處理問(wèn)題的能力，也帶動(dòng)了其他學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加深了所學(xué)的理論知識(shí)印象，起到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。
四、合理利用多媒體提高課堂教學(xué)效果
環(huán)境功能材料課程中，有些章節(jié)比如多孔材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，一些微觀概念和理論相對(duì)比較晦澀難懂，某些微觀過(guò)程也很難理解。因此，我們需要適時(shí)地引入多媒體教案。例如，分子篩的結(jié)構(gòu)和種類(lèi)，微觀結(jié)構(gòu)相對(duì)比較抽象，學(xué)生僅憑想象很難判斷。多媒體課件能以立體圖來(lái)表現(xiàn)，使其“具現(xiàn)化”，這對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)就容易理解多了；再如，講到離子交換樹(shù)脂交換原理的時(shí)候，由于內(nèi)容抽象，老師在講解時(shí)很難解釋清楚，為了清晰地闡明這一問(wèn)題，我們可以采用多媒體動(dòng)畫(huà)的表現(xiàn)形式，以?xún)蓚€(gè)鈉離子交換一個(gè)鎂離子軟化水質(zhì)為例來(lái)展示交換過(guò)程。課件具體設(shè)計(jì)時(shí)，首先顯示出離子樹(shù)脂上的鈉離子，當(dāng)含有鎂離子的流體通過(guò)時(shí)，兩個(gè)鈉離子就會(huì)與一個(gè)鎂離子交換，隨后鈉離子隨流體流出。這樣直觀的畫(huà)面展示形式，在一定程度上突破了時(shí)間和空間的限制，使學(xué)生有身臨其境的感覺(jué)，不僅擴(kuò)大了宏觀視野，同時(shí)也強(qiáng)化了直觀效果。
五、建立合理科學(xué)的考評(píng)體系
新教育觀念下，理論聯(lián)系實(shí)際地探索具有科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性、實(shí)用性的考評(píng)體系是一大重點(diǎn)。其實(shí)，考試只是檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果的一種手段，并不是學(xué)生學(xué)習(xí)、老師教學(xué)、乃至學(xué)校和社會(huì)培養(yǎng)相關(guān)專(zhuān)業(yè)人才最終目的?！碍h(huán)境功能材料”作為環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)新興學(xué)科，具有更新快的特點(diǎn)。這門(mén)課的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思想和分析解決問(wèn)題的能力，因此，用閉卷考試的傳統(tǒng)評(píng)價(jià)形式很難合理科學(xué)地評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)“環(huán)境功能材料”這一課程的掌握程度。閉卷考試很容易使學(xué)生形成為考試過(guò)關(guān)而死記硬背的應(yīng)試學(xué)習(xí)心態(tài)，為了能更好地避免這一消極現(xiàn)象，更科學(xué)合理地評(píng)價(jià)學(xué)生的整個(gè)課程學(xué)習(xí)過(guò)程的表現(xiàn)、學(xué)科知識(shí)掌握情況和應(yīng)用能力，本課程需要將考核方式進(jìn)行細(xì)化，注重考察學(xué)生的綜合能力。課程考核的方式要加強(qiáng)多樣性和實(shí)用性。例如，一些基礎(chǔ)性的知識(shí)點(diǎn)可以利用較短的課堂時(shí)間通過(guò)隨堂測(cè)驗(yàn)的考核方式來(lái)測(cè)驗(yàn)，并及時(shí)給出相應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果；為了加強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，學(xué)期伊始即可布置開(kāi)放性的研究型論文，這也將成為期末成績(jī)考評(píng)的一個(gè)重要組成部分；根據(jù)實(shí)際情況也可在期末以個(gè)人或小組的形式，將“學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)”也作為考評(píng)的一部分內(nèi)容，既鍛煉學(xué)生能力，也可節(jié)約老師的評(píng)閱時(shí)間，教師結(jié)合學(xué)生的講演給課程論文評(píng)分。通過(guò)這種方式，學(xué)生們以小組形式自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，與授課教師討論并提出可行的研究方案。合理科學(xué)的考核方式能夠有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，同時(shí)鍛煉其解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
六、小結(jié)
環(huán)境功能材料是一門(mén)與生活息息相關(guān)，多學(xué)科交叉、綜合發(fā)展的新學(xué)科。本文作者結(jié)合這幾年對(duì)本課程的教學(xué)在教學(xué)方法和手段上淺談幾點(diǎn)體會(huì)和看法。筆者堅(jiān)信，通過(guò)廣大專(zhuān)業(yè)教師的不懈堅(jiān)持和共同努力，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、與時(shí)俱進(jìn)，今后環(huán)境專(zhuān)業(yè)中“環(huán)境功能材料”課程的教學(xué)手段將更加豐富多彩，教學(xué)評(píng)價(jià)也更能反映學(xué)生實(shí)際情況，教學(xué)效果也必將更上一層樓。
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Some Opinions and Experience on Teaching of "Environmental Function Materials" Course
WANG Yan-gang
（School of Environment and Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）
關(guān)鍵詞:梯度功能材料，復(fù)合材料，研究進(jìn)展
Abstract :This paper introduces the concept ，types，capability，preparation methods of functionally graded materials. Based upon analysis of the present application situations and prospect of this kind of materials some problems existed are presented. The current status of the research of FGM are discussed and an anticipation of its future development is also present.
