陶瓷材料论文:工业电子陶瓷材料的分类、应用及发展趋势 摘 要:本文针对工业用电子陶瓷材料的性能特点,研究了工业用电子陶瓷材料的应用领域,分析了工业用电子陶瓷材料的分类,并介绍了电子陶瓷产业加速研发新材料态势。同时,指出了工业用电子陶瓷技术的发展趋势。 关键词:电子陶瓷材料;分类;应用;发展趋势 1 前言 材料是人类生产和生活的物质基础,是人类进步与人类文明的标志。随着空间技术、光电技术、红外技术、传感技术、能源技术等新技术的出现、发展,要求材料必须具有耐高温、抗腐蚀、耐磨等优越的性能,才能在比较苛刻的环境中使用。传统材料难以满足目前的要求,因此,开发和有效利用高性能材料已经成为材料科学发展的必然趋势。 2 工业用电子陶瓷材料的分类 电子陶瓷按功能和用途可以分为五类:绝缘装置瓷、电容器瓷、铁电陶瓷、半导体陶瓷和离子陶瓷。绝缘装置瓷简称装置瓷,具有优良的电绝缘性能,用作电子设备和器件中的结构件、基片和外壳等的电子陶瓷。电子陶瓷按特性可分为高频和超高频绝缘陶瓷、高频高介陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、光电陶瓷、电阻陶瓷等。按应用范围可分为固定用陶瓷、电真空陶瓷、电容器陶瓷和电阻陶瓷。按微观结构可分多晶、单晶、多晶与玻璃相、单晶与玻璃相。 (1) 陶瓷基片材料 陶瓷基片材料在电子陶瓷中,占有最重要位置的是绝缘体。特别是高级集成电路用绝缘基片或封装材料,可以采用尺寸精度为微米或微米以下的高纯度致密氧化铝烧结体。高纯度致密氧化铝具有金属材料所不具备的绝缘性和高分子材料所不具备的导热性。 (2) 压电陶瓷 压电陶瓷由于是多晶材料,所以使用频率受到限制。压电元件可使电信号和机械信号相互转换。一定形状的压电陶瓷元件主要由PbTiO3-PbZrO3系烧结而制成,即使是烧结体,通过极化也可获得单晶所具有的压电性。压电元件的主要用途有火花塞和谐振器。谐振器起选择性通过特定频率电波滤器的作用,是电视(TV)、无线电等调谐电路不可缺少的元件。 (3)铁电陶瓷 铁电陶瓷以铁电性晶体为主晶相的电子陶瓷。已发现的铁电晶体不下千种,但作为铁电陶瓷主晶相的主要有钙钛矿或准钙钛矿型的铁电晶体或固溶体。在一定的温度范围内晶体中存在着可随外加电场而转变方向的自发极化,这就是晶体的铁电性。当温度超过某一临界值──居里温度TC时,其极化强度下降为零,晶体即失去铁电性,而成为一般的顺电晶体;与此同时,晶体发生铁电相到顺电相的相变。铁电体的极化强度还随电场而剧烈变化。 铁电陶瓷功能多、用途广,利用其压电特性可以制成压电器件,这是铁电陶瓷的主要应用,因而常把铁电陶瓷称为压电陶瓷。利用铁电陶瓷的热释电特性可以制成红外探测器件,在测温、控温、遥测、遥感以至生物、医学等领域均有重要应用价值。典型的热释电陶瓷有钛酸铅(PbTiO3)等。利用透明铁电陶瓷PLZT的强电光效应,可以制成激光调制器、光电显示器、光信息存储器、光开关、光电传感器、图像存储和显示器,以及激光等新型器件。 (4) 半导体陶瓷 在陶瓷中,半导体是很多的,除了元素半导体和化合物半导体外,很多种金属的氧化物也具有半导体性质,甚至还有有机高分子的半导体。而半导体陶瓷则是指采用陶瓷工艺成型的多晶陶瓷材料,它与单晶半导体不同,存在大量晶界,晶粒的半导体化也是在烧成工艺过程中完成的。因此,有丰富的材料微结构状态和多样的工艺条件,可以非常敏感的影响材料的性能,这为开辟陶瓷敏感材料的新领域提供了广阔的天地。电阻随温度而变化的性质,可用于非线性电阻。负温度系数非线性电阻随温度上升而电阻降低,具有一般的半导体特性。铁系金属的氧化物陶瓷,因为具有化学的和热的稳定性,所以可用于非线性电阻,在很宽的范围控制温度。与此相反,称为正温度系数热敏电阻(PTC热敏电阻)的元件,用的是半导体化的BaTiO3陶瓷。这种陶瓷因为在相变温度下电阻急剧增大,如果作为电阻加热元件而应用,则可在相变温度附近自动控温,是很方便的。 (5) 敏感性材料在陶瓷行业中的应用 1) 正温度系数热敏电阻材料(PTC) 这种材料的电阻和温度关系,在低于居里温度时呈现低阻抗,高于这一温度时则呈现高阻抗,电阻变化是在居里温度附近以陡变的方式实现的,组织变化的幅度可高达100~105倍。利用这种特性可以作为自控型发热元件,还可用做对特定温度敏感的元件,以及延时开关、过流保护、测温等方面的元件,因此PTC陶瓷应用领域十分广阔。PTC热敏陶瓷材料目前主要是钛酸钡,它的居里温度为120 ℃,通过添加锶、铅、锡、锆等氧化物可以大幅度改变其居里温度。 2) 负温度系数电阻器材料 除了PTC热敏电阻器外,另一类半导体热敏陶瓷就是负温度系数(NTC)热敏陶瓷电阻器,它的电阻对数值随温度升高而几乎呈线形降低。这类材料由锰、铜、铁、钴等金属的复杂氧化物组成,由于组织易于控制,随温度变化大,精度高,价格低,所以NTC热敏电阻器在民用电器、汽车、通讯等设备上用得较多。 3) 由金属氧化物组成的湿敏陶瓷 由金属氧化物组成湿敏陶瓷,如:SnO2、ZrO2基等。曾有人开发出使用钙钛矿型的陶瓷系列湿度传感器。该系列中的某一组成表现出很强的湿敏效应。湿敏的原理是基于半导体氧化物吸附水分后改变了表面导电性或电容性。湿度传感器在电子、食品、纺织工业及各种空调设备、集成电路内非破坏性湿度检测等场合应用十分广泛。 4) 压敏陶瓷 压敏陶瓷是一类应用极为广泛的敏感材料。利用材料的电流-电压非线性特性,可用于制成电压敏感器件,它的阻值不是恒定值,而是随电压增高到一定值时下降,所以也成为变阻器。这一特性特别适用于电子电路、电力系统及家电产品中的过压保护,发展前景很好。目前,氧化锌-氧化铋系材料的应用最为普遍。半导体陶瓷对环境气氛往往具有选择性的敏感特性。如氧化锡、氧化锌、氧化钛材料体系是若干碳氢化合物敏感元件氧化锆系材料是测氧分压最常用的敏感材料。其共同特征是通过有选择地吸附气体,使半导体的表面能态发生改变,从而引起电阻率的变化,确定某种未知气体及其浓度范围。 3 工业用电子陶瓷材料的应用领域 电子陶瓷是广泛用于制作电子功能元件的,多数以氧化物为主要成份的烧结体材料。电子陶瓷的制造工艺与传统的陶瓷工艺大致相同。利用陶瓷材料的高频或超高频和低频电气物理特性可制作各种不同形状的固定零件、陶瓷电容器、电真空陶瓷零件、碳膜电阻基体等等。 信息化是21世纪重要的时代特征,信息功能陶瓷材料已经成为现代电子信息技术的重要基石,在能源、家用电器、汽车等方面可以广泛应用,尤其在通信、广播、电视、雷达、仪器仪表等电子设备中是不可缺少的组成部分。另外,随着激光、计算、集成、光学等新技术的发展,电子陶瓷的用途更日益扩大。信息功能陶瓷以其高性能和应用的广泛性,日益成为许多新型电子元器件的重要关键基础材料,在国民经济和国防建设中占有十分重要的战略地位,目前应用最广的是电子信息领域。随着电子信息产品进一步向小型化、集成化、宽带化的方向发展,信息功能陶瓷的细晶化、电磁特性的高频化、低温共烧陶瓷技术等将成为发展新一代片式电子元器件的关键技术,导致一系列新型电子元件和模块的出现。信息功能陶瓷作为一大类对电、磁、光、声、热、力等信息具有检测、转换、存储、耦合和传输等功能的介质材料,广泛应用于电子信息、集成电路、计算机、自动控制、航空航天、海洋超声、通信技术、汽车和能源等近代高新技术领域。时下,压电陶瓷产品门类齐全,不仅广泛用于军事和工业领域,还渗透到了人们日常生活的每个角落,其应用领域较广。 (1) 超声换能器 近几年发展较快的有陶瓷谐振器、陶瓷滤波器,还有调谐音叉滤波器、机械滤波器、陶瓷鉴频器、陷波器和延迟线。其中,陶瓷谐振器、陶瓷滤波器产量已经占我国压电陶瓷产品的65%以上,相当引人注目。特别是陶瓷谐振器具有高稳定、无需调节、尺寸小和成本低等特点。典型的应用有:电视机、摄录像机、计算机、CD-ROM驱动器、汽车电器、VCD、电话机、复印机、语音合成器、遥控器和玩具等。压电超声换能器是发射和接收超声波的声学器件,在水和空气介质中广泛应用。在水声通信中起雷达的作用,被称为声呐,是各类舰船必不可少的重要传感器。在工业中,超声换能器已被用于超声清洗、超声精密加工、超声加湿、超声乳化、超声种子处理、超声探伤和超声诊断等。当今,压电超声换能器的另一广泛应用领域是遥测、遥控系统和报警系统。压电发声器的典型产品是压电蜂鸣器和压电送、受话器、手表、计算器、电子闹钟、小型警铃以及电话、手机的振铃都离不开蜂鸣器。计测和控制用压电器件主要有压力、加速度、角速度传感器以及超声测深、超声测厚、超声测流速、超声诊断等。 (2) 数字3C产品 近些年来,集计算机、通信等电子于一体的数字3C产品近年来得到了快速发展,3C融合产品已成为今后重要的发展方向。据预测,3C融合将创造出一个高达4000亿美元的产业。3C产业的高速发展,极大地推动着电子基础产品和元器件的同步协调发展,也对电子元器件的基础材料――信息功能陶瓷提出了严峻的挑战,同时也提供了良好的发展机遇。 (3) 电子信息产品 我国的电子信息产业,特别是一些附加价值高、技术含量高的新型电子信息产品和一些基础电子产品的生产水平与发达国家相比仍存在很大差距,不少高端产品在相当大的程度上被外资企业所控制。国外大公司,如:村田、松下、京都陶瓷、摩托罗拉等近年来长驱直入中国市场,目前已占据了国内片式元器件特别是高档片式元器件市场相当大的份额。我国信息产业正面临着产品升级换代的机遇和挑战。 4 电子陶瓷产业加速研发新材料 由于功能陶瓷材料近年来强大的市场需求和战略地位,世界各国对功能陶瓷的研究与开发都给予了足够的重视。美国、日本和西欧一些国家都将功能陶瓷作为关键技术,投入大量经费进行研究和开发。从总体上看,美、日在功能陶瓷的研究方面居领先地位。功能陶瓷电子元件发展的重要趋势是小型化、微型化、片式化、模块化和集成化。这些趋势向陶瓷材料科学和技术提出了一系列挑战。因此,围绕上述应用目标开展的功能陶瓷材料的研究及产业化目前十分活跃。 最近几年在科技人员和各企业的努力下,特别是在国家的重点扶持下,再加上外来资金的引入,中国功能陶瓷的基础研究得到加强,企业结构得到调整,企业规模不断扩大,从而使得中国的电子陶瓷市场不断发展壮大。目前,我国已经在功能陶瓷材料领域聚集了雄厚的队伍和积累,处于厚积薄发的阶段,产业发展势头很猛。在电子陶瓷及其片式电容、电感器、电阻器件、陶瓷基板、光导纤维及其陶瓷光线连接器、高温超导陶瓷纤维等应用技术和产业化方面进展都非常顺利。现在,我国已经能够生产大多数的电子陶瓷,像IC基板、瓷介电容、电阻、电感、磁性材料、蜂鸣器、滤波器等压电陶瓷无线电频率元件已能大量生产,并且还占有一定的国际市场。但大部分产品的利润并不很高,产品的技术含量和附加值都相对较低,而且目前世界上最先进的超高利润的电子陶瓷产品我们没有能够占领市场,许多电子整机中的电子陶瓷元件仍需大量进口,如手机中使用的片式压电陶瓷滤波器等,国内市场很大,但全靠进口。因此,提升产品的技术含量和附加值,加大产品的利润率是电子陶瓷发展的关键和目标。只有在这些方面做得好的企业,才有可能在将来的电子陶瓷市场中独领风骚。 功能陶瓷在小型化和便携式电子产品中占有十分重要的地位,随着世界范围经济结构的调整和转移,我国的功能陶瓷材料和元件的市场正在迅速增长。发达国家电子整机生产逐渐向中国转移,为我国功能陶瓷材料和相关电子元件产业的发展提供了前所未有的发展机遇。世界各国元器件生产企业都在电子陶瓷及其元器件的新产品、新技术、新工艺、新材料、新设备方面投入巨资进行研究开发。高投入的研发使得电子陶瓷及元器件成为一个创新活跃、竞争激烈的领域,每年都有大量新型功能陶瓷材料及元器件问世把握机遇,发展优势,提高我国信息功能陶瓷的产业技术水平和自主创新能力,对发展我国电子信息产业等许多高科技产业具有重要的战略意义。 陶瓷材料论文:陶瓷材料加工技术的研究现状 摘 要 陶瓷材料具有优良的理化性能,但属于典型的难加工材料,其加工技术已成为研究的热点。本文综合了近年来陶瓷材料的各种加工技术,为陶瓷材料加工技术的进一步研究提供参考依据。 关键词 脆性材料;工程陶瓷;陶瓷加工;特种加工 0引言 陶瓷材料具有良好的耐高温耐腐蚀性能、强度高、硬度高,是优良的高性能材料。随着陶瓷材料学的发展,其制备技术也越来越多,陶瓷材料的性能也逐步得到提高。陶瓷材料可以用到空间探测、航空航天等高技术领域中。 陶瓷材料的原子通过共价键、离子键结合,而金属材料通过金属键相结合,所以陶瓷材料与金属材料有完全不同的性质。陶瓷材料在常温下对剪切应力的变形阻力很大,且硬度很高。由于陶瓷晶体是由阳离子和阴离子以及它们之间的化学键组成的,化学键具有方向性、原子堆积密度低、原子间距大,使陶瓷显示出很大的脆性,加工产生的缺陷多,所以是典型的难加工材料。发展高效低成本的加工技术十分重要。 1陶瓷材料的车磨削加工技术 陶瓷材料的脆性极高,似乎很难将陶瓷与车削联系起来,但是陶瓷材料的压痕实验表明如果选用合适的金刚石刀具角度和切削参数仍然可以实现陶瓷材料的延性加工。相关的实验也表明采用超硬刀具材料都可以加工陶瓷材料。李湘钒超精密车削陶瓷材料的实验表明采用W-Co类硬质合金可以加工陶瓷零件。日本的原昭夫曾采用聚晶金刚石刀具车削Al2O3和Si3N4陶瓷。目前车削陶瓷材料主要选用金刚石刀具。在刃磨性能上单晶金刚石刀具优于聚晶金刚石刀具,它们都属于微量切削,去除率较低,加工质量和精度难以保证,还有待于进一步的研究。 磨削可以满足硬金属的加工要求,因而也可以成为陶瓷材料的主要加工方法,其精度和效率比较适中。磨削陶瓷材料一般选用金刚石砂轮,金刚石砂轮磨削材料时磨粒切人工件,磨粒切削刃前方的陶瓷表面材料受到挤压,当压力值超过陶瓷材料承受极限时被压溃,形成碎屑。同时磨粒切人工件时,由于压应力和摩擦热的作用,磨粒下方的材料会产生局部塑性流动,形成变形层,当磨粒切出时,由于应力的消失,引起变形层从工件上脱离形成切屑。从成屑机理上看陶瓷 材料的去除方式仍然是脆性的。磨削加工后的表面残留了大量的加工缺陷,因此深加工就成为必然的工序。为了降低深加工的成本,近年来提出了延性域磨削的概念。延性域磨削以提高磨削表面质量为主要目标,采用调整磨粒排布方式以及精密修整等技术来实现陶瓷材料的高效精密加工。陶瓷材料的磨削还存在砂轮磨损堵塞以及加工效率低等问题,这些问题有待于进一步的研究。 2陶瓷材料的特种加工技术 超声加工是在加工工具或被加工材料上施加超声波振动,在工具与工件之间加入液体磨料或糊状磨料,并以较小的压力使工具贴压在工件上。加工时,由于工具与工件之间存在超声振动,迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断撞击、抛磨被加工表面,加上加工区域内的空化、超压效应,从而产生材料去除效果。超声加工比较适合陶瓷材料表面脆性的特点,这种方法加工的表面质量较好,容易实现加工自动化。其缺点是加工效率较低,工具寿命较低。 激光加工陶瓷材料,是利用能量密度极高的激光束照射到陶瓷材料表面上,光能被陶瓷表面吸收,光能部分转化为热能,使局部温度迅速升高产生熔化以至气化并形成凹坑。随着能量的继续吸收,凹坑中的蒸气迅速膨胀,把熔融物高速喷射出来,同时产生一个方向性很强的冲击波,这样材料就在高温、熔融、气化和冲击作用下被蚀除。激光加工高效环保,但光斑表面的温度梯度容易形成陶瓷材料表面的微裂纹,而且激光设备昂贵,使用成本较高。 电火花加工主要是通过电极间放电产生高温熔化和汽化蚀除材料。电火花加工适合于导电材料的加工。因为陶瓷材料是电绝缘体,所以必须采取特殊工艺。一种高压电火花加工方法是在尖电极与平电极间放入绝缘的陶瓷材料工件。两电极间加以直流或交流高电压,使尖电极附近的介质被击穿,发生辉光放电蚀除。另一种加工方法是在薄片陶瓷工件上压放一块薄金属网作为辅助电极,辅助电极和工具电极分别与脉冲电源的正负极相连,并放在油类工作液中,当脉冲电压施加到两极间,便在工具与辅助电极间产生火花放电;当电火花穿过工件上的辅助电极时,由于金属材料的气化喷射或溅射等作用使陶瓷零件表面导电,加工得以持续。还有一种加工方法是在陶瓷的表面涂覆导电材料进行电火花加工。电火花加工仍面临加工效率低、加工表面质量难以保证等问题,这些有待于进一步的研究。 3特种加工辅助车磨削技术 车磨削加工的效率相对较高,但其对工具的要求非常高,而且陶瓷材料的表面质量难以保证,对于成形陶瓷零件的加工也较难。为了提高陶瓷材料的加工精度以及加工范围,在车磨削加工中引入特种加工技术将会同时获得较高的加工效率和表面质量。 超声磨削加工,是在磨削加工的同时,对工具或工件施加超声频率振动,充分利用超声波的高频振动和空化作用去除材料,超声磨削加工方式较适用于陶瓷材料的加工,其加工效率随着材料脆性的增大而逐渐提高。超声磨削技术可以明显降低磨削温度、增加砂轮使用寿命、提高加工精度和表面质量。 激光辅助车削技术是将激光照射到刀具附近的陶瓷材料,在车削陶瓷材料的过程中,材料剪切区域因激光产生高温软化,减小了陶瓷材料的切削阻力,增加了陶瓷材料的加工延性,从而达到了陶瓷材料的高效延性加工。 在线电解磨削技术是将电解技术引入到磨削过程中,通过连续有限量的电解作用来蚀除砂轮表面的金属结合剂从而对砂轮进行修整以达到微粉磨粒不断出露的目的。在线电解技术是日本理化研究所研究的成果,加工陶瓷材料可以达到超精密加工的水平。 4结论 陶瓷材料在高技术领域中应用的广泛性促进了其加工技术的研究。陶瓷材料硬度高脆性大,采用传统的车磨削技术进行加工难度比较大,而特种加工技术效率低成本高,所以采用传统的车磨削技术与特种加工技术相结合的方法将是以后陶瓷加工技术研究的趋势。 陶瓷材料论文:口腔陶瓷材料与口腔金属材料摩擦性能比较及影响因素评价 【摘 要】 目的:对口腔陶瓷材料与口腔金属材料摩擦性能比较及影响因素评价进行分析。方法:资料随机选自2011年6月~2013年6月在我院进行口腔修复的患者94例,将患者按照随机数字表方法分为两组,每组47例,对照组给予陶瓷材料修复,研究组给予金属材料修复,分析患者的临床治疗效果、临床指标和不良反应情况。结果:经过不同的方案治疗后,两组患者的修复效果比较研究组优于对照组,比较差异具有统计学意义(P 【关键词】 口腔陶瓷材料;口腔金属材料;摩擦性能 牙齿若发生严重磨损,将会造成牙周组织、口颌肌肉组织、牙体组织损伤,因而需要及时进行口腔修复[1]。本文主要对口腔陶瓷材料与口腔金属材料的摩擦性能比较及影响因素评价进行分析。报告如下。 1 资料与方法 1.1 一般资料 资料随机选自2011年6月~2013年6月在我院进行口腔修复的患者94例,将患者按照随机数字表方法分为两组,每组47例。其中,对照组男女比例为24∶23;年龄19~56岁,平均年龄(37±17.26)岁。研究组男女比例为26∶21;年龄20~54岁,平均年龄(37±16.38)岁。所有患者的牙齿均曾出现大面积缺损,相关影像学检查结果显示其均不存在牙根、牙周松动、增宽变性等症状。两组患者的性别、年龄等一般资料无明显差异(P 0.05),具有可比性。 1.2 材料及设备 所有患者均选用口腔陶瓷材料与口腔金属材料。其中,口腔陶瓷材料选用的是釉质瓷,而金属材料选用的是合金类材料。选用的设备为铸造机、全瓷机、研磨仪、注塑机、激光点焊机、烤瓷炉、金沉积仪[2]。 1.3 修复方法 研究组患者长期用金属材料修复,对照组患者采用陶瓷材料修复。修复方法为:先搜集患者的病史,然后仔细检查口腔颌面的状况,做出初步的诊断。在复制患者口颌组织的形态模型时,应结合检查的结果,在模型上进行设计和诊断,并采用不同材料来制作修复体。在修复体达到相应的要求时,便可以在患者口腔内进行调试和安装,并指导患者定期复诊,以维护修复体[3]。 1.4 评价标准 所有患者修复3~9个月后,进行术后回访,根据评价指标统计数据。评价指标为:修复牙根纵裂;修复体变形;修复体脱落松动;修复牙齿破裂;其他包括牙周炎、出血、牙龈等。若出现以上一种情况,就可判定为修复失败。 1.5 观察标准 观察并统计两组患者的修复效果,随访3~9个月后,统计患者有无出现牙齿松动、脱落等情况。 1.6 统计学处理 所有数据均用SPSS 18.0软件包进行统计分析与处理,一般资料用均数±标准差表示(x±s),计量资料采用t检验,计数资料采用χ2检验,以P 2 结 果 3个月后,研究组患者的成功率为95.8%,失败率为4.2%;对照组患者的成功率为76.6%,失败率为23.4%。9个月后,研究组患者的成功率为87.2%,失败率为12.8%;对照组患者的成功率为68.1%,失败率为31.9%,研究组优于对照组,比较差异具统计学意义(P 表1 两组的临床治疗效果情况(n/%) 3 讨 论 目前,修复牙齿的材料主要有口腔树脂材料、口腔金属材料以及口腔陶瓷材料,不同的修复材料对牙齿产生的磨损情况以及摩擦性能也具有各自的特点。口腔修复材料可以替代天然牙齿咀嚼和咬合的功能,越来越多的口腔材料被广泛运用到临床实践中。根据患者的情况,选择合适的修复材料,同时还要考虑材料的摩擦性能,因其摩擦性能会直接影响到齿修复的效果、功能、使用寿命[4]。 在口腔修复过程中,常见磨损类型有黏着磨损、服饰磨损、疲劳磨损以及磨料磨损,因而选用的修复材料和抗摩擦性能很重要,它决定着口腔修复的效果。 由于陶瓷材料的挠曲强度和硬度相对较高,牙釉质的磨损量会随着陶瓷材料的粗糙程度增加而增大,加重原有牙齿的磨损,而金属材料的摩擦性能与天然牙摩擦性能接近,不易被天然牙磨损,是与天然牙匹配较好的生物材料[5]。口腔修复体在口腔内行使的功能较长,磨损相对就会越大,目前评价口腔修复材料的标准不同,影响耐磨性能的因素有很多,如何选择合适的修复材料来防止牙齿磨损,需要进一步研究,以设计有效、耐磨、合理的口腔修复材料。 本次研究表明,经过不同的方案治疗后,研究组3个月后的成功率为95.8%,失败率为4.2%;对照组的成功率为76.6%,失败率为23.4%。研究组9个月后的成功率为87.2%,失败率为12.8%;对照组成功率为68.1%,失败率为31.9%,研究组优于对照组,比较差异具有统计学意义(P 综上所述,不同的口腔修复材料产生的磨损程度不同,金属材料制成的人工牙比陶瓷牙好,再结合患者的具体情况,选用合适的修复材料,有助于延长修复材料的使用寿命,从而达到最佳的修复效果,值得在临床推广应用。 陶瓷材料论文:氧化锆陶瓷材料的抗热震性能分析 摘要:本文通过分析氧化锆陶瓷材料热膨胀性和相变特征,重点讨论了利用相变提高氧化锆材料抗热震性能的方法,对改善材料抗热震性的途径进行了探讨。 关键词:氧化锆 ,陶瓷,热震能,膨胀性 ,相变特征 1引言 陶瓷材料中热应力大小取决于材料的力学性能和热学性能,并且还受构件几何形状和环境介质等因素的影响。所以,作为陶瓷材料抵抗温度变化能力大小标志的抗热震性,也必将是其力学性能和热学性能对应于各种受热条件的综合表现。陶瓷材料抗热震能力的研究始于20世纪50年代,迄今已经提出了多种抗震性的评价理论,但都不同程度地存在着局限性和片面性。 2氧化锆陶瓷材料抗热震性的理论分析 陶瓷材料的热震破坏分为热冲击作用下的瞬间断裂和热冲击循环作用下的开裂、剥落。据此,脆性陶瓷材料抗热震性的评价理论也相应分为两点观点。一种是基于热弹性理论。它是指材料固有强度不足以抵抗热震温差引起的热应力时就导致材料“热震断裂”。根据这一理论,陶瓷材料同时具有高的强度、热导率和低的热膨胀系数、杨氏弹性模量、泊松比、热辐射系数及黏度,才能具有高的抗热震断裂的能力。此外,适度降低材料密度和热容也有利于改善陶瓷材料的抗热震性能。 另一种是基于断裂力学的概念,即材料中的热弹性应变能足以裂纹成核和扩展而新生表面所需的能量时,裂纹就形成并扩展,从而导致材料热震损伤。根据这一理论抗热震损伤性能好的材料应该具有尽可能高的弹性模量和尽可能低的强度。不难看出,这些要求与高抗热震断裂能力的要求截然相反。此外,增大陶瓷材料的断裂能、改善材料的断裂韧性,对提高其抗热震损伤能力显然是有益的。再有,适量微裂纹存在也将有助于改善抗热震损伤性能,例如气孔率为10%~20%的非致密陶瓷中,热扩展裂纹形成往往受到气孔的抵制,气孔的存在起着钝化裂纹、减小应力集中的作用。相反,致密性高的陶瓷在热震作用下则易于炸裂。 氧化锆陶瓷材料具有突出的常温力学性能,它熔点高、热稳定性和化学稳定性好。因而,它又常常在高温条件下使用,从而它的抗热震性性能又是衡量其性能的重要指标。氧化锆具有一些特殊的性质,如氧化锆可以单料、四方和立方三种晶型同时存在以及它的特殊相变特性,我们可以利用这些特性来优化它的热膨胀行为,提高其抗热震性能。 氧化锆的抗热震指标:材料的各种热学性能(如热导率、热膨胀系数等)、力学性能(如强度、弹性模量、断裂韧性和断裂能等)对陶瓷材料的抗热震性能都有影响,现在多数研究人员研究它的热膨胀性和相变特性来提高其抗热震性能。 3氧化锆陶瓷材料的热膨胀性 材料受热或冷却会发生热膨胀或收缩,这样就会在材料内部产生热应力。当材料中的晶相有可逆多型转变而伴随有大的体积改变时,将产生大的热应力。纯ZrO2就是具有这种特性的陶瓷系统的典型例子。ZrO2晶型转变温度大约为1000℃;当加热到约1100℃时,它从单斜相转为四方相(高温稳定相),反之亦然。这两种多型变体的密度相差很大。因此相转变时体积变化达0.6%或更大(线度方面)。于是产生很大的应力,并出现开裂。特别是冷却时产生的张应力更是如此。还有一种情况是,因为材料形状或传热特性,使其中的温度分布不均匀(即产生温度梯度)时产生应力。热膨胀行为是影响材料抗热震性极其重要的因素。根据热膨胀理论可对材料的热膨胀行为进行设计和调整,特别是对氧化锆的热膨胀系数的大小和稳定剂有种类以及添加量有一定的关系。这对考察它的抗热震性有重要的意义。 单斜氧化锆的热膨胀系数小,其膨胀有显著的各向导性,且存在相变问题。立方氧化锆的热膨胀系数大,并且随温度的增加而增加,因而由它构成的材料抗热震性较差。 4氧化锆陶瓷材料的相变特征 氧化锆陶瓷中较典型的马氏体相变为ZrO2中正方相单斜相(tm)转变。它是通过无扩散剪切变形实现的,因此被认为以属于马氏相变类型的固态相变,它具有以下特征。 ①无热相变。在给定温度下,相变与时间无关。 ②热滞现象。相变发生在一定范围内,单斜相转变为四方相为1170℃,而四方转变为单斜式温度在850~1000℃,相变滞后约200℃。 ③相变伴随3%~5%的体积效应和相当的剪切形变。由t-ZrO2相变成m-ZrO2体积膨胀,反之收缩。 ④相变无扩散反应发生,由于相变是瞬间完成,快于裂纹的速度,这样可以使用相变阻止裂纹扩展提高陶瓷材料的韧性,相变的体积效应可以用来缓解热应力,改善材料的抗热震性。 ⑤颗粒尺寸效应,处于一定状态下的颗粒小于某一临界尺寸时,单斜相可保留至室温而不相变。 ⑥添加剂可以抑制相变。在氧化锆中加入MgO、CaO等可以使氧化锆以单斜或立方形式存在。 ⑦相变受应力状态约束影响。处于压应力状态时,tm相变将受到抑制,反之则有利于相变。 一定温度范围内,氧化锆陶瓷的相变体积效应与膨胀效应相反,因而可以用改变氧化锆的固溶组成、受力状态和颗粒粒径及分布调整相变量和相变温度范围,来改善材料的热膨胀行为。虽不能由纯单斜相氧化锆制成可用陶瓷,但可以利用其热膨胀的各向异性来改善材料的韧性和提高材料的抗热震性能,例如对于耐火材料的抗热震往往依赖于大量气孔的存在。气孔的作用如下。 ①容纳一定的膨胀变形,缓解热应力。 ②气孔能在主裂纹尖端区域形成局部的微裂纹网,导致的弹性应变能局部减小保证了裂纹稳定扩展,从而提高材料的抗热震性。 然而气孔的存在往往是我们所不需要的,因而Garvie等提出了用单斜ZrO2多晶设计先进耐火材料的思路和方法。它是以单斜ZrO2多晶取代气孔并起到气孔的作用,所采用的单斜多晶ZrO2(MPZ)平均尺寸13μ m,其中包含有粒径为1~2μ m的微晶,把它们均匀分布在任何惰性脆体基体中,制成了接近理论密度的复合材料。它具有稳定的裂纹扩展特征,使材料的抗热震性能大大的提高。Garvie认为材料性能的改善与氧化锆的相变无关,而是由单斜ZrO2颗粒的各向异性产生热应力在基体中形成潜在的微裂纹所致。利用和控制氧化锆的相变,从宏观上改善材料的热膨胀行为,以有利相变体积效应在材料内形成适量的微裂纹,提高材料的抗热震性。 热处理对陶瓷材料的显微结构,尤其对材料中的应力分布状态有明显的影响。通过热处理促使晶界上残留的玻璃相析品,提高晶界耐火度,是晶界工程中有效提高陶瓷材料高温度的措施之一。另外,经热处理获得所需晶界状态,从而改善陶瓷的传热性能,对提高抗热震性也有重要意义。退火处理不仅能够有效的消除陶瓷材料中的内应力,而且能松弛材料中裂纹尖端附近的集中应力,减弱应力场强度因子,增加了脆断阻力,减少了热震破坏的动力,因而退火热处理还有使表面的微裂纹愈合的作用。采用合理的烧结工艺和合适的热处理工艺也是提高陶瓷材料抗热震的有效途径。但这方面的研究报道甚少。 材料的抗震性与材料的物理性能密切相关,对于选定的材质,其物理性能已经确定,我们可以根据其具体特点,通过工艺的人优化调整,提高材料的抗热震性能。对于氧化锆材料,利用相变特征来改善材料的抗热震性能还有很多工作要做。 5结束语 针对以上情况,我们还有必要对氧化锆陶瓷材料的抗热震性现象进行进一步的研究,从而为寻找合适的抗热震性措施提供理论依据。对现有的抗热震性工艺进行发展和完善,做到优化现有工艺,降低生产成本,并开发新的抗热震性工艺。 陶瓷材料论文:浅析陶瓷材料在产品设计中的运用 摘要:本文是在对陶瓷材料基本性能与美学含义进行简要概述的基础上,阐释他在现今产品设计中的重要地位,以及在未来产品设计中的发展方向与应用价值,并结合上述信息提出陶瓷产品开发与设计的过程中所应具备的民族性和地域性特征。 关键词: 陶瓷 产品 工艺 民族化 陶瓷是我们所熟知的材料,我们通常所了解的多为艺术陶瓷,它主要体现在美学意义及欣赏价值上。陶瓷的制作生产一直是由艺术家、艺人和专业工匠等为主进行设计,以手工化生产为特点。随着科学技术水平的提高,人们消费需求内容也呈多元化趋势发展,陶瓷这种被我国人民视为国粹的材料被赋予了更为宽广的设计语言,陶瓷的设计制作已不仅仅是体现在对传统陶瓷技艺上的复制与模仿,而且对其所体现出来的功能价值、应用价值及美学价值有着更为深刻的期待与要求,这既是对传统精神的继承又是在与时俱进的时代意义上的扩展。因此,陶瓷产品这种符合目的的,实用的并具有美感的产品系统设计,越来越为设计师、工程师所重视,在不断的开发与研究中以新的理念诠释着它的重要意义。 一、陶瓷产品在造型上所体现的视觉语言 陶瓷产品有其自身独特有的艺术特点,体现在造型上具有以下两个方面的表现形式,这两种形式具有同一性和关联性。他们包括,第一,陶瓷产品的造型设计是在满足人们内在物质生活需求基础上所进行的功能性、实用性设计,具有现实的意义;第二,陶瓷产品要注重对其形式美感的追求,在满足人们物质生活的基础上同时满足人们精神上、审美上的需求,具有内在的含义。这两种表现形式是在结合功能作用、工艺材料、工艺技术和艺术处理的基础上相互作用的结果。 因此,无论这种陶瓷产品是日用工具还是陈设器具,它都不是单纯的人为产品,而是在进行良好的造型表现的基础上对其精神内涵的所传达出来的外在表现。它不但具有实用价值的因素还有形式美法则所体现的美学特征,这种特征主要包括和谐、平衡、韵律、力度、风格等几个方面。这些美学特征融会贯通、相辅相成的体现在陶瓷产品中,任何一个都不可能完全孤立的存在。基于这样的特点,设计者在对陶瓷产品进行设计时,就不但要充分的理解它的物理特征、化学特性还要对它的形式美法则作为提升它精神高度的重要标杆,实现其美学意义。 二、陶瓷产品的加工工艺方法概述 陶瓷产品的设计与生产是一个复杂而又完善的体系,它的构思、设计、制作、生产都区别于传统手工业生产的陶瓷制作。陶瓷产品是用泥类,经粉碎后和水混合成的可塑性很好的泥团,用这种泥团做成的器形,再放入窑中烧制后的产品称为陶瓷。在开发新产品的过程中选择陶瓷的成型方法是确定生产工艺路线中非常关键的一步。其中最根本的是对陶瓷产品的产量、品质要求、材料性能以及经济效益等因素的综合考虑。一般情况下,结构简单的陶瓷产品可以采用的工艺成型方法为滚压法和旋压法。大件的或薄壁的陶瓷产品可采用注浆法,如果产品尺寸规格要求高就用压制法,产品尺寸规格要求不高时,用注浆法或手工刻塑成型就可以了,这种成型方法易于操作、条件好、便于前后程序的连动化。一般在陶瓷产品的制作过程中最为常用的加工成型主要以注浆法为主。注浆法的基本过程大致分为三个阶段,首先,从泥浆注入石膏模直至形成薄泥层,这是第一阶段。接下来,在形成薄泥层后,泥层渐厚形成注件,这是第二阶段。最后雏培形成后至脱模为收尾阶段。这种方法对产品设计成型的使用度较高,是陶瓷产品制作过程中常用的一种方法。 三、陶瓷在未来的发展方向与应用价值 陶瓷材料具有原料丰富,色泽亮丽,成形方便,耐酸耐碱且容易洗涤的特点,他不但清洁卫生,还会经久不变。所以,基于以上特征陶瓷产品在功能上主要以日用陶瓷(茶具,餐具等)设计;卫生洁具设计;建筑陶瓷设计;艺术瓷设计(陈设器具等)为主。但是随着时代的发展陶瓷功能也得到进一步的扩大,例如:瑞士雷达表已选用超前的材料――精细陶瓷,其抗断力和拉伸力极高且具有完满无瑕的外表和舒服亲肤的特质。碳玻璃陶瓷在制作高温化学反应堆、用于异常条件下的气体动力、轴承、有色金属铸罐的零件方面是不可替代的。还有如日本生产制造的陶瓷刀,用陶瓷菜刀切食物不会留下讨厌的铁腥味和铁锈,特别适宜于切生吃的食物和熟食;陶瓷剪刀由于不带磁性,特别适宜于剪接录音磁带和录像磁带,它的品质大大优于钢制剪刀,不生锈,十分锋利,被人们称赞为永不卷刃。除此之外,陶瓷还应用于太阳能电池、电容器、集成电路、催化剂载体、碳纤维和人体骨骼等方面对机械、能源、电子、信息、汽车、太空活动等领域做出巨大的贡献。经过研究,先进的高科技陶瓷,不易磨损,轻巧耐磨,抗酸抗碱,并能忍受高温。