功能材料范文第1篇
功能材料范文第2篇
復合材料因其比強度、比模量高的特點在汽車、船舶、以及飛機制造工業得到了廣泛應用。但纖維增強復合材料具有各向異性的特點，其面內的抗拉強度與剛度較高，而層間性能較差。碳納米管（CNTs）超強的力學性能為改善復合材料層間性能提供了新途徑。纖維增強復合材料因為其比強度、比模量高以及質量輕的特點在汽車、船舶、以及飛機制造工業得到了廣泛的應用。但復合材料層板的性能存在著各向異性的特點，其面內的抗拉強度與剛度較高，而抗壓縮性能以及層間性能較差。例如復合材料層板吸收沖擊載荷的能力十分有限，沖擊后材料的性能會明顯的下降，其原因是它的塑性較差并且界面相對薄弱。界面決定載荷從基體向增強體傳遞的效率，對于復合材料強度特別是偏軸強度在一定程度上起到決定性作用；對于復合材料的損傷累積與裂紋傳播歷程起一定影響。因而改善纖維復合材料層間性能也是提高復合材料綜合性能的有效途徑。
CNTs是新型功能材料，具有大的長徑比、超高的強度和模量、韌性好、密度低、更兼具特殊的電子學性質，是復合材料的優秀改性劑和理想的功能、增強材料。其超強的力學性能可以極大地改善聚合物基復合材料的強度和韌性。相比于傳統纖維，碳納米管與樹脂之間的應力傳遞效率要高出傳統纖維10倍。并且碳納米管具有各向同性的特點。因此，在傳統復合材料中引入碳納米管，借助其優良的力學性能、大長徑比、各項同性等特點，成為了改善傳統復合材料層間性能的有效途徑。碳納米管存在于裂紋前緣還可以通過架橋作用、碳納米管的斷裂以及碳納米管的拔出吸收能量以減緩裂紋的擴展。從而提高其層間的斷裂韌性以及使其具有一定的功能性。目前碳納米管改性纖維復合材料的方法可分為以下3類：通過碳納米管對于樹脂基體的改性，改善復合材料的力學性能；通過碳納米管對于纖維進行改性，從而增加纖維與樹脂界面性能以及層間性能，從而綜合提高復合材料的性能；通過碳納米管對于預浸料進行改性，從而改善復合材料的層間韌性及其他性能。
一、碳納米管改性纖維復合材料主要方法
碳納米管分散在樹脂基體中，能夠起到增強界面，以及增強基體的作用。一方面能改善環氧樹脂基體的力學性能。另一方面在纖維與樹脂界面處CNTs的搭橋作用，可以有效傳遞應力，阻止裂紋擴展，增韌纖維與樹脂界面。樹脂的固化特性以及力學性能，也會受到碳納米管的影響。但是由于分散在界面處的CNTs有限，對界面的影響較??；目前碳納米管與聚合物進行復合的方法主要有3種：直接共混法、溶液共混法和原位復合法。直接共混法是工業上一種比較常用的方法，可進行規?；a，此方法將碳納米管直接分散在樹脂基體中。溶液共混法是將碳納米管與樹脂共同分散在溶劑中進行混合或先將碳納米管分散在溶劑中再加入樹脂基體進行混合。原位復合法是指將碳納米管與聚合物單體混合后進行單體聚合，這種方法中碳納米管與基體的界面結合性能較好。
Zhiqi Shen[1]將CNTs與尼龍混合后制膜再與玻璃纖維組成復合材料層板，并研究了CNTs含量對材料的力學性能、熱性能以及耐火性能的影響。實驗表明，當碳管添加量高于2%時，復合材料層板的抗彎極限增高36%。Tugrul Seyhan[2]使用3輥研磨法（見圖1），將環氧樹脂與CNTs進行混合后通過真空輔助樹脂傳遞模塑成型法制備了復合材料層合板。實驗發現通過在樹脂中添加質量分數為0.1%的胺基功能化的多壁碳納米管后，復合材料層板的II型斷裂韌性（GIIC）以及層間剪切強度分別提高8%與11%。但是I型斷裂韌性沒有明顯的提升。通過SEM觀察了碳納米管的分布以及斷口形貌，發現3輥研磨法對于碳管在樹脂中的分散優于聲波降解法以及高速剪切法，并且CNTs在界面起到了增強作用。
Lars B ger[3]等使用3輥法將多壁碳納米管（MWCNTs）混入RIM 135環氧樹脂中，之后使用真空灌注工藝制備玻璃纖維復合材料，考察玻璃纖維復合材料的靜態拉伸以及動態疲勞性能。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發現，在樹脂中存在著CNTs的團聚現象。作者通過檢測復合材料拉伸過程中的電阻變化來判斷初始裂紋的產生。經過測試發現，加入質量分數為0.3%的MWCNTs后產生初始裂紋的壓力提高，疲勞性能也有所提高。V.Kostopoulos[4]將多壁碳納米管使用3輥研磨的方法分散到雙酚A樹脂中，制成碳纖維復合材料層板后，研究了層板的沖擊后性能。研究表明，經碳納米管改性后的層板相比于未改性層板沖擊后的壓縮模量以及壓縮強度都有所提高，并且沖擊后的壓縮-壓縮疲勞壽命也有所提高。