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

篇(1)

［關(guān)鍵詞］無機及分析化學；能源化學工程；模塊化；教學改革

當前，大多數(shù)工科專業(yè)將無機化學和分析化學的課程內(nèi)容進行重新組合，形成無機及分析化學。通過系統(tǒng)地學習和掌握化學的基本概念、基本理論以及化學基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學生對化學的興趣和解決化學問題的能力。無機及分析化學中的化學熱力學、化學動力學、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、四大平衡理論是要求必須掌握的。這些基本理論和知識在能源化學中的應用是很基礎(chǔ)的東西，能為后續(xù)專業(yè)課程的學習奠定良好的化學基礎(chǔ)。[1]我們所開設的新專業(yè)能源化學工程，主要研究方向為：能源清潔轉(zhuǎn)化、煤化工、環(huán)境催化、綠色合成、環(huán)境化工。它以化工的理論與技術(shù)為應用基礎(chǔ)，圍繞新能源利用與化學轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)能源利用和可持續(xù)發(fā)展。重視與提高課堂教學質(zhì)量和推動無機及分析化學實驗在培養(yǎng)學生動手能力與實驗創(chuàng)新能力方面起著重要作用，是無機及分析化學課程改革必須直面的棘手問題。因此，進行模塊化優(yōu)化無機及分析化學教學內(nèi)容、多方面激發(fā)學生學習無機化學的興趣、充分利用現(xiàn)代多媒體技術(shù)革新教學方法、培養(yǎng)學生的知識運用能力、有效提高無機及分析化學課程教學質(zhì)量，可以滿足社會及區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展對人才的需求和素質(zhì)教育的要求。

一、模塊化優(yōu)化無機及分析化學教學內(nèi)容

所謂課程模塊，描述的是圍繞特定主題或內(nèi)容的教學活動的組合，或是一個內(nèi)容上及時間上自成一體、帶學分、可檢測、具有限定內(nèi)容的教學單元，它可以由不同的教學活動組合而成。模塊化教學強調(diào)理論教學、實踐、練習、研討的同步式一體化的教與學，強調(diào)在專業(yè)教學過程中，把理論、實踐等環(huán)節(jié)緊密結(jié)合?；谝陨险n程模塊化的考慮，將無機化學和分析化學兩門課程的教學內(nèi)容進行模塊化教學（見表1）。由于將無機化學和分析化學的課程內(nèi)容打亂后進行重新組合，導致概念和知識點多，各章節(jié)之間存在較強的獨立性。[2]因此，要合理安排大一第一學期的教學內(nèi)容，這樣有助于學生轉(zhuǎn)變思維方式和學習方法。

二、多方面激發(fā)學生學習無機及分析化學的興趣

興趣是最好的老師，良好的學習興趣是主動學習的原動力。要學好無機及分析化學，激發(fā)學生的興趣至關(guān)重要。[3]在緒論教學過程中，要做好本課程的介紹及發(fā)展前景和學生學習心理方面的工作，在無機化學教學中建立好教師、學生和教材三者之間的相互關(guān)系。第一，在緒論課上介紹無機和分析化學發(fā)展過程及發(fā)展前景，讓學生認識到學習本課程的重要性，以達到激發(fā)學生學習興趣的目的；接著主要介紹無機及分析化學的作用及學習方法和相關(guān)考核辦法。第二，闡明化學與人類生活密切相關(guān)的環(huán)境、能源、材料以及人類社會生活中的熱點問題，以此為載體深入淺出地介紹化學與人類生活、社會發(fā)展的關(guān)系。第三，在專業(yè)導論課上強調(diào)無機及分析化學是能源化工類相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課，能為以后的專業(yè)課學習和將來從事工作奠定基礎(chǔ)。第四，通過新生認知見習，讓學生在參觀相關(guān)無機化工企業(yè)中獲得感性認識；在平時的課堂教學中，利用一些貼近生活的例子解答知識疑惑，激發(fā)學生的學習興趣。第五，建立合作學習小組，布置課后課題作業(yè)，利用網(wǎng)絡資源學習無機及分析化學，查找相關(guān)資料完成課程論文作業(yè)。