陶瓷这种材料被时代赋予更多和含义,应用的范围日益广泛,同时也创造着更大的价值。 另外,陶瓷产品的创新设计也应有更加深刻的理解,这种创新设计主要包括两个方面的内容:一是艺术设计上的创新,另一个则是制作工艺上的创新,即运用现有的制作工艺创作出有新意的产品。虽然陶瓷制品的用途不同,生产工艺不同,设计特点和装饰手法也有差异,但任何陶瓷产品都需要艺术设计的表现。然而陶瓷行业的模仿与跟风的现象却是影响创新设计的重要原因,这一原因同时造成了大量的产品同质化。 为了解决这样的问题,要求设计者在陶瓷设计在中体现“中国风”,将设计民族化、地域化,这一点十分重要了,如素来以温柔婉约为特质的青花瓷,如今被设计师们用来创作极具力量感的设计作品,中的手枪让作品不再带有那么冷冰冰的恐惧,且更具有趣味性。民族的才是世界的,中国陶瓷文明源远流长,陶瓷文化底蕴深厚,只要我们的企业愿意在挖掘民族特色上下功夫,我们的国际化,我们的国际竞争,将不仅仅只是融入国际大潮中,更会在国际上市场上占据一席之地,甚至引导国际潮流。这将是我国陶瓷产品设计、陶瓷产业的奋斗目标。 总结: 陶瓷是科学和艺术的综合产物,既受到科学的制约,又要具有一定的艺术形式,即达到科学与艺术的统一。又由于它是物质产品,具有使用价值和经济价值,能给人以物质和精神的享受,因此创作陶瓷产品必须与实践相结合,方能为人类的物质生活和文化生活服务。我们在深入了解陶瓷加工工艺、艺术特点的基础上要创造出属于中国自己的现代陶瓷产品,让陶瓷产业在我国再续辉煌! 陶瓷材料论文:陶瓷材料膜的现状与前景 摘 要:陶瓷膜又称无机陶瓷膜,是以无机陶瓷材料经特殊工艺制备而形成的非对称膜。陶瓷膜管壁密布微孔,在压力作用下,原料液在膜管内或膜外侧流动,小分子物质(或液体)透过膜,大分子物质(或固体)被膜截留,从而达到分离、浓缩、纯化和环保等目的。 关键词:纳米 陶瓷膜 一、前言 陶瓷材料作为全球材料业的三大支柱之一,在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。但是由于存在脆性(裂纹)、均匀性差、可靠性低、韧性、强度较差等的缺陷,因而使其应用受到了一定的限制。随着纳米技术的广泛应用,纳米陶瓷随之产生,它克服了陶瓷材料的许多不足,并对材料的力学、电学、热学、磁光学等性能产生重要影响,为陶瓷材料的应用开拓了新领域使陶瓷材料跨入了一个新的历史时期。 纳米陶瓷膜便是纳米陶瓷材料的大家庭中的一种,其产生于21世纪初,具有分离效率高、效果稳定、化学稳定性好、耐酸碱、耐有机溶剂、耐菌、耐高温、抗污染、机械强度高、膜再生性能好、分离过程简单、能耗低、操作维护简便、膜使用寿命长等众多优势,并且对GPS信号无任何屏蔽作用。纳米陶瓷隔热膜是21世纪的航天领域高科技产品,该产品起先应用于美国军事、航空、航天领域。 二、正文 1.纳米陶瓷膜简介及研发历史 陶瓷膜技术是膜技术中的翘楚,但20世纪80年达国家已在广泛应用时,中国在此领域却还是一片空白。十几年过去了,依靠自主创新,中国陶瓷膜技术从无到有,不仅打破了国外的封锁与垄断,还达到了国际领先水平。膜是一种高分子化学材料,它有无数个只能用微米甚至纳米计算的小孔,既有分离、浓缩、净化和脱盐功能,又有高效、节能、环保、分子级过滤等特征。膜技术发明之后便广泛运用于食品加工、水质净化、环境治理、制药工业、化工与石油化工等领域,用来实现产品的净化分离。陶瓷膜就是由经过高温烧结的陶瓷材料制成的分离膜。由于具有独特的耐性,其一进入市场便成为膜领域发展最为迅速、也最有发展前景的品种之一。 到1989年底,南京工业大学徐南平院士才开始了在陶瓷膜领域的艰难探索。经过二十多年的不懈奋斗与努力,中国在陶瓷膜领域不仅打破了西方的封锁与垄断,而且依靠自主创新达到了国际先进水平。 2.纳米陶瓷膜特征与原理 相较于传统聚合物分离膜材料,陶瓷膜具有化学稳定性好,能耐酸、耐碱、耐有机溶剂;机械强度大,可反向冲洗;抗微生物能力强;耐高温;孔径分布窄、分离效率高等优点,在食品工业、生物工程、环境工程、化学工业、石油化工、冶金工业等领域得到了广泛的应用,其市场销售额以30%的年增长率发展着。陶瓷膜的不足之处在于造价较高、无机材料脆性大、弹性小、给膜的成型加工及组件装备带来一定的困难。 陶瓷膜分离工艺是一种“错流过滤”形式的流体分离过程:原料液在膜管内高速流动,在压力驱动下含小分子组分的澄清渗透液沿与之垂直方向向外透过膜,含大分子组分的混浊浓缩液被膜截留,从而使流体达到分离、浓缩、纯化的目的。 陶瓷膜是由孔隙率30%~50%、孔径50nm~15μm的陶瓷载体,采用溶胶-凝胶法或其它工艺制作而成的非对称复合膜。用于分离的陶瓷膜的结构通常为三明治式的:支撑层(又称载体层)、过渡层(又称中间层)、膜层(又称分离层)。其中支撑层的孔径一般为1~20μm,孔隙率为30%~65%,其作用是增加膜的机械强度;中间层的孔径比支撑层的孔径小,其作用是防止膜层制备过程中颗粒向多孔支撑层的渗透,厚度约为20~60μm,孔隙率为30%~40%;膜层具有分离功能,孔径从0.8nm~1μm不等,厚度约为3~10μm,孔隙率为40%~55%。整个膜的孔径分布由支撑层到膜层逐渐减小,形成不对称的结构分布。 陶瓷膜根据孔径可分为微滤(孔径大于50nm)、超滤(孔径2~50nm)、纳滤(孔径小于2nm)等种类。进行分离时,在外力的作用下,小分子物质透过膜,大分子物质被膜截留,从而达到分离、浓缩、纯化、去杂、除菌等目的。 3.纳米陶瓷膜的优势 陶瓷隔热膜系是由导电性物质氮氧化物组成,具有独特的分子结构,是一种性能独特并持久耐用的复合陶瓷膜结构。因而其具有阻隔红外线、分离效率高、效果稳定、化学稳定性好、耐酸碱、耐有机溶剂、耐菌、耐高温、抗污染、机械强度高、膜再生性能好、分离过程简单、能耗低、操作维护简便、膜使用寿命长、隔热性能好,质量稳定等众多优势,并且对GPS信号无任何屏蔽作用。能够保持最高的可见光透射率的同时,又能提供最高的红外线和远红外线的反射。 4.纳米陶瓷膜的研究现状 纳米陶瓷膜目前主要采用纳米材料淀积技术,与PET表面涂布纳米陶瓷有所不同,它是将纳米陶瓷材料混合到PET基材颗粒,从而提高产品性能,使其达到前所未有的稳定。在金属膜的技术上通过纳米陶瓷技术,采用先进的真空磁控溅射工艺,用精微的纳米状陶瓷物质来制造,从而使产品对光进行智能滤光筛选,最大限度阻隔热量,性能大大优于单纯金属薄膜。此外,纳米陶瓷膜的生产还采用了高隔热低反光技术,一方面可以使薄膜有效隔热率超过90%,提高室内舒适度和节省能源;另一方面却没有增加薄膜的反光。通常提高隔热能力的同时,总是要加强隔热膜的反光,这样会使得室内可见光大量损失,并且使得通信信号大幅减弱;强烈的内反光极易干扰视线,引起视觉疲劳。 5.纳米陶瓷膜的应用前景 随着现代科学技术的发展和生活水平的提高,人们越来越重视节能和环。建筑物门窗玻璃、顶棚玻璃、汽车玻璃和船舰玻璃对可见光的透过性有较高的要求,但在满足采光需要而使可见光透过的同时,太阳光的热量也随之传递。因此,对室内温度和空调制冷能耗产生一定程度的影响。在夏季这种影响特别显著,透过玻璃窗进入室内的太阳能量加大的了空调的载荷。通常空调的设定温度与负荷具有如下关系:设定的制冷温度提高2℃,制冷电力负荷将减少约20%;设定的制热温度调低2℃,制热电力负荷将减少约30%。为了节约能源,人们采用了金属镀膜热反射玻璃和各种热反射贴膜,用以反射部分太阳光中的能量,从而达到隔热降温的目的。但是,这种做法对产品的应用构成影响,要么达不到预定的效果,要么加大了制作工艺成本。纳米陶瓷膜出现,为透明隔热问题的解决提供了新的途径,具有广阔的应用前景及市场价值。目前在国内,研发应用此产品已经引起了不少公司的关注。 三、结论 近几十年来,陶瓷材料的应用及发展是非常迅速的,陶瓷材料作为继金属材料、高分子材料后最有潜力的发展材料之一,它在各方面的综合性能明显优于现在使用的金属材料和高分子材料。陶瓷材料的应用前景还是相当广阔的,尤其是能源、信息、空间技术和计算机技术的快速发展,更加拉动了具有特殊性能材料的应用。相信在不久的将来,陶瓷材料会有更好、更快的发展,展示出其重要的应用价值,为人类的文明发展做出重要贡献。 陶瓷材料论文:陶瓷材料在镜子裱框装饰中的运用 摘 要:在人类文明发展的长河中,镜子自问世以来就没有离开过我们的生活。经过科技的进步,镜子不但在满足人们生活需要的同时,其镜子裱框装饰也越来越多元化,这首先表现在材质的选择上。陶瓷材料的优越性在镜子裱框装饰的选用中发挥了独特的艺术魅力。 关键词:镜子;陶瓷材料;镜子裱框装饰;陶瓷工艺 镜子是人们日常生活中最不能缺少之物,追溯到古代,早在3200多年前的殷商时代就有了真正的镜子,那时常用青铜铸造方式制成古代鉴容用具,正面以光素,以利取照,背面常有装饰。经过战国、汉、唐宋等各时代对铜镜的发展,我国古人在制镜材料上也有了新的尝试,秦时的金镜、汉代的铁镜、晋时的银华镜等,直到清代以后才出现了玻璃镜。这些制镜的材料都是比较贵重的金属,古人们将其与金银首饰归属为一类,作为小件器物来装饰室内空间。在国外,镜子也同样有着悠久的历史,从以钢和水晶石为材质到利用水银和银箔的化学反应而产生映像效果的镜子,也经历了一个漫长的时期。到了现代,随着科技进步,玻璃镜的出现很快成为一种时髦的饰物,深受人们欢迎。经过漫长的探索,在解决玻璃镜的生产成本、清晰度和耐腐蚀等性能后,加之人们审美意识的提高,人们越来越意识到,镜子不但要满足我们生活的需要,更要满足于我们的审美需要,由此产生的玻璃镜装饰也越来越受到设计师们的关注,其装饰手法和材质选择也越来越广泛,各种材质的镜框装饰层出不穷,常见的有木质、石质、不锈钢、塑料及综合材料等,唯独陶瓷材质运用在镜子裱框装饰中还为之甚少。 《简明不列颠百科全书》的“设计”条目中谈到了设计在客观上所受到的制约因素:“产品的设计首先指准备制成成品的部件之间的关系,这种设计通常要受到四种因素的限制:材料的性能、材料加工方法所起的作用、整体上各部件的紧密结合、整体对于观赏者、使用者或受其影响者所产生的效果。”不难看出,材料的选择是设计表达的最关键因素,现代设计在相当大的程度上依赖于实用功能、材料、结构、经济、科技、环境、信息等大多非艺术、非审美的因素。除去产品的实用性功能外,选择什么样的材料来装饰产品则显得尤为重要。 如果说地球上有某类物质,其自然资源极为丰富,与人类物质生活和精神生活的关系特别密切,非陶瓷莫属。那么将陶瓷这一被视为不同时期人类社会现实生活的写照般珍贵的物质融入镜框装饰的设计中又是一种怎样的探索和尝试呢?陶瓷材料有粗质和细质之分,但无论哪种类型的瓷土都具有可塑性和可转换性,即可以在外力的作用下发生形态的变化,经过煅烧后可以发生质的变化,转化成具有耐高温、耐腐蚀等性能的、质地坚硬的人造器物。并且,就陶瓷材料的质地而言,其瓷胎和釉质的光泽度、透明度和滋润感则表现为胎质美、釉色美、瓷声美。通常所谓的“白如玉,薄如纸,明如镜,声如磬”便概括了瓷器质地所独有的特点。陶瓷艺术是一种独特的工艺美术,其独特性在于它是科学技术与造型艺术的统一;他既是物质产品,也是精神产品;既是艺术品,也是商品。镜框装饰既可以说是艺术品也可以说是商品,这是因为在设计镜框的过程中,设计者利用多种装饰技法,以陶瓷材料为媒介,结合创作者的审美想象将艺术以物的形式融入大众生活当中,并以美的形式诉诸人们的感官,陶冶人们的情操,又满足人们的实际生活需要。在我看来,陶瓷除了具有上述特性外,更具有物质和文化双重功能,其材料的物质功能要优越于平时我们常见的镜框装饰材料:铜、铁、铝等金属,表现为具有一定的耐酸、碱、盐等的侵蚀能力,不会与这些物质发生化学反应而生锈、变质和老化;也不会像木质材料那样容易开裂、腐烂或虫蛀等;比起塑料,更不是一个等级上可以比拟的。从陶瓷的文化性来说,人类制陶的历史,就是人类关爱自身、大众及社会的历史。同时还具有象征性,依附于一定形式的隐喻或寓意,就陶瓷镜框装饰的设计而言,这种隐喻或寓意通过形态、色彩、纹饰和釉色等形式反映出来,显露出一定的社会历史内容,象征或代表某一阶层、团体或个人的价值观、情怀与理念、等级、拥有的财富的程度等。并且通过人们巧妙地运用陶瓷材料的结构形态、色彩空间肌理和表层装饰诸方面的因素,通过对镜子的使用种类和呈现类型而展现出陶瓷独特的美。 此外,对陶瓷镜框装饰的设计还与其工艺制作流程也密不可分,从某种程度来说,镜子裱框装饰若作为满足生活之物,那么他就是产品,但当它与镜子结合作为整体被独立欣赏时又可以称其为艺术品,所以,在生产工艺上不得不遵循经济原则,考虑生产成本、便于可操作性和减少劳动时间、提高工作效率等方面。相比其他材料特性而言,陶瓷的生产更具可复制性,对生产的产量化、产品化的可能性更大,而且其制作工艺简洁,周期也比较短,由此可以通过翻模复制等方式运用到镜框的批量生产中,使其产量化,从而降低了成本,又贴近了生活,满足了大众审美的需要。 有的人认为现代生活质量的优化和物质、精神需求的提高,使得奢华、奢侈型设计产品有了发展趋势,他们是不需要计较经济因素的。而更多的人则坚持设计的大众化方向,认为与大工业机器生产相联系的现代设计在本质上是为大多数人服务的,后者的意见应当说是更为合理的。陶瓷雕塑镜框产品,若是为了满足大众生活和审美的需要而服务的,那么就要考虑经济核算问题,考虑原材料费用,生产成本,产品价格,运输、储藏、展示、推销等费用的合理,在一般情况下力求以最小的成本获得最适用、优质、美观的设计。陶瓷材料的选择和它的工艺制作流程就是在严格遵循经济原则的情况下对镜子裱框装饰材料的选择和运用上做出的尝试和探索。 镜子是千变万化的“魔术师”,其镜子与裱框装饰相结合,更能体现人们对高品质生活的追求,在此为目标的基础上,只要我们努力探索,敢于创新,就可以使其变幻出多种艺术效果,从而丰富我们的生活,陶冶我们的审美情操,更能让艺术不再高高在上,贴近大众生活。
材料化学论文:高分子材料与工程专业高分子化学实验教学体系的构建与成效 摘要:概述了目前国内高校高分子材料与工程专业高分子化学实验教学存在的共性问题和关键问题。提出了高分子材料与工程专业高分子化学实验课程由基础技能实验,综合设计实验,研究创新实验三个模块组成的新教学体系,并在每个模块中引入一些综合性和应用性的实验教学内容。实践证明所构建的实验教学体系在培养学生的创新意识、应用与实践能力方面起到了较好的效果。 关键词:高分子材料;高分子化学;实验教学 高分子化学实验是高分子化学课程教学的一种最有效的实践教学形式,它可以帮助和促进学生课堂理论知识的学习与消化,建立和巩固高分子化学基本概念和理论,获取高分子化学知识,培养科学素质和操作技能。我国著名化学家戴安邦指出:“只传授化学知识和技术的化学教育是片面的,全面的化学教育要求既传授化学知识和技巧,又训练科学方法与思维,还培养科学精神和品德,学生在化学实验中是学习的主体,在教师指导下进行实验,训练用实验解决化学问题,使各项智力皆得到发展”。这番话指出了开设化学实验课的深刻内涵和重要价值。2004年国家教育部颁布的《普通高等学校本科教学工作水平评估方案》在评估指标的二级指标“实践教学”中,从“实践教学内容与体系,综合性、设计性实验课的比例及效果,实验室开放”三个方面明确了实践教学改革和发展的方向。近几年高校的化学类实验教学改革取得了令人瞩目的成果。高分子材料科学与工程专业是很多高校在近年来新开设的专业,在实验教学与改革方面的成果积累较少,尤其高分子化学实验教学采用陈旧的教学内容和教学方法依然居多。通过调研发现,目前国内高校高分子材料科学与工程专业的高分子化学实验教学依然不同程度地存在一些问题。 一、高分子化学实验教学现状剖析 1.实验教学体系和内容欠争理 多数的实验教学附属于理论教学,没有单独设课和单独考核,实验课时相对较少虽然有些高校高分子化学实验已经独立设课,但仅作为考查课。实验教学内容中传统的、陈旧的实验较多,而体现现代科学技术发展成果的实验很少认知性、验证性实验所占的比理偏高,培养学生创新能力的综合性、设计性、应用性和创新性的实验偏少,而且实验环节偏重于理论,突出高分子材料应用性特点的实验太少,不利于培养学生的工程观念。 2.实验教学方法单一 学生按照实验讲义预习,然后进实验室。实验前教师把实验目的、实验原理、仪器使用方法、测试方法、实验步骤和数据记录表格及数据处理方法等进行详细的集中讲解。学生只需按教师指导的过程按部就班或者依照讲义“照方抓药”,就可以完成一个实验。一部分学生糊里糊涂地来到实验室,只动手不动脑地完成实验,然后又迷迷糊糊地离开实验室。实验的现象和结果没有给他们留下太深的印象,对学生观察能力、分析问题和解决问题的能力以及创新意识的培养都很不够。这种统一模式、统一要求、齐步走的教学方法,一方面造成了学生对教师的过分依赖,另一方面抑制了学生个性思维的发展和创新能力的培养。 3.实验嫩学手段落后 在现代信息技术迅速发展的今天,虽然网络技术、多媒体技术等现代教学技术在理论教学中得到了普遍应用,但虚拟、仿真等实验技术手段未能在实验教学中推广应用。这样对于一些耗费过高、时间过长、毒性过大、危险性过高的实验,只能最低限度地开设,且开设过程中费用大和危险性高,导致学生对此类重要实验缺乏足够的认知和感受的机会。 二、新教学模块的实践性探索与成效 针对目前国内高校高分子材料科学与工程专业高分子化学实验教学中存在的一些问题,借鉴其他化学实验教学改革的优秀成果,提出了基础技能实验、综合设计实验、研究创新型实验的三个高分子化学实验教学模块体系,并在每个模块中结合常熟理工学院教师的科研成果引入_些新的实验教学内容,采用开放式实验教学方法。通过实验教学实践发现新的体系和教学方法在培养学生的创新意识和工程实践能力方面起到了较好的效果。 1.基础技能实验教学模块 基础技能实验模块构建的目的着重建立高分子化学实验与相关基础理论知识之间的有机联系。培养学生的实验安全意识、清洁卫生习惯和严谨的实验态度。训练学生掌握熟练规范的实验操作技能和技巧,为后续的实验教学模块的实施打下良好的基础。 基础技能实验模块的教学内容设计在课时总量的40%~50%为宜,课时数约30学时,开设8~10个实验。教学内容设计涉及到高分子化学反应机理,如自由基、阴离子,阳离子等连锁反应机理,缩聚、基团转移聚合等逐步反应机理,开环聚合反应机理等。在实验实施方法方面涉及到本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合、乳液聚合、熔融缩聚、界面缩聚等。如设计膨胀计发测定苯乙烯本体聚合动力学实验,让学生直观感受到了诱导期概念、聚合过程体积减小的现象以及聚合物溶液的粘性特征等非常重要的高分子化学理论知识。设计过硫酸钾引发甲基丙烯酸甲酯自乳化聚合实验,除让学生明确了乳液聚合的基本原理外,还了解到了聚合物大分子链端基的重要作用。设计己二酰氯和己二胺界面缩聚实验,让学生深入理解了界面缩聚的概念和聚合物的可纺成纤性能等主要高分子知识。通过设计一些自由基、阴离子、阳离子等连锁反应机理的实验,使学生进一步掌握了活性中心的概念,同时在实验过程中认知了这些引发剂的活性、安全使用和贮存事项。 2.综合设计实验教学模块 综合设计实验教学模块旨在培养学生较强的实际动手能力,自主设计和分析解决问题的能力。本实验模块是实验教学的较高层次,注重学生实验的自主设计性和综合性。 教学内容设计在课时总量的20%~25%为宜,课时数约15学时,开设2~3个实验。本教学模块的特点之一是实验内容的综合性,可以将同一门课的几个实验,或者是几门课的实验组合在一起,形成一个大实验。本教学模块的特点之二是实验方案的灵活性和设计性,侧重培养学生的自主实验和学习的意识和良好习惯。例如关于高分子合成实验先确定好采用的聚合机理和聚合方法,在原材料配方组成、引发剂种类及用量、合成温度等工艺条件方面给出一个大致的框架,然后让学生在所给的框架内进行自行设计和实施实验。譬如悬浮法制备聚苯乙烯珠粒实验,水的用量范围为苯乙烯质量的100%~200%、分散剂为磷酸钙或聚乙烯醇两种、引发剂过氧化二苯甲酰用量为苯乙烯质量的0.2%~1.0%、反应温度设定在75℃~85℃范围等。学生通过自行设计的方案实施实验获得了不同的实验结果,通过对不同组之间实验结果的综合分析,找到了影响悬浮法制备聚苯乙烯珠粒的一些因素,激发了学生动手实验的兴趣,发挥了学生自主实验和学习的主观能动性。 3.研究创新实验教学模块 设置研究创新实验教学模块培养学生的科研和创新意识、提高学生的综合素质和应用开发能力,为实现培养高质量的应用型人才的教育目标提供重要的教学内容实体支撑。 本实验模块是实验教学的最高层次,注重学生实验的独立自主陛、综合性、应用性和创新性,教学内容设计在课时总量的20%~25%为宜,课时数约15学时,开设2~3个实验。本实验教学模块的特点之一是实验项目的独立自主性和综合性。也就是说确定好实验项目之后,让学生在实验教师指导下独立自主地进行实验项目方案的调研、设计、实施和结果分析。本实验教学模块的特点之二是实验项目的应用性和创新性,所拟定实验项目必须关联生产实践中的聚合物产品,充分体现实验项目的应用性。实验项目设计主要针对这些高分子产品生产实践中存在的共性问题和关键问题的解决来进行设计。通过研究创新实验的实施,发现学生学习积极性很高,乐此不疲,为培养学生创新意识和展示高分子化学实验的应用性特征提供了最佳学习平台,尤其是开发一些联系生活实际的应用型实验,可使学生亲身感受到高分子化学实验的实用价值,能强烈激发学生的创造动机。此外,研究创新实验往往需要多名学生共同完成,有利于培养学生的团队合作精神。例如,聚氨酯绝缘漆的制备及性能测定实验,每个学生做一个实验配方,每5名学生一组,5名学生的实验结果综合在一起可以得出高分子树脂配方组成与漆膜性能之间的关系曲线,以及固化条件与漆膜性能之间的关系曲线。在实验过程中,5名学生要共同安排实验方案,尽量保持操作的一致性,最后得出的结果要呈规律性变化。如果有一名学生操作有误,这个实验点就会落在规律性以外,影响其他学生对实验现象的观察。因此,实施研究创新实验项目对教师也提出了更高要求。在每次实验前,教师要指导学生拟定方案,并对可能出现的实验现象和各种影响因素进行分析,实验过程中,又有多种意外的实验现象出现,这势必要求师生共同分析和讨论造成这些现象的原因,帮助学生透过现象深刻理解事物的本质。这样做需要教师有相当的知识储备量,并且要求教师也不断进取,充分体现了教学相长的教育理念。 三、结论 基础技能实验、综合设计实验、研究创新实验+教学模块教学的实践证明教学效果显著,特别对提高学生综合实践能力、激发学生理论课学习兴趣、培养学生创新意识和应用开发技能取得了预期效果。基础技能实验模块的教学效果主要体现在实验现象与相关基础理论知识之间的有机联系,高分子化学实验操作技能和技巧的掌握和规范。综合设计实验的教学效果主要体现在学生自主设计和分析解决问题的能力培养。研究创新实验的教学效果主要体现在学生科研和创新意识的建立,以及学生团队意识和应用开发能力的培养。 材料化学论文:浅析材料化学专业在高等林业院校的定位与建设实践 论文关键词:材料化学;专业定位;课程体系;实践教学;师资培养 论文摘要:文章从我国林业科技发展对材料化学专业人才的需要出发,探讨了在高等林业院校设置材料化学的专业定位,在对材料化学课程的教学体系进行思考的基础上,提出了培养适应林业科技发展需要的材料化学专业人才的培养模式和教学内容。 材料化学是一门材料科学与现代化学相结合的新兴学科,对于自然科学和国民经济的发展至关重要,是21世纪化学发展中的重要新兴学科之一。本专业密切联系国民经济、科学技术迅速发展的实际,研究材料制备、加工、性能和应用等的化学问题。上个世纪90年代初,复旦大学率先开设材料化学本科专业。随后,众多高校相继开设了该专业。由于材料种类很多,而且各个高校开设材料化学专业的背景和学校的优势学科不相同,虽然专业名称相同,但是各学校所制定的培养方案和体现的专业特色各不一样。中南林业科技大学是一所服务于区域经济和现代林业,地处中南地区的高等林业院校。在高等林业院校开设材料化学专业,相对于其它综合性高校的材料化学专业和本校的主流学科一一林学来说,该专业无论是在师资队伍,还是在科研水平与学科建设等方面都存在不小的差距。所以,我校开设的材料化学专业,只有办出自己的特色和优势,才能在材料化学专业领域占有一席之地。 1、专业定位明确,体现办学特色 人才的培养需要找准位置,明确方向。这是适应经济发展的需要,也是办好专业的关键。我校2004年初申报材料化学专业并获得省教育厅批准,2005年正式招生。经过5年的发展,积累了较为丰富的教学实践经验,基本建立了较为完备的材料化学专业办学条件。材料化学是一门多学科相互交叉的新型综合学科,就材料而言,包括金属材料、无机金属材料、高分子材料、功能材料、复合材料等多个领域。随着我国经济建设的全面发展,为了应对经济社会可持续发展的迫切要求,加强林业和生态环境建设至关重要。各种新材料在农业、林业领域的应用日益广泛,如生物质材料、木材阻燃材料、仿生材料和可生物降解材料等的开发都是材料优先发展的方向。但是,目前我国林业领域从事新材料技术开发和应用的专门人才比较匾乏,远远不能满足现代林业高速发展的需要。因此,高等林业院校设置材料化学专业对我国林业现代化具有重要意义。在高等林业院校设置材料化学专业既要考虑材料科学学科本身的体系,又要体现高等林业院校的特色与优势。为此,我们把专业定位在复合材料、生物质材料和高分子材料三大方向,使学生既具有扎实的材料科学基础知识和良好的专业素质,又能适应科学技术飞速发展的要求;培养能在材料开发、生产及应用领域,尤其是利用林产品资源进行新材料研制和开发以及新材料在林业领域的应用方面具有创新精神和实践能力的复合型人才,为我国林业生产现代化及林业产业化的发展提供坚实可靠的人才保障。 2、完善课程体系,优化课程设置 本专业秉承夯实基础,提高能力、拓宽范围、接触前沿的理念,根据国家经济建设对专业型、应用型、复合型和学习型人才的需要,在遵循“重基础、宽口径和强能力”教学改革原则的基础上,在构建材料化学专业课程体系时,主要采取下列原则:加强基础理论,拓宽专业口径,重视实验教学,适当增加选修课比例。因此,该专业的课程体系由公共基础课、专业基础课、专业必选课和专业选修课四个方面组成。其中:公共基础课程与化学工程类其它专业一致;专业基础课开设了材料化学、物质结构基础、材料科学与工程基础、材料物理性能等课程;在专业课程的设置上注意宽口径与突出特色相兼顾,如复合材料方向开设的复合材料学和复合材料工艺与设备课程;高分子材料方向开设的高分子化学、高分子物理和材料结构表征课程;生物质材料方向开设的木质复合材料、竹材及非木质材料等课程。同时,还加强了工艺设计和制造方面的课程,如开设材料加工与成型、材料加工与成型实验、材料合成与制备等课程;增加了阻燃材料及其应用技术、仿生材料、生态环境材料、活性炭制备改性与应用专题等特色课程。总之,在课程体系的总体构建原则下,经过两次培养计划的修订,对课程进行了认真仔细的整合,系统地确定课程门类,进一步明确各门课程的内容及课程间的分工与联系,删除一些内容陈旧或与其它课程内容重复的课程,增加反映最新研究成果方面的课程,如纳米材料,纳米复合材料等,创建一些理论联系实际、有利于培养学生综合运用知识的能力的课程,并加大前沿科技知识的教学比例。 3、改革实践教学体系,强化能力培养 材料化学专业是一门实践性很强的学科,在教学活动中,必须加强实践教学环节。首先,在加强基础化学实验教学的前提下,组建了材料合成与制备、材料结构表征和检测两个专业实验室。同时,利用多种渠道与企业建立联系,在株洲冶炼集团、湘潭钢铁公司和株洲化工集团等单位建立了实习基地。第二,实验教学是培养和提高学生的综合素质、探究与创新能力的重要途径。建立新型的材料化学实验教学体系,将传统的实验教学向开放性的教学模式进行转变,是培养创新意识、创新思维和创新能力的人才的有效途径之一。为此,在实验教学方法上,部分实验课试行开放式教学,实验课教师仅仅讲授实验的基本原理和基本要求,从查阅文献资料开始,到实验方案设计、实验操作规程、实验结果分析等均由学生独立完成,使学生变被动学习为主动学习。第三,按基础型、设计综合型、研究创新型三个层次规划实验,进一步改革实验教学内容。积极推行从验证模仿性实验向设计创新性实验转变,同时减少验证性实验,增设设计性、创新性和综合性实验。第四,鼓励学生参加科研活动,根据个人兴趣和爱好参加教师的科研项目,鼓励学生积极申报大学生研究性学习和创新性实验计划项目。通过具体的研究课题,独立设计、自查资料、自拟实验方法进行探索性、创造性实验。第五,结合专业实验室和实习基地搞好毕业实习和生产实习,鼓励已经签订就业协议的学生到单位联系生产实际选择课题,鼓励教师到实习基地结合实际指导学生的毕业论文。由此在整个实践教学活动中构建了“计划教学一开放实验一科研相结合”的新的实验教学体系。同时,在实践教学环节中,重视学生综合素质的培养,把素质教育贯穿于实践教学的全过程,为全体学生提供了一个全面发展的实践空间,培养与他人合作的团队精神。为学生将来适应现代企业的管理体制,确立优秀的职业道德素养打下坚实的基础。 4、加强师资队伍建设,优化师资队伍结构 建设一支高素质的师资队伍,是专业建设的基本保证,是提高教育质量水平的关键措施。材料化学专业刚成立之初,师资主要来自基础化学教研室。为此,学校加强了材料化学专业的师资队伍建设,有计划地选派老师到中南大学和湖南大学等高校进行培训,同时加大高层次人才的引进力度。经过几年的努力,初步建立了一支适合学科建设和专业发展需要的师资队伍,专业教师中具有博士学位的达到了50%,具有副教授职称以上的占50。专业教师所学专业包含了材料化学、高分子材料、材料科学与工程、材料表征、材料合成与制备等学科,为专业课的开设奠定了良好的基础,师资队伍的结构基本上达到了优化和合理的要求。同时,我们还鼓励年轻教师在职攻读博士学位和出国进修。 总之,高等林业院校建设材料化学专业只要定位准确,培养方案富有特色,一定能够培养出适应我国经济社会发展的高层次人才。 材料化学论文:材料化学专业人才培养模式及课程体系设置的初步探析 论文关键词:材料化学 人才培养 课程体系 论文摘 要:根据材料化学本科专业人才培养目标和材料化学学科专业特点,通过改革原有的课程体系,优化课程结构,修订完善了材料化学本科专业人才培养方案。新的培养方案更好地体现了材料化学专业的特色,体现了“厚基础、强能力、重实践”的人才培养要求。 材料化学作为化学和材料科学的一个交叉学科,受到了各国政府的重视,许多高校纷纷设立材料化学专业。为适应21世纪社会对材料化学专业人才的需求,经安徽省教育厅批准,我校于2003年增设了材料化学本科专业,并在当年正式招生,目前已经有5届毕业生,学生就业情况良好。材料化学作为材料科学与工程学科的二级学科专业,培养的是应用型理科人才,所以材料化学专业学生不但要加强数学、物理、化学及材料学科等基础理论知识的学习,还必须接受更多的应用性、实践性的知识教育。如何完成这一培养目标,使材料化学专业人才的培养能够满足现代化社会发展对本专业人才的需求,是高校材料化学专业教育工作者必须面对的现实问题。只有进一步转变教育思想和观念,深化教育改革,革新教学体系,优化课程体系中实践性教学环节,才能培养出掌握基本理论知识,动手能力强,富有创造精神的材料化学专业人才,才能办出高水平的材料化学专业,以满足经济建设和社会发展的需求。 1 材料化学专业人才培养方案基本框架 从“厚基础、强能力、重实践”的人才培养总体要求出发,设计培养方案、课程体系,优化教学内容。我校材料化学专业教育内容和知识体系由公共基础课程、通识教育课程、专业课程、专业选修课程和实践性课程五大部分内容构成。 公共基础课程包括:思想教育,体育活动,大学英语和计算机基础等。 通识教育课程包括:人文社会类,自然科学和艺术类等知识体系。 专业课程包括:大类平台专业基础课程和材料化学专业课程。 专业选修课程包括:材料化学专业方向性选修课程。 实践性课程包括:课程设计、毕业实习、毕业论文、社会实践、科技活动等材料化学专业实践训练知识体系。 2 材料化学专业课程体系设计 材料化学作为化学和材料科学的交叉学科,其课程要求学生掌握材料化学的基础知识和基础理论,培养学生具有材料的制备、表征、技术开发和生产的基本能力。在构建材料化学专业课程体系时,我们一直强化教学环节的科学性、系统性和综合性,将所有教育环节分为公共基础课程、通识教育课程、专业课程、专业选修课程和实践性课程五个知识体系。其专业课程体系以无机化学、分析化学、有机化学和物理化学的理论课程和实验课程基础,把材料科学基础、材料化学、材料物理等作为本专业的入门专业课程。在经过这些课程的学习之后,陆续学习高分子化学、高分子物理、材料性能学、材料现代分析技术、机械制图等专业课程,在此基础上通过专业选修课程的学习形成专业特色方向。并通过开设材料科学导论、纳米材料导论等任选课程拓宽学生的知识面。为了淡化专业界限,我校材料化学专业和化学、应用化学专业实施按大类培养,统一设置通识教育和基础教育平台。在2011年修订的材料化学专业人才培养方案中,课程教学计划课内总学时为2633学时,学生毕业应取得总学分为154学分,其中,通识教育和基础教育与我校化学专业和应用化学专业一致;专业教育、实践教学和综合教育的课程体系与化学专业和应用化学专业有区别的开设,更加突显材料化学的特色。 3 构建相对完善的实践教学体系 3.1 构建新的实践教学体系 材料化学作为一门实践性很强的交叉学科,在教学计划中强化实践教学环节,确保实践教学环节的实施。按照本专业人才培养目标的定位,我们优化完善了实践教学体系。将实践教学体系分为三个层次:一是基础实验层次,注重基础技能训练,培养学生对科学现象的观察和分析能力;二是测量实验层次,注重专业技能训练,设置了课程设计、综合性和设计性实验等内容,培养学生的专业实践能力;三是综合实践层次,注重综合素质训练,设置了毕业设计(论文)、社会实践、科技竞赛和创新性实践活动等内容,培养学生对所学知识的综合运用能力。 