Naveed A.Siddiqui[5]等將碳納米管進行表面處理后，先分散在丙酮中，再與環氧樹脂均勻混合，探究了碳納米管質量分數分別為0%、0.5%、0.7%和1.0%的環氧樹脂的流變特性與固化特性，得到結論為：環氧樹脂的黏度隨著碳納米管含量的增加而增加。表面處理過的碳納米管對于樹脂固化行為的催化活性在碳納米管質量分數低于0.5%時可以忽略不計，而當碳納米管的質量分數增加至1.0%時，催化活性顯著提高。A.Rahaman[6]等人研究了碳納米管的加入對于樹脂固化行為的影響。在其研究中使用溶液共混法將碳納米管與樹脂進行混合，混合后將溶劑揮發制備碳納米管環氧樹脂復合材料。分別制備了功能化碳納米管復合材料與非功能化碳納米管復合材料，并對3種碳納米管的質量分數進行了研究，分別為0.1%、0.5%及1.0%。實驗研究表明，由于碳納米管的加入給分子鏈運動帶來的阻礙作用，使得固化反應的活化能出現改變，并且通過DSC數據分析發現，碳納米管的加入會使得樹脂的固化溫度向低溫方向移動，作者認為其源于碳納米管較高的導熱系數。李兆敏[7]使用羧基化和胺化的多壁碳納米管溶于丙酮溶劑后與環氧樹脂進行混合，模壓成型后環氧樹脂的力學性有了較大的改善，體電阻率有明顯的下降。Behnam Ashrafi[8]通過一系列的反應條件將單壁碳納米管通過化學鍵與樹脂連接再將樹脂灌注到預成型體中固化成型，最終制得的復合材料層板的沖擊后壓縮強度提高3.5%，GIC提高13%，GIIC提高28%。
二、碳納米管改性纖維
碳納米管改性纖維的方法主要分為2種：通過化學氣相沉積方法（CVD）在碳纖維表面直接生長出碳納米管；另一種則是通過化學或者物理鍵合把碳納米管接枝到碳纖維表面。碳納米管在纖維表面的沉積可產生碳納米管/碳纖維多尺度增強體（如圖2所示）。多尺度增強復合材料可以充分發揮碳纖維和碳納米管的優勢性能，顯著改善樹脂與纖維之間的相互作用和界面強度。其原因在于多尺度的形貌可以大大增加纖維與基體的接觸面積，增強界面的機械嚙合作用。另一方面此種方法可以實現碳納米管的定向排布，由于碳納米管具有很好的韌性，因而也可提高基體材料的韌性。另外，碳納米管可以起到阻止裂紋擴展的作用。若CNTs表面含有活性基團，還可提高與基體樹脂之間的浸潤性。
1.化學氣相沉積
2009年，利用CVD方法，Sager[10]等人通過調整CVD生長碳納米管的條件參數，制備2種不同形態的增強體，分別為定向生長和自由生長，如圖3所示，并研究了其與環氧樹脂的界面剪切強度。研究表明界面強度增長11%～71%。但作者也指出由于造成纖維的損傷，強度模量下降約12%。
Sunny S.Wicks等人使用化學氣相沉積的方法在氧化鋁纖維表面沉積碳納米管。氧化鋁纖維在化學氣相沉積的過程中不會造成纖維的力學性能損失。此學者研究了CNTs的沉積對于使用真空關注成型（VARI）工藝中樹脂的滲透率的影響。實驗表明，CNTs的沉積使得樹脂灌注過程中表面積提高，從而使得滲透率下降。并且隨著CNTs含量的增大，滲透率下降增多，但是并不明顯。沉積CNTs后的纖維仍然具有較好的工藝性能。
雖然，通過CVD法在纖維表面生長CNTs或通過化學方法在纖維表面接枝CNTs，能明顯提高界面剪切強度（IFSS），但是這種方法也會對纖維性能產生一定影響，降低纖維拉伸強度。Sager指出[11]，接枝CNTs在提高IFSS的同時，也使纖維的拉伸強度降低30%，楊氏模量降低10%。纖維拉伸強度的降低是因為纖維表面被引進的催化顆粒損害。
高溫處理過程去除了纖維表面的上漿劑。使得纖維與樹脂基體的浸潤性和化學鍵減弱，并且生長碳納米管所使用的金屬催化劑的殘留也會對于樹脂與增強體的界面造成污染。由于化學鍵合作用的減弱，此方法制備的增強體在界面性能提高方面效果非常有限。
2.化學改性法
Laachachi等[12]采用了化學改性的方法，首先分別通過酸化、熱處理，分別在CNTs、碳纖維上接枝羧基和氨基，然后兩者官能團間進行酯化、脫水、胺化等反應，反應過程中，以丙酮作溶劑，對纖維進行超聲處理。結果表明CNTs對纖維的接枝效果較好。接枝后，CNTs以三維網絡的形式富集在纖維周圍，對碳纖維進行強烈的水洗及超聲浴都不影響接枝效果。
Vinodp.Veedu使用直接在碳布上生長碳納米管的方法，制備三維的增強復合材料，碳納米管在厚度方向上起到了增強作用[13]。并且復合材料的硬度、面內力學性能、熱傳導以及電傳導性和層間斷裂韌性都有極大提高。此種方法可以改善復合材料的性能，但是技術設備和工藝條件要求高，并且需要清除金屬催化雜質，否則也會對于界面粘結性產生不良影響。
以上的方法在多尺度增強體的制備過程中，成功地避免了催化劑的污染，有利于在實際生產中實施。但是接枝的方法可控性不強，碳納米管可能呈倒伏狀態，無法起到基體中的“鉚釘”作用。同時，由于纖維表面活性點較少，接枝的碳纖維明顯分布不均勻，多為纏結狀態，與纖維的結合強度無法保障。
