發(fā)布時間：2023-03-22 17:38:37
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的功能材料論文樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
關鍵詞:梯度功能材料,復合材料,研究進展
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是現(xiàn)代科學技術和社會發(fā)展的三大支柱?，F(xiàn)代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學的發(fā)展。對材料,特別是對高性能材料的認識水平、掌握和應用能力,直接體現(xiàn)國家的科學技術水平和經(jīng)濟實力,也是一個國家綜合國力和社會文明進步速度的標志。因此,新材料的開發(fā)與研究是材料科學發(fā)展的先導,是21世紀高科技領域的基石。
近年來,材料科學獲得了突飛猛進的發(fā)展[1]。究其原因,一方面是各個學科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實驗技術;另一方面是實際應用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實際生產應用問題而產生的一種新型復合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領域，所以它是近年來在材料科學中涌現(xiàn)出的研究熱點之一。
1FGM概念的提出
當代航天飛機等高新技術的發(fā)展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當航天飛機往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數(shù)，其表面溫度高達2000℃。而其燃燒室內燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內外要承受高達1000K以上的溫差,傳統(tǒng)的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數(shù)和熱應力的差別較大,很容易在相界處出現(xiàn)涂層剝落[3]或龜裂[1]現(xiàn)象，其關鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規(guī)耐熱材料的不足，日本學者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續(xù)變化的組分梯度來代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應力降至最小[3]。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發(fā)展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機輔助材料設計為基礎，采用先進復合技術，使構成材料的要素（組成、結構）沿厚度方向有一側向另一側成連續(xù)變化，從而使材料的性質和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分類
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續(xù)變化的特點如圖2,因此它能有效地克服傳統(tǒng)復合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統(tǒng)復合材料相比FGM有如下優(yōu)勢:
1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結強度;
2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應力和熱應力;
3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點以及應力自由端點的應力奇異性;
4)用FGM代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻材料涂層,既可以增強連接強度也可以減小裂紋驅動力。
2.2FGM的分類
根據(jù)不同的分類標準FGM有多種分類方式。根據(jù)材料的組合方式，F(xiàn)GM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據(jù)其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側到另一側呈梯度漸變的結構材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據(jù)不同的梯度性質變化分為密度FGM，成分FGM，光學FGM，精細FGM等[4]；根據(jù)不同的應用領域有可分為耐熱FGM，生物、化學工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3FGM的應用
FGM最初是從航天領域發(fā)展起來的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)利用組分、結構、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,并可望應用于許多領域。
功能
應用領域材料組合
緩和熱應
力功能及
結合功能
航天飛機的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機械部件
耐熱性機械部件
耐蝕性機械部件
加工工具
運動用具:建材陶瓷金屬
陶瓷金屬
塑料金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石金屬
碳纖維金屬塑料
核功能
原子爐構造材料
核融合爐內壁材料
放射性遮避材料輕元素高強度材料
耐熱材料遮避材料
耐熱材料遮避材料
生物相溶性
及醫(yī)學功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關節(jié)
人工內臟器官:人工血管
補助感覺器官
生命科學磷灰石氧化鋁
磷灰石金屬
磷灰石塑料
異種塑料
硅芯片塑料
電磁功能
電磁功能陶瓷過濾器
超聲波振動子
IC
磁盤
磁頭
電磁鐵
長壽命加熱器
超導材料
電磁屏避材料
高密度封裝基板壓電陶瓷塑料
壓電陶瓷塑料
硅化合物半導體
多層磁性薄膜
金屬鐵磁體
金屬鐵磁體
金屬陶瓷
金屬超導陶瓷
塑料導電性材料
陶瓷陶瓷
光學功能防反射膜
光纖;透鏡;波選擇器
多色發(fā)光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半導體
稀土類元素玻璃
能源轉化功能
MHD發(fā)電
電極;池內壁
熱電變換發(fā)電
燃料電池
地熱發(fā)電
太陽電池陶瓷高熔點金屬
金屬陶瓷
金屬硅化物
陶瓷固體電解質
金屬陶瓷
電池硅、鍺及其化合物
4FGM的研究
FGM研究內容包括材料設計、材料制備和材料性能評價。
4.1FGM設計
FGM設計是一個逆向設計過程[7]。
首先確定材料的最終結構和應用條件,然后從FGM設計數(shù)據(jù)庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結構,以及制備和評價方法,最后基于上述結構和材料組合選擇,根據(jù)假定的組成成份分布函數(shù),計算出體系的溫度分布和熱應力分布。如果調整假定的組成成份分布函數(shù),就有可能計算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應力分布,此時的組成分布函數(shù)即最佳設計參數(shù)。
FGM設計主要構成要素有三:
1)確定結構形狀,熱—力學邊界條件和成分分布函數(shù);
2)確定各種物性數(shù)據(jù)和復合材料熱物性參數(shù)模型;
3)采用適當?shù)臄?shù)學—力學計算方法,包括有限元方法計算FGM的應力分布,采用通用的和自行開發(fā)的軟件進行計算機輔助設計。
FGM設計的特點是與材料的制備工藝緊密結合,借助于計算機輔助設計系統(tǒng),得出最優(yōu)的設計方案。
4.2FGM的制備
FGM制備研究的主要目標是通過合適的手段,實現(xiàn)FGM組成成份、微觀結構能夠按設計分布,從而實現(xiàn)FGM的設計性能?？煞譃榉勰┲旅芊?如粉末冶金法(PM),自蔓延高溫合成法(SHS);涂層法:如等離子噴涂法,激光熔覆法,電沉積法,氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD)和化學相沉積(CVD);形變與馬氏體相變[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設計的梯度成分成形,然后燒結。通過控制和調節(jié)原料粉末的粒度分布和燒結收縮的均勻性,可獲得熱應力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比較簡單的FGM部件,但工藝比較復雜,制備的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的燒結法有常壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結及反應燒結等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設備簡單、易于操作和成本低等優(yōu)點,但要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進行嚴格控制。國內外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis簡稱SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前蘇聯(lián)科學家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應時,發(fā)現(xiàn)的一種合成材料的新技術。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學反應,此后化學反應在自身放熱的支持下,自動持續(xù)地蔓延下去,利用反應熱將粉末燒結成材，最后合成新的化合物。其反應示意圖如圖6所示[16]：
SHS法具有產物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點。并且適合制造大尺寸和形狀復雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應的材料體系,金屬與陶瓷的發(fā)熱量差異大,燒結程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機械強度較低。目前利用SHS法己制備出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3噴涂法
噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝,適用于形狀復雜的材料和部件的制備。通常,將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內,并在熔化的狀態(tài)下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層。可以通過計算機程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設計所要求的梯度分布函數(shù)。這種工藝已經(jīng)被廣泛地用來制備耐熱合金發(fā)動機葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等離子噴涂法(PS)