3.2 更新重组实践教学内容 在2011年修订的人才培养方案中实践教学环节为35学分,占总学分的22.7%。实践教学内容重点强调以能力培养为核心,优化和重组了原四大化学(无机、有机、分析和物理化学)实验教学的内容与结构,将实践教学内容分层次进行教学,确立了基础实验、测量实验和专业实验三层次的实验教学体系,涵盖了验证性实验、综合设计性实验和研究性实验等教学内容。同时,积极推进实践教学内容的更新和方法手段的改革,减少验证性实验,积极创造条件增开综合性、设计性实验、研究性实验,强化毕业论文实践环节的检查和指导;加强校企合作,积极安排生产实习和社会实践活动,进一步加强对学生实验技能、实践能力的培养,培养学生的动手能力和创新能力。 4 结语 材料化学专业的培养方案、课程体系的探索和完善将是在科学发展观的指导下我们今后多年的一大工作任务。要坚持以就业为导向定位人才培养目标,结合社会需求和学科发展实际,研究建立专业人才培养模式,提高材料化学专业毕业生的就业能力;以能力培养为本位构建专业课程体系,提高学生的理论知识水平,课程体系遵循“厚基础、强能力、重实践”的人才培养模式制定教学计划,在四年教学计划的基础上,分析理论教学相关课程,优化教学内容,合理分配理论课程学时数,使课程体系逐渐趋于科学、规范,达到构建合理的专业课程体系、优化学生知识结构和促进专业人才培养的目的。 材料化学论文:浅谈纳米材料的化学锂化与电活性 近年以来,人们对于物质世界研究已经深入到原子、分子等微观领域,纳米技术被研发于上个世纪八十年代末,它指的是人类在纳米单位即0.1至100毫米间对物质特及互相作用进行研究,同时利用它的特性的多学科的技术,目前已经成为主流研究领域。 一、纳米材料概述 (一)纳米材料主要分为:零维纳米材料。即在空间的三维尺度都受到约束,如纳米颗粒、团簇等。一维纳米材料。即在空间中有二维处在纳米的尺度内,包括纳米管、金属、棒和半导体线、纳米带等。二维纳米材料。即在三维空间里有一维处在纳米的尺度内,如超薄膜、超品格等。三维纳米材料。它主要由纳米晶体构成的材料。 在这之中,一维纳米材料具有特殊物理化学性能与可作量子器件的优势而被人们所重视,一维纳米材料之中,电子于两个维度或者两个方向的运动受到约束,只可以在一个方向自动运动,进而为研究在量子的限域之下电子运输、力学、光学等特性均提供了效果极佳的模型系统。 二、纳米带锂化改性 实验的原料:溶胶,纯氧化锂为锂源,分子量42.39。 间接水热法。量取0.2克使用离子交换方法经水热合成的纳米带,放入装30毫升去离子水烧杯中,经超声分散半小时,然后把0.29克纯氧化锂放入已分散好的纳米带中,同时搅拌48小时后,把淡蓝色流变相液体转移到容量50毫升的聚四氟乙烯的内衬不锈钢的反应釜里,反应釜经180摄氏度、24小时的水热后,自然冷却至与室温相当,将所得到的沉淀物分别使用乙醇与去离子水进行数次洗涤,最终在80摄氏度条件下经12小时干燥后得到最终产品。 由相关xrd图谱显示可以得出,锂化并没有对纳米带的晶体结构进行破坏,但是锂离子嵌入已使晶面距稍微扩大,其表现为衍射峰朝角度低处偏移。在锂化前后,纳米带依旧保持着一维纳米的结构,相比之锂化之前,锂化以后纳米带在二次水热的过程中部分断裂,其长度缩短至2至6μm,产生了较多的200至400nm小尺寸纳米片,其表面更为粗糙。 锂化前后的纳米带晶面距均为0.2nm,对纳米带实施选区电子衍射就能清楚看到衍射的斑点,而且锂化前后的纳米带花样一致,也从另一方面说明纳米带结构仍然是单品正交相。 直接水热法。为将实验流程简化,以利用更为简便与直接的方法对纳米带锂化,对间接锂化加以改进。 首先使用双氧水的氧化法制备过氧钼酸溶胶,然后把纯氧化锂直接加入溶胶里,并对其搅拌48小时以后,把溶胶转移容量为50毫升,内衬为聚四氟乙烯制不锈钢反应釜里,后续的工艺和间接锂化方法相同,同样能获得淡蓝色产物。 该产物的xrd图谱峰位一致,表明锂盐的存在对于溶胶产生正交相并没有影响,且与二次水热后得到的锂化纳米带比较,其衍射峰并无明显偏移,说明可能因为层间的锂离子嵌入相较间接锂化的纳米带更少,因此其层间距并没有产生明显变化。 纳米材料与电活性 间接锂化改性。就本文二中所提到锂化改性的纳米带的电化学性能如下:通过得到锂化前后的纳米带初次放电曲线图可知,锂后的纳米带正极材料放电电压的平台仍然是2.75v。引较于纯纳米带的初次放电量301mah/g来说,锂化后纳米带降低至240mah/g,主要是因为在锂化的过程中,锂离子嵌入故占据了一定数量的嵌理位置,使初次放电的电量明显减小,随着循环的持续进行,锂化纳米带便体现出其相当稳定的优势,经15次的循环以后,比容量仍然保持220mah/g,同时容量的保持率达92%。 对纯纳米带循环15次以后180mah/g的比容量进行相对比,容量保持率达60%与3.48的δ数值,可直观发现经锂化后纳米带具备更好的循环稳定性,得益于锂离子嵌入对其层结构起到支撑作用,使得充放电的比容量始终维持于平稳的数值范围之内。 (二)纳米器材。采用静电纺丝的技术制备具备“线中棒”的分级结构钒氧化物超长型纳米线,发现该线作为锂离子的电池正极材料具备较高比容量与优良循环性能。相比于常规的纳米材料,这类新颖的分级结构可有效防止纳米材料因高比表面能而发生自团聚的现象,从而提升电池性能,为排除纳米材料的团聚从而对性能造成影响,设计单根纳米线电化学器材,通过原位的表征,建立该纳米线电输运、结构、电极充放电等状态间的直接联系,发现容量的衰减和电导率降低有着关联。为进一步研究出化学锂化后对纳米材料的本征电活性的影响,把锂化前后的单根纳米带装成纳米器件,并对其电输运性能进行测试。 测试结果表明,锂化之前i-v特性显示纳米带的两端不对称的肖特基势垒,这是半导体氧化钼与金/铂电极间产生的,在大约2v的时候,传输的电流约300pa。锂化之后,i-v的曲线显示欧姆特性,在大约2v的时候,传输的电流约10na,根据测定电阻、有效长与横截面积的计算,纳米带在锂化前后电导率大致分别是10-4与10-2s·cm-1。通过锂化后,电导率相应增加了数量级两个。因为纳米的带沿面生长,所以纳米带的导电性也增加,这意味着八面体层里载流子的浓度增加,表明锂离子被作为填隙的离子而被引入的。 在电化学的循环过程之中,纳米带层间距随锂离子嵌入或脱离而持续扩大或缩小,相比于未锂化的样品,具较宽层距的锂化后纳米带,在其充放电的过程中显示出更小的体积变化。因此锂化能够提高电极在锂离子的嵌入与脱离的过程中结构稳定性,第一次锂化所导入的锂离子始终保留于晶格之中,进而提升导电性,有利于在未来充放电的过程中锂离子嵌入与脱离。 深入研究纳米材料的化学特性,对合理及应用纳米材料有着相关重要的影响,也为我国在各行业、领域推广使用纳米材料打下良好理论基础。 材料化学论文:材料化学绪论课教学设计 摘要: 在《材料化学》绪论课的教学过程中,采用启发引导教学方式,以“材料、材料与化学、材料化学”为主线进行教学设计,通过讲解材料发展中的化学,引入材料科学与化学的区别与联系,重点从材料结构、制备、性能和应用四个方面讲授了材料研究中的化学问题,使学生对本课程的内容有了清晰的认识,激发了学生学习本课程的信心和兴趣,并取得了满意的教学效果。 关键词: 材料化学;绪论课;教学设计 材料化学是材料科学与化学的交叉学科,伴随着材料科学的发展而诞生和成长,即是材料科学的重要部分,又是化学学科的一个分支[1]。目前,很多高等学校的化学和材料类专业开设了《材料化学》这门课程。《材料化学》是南阳师范学院材料化学专业的核心基础课程,对于培养学生的材料科学基础知识,分析和解决材料制备和应用中的化学问题的能力起到了关键作用。但是该课程涉及的知识面广泛,内容庞杂、概念甚多、加上课程改革,理论课时数减小,学生在学习《材料化学》课程过程中,普遍存在概念混淆、重点难以掌握等问题。绪论是一门课程的开场白和宣言书,是师生之间学习和交流的起始点,能为学生建立起一门课程的知识轮廓。通过对绪论进行学习,学生可以了解课程在所学专业中所处的地位和作用,以及该课程的教学内容、学习方法和考核方式等问题[2]。如何激发学生学习该课程的兴趣,提高课程的教学质量,绪论课在整个课程教学中有着举足轻重的地位。结合近年来的教学实践,就如何讲好《材料化学》绪论课谈一些心得。 1首先明确课程性质、特点及地位 教学之初,首先明确该课程作为专业核心课程的重要地位,是学习后面材料专业课程的基础课程,同时明确考核方式,加强学生对本课程的重视程度。材料化学是材料科学和化学学科的交叉学科,课程内容既涉及工程材料应用中的实际问题,又包括材料结构及制备中的化学问题。作为一门交叉学科,很多知识点与材料学和化学课程中的相关内容重复,很多学生以为学过相关知识,就会从思想上松懈。然而,相关知识点虽然出现重复,但在不同学科中讲授的重点是不同的。在讲授材料化学课程的过程中,要着重培养学生利用化学的思维解决材料科学中的问题,使学生深刻领会化学与材料科学交叉的重要意义。通过一些实例,讲解本课程与化学和材料相关课程的区别和联系,使学生更加深入了本课程的性质和地位。材料科学是偏实际应用的工科课程,化学是偏理论的理科课程,材料化学则是利用化学的理论解决材料应用中的实际问题。 2材料 以材料的实际应用为引子,如材料在航天航空、交通运输、电子信息、生物医药等领域的应用,带领学生进入学习状态,引导学生回想什么是材料?材料的种类?提出材料是对人类有用的物质,是人类赖以生存和发展,征服自然和改造自然的物质基础;是人类进步的里程碑。然后介绍材料的发展历史,说明人们对材料的使用,是从最早的天然材料,依次经历了陶瓷、青铜、铁、钢、有色金属、高分子材料以及新型功能材料。根据材料的发展史,启发学生思考材料研究和发展过程中的规律和特点。人们对材料的使用经历了从天然材料到合成材料,从传统材料到新兴材料。传统的材料主要以经验,技艺为基础,材料靠配方筛选和性能测试,通过宏观现象建立的唯象理论对材料宏观性能定性解释,不能预示性能和指明新材料开发方向,而新型材料则以基础理论为指导。材料科学的历史表明,当一种全新的材料在原子或分子水平上合成后真正巨大的进展就常常随之而来。化学的发展往往导致材料技术的实质性进步。在新材料的研发和材料工艺的发展中,化学一直担当着关键的角色[3]。任何新材料的获得都离不开化学,以石墨烯为例,物理学家主要关注其电子结构及输运理论,材料学家主要测试材料的电磁、光电、传感和催化等性能,而化学家的任务则是利用化学气相沉积和插层剥离等方法制备该材料。只有通过化学气相沉积法制备出高质量大尺寸的石墨烯,才能推动石墨烯在电子信息领域走向实用化。 3材料与化学 材料化学是材料科学与化学学科的交叉,很多学生容易混淆材料科学和化学的研究范畴。在本课程的第一节课,一项重要的任务是使学生明确材料科学和化学的研究内容和范畴,这对于后续相关概念的讲解至关重要。材料科学的研究对象是材料,材料是对人类有用的物质,指的是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。而化学的研究对象是物质,物质是构成人类物质世界的基础。材料是物质,但不是所有物质都可以称为材料;材料科学是一门研究材料的成分、组织结构、制备工艺与材料性能及应用之间相互关系的科学;而化学则是从原子和分子角度研究物质的组成,结构、性质及相互转变规律的科学。因此,化学研究的尺度范围是原子、分子、分子纳米聚集体。材料科学最早研究的尺度范围在微米以上,如钢和陶瓷的组织结构。随着一些新兴材料的出现和发展,人们对材料的研究甚至小到电子结构。如近些年发现的拓扑绝缘体,其表面导电,体内不导电的性质由其拓扑的能带结构决定,而该拓扑结构则与电子的自旋运动有关,研究拓扑绝缘体必须从电子自旋角度认识其结构。因此,材料科学的研究范畴不断拓展,并于其它学科交叉。 4材料化学 通过学习材料的发展历程、材料科学与化学之间的区别和联系,学生已经对材料化学有了一定的认识,引导学生给材料化学下一个定义。材料化学是关于材料结构、制备、性能和应用的化学。本校材料化学专业选用曾兆华、杨建文编著第二版《材料化学》作为教材,教材的章节也是按照材料结构、制备、性能和应用进行安排的[4]。在这部分内容讲授过程中,可以让学生以教材目录为参照,讲到相关内容可以与教材相关章节进行对应。 4.1材料的结构 从三个层次讲解材料的结构,分别是电子原子结构、晶体学结构和组织结构。电子原子结构在很大程度上影响材料的电、磁、热和光的行为,并可能影响到原子键合的方式,因而决定材料的类型。在这个层次上研究的化学问题主要涉及原子序数、相对原子量、电离势、电子亲核势、电负性、原子及离子半径等。原子序数决定了材料的化学组成,电负性决定材料内部原子之间的键合方式,从而影响材料的导电性、强度和热膨胀系数等。晶体学结构主要指原子或分子在空间排列的方式,根据原子排列的有序性,将材料分为晶体和非晶体。晶体中出现局部无序,或对理想晶体的产生偏离,则出现缺陷。缺陷的存在影响材料的力学性能和电学性能等。如在本征硅内部掺杂磷元素,磷原子替代硅原子的位置,形成杂质原子缺陷,增加本征硅的导电性,形成N型半导体。组织结构主要指材料的物相组成及结构、晶粒的大小和取向等。在大多数金属、某些陶瓷以及个别聚合物材料内部,晶粒之间原子排列的变化,可以改变它们之间的取向,从而影响材料的性能。一般来说,减小金属的晶粒可以降低其熔点。在这一结构层次上,颗粒的大小和形状起着关键作用。大多数材料是多相组成的,控制材料内部物相的类型、大小、分布和数量可以调控材料的性能。 4.2材料制备 材料合成与制备就是将原子、分子聚集在一起,并转变为有用产品的一系列过程。材料制备的方法和工艺影响材料的结构,从而影响材料的性能。根据制备原理的不同,材料制备方法可以分为物理法和化学法。物理法指在材料制备过程中,仅改变材料内部原子或分子的聚集状态,不涉及化学反应的方法。如真空镀膜、溅射镀膜、脉冲激光沉积法等。化学法则在材料制备过程中,涉及化学反应,并且有新物质的生成。如固相反应法、有机合成法、水热法、沉淀法、化学气相沉积法等。以石墨烯材料为例讲解材料的制备方法。石墨烯作为二维单原子层材料,既可以采用物理法制备,也可以采用化学法制备。2004年发现石墨烯的报道,便是采用简单的胶带对撕方法制备,该方法依靠外力使石墨片层克服层间范德华力,使层与层之间分离,从而获得单层石墨,该方法也称为物理机械剥离法。利用甲烷、乙烯等烃类气体作为碳源,镍、铜、金等金属作为基片,采用化学气相沉积法则可以制备高质量大尺寸的石墨烯。另外,以石墨为原料,利用化学插层剥离的方法也可以用来制备石墨烯[5]。但不同方法制备获得石墨烯的尺寸及性能差别较大,在不同的应用领域采用的石墨烯制备方法是不同的。 4.3材料性能 材料的性能由其结构决定,与材料制备的工艺和方法有关。性能是指材料固有的物理、化学特性,材料性能决定了其应用。广义地说,性能是材料在一定的条件下对外部作用的反应的定量表述,例如力学性能是材料对外力的响应、电学性能是对电场的响应、光学性能是对光的响应等。因此,材料的性能可分为力学性能和特殊的物理性能。常见的力学性能包括材料的强度、硬度、塑性、韧性等。力学性能决定着材料工作的好坏,同时也决定着是否易于将材料加工成使用的形状。锻造成型的部件必须能够经受快速加载而不破坏,并且还要有足够的延性才能加工变形成适用的形状。微小的结构变化往往对材料的力学性能产生很大的影响。材料特殊的物理性能包括电、磁、光、热等行为。物理性能由材料的结构和制造工艺决定。对于许多半导体金属和陶瓷材料来说,即使成分稍有变化,也会引起导电性很大变化。过高的加热温度有可能显著地降低耐火砖的绝热特性。少量的杂质会改变玻璃或聚合物的颜色。 4.4材料应用 材料化学已经渗透到现代科学技术的众多领域,如电子信息、环境能源、生物医药和航天航空等领域。例如,在电子信息领域,现代芯片制造离不开化学。光刻过程使用的光刻胶和显影液,镀膜过程中的化学气相沉积和原子层沉积,刻蚀过程中的反应离子刻蚀,这些工艺过程都离不开化学的作用。在环境能源领域,新型光催化材料和太阳能电池材料的研究和开发,离不开化学法制备材料和对材料进行化学掺杂改性。在生物医药领域,对传感材料进行化学改性提高其传感特性,对仿生材料进行表面改性可以提高其生物相容性。在航天航空领域,各种轻质、耐高温、耐摩擦等结构材料和功能化智能材料的研发都离不开化学。 5结语 通过对“材料化学”绪论课的精心设计,使学生明确了该课程的性质和重要地位,大量的实例激发了学生学习的兴趣和求知欲,树立了学生学好该课程的信心,为课程的深入学习起到了奠基石的作用。以“材料、材料与化学、材料化学”为主线进行讲授,使学生对本课程的内容有了更加清晰和深入的认识,取得了良好的教学效果。 作者:李涛 高利敏 单位:南阳师范学院化学与制药工程学院 南阳师范学院校医院 材料化学论文:高职化学教学工程材料分析 摘要: 《工程材料》是高校土木工程专业的一门重要的专业课,它不仅是一门应用技术,同时又是建筑施工等课程的基础,该课程中涉及到的材料的组成及性能等内容需要学生具备一定的化学知识方能学好,因此在开设该课程前,一般都需要学生具备基础化学知识,结合《工程材料》教学内容,主要总结了小高职基础教育阶段需要前修的化学知识模块。 关键词: 工程材料;高职;化学;教学内容 哈尔滨铁道职业技术学院是一所以高铁、隧道、桥梁、建筑为主打专业的国家骨干高职院校,同时也是中国中铁集团下属唯一一所高职院校。我校每年为国家高速铁路建设、城市轨道交通建设、土木工程检测、道路桥梁建设等方面输送大量的优秀人才。作为一个历史悠久的老牌土木工程类院校,我校在大一第二学期开设了《工程材料》这门课程。由于近些年高考不断改革,高中化学知识删减了很多,又由于高考适龄生源的减少,以及一些二本院校招生门槛的降低,使得我校招生学生的素质降低,此外,作为三年制高职教学的补充,五年制高职的学生没有经过高中系统的学习,化学知识更是为零,学生的化学基础知识不能够满足《工程材料》这门课程的学习,因此,需要在讲授这门课程之前,前修一部分化学基础知识,现结合我校的实际情况,前修基础课程并没有充足的课时,也不能像高中化学教学那样,重视基础,精讲运算,因此我们针对学生后学专业课学习的内容,总结出三个必须掌握的化学知识模块,即金属元素及其化合物、硅酸盐工业基础、有机物及新型高分子材料,便于学生学习掌握,为后续《工程材料》课程的学习打下坚实的理论基础。 1金属元素及其化合物 《工程材料》主要讲述建筑材料的性能和使用条件,现阶段建筑工程中常用的金属材料又可分为黑色金属,例如钢、铁、及其合金等,还有有色金属包括铜、铝及其合金。从事土木工程建设的技术人员必须了解和掌握这些材料有关的知识,土木工程材料是一切土木工程的物质基础,材料决定了建筑的形式和施工方法,因此我们的学生要想学好这部分知识,就必须先要掌握金属元素及其化学物有关的基础化学知识。金属及其化合物知识点较多,由于学时有限,我们只能选取与专业课联系比较紧密的内容重点讲解。例如:铝、铁、铜三种金属及其化合物的性质是重点讲解的内容。铝元素存在的形式主要是铝土矿,铁元素能够以游离态的陨铁和化合态的铁矿石存在;铝粉可以制成银粉(白色涂料);铁(铬、锰)为黑金属,其余的都为有色金属;金属铝既能和强酸反应,又能和强碱反应;金属化合物与酸和碱的反应;常用的金属冶炼方法及原理,例如,电解法冶炼铝,热还原法冶炼铁,湿法冶炼铜等;其中最主要的还是工业炼钢、炼铁的原理。工业炼铁的主要原料是石灰石、铁矿石、焦炭,在炼铁高炉中发生三个化学反应这样可以得到生铁,生铁可以作为炼钢的原料,把生铁冶炼成钢的过程,就是除去大部分硫、磷等有害杂质,并且适当地降低生铁里的含碳量,调整钢里合金元素含量到规定范围之内。炼钢时常用的氧化剂是空气、氧气或氧化铁,主要化学方程式:大量铁变成氧化亚铁,调整硅、锰的含量,同时降低碳量,除去FeO,因它会使钢具有热脆性。 2硅及硅酸盐工业基础 建筑工程中把能够将散粒状材料(如砂子、石子等)和块状材料(各种砖或者砌块)粘结成为具有一定强度的整体材料,成为胶凝材料。胶凝材料根据化学成分可分为无机胶凝材料和有机胶凝材料,其中无机胶凝材料又可分为气硬性胶凝材料,例如石灰、石膏、水玻璃等,而水硬性胶凝材料主要为各类水泥。作为土木工程专业的学生,在学习这部分知识时要作为重点内容。因此我们在讲述这部分知识点时,首先要求学生要对这几种材料的化学成分、反应方程式有一定的了解,并且知道它们之间的联系。主要讲述的内容包括硅的性质及应用;二氧化硅的性质及用途,硅酸盐工业主要包括玻璃、水泥和陶瓷,这三种产品都是建筑工程中常用的材料,尤其是水泥,因此,学生要掌握这几种产品的制备原料、设备、反应原理、主要成分、特性、种类及用途。以水泥为例,其制备原料为石灰石、粘土和石膏(适量),设备为水泥回转窑,具有水硬性,水中空气中都可以硬化,是不可逆过程。 3有机物及高分子材料 随着国民经济的发展,对材料的需求越来越多,对材料的性能要求也越来越高,新型高分子复合材料越来越受到人们的重视。有机物知识点繁多,需要学生掌握的知识点主要包括:烷、烯、炔烃及笨和笨的同系物基本组成及化学性质;烃的衍生物的重要类别和各类衍生物的重要化学性质,包括卤代烃、醇、醚、酚、醛、酮、羧酸、酯,硝基化合物等等;重要的有机反应及类型,包括:取代反应、加成反应、氧化反应、还原反应、消去反应、水解反应、热裂化反应,聚合反应、中和反应;高分子材料是由可称为单体的原料小分子通过聚合反应而合成的,包括碳链高聚物、杂链高聚物、元素高聚物,四类主要高聚物反应包括:加聚成碳链、缩聚成酯链、缩聚成肽链、酚醛(或酮)缩聚。传统高分子材料包括塑料、橡胶、纤维、薄膜、胶粘剂和涂料等。其中,塑料、合成纤维和合成橡胶已经成为国民经济建设与人民日常生活所必不可少的重要材料。而新型高分子材料的性能更优越,应用更广泛,既具备了传统高分子材料机械性能,且在一定领域有特殊用途的若干种新型材料,例如有高分子分离膜、仿生的高分子材料、医用的高分子材料、液晶高分子材料、导电塑料等等。两者在化学结构和物质划分上,是基本一致的,只是合成难度上、实际用途上、出现时间上有差异。从事建筑工程的技术人员都必须了解和掌握土木工程材料的有关技术知识。土木工程材料是一切土木工程的物质基础,材料决定了建筑形式和施工方法。因此要学好这部分知识非常重要。知识的积累和学习是一个漫长的过程,不能一蹴而就,要循序渐进,要想学好专业课,就必须要先学好基础课。 作者:张巍 单位:哈尔滨铁道职业技术学院基础教育学院 材料化学论文:案例型材料化学教学探索 1案例型教学 1.1案例来源及积累 案例主要来源于媒体报道或经典案例。如生活中常见的“502胶水”、“矿泉水瓶”、“化妆品瓶”、“塑料手套”、“雨靴”、“衣服”、“汽车轮胎”、“尼龙绳”以及“石墨烯智能服饰”等,最近的新闻报道“2014年80岁老太换全髋关节次日下地”,小孩的卡通玩具“光敏印章”,“农用聚乙烯薄膜”、“工业上泡沫塑料的发泡剂”工业生产原料等。日常注意收集积累,并根据案例所产生问题、解决途径进行归类,建立案例库,进一步有助于理解书本知识。 1.2案例选择 案例引入为教学服务,选择适当的案例保证教学活动的顺利进行是前提。适当的案例既能融合学生所学课程的理论基础,又能结合实验室条件以及学生的实际情况。综合以上考虑因素,对于功能高分子材料教学,选用“2014年80岁老太换全髋关节次日下地”作为教学案例,该案例内容包括了功能高分子材料的理解以及如何在生活中应用进行扩展等内容。人们对“关节置换”这个词已不再陌生,但是它的原材料是什么?大家可能还是很陌生。它是指用生物相容性和机械性能良好的金属或复合材料制成的一种类似人体骨关节的假体,通过手术将其植入体内,替代病变的关节,清除疼痛,恢复关节的活动与原有的功能,而这种生物相容的材料就是咱们的高分子材料超分子量聚乙烯。这样进行案例引入,大家对于目前简单应用的高分子材料有了更深入的认识。案例选择应遵循难易适中、可操作性强等特点,照顾成绩下游学生的同时,给上游学生预留挑战空间,激发学生解决问题的强烈愿望。 1.3案例深入和小组讨论 案例引入为实现教学目标而设计的,学生以理解知识问题为目标,围绕知识问题进行思考、讨论,进而理解知识要点。如果这堂功能高分子课程只进行到这里,学生只是知道了一个熟悉的陌生人。我们下面还要对这个高分子材料超分子量聚乙烯进行讨论。大家对聚乙烯比较熟悉,聚乙烯(PE)是五大合成树脂之一,是我国合成树脂中产能最大、进口量最多的品种。以“聚乙烯的应用”为例,在方案设计前指导老师提出以下问题:“在日常生活中那些是聚乙烯的产品?”该问题引起了学生很大的兴趣和关注,为回答以上问题,学生自主进行了查阅。可以了解它可以应用在“保鲜膜、背心式塑料袋、塑料食品袋、奶瓶、提桶、水壶等”。紧接着又提出“聚乙烯的分类?它们的区别是什么?合成方法和用途是什么?”,该问题引导学生进一步扩展知识要点,聚乙烯主要分为线性低密度聚乙烯(LLDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)三大类,而案例里提到的是超高分子量聚乙烯,学生要如何回答这几种聚乙烯材料的区别是什么,可以引入小组讨论的方式,分成四个小组,每个小组负责一种材料,从它的物理性质、特性、合成方法及用途上进行材料整理,在课堂上用PPT讲解,最终由教师进行点评,通过方案设计中的讨论,每个小组经过归纳整理把这种材料的性能基本完成全掌握了,同时也培养学生的动手能力及团队合作精神。事实证明,案例型教学法在激发学生的探索欲和提高学生学习兴趣方面起到了积极的作用,在解决问题的过程中逐步形成分析素养。 1.4案例扩展 将科研项目引入具体的课程教学中去是利用其进行智能型人才培养的新途径,也是将书本知识扩展到实际应用的一种途径。以上案例用到的是超高分子量聚乙烯作为人工关节软骨(关节臼)材料,然而,临床实践显示,人造关节有效工作年限为10~15年。长期使用过程中产生的聚乙烯磨屑会引起骨骼发炎,发生无菌性松动和假体脱落等问题,从而需要更换新的人造关节。再次更换人工关节的手术费用和失败率比首次更换高很多,导致经济损失和对患者身体的伤害。因此必须要增强医用超高分子量聚乙烯的耐磨性能,这样就在该课程的教学过程中引入科研项目,激发学生的学习兴趣,锻炼其查阅文献资料的能力,积极引导其参与到科研活动中去。通过学生资料查阅,采用纳米粒子增强复合材料技术,合成氧化石墨烯基超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料,充分利用新型二维纳米材料石墨烯的高强度、高模量、高硬度和低摩擦系数的突出特点,提高了石墨烯/UHMWPE复合材料摩擦磨损性能。在这里学生又查到一个新的概念—石墨烯,它是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光;而电阻率只约1Ω•m,比铜或银更低,为世上电阻率最小的材料。石墨烯具有非同寻常的导电性能,超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性,它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。与其他电池相比,具有能量转化效率高、无环境污染等优点。“质子传导薄膜”是燃料电池技术的核心部分,汽车中的燃料电池使用氧和氢作为燃料,转变输入的化学能量成为电流。现有的质子薄膜上常存在燃料泄漏,降低了电池有效性,但质子可以较为容易地“穿越”石墨烯等二维材料,而其他物质则很难穿越,那么我们研发石墨烯碳纸特种纸用作质子薄膜,既可以解决燃料渗透的问题,增加电池的有效性,还可以降低燃料电池的成本。而特种纸在日常生活中应用十分广泛,比如棉纸、宣纸、无尘纸、钞票纸、喷墨纸、热敏纸、过滤纸、茶袋纸、铝箔纸、拷贝纸、美术纸、复写纸、无碳复写纸、防霉纸、静电防止纸、导电纸、半导电纸、电池分离纸、电气绝缘纸、耐热纸、汽车用滤纸、空调滤纸、脱臭滤纸、医疗卫生用纸、药包纸、无菌纸、医疗胶布基材、手术衣等等。这样的学习过程最终实现让学生根据自身兴趣自主的寻找课题,参与到科研项目中,积极参与竞赛,培养他们将来在工作学习中“发现问题—方案设计—方案实施—结果讨论—问题扩展”的能力。 2培养学生的创新思维,树立绿色理念 开设课题开放性实验,培养学生独立查阅文献资料及设计开展实验的能力,在实验过程中积极引导、经常讨论总结进一步锻炼学生自主动手能力。增强现有学生实验室的开放性,组织学生参加各类竞赛、培养学生的专业技能和创新意识。同时,促进教师实验室、研究生实验室及校企联合研发中心的开放,带领学生去工厂实习,引导学生直接参与科研实验工作,使学生认识、了解科研,培养学生的创新意识和创新思维。此外,结合我国可持续发展战略及未来材料化学工业以及绿色造纸与特种纸绿色发展方向,在课堂、实验、实践等教学环节坚持融入绿色化学内容,渗透绿色化学思想,在丰富化工实验教学内容的同时培养学生树立绿色化工理念,增强绿色化学意识。 3加强卓越工程师的培养 为促进就业,培养学生的社会技能,增加课堂教学效果,积极组织学生参加材料化学专业和绿色造纸与特种纸的各项职业资格、技能考试,通过考证激发学生的学习兴趣,为学生今后就业和提升工作能力奠定基础。以“强化工程、工艺、设计和新兴特色学科交叉等方面基本理论、知识的培养;强化生产、研发、检测和管理等方面工作的基本工程能力的培养;强化国际化视野、企业家精神、市场头脑和创新思维等基本素质培养”为特色的强化“三基”人才培养方案,建立一个符合我院卓越工程师课程教学体系,培养满足地方产业发展需求的优秀材料化学以及绿色造纸与特种纸专业人才,增加学生就业渠道,提高学生的就业水平。 4结论 在案例型教学法中,学生主动性提高,并通过参与、完成科研项目获得成就感,探索欲得到激发,自信心得到提高;同时,在教师引导、学生逐步解决问题的过程中,学生形成了解决问题的思路,培养了解决问题的素养。此外,通过小组合作学习,学生的团队精神得到培养。此外案例型教学法有着较明显的优势,但同时也需要注意以下问题:需要指导老师投入大量的精力积累案例、指导方案设计、管理教学过程等,工作量大。需要充分调动学生积极性,否则案例型教学法容易流于形式。评价方式重要,不能以简单的实验报告进行评价,应重视学生表现,否则学生不重视参与过程而注重结果。教学改革在方法创新的基础上,应更加关注方法适用性,抓住学生兴趣,提高学生自主学习积极性,提高学生参与度,激发学生创新思维。 作者:张妍 沙力争 赵会芳 陈华 单位:浙江科技学院生物与化学工程学院/轻工学院 材料化学论文:材料化学实验室信息管理探索 1MCLIMS的实现目标 为了实现材料化学实验室高效管理实验室的人员、仪器、药品、无纸化实验记录,提高管理效率,保证科研工作的顺利进行,MCLIMS主要分为三个主体框架:上位机LIMS,嵌入式控制终端及药品存储柜的实体,上位机软件主要用于通过软件来实现基本信息的维护和药品的使用操作,嵌入式控制终端与存储柜构成一个整体,用于响应上位机LIMS的命令,并做出响应决定是否需要开启药品存储柜,药品存储柜用于存储材料化学实验室的药品。本系统的最终实现目标包括以下几个方面。 1.1上位机LIMS软件主要实现如下功能 用户信息管理模块:包括用户登录、用户信息录入、更新、检索、删除及用户权限管理,密码管理等;导师信息管理模块:主要是管理导师的基本信息及科研方面信息等;用户签到管理模块:主要是与指纹录入仪进行通讯、实现用户签到验证,主要包括:用户指纹录入、用户签到、签到查询、用户指纹删除、用户请假等;药品信息管理模块:包括药品信息录入、更新、检索、删除、余量更新、药品存储位置管理等;药品使用管理模块:包括药品检索、打印条形码药品清单、药品余量提醒、过期药品查看等;药品存储柜信息管理模块:主要是管理存储柜数量、位置IP、容量等信息;仪器信息管理模块:包括仪器信息录入、更新、删除、仪器预约、预约邮件提醒、外借管理等;热电参数测试仪数据读取模块:包括添加仪器测试用户、测试样品参数管理及测试数据管理等功能。 1.2嵌入式终端控制软件主要实现功能 (1)用户登录,只有登录成功后才能进行(3)的操作,否则(3)此操作无效,视为不合法用户。(2)终端串口管理,配置终端的串口通讯,用于条形码阅读器信息的读取。(3)终端存储柜柜门控制,用户在得到(1)的权限后直接可以操作柜门的开启与关闭。(4)终端信息显示,串口读取到的条形码信息后系统检索数据,更新显示信息,然后解析检索到的信息来控制存储柜的开启与关闭。 1.3存储柜物理设计 根据需要,本次对药品存储柜的设计采集2X2式的矩阵式设计方案并充分考虑了电路设计,信息读取的物理接口。 2MCLIMS系统架构 拓扑结构反应了应用系统或网络系统中各个结间点的互联表现形式,如文件服务器、工作站等的,常见的拓扑结构有总线型拓扑、星形拓扑、环形拓扑、树形拓扑、以及它们的混合形式。对于本系统,它主要体现在上位机软件、数据库服务器及嵌入式控制终端的连接方式及他们的数据响应关系。考虑到每个实验室的安装配置过程中,上位机软件与嵌入式控制终端的对应关系是1∶n的关系,n大于等于两台设备,本文选择了总线型拓扑,其特点:结构简单灵活,非常便于扩充;共享资源能力强,要实现总线型拓扑结构,只需上位机LIMS与MySQL服务器及嵌入式终端同在一个局域网中,保证MySQL服务器网络可达即可。系统的最终架构如这种架构方便药品存储柜数量的扩充,位置的放置也不受限制。 3MCLIMSR的具体实现 3.1系统软件架构 本系统以C/S模式为开发模式,以C#为上位机LIMS软件的开发语言,VisualStudio2010为开发功具;MySQL作为数据库服务器。