3.碳納米管浸潤劑改性法
由于以上提到的化學改性纖維的方法對條件要求較為苛刻并且會對纖維造成一定的損傷，所以有許多學者提出將碳納米管加入到纖維浸潤劑中，并且嘗試用多種途徑將CNTs分散并固定在纖維表面上。這種方法可以利用碳納米管分散在樹脂中的技術，并且又不會對纖維造成損傷。目前文獻中提到的途徑有表面涂覆法與噴涂法以及VARIM浸漬技術。
（1）表面涂覆法
表面涂覆法是將碳納米管加入到環氧樹脂中制成浸潤劑，然后將浸潤劑均勻地涂覆在纖維表面。香港大學Siddiqui等人[14]研究通過碳納米管/環氧樹脂復合膠衣層改性玻璃纖維（GF）表面，用以提高纖維的拉伸性能。筆者認為，纖維的斷裂往往是從微裂紋開始，這些地方往往成為高應力集中點，纖維越長，表面缺陷越多，越易破壞。碳納米管涂層則可以彌補缺陷，同時涂層中CNTs的搭橋作用，也可以有效傳遞應力，阻止裂紋擴展，原理圖如圖4所示。涂層中CNTs的分布會影響到纖維的拉伸性能，分散較差時，會在纖維表面形成缺陷，降低了拉伸性能；CNTs/環氧樹脂改性后的纖維束，與樹脂基體的界面結合能力最強，拉伸強度也要高出很多。修復膠衣層覆蓋在脆性纖維的表面能有效減少應力集中，提高復合材料的增強效率（裂紋治愈效果）。
Warrier等人[15]將質量分數為0.5%CNTs分別加入上漿劑、樹脂基體、上漿劑和樹脂基體，這3種玻璃纖維環氧樹脂體系中。研究發現，僅僅通過CNTs上漿劑浸潤玻璃纖維制備的復合材料與未添加CNTs的復合材料相比，其玻璃化轉變溫度提高了近10%，熱膨脹系數降低了31%，阻止界面處裂紋生長的斷裂韌性提高了近10%，但是加速了裂紋的擴展速率，使裂紋擴展的韌性降低了53%。同樣的趨勢也出現在CNTs僅僅分散在樹脂基體中，CNTs同時分散在上漿劑和樹脂基體中。但是，僅僅將CNTs分散在上漿劑中，用未添加CNTs的環氧樹脂浸潤制得的復合材料，其熱性能和界面性能的改善最為顯著。
A.Godara[16]等人研究了玻璃纖維環氧樹脂體系。同樣將CNTs加入到上漿劑、基體、基體與上漿劑中。CNT的使用3輥壓延的方法分散在基體與上漿劑中。作者將纖維拖拽過上漿劑溶液中（水溶性并且含有樹脂以及0.5%的多壁碳納米管），并且隨后將其在120℃進行干燥；上漿劑的厚度為1～2μm，并使用單絲頂出實驗來表征界面剪切強度。實驗結果表明，將CNTs加入到上漿劑中的增強效果最明顯，其SEM圖像見圖5。將CNTs加入到上漿劑以及基體中的增強效果最差，筆者分析其原因為CNTs已過度飽和。
（2）噴涂法
噴涂法是將配置好的浸潤劑使用噴槍直接噴灑在纖維或織物表面。此方法相比于表面涂覆法需要浸潤劑具有較低的粘度。
Daniel C.Davis[17]等人將胺基化的單壁碳納米管通過高剪切與超聲分散的方式分散在乙醇中配置浸潤劑。使用配置好的浸潤劑噴涂在每張纖維布表面，通過烘干將溶劑揮發使碳管分散在碳纖維表面上。經過真空輔助樹脂傳遞模塑成型制成復合材料層合板。實驗表明，CNTs質量分數（CNTs質量與纖維質量之比）為0.2%與0.5%的碳納米管增強碳纖維復合材料的相比于沒有用碳納米管的復合材料強度與剛度以及疲勞壽命都有所提高。作者認為強度提高的原因在于功能化的碳納米管在基體與纖維的界面區域的活性點間起到納米級的共價鍵連接。剛性的提高是由于碳納米管在樹脂的大分子鏈之間起到了共價鍵連接的作用。復合材料層板的疲勞性能的提高也得益于碳納米管的界面增強作用。（3）VARTM預浸漬技術
Limin Gao等人[18]采用VARTM技術將玻璃纖維浸漬在已配制好的浸潤劑溶液中，并經過一定條件的干燥揮發溶劑使CNT固定在纖維表面。其SEM圖如圖6所示。將其與使用3輥將碳納米管分散在樹脂中的方法進行對比。研究發現2種方法成型后的復合材料的導電性能提高，電阻率下降。使用上漿劑的方法改善電性能更加明顯。
三、碳納米管改性預浸料
Faustino Mujika等人[19]使用將含有功能化的MWCNT的溶液噴涂在預浸料的表面，將溶液揮發后通過熱壓的方法制備復合材料，并測試其彎曲性能以及裂紋在層間的擴展能力。通過這種新的工藝方法制備的復合材料相比于沒有CNT改性的預浸料制備的復合材料，彎曲性能并沒有明顯提升，原因在于當材料受到彎曲載荷時，中間增強層所受到的張力為零。對于裂紋的擴展能力，由于未功能化的CNTs的分布不均以及其與樹脂之間的連接較弱，所以其對于層間斷裂性能（GIIC）的增強效果不明顯。但對于功能化的CNTs，其增強效果明顯。相比于無CNTs的層板，含有質量分數為0.1%CNTs的改性層板。其層間斷裂韌性的初始值增加了22%，而擴展值增加了14%。