PS法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物,形成等離子體,其溫度高達1500K,同時處于高度壓縮狀態(tài),所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達1.5km/s。原料粉末送至等離子射流中,粉末顆粒被加熱熔化,有時還會與等離子體發(fā)生復雜的冶金化學反應,隨后被霧化成細小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結,形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調節(jié)等離子射流的溫度及流速,即可調整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優(yōu)點是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無需燒結,不受基體面積大小的限制,比較容易得到大面積的塊材[10],但梯度涂層與基體間的結合強度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是將預先設計好組分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便會產生用B合金化的A薄涂層,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復以上過程,就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強劑熔覆金屬獲得了梯度多層結構。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數(shù)量和厚度,以及熔區(qū)的深度來獲得,熔區(qū)的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能,但由于激光溫度過高,涂層表面有時會出現(xiàn)裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發(fā)生化學反應[10]。采用此法可制備Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
4.2.3.3熱噴射沉積[10]
與等離子噴涂有些相關的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過將增強粒子注射到金屬流束中,這種工藝已被推廣到制造復合材料中。陶瓷增強顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態(tài),混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復合材料。在噴涂沉積過程中,通過連續(xù)地改變增強顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產生梯度6061鋁合金/SiC復合材料?？梢允褂脽岬褥o壓工序以消除梯度復合材料中的孔隙。
4.2.3.4電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中,通過注入另一相的懸浮液使之混合,并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃,涂層的主要材料為TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層,以改變固體材料的表面特性,提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學功能、熱物理性能,該工藝由于對鍍層材料的物理力學性能破壞小、設備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產成本低廉等顯著優(yōu)點而備受材料研究者的關注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5氣相沉積法
氣相沉積是利用具有活性的氣態(tài)物質在基體表面成膜的技術。通過控制彌散相濃度,在厚度方向上實現(xiàn)組分的梯度化,適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜,與基體結合強度低、設備比較復雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機理的不同分為物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)兩類。
化學氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質源輸送到反應器中進行均勻混合,在熱基板上發(fā)生化學反應并使反映產物沉積在基板上。通過控制反應氣體的壓力、組成及反應溫度,精確地控制材料的組成、結構和形態(tài),并能使其組成、結構和形態(tài)從一種組分到另一種組分連續(xù)變化,可得到按設計要求的FGM。另外,該法無須燒結即可制備出致密而性能優(yōu)異的FGM,因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應物的形成；氣相反應物傳輸?shù)匠练e區(qū)域；固體產物從氣相中沉積與襯底[12]。
物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質,使其蒸發(fā)為氣相,然后沉積于基材上,形成約100μm厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD法的特點是沉積溫度低,對基體熱影響小,但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形變與馬氏體相變[8]
通過伴隨的應變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個附加的被稱作“相變塑性”的變形機制。借助這種機制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內,可以通過施加應變(或等價應力)梯度,在這種材料中產生應力誘發(fā)馬氏體體積分數(shù)梯度。這一方法在順磁奧氏體18-8不銹鋼(Fe-18%,Cr-8%Ni)試樣內部獲得了鐵磁馬氏體α體積分數(shù)的連續(xù)變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍,但能提供一個簡單的方法,可以一步生產含有飽和磁化強度連續(xù)變化的材料,這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應用前景。
4.3FGM的特性評價
功能梯度材料的特征評價是為了進一步優(yōu)化成分設計,為成分設計數(shù)據(jù)庫提供實驗數(shù)據(jù),目前已開發(fā)出局部熱應力試驗評價、熱屏蔽性能評價和熱性能測定、機械強度測定等四個方面。這些評價技術還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等基礎性的工作上[7]。目前,對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機械性能進行評價[8]。目前,日本、美國正致力于建立統(tǒng)一的標準特征評價體系[7~8]。
5FGM的研究發(fā)展方向
5.1存在的問題
作為一種新型功能材料,梯度功能材料范圍廣泛,性能特殊,用途各異。尚存在一些問題需要進一步的研究和解決,主要表現(xiàn)在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設計的數(shù)據(jù)庫（包括材料體系、物性參數(shù)、材料制備和性能評價等）還需要補充、收集、歸納、整理和完善；
2）尚需要進一步研究和探索統(tǒng)一的、準確的材料物理性質模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結構以及制備條件的定量關系，為準確、可靠地預測梯度材料物理性能奠定基礎；
3）隨著梯度材料除熱應力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設計體系，為梯度材料在多方面研究和應用開辟道路；
4）尚需完善連續(xù)介質理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結構模型，并借助計算機模擬對材料性能進行理論預測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結構簡單,還不具有較多的實用價值;
6)成本高。
5.2FGM制備技術總的研究趨勢[13、15、19-20]
1）開發(fā)的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術；
2）開發(fā)大尺寸和復雜形狀的FGM制備技術；
3）開發(fā)更精確控制梯度組成的制備技術（高性能材料復合技術）；
4）深入研究各種先進的制備工藝機理，特別是其中的光、電、磁特性。
5.3對FGM的性能評價進行研究[2、13]
有必要從以下5個方面進行研究：
1）熱穩(wěn)定性，即在溫度梯度下成分分布隨時間變化關系問題；
2）熱絕緣性能；
3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；
4）抗極端環(huán)境變化能力；
5）其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學性能和磁學性能等
陰極過程試驗結果顯示，當鍍液中加入SiC微粒和稀土后，復合材料的陰極沉積電流密度增加，有利于Ni-W-P合金在陰極沉積，并形成Ni-W-P-SiC或RE-Ni-W-P-SiC復合材料。而在鍍液中加入PTFE后，卻降低復合材料鍍層的陰極沉積電流密度。當稀土的添加量為7~9g/l時，復合材料鍍層的陰極沉積電流密度增加并不明顯；隨著稀土添加量的增加，復合材料鍍層的陰極沉積電流密度增加較明顯，當添加量達到11~13g/l時，鍍層的陰極沉積電流密度增加達到最大值；若進一步增加稀土用量，則陰極沉積電流密度有所下降。SiC微粒與Ni-W-P合金共沉積的機理是：SiC微粒本身帶負電荷，當加入到鍍液中，它會吸附周圍的正電荷，在流體動力學和電場力的作用下，遷移到陰極表面形成弱吸附；其次，到達陰極表面的SiC微粒在靜電場力的作用下脫去水化膜與陰極直接接觸而形成強吸附；第三，吸附到陰極表面的SiC微粒被Ni-W-P合金捕獲一起沉積到鍍層中。
RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層在不同濃度的硫酸、鹽酸、磷酸和氯化鐵等溶液中的腐蝕試驗結果表明，以Ni-W-P合金為基體的復合材料鍍層在鍍態(tài)或熱處理條件下在硫酸,磷酸,鹽酸和氯化鐵溶液中具有較好的耐蝕性,其耐蝕性優(yōu)于316L不銹鋼;Ni-W-P-SiC復合鍍層在鹽酸、硫酸和氯化鐵溶液中的耐蝕性優(yōu)于Ni-W-P合金鍍層和RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層，而RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層在磷酸溶液中的耐蝕性又優(yōu)于Ni-W->:請記住我站域名/