Key words :FGM；composite；the Advance
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(lài)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。
1 FGM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(lèi)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]。
2 FGM的特性和分類(lèi)
2.1 FGM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。
2.2 FGM的分類(lèi)
根據(jù)不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)FGM有多種分類(lèi)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]。
3 FGM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(pán)
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(lèi)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
4 FGM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. 1 FGM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. 2 FGM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-propagating High-temperature Synthesis 簡(jiǎn)稱(chēng)SHS或Combustion Synthesis)
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?？梢酝ㄟ^(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)1 500 K，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. 5 km/ 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T(mén)iO2-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(lèi)。
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(chēng)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. 3 FGM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]。
5 FGM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。
5.2 FGM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
6 結(jié)束語(yǔ)
FGM 的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代材料的設(shè)計(jì)思想進(jìn)入了高性能新型材料的開(kāi)發(fā)階段[8]。FGM的研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用已成為當(dāng)前材料科學(xué)的前沿課題。目前正在向多學(xué)科交叉，多產(chǎn)業(yè)結(jié)合，國(guó)際化合作的方向發(fā)展。
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關(guān)鍵詞 固相化學(xué) 無(wú)機(jī)合成 無(wú)機(jī)材料 應(yīng)用
Abstract Developments in the last fifty years(1949～1999)， especially in the last two decades on the solid state inorganic chemistry in China have been reviewed.