John Williams等學者[20]先將CNTs進行等離子體改性，以提高CNTs在乙醇中的均勻分散性。制備好含有CNTs的乙醇分散液后，使用涂覆裝置將其涂覆在玻璃纖維預浸料表面上，其裝置如圖7所示。再將乙醇揮發，之后考察無CNTs、CNTs含量為1.2g/m2、1.6g/m2及2.0g/m2層板的I型斷裂韌性（GIC），并觀察層合板的斷裂形貌。研究表明，CNTs含量為1.6g/m2的層板GIC初始值與擴展值分別提高22%與46%。筆者認為GIC擴展值得以提高主要是CNTs的存在使得裂紋擴展的路徑偏離了中間層，出現明顯的纖維架橋作用。
四、結語
目前將碳納米管分散于樹脂基體對于復合材料進行增韌的方法已經較為成熟，具有易于工業化生產等優點，但是此方法成本較高，不能高效利用CNTs。今后應著重提高碳納米管的利用效率，推進其工業化應用和發展。使用CNTs直接對于纖維或者預浸料進行改性的方法，能夠較好地利用CNTs，使得CNTs能夠分布在纖維與樹脂的界面或者預浸料層間，起到更好的架橋作用，增加裂紋擴展路徑，從而起到抑制裂紋擴展，提高復合材料層間斷裂韌性以及綜合力學性能。但目前此類方法的工業化水平較低，應著眼于開發可工業化的方法并提高其成熟度。
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功能材料范文第3篇
小 紀 汗 中 心 小 學
室
多功能室工作計劃
充分發揮電教室的功能，以加強信息技術管理和應用為重點，以科研為龍頭，以發展為主題，以應用為抓手的基本工作思路，進一步推進我校教育信息化進程，以信息化帶動教育現代化，切實提高我校全體師生的信息技術素養和信息技術應用能力，促進學校各項工作健康、協調、可持續發展，特制定本多功能室工作計劃。
一、主要工作及實施要求
(一)加強電教設備使用管理，進一步提高設備使用率
1、自覺服從多媒體教室管理員安排，排隊進出教室，在指定位置就座，如有調動，必須經任課教師或管理員同意，不得擅自變更座位，隨意走動或大聲喧鬧。課間休息期間，可以選擇在多媒體教室繼續學習，但不得吵鬧、打游戲。
2、嚴禁隨意移動、拆卸機器，不得觸摸動力電源等有危險部件，不得隨意插拔鼠標、鍵盤、顯示器、電源、網線等各種計算機設備。
3、繼續實行設備保管責任制。使用者即是保管者，以能確保設備的正常使用，提高電教室相關人員和廣大教師的保管責任心，特別是強化任課教師要在學會使用多媒體設備的基礎上，更好的保管現有設備，把人為損壞因素降到最低，從而保證設備的完好率。
4、繼續做好多媒體教室的使用，做到“一勤一檢”：勤使用，勤檢查。每位教師及時認真做好記錄，保證學科覆蓋率達100%，學科使用率達90%以上，多媒體使用率達15%以上。
5、繼續建立故障限時修復制度，認真對待報修用戶及設備，自
報修之時開始，如無硬件故障一日內修復，以保證教師的正常使用，教育教學工作的正常開展，確保設備完好率95%以上。
6、強化網絡防毒工作，重視網絡信息安全，工作計劃《多媒體教室工作計劃》。電教室要結合學校實際，加強對師生的網絡信息安全教育，嚴格杜絕通過校園網傳播不良信息，杜絕病毒和垃圾郵件的傳播，對全校的計算機每兩周至少查毒、殺毒一次。發現重大網絡信息安全事故，及時向校長匯報。
7、繼續加強電腦、網絡資源使用紀律。教師在工作時間，電腦只能用于制作課件、網上學習(限教育網站和正規的門戶網站)，禁止上班時間玩游戲、聊天、打撲克、看電影，嚴禁上不健康網站和宣傳反 動思想的網站、不利用電腦網絡誹謗攻擊他人等。發現1例按原制定的有關管理規定嚴肅處理。
8、保持多媒體教室安靜整潔，不準隨地吐痰，不準亂丟紙屑，用過的練習紙、試卷等資料必須及時帶走,一切食品、飲料、雨具、口香糖等，不得帶入機房。(違者罰掃多媒體教室一周)
(二)加強信息技術培訓與教學，進一步提高教師與學生數字化技能。
1、按上級有關要求，繼續做好教師“信息技術與課程整合”的培訓工作，做到理論培訓與實踐操作相結合。
2、積極組織好校本培訓工作，使我校教師能制作出更加精美的多媒體和網絡課件。
3、積極組織有關教師參加上級部門組織的相關電教培訓活動。
功能材料范文第4篇
