能源化學(xué)工程導(dǎo)論精品(七篇)

序論：寫作是一種深度的自我表達(dá)。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內(nèi)心深處的真相，好投稿為您帶來(lái)了七篇能源化學(xué)工程導(dǎo)論范文，愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑，助力您的創(chuàng)作。

篇(1)

［關(guān)鍵詞］無(wú)機(jī)及分析化學(xué)；能源化學(xué)工程；模塊化；教學(xué)改革

當(dāng)前，大多數(shù)工科專業(yè)將無(wú)機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)的課程內(nèi)容進(jìn)行重新組合，形成無(wú)機(jī)及分析化學(xué)。通過系統(tǒng)地學(xué)習(xí)和掌握化學(xué)的基本概念、基本理論以及化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)化學(xué)的興趣和解決化學(xué)問題的能力。無(wú)機(jī)及分析化學(xué)中的化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、四大平衡理論是要求必須掌握的。這些基本理論和知識(shí)在能源化學(xué)中的應(yīng)用是很基礎(chǔ)的東西，能為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定良好的化學(xué)基礎(chǔ)。[1]我們所開設(shè)的新專業(yè)能源化學(xué)工程，主要研究方向?yàn)椋耗茉辞鍧嵽D(zhuǎn)化、煤化工、環(huán)境催化、綠色合成、環(huán)境化工。它以化工的理論與技術(shù)為應(yīng)用基礎(chǔ)，圍繞新能源利用與化學(xué)轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)能源利用和可持續(xù)發(fā)展。重視與提高課堂教學(xué)質(zhì)量和推動(dòng)無(wú)機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力與實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力方面起著重要作用，是無(wú)機(jī)及分析化學(xué)課程改革必須直面的棘手問題。因此，進(jìn)行模塊化優(yōu)化無(wú)機(jī)及分析化學(xué)教學(xué)內(nèi)容、多方面激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)無(wú)機(jī)化學(xué)的興趣、充分利用現(xiàn)代多媒體技術(shù)革新教學(xué)方法、培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用能力、有效提高無(wú)機(jī)及分析化學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量，可以滿足社會(huì)及區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)人才的需求和素質(zhì)教育的要求。

一、模塊化優(yōu)化無(wú)機(jī)及分析化學(xué)教學(xué)內(nèi)容

所謂課程模塊，描述的是圍繞特定主題或內(nèi)容的教學(xué)活動(dòng)的組合，或是一個(gè)內(nèi)容上及時(shí)間上自成一體、帶學(xué)分、可檢測(cè)、具有限定內(nèi)容的教學(xué)單元，它可以由不同的教學(xué)活動(dòng)組合而成。模塊化教學(xué)強(qiáng)調(diào)理論教學(xué)、實(shí)踐、練習(xí)、研討的同步式一體化的教與學(xué)，強(qiáng)調(diào)在專業(yè)教學(xué)過程中，把理論、實(shí)踐等環(huán)節(jié)緊密結(jié)合?；谝陨险n程模塊化的考慮，將無(wú)機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)兩門課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行模塊化教學(xué)（見表1）。由于將無(wú)機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)的課程內(nèi)容打亂后進(jìn)行重新組合，導(dǎo)致概念和知識(shí)點(diǎn)多，各章節(jié)之間存在較強(qiáng)的獨(dú)立性。[2]因此，要合理安排大一第一學(xué)期的教學(xué)內(nèi)容，這樣有助于學(xué)生轉(zhuǎn)變思維方式和學(xué)習(xí)方法。

二、多方面激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)無(wú)機(jī)及分析化學(xué)的興趣