三、充分利用現(xiàn)代多媒體技術(shù)革新教學方法

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

四、培養(yǎng)學生知識的運用能力

通過學校組織學生參加各類化工學科競賽活動是調(diào)動能源化學工程專業(yè)學生對無機及分析化學基礎(chǔ)課程興趣的重要舉措。[5]第一，積極組織學生參加廣西各類化學實驗技能競賽，堅持開展國家級、省部級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗項目。第二，為了鼓勵和培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力，學院組織學生參加化工年會化工論文競賽。第三，開放實驗室，鼓勵學生積極參與到開放實驗室的研究課題；設立創(chuàng)新實驗基金，由學生自由申請，對實驗取得階段性成果的學生給予創(chuàng)新基金資助。此外，改革無機化學教學方法，必須將傳統(tǒng)的驗證性實驗轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦偷奶骄啃詫嶒灒ㄟ^探究性實驗培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。在導師的指導下，學生在設計實驗方案中能夠開發(fā)智力、培養(yǎng)良好的實驗素養(yǎng)，鍛煉自學能力。

五、適應能源化工專業(yè)要求方面的改革

能源化學工程專業(yè)是一個綜合性、實踐性很強的專業(yè)，在理論教學上要求學生掌握能源化學工程基礎(chǔ)理論和相關(guān)技能。在實踐教學上，應明確教學過程中的內(nèi)容重點和難點，尤其是熱力學方面的內(nèi)容應該重點詳細講解，使學生更好地理解能源轉(zhuǎn)化及利用過程中的一般規(guī)律，為低碳環(huán)保使用能源奠定基礎(chǔ)。我們針對實踐性很強的能源化學工程專業(yè)，依據(jù)其專業(yè)的特點實施校內(nèi)實訓和校外實習相結(jié)合，使課程實驗、課程設計、畢業(yè)設計、社會實踐活動等環(huán)節(jié)能為培養(yǎng)具備高素質(zhì)的能源化學工程專業(yè)人才服務。此外，我們還完善校內(nèi)實驗實訓和校外實習基地的建設，向企業(yè)提供人才培養(yǎng)方案，共同建設與加強人才培養(yǎng)方案中的實踐性教學環(huán)節(jié)。在實踐評價體系的建設中，收集專家評價、教師評價、實習接收單位評價、系（分院）自評、學生評價等信息，做到以評促建。

六、結(jié)論

本文針對我校能源化學工程專業(yè)開設的無機及分析化學課程，在優(yōu)化教學內(nèi)容、激發(fā)學生興趣、利用各種教學方法、培養(yǎng)學生能力以及適應專業(yè)要求方面對教學環(huán)節(jié)進行了總結(jié)和探究。加強基礎(chǔ)理論知識教學使學生具備扎實的實踐技能，進一步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，提高教學質(zhì)量，能為培養(yǎng)能源化學工程專業(yè)創(chuàng)新型人才奠定基礎(chǔ)。

［參考文獻］

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

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

［3］朱清，李成勝，張征林．無機及分析化學教學改革初探［J］．化工時刊，2013（4）：49-50．

［4］芮光偉，蔣珍菊，岳松．無機及分析化學課程教學改革與實踐［J］．高等教育研究，2007（3）:75-76.

篇(2)

化工學科的學生從進入校園的那一刻就開始思考自己未來的就業(yè)之路，在就業(yè)大環(huán)境的影響下，他們在大學四年的學習和生活中主要分化成了兩類。第一類學生以考研為學習目的，占學生人數(shù)的60%以上，這類學生又可以分成兩部分，一部分爭取學院有限的研究生推薦名額，在大四以前，他們認真學習所有能影響專業(yè)排名的課程。以河南大學化工學科為例，免試推薦的名額只有不足5%，爭取到名額的學生一般都在班級名列前茅。這些學生非常注重考試成績，其學習特點很大程度上沿襲了高中的學習方式，即搞題海戰(zhàn)術(shù)，學得很累，而對于專業(yè)素質(zhì)和專業(yè)思想的培養(yǎng)不是太重視，部分存在高分低能現(xiàn)象；另一部分學生參加一年一度的研究生入學考試，他們把大部分的精力放在考研的那幾門課程上，其他與考研不相干的課程（在他們看來如此），幾乎都采取了敷衍的態(tài)度，尤其是實驗和實習，在他們看來非常占用時間，更是應付了事。第二類學生以就業(yè)為目的，形成原因很復雜，有的是因為學習成績較差，有的是因為家庭經(jīng)濟負擔較重，也有很少一部分學生是心甘情愿想要了解社會，了解化工企業(yè)的現(xiàn)狀，下決心先工作一段時間再說?？梢钥闯?，當今大學生的學習目的以及對知識的需求存在很大的差別，而我們的培養(yǎng)方案模式僵化，在人才培養(yǎng)的結(jié)構(gòu)上缺乏層次，不立體，成為工程教育的首要問題。