關于《材料物理性能》課程的教研項目以及教改文章較多[3,4,5], 介紹了講述該課程的特點和重要性等, 提出了一些獨特的教學方法[6,7], 還有一些根據各自學校的特點提出的針對性改革方案[8]。如許天旱[6]提出的縱橫聯系, 融會貫通教學新理念, 基于材料學、物理學以及結晶學等方面的內容, 采用層層推進及Venn流程圖的方式, 將材料的力、熱、光、電、磁等知識相互聯系起來, 旨在真正的培養學生學習的主動性及創新性。張占輝等[7]闡述科學故事在課程教學中應用的方式、優勢及效果, 通過生動的案例與觀點相結合, 介紹故事教學法在提高課程教學質量中的積極意義。高榮禮等[8]根據應用型本科院校自身特點與辦學定位, 以提高學生實踐能力、競爭能力和可持續發展能力為核心目標, 針對材料物理性能課程教學現狀及存在問題, 結合教學科研中的實際經驗, 提出在應用型本科高校中材料物理性能課的教學目的, 著手從教學模式、教學手段、評價機制和教學內容等方面對材料物理性能課程進行初步改革與探索。
針對該門課程是為功能材料專業本科生定制的一門專業基礎課, 而且根據我校重點培養學生工程實踐能力的定位以及本校學生自身的特點, 需要在教學方法、教學內容以及課程實驗的選擇定位以及設置等方面進行定制性研究, 充分挖掘可以實現創新思維的教學環節, 激發學生的學習興趣, 使學生真正學有所長、學有所用, 為國家培養更專業和有鉆研精神的后備力量。本文將對“功能材料的物理性能”課程進行教學模式初探。
一、強化教學設計, 契合教學目標
為了完成教學目標, 重點在于進行有效地課程設計。本著課堂中以學生為主體, 教師為引導的宗旨, 設計了本課程的教學思路, 其流程如圖1所示。在課程內容教授的開始, 先就大家感興趣的一些實際應用舉例, 導入這些應用中起功能特性的材料的光、電、熱、磁以及相互功能轉換特性等物理性能的授課內容。然后重點講解這些物理性能的基礎理論知識、相關的物理機制、測試方法以及影響因素。同時, 設計一些相關的實驗, 讓學生來進行實驗操作, 進一步驗證課程內容。當學生掌握了這些課程內容之后, 組織學生討論如何控制和改善功能材料的物理性能。最后將鼓勵學生進行案例分析, 用這些知識去解密課前提出的應用實例。
二、改進教學方法, 提高課堂氣氛
為了充分提高學生的興趣, 大力開展多媒體和信息化教學。多媒體和信息化教學可以清晰描述微觀、動態的變化過程與狀態, 顯著加大課堂教學信息量, 簡化信息傳輸轉換過程, 增加教學內容的趣味性和吸引力, 從而顯著提高師生的互動效率和教學效果, 使教學變得輕松、有趣、簡單、高效。
三、銜接基礎與應用, 激發學習興趣
可在教學過程中積極引入實際應用教學法, 以實際應用實例引領教學內容, 增加興趣點, 使抽象內容形象化, 降低理論知識的學習難度, 并培養學生的科學素質。比如會列舉一些如圖2中所示的生活中、交通運輸、通訊、新能源、以及軍事等領域中常見的交通監測、太陽能電池、信息存儲、屏幕顯示、信息傳輸、磁懸浮列車、芯片、隱身飛機這些大家感興趣的實際應用, 來導出這些應用中起功能特性的就是功能材料的光、電、熱、磁等物理性能。
再比如在將材料的光性能中, 會講到光的反射、折射、衍射、散射等內容, 內容比較抽象, 可以在內容講解之前給大家提出一些有興趣的問題, 比如為什么晴天和霧霾天的視覺效果不同?為什么天空是藍色的, 為什么旭日和夕陽呈紅色?為什么玻璃是透明的, 而金屬對可見光是不透明?為什么鉆石有璀璨奪目的光彩?以此來激發學生的學習興趣, 讓學生帶著疑問針對性的學習, 一定會提高學習的效果。
四、細化評價標準, 助力持續改進
細化理論課和實驗課的評價標準, 采用評價量表的方式, 建立考核方案和體系。采用課堂討論、實驗技能、作業、期末考試等多元化考核評價方式, 將過程性評價與終結性評價結合起來。
積極采用考試成績分析、專家評教、同行評教、課程目標評定以及學生反饋意見, 及時總結本課程存在的問題。比如知識點多, 難以記憶, 公式多、物理機制難、內容抽象枯燥, 學生學習熱情不夠;還需要增加工程應用的內容;運用模型進行分析問題的能力需要加強。
針對上述問題, 提出有效地改進措施: (1) 優化內容, 突出重點; (2) 縱橫聯系, 融會貫通:以電子為主線, 將光、電、磁內容銜接起來; (3) 增加科研前沿知識, 拓寬學生知識面; (4) 豐富教學手段, 增加圖表、動畫、視頻、實物的采用, 提高學生的學習興趣; (5) 積極主動與企業人員討論培養方案, 針對企業需求, 調整課程內容。
五、采取有效措施, 培養學生工程教育實踐能力
“工程教育”理念是國內外高等教育中的一個重要理念。這一理念強調高等院校在開展理論教學的基礎上, 積極重視對學生工程實踐能力的培養, 需要重視這門課程不僅要在教學上注重加強學生對物理性能的理論知識的學習, 還需要培養學生學習具備獨特物理性能的材料在工程中的實際應用。另外, 還需要突出工程實驗的設計, 更好地將所學到的材料物理性能專業知識應用到實際工程實踐中去。