復合材料鍍層的硬度和耐磨性試驗結果表明，隨著加熱溫度的提高，復合材料鍍層的硬度增加，在400℃時達峰值，加熱溫度繼續(xù)升高，鍍層硬度呈下降趨勢；此外，陰陽極相互垂直所得復合鍍層的硬度高于陰陽極相互平行的硬度；鍍態(tài)時復合鍍層的磨損率均最高，隨著熱處理溫度的提高，磨損率呈下降趨勢，在400℃時磨損率最低，耐磨性最好。繼續(xù)升高溫度，磨損率有所上升。另外，隨著鍍層中磷含量的增加，其耐磨性改善。在400℃熱處理條件下，隨著熱處理時間的延長，復合鍍層的硬度和耐磨性增加，當熱處理時間達到3小時時，鍍層硬度和耐磨性達到最佳值；若繼續(xù)延長時間，鍍層的硬度和耐磨性將降低。隨著鍍液中SiC濃度的增加，RE-Ni-W-P-SiC復合材料鍍層的硬度增加，同時鍍層的耐磨性能也增強。鍍液中鎢酸鈉濃度對RE-Ni-W-P-SiC多功能復合材料硬度及耐磨性的影響規(guī)律與鍍液中SiC濃度對RE-Ni-W-P-SiC復合材料硬度及耐磨性的影響規(guī)律基本一致，即隨著鎢酸鈉濃度的升高，RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層的硬度和耐磨性均提高。隨著鍍液中次亞磷酸鈉濃度的升高，鍍層的硬度和耐磨性均降低。
RE-Ni-W-P-SiC復合材料鍍層的組織與結構分析表明，復合鍍層在鍍態(tài)下為非晶態(tài)，當熱處理溫度升到200℃時，鍍層開始晶化并析出Ni3P相；當溫度達到500℃時，鍍層晶化完畢，產生新相g-(FeNi)。因此，整個鍍層的顯微結構隨溫度的變化過程是：非晶態(tài)混晶態(tài)晶態(tài)；稀土元素對復合鍍層的顯微組織無影響，但可以提高復合鍍層中SiC微的含量；鍍液中鎢酸鈉和檸檬酸的濃度對復合材料鍍層的結構影響不大，復合材料中的磷含量是鍍層非晶化的主要決定因素；鍍液中鎢酸鈉和檸檬酸的濃度對復合材料鍍層的表面形貌影響較大，當鎢酸鈉的濃度為90—150g/L和檸檬酸的濃度為150—170g/L時，復合材料鍍層表面顆粒細小，而且平整光滑。
復合材料鍍層的抗高溫氧化試驗結果表明，在高溫氧化過程中,純鎳鍍層、Ni-W-P、Ni-W-P-SiC和RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層的氧化膜重量和氧化時間的關系,在氧化時間小于60min時，氧化膜的增長規(guī)律近似于直線方程；而在氧化時間大于60min后,它的增長規(guī)律可以用冪函數(shù)方程表示。四種鍍層氧化速率的大小順序是Ni>Ni-W-P>Ni-W-P-SiC>RE-Ni-W-P-SiC。在高溫氧化過程中,Ni-W-P、Ni-W-P-SiC和RE-Ni-W-P-三種鍍層的氧化膜重量隨著氧化溫度的升高而呈指數(shù)型增加。RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層與Ni-W-P合金層相比,它的高溫抗氧化性能可以提高2-3倍。鍍層的截面形貌表明,經(jīng)500℃下氧化，Ni-W-P合金已向基體擴散,與基體之間沒有明顯的分界線；Ni-W-P-SiC復合鍍層與基體之間有分界線,但不明顯；而RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層在此溫度下有明顯的分界線。經(jīng)800℃下氧化后,除RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層與基體有明顯分界線外,其它兩種鍍層均無分界線。Ni-W-P、Ni-W-P-SiC和RE-Ni-W-P-SiC三種鍍層經(jīng)800℃下氧化后的X-射線衍射圖同樣顯示,RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層具有更好的抗高溫氧化能力。
對電沉積RE-Ni-W-P-SiC多功能復合材料進行了日處理5平方米的中試試驗，結果表明，用該工藝處理的多種零部件在磷化工、制糖和卷煙等工業(yè)中應用，其壽命明顯高于國產零部件，接近或超過進口件的水平，并取得了一定的經(jīng)濟效益。
關鍵詞：電沉積，RE-Ni-W-P-SiC復合材料鍍層，硬度與耐磨性，耐蝕性，抗高溫氧化性，組織與結構，應用。
Atract
ProceandbasictheoryofelectrodepositedRE-Ni-W-P-SiCmultifunctionalcompositecompositecoatinghavebeenstudied，includingsomecontentsasfollows：
E-pHpatterofNi-P-H2OandNi-C-H2Osystemsweredrownoutonthebasisofthermodynamicanalysis，andresultsshowthatNiandPcanco-depositonthecathodeintheformofNi3P；therearesomeNi3Cphasesinthecoating，andCcomesfromorganiccompoundwhichwasaddedinthebathandCO2intheairthatwasdiolvedinwater.
ExperimentalresultsofproceparametersindicatethataseriesofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingswithdifferentcontentswereobtainedbymeaofaropriateparameters，andcomponentscopesofthecoatingsareSiC5~30wt，Ni50~60wt，W10~25wt，P5~15wtandRE5~10wt.ThecontentsofW，PandSiCi nthecompositecoatingswereincreasedwhenchloride，oxideandsulfaterareearthwasaddedinthebathreectivelyortogether.Theadditionofsodiumhypophohatemustbearopriate，ifaddedmuch，WandSiCcontentsinthecoatingsweredecreased，Sotheadditionofsodiumhypophohatemustbecontrolled10~15g/l.Currentdeity，temperatureandpHvaluehavecoiderableeffectsonthecontentsofW，PandSiCinthecompositecoatings.Generally，currentdeity（Dk）mustbecontrolled5~10A/dm2，pH6.0~6.5andtemperature55~65oC.Besides，DkandpHhaveagreateffectonthesurfacemorphologiesofthecoatings，andthecompositecoatingsgetcoarsewhenDkandpHwerehigh，onthecontrary，thecompositesgainfinecrystalwhenDkandpHwerelow.TheagitatingintervaltimehaslittleeffectonNi，WandPcontents，whileithascoiderableeffectonSiCcontentinthedeposits.ExteionofagitationandintervaltimewilldecreaseSiCcontentinthecomposites，sointervalandagitatingtimemustbecontrolled3miand4~5mireectively.
CurvesofcathodicpolarizationdilaythatwhenSiCparticlesandrareearth（RE）wereaddedinthebath，cathodicdepositingcurrentdeityofthecompositesincreases，anditisprofitableforNi-W-Pcoatingtodepositinthecathode，formingNi-W-P-SiCandRE-Ni-W-P-SiCcomposites.Onthecontrary，theadditionofPTFEinthebathdecreasescathodicdepositingcurrentdeityofthecoatings.Thecurrentdeityincreasesalittlewhentheamountofrareearth（RE）is7~9g/l；however，thedeityincreasesgreatlywithincreasingamountofRE，anditreachespeakvaluewhentheamountofREis11~13g/l.ButiftheamountofREisraisedfurther，thecurrentdeitydecreases.MechanismofSiCparticlesandNi-W-Pcoatingco-depositionis:SiCparticlescarryaboutnegativeelectricchargeitself,andtheymayadsorbpositiveelectricchargearoundwhenSiCparticlesareaddedinthebath.Theymovetothesurfaceofcathodeandformweakadsorptionundertheeffectsoffluiddynamicsandelectricfieldforce;secondly,SiCparticlesonthecathodicsurfacedehydrateundertheeffectoftheelectrostaticfieldforceandformstrongadsorptiothirdly,SiCparticlesadsorbedonthecathodicsurfacearecapturedbyNi-W-Pcoatinganddepositedinthecomposite.
CorrosionexperimentsofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatinginH2SO4，HCl，H3PO4andFeCl3solutioshowthatthecompositecoatingsonthebaseofNi-W-PcoatingshavebettercorrosionresistanceinH2SO4，HCl，H3PO4andFeCl3solutioatas-depositedorheattreatment，andtheircorrosionresistanceissuperiortothatof316Lstainlesteel；thecorrosionresistanceofNi-W-P-SiCcoatinginHCl，H2SO4andFeCl3solutioismuchbetterthanthatofNi-W-PandRE-Ni-W-P-SiCcoatings；however，thecorrosionresistanceoftheRE-Ni-W-P-SiCcompositeinH3PO4solutionissuperiortothatofNi-W-P-SiCandNi-W-Pcoatings.ThecorrosionmechanismofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatinginH2SO4andH3PO4solutioisgapandintergranularcorrosion，andinHClandFeCl3solutioispointandintergranularcorrosion.