其次，年年出榜的中國高校排名成了中國高等教育的指揮棒，致使每個院校都采取了優(yōu)先發(fā)展科研的辦學思路，與之相適應的是各種科研激勵政策不斷出臺。但是，從國家各個政府部門下發(fā)的科研經(jīng)費有著向少數(shù)榜單上排名靠前的院校，向科研實力人物匯聚的趨勢，絕大數(shù)的教師無力爭取。于是，高校大部分教師，尤其是青年教師，陷入了想搞科研沒有經(jīng)費，但又不甘于全心全力從事教學的尷尬境地。試想一下，這樣的一支教學隊伍，怎樣應對目前立體的、多層次的創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求。再次，我國高等教育的高度計劃性和市場需求的高度選擇性一直是對無法解決的矛盾。事實上，從推行市場經(jīng)濟體制之初，教育工作者就意識到我們的培養(yǎng)方案與市場的脫節(jié)，并開始思考市場需求到底是什么？培養(yǎng)方案的不足在何處？可以說，中國高等教育的工作者了解國家的化工行業(yè)的相關(guān)政策，以及現(xiàn)代化工企業(yè)的需求。阻礙問題解決的關(guān)鍵在于教育工作者沒有制定培養(yǎng)方案的自，因為害怕一旦放開，中國高等教育將出現(xiàn)失控的局面。最后是教學理念的陳舊，認定知識的傳授就是一塊黑板加一支粉筆，從一個個基本概念的剖析，到一個個數(shù)學公式的推導?？杀氖牵覀兊膶W生也適應了，換種知識的傳授方式就感到很吃力。例如我院的一位教師，她在講授《化工基礎(chǔ)》課程的時候，喜歡訓練工程的思維方式，即先給出一個具體的化工案例，然后引導學生提出問題，幫助他們尋找解決問題的途徑，然后由他們自主解決問題。剛開始的時候，學生對這套教學方法充滿了好奇，但是過不了多久，他們就感到不適應，因為他們很少主動思考問題，一般都是老師在講臺上娓娓道來，他們在下面按部就班地接受，到了后來，他們簡直要抵觸這種教學方式。于是，我們看到的是在傳統(tǒng)的教學理念下，教育出來循規(guī)蹈矩的學生。

2卓越工程師培養(yǎng)計劃實施的設想與實踐

怎樣才能增加培養(yǎng)方案的層次性和靈活性，使之與人才市場的需求相協(xié)調(diào)，達到卓越計劃的培養(yǎng)目標呢？學院一直把上述課題當成教學改革的核心問題，圍繞這個課題開展了系列教改探索，現(xiàn)把我們?nèi)〉玫囊稽c研究成果在此簡單介紹一下。針對在校大學生思想動態(tài)，畢業(yè)生就業(yè)單位的跟蹤調(diào)查，研究生錄取院校的隨訪，我們認為化工學科的學生至少需要采取兩種培養(yǎng)模式。河南大學化學工程與技術(shù)專業(yè)學生的培養(yǎng)方案主要包括公共平臺、專業(yè)基礎(chǔ)平臺、專業(yè)平臺三大塊。公共平臺包含政治、英語、體育、數(shù)學、物理、計算機，專業(yè)基礎(chǔ)平臺主要包括基礎(chǔ)化學及相關(guān)實驗、化工原理及實驗、化工制圖、化工儀表自動化及實驗，專業(yè)平臺課包括化學工程的后續(xù)專業(yè)課程。我們嘗試將專業(yè)平臺課做成兩個模塊，一個為考研模塊，另一個為就業(yè)模塊?？佳心K體現(xiàn)化工理論及實踐環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性，并強化學生從事科研的基本素質(zhì)和技能，如開設化工前沿講座、科研指導、化工數(shù)據(jù)處理、文獻檢索、專業(yè)英語、近現(xiàn)代分析測試技術(shù)等課程。與之相對應的選修課模塊，則考慮拓展學生的知識面，如開設的生物工程導論、材料科學概論、能源工程導論、環(huán)境科學導論、精細化工導論、高分子材料導論、等等。就業(yè)模塊在保證化工理論完整性的基礎(chǔ)上，適當壓縮總學時，增加實踐環(huán)節(jié)的內(nèi)容和學時，旨在強化其化工基本技能。

篇(3)

關(guān)鍵詞:梯度功能材料,復合材料,研究進展

TheAdvanceofFunctionallyGradientMaterials

JinliangCui

(Qinghaiuniversity,XiningQinghai810016,china)

Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.