興趣是最好的老師，良好的學(xué)習(xí)興趣是主動(dòng)學(xué)習(xí)的原動(dòng)力。要學(xué)好無(wú)機(jī)及分析化學(xué)，激發(fā)學(xué)生的興趣至關(guān)重要。[3]在緒論教學(xué)過程中，要做好本課程的介紹及發(fā)展前景和學(xué)生學(xué)習(xí)心理方面的工作，在無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)中建立好教師、學(xué)生和教材三者之間的相互關(guān)系。第一，在緒論課上介紹無(wú)機(jī)和分析化學(xué)發(fā)展過程及發(fā)展前景，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)本課程的重要性，以達(dá)到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的；接著主要介紹無(wú)機(jī)及分析化學(xué)的作用及學(xué)習(xí)方法和相關(guān)考核辦法。第二，闡明化學(xué)與人類生活密切相關(guān)的環(huán)境、能源、材料以及人類社會(huì)生活中的熱點(diǎn)問題，以此為載體深入淺出地介紹化學(xué)與人類生活、社會(huì)發(fā)展的關(guān)系。第三，在專業(yè)導(dǎo)論課上強(qiáng)調(diào)無(wú)機(jī)及分析化學(xué)是能源化工類相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課，能為以后的專業(yè)課學(xué)習(xí)和將來(lái)從事工作奠定基礎(chǔ)。第四，通過新生認(rèn)知見習(xí)，讓學(xué)生在參觀相關(guān)無(wú)機(jī)化工企業(yè)中獲得感性認(rèn)識(shí)；在平時(shí)的課堂教學(xué)中，利用一些貼近生活的例子解答知識(shí)疑惑，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。第五，建立合作學(xué)習(xí)小組，布置課后課題作業(yè)，利用網(wǎng)絡(luò)資源學(xué)習(xí)無(wú)機(jī)及分析化學(xué)，查找相關(guān)資料完成課程論文作業(yè)。

三、充分利用現(xiàn)代多媒體技術(shù)革新教學(xué)方法

在無(wú)機(jī)及分析化學(xué)教學(xué)中，利用現(xiàn)代多媒體技術(shù)革新教學(xué)方法能提高教學(xué)效果。要面對(duì)的教學(xué)問題有：課前制作精美的多媒體課件，發(fā)揮多媒體課件的優(yōu)勢(shì)；主講教師課堂講授“動(dòng)”與“靜”結(jié)合，活躍課堂氣氛；不可徹底忽略傳統(tǒng)的板書；進(jìn)行多媒體技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)技術(shù)相結(jié)合，有效提高課堂教學(xué)效果。[4]第一，使用多媒體技術(shù)教學(xué)可以模擬化學(xué)反應(yīng)歷程，讓學(xué)生清晰地看到原子或分子的拆分及重新組合的過程，化抽象概念變?yōu)榫唧w事物，這樣可以加深學(xué)生對(duì)化學(xué)概念的理解。如，F(xiàn)las制作了各種類型分子雜化軌道（sp，sp2，sp3，dsp2等）的形成過程。第二，采用多媒體教學(xué)手段展示教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，有助于學(xué)生理解和記憶課本內(nèi)容。第三，進(jìn)行多媒體教學(xué)時(shí)，應(yīng)以學(xué)生為主體，但教師依然是教學(xué)活動(dòng)的組織者和引導(dǎo)者。

四、培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)的運(yùn)用能力

通過學(xué)校組織學(xué)生參加各類化工學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng)是調(diào)動(dòng)能源化學(xué)工程專業(yè)學(xué)生對(duì)無(wú)機(jī)及分析化學(xué)基礎(chǔ)課程興趣的重要舉措。[5]第一，積極組織學(xué)生參加廣西各類化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能競(jìng)賽，堅(jiān)持開展國(guó)家級(jí)、省部級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。第二，為了鼓勵(lì)和培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力，學(xué)院組織學(xué)生參加化工年會(huì)化工論文競(jìng)賽。第三，開放實(shí)驗(yàn)室，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與到開放實(shí)驗(yàn)室的研究課題；設(shè)立創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基金，由學(xué)生自由申請(qǐng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)取得階段性成果的學(xué)生給予創(chuàng)新基金資助。此外，改革無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)方法，必須將傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦偷奶骄啃詫?shí)驗(yàn)，通過探究性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案中能夠開發(fā)智力、培養(yǎng)良好的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，鍛煉自學(xué)能力。