Resultsofhardneandwearresistanceofthecompositecoatingsshowthatthehardneofthecoatingsincreaseswithincreasingheattreatmenttemperature，anditreachespeakvalueat400oC.Butitdecreaseswithincreasingheattreatmenttemperaturecontinually.Besides，thehardneofthecoatingbyverticalhangingbetweencathodeandanodeismuchhigherthanthatofonebyparallelhangingbetweencathodeandanode.Theabrasionrateofthecompositesishighestatas-deposited，whileitdecreaseswiththeriseoftemperature，itcutsdownlowestat400oC.Buttheabrasionrateincreaseswithcontinuingraisingheattreatmenttemperature.Thewearresistanceofthecoatingisraisedwithincreasingthephohoruscontentinthedeposit.Thehardneandwearresistanceofthecompositeincreasewithexteionofheattreatedtimeat400oC，andtheyreachtheirpeakvaluesat3hoursreectively.However，thehardneandwearresistanceofthecoatingdecreasewiththeriseoftheheattreatedtime.ThehardneandwearresistanceoftheRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingincreasewiththeriseofSiCandsodiumtungst ateconcentratiointhebathreectively，whilethehardneandwearresistanceoftheRE-Ni-W-P-SiCcoatingdecreasewithincreasingsodiumhypophohateconcentrationinthebath.
MicrostructureofelectrodepositedRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingwasstudied，andresultsshowthattheRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingisamorphousas-deposited.WhilethecoatingchangesintothecrystalandNi3Pphasesprecipitatewhenheattreatedtemperatureisraisedto200oC；Thecrystalproceofthecoatingisfinishedandnewγ-（FeNi）phaseisproducedwhentemperaturerisesto500oC.Therefore，themicrostructurechangingproceofthecoatingisamorphousmixturecrystal；therareearthhasnoeffectonthemicrostructureofthecoating，whileitcanincreasetheSiCcontentinthedeposits.Sodiumtungstateandcitricacidconcentratiointhebathhavenoeffectsonthemicrostructureofthecomposite，howevertheyhavecoiderableeffectsonthesurfacemorphologiesofthecoatings.Thecoatingswithfinecrystalandsmoothsurfacewillbeobtainedwhensodiumtungstateconcentrationis90~150g/landcitricacidconcentrationis150~170g/l.Thephohoruscontentinthecompositeisadecisivefactorthatenablesthecoatingtochangeintoamorphousstate.
TheresistancetooxidationathightemperatureofthemultifunctionalelectrodepositedRE-Ni-W-P-SiCcompositesisinvestigated.TheresultsshowthatduringhightemperatureoxidationtherelatiohipbetweentheoxidizedfilmweightofpureNi,Ni-W-P,Ni-W-P-SiCorRE-Ni-W-P-SiCcoatingandtheoxidationtimeisamixedcurve,i.e.itisaroximatelyalinearrelatiohipwhentheoxidationtimeislethan60miwhileitisapowerfunctionrelatiohipwhentheoxidationtimeisover60mi.TheoxidationrateorderofthefourcoatingsisNi>Ni-W-P>Ni-W-P-SiC>RE-Ni-W-P-SiC.TheoxidizedfilmweightofNi-W-P,Ni-W-P-SiCorRE-Ni-W-P-SiCcoatingincreasesexponentiallywithariseinoxidationtemperature.Thehightemperature-oxidationresistanceofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingis3~4timesthatofNi-W-Palloycoating.Thecrosectionmorphologiesshowthatafterheat-treatmentat500oCtheNi-W-Pcoatingdiffusesintothematrix,andthereisnoobviousboundarybetweenNi-W-Pcoatingandmatrix;thereisaboundarybetweentheNi-W-P-SiCandmatrix,butitisnotclear;thereisanobviousboundarybetweenRE-Ni-W-P-SiCcoatingandmatrix.Afterheattreatmentat800oCthereisnoboundarybetweenNi-W-PorNi-W-P-SiCcoatingandmatrixwhilethereisaboundarybetweenRE-Ni-W-P-SiCcoatingandmatrix.X-raydiffractionpatterofNi-W-P，Ni-W-P-SiCandRE-Ni-W-P-SiCcoatingsshowclearlythatRE-Ni-W-P-SiCcoatinghasbetterresistancetohightemperatureoxidation.
關鍵詞：全英語教學；功能材料學；教學改革
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）03-0061-02
高等教育國際化成為當代世界高等教育的重要理念。培養(yǎng)既有扎實專業(yè)知識，又有國際交流、合作、競爭能力的國際化人才，已成為我國高等教育的最重要任務之一。《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010―2020年）》和《上海市中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010―2020年）》都將教育國際化列于突出地位。因此，上海市教委從2009年起開展了上海高校示范性全英語教學課程建設，鼓勵高校教師開展全英語教學，發(fā)揮課程示范輻射作用，提高國際化教學質量[1]。上海理工大學材料科學與工程專業(yè)自2010年起開始了本科生課程的全英語教學探索，目前正在建設包括材料結構與性能、材料分析與設計和專門材料與應用三個全英語教學課程群[2，3]?！豆δ懿牧蠈W》課程主要針對材料科學與工程專業(yè)三年級學生，是專門材料與應用課程群的核心課程之一?！豆δ懿牧蠈W》課程主要向學生講授各類功能材料的結構、性能及應用的基本理論和相互關系等，并介紹當今各類功能材料的最新研究成果，加強學生對專業(yè)知識的理解和掌握，并了解功能材料領域的發(fā)展趨勢，為今后在相關領域學習和工作打下堅實基礎；同時，深化培養(yǎng)學生的專業(yè)英語運用能力以及國際化視野，提升其綜合素質。為更好地實現(xiàn)上述教學目標，提高課程教學效果，本文結合《功能材料學》全英語教學課程近幾年的教學實踐，對課程的教學內容、教學方法與手段以及評價體系等方面進行了初步探索。
一、教學內容的優(yōu)化