嵌入式终端以基于ARM9为核心的S3C2440芯片作为处理器的TQ2440开发板作为嵌入式硬件平台,将嵌入式Linux作为底层系统,QT和C语言作为GUI设计和底层驱动开发语言;以UG为存储柜物理实体的建模工具。 3.2系统硬件架构 本系统涉及与多个硬件的通讯工作,其中包括:中控指纹仪,用于学生签到模块中的指纹录入及学生签到功能;POS打印机,用于实验室学生实验药品清单的打印,清单信息包括用户实验方案、所需药品的位置、用量、实验编号等信息并附带条形码;TQ2440开发板,是嵌入式控制终端的运行平台,用于运行嵌入式控制终端软件;条码扫描器,用于扫描条形码清单上的实验编号信息,并将编号传到嵌入式软件,软件做出相应的响应。 3.3系统功能模块设计 通过结合当前实验室对药品管理系统的需求分析,本系统设计出如下功能模块。 3.4数据库设计 数据库是实验室信息管理系统的基础和核心,它关系着实验室的工作效率和业绩,一个科学、合理的数据库是LIMS成功创建和稳定运行的基础。在材料化学实验室管理系统(MCLIMS)中数据库作为信息的来源及存储工具,也是连接上位机LIMS、嵌入式控制终端的数据共享的桥梁。根据对各模块的处理过程及需求分析,以MySQL作为数据库服务器,将数据库设计包括以下几个方面。①与用户相关的包括用户登录表,用户签到表,用户指纹表,用户请假登记表,用户科研信息表,用户基本信息表,用户导师信息表等。②与仪器信息相关的包括仪器预约信息表,仪器信息表,仪器外借信息表等。③与化学药品相关的有:化学药品信息表,化学药品使用信息表,化学药品剩余量信息表,药品短信验证表等。④与测试仪器相关的数据表有:仪器测试用户表,样品测试参数信息表,样品测试信息表等。 3.5系统的具体使用流程 本系统由上位机LIMS软件、嵌入式控制软件及存储柜实体构成。用户使用时对于非药品使用的模块都可以直接通过上位机LIMS软件完成,包括用户签到、实验室仪器、导师信息管理等。用户要完成实验,要经过几步:打开药品使用模块、检索药品的信息如余量、位置。然后根据实验规划分别添加药品信息;确认药品配方并打印清单,清单信息上会附带药品的位置,用量信息,实现学生实验无纸化记录;将药品清单携带到药品存储柜终端,扫描条形码,嵌入式终端检查条形码的合法性,然后检索并显示信息。同时,相应柜门开启,完成取药,每个条形研只能使用两次。 4结语 本文根据当前材料化学实验室对信息管理特别是药品的管理的功能需求,设计并研发了一套材料化学实验室信息管理系统,该系统主要分为3个功能框架:上位机LIMS、嵌入式控制软件及存储柜实体。然后给出了该系统的实现方案及系统架构,分别设计了系统的功能模块。该系统操作方便、安全性高、功能设计丰富并人性化。总线型拓扑结构也使得存储柜数量易于扩充布置。系统为实验室的管理提供为极大的便利,大大地实现实验室资源信息的共享,不管是导师还是学生,都能从此系统中感应到使用的便利性,提高实验工作的效率,加快高效实验室信息化。 作者:瞿秋亮 杨君友 单位:华中科技大学 材料化学论文:材料化学工程方向研究生教学探析 材料是人类赖以生存和发展的物质基础,与信息、能源并称为社会文明的三大支柱。人类社会的发展历程,是以材料为主要标志的。从人类以石头为工具的旧石器时代到对石器进行加工进入新石器时代,再到后来的青铜器时代、铁器时代、钢铁时代,人类的发展历程可以说就是材料的发展史。现代社会,材料已成为国民经济建设、国防建设和人民生活的重要组成部分。材料化学工程在这种大背景下应运而生,本学科以化学、化工、物理学为基础,系统学习材料科学与工程的基础理论和实验技能,并将其应用于材料的合成制备、结构表征、性能检测及其应用等方面的新兴学科,是一门交叉性与工程技术密不可分的应用科学。但随着社会进步,旧的研究生教育模式的弊端逐渐显示出来。本文基于材料化学工程的特点,分析了现今研究生教学中存在的问题,并提出了解决办法。 1存在的问题 1.1内容广,概念多 材料化学工程是以化学和化工基础,研究、开发、生产和应用金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料的工程领域。研修的主要课程包括物理化学、材料科学基础、材料力学、材料工艺、高分子材料、金属材料、无机非金属材料等。在基础课程中概念多、公式多,如在物理化学中的热熔、积分溶解热、积分稀释热等,有些概念相似如果不仔细区分容易混淆。在诸如高分子材料这类介绍性的课程中名称特别多,如聚丙烯、聚氯乙烯、环氧树脂等,这些材料在我们的生活中经常接触。但通过学习很多学生还是不能识别基本的材料,掌握它们的基本制备工艺和用途。 1.2叙述性的内容多 关于三大材料的学习主要是叙述性的内容多,比较抽象。例如,金属加工中热处理的四把火:退火、正火、淬火、回火,退火又分好几个种类,每种钢材根据用途不同,而选择不同的工艺条件。但是只通过课本的叙述,对于很多材料依旧没有直观的认识。虽然很多同学有参加过金工实习课,但是时间不长,很难做到全面深入的了解,对一些材料的性质、加工方法感到陌生,从而逐渐丧失学习兴趣。另外,在材料的合成中,每合成一种材料,需要通过一系列检测看所得物质是否为目标产物。又或者合成一种新的物质,也可以通过检测分析出其结构性能。材料专业的学生都有一门必修课《材料结构表征及应用》详细介绍了材料表征中各种检测手段。但是很多同学拿到检测结果却不会分析。 1.3课程教学与现实联系不够紧密 研究生与本科生最大的不同就在于,在接受系统知识的同时,必须加强研究意识、创新意识和研究能力的培养[1]。材料化学工程是一门应用型学科,与实际应用密不可分。课程安排之前的金工实习,目的是锻炼学生动手能力,对材料的加工有所了解。此外,还有一些实验操作课,但是很多时候由于时间安排不合理又或者设备少学生多,平均几人一台设备,学生动手机会操作不够,有时候老师只能靠演示的方法让学生观摩,学生完全处于一种被动的学习状态。还有部分同学在实习中怕脏、怕累,不愿动手操作。另外,在课程结束后还有参观见习,对材料的加工制作有个直观的认识,但是很多时候由于人员过多,加上工厂环境复杂,很多同学在见习过程中往往走马观花,只停留在看热闹的表面功夫上。 2解决办法 2.1培养学习兴趣 科学家爱因斯坦说过:“兴趣是最好的老师。”老师首先要做的就是激发学生的最大兴趣并使之保持这种热情。材料化学工程与我们的生活密切相关,老师可以在讲授过程中结合我们实际生活中的用途。比如高分子材料中的聚丙烯腈,常与羊毛混纺制成毛织物等,可以制作毛毯、军用帆布、帐篷等。被称为“人造羊毛”。又如我们生活中常见的木制家具,其实很多都是由木塑复合而成:以木材为主要原料,经过处理使其与各种塑料通过不同的工艺复合而成。既保留了木材良好的加工性能,同时具有塑料的耐水、耐腐蚀、使用寿命长等优良性能,还符合环保的大前提。通过这种理论结合实际,能激起学生学习兴趣,鼓励学生自己查阅资料了解更多信息。 2.2疏通知识结构,掌握各学科之间的联系 在材料化学工程形成前,高分子材料、无机非金属材料、金属材料科学都已自成体系,而且他们之间存在着很多相似之处,可以相互借鉴,促进本学科的发展。如马氏体相变本来是金属学提出来的,广泛地用来作为钢材热处理的理论基础。但在氧化锆陶瓷材料中也发现了马氏体相变现象[2],并用来作为陶瓷增韧的有效手段。另外,各类材料的研究设备与生产手段也有很多相似之处。虽然不同类型的材料各有专用测试设备与生产装置,但更多的是相同或相近的,如显微镜、电子显微镜、物理性能测试和力学性能测试设备等。在材料生产中,很多加工装置也是通用的。比如生活中很多塑料用品大多是通过注塑成型加工而成,但其实与粉末冶金工艺中的压坯过程相似。随着科学技术的发展,各学科间已无明显界限,甚至不同材料之间能相互代替。不过凡事都有规律可循,只要掌握规律很多问题便迎刃而解。作为材料的规律就是:组织决定性能,性能决定应用[3]。再根据性质选择材料,依据用途确定工艺路线。抓住这一规律,学习时就不会感到毫无头绪。 2.3传统教学与现代教学方式相结合 传统教学大都采用“填鸭式”方式,学生听课主动性、积极性不高。新的教学改革中应采用启发式、互动式和讨论式等新的教学方式。老师在课前布置问题,分小组完成不同的部分,让学生带着问题去学习,查找资料,每组选择代表在课堂进行发言,然后再各组进行讨论。这样不但发挥了学生的主观能动性,活跃课堂气氛,减轻了老师的授课负担,还锻炼了学生自己分析问题、解决问题的能力,达到事半功倍的效果。相比传统教学,计算机汇集了图像、文字、声音等元素,极大的丰富了教学色彩,调动学生学习积极性,具有直观、生动、形象的元素,可以将抽象的理论知识和工艺方法生动的展现在学生眼前,增加课堂趣味性,提高学生的感性认识,有利于知识点的理解和掌握。同时可以结合一些相关视频比如:注塑成型、挤出成型、模压成型以及金属材料的冷加工热加工等。这些视频网络上都可以找到,如HOWITISMADE、TEDSHOW等。通过相关的视频,既可以活跃课堂气氛,也能调动学生学习积极性,甚至激励学生自己在课外继续学习观看。这种多媒体教学与视频教学相结合的方法,既减轻了老师的负担,同时激发学生学习兴趣,调动积极性,促进教学任务顺利完成。 2.4开设软件分析课程 作为材料化学工程研究生,材料检测分析应该成为一种必备的基础技能。但是很多时候拿到检测结果却不会分析。软件分析课程可以很好的解决这个问题。所有的检测结果都有软件可以分析,比如FTIR、XRD、NMR等,借助这些软件,可以快速地分析所得结果。比如JADE,作为一款分析XRD数据的软件,它可以对物相进行定性定量分析。虽然软件分析不一定完全正确,更多的时候还是根据理论基础来判断,但软件分析可以作为一个辅助手段。这样学生既掌握了一门技能,而且大大提高了学习效率。 2.5课堂教学与实践相结合 俗话说“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行”。作为一门应用型学科,课堂所学的最终都是要能应用到实际生产中去。在涉及如注塑成型、挤出成型等高分子材料成型工艺时,可以穿插一些参观实习课。通过参观实习,直观地了解材料加工制备过程,将自己所学知识配合生产。理论上可行的事情,在实际应用中还需要考虑到原材料、工艺条件的控制、销售渠道、成本控制等。如果有可能,可以尽量选择一些大型的工厂基地,接触现代化的机器设备,体会先进生产力的发展,感受到世界一流水平的实力。为学生丰富见闻开阔视野提供机会,这将对培养学生的自信很有帮助,尤其是对于一些非重点名校的学生。另外,通过与企业或者研究单位联合培养,即“产学研结合”。“产学研结合”一般指企业、学校、研究单位之间的相互合作和优势互补。李元元等认为产学研结合是培养工科硕士的最佳途径,学位论文的选题和相关实践应当与工矿企业的工程实际相结合,密切结合其技术改造、革新、引进等技术难题或科研攻关项目。这将有利于从根本上解决学校教育与社会需求脱节的问题。缩小学校人才培养与社会需求脱节之间的差距,增强学生就业竞争力。 3结语 按照教育部颁布最新的学科体系,材料化学工程是化学工程与技术的方向之一,主要以化学、化工和材料为基础的应用性学科。因而在材料化学工程研究生教学中存在理论多、知识点多、概念多及与实践联系不够紧密等问题。针对上述问题提出了激发研究生学习兴趣,疏通各学科知识结构、掌握它们之间的内在联系,教学中注重传统教学与现代教学方式相结合,开设软件分析等实用性课程,理论教学与实践相结合等解决办法。 作者:陈志彦 杨亿 单位:中南林业科技大学 材料化学论文:论无机材料物理化学的教学革新 无机材料物理化学课程现状 目前,无机材料物理化学课程沿用陆佩文[5]编写的硅酸盐物理化学课程体系,在多年教学过程中发现该课程体系存在如下的问题: 1知识点分散 无机材料物理化学课程的内容包含了材料科学基础的晶体学及晶体缺陷的内容,包含了材料加工的基础知识相平衡和相图,同时又涵盖了无机非金属加工过程特有的熔体和玻璃体,陶瓷加工过程的基础粘土水系化学,烧结加工过程的扩散、固相反应、固态相变和烧结等基础知识.课程体系分散复杂,课程的内容繁多,每一章单独成为体系,前后的联系不够明显. 2与实际接触的宏观事物距离较大 无机材料物理化学的教学体系以理论推导为主,涵盖了大量的前期科研工作者进行的理论推导,并且结合实践给出了很多应用.由于工科学生课程体系设置的特点,注重工程实际,注重在实践中解决问题.因此,在学生现有认识事物的体系中,对于宏观上能看到、能摸到的理解和掌握起来比较快,而对于微观的、抽象的体系认识起来难度比较大. 3与实际的生产不能有效结合 现有无机材料物理化学课程作为工科课程来讲,离实际工程应用距离比较远,对学生的吸引力不够,很多学生在课堂上经常问学了这么多公式、这么多图有什么用,而这个问题按照现有的课程体系无法回答. 无机材料物理化学课程体系改革 无机材料物理化学的知识点总体上概括起来可以分成两个主要方面,一是与陶瓷(水泥)生产密切相关的知识,二是与玻璃生产密切相关的知识体系.在此为分类基础上,对课程的知识点和讲授顺序重新进行了调整尝试. 1以陶瓷生产为主线的课程体系设置 在介绍与晶体相关的知识过程中,主要以实际中的陶瓷为例,首先进入晶体的微观世界,引出陶瓷的晶体结构,由晶体结构引出晶体概念、晶体化学知识,在晶体中漫游会发现很多缺陷,进而介绍缺陷的知识.简要介绍陶瓷的生产工艺,从原料加工到成品过程用动画演示,介绍原料过程中讲解粘土-水系的胶体化学,其中包含的胶体性质及一般的熔体性质通过固体的表面和界面部分来了解;利用陶瓷烧结过程中的烧结温度选择,引出相平衡和相图,重点介绍这部分内容,在烧结过程中的微观动画展示后引出扩散-固相反应-烧结.此部分中,重点是晶体的结构及相平衡的知识. 2以玻璃生产为主线的课程体系设置 与玻璃相关的课程知识介绍的过程中,首先展示玻璃,随后简要介绍玻璃的生产过程,该过程由于有无机非金属材料工学进行具体介绍.因此,只需描述即可,其后引出玻璃原料,简要复习晶体结构知识,按照生产流程加热熔融后的现象要有熔体和玻璃体部分来了解,结合玻璃的生产讲解相变过程中涉及到非晶体部分相平衡中的知识.在此部分的讲解中重点介绍非晶态物质的形成机理及过程.通过如上的体系改革使学生能够充分认识课程知识,并且知道整个体系的来龙去脉,使学生由过去的被动接受变为主动有意识的学习,形成良好的学习动力. 课堂教学过程中“四要素”的融会贯通 材料科学与工程的“四要素”始终作为课程讲授的主线,作为基础课程,主要授课的目标还是材料科学这四个要素之间是如何建立起联系的,为什么有这样的联系,影响因素等知识.在结晶学部分每介绍一个新概念,都有意识介绍该概念对无机材料工艺及性能的影响及其应用,如介绍空间群概念后简要介绍空间群分类后对压电性能的影响,丰富学生的知识体系,而且可以更好的融会贯通,理解概念.在熔体部分的性质概念介绍之后,要简要了解熔体的性质对玻璃加工工艺的影响.在讲粘度时,主要介绍粘度与温度和组成等因素的关系,但是到底会有什么样的影响并没有介绍.因此很多学生就是为了学习粘度知识而死记硬背,不知道粘度的具体应用,而在课堂上简要介绍过粘度会影响玻璃的加工温度及玻璃的成型性能时,同时简要介绍怎样影响的,就会使学生知道知识是有用的,学习起来目的性更强,而且方便对一些概念的理解记忆,而不是简单的死记硬背.在相平衡一章中,相图是一个重要的知识点,也是材料科学体系中一个非常重要的工具,学好相图对材料科学下一步学习至关重要.但是在以前的教学过程中按照书本的知识体系从头到尾介绍之后,很多学生都是一片茫然,似乎感觉是学习了几何学又或是物理学,不知道无机材料物理化学中为什么要单独拿出这一章来讲解这个图.经反思教学过程发现,在教学过程中过分重视教学内容的传授而忽略了这个工具实用性的介绍,按照“四要素”理论,相图这个工具应该是工艺制定的重要根据,因此在改革后的讲授过程中,在介绍过相率和简单的三元相图等基本知识后,就具体地举了一个Al2O3-SiO2-CaO三元体系陶瓷烧制的过程,简要介绍了如何利用三元相图进行原料配料计算,如何确定烧成温度,及得到的烧成体的主要成分和构成等知识.使学生先知道三元相图的作用,在材料学“四要素”体系中的位置,然后在具体地讲解三元相图的分析过程,并且在讲解过简单的三元相图后还要举1~2个实际的复杂例子进行实际应用. 教学改革的效果 经过2年多的教学改革试点,学生的课堂听课效果有了很大改观,原来每个自然班约有50%的学生坚持在课堂上听课,很多学生由于跟不上进度而睡觉或者干脆逃课.改革后,无机2009级学生坚持听课的达到了80%以上,学生听课状态明显好转,听课热情很高,而且课间休息时问问题的学生数目明显增加.对齐齐哈尔大学无机材料2008级和2009级学生进行了授课效果评价,90%的学生认为能够掌握课程基本内容,学生的考试及格率由90%提高到96%,平均分由77.6分提高到81.2分,有了较大幅度提高.在总结了无机材料物理化学课程教学过程中存在问题的基础上,通过以材料科学的“四要素”为基本思路,对无机材料物理化学课程中大量的知识点进行了重组,丰富了与实践结合更加紧密的知识内容,探索了一条实用性很强的无机材料物理化学教学改革新途径.(本文作者:王超会、顾晓华、李晓生、杨长龙 单位:齐齐哈尔大学材料科学与工程学院) 材料化学论文:建筑材料化学特性与耐久性分析 摘要:对于土木建筑材料的化学特性要充分进行掌握,才能够更进一步地将土木建筑材料运用到合适的位置,对土木建筑材料的运用,实际上就是对其化学上的变化进行运用,因此,要熟悉常见的建筑材料的化学特性,才可以更加适当地进行运用。 关键词:建筑材料;化学特性;耐久性伴 随着当前中国城市化的脚步越来越快,土木工程的质量也涉及到整个城市发展的方方面面,特别是土木工程所选用的各种土木建筑材料,实际上会影响到整个建筑物的建筑质量。选用合适的土木建筑材料,实际上应该充分考虑到这些建筑物本身的化学性质,还有这些土木建筑材料是不是能够更加耐久,这些实际上都是整个建筑物的质量保障。如果土木建筑物的材料在结构上面并不是非常优秀,或者是建筑材料本身出现的化学特性无法适应所建设地区的具体情况,那么在建筑的过程当中都可能降低其耐久性。所以,在建筑材料的化学特性和耐久性方面,应该充分考虑好这些材料的具体特征,要选用合适的建筑材料,这样才能够更好地推动城市化的发展。 1土木建筑材料的化学特性探究 土木建筑材料实际上是非常广泛的一类物质,比如混凝土或者砂浆等,都是属于土木建筑材料的范畴。而且每一种土木建筑材料的化学性质范围也非常大,不过针对土木建筑过程当中的一些具体状况,实际上选用土木建筑材料的过程中,重点还是关注这些建筑材料的化学稳定性。因为部分土木建筑材料在特定的环境当中会产生一些化学反应或者变化等,这些变化不同于物理形态上的变化,而是一种化学方面的变化,这样的变化是非常广泛,而且影响也非常深刻,所以应该要加以关注。如果一些土木建筑材料的化学变化是能够强化工程的稳定性的,那么就可以加以采用,但是如果一些土木建筑材料的化学变化可能会导致一些负面影响。所以对于土木建筑材料的化学特性要充分进行掌握,才能够更进一步地将土木建筑材料运用到合适的位置,对土木建筑材料的运用实际上就是利用其化学上的变化进行运用,因此,要熟悉常见的建筑材料的化学特性。下面本文将对混凝土和砂浆这两种常见的土木建筑材料的化学特性进行分析。 1.1混凝土的化学特性 混凝土,实际上划分为非常多的品种,不同品种的混凝土实际上化学特性也有一定的差别。比如轻骨料的混凝土,其骨料的孔隙比例也相对比较高,在抗拉的强度上面相对比较地,特别是表面上的密度是比较小的,对于水分的吸收比例也比较大,弹性模量比较低。从物理性质上看,其热膨胀的系数比较小,收缩和徐徐变动比较大,保持室内的温度上也有这比较好的性能。从化学的特性上看,轻骨料的混凝土重点是为了实现建筑物的保温和结构上的保持作用。多孔的混凝土,实际上也是轻骨料的混凝土的一种,其主要是有一些微小的气泡均匀地分布在整个混凝土当中。多孔混凝土一般而言都是采用一些硅类的材料和钙类的材料加工形成的,所以其在化学特性上也表现出上述两种元素的一些基本性质。由多气孔的混凝土形成的建筑材料,一般都是处理在屋子的面板,或者是堆砌的模块里面,在内外的墙板方面也是有一定的应用。这些成品,实际上都是在工业类的建筑,或者是民用类的建筑当中,在保温工程方面有着比较好的作用。另外一类的混凝土主要是抗冻的混凝土材料,这一类的混凝土材料重点是采用引气剂来提升混凝土自身的抗冻特征。有了引气剂,混凝土当中就会相对均匀地分布这些气孔,从而比较稳定和密闭。防渗漏的混凝土,其在防渗漏方面的一些基本化学原理,是因为加入了一些外加剂摻和在一起,这样控制了混凝土内在的一些构成材料,在质量上也相对比较稳定,更加合理地对混凝土进行配合比较,这样一些混凝土里面的毛细管就会被堵塞住,内部的结构也会比较严密,界面也不会产生一些裂缝之类的,在防渗漏的性能方面也就比较理想。高强度混凝土重点是能够在重载方面承受更多的重量,其跨度更大,在一些极端和恶劣的使用环境里面有着一定的应用价值。 1.2砂浆的化学特性 砂浆在土木建筑的建造过程当中应用也是非常广泛,特别是在砌筑或者抹面的过程当中,也都会运用到砂浆。砂浆的保水性能是比较好的,其一般而言都是运用了胶凝材料和细骨料、水等之间进行结合,这样的结合会根据一些具体的比例进行调整,以此帮助砂浆的化学性质更好地适应当前的土木建筑工程需求,在一定的时间下,这样的砂浆就会硬化形成一定的材料。所以砂浆的种类也会根据应用的途径进行划分,一般划分成为装饰、砌筑、抹面三种主要类型,而一些应用在特殊的建筑过程里面的砂浆,称之为特种砂浆。砂浆的强度一般都是一立方体试件作为检测。砂浆由于其化学性质上体现出来的特点,所以在对砂浆进行变形的时候一定要注重均匀,这样砂浆里面所包含的水分才不会容易出现六十的状况,砂浆和基底之间要粘结相对比较好,这样才不容易出现其他条件下的形变。防水砂浆也是当前比较常见的一种特种砂浆,其主要是在砂浆当中融入了一定比例的防水剂,这样有助于水泥砂浆的涂抹的过程当中处理好防水的问题。而普通的砂浆重点是其化学反应并不是非常活跃,所以能够对整个结构主体形成一定的保护作用,提升砂浆涂抹在外层的稳定性。 2建筑材料化学特性及其耐久性的归结分析 对于建筑材料而言,其化学特性和物理特性是相互结合在一起。建筑材料在应用在建筑的过程中,一般其内在的形态会产生一定的变化,特别是材料的内部缝隙或者体积等会膨胀或者收缩,不过其化学上的稳定性一般还是比较好的。在相对比较寒冷的条件下,比如冻结或者融化等气候变化情况都会对建筑材料产生比较明显的破坏作用。而在平均温度比较高的地带,建筑物所采用的各种土木建筑材料则是需要能够耐得住高温的影响。所以,无论是民用的建筑材料,还是公共的建筑物,这些建筑材料实际上都应该具备防火性能。而抵抗化学侵蚀,重点是抵御化学的酸类、碱类以及盐类等物质的侵蚀。土木建筑材料的耐久性,一般在建筑界都是认为在具体的环境里面可以抵抗各种不利因素的影响,可以长时间保持这样的一种形态。当前的建筑材料在形成建筑物之后,就会受到各种物理上或者化学上的负面影响,但是在这些影响的条件下,这些材料还应该保持其原来就具备的性能。如果具体的环境相对比较恶劣,或者建筑的条件比较差,在这些因素的长期影响之下,就容易让这些土木建筑材料丧失原来的性能。所以,维持土木建筑材料坚固耐用的特征,就需要关注到土木建筑材料的化学稳定性,特别是在耐久使用方面,要关注到建筑材料使用功能方面的发展。从本质上总结,土木建筑材料的化学特性对于耐久性的影响,重点还是体现在两个方面。一个方面,土木建筑材料本身的内在构成或者其组成的成分就容易形成一定的变化,其密度和实度等方面都会存在一些不利的因素,在相对固定的界面上,土木建筑材料也会因为各种化学生成物产生一些膨胀,这种热膨胀系数上面的差异,就会产生建筑材料的耐用程度不足。在长期荷载各种重量,或者金属疲劳、电解等化学反应等影响下,都会影响到土木建筑材料的耐用性。而从另外一个方面上看,土木建筑材料,实际上也应该看到建筑材料在外部因素下产生的各种化学影响,比如在一些干湿循环或者溶解的过程当中所出现的化学变化。如果是应用木材等,则是容易在温度或者湿度等条件下产生一些腐蚀的情况。因此,建筑材料的化学特性和其耐久性是紧密联系在一起。 3结束语 在应用土木建筑材料进行建设的过程中,一定要注重对土木建筑材料的化学特性和耐久性等进行分析,并且充分了解土木建筑材料的化学特性以及物质特性等方面的内容,从而更好地提升土木建筑材料的使用寿命。这样能够从经济效益上提升对建筑材料的应用,也可以让建筑材料所运用的资源得到充分的保障,避免这些资源造成了浪费。 作者:纪占斌 单位:西京学院 材料化学论文:高分子材料与有机化学教学现状分析 摘要:有机化学是高分子材料与工程专业一门重要的专业基础课,本文针对高分子材料与工程专业的专业特点及学生情况,分析了有机化学教学中存在的问题,从教学内容、教学手段和考核方式等方面提出了课程的改革措施。 关键词:高分子材料与工程专业;有机化学;教学现状;教学改革 有机化学是化学学科中的一个十分重要的组成部分,它的主要研究对象是有机分子,从有机物结构入手,研究有机化合物的化学性质,在分子水平上探知未知世界的基础学科。在我校,有机化学是面向化工学院、药学院二年级,以及海洋学院一年级学生开设的专业基础课程,是“大类培养”的主干课程。通过有机化学课程的学习,可使化学类学生掌握有机化学领域的基本理论、基本知识和实验操作技能,把握有机化学发展领域的新概念、新动向和新技术,同时为后续专业课的学习打下坚实的基础。 1.教学现状 在工科院校,有机化学的教学课时“缩水”,如我校有机化学虽然是“大类培养”的重要专业基础课,但是其课时数被压缩到64个学时,教师必须在一个学期之内完成教学。而有机化学作为高分子材料与工程专业的基础课,是高分子化学、高聚物合成工艺学、高分子材料学等后续专业课的基础,学生必须在有限的课时数里掌握《有机化学》这门课程,难度大,任务重。另外,由于江苏省高考制度,较大部分的学生高中阶段选修的“物生”,进入大学后化学知识特别是有机化学基础知识非常薄弱,一个教学班级里,学生的化学知识水平参差不齐。通常是刚进入大学的第一学期学习无机化学,对于选“物生”的学生来说,没有化学基础,一开始就挫伤他们学习化学的自信心。学习有机化学时,多数学生对有机化学的学习有畏惧感。如果入校时对专业认知不够,不能看到有机化学学习对高分子材料与工程专业学习的重要性,更是对有机化学失去兴趣。再者,有机化学课程自身的特点,由于有机物数量多,结构多变,机理难掌握。而工科院校的有机化学课时数又被压缩,教师为了教授完大纲的教学内容,不得不采取“满堂灌”教学方法,使得学生缺乏主动获得知识的能力,被动“填鸭式”教学必然导致教学效果不理想。一学期教学结束,发现学生知识掌握不好,除了少部分拔尖的学生,大部分学生对这门重要的专业基础课一知半解,学到的有机知识很少。 2.教学改革 结合有机化学学科规律,针对高分子材料与工程专业特点,对教学内容进行优化、取舍;改进教学手段,选聘高年级本科生、研究生做助理班主任,让他们参与本科生教学,形成多元化的本科生教学队伍;改革考核方式,实现高分子材料与工程专业有针对性的考核方式,教考分离。(1)改革教学内容有机化学的教学关键是引导学生“有机”这一学科,不同于其他几门基础化学课,有机化学基本不涉及计算,不涉及公式,说的是图片的拼接,化学键的断裂与重组,以构建新的有机分子。那么,在教学过程中如何引导学生使用“有机思维”思考问题才是关键。当我们谈到如何面对课时数被压缩这个问题,如果抓住“引导学生进入有机化学这个学科”这个关键问题,就能依据高分子材料与工程专业的培养方案,深入分析研究教学大纲和教学目标,对教学内容进行取舍。在改革教学内容时,还要考虑以下两个方面问题:一是研读多种版本的教材,最新版本的中、英文有机化学教材和专著等,从不同研读、分析深度的教材方面,准确把握“基础有机化学”教学重点、难点,结合高分子材料与工程专业的特点来取舍教学内容。二是关注高分子领域的研究前沿,发展动态,结合传统的知识,推陈出新,把最新的知识信息教授于学生,引导学生了解最新的前沿,激发他们的兴趣,使之感觉到目前所学知识的有用性。(2)改革教学手段我校近年实施了一项“班主任助理”制度,选派高年级本科生、研究生担任本科生班级班主任助理,取得了很好的教学效果。高年级本科生、研究生参与本科生教学,形成多层次、多元化的本科生教学队伍。高年级本科生已经学习了有机化学专业基础课,经历过有机化学的学习和考核,有自己的学习方法和技巧;他们已经进入高分子材料与工程专业课程学习,对哪些知识对专业课学习重要有切身体会;他们与低年级学生同属于一个年龄阶段,有更多的共同话题,沟通交流更容易,帮助学生及早发现自己的优缺点,扬长避短。高分子材料与工程研究方向的研究生,通常具有扎实的专业基础知识,已经接触了专业的前沿研究方向,可以对高分子材料与工程专业低年级学生的学业、思想及心理等方面给予关心和指导。而且本科生可以在研究生的带领下主动做一些创新创业项目,这使得本科生更清楚自己在课堂学习中哪方面有不足,增强本科生对基础知识学习的热情,使他们在有机化学课堂学习中更积极、努力。(3)改革考核方式良好考核方式可以极大地促进学生的学习热情,提高他们学习的积极性。目前,我院不同专业实行统一考试,如环境工程、化学工程、安全工程和高分子材料与工程等专业统一出卷,流水阅卷、统一登分,做到公正、准确。但是,这种“统一”的方法抹杀不同专业对有机化学需求的不同,使得教师和学生忽视基础课对后续专业课的影响,结果是为了考试而学习,不能真正掌握自己专业需求的有机化学知识。为了提高学生的整体素质和学习积极性,我们应实现不同专业单独出卷、单独考核的方式。卷面上可以体现出适合高分子材料与工程专业的题目,结合他们的后续专业课程。哪些知识是有机化学这门课程必须掌握的基础知识,哪些知识是关联高分子材料与工程的专业知识。同时,建立针对性的有机化学试题库,使学生接触更多不同的题型,拓宽知识面。建立适合高分子材料与工程专业的有机化学试题库,有机化学课程理论考试按照一定的难度系数、教学要求、考试范围等,统一从试题库里抽调,实现教考分离。 3.结语 为全面提升高分子材料与工程专业的有机化学教学质量,我们要结合有机化学学科规律,针对高分子材料与工程专业的专业特点,从学生的实际出发,认真分析总结,精选教学内容,创新教学手段,改革考核方式,不断激发学生的学习兴趣,以提高高分子材料与工程专业的人才培养质量。 作者:陶传洲 王慧彦 王建 许瑞波 程青芳 单位:淮海工学院化工学院 材料化学论文:化学化工材料应用技术初探 摘要:化学化工材料作为材料化学重要的分支之一,不仅关系化学化工领域同时也与材料科学息息相关。从目前的情况来看,化学化工材料已经被广泛应用到社会建设中的各个行业当中。而随着社会经济建设的发展,绿色型化学化工材料的应用也成了当前各个行业发展中重要的议题之一。在本文中,笔者主要针对化学化工材料在建筑以及农业生产这两个行业中的应用进行阐述。 关键词:化学化工材料;应用技术;研究 伴随着当前社会经济建设的不断发展以及科学技术的飞速进步,化学化工材料与人类社会的关系也越来越密切。而自从可持续发展社会这一概念的提出,在应用化学化材料时也有了更加严格的要求。在当前,化学化工材料不仅要能够满足应用过程中的各项参数,同时也应当要减少对环境的破坏,研究并应用绿色型化学化工材料,这样一来才能在发展社会经济建设的同时,保障生态环境的可持续发展,为国民以及未来的子孙后代创造出更加良好的生存环境。在当前,对于绿色型化学化工材料需求最高的就是建筑行业以及农业生产行业。 1化学化工材料在建筑行业中的应用 从当前建筑行业的实际发展状况来看,化学化工材料的应用是十分广泛的,从外部结构到内部装修都需要用到化学化工材料。然而,虽然应用十分广泛,但是在2008年以前绿色型化学化工材料在建筑行业中的应用却一直存在瓶颈。而到了2008年,在建造奥运会场馆之一的水立方时,大量的绿色化学化工材料被应用到建筑的施工当中。譬如说,水立方的主体结构采用的就是以水性聚氨醋为主要成分的有机化合物。该化合物不仅具备较高的粘合度,同时还兼具零挥发的特性,这样一来,既能够减少维护成本,同时也能够起到保护环境的作用。同时,水性聚氨醋的防火性也较好,对于提高场馆的安全性也有着极大的帮助。众所周知,在任何一座建筑的施工当中,建筑的防火性都是最受关注的问题之一。因此,水性聚氨醋的应用对于保障场馆的安全,延长场馆的使用寿命有着极大的帮助。而这也为建筑行业未来的发展当中,绿色型化学化工材料的使用奠定了基础。除了防火性以外,对于建筑来说,隔热性以及保温性也是较为重要的功能。当前,为了提高建筑的隔热性与保温性,施工单位在进行施工的时候倾向于使用聚氨醋硬泡材料,该材料的应用不仅能够有效提高建筑的隔热性和保温性,同时也具备降噪功能。而除了采用聚氨醋硬泡材料来加强建筑的隔热保温性能以外,也可以将乙烯一四氟乙烯的共聚物应用到建筑工程的建设当中,这是因为,乙烯一四氟乙烯的共聚物具备控制室内温度的功效,因此能够更好的调节建筑内部温度,同时还可以起到节能的效果。 2化学化工材料在农业生产中的应用 伴随着当前科学技术的不断发展,各式各样的化学化工材料已经被广泛的应用到农业生产当中。然而,随着绿色以及环保概念的提出,当前的国民也开始注重农副产品的绿色性,农副产品不仅要具备较高的品质和口感,同时也需要具备较高的安全性。在这样的情况下,绿色型化学化工材料的应用不仅能够更好的满足于国民对于农副产品质量以及价格上的要求,同时也能够满足与国民对于绿色、生态的要求。在农业生产过程当中,农药的应用是少不了的。然而,传统农药的应用,虽然能够提高农作物的产量以及品质,但是却忽略了对人体以及环境的伤害。而随着当前人们观念不断地刷新以及科学技术不断的进步,已经有许多人认识到农药对于人体和环境造成的危害。