本課程今后還將在教學方法、教學內容以及課程實驗的選擇定位以及設置等方面持續進行探索性研究, 充分挖掘可以實現創新思維的教學環節, 突出課堂教學的引導作用, 激發學生的學習興趣, 讓學生有效地將理論和實踐結合起來, 為培養創新型和應用型人才奠定基礎。
摘要：《功能材料物理性能》是為功能材料專業本科生定制的一門專業基礎課。本文根據我校重點培養學生工程實踐能力的定位以及本校學生自身的特點, 在教學設計、教學方法、教學內容等方面進行定制性探索研究, 充分挖掘可以實現創新思維的教學環節, 激發學生的學習興趣, 讓學生有效地將理論和工程實踐結合起來, 為培養創新型和應用型人才奠定基礎。
關鍵詞：功能材料物理性能,教學模式初探,定制型教學
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功能材料范文第5篇
隨著現代科學技術進步和全球化發展,新型材料尤其是新型納米/微米功能材料在國計民生中的作用日益凸顯。然而,新型功能材料的化工生產過程并不成熟,許多還在探索階段。即便有部分材料生產過程已經成功應用于量產,特定環節也需要大幅度改善,以應對安全,能耗,成本,環保等各方面的挑戰。本文就新型納米/微米功能材料的現代化工生產過程,尤其是連續流生產過程進行一些探討和總結。
2.納米/微米功能材料概述
一納米是指1*10-9米,相對于微米的1*10-6米。納米材料是材料的一個維度在1-100nm之間。納米/微米功能材料中又包括了顆粒材料及多孔材料。相對于微米材料,納米材料,具有更小的顆粒尺寸和/或者孔徑尺寸,更高的比表面積和更高的利用率。在納米尺度,材料性質相對于整體材料會發生改變。例如,納米金溶膠溶液的顏色會對應于金納米粒子的尺寸發生改變,而出現酒紅色,橙色,綠色,藍色,紫色等一系列顏色的變化。
由于納米/微米材料的性質獨特,其應用空間也非常廣泛,作為催化劑和催化劑載體,過濾吸附介質,半導體材料,能量轉化材料,等等。在能源,尤其是清潔能源領域,納米/微米材料作為鋰離子電池材料[1],燃料電池催化劑材料,智能窗材料等等,得到普遍關注。
相對于納米/微米材料的潛在優勢,其更加廣泛的應用領域還有待發掘。限制其應用的主要原因:
(1)基礎研究成果的可重復性尚需提高
近年來,在基礎研究領域有數以萬計的材料新發明和創造,但是部分成果并不具有良好的重復性,同時又缺乏對產生該成果原因的足夠理解,這導致了此類成果一直停留在基礎研究階段,而不會產生向下一個階段的跨越。
(2)基礎研究成果到量產之間缺少工程放大[2]研發階段的支持
目前全球針對新材料的產生和制造仍然主要劃分為基礎研究和大量生產制備。而在這兩者之間起到關鍵橋梁作用的工程研發和放大過程獲得的關注和支持尤顯不足。對于基礎研究獲得的新材料是否能被放大量產是未知的。普通的科研院所并不具備將基礎研究成果進行工程放大的實驗室條件和實力,而材料廠商面對激烈的市場競爭也很難投入大量的時間和資源去開發對于能否進入市場尚未可知的材料。
(3)量產新材料的生產流程不穩定,成本偏高
納米/微米新材料的生產流程一般也是嶄新的,這就導致其在生產初期的不穩定性,不同批次產品之間的差異造成其應用的困難。另外,新材料的成本一般較高,而納米/微米材料的生產成本更高。高昂的材料成本直接導致了使用新材料的公司對于導入新材料的顧慮?；谝陨先c,限制納米/微米新材料應用的主要影響因素是其在不同階段生產制造的困難性。下面就簡單介紹一下納米/微米功能材料的生產過程種類及劃分。
3.納米/微米功能材料制備過程種類及劃分
納米/微米功能材料的制備方法有很多種。
(1)根據是否發生化學反應可以分為物理制備的方法和化學制備的方法。物理制備的方法包括:粉碎法,濺射法等等。
化學制備的方法包括:化學氣相沉積[3],溶膠凝膠法,水熱合成法,共沉淀法,等等。
物理和化學結合的方法:化學反應球磨法,等等。
(2)根據顆粒是由大變小還是由小長大可以分為自上而下的方法和自下而上的方法。例如,通過球磨的方式把大塊顆粒打碎成為小顆粒是自上而下的方法,而晶體顆粒的水熱生長是自下而上的方法。
(3)根據相態的分布可以劃分為氣相生產方法,液相生產方法和固相生產方法。
(4)根據生產過程連續連續和間歇的特點,又可分為連續反應制備和間歇反應制備。
(5)如果引入模板,又可分為硬模板法[4]和軟模板法。
在新能源領域,鋰離子電池正極材料的性能至關重要。而其前驅體的生產目前是以液相生產方法-共沉淀法為主。液相生產方法又可以按照生產過程中產品是否可以連續產生和收集分為間歇反應過程和連續反應過程。
4.納米/微米材料液相生產的間歇反應過程和連續反應過程
(1)間歇反應過程