功能材料是指具有優(yōu)異的物理、化學、生物、光電性質并能在其之間相互轉化的材料。根據(jù)材料的功能分類，功能材料包括電子材料、磁性材料、光學材料、生物材料、各種功能轉換材料等，涵蓋電子學、光學、生物醫(yī)學、電磁學等領域，是一門多學科交叉融合的學科。目前，高校的材料科學與工程專業(yè)基本都開設功能材料學及相關的專業(yè)課程。功能材料學涵蓋面廣、信息量大，但是一般課程的教學時數(shù)相對較少，所以多數(shù)高校都是選取幾類功能材料作為教學內容。例如華中科技大學開設的《先進功能材料》課程主要介紹光功能材料、電功能材料、磁功能材料和能源材料。本校的《功能材料學》課程實施全英語教學，雖然學生在前期已學習了全英語授課的《材料科學基礎》、《現(xiàn)代材料分析方法》、《材料結構與性能》等專業(yè)基礎課，能夠較好適應全英語授課的節(jié)奏和方式，但是很多學生以英語思維方式理解和掌握專業(yè)知識仍然面臨困難和挑戰(zhàn)，所以在教學時數(shù)有限的情況下，教學內容的優(yōu)化至關重要。
1.為實現(xiàn)課程教學與國外接軌，同時結合功能材料領域的發(fā)展狀況和本校材料學院以能源、環(huán)境、生物材料為主的研究特色，本課程教學中選用了Deborah D.L.Chung主編的原版英文教材《Functional Materials：Electrical，Dielectric，Electromagnetic，Optical and Magnetic Applications》作為主要參考教材，同時補充Buddy D. Ratner等人編寫的原版英文教材《Biomaterial Science：An Introduction to Materials in Medicine》作為生物功能材料的參考教材，并將發(fā)表的經(jīng)典論文與最新研究成果等作為補充教材。
2.由于本課程的學生已學習了大量的材料學基礎理論課程，所以教學內容以功能材料的應用為主，兼顧理論知識的鞏固。以材料設計中的“結構-性能-應用”基本思路為主線，在介紹某種功能材料的結構與性能之間關系的基礎上，著重講授功能材料的性能與應用之間的相互關系，突出實際應用案例。這樣，課程教學內容既保證學生可以鞏固功能材料學的基礎知識，又引導學生將基礎知識和實際應用結合起來，提高解決實際問題的能力。
3.為了教學內容能夠有效激發(fā)學生的學習興趣，引導學生把握功能材料領域的發(fā)展趨勢，本課程以專題形式只在壓電材料、磁性材料、光電材料、電池能源材料、生物材料等范圍內選擇幾種經(jīng)典的和最新發(fā)展的功能材料及其制備新技術作為講授內容，同時引入新材料、新技術等方面的課堂討論內容。例如在講授太陽能電池材料及新技術時，除了介紹太陽能電池的工作原理、目前研究的太陽能電池材料外，結合本院開展太陽能電池材料研究的老師的科研成果，課堂討論太陽能電池材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。
二、多元化教學方法與手段的運用
全英語教學是指用英語全程授課，讓學生在全英語環(huán)境中學習專業(yè)知識，這對學生提出了更高要求。復旦大學蔡基剛教授研究認為，具有大學英語四級水平以上的學生，具備上全英語課程的能力，關鍵在于堅持和信心[4]。目前，本專業(yè)學生在上海市及全國范圍內均為一本招生，英語整體水平較高，而且學生在前期已經(jīng)學習了多門全英語授課的專業(yè)基礎課。但是，部分學生仍然對全英語課程產生畏難情緒。因此，在全英語教學中，如何提高學生對課程的興趣以幫助學生克服畏難情趣，是影響教學效果的重要因素。在近幾年的全英語教學實踐中，我們對多種教學方法和手段進行了融合運用。
1.多媒體教學，精心準備課件及教學細節(jié)。在課前精心組織教學內容，注重最新研究成果和經(jīng)典功能材料的實際應用案例，力求課程內容的前沿性、實用性和趣味性。多媒體課件盡量通過圖片、表格、動畫以及視頻等資料，以直觀的方式體現(xiàn)教學內容，避免在幻燈片上出現(xiàn)大段文字，以此吸引學生的注意力，幫助其克服語言障礙。通過講授過程中放慢語速或者重點內容重復多次的方式，爭取絕大多數(shù)同學在課堂上能夠聽懂、理解，并且設置提問環(huán)節(jié)以增強學生對知識點的掌握。
2.將研究和探索的氛圍帶到課程教學中。本課程的教學內容結合了學院的研究特色，教學團隊由多名從事不同功能材料研究的科研一線教師組成，分別在其擅長的研究領域講授教學內容，同時將各自的科研成果引入教學，豐富教學內容，使教學與科研有機結合起來。增加教師本人的科研成果展示、科研故事等內容，使課程充滿研究和探索的氣氛，激發(fā)學生對課程內容和功能材料研究的興趣。
3.開展當前研究熱點和最新研究成果的課堂討論。通常學生對研究熱點和最新研究成果都比較感興趣。例如在講授目前非常熱門的石墨烯材料時，教師提前給學生布置討論題目：石墨烯材料具有非常優(yōu)異的電導、機械強度、韌性等性能，那么這類材料的應用領域在哪里？在課堂上，教師在講授完石墨烯材料的結構與性能關系后，在輕松的氛圍下開始課堂討論。這樣的教學方式不僅有利于調動學生主動參與的積極性，而且可以培養(yǎng)學生獨立思考和分析判斷問題的能力以及交流、討論、合作的熱情和能力。
4.注重學生課前預習和課后知識鞏固。全英語教學實踐中，學生的課前預習對提高課堂教學效果非常重要。為了讓學生的課前預習有的放矢，教師在課程開始前將課件放在課程網(wǎng)站上，讓學生根據(jù)課程進度表提前下載課件并配合英語參考教材預習，避免了英語參考教材信息量大、學生預習無從下手的情況。通過預習，學生可以熟悉課堂的教學內容以及專業(yè)詞匯，盡量避免因為課程內容和詞匯生疏帶來對知識點的理解困難，有助于學生跟上教師授課節(jié)奏，提高課堂教學效果。而對學生課前預習要求的檢查和督促則通過教師課堂隨機測驗、點名提問等方式進行，并且將結果計入平時成績。另外，為了進一步鞏固課堂所學知識，每個專題授課結束后都會通過布置作業(yè)來引導學生對所學內容和知識點進行回顧。對學生課后作業(yè)完成情況的檢查則通過作業(yè)批改、在課堂上問答的互動方式進行，標準解答定期上傳至課程網(wǎng)站，以便學生加深對課程內容和知識點的理解和掌握。同時，本課程還設置課后輔導答疑環(huán)節(jié)，學生在每周的固定時間可到教師辦公室接受答疑輔導。
三、課程教學評價體系的建立
好的課程教學評價體系也可以有效激發(fā)學生的學習興趣，提高教學質量。傳統(tǒng)的以期末考試為主的評價方式，容易導致學生考試前突擊死記硬背知識點，而忽視平時對所學知識的運用以及綜合素質的培養(yǎng)。本課程采用教學過程中的課堂參與度等作為過程性評價和學期末綜合考試作為總結性評價。過程性評價包括了全英語課后作業(yè)、課堂問答互動、小組課堂專題演講以及查閱英語文獻與資料能力等構成，占總成績的50%～60%；而期末綜合考試則主要考查學生對重點知識點的理解以及解決實際問題的能力，占40%～50%。采用這樣的評價方式，鼓勵學生參與課程教學，激勵學生的學習熱情。既讓學生重視對知識點的理解和靈活運用，而不是死記硬背基本知識點和基本概念，也加強了學生綜合素質的培養(yǎng)。
全英語課程教學已成為高校培養(yǎng)國際化人才的重要舉措。《功能材料學》課程是材料科學與工程專業(yè)非常重要的專業(yè)課，要達到提高學生專業(yè)知識水平，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力以及國際化視野，提升綜合素質的教學目標，在全英語教學中，必須要在教學內容、教學方法與手段、教學評價體系等方面下功夫，激發(fā)學生對全英語教學課程的學習興趣，使學生克服畏難情緒，能夠在教學過程中成為教學主體。全英語教學還是一種新的教學模式，在引導學生成為教學主體的同時，教師也要不斷學習、提高教學理念和教學水平。只有教師和學生教學相長，才能真正提高全英語教學質量。
參考文獻：
關鍵詞：材料科學基礎 功能材料專業(yè) 教學改革
Teaching experience of material science foundation course for functional materials major
Bai Jing， Teng Fei， Huang Mingli， Luo Shaohua， Qi Jianquan
Northeastern university at Qinhuangdao branch， Qinhuangdao， 066004， China
Abstract： The materials science of the metallic materials， the inorganic non-metallic materials and the polymer materials has been combined for the functional materials major in our university， and added the latest research results to the traditional knowledge of fundamentals materials science to gain better teaching effect. In this paper， based on the idea of teaching reform， several important reforming measures have been discussed in detail for the teaching reform of the materials science foundation course， aimed at improving the teaching quality and teaching efficiency； enhance students' analytical ability and innovative ability.