Keywords:FGM；composite；theAdvance

0引言

信息、能源、材料是現(xiàn)代科學技術(shù)和社會發(fā)展的三大支柱。現(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(shù)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(lǐng)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(shù);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(chǎn)應用問題而產(chǎn)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(zhì)化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領(lǐng)域，所以它是近年來在材料科學中涌現(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(shù)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(nèi)燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達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(nèi)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(guān)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],如圖1所示。

隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發(fā)展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機輔助材料設計為基礎(chǔ)，采用先進復合技術(shù)，使構(gòu)成材料的要素（組成、結(jié)構(gòu)）沿厚度方向有一側(cè)向另一側(cè)成連續(xù)變化，從而使材料的性質(zhì)和功能呈梯度變化的新型材料[4]。

2FGM的特性和分類

2.1FGM的特殊性能

由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續(xù)變化的特點如圖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(jié)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(qū)動力。

圖2

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(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據(jù)不同的梯度性質(zhì)變化分為密度FGM，成分FGM，光學FGM，精細FGM等[4]；根據(jù)不同的應用領(lǐng)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(lǐng)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(jié)構(gòu)、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,并可望應用于許多領(lǐng)域。FGM的應用[8]見圖3。

圖3FGM的應用

功能

應用領(lǐng)域材料組合

緩和熱應

力功能及

結(jié)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(gòu)造材料

核融合爐內(nèi)壁材料

放射性遮避材料輕元素高強度材料

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(guān)節(jié)

人工內(nèi)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(zhuǎn)化功能

MHD發(fā)電

電極;池內(nèi)壁

熱電變換發(fā)電

燃料電池

地熱發(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(zhì)

金屬陶瓷

電池硅、鍺及其化合物

4FGM的研究

FGM研究內(nèi)容包括材料設計、材料制備和材料性能評價。FGM的研究開發(fā)體系如圖4所示[8]。

設計設計

圖4FGM研究開發(fā)體系

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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),以及制備和評價方法,最后基于上述結(jié)構(gòu)和材料組合選擇,根據(jù)假定的組成成份分布函數(shù),計算出體系的溫度分布和熱應力分布。如果調(diào)整假定的組成成份分布函數(shù),就有可能計算出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(gòu)成要素有三:

1)確定結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)。通過控制和調(diào)節(jié)原料粉末的粒度分布和燒結(jié)收縮的均勻性,可獲得熱應力緩和的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(jié)法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)及反應燒結(jié)等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設備簡單、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(nèi)外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。

4.2.2自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis簡稱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(shù)。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(jié)成材，最后合成新的化合物。其反應示意圖如圖6所示[16]：

圖6SHS反應過程示意圖

SHS法具有產(chǎn)物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點。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(jié)程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機械強度較低。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(nèi),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(jié),形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調(diào)節(jié)等離子射流的溫度及流速,即可調(diào)整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優(yōu)點是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無需燒結(jié),不受基體面積大小的限制,比較容易得到大面積的塊材[10],但梯度涂層與基體間的結(jié)合強度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料

圖7PS方法制備FGM涂層示意圖[17]（a）單槍噴涂（b）雙槍噴涂

4.2.3.2激光熔覆法

激光熔覆法是將預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(chǎn)生用B合金化的A薄涂層,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時注入,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(jié)構(gòu)。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數(shù)量和厚度,以及熔區(qū)的深度來獲得,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]。

圖8同步注粉式激光表面熔覆處理示意圖[18]

4.2.3.3熱噴射沉積[10]

與等離子噴涂有些相關(guān)的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過將增強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(chǎn)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(chǎn)成本低廉等顯著優(yōu)點而備受材料研究者的關(guān)注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]