五、適應(yīng)能源化工專業(yè)要求方面的改革

能源化學(xué)工程專業(yè)是一個(gè)綜合性、實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，在理論教學(xué)上要求學(xué)生掌握能源化學(xué)工程基礎(chǔ)理論和相關(guān)技能。在實(shí)踐教學(xué)上，應(yīng)明確教學(xué)過程中的內(nèi)容重點(diǎn)和難點(diǎn)，尤其是熱力學(xué)方面的內(nèi)容應(yīng)該重點(diǎn)詳細(xì)講解，使學(xué)生更好地理解能源轉(zhuǎn)化及利用過程中的一般規(guī)律，為低碳環(huán)保使用能源奠定基礎(chǔ)。我們針對(duì)實(shí)踐性很強(qiáng)的能源化學(xué)工程專業(yè)，依據(jù)其專業(yè)的特點(diǎn)實(shí)施校內(nèi)實(shí)訓(xùn)和校外實(shí)習(xí)相結(jié)合，使課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)等環(huán)節(jié)能為培養(yǎng)具備高素質(zhì)的能源化學(xué)工程專業(yè)人才服務(wù)。此外，我們還完善校內(nèi)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)和校外實(shí)習(xí)基地的建設(shè)，向企業(yè)提供人才培養(yǎng)方案，共同建設(shè)與加強(qiáng)人才培養(yǎng)方案中的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。在實(shí)踐評(píng)價(jià)體系的建設(shè)中，收集專家評(píng)價(jià)、教師評(píng)價(jià)、實(shí)習(xí)接收單位評(píng)價(jià)、系（分院）自評(píng)、學(xué)生評(píng)價(jià)等信息，做到以評(píng)促建。

六、結(jié)論

本文針對(duì)我校能源化學(xué)工程專業(yè)開設(shè)的無(wú)機(jī)及分析化學(xué)課程，在優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、激發(fā)學(xué)生興趣、利用各種教學(xué)方法、培養(yǎng)學(xué)生能力以及適應(yīng)專業(yè)要求方面對(duì)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了總結(jié)和探究。加強(qiáng)基礎(chǔ)理論知識(shí)教學(xué)使學(xué)生具備扎實(shí)的實(shí)踐技能，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高教學(xué)質(zhì)量，能為培養(yǎng)能源化學(xué)工程專業(yè)創(chuàng)新型人才奠定基礎(chǔ)。

［參考文獻(xiàn)］

［1］韓洪晶，楊金保，劉淑，等.能源化學(xué)工程專業(yè)本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系的建立與實(shí)踐［J］.教育教學(xué)論壇，2013（15）:228-229.

［2］孟廣波，畢孝國(guó)，付洪亮.能源化學(xué)工程專業(yè)優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)體系研究［J］.中國(guó)電力教育，2014（3）:145-146.

［3］朱清，李成勝，張征林．無(wú)機(jī)及分析化學(xué)教學(xué)改革初探［J］．化工時(shí)刊，2013（4）：49-50．

［4］芮光偉，蔣珍菊，岳松．無(wú)機(jī)及分析化學(xué)課程教學(xué)改革與實(shí)踐［J］．高等教育研究，2007（3）:75-76.

篇(2)