Key words Solid state chemistry， Inorganic synthesis， Inorganic materials， Application
固體無(wú)機(jī)化學(xué)是跨越無(wú)機(jī)化學(xué)、固體物理、材料科學(xué)等學(xué)科的交叉領(lǐng)域，尤如一個(gè)以固體無(wú)機(jī)物的“結(jié)構(gòu)”、“物理性能”、“化學(xué)反應(yīng)性能”及“材料”為頂點(diǎn)的四面體，是當(dāng)前無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)科十分活躍的新興分支學(xué)科。近些年來(lái)，該領(lǐng)域不斷發(fā)現(xiàn)具有特異性能及新結(jié)構(gòu)的化合物，如高溫超導(dǎo)材料、納米相材料、C60等，一次又一次地震撼了整個(gè)國(guó)際學(xué)術(shù)界。
中國(guó)化學(xué)會(huì)于20世紀(jì)70年代末成立了固體無(wú)機(jī)化學(xué)和合成化學(xué)專(zhuān)業(yè)組，從此在有關(guān)高等院校和研究所內(nèi)開(kāi)展了大量的基礎(chǔ)性和應(yīng)用基礎(chǔ)性研究工作，取得了一批舉世矚目的研究成果，向信息、能源等各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域提供了各種新材料，為我國(guó)的社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)作出了貢獻(xiàn)。同時(shí)，許多高校相應(yīng)開(kāi)設(shè)了“固體化學(xué)”選修課，出版了編著或翻譯的教材；1998年，出版了韓萬(wàn)書(shū)主編的《中國(guó)固體無(wú)機(jī)化學(xué)十年進(jìn)展》一書(shū)；自從1986年召開(kāi)了第一屆全國(guó)固體無(wú)機(jī)化學(xué)和合成化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)以來(lái)，迄今已召開(kāi)了6次，這些活躍的教學(xué)和學(xué)術(shù)活動(dòng)推動(dòng)了固體無(wú)機(jī)化學(xué)的教學(xué)、科研、人才培養(yǎng)以及把科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力等方面的發(fā)展。
1 固體無(wú)機(jī)化合物的制備及應(yīng)用
固體無(wú)機(jī)化合物材料的制備大多是利用高溫固相反應(yīng)，這些反應(yīng)難以控制，能耗大，成本高。為此，發(fā)展了其它各種合成方法，如前體法、置換法、共沉淀法、熔化法、水熱法、微波法、氣相輸運(yùn)法、軟化學(xué)法、自蔓延法、力化學(xué)法、分子固體反應(yīng)法(包括固相有機(jī)反應(yīng)和固相配位化學(xué)反應(yīng))等。其中，近年來(lái)提出的軟化學(xué)合成方法最為突出，它力求在中低溫或溶液中使起始反應(yīng)物在分子態(tài)尺寸上均勻混合，進(jìn)行可控的一步步反應(yīng)， 經(jīng)過(guò)生成前驅(qū)物或中間體，最后生成具有指定組成、結(jié)構(gòu)和形貌的材料。
1.1 光學(xué)材料的研究
蘇勉曾等［1］用均相沉淀法在水溶液中合成了氟氯化鋇銪(Ⅱ)，經(jīng)過(guò)處理后制得無(wú)余輝、發(fā)光性能良好的多晶體。用這種多晶體制成的高速增感屏， 其增感因素是鎢酸鈣中速屏的4～5倍， 已被全國(guó)2000所醫(yī)院使用。1983年，蘇勉曾等在系統(tǒng)研究氟鹵化物的X-射線發(fā)光及紫外發(fā)光現(xiàn)象的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了BaFX:Eu2+晶體經(jīng)X-射線輻射后著色的現(xiàn)象，開(kāi)始注意到晶體中色心生成，并于1984年開(kāi)始研究晶體的X-射線誘導(dǎo)的光激勵(lì)發(fā)光現(xiàn)象及發(fā)光機(jī)理，用光激勵(lì)發(fā)光材料制成了圖像板，作為X-射線的面探測(cè)器。他們還設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)由光學(xué)精密機(jī)械和計(jì)算機(jī)組成的計(jì)算X-射線圖像儀， 已可以獲得清晰的X-射線透視圖象和粉末晶體衍射圖像。