間歇反應過程,是指反應過程是間歇的。每次反應前,反應器內需要新加入前驅體物料;反應進行中,沒有物質的進入和產出;反應結束后,反應器內的納米/微米顆粒方可隨液體流出。間歇反應的特點是設備和生產流程相對簡單,投資小,操作靈活,生產過程更容易實現,缺點是反應時間較長,每次反應開始需要加入物料,反應結束后需要收集產品和清理系統,生產過程之中時間成本和操作成本較高。對于需要控制高溫高壓反應條件的反應,反應的安全性是重要的考量因素。因為間歇反應器容量較大,大體積的高壓反應相對于小體積反應而言,反應系統的設計和材料要求更高,安全性更難得到保障,發生危險時危害更嚴重。另外,間歇反應器的反應參數不容易得到準確控制,反應參數的均一性較難實現,因此產品的一致性也受到限制,產品質量不容易得到保障。
在現代材料生產過程中,間歇式反應器在逐漸被連續流反應器取代。但是在納米/微米顆粒材料的高溫高壓反應系統中,由于連續流反應系統的設計難度非常高,關于納米晶體材料的連續流生產流程在國際上目前仍然沒有實現工業化生產,尚停留在基礎研究或者工程研發放大階段,且研究僅局限于有限的幾個課題組。
(2)連續反應過程
①連續反應過程基本概念
連續反應過程,顧名思義,反應過程是連續的。反應初始階段,物料(一般前驅體物料溶解在溶劑中)經由反應系統入口進入,反應隨之進行,反應會有一個穩定的時間,當反應完全穩定后,開始收集反應產物。此后,物料會由入口持續的進入,反應產物(此時納米/微米顆粒在液相中反應形成)會在系統出口連續的流出,得到收集。這樣一個過程可以穩定的持續下去,直到系統檢修或者因切換產品等其它原因而暫停生產。
②連續流反應過程的優點
連續流反應的優點在于其反應參數更加靈活可控,副反應較少,反應可持續且穩定,重復性好,產品一致性高,操作成本低,可以相對準確的實現工程放大。缺點是較于間歇反應器而言,其設計費用,設備費用,安裝費用均較高,新流程的研發費用高,不易實現。
③連續流反應過程的分類
連續流反應過程根據其反應條件的不同可以分為適用于常規條件的反應過程和高溫高壓反應過程。根據反應器的大小又可以分為普通的連續流反應過程和運用微反應器的反應過程。
前文介紹,納米/微米材料的制備生產可以分為從上而下的生產過程及自下而上的生產過程。在自下而上的生產過程中,納米/微米晶體顆粒的生長條件至關重要。水熱反應是目前學術領域和工業界最流行的制備納米/微米晶體顆粒的方法。傳統的水熱反應在反應釜中進行。反應溫度較高可以高達300攝氏度以上;反應壓力大,可以達到幾十個大氣壓;而反應時間非常長,通常需要幾天的時間。因為從反應初始反應就處于一種黑箱狀態,反應參數不容易得到研究解答。因為反應容器體積較大,壓力和溫度均非常高,安全性上不容易得到保障。此外,從實驗室的小反應釜進行反應的工程放大比較困難,沒有準確的設計預測?；谝陨显?一種連續流微反應系統[5]被研究產生。
④連續流微反應系統
連續流微反應系統目前處于世界上最前沿的研究領域。其基本思想是令化學反應發生在一個小的區域。一般反應器體積為幾立方厘米,最多幾十立方厘米。由于其小的特點,反應參數更容易得到控制和分析。由于其單位時間內流過的液體體積較小,反應溫度和壓力可以向更有利于反應進行的方向提高,發生意外的情況下危害小,同時安全設計相較于間歇釜式反應系統簡單易行。針對納米/微米晶體生長需要的高溫高壓反應,反應時間可以由幾天縮短至幾分鐘甚至幾秒鐘。其對反應速度的提升優勢是驚人的。連續流微反應的工程放大相較于間歇釜式反應器要容易很多,最主要的是要控制平行反應的出口和入口條件的一致性。雖然目前該反應屬于世界前沿,尚處于學術研究階段,但是像每種有工業化潛力和需求的新技術的產生一樣,連續流微反應系統是高溫高壓生產納米/微米顆粒發展的必然趨勢。
連續流反應系統的研發和設計要遵循幾個原則,首先要保證選材的安全性,要著眼于反應系統的體積(管徑),溫度,壓力和溶劑特點(是否腐蝕等等)。其次要考慮晶體顆粒的生長和沉積,保證系統內無堵塞和堆積。再次要根據流體的特點計算設計流速,保證顆?？梢皂樌粠С?。最后關于反應器外的附屬設計,例如泵,預熱器,冷卻器的選擇要根據實際需求計算得出。此外,對于關鍵部件,例如混合裝置的設計則需要根據研發經驗和具體需求進行合理選擇和設計。
5.結束語
隨著社會需求的提升和現代科學技術的進步,社會對納米/微米新型功能材料的需求也不斷增長。在納米/微米材料的不同制備方法和反應系統中,新型的液相連續流微反應過程具有非常廣闊的發展空間。當前,新型反應過程有待進一步的研發和生產規模的放大,這些都需要科研工作者和工業界進行緊密合作,針對于材料的需求和化工生產反應的特點進行設計,驗證和改良,有力推進納米/微米新型功能材料的應用,造福社會。