Key words： material science foundation； functional materials major； teaching reform
21世紀，材料科學與工程技術是國家經(jīng)濟建設的重要基礎和支撐之一。材料科學基礎是材料科學與工程類學科的一門專業(yè)基礎課程，這門課程既要密切聯(lián)系理論，又要為其他專業(yè)課程打下扎實的基礎[1]。通過材料科學基礎課程教學，學生能較好地了解材料的成分與組織結構，合成與制備，材料的性能及應用的基本知識，相互關系及其影響規(guī)律；對培養(yǎng)學生科學的思維方法、創(chuàng)新能力及運用基礎理論知識解決實際問題的能力作用巨大。高等教育專業(yè)設置變化和課程體系的改革以及材料科學技術的迅猛發(fā)展，對材料科學與工程類人才素質提出了新的要求，已從原來較單一的技術人才轉變?yōu)楦咚刭|、寬口徑的復合型人才，材料科學基礎課程教學中存在的問題也日益顯現(xiàn)。研究和探討課程體系的優(yōu)化，兼顧金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料的共性和個性，對提高該課程教學效果，培養(yǎng)復合型人才具有十分重要的意義。
1 材料科學基礎教學改革的基本思路
材料科學基礎教學改革的基本思路是：以厚基礎、寬口徑、面向現(xiàn)代工程為前提，根據(jù)本校實際情況進行。2011年，我校應教育部要求開設功能材料新學科，而功能材料以所需知識領域寬、學科發(fā)展迅速區(qū)別于常規(guī)的結構材料學科。
（1）我校集合常年工作在金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料教學和科研一線的教師編寫了一本《材料科學基礎》（功能材料用）新教材，融入金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料的共性和個性知識，并結合經(jīng)濟與科技的發(fā)展以及本校學科建設的進展，突出《材料科學基礎》理論的共性，書中尤其注意了不同種類材料之間知識的交叉和滲透。
（2）著重培養(yǎng)學生科學的思維方法和創(chuàng)新能力以及運用基礎理論解決實際問題的能力，即注重培養(yǎng)學生獲取知識、運用知識、創(chuàng)新知識的能力。功能材料領域材料科學發(fā)展非常迅速，課本的知識永遠落后于最新的科研成果，因而，能力的發(fā)展重于知識的傳授。
①我校對大學二年級的學生采用導師制培養(yǎng)方式，每位導師都有自己的專攻學術領域，而學生根據(jù)自己的興趣愛好可以自主選擇導師。在導師帶領下，學生開始進入實驗室，學習使用相關的實驗儀器設備以及最新的學科動態(tài)。學校方面，給予大學二年級和三年級的學生一定的實驗經(jīng)費，通過創(chuàng)新實踐培養(yǎng)學生的科研興趣和自學能力。很多學生在教師的帶領下參加各種國家級、省級科技競賽，如全國大學生節(jié)能減排大賽和全國大學生挑戰(zhàn)杯科技競賽等，并多次獲得獎項。2013年我院81002班本科生張溪溪等人“利用提釩棄渣制備鋰離子電池正極材料LiFePO4及其電化學性能研究”，81002班侯瑞等人的“基于廢棄鋅錳干電池制備ZnMn2O4及其電化學性能研究”獲得2013年“力諾瑞特”杯第六屆全國大學生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽三等獎。
②為切實做到“強專業(yè)、重實踐”，我校采用3+1教學模式，即3年授課+1年畢業(yè)設計。在“3+1”模式的導向下，越來越多的學生在本科階段有了更為清晰的專業(yè)成長目標。充足的畢業(yè)設計時間，使大四本科生充分參與到指導教師的科研課題中，對本專業(yè)的前沿領域和基礎知識的實際應用有了深刻的了解，優(yōu)秀大四學生能多次發(fā)表學術論文以及申請專利項目。例如，羅紹華（本校教師）、翟向樂（學生）、張雅倩（學生）、田勇（學生）、李輝（學生），申請的發(fā)明專利“硅酸錳鋰/納米氧化物復合正極材料及其制備方法”（專利號：ZL 2011 1 0109725.0）已獲國家知識產權局授權。
在教學過程中，適當安排部分章節(jié)讓學生自學。學生通過查找相關參考書籍，總結概括自學部分的知識要點，科研領域的名人軼事，材料領域發(fā)展中的重大里程碑進展等，然后分小組分析討論，提高學生的自學能力和對材料專業(yè)課的學習興趣。此外，在教學安排中，每年度安排兩次參觀。一次是參觀本校太陽能電池和鋰離子電池實驗室，一次是參觀磁性材料生產企業(yè)，讓學生可以理論聯(lián)系實際，運用理論知識解決實際問題。我們還通過加強實驗教學，提高學生的動手能力[2]。
2 將最新科研成果融入材料科學基礎課程講授中
在材料科學基礎課程備課過程中，注意融入最新的相關領域的科研成果。學生覺得所學知識非常新鮮和超前，能夠及時了解本學科的前沿動態(tài)，從而提升學習興趣，對傳統(tǒng)知識的理解亦會更為深刻。這種教學方法抓住了“90后”學生喜歡新鮮事物的特性，獲得了良好的教學效果。
圖1 強磁場對Fe-C二元合金相圖共析點的影響
例如：在講授Fe-C二元相圖時，加入了全國優(yōu)秀百篇博士論文獲得者張宇東博士（東北大學畢業(yè)）關于10特斯拉強磁場對Fe-C相圖影響的內容[2]。強磁場的使用會使共析點向高溫高碳的方向移動（如圖1所示）。從而將課本中平衡相圖的局限打破，引入了外場對平衡相圖的影響。
另外，在講述固態(tài)相變―馬氏體轉變章節(jié)時，講授應用馬氏體相變過程中的體積效應可以實現(xiàn)溫控形狀記憶效應。在該部分，融入了最新的研究成果，說明由馬氏體相變引起的形狀記憶效應不僅可以由溫度場驅動，還可以由磁場驅動，由此產生一類新的智能材料被稱為磁控形狀記憶合金，它兼具大的磁場誘導應變（傳統(tǒng)的溫控形狀記憶合金）以及快速的響應頻率（壓電陶瓷和磁致伸縮材料），現(xiàn)已成為國際范圍內智能材料的研究熱點，從而補充和擴展了原有的知識體系。
3 合理運用板書與多媒體教學方式
材料科學基礎課程內容多且抽象性、理論性強，為了提高該課程的教學效果，應該采用有效的教學手段和教學方法。
傳統(tǒng)的板書教學是課堂教學的一種重要手段[3，4]。板書這種教學手段數(shù)百年來在教學發(fā)展史上起到了重要的作用，即使在科技高度發(fā)達的今天，也始終沒有退出歷史舞臺。但是單純使用板書教學的局限性也是顯而易見的，如信息容量小且板書內容不易保存，缺乏生動性和趣味性，學生很難保持持續(xù)的注意力，已不能完全滿足課堂教學的需求。
隨著社會的不斷進步和科學技術的迅速發(fā)展，多媒體教學已經(jīng)啟動并迅速開展。與板書相比，多媒體教學有很多優(yōu)點，能創(chuàng)造出一個有聲有色、圖文并茂的教學環(huán)境，把抽象的事物直觀化，把復雜的問題簡單化，為教師教學的順利實施提供形象的表達工具，從而可以激發(fā)學生的學習興趣。如將F-R位錯源、位錯掃過、位錯的多滑移和交滑移、熱聚合物拉伸變形、馬氏體的表面浮凸現(xiàn)象等由書本的平面教學轉為多媒體3D教學，使原來單調的課堂教學直觀生動、新奇有趣，易于學生理解和接受，激起學生的學習興趣。多媒體教學省去教師板書的時間，可以增加課堂信息量，提高課堂教學效率。
當然，也有教師指出過多使用多媒體手段的弊端，如教師備課不充分，多媒體教學要求教師制作課件，因而沒有充足的時間備課；有的教師自己不制作課件，使用其他教師的課件，不能把課本知識充分消化理解，把講課變成了“念課”，不利于學生學習能力、思維能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而且一旦停電，講課教師便束手無策，影響正常上課秩序。因此，授課教師必須充分備課、認真?zhèn)湔n，將課本知識深刻理解，并且充分了解學生的知識水平，將學生難于理解的知識點用通俗易懂的語言流利地表達出來。課堂教學時使用恰當?shù)慕虒W方式，利用板書和多媒體課件相結合的方式來授課。將理論知識和一些不易使用板書的教學內容用多媒體課件呈現(xiàn)；對于一些學生應重點掌握的知識點則使用板書的形式著重強調。將每堂課的知識點精心組織，恰當?shù)卦O置問題進行啟發(fā)，并預見學生的回答。從而達到板書、多媒體與啟發(fā)式教學完美地結合，保證教學按照預期效果順利完成。
4 結束語
綜上所述，材料科學基礎是一門傳統(tǒng)的基礎課程，在建設創(chuàng)新型國家以及材料科學快速發(fā)展、本科教育向應用型方向轉變的背景之下，該課程的教學要求、目標、重點、手段都已發(fā)生了根本性的變化。緊跟現(xiàn)代材料科學發(fā)展的步伐，及時更新和充實材料科學的最新理論及應用成果，使課堂教學與實踐教學相結合，才能卓有成效地提高材料科學基礎課程的教學質量。
參考文獻
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[3] 范群成，徐彤，席生岐.研究型教學在“材料科學基礎”課程的實踐與思考[J].中國大學教學，2012（8）：61-62.