蘇鏹等用溶膠-凝膠法合成了一系列的稀土硅酸鹽和鋁酸鹽等固體純相發(fā)光材料，使合成溫度降低了150～300℃［2］；用燃燒法合成了發(fā)藍(lán)光的多鋁酸鹽BaMgAl10O17:Eu2+和發(fā)綠光的Ce0.67Tb0.33MgAl12O20.5熒光體，該法具有反應(yīng)時(shí)間很短，不需要還原性氣氛保護(hù)，使用爐溫從1500℃降到600℃，節(jié)能效果顯著等優(yōu)點(diǎn)［2］；他們首次發(fā)現(xiàn)，在空氣中當(dāng)以3價(jià)離子Sm3+， Eu3+和Yb3+不等價(jià)部分取代堿土硼酸鹽SrB4O7中的Sr2+時(shí)，可使摻入的3價(jià)稀土離子還原為2價(jià)［3］，此項(xiàng)工作于1993年發(fā)表后，立即引起國(guó)際同行的注意。蘇鏹等還根據(jù)觀察到的有關(guān)Dy3+的發(fā)光規(guī)律和敏化方式，合成出一些摻Dy3+的發(fā)白光的材料，制成光通量超過(guò)我國(guó)部頒標(biāo)準(zhǔn)的汞燈。
石春山等［4］研究出一種組成為BaLiF3:Eu2+、具有存儲(chǔ)X-射線輻射能以及熱釋發(fā)光和光激勵(lì)發(fā)光性質(zhì)的氟化物晶體，很有希望成為一種性能更加優(yōu)越的新型X-射線存儲(chǔ)材料。王世華、趙新華等［5］發(fā)現(xiàn)EuI2和CsSmI3在高壓下皆有相變化，并已將此研究成果用于電光源材料。
1.2 多孔晶體材料的研究
徐如人、龐文琴等在水熱法合成各種類(lèi)型分子篩的基礎(chǔ)上，發(fā)展了溶劑熱合成法，利用前驅(qū)體和模板劑，制備了一系列水熱技術(shù)無(wú)法合成的新型磷酸鹽及砷酸鹽微孔晶體，所合成的JDF-20是目前世界上孔口最大的微孔磷酸鋁［6］；1989年，徐如人、馮守華等首次報(bào)道了微孔硼鋁酸鹽的合成和性質(zhì)［7］，之后，又獲得了一系列新型微孔硼鋁氯氧化物。其中硼的配位數(shù)可取4也可取3，但不會(huì)高于4；鋁、鎵、銦的配位數(shù)大多超過(guò)4，有的甚至達(dá)到6。所有這些都突破了傳統(tǒng)分子篩純粹由四面體結(jié)構(gòu)基元構(gòu)成的概念，為開(kāi)發(fā)新型結(jié)構(gòu)特征的微孔材料提供了豐富的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
龐文琴等［8］還系統(tǒng)研究了介孔分子篩的不同合成途徑，首創(chuàng)了濕凝膠加熱合成法［9］及干粉前驅(qū)體灼燒合成法合成MCM-41。她們還開(kāi)發(fā)了雙硅源法并成功合成了絲光沸石大單晶體；在非堿性介質(zhì)中利用F-離子作礦化劑，成功合成了一系列高硅沸石分子篩大單晶體及一些籠形氧化硅大單晶。
1.3 納米相功能材料及超微粒的研究
近幾年來(lái)，我國(guó)科學(xué)家在納米管和其它功能納米材料研究方面，取得了具有重要影響的7項(xiàng)成果，引起國(guó)際科技界的很大關(guān)注。范守善等首次利用碳納米管成功地制備出GaN一維納米棒，并提出了碳納米管限制反應(yīng)的概念，該項(xiàng)成果成為1997年Science雜志評(píng)選出的十大科學(xué)突破之一；他們還與美國(guó)斯坦福大學(xué)戴宏杰教授合作，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)硅襯底上的碳納米管陣列的自組裝生長(zhǎng)，推進(jìn)了碳納米管在場(chǎng)發(fā)射和納米器件方面的應(yīng)用研究。解思深等利用化學(xué)氣相法制備純凈碳納米管技術(shù)， 合成了大面積定向納米碳管陣列， 該項(xiàng)工作發(fā)表于1996年的Science上; 他們還利用改進(jìn)后的基底， 成功地控制了碳納米管的生長(zhǎng)模式， 大批量地制備出長(zhǎng)度為2～3mm的超長(zhǎng)定向納米碳管，該項(xiàng)工作發(fā)表于1998年的Nature上。張立德等應(yīng)用溶膠-凝膠與碳熱還原相結(jié)合的方法及納米液滴外延等新技術(shù)， 首次合成了準(zhǔn)一維納米絲和納米電纜， 在國(guó)際上受到了高度重視。錢(qián)逸泰等用γ-射線輻射法或水熱法及兩者的結(jié)合， 成功地制備出各種納米粉; 用溶劑熱合成技術(shù)首次在300℃左右制得30nmGaN［10］，此外，他們還利用溶劑熱法制得了InP及CrN、Co2P、Ni2P、In2S3等納米相化合物; 用催化熱分解法從CCl4制得納米金剛石， 該項(xiàng)成果發(fā)表于1998年的Science上， 成為人們推崇的“稻草變黃金”的范例。