摘要：新型納米/微米功能材料由于其獨特的性質,在國民生活中的重要作用日益顯著?；A研究的工業化難度較高,基礎研究和工業化生產之間缺少工程研發放大的橋梁,工業化研發成本和生產成本高等原因限制了一部分先進納米/微米功能材料的應用。納米/微米功能材料的制備方法依據不同的分類方式有多種。在液相反應中,間歇反應過程在應用上有局限性。先進的連續流反應過程正逐漸取代間歇反應過程。其研發和設計要考慮安全性,無顆粒堵塞和堆積,對于關鍵部件和附屬器件進行合理研究和設計等原則。
關鍵詞：納米/微米功能材料,化工生產過程,連續流微反應系統
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功能材料范文第6篇
1 功能化碳纖維/聚苯胺復合材料結構與性能
碳納米管從性質上來看屬于由石墨烯構成的管狀結構, 其中的碳主要通過sp2雜化的形式存在, 從而形成了一個獨特的電子結構。按照碳納米管中碳的的卷曲方向, 可以將其分為三種類型, 分別是鋸齒型、扶手椅型和螺旋型。根據其中管壁石墨層中的層數, 可將其分為單壁碳納米管、雙壁碳納米管和多壁碳納米管三種類型。碳納米管的直徑范圍在幾埃到幾百納米之間, 管徑長度在微米級。當前已經有研究人員制備出了20cm的雙壁碳納米管。
2 功能化碳纖維/聚苯胺復合材料的制備方法
功能化碳纖維/聚苯胺復合材料的制備方法主要受到其性質的影響。當前制備碳納米管的方法主要是電弧放電法。
最早的電弧放電方法是用于制備富勒烯的, 由于這種方法能夠高效的制備大量的富勒烯, 因此逐漸引起了人們的廣泛關注。隨后就要研究人員利用這種方法來制備碳纖維, 在這一過程中, 偶然發現了發現了碳納米管。電弧放電法的具體過程如下:首先將石墨電極放在裝有惰性氣體的容器中, 這時需要確保兩個電極的間距在1mm左右, 然后通入20V左右的電壓, 電流會從50 逐漸增大為100A, 在電流增大的過程中, 兩個電極之間會產生電弧, 電弧溫度最高可以達到3000oC。在高溫的作用下, 石墨會蒸發, 并產生各種類型的產物, 包括富勒烯、碳納米管等。這種制備方法的優點在于采用的技術十分簡單, 但是制備得到的碳納米管純度較低, 且碳納米管中經?；祀s著較多的多壁碳納米管。這一方法的另一個顯著的缺陷在于能耗大, 大規模制備時的成本較高。此外, 這種方法制備的產量容易受到電流密度、惰性氣氛、電極狀況的影響。
3 功能化碳纖維/聚苯胺復合材料的應用
功能化碳纖維/聚苯胺復合材料具有良好的性質, 因此在生物、醫學、催化、傳感器等諸多領域有著較好的應用效果。
碳納米管中包含高分子的結構, 經過一定的處理可以制備性能良好的復合材料。功能化碳纖維/聚苯胺復合材料性能主要受到其的負載量的影響。而只要進行一定的功能化處理就可以調整和改變復合材料中的負載量。在進行了功能化處理后, 碳納米管的分散性明顯有所提升, 此外碳納米管與復合材料的結合可以確保其產品的機械性能。例如, 通過1, 3 加成反應、酯化反應等進行功能化反應, 可以一些性能優良的復合材料, 這些材料在有機溶劑和水中都能進行有效的溶解。
4 結語
綜上所述, 對碳納米管進行功能化, 制備得到的功能化碳纖維/聚苯胺復合材料可以作為催化劑或載體等在許多領域進行有效的應用。在日后的研究中, 可以將研究的重點放在納米碳催化反應方面, 并對其催化效果進行實驗確認。此外, 相關研究人員也可以研究對碳納米管進行功能化操作的新途徑, 并進一步加強碳納米管中基團單一性研究, 對其表面功能基團進行更加定量的測試。
摘要：碳納米管在結構上的特點以及其良好的物理化學性質使得其許多領域都受到了廣泛的關注, 尤其是在催化和復合材料領域已經得到了一定的應用。但是碳納米管自身也具有一些性質上的缺陷, 如化學惰性和易團聚等, 使導致其不易與其它物質進行反應, 也難以溶解于溶劑中, 影響了碳納米管的進一步推廣應用。為了解決碳納米管在性質上的這些缺陷, 通常采用的方法是對其進行功能化的處理。除了上述的這些缺陷外, 碳納米管在催化反應中, 由于其表面官能團種類和數目的波動性, 導致其功能的發揮受到了到較大的局限;而碳納米管納米粒子結合成為復合材料時, 其表面官能團的性質也會對納米粒子的分散產生一定的影響。本文功能化碳纖維和聚苯胺形成的復合材料能夠較好的改善上述的這些缺陷, 因此, 本文主要對這一復合材料的性質和制備方法進行了研究。
關鍵詞：功能化碳纖維,聚苯胺,復合材料
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