[Abstract] With the progress of economics, cars in the city are more and more with the urbanization. What is the development trend of the future about the car is really needed to be studied and discussed.
關鍵字：汽車電器；組成；現(xiàn)狀與發(fā)展
[Keywords] vehicle electrical ; composition ; status and development
中圖分類號：F407.471 文獻標識碼： A
1、汽車電器的主要組成部分
1.1電源系統(tǒng)
電源系統(tǒng)包括蓄電池、發(fā)電機、調節(jié)器。其中發(fā)電機為主電源，發(fā)電機正常工作時，由發(fā)電機向全車用電設備供電，同時給蓄電池充電。調節(jié)器的作用是使發(fā)電機的輸出電壓保持恒定。蓄電池為可逆的直流電源。在汽車上使用最廣泛的是起動用鉛蓄電池，它與發(fā)動機并聯(lián)，向用電設備供電。
發(fā)電機是汽車電系的主要電源，它在正常工作時，對除起動機以外的所有的用電設備供電，并向蓄電池充電，以補充蓄電池在使用中所消耗的電能。發(fā)電機可以說是歷史上獨一無二的最偉大的電學發(fā)明，現(xiàn)在汽車使用的發(fā)電機都是交流發(fā)電機。在汽車上，發(fā)電機既是用電器的電源，又是蓄電池的充電裝置。為了滿足用電器和蓄電池的要求對發(fā)電機的供電電壓和電流變化范圍也有一定的限制。直流發(fā)電機所匹配的調節(jié)器一般都是由電壓調節(jié)器、電流限制器、截斷繼電器三部分組成。
1.2啟動系統(tǒng)
美國物理學家亨利于1831年發(fā)現(xiàn)自感現(xiàn)象后，發(fā)表了介紹電動機的論文。根據(jù)發(fā)電機原理，做成與發(fā)電機原理相反的電動機（馬達），這就是起動機?？梢哉f，發(fā)電機技術進步的同時就有了起動機。起動機是用來起動發(fā)動機的，它主要由電機部分、傳動機構（或稱嚙合機構）和起動開關三部分組成。
1.3照明系統(tǒng)
包括汽車內、外各種照明燈及其控制裝置。用來保證夜間行車安全。主要有前照燈、霧燈、尾燈、制動燈、棚燈、電喇叭、轉向燈閃光器等。1898年“哥倫比亞”號電動汽車首先把電用于前燈和尾燈。最初的前大燈不能調光，所以汽車在會車時有些晃眼，后來采用了附加光度調節(jié)器，并由美國異航燈具公司推廣應用。這種前大燈可以在垂直方向上下移動，但駕駛員必須下車搬動夾具裝置，非常不方便。1925年，導航燈具公司推廣了雙絲燈泡，遠光和近光的調節(jié)通過開關來控制，才把這個問題徹底解決。
1.4儀表系統(tǒng)
包括各種電器儀表（電流表、充電指示燈或電壓表、機油壓力表、溫度表、燃油表、車速及里程表、發(fā)動機轉速表等）。用來顯示發(fā)動機和汽車行駛中有關裝置的工作狀況。 最早的汽車儀表與信號是由一排外視器組成的，隨后出現(xiàn)的儀表是精確計時儀。汽車儀表的作用是幫助駕駛員隨時掌握汽車主要部分的工作情況，及時發(fā)現(xiàn)和排除可能出現(xiàn)的故障和不安全因素，以保證良好的行使狀態(tài)。汽車常用儀表有電流表、水溫表、發(fā)動機機油壓力表、燃油油量表及車速里程表，有的汽車還有發(fā)動機轉速表和制動系貯氣筒氣壓表等。 目前，汽車儀表總的發(fā)展趨勢正在向簡潔明了的模擬式儀表和模仿模擬式儀表方向發(fā)展。
1.5輔助電器系統(tǒng)
包括電動刮水器、空調器、低溫啟動預熱裝置、收錄機、點煙器、玻璃升降器等。 隨著汽車輔助工業(yè)的發(fā)展和現(xiàn)代化技術在汽車方面的應用，現(xiàn)代汽車裝用的輔助電氣設備很多，除了汽車用音響設備，通訊器材和汽車電視等服務性裝置外，都是一些與汽車本身使用性能有關的電氣設備。如電動刮水器，電動洗窗器，電動玻璃升降器，暖風通風裝置、電動座位移動機構，發(fā)動機冷卻系電動風扇、電動燃料泵，冷氣壓縮機用電磁離合等等。
2、汽車電器系統(tǒng)的特點
①低壓——汽油車多采用12V，柴油車多采用24V。②直流——主要從蓄電池的充電來考慮。③單線制——單線制即從電源到用電設備使用一根導線連接，而另一根導線則用汽車車體或發(fā)動機機體的金屬部分代替。單線制可節(jié)省導線，使線路簡化、清晰，便于安裝與檢修。④負極搭鐵——將蓄電池的負極與車體相連接，稱為負極搭鐵。
3、汽車傳感器的發(fā)展趨勢
根據(jù)現(xiàn)代汽車的發(fā)展趨勢，主要闡述一下傳感器總的發(fā)展趨勢，它
的趨勢是向多功能化、集成化、智能化、微型化方向發(fā)展。
3.1發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象
利用物理現(xiàn)象、化學反應和生物效應等是各種傳感器的基本原理，所以發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象與新效應是現(xiàn)代傳感器發(fā)展的重要基礎。
3.2開發(fā)新材料
功能材料是發(fā)展傳感器技術的另一個重要基礎。由于材料科學的進步，在制造各種材料時，人們可以任意控制他的成份，從而可以設計與制造出各種用于傳感器的功能材料。例如控制半導體氧化物的成份，可以制造出各種氣體傳感器；光導纖維用于傳感器是傳感器功能材料的一個重大發(fā)現(xiàn)；有機材料作為功能材料，正引起國內外汽車電子化專家的極大關注。
3.3采用新工藝
傳感器的敏感元件性能除了由其功能材料決定外，還與其加工工藝有關。隨著半導體、陶瓷等新型材料用于傳感器敏感元件，許多現(xiàn)代先進制造技術也引入汽車傳感器制造技術，例如集成技術，微細加工技術，薄膜技術等，能制作出性能穩(wěn)定、可靠性高、體積小、重量輕的微型化敏感元件。近年來從半導體集成電路技術發(fā)展而來的微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術日漸成熟，利用這一技術可以制作各種能敏感和檢測力學量、磁學量、熱學量、化學量和生物量的微型傳感器，這些傳感器的體積和能耗小，可實現(xiàn)許多全新的功能，這些特點使得他們非常適合于汽車方面的應用。