4.2.3.5氣相沉積法

氣相沉積是利用具有活性的氣態(tài)物質(zhì)在基體表面成膜的技術(shù)。通過控制彌散相濃度,在厚度方向上實現(xiàn)組分的梯度化,適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜,與基體結(jié)合強度低、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(zhì)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(chǎn)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(jié)構(gòu)和形態(tài),并能使其組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)從一種組分到另一種組分連續(xù)變化,可得到按設計要求的FGM。另外,該法無須燒結(jié)即可制備出致密而性能優(yōu)異的FGM,因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應物的形成；氣相反應物傳輸?shù)匠练e區(qū)域；固體產(chǎn)物從氣相中沉積與襯底[12]。

物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質(zhì),使其蒸發(fā)為氣相,然后沉積于基材上,形成約100μm厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD法的特點是沉積溫度低,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(nèi),可以通過施加應變(或等價應力)梯度,在這種材料中產(chǎn)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(nèi)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(chǎn)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(shù)還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等基礎(chǔ)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(zhì)模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結(jié)構(gòu)以及制備條件的定量關(guān)系，為準確、可靠地預測梯度材料物理性能奠定基礎(chǔ)；

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(zhì)理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結(jié)構(gòu)模型，并借助計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(jié)構(gòu)簡單,還不具有較多的實用價值;

6)成本高。

5.2FGM制備技術(shù)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(shù)；

2）開發(fā)大尺寸和復雜形狀的FGM制備技術(shù)；

3）開發(fā)更精確控制梯度組成的制備技術(shù)（高性能材料復合技術(shù)）；

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(guān)系問題；

2）熱絕緣性能；

3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；

4）抗極端環(huán)境變化能力；

5）其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學性能和磁學性能等

6結(jié)束語

FGM的出現(xiàn)標志著現(xiàn)代材料的設計思想進入了高性能新型材料的開發(fā)階段[8]。FGM的研究和開發(fā)應用已成為當前材料科學的前沿課題。目前正在向多學科交叉,多產(chǎn)業(yè)結(jié)合,國際化合作的方向發(fā)展。

參考文獻：

[1]楊瑞成，丁旭，陳奎等.材料科學與材料世界[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006.

[2]李永,宋健,張志民等.梯度功能力學[M].北京:清華大學出版社.2003.

[3]王豫,姚凱倫.功能梯度材料研究的現(xiàn)狀與將來發(fā)展[J].物理,2000,29(4):206-211.

[4]曾黎明.功能復合材料及其應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.

[5]高曉霞，姜曉紅，田東艷等。功能梯度材料研究的進展綜述[J].山西建筑,2006,32(5):143-144.

[6]Erdogan,F.Fracturemechanicsoffunctionallygradedmaterials[J].Compos.Engng,1995(5):753-770.

[7]李智慧,何小鳳,李運剛等.功能梯度材料的研究現(xiàn)狀[J].河北理工學院學報,2007,29(1):45-50.

[8]李楊,雷發(fā)茂,姚敏,李慶文等.梯度功能材料的研究進展[J].菏澤學院學報,2007,29(5):51-55.

[9]林峰.梯度功能材料的研究與應用[J].廣東技術(shù)師范學院學報,2006,6:1-4.

[10]龐建超,高福寶,曹曉明.功能梯度材料的發(fā)展與制備方法的研究[J].金屬制品,2005,31(4):4-9.

[11]戈曉嵐,趙茂程.工程材料[M].南京:東南大學出版社，2004.

[12]唐小真.材料化學導論[M].北京：高等教育出版社,2007.

[13]李進,田興華.功能梯度材料的研究現(xiàn)狀及應用[J].寧夏工程技術(shù),2007,6(1):80-83.

[14]戴起勛,趙玉濤.材料科學研究方法[M].北京：國防工業(yè)出版社,2005.

[15]邵立勤.新材料領(lǐng)域未來發(fā)展方向[J].新材料產(chǎn)業(yè),2004,1:25-30.

[16]自蔓延高溫合成法.材料工藝及應用/jxzy/jlkj/data/clkxygcgl/clgy/clgy16.htm

[17]遠立賢.金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應用現(xiàn)狀./articleview/2006-6-6/article_view_405.htm.

[18]工程材料./zskj/3021/gccl/CH2/2.6.4.htm.