因此,安全绿色农药的研发迫在眉睫。从目前我国化学农药的研发成果来看,腐殖酸类农药对于农作物的生长以及环境的保护有着巨大帮助。这是因为,腐殖酸类农药不仅具备较高的降解性,同时残留物也较少,这样一来就能够减少农药在土壤、农作物上的残留,从而进一步保护生态环境以及国民的身体健康。除此之外,在农业生产过程当中,经常将生物菌剂与化学化工材料进行结合应用。之所以要这样做是因为在当前的农业生产当中,生物菌剂的应用虽然能够改善农田的土壤环境,保护生态环境。但是,在实际的农业生产过程中,由于农业生产中任何一项活动都有可能对农田土壤中的细菌结构造成影响,因此使得生物菌剂无法充分的发挥作用。这样一来,就使得生物菌剂无法发挥真正的效用。而生物菌剂与化学化工材料的结合应用,就能够有效的发挥生物菌剂作用,有效控制农作物生产过程中的病原菌,从而帮助农作物更好的进行生长。 3结语: 综上所述,无论是建筑行业还是农业生产行业,化学化工材料的应用都是必不可少的。然而,随着当前生态环境问题的加重,可持续发展社会概念的提出,在使用化学化工材料进行施工、生产等工作时,必须要注重化学化工材料的绿色性,这样一来才能促进我国社会经济建设的同时,保护我国的生态环境,为国民的生活创建更加优良的空间,实现社会主义现代化社会的建设。 作者:刘现泽 单位:河北正中实验中学2014级 材料化学论文:低热固态化学反应的合成材料 1.低热固态反应的发展过程 所谓固态反应,通常情况下都是表示在高温情形下固态的反应,截止到目前,已经有了大量固体材料。不过通常高温固态反应大多是只是用在热力学非常稳固的化合物上,而且一些属于低热条件下的稳化合物及动力学上稳定的化合物,通常运用高温合成的效果并不是非常理想。因此人们在提升固态反应速度的阶段中,降低了反应的温度,分析和研讨了一系列新的材料合成方法[1]。譬如水热法、微波法等其他相关的方法。不过这种合成方法出现非常大的问题,具体而言,操作较繁杂,成本费用偏高等,因此没有进行推广应用。在20世纪的80年代末,温室固态化学反应被人们发掘和研发出来。经过了多年实验改善,低热固态化学反应合成材料在技术技术已经有了很大进展,这种方法显著的优势就是在固态反应过程中的温度可以在一定程度上降到室温。另外其整体的操作非常简单,同时不使用溶剂、环保节约能源等,这一点比较满足现代绿色发展的需求,因而得以广泛推广。 2.低热固态化学反应的合成材料 2.1原子簇与三阶非线性光学材料 原子簇属于无机化学、结构化学、催化学等多种学科的综合领域,并且具有多样性、催化性、生物活性等多方面的化学特性。低热固态化学反应合成原子簇化合物能消除溶剂化作用,在合成过程中能得到溶液中得不到的化学物质。目前通过此种合成方法已经得到了200多种类型的簇合物,比如一些半开口类型:类立方烷结构的(Et4N)3[MoOS3Br3(u-Br)]2·2H2O,蝶形结构MoOS3Cu2(PPh3)2(Py)2,鸟巢状结构的[MoOS3Cu3(py)5X](X=Br,I)三阶非线性光学性里面基本上涵盖了光线辐,自散焦聚焦,以及其他相关的内容,等等。运用该类非线性现象可以制作不同类型的器件,譬如混频调制及储存等类型的器件。 2.2纳米材料 纳米材料含有块状大颗粒材料没有的特点,使用固态化学反应法能合出纳米化合物所具有的优点。固态反应物颗粒的大小与产物成核、成长速度有着很大的关系,要是产物的成核速度比生长速度还要快,这样就能得到纳米粒子,反之就是块状物。固态化学反应通常情况下取得的球状纳米粒子,粒子的大小控制在1~100nm之间。在控制之后精确的处理好温度,就能控制纳米粒子的大小。在有模板是情况,能合成不同的现状和不同排列方式的纳米材料[2]。 2.3电学材料 玻璃电极被广泛地用在测量水溶液的pH值上。因为这一类电极比较脆弱,成本还比较高对温度具有不稳定性,体积较大等原因受到使用的限制。所以人们也不断寻求对于pH较敏感的全新材料。MnO2的发现被用于干电池、锂电池、镁锰电池等中作为正极材料,研制出了价格低廉的MnO2。制作MnO2的方法主要有:譬如二价锰的硝酸盐和碳酸盐,电解二价锰的溶液,以及其他类似的手段和措施。但是现在通过使用固态反应合成纳米的MnO2,将使用此方式得到的MnO2粉状物涂抹在电机上,就发现电极对pH值的反应就会变得灵敏并且稳定。 2.4金属有机化合物 金属有机化合物有优越的催化性能,被大量用在了有机合成领域。以前,有关金属有机化合物的研究不够深入,但是固态反应能进行100%的转化,经过转化所得出的反应产物也不同于液态的反应产物。相关的专业人员把金属有机固态进行归纳,目前有机金属反应被分为两类: (1)不同的反应物进行混合的反应过程;(n5-C5H4Me)Re(co)2Br和NaI合成(n5-C5H4Me)Re(co)2I2等产物。 (2)在反应过程中都属于共结晶过程。(n5-C5H4Me)W(co)3I与(n5-C5H4Bu)W(co)3Br在70℃,固态条件下[FcCHMeNMe3]I(Fc=二茂铁基)、HOC6H4CHO-4、K2CO3反应,制配出了有机金属化合物FcCHMeOC6H4CHO-4,此化合物所得产物率可达到84%。 2.5催化剂和催化反应 芳香族化合物的羟基化反应在化学中占有主导地位。过渡金属配合物使用低热固态化学反应能催化出芳香族化合物的羟基化。比如,酪氨酸酶活性还有木质素的生物合成都离不开Cu(II)催化芳香族化合物的羟基化反应。在催化过程中使用低热固态反应所合成的Cu(II)化合物配合催化剂,在有双氧水的条件下,催化苯酚羟基化H苯胺的低聚。低热固态化学反应及材料合成类别非常多,譬如多酸化合物,电学材料、超导材料、半导体,以及其他相关的内容[3]。 3.结语 固态合成属于一种比较有研究价值的合成方法,人们早就把这种合成方法运用到各种工业生产之中,通过多年的实践逐渐掌握了低热固态化学反应性,由于缺少必要性的系统指导,这种技术没能得到较大改进。低热固态化学反应所拥有的优点,比如:效率高、节能、环保、简单方便等。在材料合成方面有良好的发展前景。 作者:卢博文 单位:河南工业和信息化职业学院 材料化学论文:金属材料物理化学论文 1铁的相图图 与图1不同,铁有三种固态,分别是α-Fe、γ-Fe和δ-Fe,其中γ-Fe为密排面心立方结构,α-Fe和δ-Fe为体心立方结构。并且,图2中有三个三相点,分别为气-液-δ-Fe;气-γ-Fe-δ-Fe和气-γ-Fe-α-Fe。通常情况下,Fe是磁性的α-Fe,组织类型有铁素体、珠光体和贝氏体等;通过成分和工艺控制常温下可得到γ-Fe,如奥氏体不锈钢304、310等。Fe的p-T相图的讲解,增强学生识别单组分相图的能力。课堂上通过工业生产实例,加深了同学们对Fe的认识;并建立了物理化学相图知识与学生专业—金属材料之间的联系。解决学生“材料专业为什么学物理化学?”的困惑。 2两组分液态完全互溶系统的相图 虽然二组分系统的气—液平衡相图依据组分在液态的互溶情况各有其特点,但液态完全互溶系统构成了这部分内容的学习基础[4]。对于这种相图,我们除了让学生掌握相图中各相区的组成、相态和杠杆规则外,还注重让学生学习气相线和液相线的绘制方法和细节信息。其绘制过程如图3所示,先配制不同比例的二组分混合物,再升高温度测试混合物的熔点,通过描点—连线得到相图。从而培养学生设计实验绘制相图读取相图细节信息的全面能力。通过学习绘制相图,可使学生对相图的全部信息有较深刻的认识、理解及较好的运用。为了便于学生掌握此类相图及其应用,在教学中我们通过物相点随温度的变化的实例,讲解其液相与气相及组成在该过程的演变情况。重点分析了第一个气泡点产生的压力、组成及最后一滴混合液消失的压力、组成,以及其逆过程这一难点。并将相图理论与工业精馏装置联系起来,激发学生对该部分内容的学习兴趣。 3具有转变温度的二组分固态部分互溶、液态完全互溶的液固平衡相图 具有转变温度的二组分固态部分互溶、液态完全互溶的液固平衡相图,是学生学习中最难掌握的内容。我们通过讲解物相点的降温过程的物相变化和步冷曲线的绘制,并借助动画展示具体过程,使该部分内容更加形象和生动,便于理解和掌握。同时,提高了学生的学习兴趣和动手能力。 4相图在金属材料中的应用 4.1在金属材料设计中的应用在工业生产和科研实践涉及到的金属材料通常为多组分的平衡系统,所以其相图更为复杂。为了得到材料的拟服役性能,需要对材料进行设计和加工。相图在材料设计中起着至关重要的作用,例如,在设计奥氏体不锈钢时,为了得到单一奥氏体组织,需扩大相图中奥氏体区,使其在冷却过程中不发生γ-Feα-Fe的转变。根据相图,改变系统的组成,增加稳定奥氏体元素,如Ni、C等是最常用的方法。当然,为了系统的平衡,其他元素也需做相应的改变。应用相图时,为了提高设计组织的准确性,需要考虑平衡相图与实际相图的差别。 4.2在金属材料加工中的应用在金属材料的热加工过程中,随着加工温度的不同,其物相也发生相应的变化。可通过控制轧制参数和冷却过程,改变材料的相变温度和组织类型,得到高性能的金属材料。例如,在钢铁生产中,热轧钢板控制轧制与控制冷却(TMCP)工艺,通过加大压下量增加累积位错,为相变过程提供更多的高能量相变形核点,以得到细小晶粒组织,提高钢的强韧性。通过控制冷却速率,可改变相变后的组织形态,在650℃以上发生相变得到珠光体和铁素体组织,在450~600℃区间主要得到贝氏体组织的钢材,在更低温度下发生相变得到马氏体组织,不同的组织赋予材料的不同的性能[5]。4.3在金属热处理中的应用相图不仅在金属材料的设计和加工中具有指导下作用,而且在材料的热处理过程中也具有重要的应用价值。例如,在金属材料的退火、淬火和正火中具有重要作用。淬火过程主要是控制冷却速率,使相变温度发生在较低温度区,得到低温转变组织。正火温度需在γ-Fe相区,需要根据相图和化学成分判断其奥氏体化温度,从而确定正火的加热温度。严格的说,确定热处理的升温速率和降温速率也需要参考相应的相图。通过相图在金属材料领域的应用的介绍,学生对本专业和学习物理化学的重要性均有了清晰的认识,他们的学习积极性也显著提高。 5结语 相图在金属材料领域中起着非常重要的作用,本文将日常生活、作者在钢厂的工作经历、科研实践及相关相图知识链接至课堂,通过提出问题,实例讲解和动画演示等多种形式组织教学,建立金属材料专业与物理化学相图之间的内部联系,便于金属材料专业的学生掌握较广阔、深入的物理化学知识,以期为学生正确理解和应用相图提供指导。 作者:孙红英 李占君 单位:安阳工学院 机械工程学院 材料化学论文:材料化学人才培养化学实验论文 1改变课程考核评价体系,注重实验过程考核 在无机化学实验教学考核的过程中,仅凭实验报告成绩和期末考试成绩,不能准确地衡量学生的实际实验能力。为了科学地评估学生的实验能力,需要优化传统的实验课程考核体系,建立全面的无机化学实验综合考核办法。将学生的课程成绩分为实验过程成绩、实验报告成绩、实验理论考试成绩,单项成绩不合格,则总成绩不合格。这种考核方式促使学生认真地对待每个实验环节,有效地提高了学生的综合实验素养。实验过程成绩是教师在指导学生实验过程中,根据学生实际操作情况给出的评价;实验报告成绩主要是根据学生的预习实验报告和实验报告书写、数据处理及分析等来评判;在实验理论考试中,除了常见考题外,还结合材料化学专业特点,增加了实验方案设计等考核内容,突出了综合实验能力和创新能力的考核,促进学生实验能力的全面发展。 2创建适合材料化学专业发展需求的无机化学实验教学模式 进入21世纪以来,材料科学发展愈加迅速,新材料、新技术、新产品不断问世,与此相适应,对材料化学人才培养也提出了新的要求。材料化学专业无机化学实验授课模式必需紧跟时展步伐,及时调整课程结构与内容,引入学科发展的最新成果,介绍学科内容中的多种学术观点及学术背景和发展动态,开阔学生学术视野,提高学生的学习兴趣。教无定法,教要得法。要使课程教学生动活泼,教师必须不断更新教学内容,创新教学方法与手段,增强课程教学的趣味性,促使学生积极参与,在实验中勤于动手、动脑,实现教师教学方式和学生学习方法的转变。 2.1采用多媒体辅助教学和建设实验教学网络平台 多媒体教学是利用多媒体软件对文本、声音、图像、图形、动画等信息进行处理,教师配合多媒体放映进行讲解,将教学内容用特技方法显现出来,能充分创造一个有声有色、图文并茂、生动直观的教学环境,从视觉、听觉等多方面给学生留下深刻印象。无机化学实验教学可以采用多媒体(视频)教学,它不仅教学信息量大,而且可以非常直观地演示实验操作和过程。随着现代科学技术的发展,有些实验可以采用多媒体技术进行辅助教学,如基本操作单元、仪器的使用等。这些实验项目信息量大,操作细节多,仅靠教师在课堂教学有限的时间内进行演示和讲解往往是不够的,而且总有学生没有注意到一些具体操作细节,因此,可以将这些实验演示制成多媒体课件或视频资料,放在课程网络平台上,学生可以不受时间、空间的限制,反复观看,自主地开展预习、复习。这样不仅增强了课堂教学的可视性,而且增加了教师演示的可再现性,延长了学生的学习时间,从而有益于提高学生操作的规范性,使实验教学得到延伸。 2.2将生产生活实例和教师科研项目引入实验教学课堂 不同专业对无机化学实验教学的要求是不一样的。我院材料化学专业的培养目标是培养具备材料化学相关的基本理论知识和基本技能的应用型高级专门人才。因此,学生必须掌握物质的结构与性质、性能的关系,这需要在教学中注意教学内容的层次性。在无机化学实验教学中,我们尽可能选择与专业相关的真实实验课题和实验样品,将生产生活实例引入实验课堂,营造实战氛围,做到知识性、实用性、趣味性的统一。同时,我们还选取了一些与生活息息相关的实验,如锂离子电池正极材料的制备、胶囊壳中铬含量测定等,这样的实验学生感兴趣,实验热情高,有助于学生综合能力的培养。为了进一步提高实验课堂教学质量,我们还在课堂教学中引入教师最新科研课题成果,使实验教学更加贴近科研实际,既丰富了实验教学内容,又增加了实验教学的先进性、新颖性,在加深学生对所学知识的理解和实验技能的熟悉时,还能培养他们的科研兴趣,提高理论联系实际的能力,对科研工作产生感性认识。 2.3实施开放性实验教学 在传统的无机化学实验教学中,学生往往处于被动地位,教师处于主动地位。从实验项目选择、实验方案选择、实验仪器与试剂选择,都由实验老师预先完成。在这种照方抓药的实验教学模式中,学生往往兴趣不高,应付了事。在优化实验教学内容结构的前提下,实行开放式实验教学模式,可以提高学生实验兴趣,强化教学效果。在学生自主的基础上,利用学生课余自由时间开放实验室,对于实验技能较差的同学,让他加强基本操作单元和基本技能的练习。在学生较好地掌握实验基本操作技能后,可以让学生自主选择一些设计型、综合型、应用型实验。在教师的指导下,学生独立设计实验方案,独立完成实验,并认真进行总结,以全面锻炼学生的实验能力和提高综合素质。 3结语 为了适应地方工科院校工程应用型人才培养的要求,无机化学实验教学改革一直在讨论和进行中。我们根据我院材料化学专业人才培养方案,对目前无机化学实验教学内容、教学方法和教学手段及考核方式等方面进行了改革,以全面培养学生的工程应用能力,适应经济社会发展对人才的要求。通过几年来的教学实践与探索,我们已初步建立一套具有可操作性的无机化学实验教学方法与体系,使学生在实际操作能力、实验方案设计、求真务实的实验态度、分析问题和解决问题的能力及创新能力培养等方面得到了良好的锻炼。 作者:李谷才 单位:湖南工程学院化学化工学院 材料化学论文:电容器材料化学实验的教学论述 1材料结构表征探讨 (1)结合已有知识将理论简单化,培养学生对科学研究的兴趣。对实验结果所得产物,教师结合学生已有的知识,引导学生联想一般情况下有哪些方法来表征材料的结构,学生根据理论教学部分的知识,提出一些材料表征方法,如X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱、拉曼光谱、热分析等。教师可根据所制备材料的实际情况及实验条件,确定用哪些仪器进行表征。本实验只需要知道产物的成分、尺寸及形貌,因此采用简单的X射线衍射分析及扫描电子显微镜进行表征。教师可采用通俗易懂的语言对其测试原理进行讲解。例如:用X射线衍射判断物质成分的分析方法,若按理论来讲,涉及到光学、晶体学、电子学等较深奥的理论知识,简单的讲每种晶体本身的取向都对应一套标准衍射数据,根据实验测得X射线衍射数据中衍射峰的位置,从X射线衍射标准卡片库中找出相应的物质。如同人的指纹,每个人的指纹都是有区别的,可根据指纹判断不同的人。结合已有知识将理论简单化对测试原理有了一定了解,又减少了他们对研究型化学实验的畏惧感,培养了学生对科学研究的兴趣。 (2)实验与理论结合,培养学生科学研究的兴趣。仪器及测试条件对测试结果影响较大,首先教师介绍在本测试中的测试条件。此部分测试采用较贵重的仪器,操作需要具备一些专业知识,因此在教师测试时可让学生在旁边观察。图1是制备样品的XRD测试结果,学生根据理论知识从图1中观察三强峰的位置,根据三强峰的位置,从物质标准卡片库中找出可以与图中衍射峰位置对应的卡片,经过查找对比,学生发现与Ni(OH)2标准卡片一致(JCPDS:22-752),且无杂峰出现,可判断所制备的样品为纯的Ni(OH)2。教师启发学生思考能否从理论上计算Ni(OH)2颗粒的大小,学生利用谢乐公式D=0.89λ/(Bcosθ)(λ为X射线波长,B为衍射峰半高宽,θ为衍射角),结合图中半高宽计算其颗粒的大小,通过计算其晶粒大小为12nm,说明制备的材料为纳米Ni(OH)2。通过X射线衍射分析实验,使理论与实验紧密结合,培养学生对科学研究的兴趣。 (3)实验与观察结合,培养学生科学创造兴趣。合成的Ni(OH)2电极材料的形貌可借助于SEM进行观察。学生观察到的不同放大倍数图片如图2所示。学生发现合成的Ni(OH)2电极材料,由纳米片垂直交错连接形成的球状结构,纳米片厚度约10nm,与通过XRD理论计算的纳米尺寸相吻合。教师提出生成此结构的原因让学生进行讨论,主要从尿素及SDS在反应中的作用进行考虑。很多同学只考虑到尿素在高温下能分解产生氨提供OH-,而SDS起到表面活性剂的作用。教师对尿素与SDS的综合作用形成此结构的原因进行补充解释。首先,在静电力的作用下SDS逐渐被Ni2+替代[8];由于Lewis的存在作用,配位效应使尿素能够与Ni2+进行配位[9]。反应温度的增加,尿素分子逐渐水解出氨分子,使前驱体晶体均匀成核。随着反应时间的持续,晶体逐渐聚集形成片状,片状晶体自组装形成3D花状结构[10,11]。学生对表面活性剂很感兴趣,提出不同表面活性剂合成出的样品形貌可能有差异,可通过不同表面活性剂合成不同形貌样品。通过SEM实验与观察结合,培养了学生科学创造兴趣。同时也使学生了解了研究型化学实验对结果分析的要求,不但要知道其表面现象,而且更重要的是对其进行理论分析与合理解释,为培养学生的科研能力打下良好的基础。 2电化学性能探讨 (1)培养学生动手能力,增加学生科学研究与创造兴趣。电极制备的好坏将直接影响电化学性能的测试,教师可先作示范,根据制备电极的要求,将Ni(OH)2粉末与乙炔黑、石墨及聚四氟乙烯乳液以一定的比例混合均匀,在对辊机上压成薄片。活性物质薄片在一定的压力下压在泡沫镍集流体上。将压制好的电极片放在真空干燥箱中干燥。同时要对电极制备过程中的注意事项进行说明,比如Ni(OH)2粉末与乙炔黑、石墨及聚四氟乙烯混合时尽量均匀,对辊机上压成薄片时应尽量薄,电极片彻底干燥后再称量等。通过示范讲解,学生都能做出较理想的Ni(OH)2测试电极,提高了学生的动手能力。教师根据电化学性能测试需要,提出电极的循环伏安、充放电及交流阻抗测试均在电化学工作站上进行。根据无机化学中所学的溶液配置,将KOH配成测试所需浓度的KOH溶液。再根据电化学性能测试连接图(图3)进行正确连接。通过提高学生的动手能力,调动了学生的主动性和积极性,激发他们对研究型化学实验的兴趣和热情。 (2)培养学生分析和解决问题的能力,增加学生科学研究与创造兴趣。为提高学生分析和解决问题的能力,在电化学测试中,要求学生测试不同扫描速度的循环伏安、不同电流密度下的恒流充放电及开路下的交流阻抗,并注意观察测试过程中曲线形状、溶液及电极附近出现的现象。在循环伏安测试时,学生观察到曲线形状非矩形,且随着扫描速度的改变发生改变;溶液中在电极附近会有气泡产生,表现为出现明显的峰P1与P2。此时,教师为发挥学生的主观能动性,培养学生的学习主动性,提出让学生从电化学资料上查找有关Ni(OH)2电化学反应的材料,学生查得在此过程中由Ni(OH)2氧化成NiOOH出现的阳极峰P1,阴极峰P2是其逆过程,学生由此可判断Ni(OH)2电极材料的电容主要来自于氧化还原反应的赝电容。还可从循环伏安的积分面积判断随扫描速度的增大比电容在减小。在循环伏安测试中,学生学会如何分析判断氧化还原反应及赝电容,加深了对电化学理论知识的理解,提高了分析和解决问题的能力。同一问题进行验证,培养学生分析和解决问题的能力。为了对循环伏安结果进行验证,进行恒流充放电测试。教师给定学生测试电压范围及不同电流密度,要求根据曲线形状判断所属电容性质,并且根据放电曲线、比电容计算公式计算比电容的大小,根据比电容大小绘出比电容随电流密度变化曲线,观察结果是否与循环伏安测试一致。学生发现不同电流密度放电曲线时间并非与电压成正比,说明主要是赝电容特征;且比电容随电流密度的增大而减小,此结果与循环伏安测试一致。从恒流充放电与循环伏安测试对比中,学生明白了研究型化学实验对同一个问题可从多方面进行验证,培养了学生分析和解决问题的能力,为以后从事科研工作打下良好的基础。通过实验类比,培养学生分析和解决问题的能力。在进行电化学阻抗测试时,教师要求学生设定测试频率范围及振幅。以此条件测试其开路电压,在开路电压下测试电极的电化学阻抗,画出电化学阻抗等效电路图并对阻抗图谱进行理论分析。教师要求学生可通过类比其它体系的电化学阻抗测试图解释此阻抗图谱。学生提出电极的交流阻抗图可分成三部分:高频区、中频区和低频区。高频区与实轴Z'的截距表示电极内阻Rb。高频区第一象限中出现一段较小的圆弧,该圆弧的直径为电化学反应电阻Rct。通过实验类比,增加了学生分析和解决问题的能力,培养了学生科学研究与创造兴趣。学生有意向将此法扩展到其他体系如Co3O4、NiO、MnO2等进行研究型实验,探讨影响电极材料电化学性能的各种因素。 3结语 通过超级电容器电极材料研究型化学实验的教学,使学生能够了解目前超级电容器电极材料方面的科学前沿问题,熟悉如何设计研究型化学实验方案,提高学生分析问题和解决问题的能力。对于研究型化学实验,采用启发式教学,合理设计研究型化学实验及问题,结合已有知识将理论简单化,实验与理论、观察相结合,培养学生的观察能力、思维能力、知识运用能力、分析和解决问题的能力,增加了学生对科学研究与创造的兴趣。有利于将学生培养成为具有创新能力的高素质人才,为以后的工作及研究深造打下良好的基础。 作者:于占军 殷榕灿 单位:阜阳师范学院 材料化学论文:烧结对材料电化学特性影响 本文作者:牟 菲 杨学林 代忠旭 张露露 温兆银 单位:三峡大学 机械与材料学院 三峡大学 化学与生命科学学院 中国科学院 上海硅酸盐研究所 近二十年来,绿色环保锂离子电池为便携式电子产品和通讯工具的发展做出了重要贡献,并作为下一代新型能源的代表,将进一步应用于交通动力系统.作为未来电动汽车(EV)和混合电动汽车(HEV)的动力电源,锂离子电池电极材料特别是正极材料的性能至关重要.自从Padhi等[1]首次报道LiFePO4正极材料以来,LiFePO4因其具有安全、稳定、环境友好、成本低、平台平稳及循环性能好等优良特性,成为下一代锂离子电池正极材料最具潜力的竞争者.LiFePO4的合成方法多种多样,如固相合成法[1-2]、溶胶–凝胶法[3-4]、共沉淀法[5]、水热法[6]、碳热还原法[7-8]、流变相法[9-10]以及仿生法[11-12].但这些方法中大多数都需要通过烧结工艺才能获得结晶良好的LiFePO4正极材料,烧结对LiFePO4材料的纯度、结晶度、颗粒大小有明显的影响.已有研究显示,适当提高烧结温度有利于LiFePO4晶体形成,但温度过高会导致晶粒持续长大并影响LiFePO4化学稳定性,而烧结时间过长则会使材料产生明显的团聚现象[13-15].然而烧结方式对合成材料性能的影响的报道则较少.本工作分别采用静态气氛烧结(SA)、动态气氛烧结(DA)和静态真空烧结(SV)三种方式对LiFePO4/C前驱体进行烧结得到LiFePO4/C复合正极材料,着重探讨了不同烧结方式对材料结构、形貌及电化学性能的影响. 1实验部分 1.1LiFePO4/C复合材料的制备以酒精为介质按化学计量比混合Li2CO3和FePO4,再加入5wt%葡萄糖,行星球磨6h,喷雾干燥得到LiFePO4/C前驱体(PRE).将装有前驱体的氧化铝料舟置于石英管式炉(OTF-1200X,合肥科晶)中,在氮气气氛下预烧(350℃,5h)后,分别在550、600、650、700和750℃烧结10h.随炉冷却后,在玛瑙研钵中研磨、过筛,得到的LiFePO4/C复合材料分别标记为SA550、SA600、SA650、SA700和SA750.真空烧结在自制真空炉(残压 50Pa)中进行,不同温度烧结所得复合材料分别标记为SV600、SV650、SV700和SV750.动态气氛烧结在回转炉(HB-In8•30,咸阳蓝光)中进行(转速2.5r/min),不同温度所得复合材料分别标记为DA400、DA500、DA550、DA600、DA650、DA700和DA750. 1.2复合材料物相及形貌表征用χ’PertPROX射线衍射仪(PANalyticalB.V,荷兰)分析复合材料的物相组成,铜靶,CuKα射线(λ=0.15406nm),扫描范围为10°~80°,加速电压为40kV,管电流为40mA.数据采用Jade5软件分析.复合材料的微观形貌用扫描电子显微镜(JSM-6700F,日本)进行观察.1.3复合材料电极制备及电化学性能测试将复合材料与乙炔黑(DENKA,日本)混合后,加入含有聚偏二氟乙烯(PVdF,KYNAR-HSV900)的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液(0.02g/mL),复合材料、乙炔黑和PVdF的质量比为75:15:10.得到的浆料借助于自动涂膜器(AFA-Ⅱ,上海现代环境)涂布于铝箔上,经红外干燥后冲成φ14mm的电极片并压片(压力6MPa),然后在120℃下真空干燥8h.将复合材料电极转移到充满氩气的手套箱(MIKROUNA, 1×106H2O, 1×106O2)中,然后以金属锂为对电极和参考电极,Celgard2400为隔膜组装成2025型扣式电池,电解液为1mol/L的LiPF6/(EC+DMC)溶液(LB-301,国泰华荣).充放电性能测试在电池测试系统(LANDCT2001A,武汉金诺)上进行,电压范围为2.5~4.2V.采用电化学工作站CHI614C进行CV测试,扫描电压范围为3.0~4.0V,扫描速度为0.1~0.5mV/s. 2结果与讨论 2.1材料物相及形貌分析图1(a)为650℃下采用静态气氛烧结、动态气氛烧结和真空烧结得到各种样品的XRD图谱,从图中可以看出,各样品的衍射峰峰位相同.与LiFePO4标准谱图(PDF81-1173)对照,合成材料衍射峰与LiFePO4标准谱图谱完全吻合,且没有出现杂质峰,表明由该前驱体采用三种不同烧结方式获得的样品均具有橄榄石型纯相结构.衍射峰峰形及强度是材料结晶性的一个指标[16].图1(b)比较了前驱体以及不同LiFePO4/C材料的XRD衍射峰与前驱体同角度衍射峰峰强度差(Δ),从中可以发现,不同烧结方式得到材料结晶度略有差别,真空烧结得到材料的衍射峰强度最大,这是由于在真空条件下发生碳热还原时产生的CO2和CO可以迅速排出,反应平衡正移,有利于LiFePO4颗粒生长[17].图2为在不同温度下采用三种烧结方式制得样品的SEM照片.从图中可以看出静态真空烧结制得材料的粒径在300~500nm之间,而静态气氛与动态气氛烧结制得材料的粒径都在200~300nm之间.晶粒大小差别既与真空条件下碳热反应平衡移动有关,又与颗粒表面包覆碳对晶粒生长的阻碍作用有关.碳热反应过程中碳对三价铁的还原由以下三个反应构成。系统温度低于650℃时发生反应(1),生成CO2,而温度高于650℃时发生反应(2),生成CO[18-19].在真空条件下烧结,产物CO会被迅速排出,在带走热量的同时也消耗了大量的热解炭,使得晶粒表面剩余碳量减少,晶粒生长阻力减小.而在气氛下烧结,CO在反应体系中滞留时间较长.由于CO的还原性大于热解炭,所以会继续发生反应(3),生成CO2,热解炭因还原消耗减少而附着于晶粒表面阻碍晶粒的长大.此外,与真空烧结相比,动态气氛烧结所得材料的颗粒大小和形貌均匀性更好,这是由于烧结时粉体物料随炉管旋转而被反复搅拌,受热更加均匀,并且动态烧结还可以有效阻碍长时间烧结导致的颗粒之间相互粘结与长大[20].采用文献[21]报道的碳含量测定方法,对不同烧结工艺所得材料进行碳含量测试,DA650、SA650和SV650的含碳量分别为2.23%、1.91%和1.77%.SV650材料含碳量最低,说明在真空下碳易以CO的形式被排出而损失.除烧结方式外,烧结温度对材料形貌也有显著影响.对比图2(d)~(g)可以看出.将动态气氛烧结温度由400℃逐渐提高到700℃,材料颗粒团聚现象越来越明显.700℃时已有大量颗粒融合为块状. 2.2复合材料的电化学性能分析图3为不同温度下采用三种烧结方式所得材料在0.5C倍率下的充放电循环性能.动态气氛烧结最佳温度为500℃,静态气氛烧结和真空烧结最佳烧结温度均为650℃,所得材料的首次放电比容量分别为163.4、141.5和143.3mAh/g,经历50次循环后动态气氛烧结材料容量保持率高达99.02%,静态气氛烧结和真空烧结材料容量则出现了缓慢上升的趋势.动态烧结温度低说明烧结过程中进行扰动利于热量传递,得到形貌及性能均匀的粉体物料,静态气氛烧结和真空烧结所得材料的容量上升现象则与材料在循环过程中的活化有关[22-23].锂离子电池能为电子设备提供稳定工作电压是因为其具有理想的电压平台.因此,平台放电比容量占总放电比容量的百分比(即平台率)才能真实反映材料的可利用率.如图4所示,放电起始和终止段曲线的切线与平台延长线相交于A、B两点,将A、B两点间的比容量定义为平台比容量,平台比容量与相应循环满比容量的比值则为平台率[24].据此计算650℃下真空烧结、静态气氛烧结和动态气氛烧结样品在0.5C倍率下放电平台率分别为92.76%、95.66%和95.21%.真空烧结材料平台率较低与所得材料晶粒尺寸增大有关,活性物质颗粒越大,Li+散的距离越长,这与SEM观察结果(图2)一致.图5(a)为650℃下动态气氛烧结材料电极在不同扫描速度下的系列循环伏安曲线.在0.1mV/s扫描速度下于3.59V和3.32V得到一组氧化还原峰,分别代表了Li+的脱出和嵌入反应.随着扫描速度的增大,氧化还原峰强度和峰面积都增大,同时氧化峰和还原峰分别向高电位和低电位移动,这说明电极极化加剧.但是即使在0.5mV/s的高扫描速度下,该材料仍具有非常好的循环可逆性.式中Ip为不同扫描速度下的峰电流,A为电极表面积,C为锂离子浓度,n为转移电荷数,γ为扫描速度.图5(b)即Ip–γ1/2关系图.通过线形拟合得到的斜率与等式(1)结合得到650℃动态气氛烧结样品脱锂和嵌锂过程的锂离子扩散系数Dc和Da分别为1.24×108和7.68×109cm2/s,远大于文献报道值[7,25-26].表1比较了650℃下真空烧结、静态气氛烧结和动态气氛烧结样品的Dc和Da计算结果.动态气氛烧结样品的锂离子扩散系数远大于另外两种烧结方式所得样品的锂离子扩散系数,这与材料烧结过程中因扰动而引入的晶格缺陷有关,缺陷可为锂离子扩散提供额外通道.扩散系数的提高对于LiFePO4正极材料在大功率放电(如HEV等)设备中的应用与发展具有重要意义. 3结论 通过三种不同烧结方式处理LiFePO4/C前驱体,发现烧结方式对材料的结晶度、形貌、最佳合成温度以及电化学性能都有一定影响.同一温度下,采用静态真空烧结得到材料的结晶度最好,而动态气氛烧结所得材料具有更细、更均匀的颗粒,更高的首次库仑效率和更大的锂离子扩散系数.另外,采用动态气氛烧结方式还可以降低材料的合成温度,在500℃下就可以得到性能优异的LiFePO4/C复合材料,0.5C倍率下该材料首次放电比容量达到163.4mAh/g,50次循环后容量保持率高达99.02%. 材料化学论文:材料化学学科特点及教学革新 高等院校能否培养出高素质、创新型的学生,是当前高等教育改革面临的重大课题和挑战。[1]主席在2010年5月26日召开的全国人才工作会议上强调,全党全国要统一思想,真抓实干,全面落实加快建设人才强国各项战略任务,努力培养造就数以亿计的高素质劳动者、数以千万计的专门人才和一大批拔尖创新人才。高等学校作为人才培养的主要机构,对以上人才培养任务有着义不容辞的责任。加强对大学生创新能力的培养,是高等学校素质教育的重要内容。在人才培养的过程中,课程作为传播知识、培养能力的载体,对实现人才培养的目标具有举足轻重的作用。无机材料化学是一门快速发展的交叉性和前沿性学科,有机地融合了化学和材料学两个一级学科的发展优势。该课程不断进行改革与实践,对于培养材料化工领域创新型人才具有重要意义。 一、无机材料化学的学科特色 材料是人类文明的物质基础和先导,是直接推动社会发展的动力。基于材料对社会发展的作用,人们将信息、能源和材料并列为现代文明和生活的三大支柱。