化工學(xué)科的學(xué)生從進(jìn)入校園的那一刻就開始思考自己未來(lái)的就業(yè)之路，在就業(yè)大環(huán)境的影響下，他們?cè)诖髮W(xué)四年的學(xué)習(xí)和生活中主要分化成了兩類。第一類學(xué)生以考研為學(xué)習(xí)目的，占學(xué)生人數(shù)的60%以上，這類學(xué)生又可以分成兩部分，一部分爭(zhēng)取學(xué)院有限的研究生推薦名額，在大四以前，他們認(rèn)真學(xué)習(xí)所有能影響專業(yè)排名的課程。以河南大學(xué)化工學(xué)科為例，免試推薦的名額只有不足5%，爭(zhēng)取到名額的學(xué)生一般都在班級(jí)名列前茅。這些學(xué)生非常注重考試成績(jī)，其學(xué)習(xí)特點(diǎn)很大程度上沿襲了高中的學(xué)習(xí)方式，即搞題海戰(zhàn)術(shù)，學(xué)得很累，而對(duì)于專業(yè)素質(zhì)和專業(yè)思想的培養(yǎng)不是太重視，部分存在高分低能現(xiàn)象；另一部分學(xué)生參加一年一度的研究生入學(xué)考試，他們把大部分的精力放在考研的那幾門課程上，其他與考研不相干的課程（在他們看來(lái)如此），幾乎都采取了敷衍的態(tài)度，尤其是實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)，在他們看來(lái)非常占用時(shí)間，更是應(yīng)付了事。第二類學(xué)生以就業(yè)為目的，形成原因很復(fù)雜，有的是因?yàn)閷W(xué)習(xí)成績(jī)較差，有的是因?yàn)榧彝ソ?jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)較重，也有很少一部分學(xué)生是心甘情愿想要了解社會(huì)，了解化工企業(yè)的現(xiàn)狀，下決心先工作一段時(shí)間再說?？梢钥闯?，當(dāng)今大學(xué)生的學(xué)習(xí)目的以及對(duì)知識(shí)的需求存在很大的差別，而我們的培養(yǎng)方案模式僵化，在人才培養(yǎng)的結(jié)構(gòu)上缺乏層次，不立體，成為工程教育的首要問題。

其次，年年出榜的中國(guó)高校排名成了中國(guó)高等教育的指揮棒，致使每個(gè)院校都采取了優(yōu)先發(fā)展科研的辦學(xué)思路，與之相適應(yīng)的是各種科研激勵(lì)政策不斷出臺(tái)。但是，從國(guó)家各個(gè)政府部門下發(fā)的科研經(jīng)費(fèi)有著向少數(shù)榜單上排名靠前的院校，向科研實(shí)力人物匯聚的趨勢(shì)，絕大數(shù)的教師無(wú)力爭(zhēng)取。于是，高校大部分教師，尤其是青年教師，陷入了想搞科研沒有經(jīng)費(fèi)，但又不甘于全心全力從事教學(xué)的尷尬境地。試想一下，這樣的一支教學(xué)隊(duì)伍，怎樣應(yīng)對(duì)目前立體的、多層次的創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求。再次，我國(guó)高等教育的高度計(jì)劃性和市場(chǎng)需求的高度選擇性一直是對(duì)無(wú)法解決的矛盾。事實(shí)上，從推行市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制之初，教育工作者就意識(shí)到我們的培養(yǎng)方案與市場(chǎng)的脫節(jié)，并開始思考市場(chǎng)需求到底是什么？培養(yǎng)方案的不足在何處？可以說，中國(guó)高等教育的工作者了解國(guó)家的化工行業(yè)的相關(guān)政策，以及現(xiàn)代化工企業(yè)的需求。阻礙問題解決的關(guān)鍵在于教育工作者沒有制定培養(yǎng)方案的自，因?yàn)楹ε乱坏┓砰_，中國(guó)高等教育將出現(xiàn)失控的局面。最后是教學(xué)理念的陳舊，認(rèn)定知識(shí)的傳授就是一塊黑板加一支粉筆，從一個(gè)個(gè)基本概念的剖析，到一個(gè)個(gè)數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)?？杀氖?，我們的學(xué)生也適應(yīng)了，換種知識(shí)的傳授方式就感到很吃力。例如我院的一位教師，她在講授《化工基礎(chǔ)》課程的時(shí)候，喜歡訓(xùn)練工程的思維方式，即先給出一個(gè)具體的化工案例，然后引導(dǎo)學(xué)生提出問題，幫助他們尋找解決問題的途徑，然后由他們自主解決問題。剛開始的時(shí)候，學(xué)生對(duì)這套教學(xué)方法充滿了好奇，但是過不了多久，他們就感到不適應(yīng)，因?yàn)樗麄兒苌僦鲃?dòng)思考問題，一般都是老師在講臺(tái)上娓娓道來(lái)，他們?cè)谙旅姘床烤桶嗟亟邮埽搅撕髞?lái)，他們簡(jiǎn)直要抵觸這種教學(xué)方式。于是，我們看到的是在傳統(tǒng)的教學(xué)理念下，教育出來(lái)循規(guī)蹈矩的學(xué)生。

2卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃實(shí)施的設(shè)想與實(shí)踐

怎樣才能增加培養(yǎng)方案的層次性和靈活性，使之與人才市場(chǎng)的需求相協(xié)調(diào)，達(dá)到卓越計(jì)劃的培養(yǎng)目標(biāo)呢？學(xué)院一直把上述課題當(dāng)成教學(xué)改革的核心問題，圍繞這個(gè)課題開展了系列教改探索，現(xiàn)把我們?nèi)〉玫囊稽c(diǎn)研究成果在此簡(jiǎn)單介紹一下。針對(duì)在校大學(xué)生思想動(dòng)態(tài)，畢業(yè)生就業(yè)單位的跟蹤調(diào)查，研究生錄取院校的隨訪，我們認(rèn)為化工學(xué)科的學(xué)生至少需要采取兩種培養(yǎng)模式。河南大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)方案主要包括公共平臺(tái)、專業(yè)基礎(chǔ)平臺(tái)、專業(yè)平臺(tái)三大塊。公共平臺(tái)包含政治、英語(yǔ)、體育、數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)，專業(yè)基礎(chǔ)平臺(tái)主要包括基礎(chǔ)化學(xué)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)、化工原理及實(shí)驗(yàn)、化工制圖、化工儀表自動(dòng)化及實(shí)驗(yàn)，專業(yè)平臺(tái)課包括化學(xué)工程的后續(xù)專業(yè)課程。我們嘗試將專業(yè)平臺(tái)課做成兩個(gè)模塊，一個(gè)為考研模塊，另一個(gè)為就業(yè)模塊?？佳心K體現(xiàn)化工理論及實(shí)踐環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性，并強(qiáng)化學(xué)生從事科研的基本素質(zhì)和技能，如開設(shè)化工前沿講座、科研指導(dǎo)、化工數(shù)據(jù)處理、文獻(xiàn)檢索、專業(yè)英語(yǔ)、近現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)等課程。與之相對(duì)應(yīng)的選修課模塊，則考慮拓展學(xué)生的知識(shí)面，如開設(shè)的生物工程導(dǎo)論、材料科學(xué)概論、能源工程導(dǎo)論、環(huán)境科學(xué)導(dǎo)論、精細(xì)化工導(dǎo)論、高分子材料導(dǎo)論、等等。就業(yè)模塊在保證化工理論完整性的基礎(chǔ)上，適當(dāng)壓縮總學(xué)時(shí)，增加實(shí)踐環(huán)節(jié)的內(nèi)容和學(xué)時(shí)，旨在強(qiáng)化其化工基本技能。

篇(3)

關(guān)鍵詞:梯度功能材料,復(fù)合材料,研究進(jìn)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(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],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(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。

圖2

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。FGM的應(yīng)用[8]見圖3。

圖3FGM的應(yīng)用

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)。FGM的研究開發(fā)體系如圖4所示[8]。

設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

圖4FGM研究開發(fā)體系

4.1FGM設(shè)計(jì)

FGM設(shè)計(jì)是一個(gè)逆向設(shè)計(jì)過程[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。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(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]：

圖6SHS反應(yīng)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(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^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

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(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]。

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(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。在噴涂沉積過程中,通過連續(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(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(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）開發(fā)大尺寸和復(fù)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(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發(fā)階段[8]。FGM的研究和開發(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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