3.4研究智能式傳感器
智能傳感器是一種帶微型計算機兼有檢測、判斷、信息處理等功能的傳感器。與傳統(tǒng)傳感器相比，他具有很多特點。例如，他可以確定傳感器工作狀態(tài)，對測量資料進行修正，以便減少環(huán)境因素如溫度引起的誤差；用軟件解決硬件難以解決的問題；世界各國都在車用傳感器硬件的基礎上，努力用軟件來解決汽車電氣干擾大、環(huán)境差（溫度高、溫度梯度大、污染厲害等）等問題造成的對汽車參數(shù)測量的影響。而且智能式傳感器精度高、量程覆蓋范圍大、輸出信號大、信噪比高、抗干擾性能好，有的還帶有自檢功能。不少汽車大公司在該方面進行研制與開發(fā)，并取得了成就和應用。
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戈磊，1979年生，2006年9月畢業(yè)于天津大學，獲得材料學博士學位。在那個有著悠久光榮歷史的中國第一所現(xiàn)代大學(前身北洋大學)，學?！皩嵤虑笫恰钡男Ｓ柡汀皣乐斨螌W，嚴格教學要求”的治學方針刻骨銘心地浸入他的為學和為人之魂，也奠定了他以后快速成長的基石。2006年10月他進入中國石油大學(北京)機電學院材料系工作：2007年7月被評為校青年拔尖人才，聘為崗位教授(4級崗)；2009年1月入選北京市人才項目――科技新星計劃B類，得到了學校和北京市的重點培養(yǎng)，并取得了超乎想象的成績。
在科研上，他主要從事新型光催化功能材料和腐蝕防護方面的研究，在短短三年時間，他不分晝夜，將自己完全投入到材料研究的廣袤之地，以努力和智慧為雙翅，目標就在那無際遠方。
在光催化功能材料方向，他首次以過氧化氫絡合法在低溫下合成了具有可見光活性的納米Tioz光催化劑，目前已獲得兩項國家發(fā)明專利授權。利用軟化學一水熱法合成了高性能的新型InV04光催化材料，并設計制備了新型可見光活性的InV04-Tioz復合半導體光催化薄膜體系，對該體系進行了貴金屬修飾，從材料費米能級和光生載流子遷移的角度解釋了復合體系可見光活性的機理。他采用軟化學一水熱、微乳液法制備了新型可見光催化劑BiV04。Bi2W06、CaBi04。ln203-caln204等，并對其可見光催化活性和改性機制進行了研究。采用軟化學法成功在玻璃片上制備了金紅石相Ti0：納米線陣列，對其微觀結構、生長機理和催化性能進行了研究，該方向已申請了國家發(fā)明5項，在光催化方面獲得了教育部重點項目，教育部博士點基金、北京市科技新星計劃等3個基金的支持，項目經(jīng)費41.6萬元。
在材料腐蝕與防護研究方向，他作為骨干參與了“中國石油大學(北京)加拿大哈斯基能源公司材料腐蝕與防護聯(lián)合研究中心“的實驗室建設工作；承擔了中石化科技部重點項目”高含H2S／Co2介質對鉆采設備材料性能的影響”，國家安全總局、國家重大專項國家“863”計劃、國家自然科學基金，中石化西北局、中海油服等十多個項目的研究工作，個人承擔項目經(jīng)費100余萬元。對普光氣田鉆采設備材料在高含H2S／C02環(huán)境中的腐蝕性能進行了評價，獲得了耐蝕合金油套管的交貨技術條件和腐蝕評價規(guī)范，研究了鎳基合金鈍化膜的結構和耐蝕機理，評價了鉆桿、集輸管線，井口裝置，閥門等設備在Hts環(huán)境中的HIc和SSC性能。在防腐研究方面，主要從事緩蝕劑的開發(fā)與性能評價，制備了多種不同結構的新型H2S緩蝕劑，對其緩蝕性能進行了評價。
一、以團隊培養(yǎng)模式推動校企人才協(xié)同培養(yǎng)
學校以校企聯(lián)合培養(yǎng)基地為依托，探索建立了全日制專業(yè)學位碩士研究生“團隊培養(yǎng)模式”：通過組建不同學科領域導師組成的導師團隊，建立了團隊培養(yǎng)的課程體系，構架了“平臺+模塊”的可趁體系；形成了學位論文撰寫和答辯制度，進入團隊培養(yǎng)的研究生在基地實踐的時間不得少于12個月，學位論文選題必須來自于企業(yè)的項目，由導師團隊組織論文答辯。經(jīng)過在河北沙河市等相關行業(yè)企業(yè)的試點，這種培養(yǎng)模式的成效已初步顯現(xiàn)，企業(yè)還將獲得優(yōu)秀的高層次專業(yè)人才；深入企業(yè)直接參與實踐，專業(yè)學位研究生將專業(yè)理論與專業(yè)實踐緊密結合，專業(yè)素養(yǎng)水平不斷提升，學生及其開展的研究對企業(yè)也具有一定吸引力?！皥F隊培養(yǎng)模式”促進了校企資源的有效對接，創(chuàng)新了校企人才培養(yǎng)的協(xié)同機制，形成了校企雙贏的格局。
二、以產學研一體化模式推動校企協(xié)同研究與成果轉化
學校與中國建筑材料集團有限公司和中國中材集團有限公司簽署了共建“‘985工程’綠色建筑材料與新材料科技創(chuàng)新平臺”協(xié)議，通過建設學校現(xiàn)有的材料復合新技術國家重點實驗室、硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室和材料研究與測試中心，支持學校材料科學開展原創(chuàng)性基礎研究，提升學校材料學科基礎研究創(chuàng)新能力；通過建設學校現(xiàn)有的光纖傳感技術國家工程實驗室、特種功能材料技術教育部國防科技重點實驗室和綠色建筑材料及其制作教育部工程研究中心等國家和省部級重點實驗室，支持學校材料科學應用關鍵技術研究，提升學校材料學科應用研究創(chuàng)新能力；通過建設中國建筑材料集團有限公司、中國中材集團有限公司與學校的聯(lián)合研究中心，校企合作開展材料學科的產業(yè)化關鍵技術研究，提升材料學科的科技成果轉化和產業(yè)化能力。這種以學校的三個國家及科研基地為依托開展原創(chuàng)研究、以學校的有關工程技術中心為基礎開展應用技術研發(fā)、以企業(yè)的研發(fā)中心為骨干進行產品工程化研究并將三者結合的思路，得到了國家相關部門的認可和支持，得以獲批建設“985”優(yōu)勢學科創(chuàng)新平臺。
三、以行業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心建設推動校研企協(xié)同創(chuàng)新。