在三大支柱中,材料又是能源和信息的基础。新材料既是当代高新技术的重要组成部分,又是发展高新技术的重要支柱和突破口。伴随着信息时代的来临和材料设计、制备及加工的信息化处理,世界各国都将目光转向具有“高、精、细”特征的新材料万面,我国也将新材料作为重点发展的行业之一。鉴于此,国家中长期科学和技术发展纲要(2006年-2020年)将新材料技术列为前沿技术,提出新材料技术将向材料的结构功能复合化、功能材料智能化、材料与器件集成化、制备和使用过程绿色化发展;要突破现代材料设计、评价、表征与先进制备加工技术,在纳米科学研究的基础上发展纳米材料与器件,开发超导材料、智能材料、能源材料等特种功能材料,开发超级结构材料、新一代光电信息材料等新材料。这一切都预示着材料科学正经历着一次重大的变革。因此,加强材料科学领域创新人才的培养是时代的要求。 无机材料化学是材料化学家从材料科学、材料工艺和技术的角度出发,把固体物理、固体化学相关理论和工程方面有关无机材料研究的化学内容集中起来,加以分析、综合和提高而形成的一门独立学科。[2]无机材料化学研究的范围非常广泛,包括材料相关的基本概念和理论、制备原理、结构表征、重要的材料类型及其相关性能等多方面的内容,涉及了固体物理、固体化学、材料科学等学科的相关理论,是一门典型的交叉性学科。进入20世纪90年代以来,材料科学技术的发展异常迅猛,材料科学与生命科学、信息科学、环境科学等共同构成了当代科学技术的前沿。展望21世纪,材料科学技术研究开发的前沿有微电子材料、新型光电子材料、稀土功能材料、先进陶瓷材料、高温超导材料、纳米材料等,[3]这些都属于无机材料化学的研究范畴。因此,无机材料化学又是一门具有前沿性的学科。基于学科背景和课程特点,我们在大连理工大学教改项目的支持下,以提高教学质量、培养学生的创新能力为主线,以建设精品课程为目标,进行了一系列教学改革和研究。 二、教学内容的选取 高等学校教学中教材内容的陈旧是影响创新型人才培养的突出问题,也是高校课程改革的重点。目前,高校教材内容不能适应现代化人才培养的需要,内容的先进性方面不能适应科学技术飞速发展的要求,不能适应知识经济时代创造型人才培养的要求。[4]特别是面对具有前沿性特点的材料化学,教材的内容相比于飞速增长和更新的新材料来说,严重滞后。而要培养创新型人才,掌握最新的科研成果对于激发学生的创新思维非常重要。[5]向学生讲授科学前沿知识可以激发学生们的求知欲,为他们提供一个创新的空间,使学生能够近距离地感受创新的价值和创新带来的激情。因此,挑选合适的教材是非常重要的。我们挑选了北京大学林建华、荆西平编写的《无机材料化学》。该书将无机材料化学中重要的基础问题做了全面的讨论,这本教材最大的特点在于它介绍了无机材料化学领域的最新进展,并附有近期发表在国际主流期刊上的相关文献,整本教材体现着材料科学、化学和物理等学科交叉与渗透的特点。如果学生对教材中的某些前沿内容感兴趣,可以在教材中找到相应的参考文献,在图书馆下载后仔细阅读。 课堂上仅传授知识是远远不够的,教学内容还要有一定的探索性,能让学生有一定的思考空间。教学中,我们发现学生对来自科研一线的事例非常感兴趣。因此在课堂上,我们以自身科研成果丰富教学内容,结合自身科研经历令课堂生动有趣,深化了教学效果。我们经常把自己在科研工作中的体会、最新科研成果转化为教学内容,设计一些开放式的问题与学生探讨,自觉地把创新意识、创新能力的培养融入课堂教学之中。我们还结合相关的教学内容,穿插讲解一些科学方法论的知识,培养学生的科学精神。例如,在讲到固溶体合金的形成规律时,我们向学生讲述了现代物理冶金学重要创始人William Hume Rothery在听力完全丧失、健康状况非常不佳的情况下,凭借坚强的毅力和非凡的生活热情,在异常简陋的工作条件下,开创性地提出了著名的Hume Rothery准则。这位杰出的科学家一生始终以乐观向上的生活态度,坚持不懈地勤奋工作着。学生们纷纷为Hume Rothery的人格魅力而倾倒,希望自己也能投身科学,在某一领域取得杰出成就。我们经常把本学科碰到的难题以及学科前沿的问题向学生进行适当的介绍,激发学生的民族自豪感,培养学生的创新思维和探究精神。例如,在讲到第八章电介质材料时,我们将著名纳米科学家王中林发表在《科学》上的氧化锌“纳米发电机”一文介绍给学生。在讲到第九章超导材料时,我们向学生们介绍了我国在超导材料的研制上一直处于国际领先水平,特别是2008年我国在高温超导研究上取得重大突破,发现了一类新的高温超导材料———铁基超导材料,在全球范围内掀起了超导材料研究的新热潮,并介绍了铁基超导材料的结构和性能。在讲到第十二章发光材料时,我们向学生介绍了大连路明集团开发的“水立方幔态LED”在研发、制造、安装中创造的7项“世界第一”。这些事例大大激发了学生学习相关章节内容的兴趣,同时也培养了学生的民族自豪感和投身科学的信心与决心。实践表明,将科研引入教学过程,有力地促进了学生对知识的掌握和能力的提高,促使学生形成了正确的科学精神和科学态度,大大提高了教学的实际效果。 三、教学方法的改革 教学手段和方法是提高教育质量非常重要的一个方面。传统的教学方法以教师为主导,以传授知识为目的,往往采取灌输式教学方法,在很大程度上忽略了学生的主体地位和创造性,学生被动地接受知识,学习积极性不高,教学效果不理想。要改变过去那种单纯传授专业知识的教学方法,把培养学生的创新能力和创新意识作为教学工作的重点,我们必须对原有教学方法进行改革,采取多样化的教学手段激发学生的学习兴趣。 本课程的特点是知识点多而且分散,学生容易只见树木、不见森林。为此,我们理出了一条课程主线,向学生清晰地展示各章节的作用以及章节之间的联系(如图1)。我们力争做到讲课内容少而精,重点突出,主次分明,出现在不同章节但内容相关的部分放在一起讲解。例如,与Fermi面附近的能态密度相关的性质有金属材料的电子热容和Pauli顺磁性(第四章)、金属材料的电导率(第九章)、超导材料的临界温度(第九章)等,将这些知识点放在一起进行对比和总结,学生对Fermi能级的概念就会有非常清晰和深刻的认识。课程教学的重点在于使学生掌握该学科的思维方式和研究方法,给学生留有思考的足够空间,能从多角度理解基本原理。古人云“授人以鱼不如授人以渔”,这里强调的就是教授学生学习方法的重要性。[6]材料的组成和结构决定了其物理性质,这是材料化学的核心和基础。将钙钛矿材料的结构(第三章)和其铁电性质(第八章)结合起来讲解,学生不仅对该类材料的结构和特殊的物理性质有了深刻的认识,更深化了对结构-性能关系的理解,掌握了该课程的学习方法。 在实践中,我们采取了传统教学与多媒体教学结合、自主学习与协作学习结合,基于问题学习、基于案例学习、研究型学习等多种形式的教学策略,提高了学生学习和思考问题的效率。实践表明,适度使用多媒体教学,将材料实际应用的照片、材料加工制作过程的视频等图片影视资料生动地展示给学生,能为教学过程提供丰富的感性材料,丰富课堂教学内容。鉴于新材料的发展日新月异,每天新概念、新构想、新方法都在不断涌现,我们在课堂上及时地将与课程内容相关的最新文献介绍给学生,课堂教学结束前提出下次课程内容的前沿课题,让学生在课前完成对这一前沿课题的研究报告。这样一方面可以使这些学有余力的学生接触到材料化学领域的最新研究进展,培养他们对教材内容的兴趣并找到自己的科研兴趣,另一方面可以让学生看到自己知识结构的不足,在学习中自觉地去完善自己。与此同时,这也锻炼了他们查阅文献和英文阅读的能力,为将来进行专业科学研究奠定了一定的基础。通过一个学期的尝试,我们感到教学效果非常好,学生经常在下课后围着教师交流,提出各种材料学领域的前沿问题与教师探讨。有几个表现突出的学生已经进入到某些课题组,开展创新实验了。另外,在课堂上,我们结合自己的科研实践,提出开放式的与课程内容相关的问题,让学生思考和回答。我们鼓励学生提出不同的见解,这样就增加了师生互动,活跃了课堂气氛,提高了学生的学习兴趣。我们将本课程教学方法作一总结列于表1中。 四、实验教学方案设计 材料化学与其他化学分支一样仍然是一门实验性很强的学科。[7]在实验教学环节上,我们结合自己的教学和科研设计了一些具有明显创新性且与材料化学教学内容密切相关的实验研究课题。人工晶体是一类重要的功能材料,它能实现光(第十二章光学材料)、电(第八章电介质材料;第九章材料的导电性质;第十章离子导电材料)、磁(第十一章磁性材料)等不同能量形式的交互作用和转换,在现代科学技术中应用十分广泛。同一种晶体往往会产生不同的形态,这些形态将影响晶体的性质。同一种晶体的各种形态是怎样产生的呢?不同形态与生长条件之间有何关系?第二章讲到了无机材料的各种制备方法,采用何种制备方法可以获得预期的形态?这些问题对学生具有强烈的吸引力。为此,我们设计了自主实验“显微镜下观察晶体的结晶形态”,使学生利用显微图像分析系统,实时观测晶体的结晶过程及结晶形态,研究不同的生长条件和实验方法对晶体结晶形态的影响规律,建立对晶体结晶的感性认识。 通过以上对教学内容、教学方法、实验教学等方面的探索与实践,学生的创新能力和创新意识得到了提高。实践表明,将科学研究引入课堂教学,能够激发学生的学习兴趣,深化教学效果。无机材料化学是一门具有广阔发展前景的学科,还需要我们不遗余力地在教学中进行大胆地改革和尝试,以培养更多具有创新能力的材料专门人才。 材料化学论文:复合材料专业物理化学教学探索 我校复合材料专业目标是培养具备复合材料基本理论和实践知识,能够在复合材料相关领域独立从事生产、设计、研发的技术人才。物理化学是复合材料专业一门非常重要的专业基础课,它为后续开设的专业课(高分子物理、高分子化学、复合材料原理和复合材料学等)奠定基础。因此学生对物理化学知识的掌握直接影响专业课的学习和理解,从而影响就业后的实践能力。物理化学是运用物理的理论和实验方法研究化学中最基本的规律和理论的科学。它所研究的内容普遍适用于各个化学分之,与材料学、生物学、地质学、天体学、海洋学等领域密切相关。但由于它是一门概念性、理论性、系统性和逻辑性很强的学科,涉及的公式多,应用条件严格,比较抽象,是学生学习过程中普遍感到困难较大的一门课[1]。随着当今科技迅速发展,交叉渗透日益突出,按照素质教育的要求,并考虑课时紧缩的实际情况,我们必须对物理化学的教学内容和方法进行改革[2]。 1教材的选择及教学内容的确定 针对我校复合材料专业的特点,选择的物理化学教材既要体现当前学科发展的概貌,同时又要使学生具备牢固的理论知识,为以后就业奠定一定的基础。考虑以上因素,我们选择了面向21世纪教材,由天津大学物理化学教研室编、高等教育出版社出版的《物理化学》教材(第五版)。同时结合复合材料专业的就业特点,精选了教学内容。该版教材中第一章气体的PVT关系,由于高中阶段已经讲述过,所以可以省略。第八、九章的量子力学和统计热力学都是从物质的微观难度着手讨论的,难度较大,可做简单讲授,若详细探讨可开设选修课单独进行讲授。其它章节的内容选择重点内容,尤其是与本专业相关的内容详细讲解,例如第六章的相图、第十章的界面现象内容等,并结合具体的实例,达到更好的授课效果。 2物理化学课堂教学改革 我校复合材料专业开设的物理化学课程是继无机化学、有机化学之后的理论性化学专业知识,它的知识内容除涉及无机、有机化学知识外,还与大量物理和高等数学知识有关.概念抽象,公式原理多,推导过程繁琐,内容难理解。因此学生普遍感觉物理化学课程更偏重理论,学习起来较难,从而导致对这门课程不抱有很大的热情,学习动力不大[3]。针对以上问题,对物理化学课堂教学进行改革就显得非常必要。具体的改革措施应遵循以下原则:整体设计课堂教学效果;教学方法和教学手段最佳;考核方法合理、科学。 2.1课堂教学效果的整体设计 (1)培养学生的学习兴趣。学习兴趣至关重要,学生若是对某些课程不感兴趣,老师即使讲授的再精彩,学生的学习效果也不会太好。因此培养学生的学习兴趣就显得十分必要了。开课伊始,教师就应该讲好绪论部分,充分讲述物理化学课程的重要性,课程内容的实用性,鼓励学生努力学好物理化学,培养学习兴趣。学生有了兴趣,教师才能较好地进行指导。 (2)提高知识的趣味性。知识的趣味性是主动学习的推动力。把理论性强、抽象而枯燥的内容变得生动有趣,是提高课堂教学效果的有效手段。在教学过程中穿插一些与生活实际密切相关的问题或是适当的趣例,则可以起到画龙点睛的作用,使课堂富于趣味性。例如,在给学生介绍水的相图时介绍了亚稳态这个概念,可以以人的健康状况来类比说明。现代社会人们的生活节奏加快,整天忙于工作,锻炼身体的机会很少,大多数人的身体状况不佳,多属于亚健康状态。亚健康就是一种亚稳态,不稳定,不可能长时间存在,必须向稳定状态转变;人要从事正常的生产、生活需要健康的体魄,因此必须锻炼身体,保持身体处于健康状态,而不是亚健康状态。又如,在讲授界面化学的时候,可以提问学生在春天光滑的墙壁和粗糙的墙壁哪个更容易回潮。然后用弯曲表面上的蒸汽压———开尔文公式解释原因。这种理论与实际应用的结合,可激发学生的学习兴趣,引起学生探求知识的欲望,是物理化学课堂教学获得成功的关键一步。 (3)理论教学与实践教学相结合。物理化学虽然是一门理论学科,但许多定理都是建立在大量的实验基础上,所以物理化学的知识是理论和实验相结合的。为了更好的理解课堂上的理论知识,开设对应的实验课程,这样既能锻炼学生的动手能力,又能加深学生对相关知识的理解程度,而且还能够建立学生对物理化学这门课程的实用性的信心,极大地提高了学生的学习动力。例如,我们讲授化学动力学这一章的一级反应时,讲完理论的同时,开设了“蔗糖水解反应速率常数的测定的实验”,学生普遍反应通过实验对课堂内容有了更深一层次的理解。 2.2优化教学方法和教学手段 (1)加强课前预习与课后复习。物理化学的公式推导过程繁琐,为此非常有必要进行课前预习。课前预习要求学生对将要讲述的内容先浏览一遍,不做具体推算,只要求对重点内容有个初步掌握,等老师讲述时学生的思路能与教师同步,使以后教学活动更易开展。同时知识讲授后还要要求学生经常复习,以免由于公式繁多而混淆或是遗忘,影响后面新知识的学习。在物理化学教学中,作业也是必不可少的教学环节,但作业太多学生疲于应付,太少达不到复习的效果。因此就要求精选习题,做到“少而精”,力求达到事半功倍的效果。同时为了弥补课堂教学时数少而教学内容较多的不足,可根据教学内容的安排,适当选留思考题,然后要求学生课后查资料,以论文格式上交,这样既锻炼了学生的写作能力,又提高了学生的积极性。 (2)改进教学方法和教学手段。在教学方法上,我们改进单一的讲授法,采用启发式、讨论式、互动式教学方法,努力为学生营造一个宽松的学习环境。具体做法是教师精心设计问题,通过提问、回答及组织学生进行讨论,在教师与学生之间形成一种良性互动式的教学模式。在教学手段上,我们采用多媒体教学与板书相结合的形式,使复杂抽象的问题简单化。对于难以讲解或表达的内容,可以运用动画、影片等手段把难以理解的概念形象化,引起学生的兴趣,加深学生的理解。但是多媒体教学也有它的不足之处,多媒体教学讲课速度较快,学生不能及时接受教师讲授的知识,更没有更多的时间做课堂笔记,不利于课后的复习和考试。因此要根据教学内容来确定是否选用多媒体教学。对于那些有图像,需要演示过程的教学内容,例如第六章相图的演示,第十章界面现象的毛细管现象、润湿现象等内容,多媒体教学能够化静为动,把枯涩的问题趣味化,便于学生深入地了解相关知识,能得到很好的教学效果;而对于重要公式的推导方面的教学内容采用板书的形式更合适。只有采用多媒体教学和板书相结合的形式,才能收到最佳的教学效果. 3合理、科学的考核方法 合理、科学的考核方法能够调动学生的学习兴趣和学习动力,提高学生主动学习的能力。签于此,我们结合本校的具体情况和专业特点,摒弃了传统的只以期末考试成绩为标准的考核方式,采用多项合并的方法综合测评。具体测评方法为期末考试成绩占总成绩的70%,体现学生动手能力的实验课程占总成绩的10%,平时成绩占总成绩的20%。平时成绩又分为三部分:出勤率占3分,作业成绩和平时的小测验成绩占12分,参与课堂讨论和随堂回答情况占5分。这样的考核方式明显提高了学生的学习热情,学生能积极参与课堂问题的讨论和回答,改变了物理化学枯燥,沉闷的课堂气氛,大大地提高了教学质量。 4结语 针对我校复合材料专业的具体情况对该专业开设的物理化学课程课堂教学进行了改革,包括教材的选择、课堂效果的整体设计、教学方法和教学手段的改革、课程考核体系的建立等。实践结果证明以上的教学改革方案大大提高了学生的学习兴趣,学生能够积极思考、回答问题,也极大地提高了教学质量。但是教研改革永无止境,我们会继续更深入地进行物理化学教学改革,使之建设成学生更受欢迎的课程。
材料力学论文:材料力学公式分类记忆方法 【摘 要】根据课程特点,结合教学实践,摸索出了一套行之有效的材料力学计算公式分类记忆方法,取得了良好的教学效果,学生的计算准确性和学习积极性均得到提高。 【关键词】材料力学;计算公式;分类记忆;教学效果 材料力学是针对我校机械类、材料类专业学生开设的一门理论性较强的技术基础课。由于课程内容复杂,计算公式繁多,多数学生在记忆上存在一定的难度,计算准确性和学习积极性受到影响,进而导致教学效果很不理想。因此,材料力学计算公式的记忆问题成为一个急需解决的主要问题。根据课程特点,结合教学实践,借鉴他校和他人教学改革思路[1-4],摸索出了一套行之有效的材料力学计算公式分类记忆方法,取得了良好的教学效果。 经过观察不难发现,这几组公式的结构完全相同,都是分数的形式。如果记忆的是轴向拉伸和压缩的计算公式,那么后面的剪切、扭转和弯曲的计算公式可以记忆为:分子中的截面内力变换一下形式,分母中的截面参数和变形刚度也相应变换一下形式。 类似地,还有主应力、主应变和主惯性矩公式也可以用这样的替换方法来记忆。 通过分类记忆,就算再难的公式也会记住的。养成分类记忆的习惯,不仅有助于提高记忆力和观察力,还有助于提高想象力和创造力。 2 教学效果 在分类记忆方法的影响下,学生就能主动地记忆看似复杂、繁乱的材料力学计算公式了,课堂练习和课后作业的计算准确性就会相应地得到提高。在教师的正确引导下,学生学好材料力学的信心就会逐渐增强,学习积极性不断提高,从而体会到学习材料力学不再是一件很痛苦的事情,而是一件很快乐的事情。 2.1 提高了学生的计算准确性 以往学生对学习材料力学缺乏兴趣,原因之一就是计算公式没有记住。在教学过程中,经常有学生反映材料力学公式多,不好记,结果导致课堂练习和课后作业的计算准确性低。经调查发现,这种情况具有普遍性。这个问题如果解决不好,势必会影响教与学的效果。引入分类记忆方法后,公式记住了,学生的计算准确性自然就提高了。 2.2 提高了学生的学习积极性 以往学生对学好材料力学缺乏信心,原因之一就是辛勤付出没有回报。经常出现这种情况:虽然学生学习很努力,但是成绩不理想。分析原因,公式没记住,解题错误多,努力没收获,结果导致学生的自信心受到打击,学习积极性上不来。引入分类记忆方法后,公式记住了,成绩上去了,付出有回报,学生的学习积极性自然就提高了。 3 结束语 材料力学计算公式的分类记忆探索取得了一定的成效,现已获得校方和学生的认可。通过对材料力学计算公式的分析整理,进行分类记忆探索,进一步强化对知识的学习和掌握要求,不仅仅是能领会教材中的知识,而且能把获得的知识在头脑中记忆下来。只有这样,才能在作业、考试及以后的工作中灵活运用,也才算真正掌握了知识。因此,这种记忆方法值得进一步推广,以获得更好的教学效果。 材料力学论文:对新时期材料力学教学的几点思考 【关键词】 材料力学;青年教师;思考 材料力学是工学学科中力学类、机械类、土木类、航空航天类等专业一门重要的专业基础课。在上述专业课程体系当中,按照授课时间排序,材料力学是第一门系统性讲解变形体(杆件)在外部载荷(以集中力、布力、集中力偶与温度为主)作用下形变与内部应力相关计算的课程,内容上完成了从质点、刚体到变形体的过渡,上承高等数学、理论力学,下启弹性力学、结构力学、岩土力学、机械设计等专业课程,是连接基础课与专业课的不可或缺的一环。目前,以建设世界一流大学和一流学科为目标,笔者所在的上海理工大学正实施“卓越工程师教育培养计划”,同时大力推进多个专业的工程教育专业认证。在这样的背景下,如何将材料力学这门由于内容相对经典且逻辑性强,而在部分学生眼中显得抽象枯燥的课程讲好,使得学生通过课程学习能够掌握材料力学中的思想方法及重要结论,并具备将其应用于解决实际工程问题的能力,是值得从事材料力学教学工作的青年教师思考的一个重大问题。下面,笔者结合工作实践谈几点自己的看法。 一、讲好绪论课 材料力学的绪论部分一般包括对本课程研究对象、研究内容、研究方法、基本概念、实际应用,以及历史沿袭、最新进展、未来趋势等的介绍。由于绪论并不涉及具体的公式推导与问题求解,容易被相当数量的习惯于应试导向性学习的学生贴上“内容空洞,学而无用”的标签,甚至一些授课教师也持有类似观点,以几句话将绪论匆匆带过,进入相对“言之有物”的后续内容。实际上,绪论的重要性并不亚于其他章节,一堂好的绪论课不但应当能够使学生对课程内容产生清晰的整体印象,还应起到拓宽其视野,激发其学习兴趣的目的。绪论课的作用就好比“藏宝图”加“指南针”,使学生在后续的学习过程中可以主动地按图索骥而不至迷失方向,最终获得“宝藏”――即解决问题的思想方法与需要掌握的知识点。 材料力学教材绪论部分所包含的知识点之间联系相对松散,不存在能够串起全部知识点的较长逻辑链,因而在讲课方面留给教师自由发挥的余地较大;但也正是由于无定式可循,讲好绪论课的难度甚至还要高出讲好具体理论课程的难度。为了使绪论课发挥其应有的作用,组织课程内容时不妨考虑以下几点: 1. 以现实生活中常见实例作为开头,以设问的形式引出材料力学的研究内容,即强度、刚度与稳定性的概念。如,由建筑地基不均匀沉降导致的墙体裂缝多与地面呈45°的现象,以及2012年8月24日发生的哈尔滨阳明滩大桥垮塌事故,引出强度的概念与重要性;由客机起飞时通过舷窗所观察到的机翼弯曲现象,以及1998年6月17日发生的因Ka-50直升机上下两副反向旋转的旋翼桨叶碰撞而导致的坠机事故为例,引出刚度的概念及重要性。 2. 以材料力学的发展史为主线,重点介绍做出过突出贡献的著名科学家及其工作,如伽利略、胡克、欧拉、拉格朗日、纳维等人,使学生在深入学习具体理论之前即对课程内容的背景及历史沿革有所了解,对课程产生更加立体的第一印象。与此同时,还应适当增加与中国古代材料力学成就相关的部分内容,如东汉末年经学家郑玄对于胡克定律的等价描述0,建于公元600年前后、世界现存第二古老的单孔敞肩圆弧石拱桥――赵州桥,以及建成于公元1056年、世界现存最高大的古代木构建筑――山西应县佛宫寺释迦塔等等。 3. 在讲解材料力学基本假设时,不但需强调其在理论推导方面的意义,同时还应从正反两个方面举例说明其适用范围,使学生对真实世界的复杂性与理论的局限性产生一定的感性认识,为将来进一步学习更高层次的课程做一铺垫。如,对于连续性假设,可指出只有物体所占据的空间内均充满物质不存在空隙,且物体变形后不发生重叠或开裂现象时,物体的变形及内力才能表示为物体内部每一个物质点的坐标的连续函数,便于利用数学分析的方法进行研究。尽管此假设在原子尺度上、甚至对于某些多孔材料在微米尺度上不再成立,但只要作为研究内容的材料的力学行为所发生的尺度远大于上述范围,则仍然可以应用此假设。如果物体的确包含宏观裂纹或类似缺陷,那么采用断裂力学的分析方法则更为适合。对于均匀性假设,可指出此假设意味着物体内部各物质点处均有相同的力学性能,所以材料属性可以是独立于物质点坐标的常数。尽管此假设对于金属材料在晶粒尺度上、对于某些包含颗粒或纤维组分的复合材料甚至在10 μm的尺度上不再成立,但在宏观尺度上仍可应用均匀性假设。对于各向同性假设,可指出其适用于大多数金属与高分子聚合物工程材料,但同时也存在大量不满足此假设的常见材料,典型如竹子、木材、连续纤维增强型复合材料单层板等。另外,还可举例说明宏观尺度上各向同性的材料在细观或介观尺度上并非各项同性。最后,应特别强调各向同性只是针对材料的弹性行为而言,并不包括强度,避免学生混淆概念。 二、优化课堂内容 现阶段我国高校中材料力学的教学进程大多沿著“直杆轴向拉压圆截面轴扭转直梁对称弯曲应力状态与强度理论组合变形”的主线展开,再附加压杆稳定与能量法有关内容;对于杆件的三种基本变形(拉压、扭转、弯曲),又多沿着“变形假设几何关系本构关系平衡条件应力公式变形公式”的顺序进行演绎推导。国内外多种教材的内容也基本按照上述思路编排或略加调整0-0。这种整体进程安排符合由浅入深、从易到难、循序渐进的一般教育原则,同时通过讲解杆件的三种基本变形问题,可加深学生对于材料力学中普遍采用的分析方法的理解与记忆。但是另一方面,这种传统安排的不足之处表现为教学内容重复性较大,且各部分之间的逻辑联系不够紧密,不利于学生在较短时间内掌握材料力学的核心内容0, 0,影响学习效率与积极性的提高。面对传统的教学进程安排、有限的课时(根据学生专业不同通常为64或48)与不断增长的对实际传授知识量的需求三者之间的矛盾,优化课堂内容显得十分必要。 1. 由于生活在信息时代、习惯于在若干目标间快速转移注意力的学生难以被包含较长逻辑链的数学推导过程长时间吸引,所以需要将传统的“连续式”教学过程变为“脉动式”教学过程,将每堂课所应覆盖的内容归纳划分为若干个知识点,每个知识点都包括设问形式的开头、具体内容讲解、为下一个知识点铺垫的结尾所构成。考虑到学生一般可持续集中注意力的最长时间约为10 分钟左右,每个知识点所需讲授时间在10~15 分钟左右为宜,这样一节时长45分钟的课程中即可安排3~4个知识点。 2. 对于杆件的基本变形,除按照现有教学顺序进行讲授之外,还可在每一种基本变形相关内容讲授完毕之后,沿“外力内力应力应变能量”的主线0重新演绎所学内容,使学生从不同角度观察分析问题,拓宽思路。在所有基本变形讲授完毕之后,应充分比较直杆在轴向拉压、扭转、弯曲时的分析方法与重要结论,并归纳提炼出共同特征,使学生从更高层次上整体理解与掌握课程内容。另外在不改变基本教学顺序的情况下,还可适量增加教材以外的内容,目的在于加强学生对于解决材料力学问题的一般方法的理解,不求艰深。例如,可利用推导直梁横力弯曲时平衡微分方程的微元法,推导直杆轴向拉压与圆截面轴扭转时的控制方程0,而后两者在现行教材中一般较少出现。 3.形形色色的有限元分析软件已经在工业界得到了大规模应用,而材料力学的知识又是掌握有限元软件使用方法的必要前提。为了培养学生的工程实践能力,同时加深对于材料力学所学内容的理解,可以在课程中增加有限元软件的简单介绍与实际操作模块,使学生具备利用ANSYS或者Abaqus解决简单材料力学问题的能力。 三、合理运用现代化教学手段 目前,以微软公司的PowerPoint(简称PPT)为代表的电子演示文稿已经成为各高校必不可少的多媒体教学手段。传统的以板书为主的教学模式中,授课教师需花费大量时间在黑板上写字绘图,期间背对学生,无法观察学生的反应,与学生的互动时间也会相应减少。而且板书的表现力有限,难以用生动的形式解释某些较难理解的概念。同时,以板书为主的教学模式要求授课教师对于在课堂上所要呈现的全部内容都烂熟于心,否则一旦记忆不牢,就有可能在面对空白的黑板时无从下手,致使教学效果大打折扣,而这也正是许多初上讲台的青年教师所要面对的问题。板书的弱项却是PPT的长项,若以PPT为主要教学手段,由于不用花费时间在黑板上写字绘图,授课教师可一直面对学生,便于师生互动,提高教学效率。另外,因为大部分讲授内容均已预先记录在PPT上,教师不用为偶尔忘记内容担心,实际上减轻了教师的负担。不过另一方面,PPT在展示数学推导过程方面也有自身的局限性,由于所有内容均为事先制作,缺乏根据需求临场改变的自由度,不便于教师根据学生的反馈而从多个角度解释部分推导过程。此外,较快的显示速度也不利于学生对于推导逻辑的理解消化,而高度集中的注意力也容易造成学生的疲劳。在这方面,板书的点显而易见,理论推导过程明晰,节奏适中,便于学生理解。因此,青年教师应合理结合传统板书与以PPT为代表的现代教学手段,利用自身熟悉多媒体素材与手段的优势,用大量可视化的内容解释材料力学中理论性较强、相对晦涩的概念;而在进行理论推导时,则依靠板书,详细讲解思路与每一步的依据,并结合学生的反馈,重复重点步骤,这样才能取得更好的教学效果。 智能手机是另一个可以利用的教学手段。尽管目前智能手机的滥用已经成为一个普遍存在的影响课堂教学效果的因素,但不可否认的是智能手机与互联网的结合的确大大加快了信息传播的速度,也大大方便了人与人之间的交流。正如大禹治水,堵不如疏,与其禁止学生在课堂上使用手机,不如引导其适度“正面”地使用手机或其他移动通信终端,使手机为提高课堂教学效果服务。 材料力学作为工学学科多个专业的一门重要的专业基础课,随着“卓越工程师教育培养计划”的实施与工程教育专业认证的推进,对这门经典力学课程的教学效果提出了更高的要求。作为从事材料力学教学工作的青年教师,在不改变现行教学体系的前提下,可充分发挥主观能动性与熟悉新兴教学方法与传播手段的优势,从讲好绪论课、优化课堂内容、合理运用现代化教学手段三个方面着手,精心打磨材料力学,使其在新形势下焕发生机,为培养适应时展要求的创新型工程技术人才作出自身的贡献。 材料力学论文:材料力学虚拟实验系统设计与实现 摘要:本论文Y合我校实验教学的实际情况,同时借助于材料力学理论知识,自主设计并开发了材料力学虚拟实验系统。材料力学模拟实验系统是一个基于web平台开发,采用B/S模式三层架构,通过J2EE、SQL等技术开发而来的一款网站系统,通过网页接入服务器方式,在客户端网页进行虚拟的材料力学模拟实验,从而替代或补充在现实世界进行的真实材料力学实验教学活动。该论文将详细分析材料力学虚拟系统的各种需求和特性,以及所需的各类技术支持,剖析材料力学模拟实验系统内部的逻辑实现。 关键词:虚拟实验系统 web 材料力学 1 引言 随着计算机的发展,计算机已经在日常各类教学活动中扮演着无可替代的角色,计算机的高效和智能解决了教学生活中许多重大或者难以解决的问题。计算机网络也继承了这些特性,同时,计算机网络比起计算机软件又拥有着许多特有的优点,比如计算机网络可以做到实时更新与维护,而且比计算机软件占用更少的资源,开发难度也大大降低。 虚拟实验是以计算机技术为基础的虚拟技术。早起仅在模拟电路中被提出。比如著名的电路模拟软件Labview便是虚拟实验系统的典型案例。在结构和力学领域,国内外采用有限元软件、结构设计软件、以及部分建造软件进行实验,但是,这一类软件主要是以分析和设计为主,但是在功能上,操作的流程和实验的现象展示往往很难满足实验教学的需要。 力学实验教学一直是力学教学中一个必不可少的组成部分,但是随着力学科学的发展,以及力学学科内部划分的纷繁复杂,力学实验器材种类特别繁多复杂,而且作为教学器材,数目巨大,且频繁使用增加了器材的损耗,这无疑大量增加了教学费用的开支。 本课题利用计算机网络所具有的特性,通过计算机web的开发,利用计算机网络技术,制作了一款解决现实世界材料力学实验教学所面临的各类问题的虚拟实验系统,通过网页接入的方式,非常方便快捷高效的将现实世界材料力学实验教学移植于网络平台。将所有教学活动网络化,将使材料力学实验教学变得非常低廉、高效和可持续。 2 系统结构概述 材料力学虚拟实验系统开发分为以下几个阶段完成。第一个阶段由材料力学教研室完成典型的实验项目和内容,为进一步开发提供理论保障;第二阶段由学习材料力学的学生提实验操作的实际要求,操作的简易程度;第三阶段由开发人员根据教师和学生提出的实验要求进行开发和推广。材料力学虚拟实验教学系统的总体设计目标为:(1)对已有的教学实验内容和项目进行有效分析、整理和完善。特别对影像照片、力学图纸、力学使用说明和操作流程等技术资料进行归档,为后期开发提供素材;(2)利用计算机虚拟技术,在线模拟实验的全过程,再现不同测试方法和实验现象,将该技术应用于本科实验教学的各个环节;(3)利用大型虚拟设备,并借助于虚拟现实技术再现实验外的典型应用和操作流程,用于本科生入学,其他专业学生和实验人员开展相关活动。 本系统主体是web网站,采用了B/S模式下的三层架构的实现模式和 JavaEE及相关技术进行界面开发,采用SQL数据库管理技术对信息进行高效安全管理。系统主要由三大功能模块组成:学生界面模块:主题是在线模拟实验模块,同时包含在线交流答疑、公告广播接收等辅助功能。教师界面模块:主要提供模拟实验的更新、公告广播的、学生档案管理等功能。数据库模块:主要是对各类信息数据的管理。 3 系统的需求分析 在力学虚拟实验系统中,系统需求分析主要分为三块,一块是学生端实现,一块是教师端实现,另一块为数据库实现。 3.1 学生端 学生端主要为虚拟实验的实现。系统的虚拟实验模块,虽然包含多个物理实验模型,但其基本技术原理相同,受文章篇幅的限制,本文将以拉伸实验为例介绍虚拟实验模块的原理。 3.2 学生端登陆 学生若要使用本系统,必须拥有已注册于服务器的账号,如若没有则需通过注册向服务器录入学生个人信息。注册将会对注册信息进行必要的合法性检查,其利用本地的JavaScript,通过后才会将个人信息录入服务器数据库中。登陆完成后即可进入学生端界面。 3.3 虚拟实验 虚拟实验界面中包含“实验大纲”、“实验指导”、“仪器试件”、“虚拟实验”、“实验报告”、“留言答疑”以及“我的信息”等板块。“实验大纲”、“实验指导”界面为收录的本次实验的原理教学和实验流程,“仪器试件”则通过图片形式展示本次实验所用到的各类仪器。学生用户可以通过浏览这些分类板块了解本次实验的原理、流程、目的以及实验要求等信息,达到实验前的教学目的。