洪廣言等應(yīng)用醇鹽法制備了十幾種稀土氫氧化物、氧化物的超微粉；用絡(luò)合-沉淀法制備了超微Y2O3粉；運(yùn)用溶膠-凝膠法制備了CeO2納米晶及多種稀土復(fù)合氧化物超微粉；運(yùn)用共沉淀法制備了鋁酸鑭超微粉；采用乙二醇為溶劑和絡(luò)合劑制備的PbTiO3超微粉，比傳統(tǒng)固相反應(yīng)合成溫度降低了約230℃［13］。
1.4 無(wú)機(jī)膜與敏感材料的研究
孟廣耀等［12］利用高溫熔鹽離子交換法獲得固體電解質(zhì)Ag+-β″-Al2O3，設(shè)計(jì)并發(fā)展了全固態(tài)SOx傳感器；中國(guó)科技大學(xué)氣敏傳感器實(shí)驗(yàn)室還研制了CO、C2H2、C2H4等多種氣敏傳感器，有的已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。彭定坤等［13］建立了先進(jìn)而有效的溶膠-凝膠工藝，制得了γ-Al2O3超微粉及Y2O3穩(wěn)定的ZrO2膜；通過(guò)不同溶劑中的溶膠-凝膠過(guò)程，研制了有支撐體和無(wú)支撐體的TiO2膜。彭定坤、孟廣耀等發(fā)展了化學(xué)氣相沉積法(CVD)和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)，合成了高溫超導(dǎo)體YBa2Cu3O7-x薄膜和透氫的Pd-Ni、Pd-Y膜。
1.5 電、磁功能材料的研究
蘇勉曾、林建華等用軟化學(xué)方法合成一系列稀土-過(guò)渡金屬間化合物［14］，制得了10余種滿足制備稀土永磁粘結(jié)磁體要求的金屬間化合物。任玉芳等合成了300多種不同組成的稀土與Ti、 V、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Mo、 W、 Ir、 In、 Sn的復(fù)合氧化物及稀土復(fù)合硫化物，稀土復(fù)合氟化物，稀土磷化物；研究了它們的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，光電、熱電、氣敏、熱敏、磁敏等傳感性質(zhì)，快離子導(dǎo)電性質(zhì)、超導(dǎo)性質(zhì)及影響電性的規(guī)律；并研究開(kāi)發(fā)了這些性質(zhì)的應(yīng)用。1987年，任玉芳等［15］在國(guó)際上較早提出臨界溫度為90.4K的摻銀的Y-Ba-Cu-Ag-O超導(dǎo)材料。
1.6 C60及其衍生物的研究
1990年底，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所和北京大學(xué)開(kāi)始C60團(tuán)簇的合成實(shí)驗(yàn)研究［16］，爾后國(guó)內(nèi)10余個(gè)單位相繼開(kāi)展了C60的研究，取得了很好的結(jié)果，如首先在國(guó)際上建立了重結(jié)晶分離C60和C70的方法；在國(guó)內(nèi)首次獲得了K3C60和Rb3C60超導(dǎo)體，達(dá)到了當(dāng)時(shí)的國(guó)際先進(jìn)水平；發(fā)現(xiàn)在陰極中摻雜Y2O3可以大大提高陰極沉積物中等碳納米管的含量；首先報(bào)道了直接氧化C60含氮化合物的研究成果等。
1.7 多酸化合物的研究
顧翼東等［17］在常溫及很低酸度下合成了活性粉狀白鎢酸，使鎢化學(xué)研究取得重要突破；謝高陽(yáng)等以活性白鎢酸為原料，制備了多種不同結(jié)構(gòu)的含鎢化合物。王恩波等結(jié)合鎢、鉬、釩的催化、抗病毒、抗腫瘤、抗愛(ài)滋病等特性，合成了大量鎢、鉬、釩以及含稀土元素的多酸化合物，并以多酸化合物為催化劑［18］，在酯化反應(yīng)、烷基化反應(yīng)、縮合脫水反應(yīng)等方面進(jìn)行了卓有成效的工作。
1.8 金屬氫化物的研究
申泮文等設(shè)計(jì)了有特殊攪拌設(shè)備的固-液-氣多相反應(yīng)釜， 使“金屬還原氫化反應(yīng)”［19］在400～500℃范圍內(nèi)進(jìn)行完全；利用此類(lèi)反應(yīng)以新方法合成復(fù)合金屬氫化物；以“共沉淀還原法”和“置換擴(kuò)散法”制備了鈦鐵系、鎳基或鎂基合金等儲(chǔ)氫材料；創(chuàng)造了釹鐵硼等永磁材料合成新工藝。
1.9 其它
黃金陵［20］等通過(guò)固相合成獲得了一系列具有奇特的層狀結(jié)構(gòu)的三組元碲化物，第三組元離子是插入到“薄板”內(nèi)，而不是“薄板”之間；他們還合成了具有優(yōu)異的光、電、磁、生物等特性的金屬酞菁、萘酞菁類(lèi)配合物等功能材料。秦金貴等對(duì)具有特殊固體物理性能的金屬有機(jī)功能材料的合成、結(jié)構(gòu)與物理性能進(jìn)行了研究。孫聚堂等研究了一些固相反應(yīng)的可能機(jī)理，希望為一些化合物的合成提供新方法。秦子斌、曹錫章、計(jì)亮年等在大環(huán)配體金屬配合物，尤其是自由卟啉、氮雜或硫雜卟啉的配合物的合成、表征及其性質(zhì)方面進(jìn)行了廣泛研究，取得了許多有意義的結(jié)果。
此外，國(guó)內(nèi)還有利用微波輻射法合成了氧化物、硫化物、硅酸鹽、磷酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、鎢酸鹽等各類(lèi)熒光體，其中制得的CaWO4:Pb熒光粉的相對(duì)發(fā)光亮度為市售熒光粉的119%；利用摻Sm2+的M1-xM′xFCl1-yBry(M=Mg， Ca， Sr， Ba)的選擇光激勵(lì)，在世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了室溫光譜燒孔；建立了百萬(wàn)巴高壓實(shí)驗(yàn)室，完成了模擬地下6×109Pa和1500℃的高溫高壓實(shí)驗(yàn)；利用高溫高壓法合成了立方氮化硼超硬材料、寶石級(jí)的摻稀土的翡翠及雙稀土鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的新相物質(zhì)。轉(zhuǎn)貼于
2 室溫和低熱固相化學(xué)反應(yīng)
從固體無(wú)機(jī)化學(xué)的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，固相反應(yīng)尤其是高溫固相反應(yīng)一直是人們制備新型固體材料的主要手段之一。但長(zhǎng)期以來(lái)，由于傳統(tǒng)的材料主要涉及一些高熔點(diǎn)的無(wú)機(jī)固體，如硅酸鹽、氧化物、金屬合金等，通常合成反應(yīng)多在高溫進(jìn)行，所得的是熱力學(xué)穩(wěn)定的產(chǎn)物，而那些介穩(wěn)中間物或動(dòng)力學(xué)控制的化合物往往只能在較低溫度下存在，它們?cè)诟邷貢r(shí)分解或重組成熱力學(xué)穩(wěn)定產(chǎn)物。為了得到介穩(wěn)態(tài)固相反應(yīng)產(chǎn)物，擴(kuò)大材料的選擇范圍，有必要降低固相反應(yīng)溫度。
2.1 固相反應(yīng)機(jī)理與合成
忻新泉等［21］近10年來(lái)對(duì)室溫或近室溫下的固相配位化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，探討了低熱溫度固-固反應(yīng)的機(jī)理，提出并用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了固相反應(yīng)的四個(gè)階段，擴(kuò)散-反應(yīng)-成核-生長(zhǎng)，每步都有可能是反應(yīng)速率的決定步驟；總結(jié)了固相反應(yīng)遵循的特有的規(guī)律；利用固相化學(xué)反應(yīng)原理，合成了幾百個(gè)新原子簇化合物、新配合物以及固配化合物。
2.2 原子簇與非線性光學(xué)材料
非線性光學(xué)材料是目前材料科學(xué)中的熱門(mén)課題。近10多年來(lái)，人們對(duì)三階非線性光學(xué)材料的研究主要集中在半導(dǎo)體、有機(jī)聚合物、C60以及酞菁類(lèi)化合物上，而對(duì)金屬簇合物的非線性的研究幾乎沒(méi)有。忻新泉等在低熱固相反應(yīng)合成大量簇合物的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了探索研究，發(fā)現(xiàn)Mo(W，V)-Cu(Ag)-S(Se)簇合物具有比目前已知非線性光學(xué)材料更優(yōu)越的三階非線性光限制效應(yīng)(表1)，使我國(guó)在這一前沿領(lǐng)域的創(chuàng)新工作中占有一席之位。
化合物 溶劑 線性透射率/(%) 光限制閾值/(J.cm-1) 參考文獻(xiàn)
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［Mo2Ag4S8(PPh3)4］ 乙腈 92 ≈0.1 忻新泉等.J.Phys.Chem.，1995，99，17297
酞菁類(lèi)化合物 甲苯 85 ≈0.1 J. W. Perry. Science， 1996， 273， 1533
{(Et4N)2［(μ4-WSe4)Cu4(CN)4］}n DMF 90 0.08 忻新泉等， to be published.