当学生充分理解实验后,就可以正式开始“虚拟实验”环节,这也是本系统核心功能模块。 “虚拟实验”环节开始后,系统会通过前提JS,一些复杂的实验则通过后台servlet和 javaBean,依据具体实验随机生成一定合理范围内的实验数据,并通过request或session对象传递给jsp页面。当完成以上实验步骤后,学生用户即可将虚拟实验所得数据代入具体公式计算得出实验结果,至此整个“虚拟实验”环节结束。 3.4 报告提交 当学生完成整体虚拟实验后,即可将整个实验流程和所得数据结果整理成报告,并通过网络上传提交与服务器数据库中,以备教师调阅或者学生自己查阅。同时系统也提供在线答疑功能,学生可将实验步骤中难以理解的环节通过邮件形式发予任课教师进行咨询,回复也以邮件形式发回学生邮箱中。 3.5 教师端 教师使用此系统也需要进行账号注册以及信息的验证,验证过程同学生模块,注册完成后将信息收录数据库中。教师模块的权限要高于学生模块,教师模块拥有整个系统的控制权限,教师可以通过教师端界面管理整个系统的数据库。 3.5.1 报告管理 当学生将实验报告提交于服务器数据库之后,教师即可通过“报告管理”模块查询到所需要调阅的报告。查询功能采用模糊搜索方式,可以根据 “名称”、“起始时间”、“结束时间”等条件对数据库中的报告进行检索。教师拥有对报告数据库表的更新管理权限,可以随时删减数据库中的报告文件,并且教师可以上传报告模版文件,供学生下载使用。 3.5.2 成绩管理 通过“成绩管理”模块,教师可以在线打开学生提交于报告数据库中的文件。在打开后的报告界面会出现“评分”选项,教师可以通过审阅学生提交的报告对学生虚拟实验的完成情况进行等级评定工作。当评定完成之后,评定的结果信息会被储存于服务器数据库中,对不及格的报告,教师可在“报告管理”模块将其删除。学生可在收到评定结果为“不合格”的消息后再次进行模拟实验并重新提交报告,直至评定结果为“合格”为止。教师也可在评定结果后再次进行修改,更改评定的结果。 同时,教师也可在此模块中进行检索,搜索出所有“合格”或“不合格”的学生信息及报告,并通过相应模块做后续的管理操作。 4 结语 本文通过详细的介绍,描述了材料力学虚拟系统的组成结构及工作流程,阐述了材料力学虚拟系统的优越性,以及对现实物理实验所面临的问题的解决策略,材料力学模拟系统极大减少了现实物理实验的人力财力支出,是对现实物理实验的强大补充和替代。 材料力学论文:材料力学在力学学科及工程实际中的应用 摘 要 材料力学是力学及机械、土木等相关专业的基础学科,其主要任务是研究杆状材料的强度、刚度和稳定性。本文重点探讨材料力学在其他力学学科,包括弹性力学、板壳力学及振动力学等学科中的应用。此外,还介绍了材料力学在工程实际中的应用。这不仅能深刻阐明学习材料力学课程的意义,还通过实例及工程背景来加深学生的印象,提高教学效率。 关键词 材料力学 弹性力学 板壳力学 振动力学 工程应用 0 引言 材料力学①是研究杆状材料的强度、刚度及稳定性的学科,也是力学、机械工程、土木工程等专业的必修课程。该学科的应用范围非常广,不仅能解决一些强度校核、稳定性验证问题,还与其他力学学科,例如弹性力学、②板壳力学③和振动力学④等的交叉非常普遍。此外,材料力学在工程实际和生活中的应用也非常多。本文就通过材料力学在力学学科及工程实际中的应用这两部分来进行说明。 1 材料力学在力学学科中的应用 1.1 材料力学在弹性力学中的应用 弹性力学是研究弹性体在外力作用、温度变化及支座沉陷等外部因素作用下产生的应力、应变、位移的一门学科。其研究对象、基本假设及研究方法与材料力学不同,且它的基本研究思路是基于平衡方程、物理方程和几何方程。其中,弹性力学中物理方程的推导与材料力学息息相关,如图1所示,根据广义胡克定律,容易得到 式(1)中,%l1,%l2和%l3分别是材料力学中的第一、第二及第三主应力,E和%e分别为弹性模量和泊松比。材料力学在弹性力学中的应用还有很多,例如平面应力问题和平面应变问题的区分、应力集中现象在弹性力学中的推广、圣维南原理、利用切应力来求解弹性力学问题等等,此处不再一一赘述。 1.2 材料力学在板壳力学中的应用 板壳力学是研究工程中的板壳结构在外力作用下的应力分布、变形规律和稳定性的学科。其主要研究内容为薄板弯曲理论以及经典解法、薄板稳定问题、薄壳一般理论。板壳问题的求解过程中,通常会用到材料力学挠曲线方程的微分关系,例如,1820 年,Navier 首先成功求解了均布荷载作用下的简支矩形板的挠度问题,如图2中,四边简支矩形板的边界条件为 其中,挠曲线的曲率等于0,即是利用了材料力学中简支端的弯矩M=0的概念。此外,该方法求解简支矩形板的挠度,还利用了材料力学中的力法及位移法建立方程,且最终得到板的最大挠度发生在矩形的中心位置,即=a,=b处,这也与材料力学中简支梁中心位置处挠度最大的概念相符。 1.3 材料力学在振动力学中的应用 振动力学是研究机械振动的运动学和动力学的一门学科。固有频率的计算,是振动研究重点关注的问题之一。而利用柔度法求解系统固有频率时,材料力学的应用可以让问题大为简化。如图3所示为一带有质量块的悬臂梁,为得到系统的固有频率,可以将梁等效为弹簧,列振动方程进行求解,然而该方法比较复杂。此处,可以根据材料力学中集中力作用下悬臂梁自由端的挠度公式得到梁的柔度,从而可以进一步得到系统的刚度和固有频率,让计算和推导过程简单化,基本计算过程如下: 类似地,还可以将材料力学中弯曲变形的概念应用于振动测试当中。如D4(a)、(b)表示用力锤法测试固支梁固有频率和阻尼比的振动测试实验及其原理图。其中,实验构件由四根两端固支梁和两块矩形钢板组成,用力锤敲击矩形板的侧面,测试出的系统固有频率即为四根固支梁的振动频率。将系统看成四根并联的弹簧,由材料力学知识,单根两端固支梁的刚度为: 其中,E为弹性模量,I为惯性矩,L为固支梁的长度,系统总刚度即为 = 48EI/L3,再根据 = ,即可求解出系统的理论固有频率,并将其与振动测试设备得到的固有频率相比较,便能验证该实验的精确性。 2 材料力学在工程实际中的应用 除了在弹性力学、振动力学等力学学科和专业课程以外,材料力学在工程实际和现实生活中的应用也非常广泛。例如,如图5利用有限元软件分析结构的强度,其中,材料的属性:包括弹性模量、泊松比等都需要参考材料力学的内容,且分析结果的正确性及其精度,也都可以通过材料力学的理论分析予以证明。在数控机床强度分析、大型自然通风冷却塔的优化设计中,通常会涉及材料力学的基本概念。 此外,如图6(a)所示,法国著名景点埃菲尔铁塔的形状,也可以利用材料力学中弯曲内力的概念予以解释。由于铁塔水平风向通常仅受到水平方向风力的作用,因此从单个方向上可以将其等效为悬臂梁受水平风载作用,其在均布载荷作用下的弯矩图如图6(b)所示。越靠近地面,弯矩越大,要保证结构的强度,对建筑物的尺寸要求就越高。再考虑塔身自重以及不同高度和不同季节情况下风速的差别等原因,才最终确定了埃菲尔铁塔的形状。巧妙利用了材料力学中弯矩的概念对建筑结构进行优化设计,这也是它与其他塔型建筑物的最显著区别。 最后,在日常生活中接触到的包装袋会有锯齿形状或者小孔裂缝,方便与人们撕开,这就用到了材料力学中小孔或者缝隙处会发生应力集中的现象。此外,在汽车、船舶等交通运输工具中,通常会有材料拼接,拼接处由于材料不同,刚度出现急剧变化,此时也会发生应力集中现象,因此,一味增加此处材料厚度往往会适得其反。这些也都是材料力学在工程实际或现实生活中的应用。 3 结束语 随着工业4.0概念的普及,高校教育越来越偏重于信息化、智能化,对学生的要求是理论联系实际、知识用于实践。本文通过介绍材料力学在力学学科及工程实际中的应用,既可以激发学生对材料力学的兴趣、提高课程的教学效率,又能让学生真正了解材料力学的工程背景和实用价值。 材料力学论文:材料力学教改思考 摘 要 材料力学是工科类专业的一门重要技术基础课。本文从培养目标、教学内容、教学手段三方面出发对材料力学课程的教学改革进行了初步的探讨和思考,以期能够在今后的教学实践中培养出适合国家需要的多层次、多类别专业人才。 关键词 材料力学 教学内容 改革 材料力W是工科类专业的一门重要技术基础课,对航空航天类、土建类、机械类各专业显得尤其重要。材料力学课程的任务是为解决工程实际问题(强度、刚度、稳定性)提供必要的理论基础。随着材料制造工艺的飞速发展及计算机技术的日益普及,传统的材料力学课程在教学方法和内容上需要改革调整。本文以下结合笔者所在高校的教学实践活动,对今后材料力学课程的改革进行了初步的探讨和思考,以期能够在新的历史时期下,培养出国家所需要的多层次、多类别的专业人才。 1 进一步明确培养人才的目标 目前,中国正处于快速发展阶段,急需大量的各行业人才,而培养人才的重任便落在各种高校身上。中国有几百所工科大学,但每所高校培养人才的方式不一样,其中绝大多数高校是以培养应用型人才为主,少数高校是以培养研究性人才为主。以培养应用型人才为主要目标的高校,学生毕业后绝大多数都流入了生产型企业,他们主要从事相关产品的研发和设计工作,是产品生产过程中的中坚力量。而以培养研究型人才为主要目标的高校,学生毕业后有相当一部分会流入研究所和设计研究院,主要从事以技术创新为主的研究和深度研发工作,是产品研发阶段的创新型人才。培养技术应用型人才的高校,应侧重教会学生如何“用”的问题。而对于培养研究性人才的高校,更为重要的是告诉学生“为什么是这样”的问题。所以,首先应该根据学校自身的定位,明确学生的培养目标,从而合理组织教学内容。其次,应根据不同的专业设置来明确教学内容。 材料力学是力学、航空、航天、机械、动力、土木、水利等专业的一门重要专业基础科,而且是一门理论性很强的学科,其包含的公式,定理,思维方式,建模思路等对于各行业的产品研发,创新发展,优化问题等方面起到很大帮助作用。不同专业对材料力学课程所要求的深度、广度和侧重点有所不同。所以,必须根据不同的专业设置,来安排和组织教学。在但无论培养什么样的学生和什么专业的学生,都应注重学生分析问题的能力和解决问题能力的培养,另外也应注重学生的创新能力的培养。 2 教材内容与时俱进 传统的材料力学课程主要以宏观尺度的一维杆件为研究对象,在教学内容上先安排讲授杆件的四种基本变形形式及对应的强、刚度问题,在此之后讲授组合变形并通过引入应力状态的概念引出组合变形模式下的强度问题,最后安排讲授压杆的稳定性问题。以上讲授内容,自上世纪八十年代中后期就已经成型,到30年后的今天仍然是材料力学的核心讲授内容。这样的教学方式和考查形式着重培养学生学习材料力学中的定理,理论和研究方法,然后解决一些传统的问题,然而这并不利于培养学生的创新能力,与我国快速发展的现状越来越不适应。因此,使教材内容适应国家发展是很重要的。 随着科学技术的不断发展,材料制造工艺水平的不断提高及新材料的不断涌现,对材料力学这门“成熟”的课程提出了全新的力学问题。如何在传统的材料力学课程中适度、适时地反映这些全新的课题和进展是十分必要的。特别是近年来有限元思想的快速发展,这对材料力学的学习和教学有了很大影响,在研究工程变形和静定结构的基本变形中,有限元思想更是突出了它的便利之处。另外,随着新的交叉学科的不断涌现,传统材料力学中的一些结论和分析方法,也已在其他一些学科中得到了具体应用。但是,这种全新的应用并没有在传统的材料力学课程中得到体现。因此,在当前学科交叉日益密集的趋势下,如何对传统的材料力学内容进行安排和重组,以反映这种学科间的交叉和渗透也是十分必要的。 传统的材料力学内容已不能满足现代工程技术的发展,这并不是说要舍弃那些传统内容,而是要保留核心内容,并加入一些新的思维方法,重组教学内容,优化课程体系,以达到完善教材,适应时展的效果。这不仅可以激发学生的学习积极性,还可以提高学生的创新能力,提高学生解决问题的能力,并有利于高校培养专业的人才,满足国家的需求。因此,教学内容与时俱进势在必行。 3 完善教学手段 目前,随着计算机技术的飞速发展,利用计算机的计算能力来解决实际工程问题以成为当前的一种主流趋势。计算机的普遍使用,也为材料力学课程教学方法提供了很大发展空间,老师应该利用学生对计算机的兴趣,合理使用计算机辅助教学,不仅可以提高信息的输送和表达,而且还能激发学生的学习热情和创造性。另外,利用多媒体教学,还能加深学生对材料力学基本概念的理解,相应的提高了学生解决问题的能力,计算机教学方式是传统教学手段的有力补充。还有一些大型的商业有限元软件,尤其是ANSYS软件早已被用来进行结构的强度计算。很多工科院校也已经将ANSYS作为本科生或研究生的一门必修课程,通常都安排在材料力学课程之后学习。但是,在讲授材料力学的过程中,也应该充分利用ANSYS直观形象的图形显示能力和强大的计算分析优势,来演示材料力学课程中的一些重要结论和验证一些主要假设的合理性问题。举例来说,在学习梁的弯曲变形时,采取了平截面假设,也就是说当梁发生弯曲变形的时候,变形前原为平面的梁的横截面变形后任保持为平面,且仍然垂直于变形后的梁的轴线。①这一假设的实质是忽略了剪应力对梁弯曲变形的影响,而且仅对长高比较大的梁( 5)近似成立。 在教学过程中,一般仅是定性的告诉学生这一结论。利用ANSYS软件,通过不同的单元选择,比如可以利用Timoshenko梁单元,二维实体单元和三维实体单元,具体形象地展示不同单元的数值结果,从而定量的告诉学生这一假设合理性及适用性的问题。此外,另外一款数学软件Matlab也因其强大的分析和仿真功能,被广泛地应用于研究及教学领域。事实上,Matlab也早已被列为本科生的一门选修课。国内一些高校也开展了Matlab和材料力学课程相结合的一些有益探索和尝试,比如利用Matlab计算超静定机构的支反力及绘制挠曲线的形状等。②在材料力学课程中的把ANSYS,Matlab等仿真类软件引入到材料力学课程教学中来,不仅可以激发学生的学习兴趣,还可以加深学生对材料力学基本概念的理解,并有助于提高学生实际分析能力和解决问题能力的提高,为其将来更好更快地解决实际工程问题打下基础。因此,在今后的材料力学教学中,应该加大ANSYS,Matlab等软件的介绍,在更深的层次上和教学过程相结合。 在利用计算机辅助教学的同时,也应该注重加强学生进行材料力学试验,材料力学是一门理论性较强的学科。学生在学习基本概念和理论后,并不能完全理解,@就需要进行材料力学试验来加深学生对理论的理解,使理论与实践相结合。从简单的力学现象引出复杂的问题,通过理论的学习进而解决力学问题揭示力学原理,激发学生的学习热情,通过看得见、摸得着的实验可以加深学生对抽象概念的理解,提高学生的自主学习能力和创新能力。 最后,要完善教学课堂,老师在完成规定的教学内容后,应该不断鼓励学生乐于提出问题,并在课堂上解决,这不仅能激发学生的思考和发散思维,还能起到现学现用的作用,更能加深学生对基本概念的理解,提高学生解决问题的能力和创新能力。对于学有余力的学生,应该给他们一些力学问题,让他们合作解决,最后在课堂教学之余举行一个小竞赛,促使学生独立思考和钻研。这种教学方式不仅增强了学生自己查阅文献和书籍的能力,还提高他们的学习积极性,培养他们接受新知识、新思想的能力,在使学生独立思考的同时,也让学生意识到团队合作的重要性,加强了学生发现问题、解决问题的能力。总之,材料力学这门课程虽然是理论性学科,但是从课程理论学习、教学方式、课堂实验的创新等各个环节入手,并在各个过程中大胆创新,努力实践,最终可以提高教学质量,促进学生学习,提高学生创新能力,使学校培养出高素质,复合型人才,满足国家对工程性技术人才的需求。 4 结语 材料力学是工科类专业一门重要的技术基础课程,笔者作为工科类材料力学课程的一线授课教师,对材料力学课程今后的教学改革方向提出了以上几点思考和建议。为了培养出国家所需要的多层次、多类别的专业人才,在今后的教学工作中,只有明确了培养目标,不断改进教学方法、与时俱进地更新教学内容,才能使学校培养出的学生肩负起时代所赋予的责任。 材料力学论文:以学生为主体的启发式材料力学实验课程改革 [摘 要]材料力学是工科高等院校十分重要的专业基础课,涉及机械工程、土木工程、石油工程等许多专业。针对工科高等院校材料力学实验课程,提出以学生为主体的启发式课程组织方法以及相应的保障措施,打破传统的材料力学实验教学模式,能使学生真正形成从“被动”向“主动”,再由“主动”到“创新”的转变。 [关键词]材料力学;学生主体;启发式;方法与措施 材料力学是工科高等院校十分重要的专业基础课,涉及机械工程、土木工程、石油工程等许多专业。该课程的本质是探寻不同类型材料对于各种外力的承受能力以及内部变化,从而进一步分析各种材料的强度、刚度和稳定性。因此,在课堂理论教学的基础上,它非常强调与之对应的各种材料力学性能实验。良好的实验教学过程,不仅能够提高学生对基本理论知识的掌握,而且能够激发学生的学习兴趣,培养其分析和创新能力。 一、材料力学实验课程现状分析 当前的材料力学实验教学效果不尽如人意,总体而言存在以下几个方面的问题。1.教学模式单一。目前,材料力学实验教学均采用传统的教学模式,即教师讲解实验原理及实验过程,之后学生分组进行实验,最后填写统一的实验报告,获取实验成绩。2.学生参与度和积极性不高。由于缺乏对材料力学实验教学的认识,学生普遍存在不重视实验的问题。由于材料力学实验均为分组实验,每组成员2~8人不等,因此部分学生在实验过程中完全依赖同组其他同学,有些对于实验原理都不甚了解。3.缺乏质疑能力和创新意识。当前,高校学生的学习具有很强的惰性,一味地接受书本和教师传授的知识。在实验过程中,学生不会对实验的原理或者方法展开自己独立的思考或者提出疑问,更不会在现有实验的基础上进行更深层次的研究和创新。 二、材料力学实验课程的改革方法 针对以上问题,本文就材料力学实验课程提出以下改革思路。 (一)从被动“填鸭”式向学生主体式转变 当前,课程教学改革大力倡导以学生为中心,培养学生的学习能力、质疑能力以及创新能力。同样,对于材料实验课程,也需要从传统的以教师为主的教学模式,向以学生为主体的教学模式转变。具体实施办法为:充分发挥学生在材料力学实验课程中的主体作用,由学生自行分析材料力学实验原理、参照大纲制定实验方案、分配实验任务、操作仪器设备、获取试验结果、撰写实验报告等。在这一系列过程中,教师的身份要由从前的“讲师”转变为“导师”,即在学生遇到问题时以参与者的身份负责答疑解惑。同时,为督促和提高每一位学生对实验的参与度和积极性,在实验完成后,教师针对每一小组各随机选取一名成员作为汇报人,对实验原理、方法和结果等以前完全由教师讲授的内容进行讲解,该名成员汇报的得分,将成为本小组最终的实验成绩。这样不仅能够有效地促进小组成员之间的沟通和学习,而且能够很好地避免部分学生的惰性和依赖性。 (二)从表格式的实验报告向小论文的转变 传统的材料力学实验报告形式单一,学生在完成实验后,只需将实验结果逐一填入设计好的表格中即可。这样的实验报告不仅会在很大程度上限制学生的分析思考能力,而且非常容易出现相互抄袭的现象。为此,若能将格式固定的表格式实验报告转变为小论文的形式,将会从根本上解决这一问题。在材料力学实验小论文中,学生需要简述该实验的实验原理、制定实验方案的依据、人员组织、具体实施情况、实验结果以及本次实验所存在问题等。教师对小论文的评分也应从单纯地重视实验结果,变成对以上各方面内容的综合评判。对于实验结果不理想的学生,若能在小论文中正确地分析其原因,并且找出切实可行的解决方法,同样能够获得较好的实验成绩。 (三)基础实验与开放实验相结合 在当前高等院校大力倡导提高学生创新意识的大环境下,材料力学实验教学应进一步向基础实验与开放实验相结合的方向发展,为学生提供一个良好的实践平台,从而提高学生的思考、创新以及实际工程应用能力。开放实验的题目,可通过三种渠道获取。1.学生自拟。通常由3~5名学生形成实验小组,根据材料力学课堂理论教学和基础实验内容,结合自己的学习兴趣,拟定相应的开放实验题目。实验教师为学生提供所需的实验条件和相关理论指导,使其实验内容能够顺利实施。2.教师提供。以学生未来的职业和专业为导向,教师为学生提供2~3个开放实验题目供学生进行选择。例如,材料力学中的直梁弯曲正应力实验,其原理是直梁弯曲时,其表面粘贴的应变片产生电阻变化,由应变仪将信号放大并显示其应变情况。虽然学生在实验仪器准备充分的情况下,大都能够顺利地完成实验,但是很少有学生能够亲自动手粘贴应变片或者搭接电桥线路。因此,教师可以在此实验的基础上,提供相应的开放实验题目,给学生提供深入学习和实践的机会。3.研究生科研项目带动。工科高校研究生在完成科研项目时,通常需要进行相关的实验。例如,研究生利用力学实验室材料试验机进行PDC复合片压缩实验。在其实验过程中,可带领1~2名本科生开展相关实验工作。这样,不仅能够提高本科生的学习兴趣,培养其应用及创新的能力,而且能够为他们今后的学习或者研究工作奠定基础。 三、材料力学实验课程改革的保障措施 为了保证以上材料力学实验课程改革的顺利实施,需要做好相应的保障工作,具体而言包括以下方面。 (一)实验教师能力的提升 新的材料力学实验课程组织方法,突破了传统的教学模式,必然会为实验教师带来更多的挑战。实验教师自身的能力和素质,很大程度上决定了材料力学课程改革的效果。传统的材料力学实验教师只需根实验大纲和指导书按部就班地指导学生进行相应实验。然而改革后,实验教师更多的是扮演“导师”的角色,参与学生的实验,为其提供指导和帮助。这样,势必要求实验教师具有更深更广的专业基础知识,以及辅导各类型实验的综合能力。为此,对于现有材料力学实验教师而言,应当不断充实自己。对于学校来说,应当吸引更多有能力的优秀人才从事材料力学实验教学工作,并且提供有利的条件,加强其与其他开设相关课程的高校之间的交流和学习,让实验教师“走出去”,把好的思路和想法“引进来”。 (二)实验设备条件的保障 加强现有设备的维护和保养,并在此基础上,增加新的仪器、设备的投入。目前一些学校的材料力学实验设备,如静态应变仪、扭转试验机的年代都相对比较久远,已无法完全满足新的材料力学实验课程的需要。因此,对于有条件的学校,可购置一批先进的实验设备,以保证课程改革的需求。同时,在新的材料力学课程组织模式下,应把基础实验与开放实验相结合,各类型实验设备和实验室之间需要进一步加强协调与配合,制定相应的管理制度,这样才能保证材料力学实验课程改革的顺利开展。 (三)给予学生创新实践学分激励 在材料力学实验课程改革中,学生的主体地位,学生的积极性、主动性和创造性直接影响着新的实验课程的实施程度。只有充分调动学生的学习热情和积极性,才能从真正意义上打破传统教学模式,提高材料力学的实验教学水平。然而,当前大学生学习具有很强的惰性,只要与学分无关的事情就不愿意去做。作为学校,恰好可以利用学生的这一特点,采用创新实践学分激励的办法,对于材料力学基础实验后,成功完成相应开放实验的学生,给予额外的学分奖励,由此推动材料力学实验课程改革的顺利进行。 四、结语 打破常规实验教学模式,充分发挥学生的主体作用,提高学生的学习兴趣、培养学生的创新能力,是以学生为主导的启发式材料力学实验课程改革的关键。同时,需要从实验教师、实验O备等方面为改革的实施提供保障。本文所提出的材料力学实验课程改革方法,也能为其他相关实验课程的改革提供参考和思路。 材料力学论文:材料力学与结构力学课程的相互渗透与融合 【摘 要】本文通过材料力学和结构力学两门课程的对比,已完成教学上两门课程的融会贯通。 【关键词】材料力学;结构力学;融会贯通 0 前言 材料力学是许多工科专业的一门重要基础课,是一门为设计工程实际构件提供必要理论基础、理论与实验相结合的课程,主要研究杆件在拉、压、扭、弯等基本变形以及组合变形形式下构件的强度、刚度以及稳定性的计算,而且还为结构力学、混凝土结构等课程奠定良好的基础。 结构力学则是力学以及土木工程等专业的更为重要的专业基础课程,是一门为设计实际工程结构提供理论依据和计算数据的课程。材料力学和结构力学这两门课程在土木工程专业中占有非常重要的地位,同时又是该专业硕士研究生的考试课程之一,课程中许多地方有着几乎相似的知识体系内容,但又因研究的结构体系的复杂程度不同而有差异,若能将两门课程深入研究,在讲解结构力学课程的同时将两门课程知识内容相互渗透与融合,完成课程间的衔接过渡、交叉与融合,完成在学习新的知识内容的同时又能进一步理解原有基础知识的内容,实现两门课程的融会贯通,从而可以取得良好地教学效果。 1 材料力学与结构力学课程的不同与相似之处 材料力学主要研究简单构件的强度、刚度以及稳定性的计算原理和方法而结构力学则是研究复杂构件体系相同方面的计算,所以结构力学要研究结构的几何组成分析。 材料力学是基础课程,它为更多的不同工科专业奠定基础,如机械设计与制造、材料成型、机械电子工程、土木工程、化工机械、轨道交通等众多专业都以此课程为基础,因此该课程内容涉及范围广泛,变形杆件的变形复杂,相应的不同变形下的内力以及位移计算复杂,甚至包括各种组合变形形式下的内力和位移计算,虽然构件体系简单,但变形复杂多样。因此不同变形形式下的内力、应力以及位移计算各有不同。 结构力学是工科专业的专业基础课程,只有少数专业开设结构力学课程,如:土木工程、桥梁隧道、水工工程等专业,由于它更注重于大型复杂结构体系在弯曲、剪切、拉压这三种变形形式下的强度、刚度以及稳定性的计算,相对于材料力学,涉及到的变形简单,基本不涉及组合变形的计算,相应的计算弯曲、剪切、拉压变形形势下的内力以及位移的方法则更加具体灵活,相应的方法也更加简单多样,所以应用结构力学的方法来解决材料力学的某些弯曲及拉压问题则显得非常简单,特别是材料力学中由于弯曲或拉压引起的位移计算尤为简单。 2 材料力学课程与结构力学课程的相互融通 材料力学课程是结构力学课程的基础,尽管材料力学所提供的各种计算方法与结构力学的方法相比显得较为麻烦,但如果没有这些最基础的方法的奠定,后面的方法在学习的过程中理解起来会有一定的难度。如在材料力学中所提供的计算位移的方法虽然很多:(1)变形位移比较法;(2)实功方程法;(3)挠曲线微分方程法;(4)叠加法;(5)能量法的卡氏第二定理,虽然方法很多,但这些方法更具基础性,分析和计算都较为繁琐,有些还有一定的局限性。而在结构力学课程中由变形体系虚功原理的虚功方程导出的计算位移的单位荷载法,则无论是任何因素引起的位移也无论变形体系的变形在什么变形范围都可以解决。特别是应用单位荷载法莫尔积分的图乘法可以较为轻松的解决线弹性范围内荷载作用下的位移计算问题。不仅如此,各种广义荷载因素如:温度变化、基础沉陷、材料收缩、制造误差等众多因素引起的位移计算都变得非常简单。如果能够掌握结构力学中杆系结构的内力计算,那么解决单个杆件的内力那也将易如反掌。所以学习好结构力W对更好的理解和掌握材料力学的教学内容起到很好的促进作用。只要老师在讲解结构力学的同时,与材料力学的知识内容相互结合并比较,就可以完成两门课程知识内容上的融会贯通,这样不仅可以提高学生的学习兴趣,还可以充分理解以往所学材料力学课程的知识内容,使得两门课程的知识内容衔接自然流畅,完成材料力学和结构力学两门课程的完美结合,知识内容的融会贯通。 材料力学论文:对比法在材料力学教学中的重要性及应用举例 【摘 要】材料力学作为土木工程及机电工程系学生重要的专业基础课程之一,其在基础力学教学中有着非常重要的位置,这部分内容学习的特点是需要记忆的知识点比较多比较散,学生记忆掌握起来比较困难,很多学生往往是课程开始兴趣十足,学到一半却兴趣尽失。那么如何在讲课中避免这种现象发生呢?本文从对比法在材力研究的问题、方法、公式及有关规律等几个方面的应用举例出发,阐述了对比法在材料力学教学中的重要性。 【关键词】材料力学;教学方法;对比法;应用举例 材料力学作为土木工程及机电工程系学生重要的专业基础课程之一,其在基础力学教学中有着非常重要的位置,这部分内容学习的特点是需要记忆的知识点比较多比较散,学生记忆掌握起来比较困难,因此,这部分内容对学生而言学习起来感觉比较头疼,往往是课程开始兴趣十足,学到一半却兴趣尽失。那么如何在讲课中避免这种现象发生呢?讲课中多采用对比法不失为一种行之有效的方法。 1 从材料力学中研究的问题上对比 材料力学主要研究地是件在各种基本变形及组合变形情况下的强度、刚度及稳定性计算问题,而研究强度、刚度及稳定性问题都从外力入手,然后研究其构件内部受力及内力图,进而进一步研究应力、变形及相应的强度刚度和稳定性条件,进行必要的强度、刚度和稳定性计算。从这些研究内容上看,每种变形研究地问题都是相同的,但是因为多数教材体系分章是以变形形式为主线进行的分章,从而使研究的问题相同这一特点变得不再明显,也即人为造成学生第一知觉是材料力学的内容比较多,知识点比较散。如果教师在讲完绪论后,讲授具体问题之前,能把研究的问题做个比较说明,那么学生就会对所要学习的能容有个比较清晰的认识,就会在教学过程中始终让学生感觉到材料力学的内容是形散神不散,从而达到学起来事半功倍的比较好的教学效果。 2 从研究方法上对比 首先,从大的方面看,强度计算和刚度计算方法是类似的,即强度计算和刚度计算都是从外力、内力计算、应力和变形计算入手,然后用工作应力和杆件变形量与各自许用值作比较建立一个不等式的强度和刚度条件,进而解决三种类似的问题,即强度和刚度校核问题,设计截面问题和确定许可载荷问题,所不同的只是强度条件与刚度条件中描述应力与描述变形的量所用的记号不同,计算公式不同,所以讲课时如能对这两部分的内容做个简单的比较说明则同样也可达到事半功倍的效果。 其次,从具体内力计算方法、正负规定、内力图作法和应力公式推导方法上看,各种变形下的内力计算基本方法都相同都是截面法,但截面法不是最好的方法,因此,在其基础上又总结出规律法,如求指定截面上的轴力、剪力和弯矩的规律法,规律法的具体规律虽各不相同,但规律的基本骨架基本相同,而各种内力的正负规定内力图的规定方法也都相同,即正负都是从微段变形情况出发规定各种内力正负,内力图都是平行杆轴的坐标表示界面位置,垂直杆轴的坐标表示内力,正的内力在位置坐标上负的在下(土木工程的弯矩正负规定除外)。除此以外,各种变形的应力公式推导方法也是相同的,即都是从观察试验入手,然后提出假设,再综合其变形几何关系、物力关系和静力学关系推导出具体公式,而且这种方法不仅仅是推导应力的专属,在求解超静定问题时同样是结合这三个方面进行的推导计算,所以由此可见,在材力教学中采用对方法的重要性。 3 公式和规律方面的对比 材力中除了研究问题和研究方法有相同之外,各种基本变形的应力公式、各种基本变形的变形公式及变形能公式及强度条件和刚度条件也都有着相似性,除此以外求各种内力的规律也是相似的,如果在讲课中能加以比较,使学生在比较中去记忆势必使记忆变的容易,这不仅可以避免记混淆,而且还可以起到温故知新、加深理解的目的从而也能达到事半功倍的教学效果。 综上所述,在材料力学教学中应用对比法不仅可以使研究问题和相关知识点变的清晰,让学生感觉到其形散神不散,也能让大量的公式和规律记忆起来不易混淆,使学习变的更容易,从而避免学生因内容繁杂、枯燥、难记而丧失浓厚的学习兴趣,激发学生自主学习热情,进而收到事半功倍的教学效果。 材料力学论文:探讨材料力学在水利水电工程中的应用 摘 要:伴随着近些年大型水利工程建设各种失败案例的发生,人们越来越清楚的认识到材料力学和水利水电工程中的重要作用,无论是水平水电工程强度的合格与否,或者是怎样选择更合适的材料,材料力学都提供了有效解决措施。本文从材料力学的应用原理入手,详细探讨了材料力学在水电工程中的实际应用情况,通过本文的研究,更好的表明了材料力学在水利水电工程中发挥的重要作用。 关键词:材料力学;水利水电工程;应用 在科学技术日渐发展的时代背景下,人们越来越重视管理的进步和科学技术的创新,在水利水电工程中也是如此。材料力学主要探索的是材料在外力条件下发生应变、应力、强度的变化以及对材料造成的破坏极限等,其被广泛的应用于生活的方方面面。无论是机械中的结构,还是生活中的食品包装,所有的物件都必须要满足其应有的强度、刚度以及稳定性,才能够真正的做到安全,可见材料力学的重要作用。那么,现将材料力学应用于水利水电工程中,能够有效的将水工建筑安全性和稳定性问题解决。 1 材料力学的应用原理 从力学材料变形的原理看,其结构为:R-S≥0,其中,S代表的是结构作用的效应量,R代表的是抗力。在具体应用中,除了要对一系列在和工况以及不利载荷组合条件下的变形进行计算之外,还需要构建变形和强度以及稳定性之间的函数式子。通过材料力学法,能够把不同载荷情形下的各个截面的压应力以及截面中心点的变形等等计算出来[1]。值得注意的是,由于在水利水电工程中,抗力R是有特别规定的,所以,在计算效应量S之后,便能够知道设计的合理与否。 2 材料力学在水利水电工程中的应用 2.1 材料力学在混凝土变形中得应用 首先,混凝土在绝对湿度以及恒温条件下,受到水化作用的影响而造成体积的变形,这种变形我们称之为自身体积的变形。它实际上是和水泥的用量、水泥的类型以及掺用混合料等有着直接联系的。膨胀性的自身体积变形,在混凝土结构降温时,对拉应力会产生补偿作用。从宏观层面看,自身提及的变形应该是比较均匀的,因而,它对由于室内外存在夭疃造成的温度应力是没有补偿作用的。 其次,混凝土的干湿变形。混凝土如果没有了水分的保证,便会产生收缩作用,而一旦吸入水分,则又会产生膨胀,而我们知道,在干湿度作用下造成的体积的变化便是我们所说的干湿变形,混凝土的内部温度状态会对环境的温度和导湿性等造成巨大的影响[2]。 再者,混凝土的温度变形,如果没有任何的约束,直接在温度变化作用下产生变形,则为自由温度变形,则怀中变形的公式是:。