2.3 合成納米材料新方法
納米材料是當(dāng)前固體物理、材料化學(xué)中的又一活躍領(lǐng)域。制備納米材料的方法總體上可分為物理方法和化學(xué)方法兩大類(lèi)。物理方法包括熔融驟冷、氣相沉積、濺射沉積、重離子轟擊和機(jī)械粉碎等；化學(xué)方法主要有熱分解法、微乳法、溶膠-凝膠法、LB膜法等。賈殿贈(zèng)、忻新泉等［22］發(fā)現(xiàn)用低熱或室溫固相反應(yīng)法可一步合成各種單組分納米粉體，并進(jìn)一步開(kāi)拓了固相反應(yīng)法制備納米材料這一嶄新領(lǐng)域，取得了令人耳目一新的成績(jī)，如在深入探討影響固相反應(yīng)中產(chǎn)物粒子大小的因素的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了納米粒子大小的可調(diào)變；利用納米粒子的原位自組裝制備了各種復(fù)合納米粒子。該法不僅使合成工藝大為簡(jiǎn)化，降低成本，而且減少由中間步驟及高溫固相反應(yīng)引起的諸如產(chǎn)物不純、粒子團(tuán)聚、回收困難等不足，為納米材料的制備提供了一種價(jià)廉而又簡(jiǎn)易的新方法，亦為低熱固相反應(yīng)在材料化學(xué)中找到了極有價(jià)值的應(yīng)用。
2.4 綠色化學(xué)
綠色化學(xué)是一門(mén)從源頭上減少或消除污染的化學(xué)，它解決的實(shí)質(zhì)性問(wèn)題是減少合成反應(yīng)的污染或無(wú)污染。低熱固相化學(xué)反應(yīng)不使用溶劑，對(duì)環(huán)境的友好及獨(dú)特的節(jié)能、高效、無(wú)污染、工藝過(guò)程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，使之成為綠色合成化學(xué)值得考慮的手段之一。近年來(lái)，我們?cè)谶@方面做了許多有益的嘗試，取得了許多有意義的結(jié)果，如嘗試在低熱溫度下用固體FeCl3.6H2O氧化苯偶銦類(lèi)化合物，成功地合成了相應(yīng)的苯偶酰類(lèi)化合物［23］；嘗試將低熱固相反應(yīng)合成方法用于芳醛、芳胺及過(guò)渡金屬醋酸鹽的原位縮合-配位反應(yīng)，高產(chǎn)率地合成了相應(yīng)的Schiff堿配合物［24］。有關(guān)固相反應(yīng)在綠色化學(xué)中的應(yīng)用潛力有待進(jìn)一步發(fā)掘，尤其是在合成工業(yè)綠色化方面需要更多的投入。
作者簡(jiǎn)介：周益明 男，1964年8月生，江蘇射陽(yáng)縣人，副教授，博士研究生。研究方向: 固相配位化學(xué)及固相有機(jī)合成。忻新泉 聯(lián)系人 男，1935年1月生，浙江寧波人，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向: 固相配位化學(xué)反應(yīng)及含硫原子簇化合物。
作者單位：南京大學(xué)配位化學(xué)研究所 配位化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210093
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