其中α所表示的是热膨胀的系数,它会对温度应力的数值产生直接的影响,所以,它是一个关键性的参数,不容忽视。 最后,混凝土的弹性变形,如果处于单向受力条件之下,它的应力以及应变之间会遵循这样的规律:,其中,E代表的是弹性模量。按照这样的规律,可以知道,如果应力不变,应变也随之不发生改变,但在现实情况中,却并不是这样。相关的研究也证明了应力不变的情况下,混凝土的应变会随着时间的增加而不断增加,这种现象我们称之为混凝土的徐变。 2.2 材料力学在混凝土实际应力计算中的应用 假设θ规定从x轴到外法线n上的逆时针转向的方位角θ是正向。那么,通过公示,我们可以得到: 从而,可以得出最大主应力以及最小主应力,其公式为: 那么,最大剪应力的公式为: 2.3 材料力学在建筑材料选择中的应用 2.3.1 预应力混凝土 预应力混凝土的结构主要指在结构承受到负荷之前,事先对它加压,使其在外荷作用的这一过程中,受到拉区混凝土内,从而形成压应力,以压应力将外载荷出现的拉应力抵消,当然,这一过程,必须要保证结构在使用的过程中,没有裂缝产生。 2.3.2 水利水电工程的构造设计 水利水电工程工件的构造设计中,材料力学主要是把固体作为研究对象,研究的内容则是构建受到拉力、剪力以及弯曲力等作用时,材料力学的性能。当然,对于不同的材料,其在这些外力作用下的材料力学性能也是各不相同的,所以,按照不同的力学性能,进行构件材料的选择就显得十分重要了。 首先,拉力,在受到拉力作用之下,构件的材料选择需要对构件内不由于拉压存在而造成的反向应力进行充分的考虑。钢材以其良好的抗拉压能力而成为了比较好的建筑材料。实际上,很多单一的材料或多或少都会体现出抗拉压的特点,如果将一系列具有不同性能的材料,通过复合作用混合在一起,从而使其变成力学性能好、物理化学性能优的复合材料。 其次,剪力以及弯曲变形力。当构建在弯曲变形力之下,会产生拉压应力,在扭曲变形和剪切作用之下,构件的横截面会产生剪应力,但是,两者之间是存在着巨大不同的。在剪力作用之下,构件的断面是不会有相对错动产生的,同时构件的表现局部会有应压力,因而在工作状态下,建筑的构建会发生扭转变形,这样一来,无论是构件的强度,还是刚度,都会被大大削弱,所以,在设计阶段,就应该尽量减少扭曲变形的出现,如果有可能,应该完全避免扭曲变形的产生。 综上所述,水利水电工程项目是一项重要的工程,它和我国的民生息息相关,是一项利国利民的特殊工程,所以,必须要对其引起足够的重视。而在科技日益进步的时代背景下,对材料力学的研究也将日渐深入,在今后的探索实践中,必然会涉及出安全性、可靠性更好,性能更好的水利工程,带动我国经济的更进一步发展。 材料力学论文:结构案例法在材料力学教学环节中的应用 摘要:建筑专业材料力学是重要的专业基础课程,是解决工程实际问题的前提,可是传统的教学模式及方法不能够很好地调动学生的积极性和创造性。针对这一突出问题,本文借助已有力学实验设备,利用各类不同构件让学生自由组合成不同结构案例来测定其在荷载组合作用下各杆件的力学性能,这样不仅能够让学生掌握材料力学的特性及实验方法,而且还能更好地培养学生的技能和创新意识与能力,以适应新时期大学生培养的要求和目的。 关键词:建筑力学;教学模式;结构案例;力学特性 一、前言 目前,大多数高校在进行材料力学课程教学环节中所采取的主要方式还是“教师在讲台讲授、学生在下面听课”的模式,有条件的高校还会以实验教学环节作为必要的补充,二者是相辅相成互为补充的。但这种教学方式和方法缺乏科学性,难以调动学生求知的积极性和创造性。特别是有时在实验过程中,有的实验项目学生往往不能人人亲自动手,甚至有的人只能演示实验后记下实验报告中所要求记录的数据。这样一来容易使得学生产生依赖性,对在实验过程中出现的其他实验现象和数据不记录分析,更不会总结和提问。这样就严重束缚了学生的自主性,阻碍了学生大胆探索和勇于创新的能力。 二、建筑力学结构案例法 所谓案例(case)也被称作实例,是来源于生产实践的。案例教学法是将生产实践中的实际工程实例为基础,将之应用在课堂教学中的一种教学方法。案例本质上就是提出一种决策的两难情境,没有特定的解决之道。在教学中,教师扮演着设计者和激励者的角色,鼓励学生积极参与讨论,而不是像传统教学模式传授教学法那样,教师扮演着传授知识者的角色,这样才能使教学变得更加生动和有趣[1,2]。而所谓材料力学结构案例法,其实质就是通过学生自己动手、自由组装来确定合理的结构模型形式,并且要求该结构模型必须要涵盖所要实现的实验教学内容和环节,从而使学生能够应用所学过的力学课程知识,达到自己设计结构形式、实验内容,已改以往被动接受学习的模式为主动求学的模式,这是传统力学教学模式改革的一种尝试。 培养创造型人才,大学生的创新能力是当下高等教育的首要任务,而创新型人才的健康成长则需要实实在在的创新实践。特别是对于建筑专业的学生而言,学生的创新灵感和智慧不会从书本和教师那里直接学到,教师通过对有工程意义和背景的实际案例来积累和探索实践过程,从点滴收获中逐渐领悟和感悟出来[3]。通过甄选适合本专业学生特点和教育要求的案例,展现创新实践的魅力,就能让学生们在探索实践中体验到研究的快乐,激发出无限创新的欲望[4]。因此,将材料结构案例教学法应用于建筑专业的材料力学教学环境中,可以改变传统的教学模式,激发学生的求知欲,提高材料力学课程的教学质量,从而最大限度地发挥学生的创造潜能,培养学生的创新能力和想象空间。通过自主学习、独立思考、创新思维、营造崇尚真知、追求真理的氛围,使学生能够综合应用所学的力学理论和知识,提高分析问题和解决问题的能力。加强理论与实践相结合,对提高学生的材料力学整体教学效果具有深远意义。材料力学结构案例教学法则是培养学生创新精神和实践能力的一个有效途径。 三、建筑结构案例分析 建筑专业材料力学课程是重要的专业基础课程是解决工程实际问题的前提,还涉及到与实践教学环节相互配合、相互补充。因其主干课程地位,实验教学的任务就不只是巩固理论知识,了解掌握力学检测技术和手段的问题,还应在力学理论的深化、运用、工程问题的认识等方面有所要求。而加强实践教学,提高创新能力,是高校人才培养模式改革的重点和难点。材料力学实验教学是涉及面较大的理工科专业的重要基础实践教学环节,加强和改进这一环节对巩固力学概念、加深理论认识、了解力学检测方法与检测技术、增强力学分析意识、提高力学分析能力具有重要意义。 1.传统材料力学实验教学。按照现行材料力学及其实验教学大纲中的要求,其主要包括金属材料的拉伸实验、弹性模量实验及电测试验等。传统的授课方式是在教师讲述完实验原理及方法后,让学生以小组为单位按照所讲述的实验步骤重复模仿进行实验,所得的实验结果基本相近,实验所写报告形式统一。这样讲授的好处在于学生只要按照固定的实验步骤进行操作就不会出现问题,结果不会有太大偏差;而不好之处在于学生无需认真动脑去思考,只要按照教师的要求去做就可以,对结果不会去追究其“怎么得到的”、“为什么会得到”。学生完全是一种“填鸭式”的被动受学模式,从而磨灭了学生的求知欲、探索精神和主观能动性,何谈学生的创新精神和创造性,因此有必要对这种教学方法进行改革。 2.材料力学案例分析。减少验证性、演示性实验,增加综合性、设计性实验是实验教学改革的重要方向。同样是上述的实验项目,如果能够选取一系列合理的建筑结构模型案例形式,使其涵盖所要求的实验内容。这样,学生通过自己设计、思考来组合不同的结构模型,而后通过不同的加载方式、不同的加载点和不同级别的载荷可以得到无穷的实验结果,这样极大地调动了学生的热情和积极性、造性和求知欲,改变其被动学习为主动学习。这种模式的好处还在于即使是同一种结构、同一种加载方法,其所得的结果也是不一样的,从而可以避免和杜绝学生的抄袭现象,使理论和实践得到统一。具体表现在:(1)能够组合搭接出多种结构构型,具有真正的设计功能;(2)各种构型具有实际的工程意义;(3)组合构件尽可能简单,组合搭接与拆解方便;(4)加载与测量方便,投入成本低。 本研究以秦皇岛协力科技有限公司研制的新型XL3418T系列材料力学多功能实验台为基础来进行研究。上课时将之稍加变动,即可进行教学大纲规定内容的多项实验,在保留了原有的基础实验上增加了由多根杆件搭接的桁架结构,横向压杆和组合梁组合的框架结构,桁架可任意组合拆卸。学生可以利用学过的理论力学和材料力学知识,根据自己的认识实践自行设计喜欢的结构类型,并根据不同阶段的实验教学目的设置加载方式,以实现拉伸、弹性模量、应变片的粘贴、弯曲正应力的测定等一系列实验。这样可以充分调动学生的积极性和创造性,实现变被动学习为主动学习,“从学未知”到“求未知”的转变。 学生根据事先设计好的桁架模型在实验台上进行组合,同时配上静态电阻应变仪、数据采集系统等实验设备便可实现对加载的整个过程实时采集和处理。这种实验装置和教学模式不适用于进行破坏性实验项目的研究及教学工作。 四、结论 培养创新能力既是培养适应社会需求的高质量人才的必然要求,也是一种全新的教育思想和理念,应该从那种单纯书院式的课堂教学方式中走出来,更多地和实践与工程相结合,让学生在“干”中“学”、在“学”中“干”。理论课教师没有必要讲得很系统、很完备,可以留下一些空间让学生自己去体验,适当地拿出部分学时给实验课无损理论课教学。 案例教学为学生提供了一个近乎真实的场景,缩短了教学与实践之间的距离。其成功之处在于教学内容针对性强、接近实践,缩小了学校培养目标与社会职业素质需求的距离,抓住了职业素质中最本质的因素。案例教学着眼于学生创造能力和分析问题、解决问题能力的发展。以教师为主导、以学生为主体的案例教学在不断循环中完成知识的更新或创新。加强案例教学的研究,对于创新人才的培养将具有重要的作用。 材料力学论文:ANSYS软件在材料力学教学中的应用研究 摘 要:ANSYS软件是材料力学中常用的基础性软件,同时也是世界上应用最为广泛的应用程序。在教学中应用ANSYS软件,可以凭借其自身强大的分析功能,将图形形象的显示出来,让学生对相关知识原理及现象有直观的了解,加深学生对知识的理解程度。本文就ANSYS软件在材料力学中的应用作简要阐述。 关键词:ANSYS软件;材料力学;应用研究 作为一款有源分析软件,ANSYS将多学科知识融于一体,包含了结构,电磁,流体,声学以及热等领域。在应用方面则涉及到了造船、生物、轻工、水利、能源等科学研究领域。通过软件应用方面可以看出,在相关领域知识学习具有一定的难度,如果单纯依靠教师用传统方式进行教授,在教学效果方面一定是差强人意。ANSYS软件应用其中,则可以起到一定的辅助作用,教学工作可以达到事半功倍的效果,学生学习质量也有了一定的保证。 1 材料力学教学现状及内容 (一)教学现状 材料力学科目自身的特点在于具有一定的抽象性,导致理论知识理解方面存在一定难度。教学工作安排不合理,教学时间没有从学生的理解能力以及应用能力方面考虑,学生没有充足的学习时间,教师在教学过程中为了在有效时间内完成相应的教学任务,在教学的方法上存在一定的不合理性,没有有效的调动学生参与学习的兴趣与热情。 (二)教学内容 材料力学中有几部分关键的知识难度较大,学生在理解的时候存在一定的问题。比如应力集中。所谓应力集中是指构件在受力的情况下,形状及外形发生了突变从而导致的局部范围内的应力显著增大。教材通常只给出了应力集中的影响因素,但对于在相关因素的影响下具体的系数却没有给出确定值,学生对于这一点知识未能深入理解。 2 ANSYS软件及有限元 ANSYS软件是由美国一名博士在1971年推出的,最早的版本仅仅提供了热分析及线性结构分析,其不足之处是只能在大型计算机运行,并且只是批处理程序。在上世纪70年代初期及后期有一定的发展,随着技术不断的进步,ANSYS软件的功能也越来越强大,为用户对某些问题进行深入的研究提供了帮助。有限元的发展有三个阶段,探索时期,独立发展时期,专家应用与其它软件相互补充,共同发展时期,并且呈现出了相应的趋势特征。 3 ANSYS软件特点 (一)处理能力强大 处理能力强大主要体现在四个方面,其一是建模,其二是网格划分,其三是参数设置,其四是与CAD无缝集成。网格划分主要有两种方式,自由与映射网格划分,对于不同的几何体而言,则有拖拉网格,层网格,局部细化。无缝集成方面,能够与多款件进行数据交换。 (二)加载求解 在ANSYS软件中,位移,温度,力等任何载荷可在任意几何体或有限元实体上,可以是数值,也可以是相关的函数。 (三)后期处理 对于利用ANSYS软件获得的数据,可以采用不同的方式进行输出,比如,图表,动画,此外还可以进行载荷叠加分析。 (四)开放性 开放性主要体现在与其它软件的有效对接,用户在开放的环境下可以根据自己的需要对软件进行相应扩充,对于边界条件,材料结构等可以由用户自定义。在不同类型的需求方面还可以进行二次开发。 ANSYS软件将自身技术与相关软件有效的结合在一起,自带的语言可以进行二次开发。比如用户可以在CAD中建模,然后通过接口将数据导入到ANSYS软件中进行相关计算。也可以用程序自带语言建模,计算,此时采用的是命令流的方式。 4 分析步骤 ANSYS软件分析步骤主要有三个方面。首先是模型创建,包含读入或创建模型,定义属性,以及网格划分。其次是施加载荷及选项,条件设定并求解。最后一步是结果的分析及验证。 5 ANSYS软件在材料力学教学工作中的优势 (一)教学效果提升 材料力学首先是一门专业基础课,其次是将多专业知识集中于一体,主要研究内容是构件在力的作用下产生的变形,损坏,以及失效等存在的规律。教学内容涉及到公式多,逻辑性强,计算过程难度大,计算量大,如涉及到微积分等知识,学生对于知识的掌握及理解存在问题,对于教师而言,如何进行有效的教学是不得不思考的问题。 ANSYS软件针对问题进行建模,将数据转化为图象,从对人体大脑的刺激来看,视觉上的刺激更为有效,大脑对于信息的理解量更大,层次也更深。将抽象的知识变为具体,有效降低了学习难度。并且ANSYS软件教学是动画过程,学生对于知识以及相关原理的变化有清楚的认识,表现形式更加生动有趣,能够在一定程度上调动学生学习的热情和积极性,实现教学质量的提升。 (二)应用能力培养 材料力学理论知识的学习是为了更好的在实际工作中应用,单纯的理论教学不足以培养学生的实践应用能力。学生对于学习存在畏难情绪。ANSYS软件应用通过建模对实际情景进行模拟,学生在一种高度真实的环境下学习,无论是理解能力方面还是在实践能力的培养方面都有很大好处。 (三)增强探究性学习能力 ANSYS软件在生活中的应用非常广泛,学生有必要了解熟悉并掌握。学生动手的过程是为今后积累一定的经验,培养并提升其解决问题的能力,同时也为走向社会奠定基础。 6 实例探究 在对ANSYS软件有了基本的了解之后,可以结合具体的例子加深认识。比如ANSYS软件研究不同载荷下的悬臂梁。现假设有一悬臂梁,长、高、厚度分别是500,60,20。弹性模量为200GPa,泊松比为0.3。分别在载荷1500N及集中力偶230N・m发生横力与纯弯曲。 由左图可看出正应力在自由端附近为零,随截面位置左移,应力相应增大,最大值出现在固定端。在固定端处最上与最下分别存在最大拉应力,最大压应力,二者相等。 图3为载荷下的米塞斯应力图,左为集中载荷,右为集中力偶。结果与实际情况完全相符合。 7 结束语 本文对ANSYS软件相关方面进行了说明,立足于教学实际,从软件在教学工作中的优势以及目前材料力学教学现状作阐述。教师在教学工作中将软件教学作为教学工作的一个重点来抓,让学生通过自身动手实践,对书中知识及原理有自身的领悟,同时培养学生的专项技能。无论是从教师教学还是学生学习的角度来看,ANSYS软件应用都具有无可比拟的优势,是针对教学存在问题的有效解决途径。教师要重视,学生也要重视,学校更应该重视,从多方面为教学工作提供相应的保障。 材料力学论文:基于ANSYS软件在材料力学实验课程中的应用 摘 要:材料力学课程概念较多,知识比较抽象,学习起来难于理解,而ANSYS软件模拟分析能力很强,能够使相关知识变得更直观、形象,因此,可以实现两者的有效融合。文中运用ANSYS重点分析了拉伸实验中拉伸应力、应变及弯曲实验中梁的弯曲应力应变情况,展示了ANSYS与材料力学相关实验相结合的可操作性。 关键词:ANSYS 材料力学 拉伸 弯曲 1 材料力W课程实验特点 材料力学[1]对于机械专业而言是一门必修课,目前,“材料力学”课程中一些重要的内容,如拉压、扭转和弯曲变形,除课堂上多媒体教学外,通常依靠现有的实验条件进行验证性实验教学,而有时存在实验条件不具备的情况,这样就无法对相关知识进行实验验证,此时如果在实验教学中采用直观的图形显示,也可以将抽象的概念形象化,同时增强学生对结构的感性认识,培养较强的结构分析能力,因此,可以尝试引入ANSYS软件进行简单的建模计算,并将计算结果形象地展示给学生。 2 ANSYS软件应用特点 ANSYS软件[2]中分析计算模块包括结构分析,可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析,能形象、直观地显示结构的变形、位移及应力分布情况,同时还能以动画的形式展示结构从最初加载到最终变形的整个过程。 3 ANSYS在材料力学实验中应用实例 (1)拉伸实验。材料力学中的低碳钢拉伸试验[3]通常在实际中通过拉力机拉伸,宏观上可以观察到试样缩颈现象,在此,可采用ANSYS模拟,选用拉伸试样弹性模量为0.175e6,泊松比为0.3,密度为7.85 kg/m2。图1为材料拉伸变形的整体过程,其中a图为变形初始,b图为变形后期。 通过加载求解后,得出试样拉伸变形应力变化和应变变化如图2和图3所示。 (2)弯曲实验。材料力学中的弯曲实验[4]通常采用简支梁、悬臂梁等结构进行实验分析,该文采用简支梁进行分析,给梁沿长度方向施加均匀载荷10 kN,梁的横截面积1.5 mm2,转动惯量IZZ=0.28125,IYY=0.125。力的加载如图4所示。 通过ANSYS模拟,绘制出的剪力图、弯矩图分别如图5、图6所示,这样得出的结论和实际计算结果相一致。 4 结语 通过ANSYS对拉伸实验和弯曲实验的模拟,将其与材料力学课程教学有机结合起来,既发挥了计算机的数值计算功能,又与直观的图形显示功能相结合,使得学生更易于理解和掌握所授课程的抽象力学概念,培养了学生的兴趣,提升了学生的形象思维能力,拓宽了学生的视野,提高了教学质量和效率,同时也培养了学生的计算机应用能力,有助于学生运用软件进行实际工程实例分析,在一定程度上可以使学生理论联系实际,为以后的工作打下坚实的基础。 材料力学论文:6005铝合金材料力学性能研究 摘 要:采用万能材料试验机,对典型车用的6005铝合金材料进行准静态拉伸试验。输出载荷-变形量关系,获得应力-应变曲线,进而分析材料的弹性模量、极限强度、极限应变、屈服强度和延展率等力学性能。 关键词:6005铝材;准静态拉伸;应力-应变曲线;力学性能 1 概述 车辆用6005铝合金属于Al-Mg-Si系中等强度铝合金。由于其优良的挤压成形性、耐腐蚀性和良好的焊接性,在国外被广泛用于高速列车、地铁列车、双层列车和客货汽车车体所需的薄壁、中空的大型铝合金壁板型材以及其它工业用结构型材。在我国,铝合金大型材已研制成功并投入生产,随着我国交通运输业的发展,6005铝合金在高速、轻型铝合金列车和地铁列车以及轻型客货汽车上的应用必将越来越多[1-3]。 6005具有较高的工艺性能。万普华等人对6005铝合金试样进行了水淬和水淬并深冷处理,来观察金相组织、抗拉强度等对6005铝合金力学性能的影响[4]。张健等人利用热塑性试验研究了6005A铝合金的热裂纹敏感性[5],张大新等人将6005铝合金铸态试样和挤压制品试样在不同温度固溶加热后淬火处理,制备金相组织,用混合酸溶液侵蚀后在金相显微镜下观察金相组织[6]。 文章主要就6005铝合金材料的力学性能性能通过万能材料试验机开展了系统的实验研究。测定试件在准静态拉伸时,材料的应力应变曲线;提取加载曲线中的屈服点、强度极限;同时,测量实验前后试件实验段(即试件的标距段)的长度变化,算断裂伸长率和断面收缩率。 2 准静态拉伸试验 2.1 试件及仪器 运用Instron 5969标准电子万能拉伸试验机对6005铝材进行了准静态拉伸试验。试件参照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第一部分:室温试验方法》[7]制作。板状试件的尺寸示意图如图1所示。本试验采用比例试件,形状为板状,其厚度为4mm,平行长度为55mm,总长度128 mm。 2.2 试验结果 将试验试件在室温(10~35℃)环境下,试验试件及试验用夹头安装在试验机上,试件轴线应与力的作用线重合,将引伸计连接在试件上。试验机匀速进行拉伸,加载速率为10mm/min,测试试件在拉伸过程中的载荷-变形量的关系。针对横向切取和纵向切取材料,分别进行五次试验。试验过程如图2所示。 将试验结果绘制曲线,得到如图3所示的位移-载荷曲线。 名义应力可定义为?滓=F/A0,即载荷F除以原始截面积A0,而对应的名义应变可由?着=?驻L/L0计算得到,即伸长量?驻L除以原始标距L0。将结果绘制曲线,得到如图4所示的名义应力-名义应变曲线。 名义应力应变曲线并未真实地反映出材料随应变变化的关系,因而实际过程中的应力应变要进行相应的修正,需将实验所没测的名义应力与应变曲线转化为真应力真应变曲线。试验中采用引伸计,可直接测得拉伸过程中的应力和应变数据,绘制得到如图5所示的真实应力-真实应变曲线。 各次试验的结果如表1所示。 3 结束语 由准静态拉伸的位移-载荷曲线、名义应力-应变曲线、真实应力-应变曲线,得到以下几点结论:(1)相同应变情况下,真实应力略大于名义应力。分析可知,此现象符合实际。因为拉伸试验过程中,横截面发生收缩,小于初始横截面积,导致真实应力大于名义应力。(2)6005铝合金样件所能承受的最大拉伸力在2500-2750N范围内。(3)6005-T5的抗拉强度可达到260MPa,屈服强度约为230MPa,五次重复试验测得试件的延展率均为12.08%。 材料力学论文:创新材料力学实验的几点想法 摘要: 提出了目前材料力学实验教学中存在的几个问题,结合实际情况提出了几点创新,提出要更新传统材料力学实验教学模式,重视基础实验的延伸,按专业类单独设课,实行开放性实验和网上选课等创新方法。 关键词: 材料力学实验 创新 0引言 在《材料力学》科学发展史中,实验促进了材料力学理论的发展,同时由于材料力学的理论是建立在将真实材料理想化、实际构件典型化、公式推导假设化基础上的,他的结论是否正确以及能否在工程中应用,都只有通过实验验证才能确定。 1材料力学实验教学现状 1.1 材料力学实验教学水平落后实验教学一直处于理论教学的从属地位,试验方法单一,只注重拉伸、压缩、电测等几个基础实验教学。教学设备、内容方法陈旧,测试技术和手段落后,学生所学材料力学知识与工程实际不能同步,学习兴趣不大。材料力学实验大部分为基础实验。以材料拉伸压缩试验为例,课上只是对典型的塑性材料低碳钢和脆性材料铸铁做测试,一般只提供标准试件,能够测试出低碳钢弹性模量E、屈服强度?滓s、抗拉强度?滓b、延伸率?啄和断后伸缩率?鬃以及铸铁的抗拉压强度即可,测试要求比较简单,学生只是被动接受,很难有兴趣。 1.2 现有的材料力学实验教学指导书不能与新进的实验设备同步材料力学实验设备――特别是电测设备更新是比较快的,这样就要求实验教材必须与设备的更新同步。 1.3 学生对实验课的认识存在误区由于材料力学实验是非独立实验,实验成绩所占该门课程的总成绩比例较小,对期末成绩影响不大,形成了重理论、轻实验的思想。 材料力学实验大部分为分组验证试验,许多同学认为只要会做实验就可以了,甚至有些学生认为实验课上不上无所谓,实验报告的处理也是拿别人的数据照抄应付。 1.4 各学校的实验教学水平参差不齐一些学校由于投入等原因,可能连基本实验还难以保证。一些学校则开发了设计性、综合性、开放性的实验,以及相应的实验装置等。有些学校还开发了新的实验设备,并获得了具有自主知识产权的实验设备专利。这些都是近年来我国高等学校教育教学改革所取得的成果。 2实验教学的几点创新 2.1 授课中穿插力学史,激发学生兴趣比如在讲述电测实验时,可介绍电阻应变计测试技术起源于19世纪。1856年,W・汤姆逊(W・Thomson)对金属丝进行了拉伸试验,发现金属丝的应变与电阻的变化有一定的函数关系;惠斯登电桥可用来精确地测量这些电阻的变化。1938年,E・西门斯(E・Simmons)和A・鲁奇(A・Ruge)制出了第一批实用的纸基丝绕式电阻应变计。 2.2 重视基础实验的延伸以材料力学性能测试为例,可以使测试材料多样化,除碳钢、铸铁两种材料以外再提供塑料、铝合金、木材、玻璃等多种材料,有条件话,还可以使用各种新型材料。要求学生分别测试不同材料的性能指标,通过比较,自己得出结论。同种材料不同截面(圆截面、矩形截面等)、不同尺寸,让学生结合理论课知识自己测算标距,求出所有参数。通过这种脱离只提供标准试件的模式,使简单、枯燥的材料性能试验多样化,活泼化,可以让更多的学生动起手来,从而提高学生的实验兴趣。 弹性模量E和泊松比?滋分别在材料的拉伸试验和电测实验中测得。这两个参数的测试方法很简单,学生一般在老师讲授完后很容易就能测定出来,由于操作简单,学生做完实验后很容易忘记他们是如何测得的,也很少有学生去研究实验原理。在学完了电测实验后,可鼓励学生自己动手粘贴应变计,研究如何接桥,利用电阻应变仪把弹性模量E和泊松比?滋在拉伸试验机上测试出来。 2.3 更新传统材料力学实验教学模式,探索新的高效直观的教育方法实行传统教学与多媒体教学相结合的教育模式。该校工程力学实验中心从2007年开始在几位老师的精心努力下,开发了一套直观、形象的材料力学实验多媒体教学课件,在实验课板书教学中通过穿插多媒体课件,大大激发了学生对材料力学实验的兴趣。为了改变以往材料力学实验设备陈旧和测试手段落后的现状,从2002年开始在原有液压万能试验机的基础上,陆续引进了新型的电子万能试验机若干台;陆续淘汰了旧的、低效的电阻应变仪和配套组合装置,开始使用操作简单、自动化程度高、数据处理方便的电测仪器。 2.4 实行开放性实验和网上选课系统给学生充足的时间和空间,突破材料力学实验教学的传统方式,实现全面开放实验室,建立相对独立的实验教学体系,打破班级授课制,开发网上选课系统,让学生自己在网上选课,按分散式教学模式组织实验教学。全面开放实验室,调动学生的主观能动性,使每个学生都有动手操作机器的机会,提高仪器设备的使用率。同时实验室开放能最大限度地利用实验室资源,实验室开放后,学生自己选择实验项目,实验的频率和实验循环的节奏由学生自己调节,这使得实验室的容量大幅度提高,实验用房得到充分的利用。 2.5 加强实验室建设要更新观念、提高效率,抛弃固有、陈旧的管理模式,选拔一批爱岗敬业,有高度责任心和事业心的优秀青年来充实实验室队伍。重视实验教师的培训,多与国内外知名高校交流,提高实验教师的业务素质。 3总结 材料力学实验实验课是一门技术基础课,在工科院校中占有相当重要的位置。但是,受多种因素的影响,力学实验教学设备陈旧,内容枯燥乏味,学生难有兴趣。传统的材料力学实验内容远远达不到培养学生实验技能的目的,也跟不上科技发展的步伐。因此,对实验内容必须进行大胆的改革和创新。 材料力学论文:材料力学课程教学方法的实践 【摘要】本科阶段《材料力学》课程主要培养学生对简单杆件结构进行强度、刚度和稳定性进行分析的能力,是土木工程和道路桥梁与渡河工程等专业的一门重要专业基础课。针对实际课程教学中存在的问题,提出了一些改进措施。如适当引入前沿知识,激发学生求知欲和学习兴趣;恰当使用传统板书和多媒体授课方式;有效利用虚拟仿真技术;引入科技竞赛活动,培养学生的实践和创新能力等。实践证明上述措施有助于学生掌握相关知识。 【关键词】教学方法 教学手段 实践能力 创新能力 一、概述 《材料力学》是许多工科专业的专业基础课,我校的土木工程、道路桥梁与渡河工程、机械设计与制造、材料成型等专业均开设这门课程。它主要培养学生具备对简单杆件在外载荷下的强度、刚度和稳定性问题进行分析和设计的能力。对于土木工程专业而言,它还是一门承上启下的课程:《高等数学》和《理论力学》是它的先修课,而它又是《结构力学》、《钢结构设计》、《混凝土结构设计》、《弹性力学》和《组合结构设计原理》等课程的先修课。因此掌握好该门课程的基本概念和知识十分重要。但是该课程内容多、概念多并且相对抽象,同时还缺少足够的实践动手机会,因此一些学生反映该课程理论抽象、内容乏味,甚至少部分学生产生畏学现象[1]。所以,需要进行多方面的教学改革,以期达到预定的学习效果。近年来,在实际教学中进行了一些教学方法的改革和实践,取得了一定效果。 二、激发学习兴趣 好奇心和兴趣对于学生学习效果有决定性的作用,培养学生的实际工程应用能力和创新能力需要培养学生对科学的兴趣[2]。因此在实际教学过程中需要不断激发学生的好奇心和兴趣。主要采取的措施是适当引入前沿知识和身边的力学知识和案例。如在绪论课中介绍近年来我国和其他国家的典型的建筑物和道路桥梁等。同时从其他专业相关的国际权威期刊上检索相关文献,通过多媒体介绍其他相关专业中材料力学知识的一些应用,如展示Journal of Biomechanics杂志上检索到的膝关节置换术中需要解决的生物材料力学性能测试的问题;展示Journal of Biomechanics和Journal of Mechanical Science and Technology中检索到的关于鞋子设计中的材料选择和鞋底外形设计的问题;展示International Journal of Mechanical Engineering检索到的齿轮齿形设计和优化的材料强度问题;展示Ocean Engineering中关于海洋石油钻井平台的强度和刚度设计问题;展示Engineering Failure Analysis中关于大型矿用自卸车车轴断裂的分析。同时,结合时事介绍材料力学所研究的一些问题,如天宫二号发射时,介绍卫星发射塔及周边建筑物在面临强动载和高温时所面临的强度和刚度问题,介绍空间站在太空中所面临的恶劣环境及遭受空间碎片超高速撞击时的强度问题。这些内容的适当增加一方面可极大激发同学的好奇心和学习兴趣;另一方面也能拓展同学的眼界,这些知识也将告诉学生将来读研究生时也可选择其他相关专业。 三、合理使用传统板书和多媒体授课 过去的课堂教学手段主要是板书,这种授课方式对《材料力学》这种概念多和理论公式推导多的课程比较有效。其优点是学生和教师共同思考同一个问题,学生能紧紧跟随教师的思路和节奏[3],教师边板书、边讲解、边推导、边启发和边提问,而学生则眼、耳、口和脑并用,这样可形成多维印象和刺激,就有利于学生掌握相关知识。但传统的板书也面临一些挑战:(1)展示复杂的变形形式时耗时较多,如实心圆柱在扭转载荷作用下的变形以及任意位置切应变的计算和推导需要画出较复杂的图形。(2)该课程的工程实践性较强,板书时无法有效传递实际工程的相关信息。而这两个缺点恰恰可以通过多媒体教学进行弥补。这种教学方式的展现能力强,信息传递量大,可以创造生动和逼真的教学氛围,激发学习兴趣。因此,涉及复杂图形特别是变形图的绘制以及变形过程的展示时可以借助多媒体技术进行授课,同时需要结合工程背景时也可通过多媒体展示。 四、有效利用虚拟仿真技术 《材料力学》是一门与工程实践密切联系的学科,因此安排有试验课程。但为使学生达到预期的学习效果,试验课通常安排在理论课讲授相关内容之后进行。但这样带来的一个问题是理论课堂上部分学生对相关知识理解不到位。比如讲授低碳钢在单向拉伸载荷下的力学性能时需要讲解径缩并计算应变值,应变值通过引伸计测得的伸长量除以原始标距段长度得到。但这种单向拉伸试验应变值的计算是建立在均匀变形的基础上的,而径缩后材料的变形在标距段内已不再均匀,因此径缩后按原公式计算得到的值理论上已不能再叫作应变。仅凭讲课和图片展示有时不足以让学生理解透彻,这时可以利用有限元计算提前完成单向拉伸试验的仿真,并展示其变形过程及变形过程中应变的分布,这样就能直观地讲解径缩,并清晰地展示径缩前后应变的分布情况。 另外,部分变形形式较复杂和抽象,部分学生无法深刻理解和掌握。如扭转载荷作用下实心圆柱的切应变分布,部分同学不能理解切应变随半径的线性变化。这时可以建立实习圆柱扭转的三维有限元模型,施加扭角,然后在后处理时显示标距段内3/4横截面的应变分布,这样便可以清楚展示应变的分布情况,易于学生深刻理解和掌握该知识点。 五、引入科技竞赛活动 《材料力学》是一门理论课程,但它来源于工程又服务于工程,在培养学生逐步建立工程概念和逐渐形成解决实际工程问题能力方面有着十分重要的作用。但对于一般和新建本科院校而言,通常缺少充足的实践锻炼机会和试验设备。近年来,科技竞赛活动渐多,如省级结构建模大赛、中南地区结构建模大赛等。在这些竞赛活动中需要设计和制作出屋盖、塔式建筑、桥梁、输电塔、广告牌支撑结构等。通过这些竞赛,学生需要确定具体的分析对象,通过检索文献资料和力学分析确定初步结构形式,完成制作,进行加载和多轮优化等,这对于巩固理论知识,培养实践能力和创新意识具有重要意义。为让更多同学参与这种活动,在学校层面设计了“挑战杯”竞赛活动,并将这种竞赛活动纳入《材料力学》课堂教学,在成绩评定中计入该项成绩。 六、结语 《材料力学》是一门重要的专业基础课,又能直接服务工程实际,但内容相对多且枯燥。因此在教学过程中,要注重激发学生的学习兴趣;合理使用传统板书和多媒体技术进行授课;在相关知识的讲授时可以采用虚拟仿真技术增加直观性,以便于学生理解和掌握;同时,还要重视科技竞赛活动对于巩固理论知识、培养学生实践能力和创新意识方面的作用。