時(shí)間：2023-05-30 10:55:36
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇功能材料，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
【關(guān)鍵詞】功能材料；特點(diǎn)；發(fā)展現(xiàn)狀
一、引言
功能材料的概念是美國Morton J A于1965年首先提出來的。功能材料是指具有一種或幾種特定功能的材料，如磁性材料、光學(xué)材料等，它具有優(yōu)良的物理、化學(xué)和生物功能，在物件中起著“功能”的作用。隨著社會(huì)的不段發(fā)展，功能材料的作用越來越大。下面對(duì)幾種功能材料做一些簡單的介紹。
二、鐵電材料
在具有壓電效應(yīng)的材料中，具有自發(fā)極化（自發(fā)極化包括二部分：一部分來源于離子直接位移；另一部分是由于電子云的形變），且自發(fā)極化能夠?yàn)橥怆妶鏊D(zhuǎn)向的一類材料稱為鐵電材料。鐵電材料的發(fā)展大體可以分為四個(gè)階段：羅息鹽時(shí)期—發(fā)現(xiàn)鐵電性；KDP時(shí)期—鐵電熱力學(xué)理論；鈣鈦礦時(shí)期—鐵電軟模理論；鐵電薄膜及器件時(shí)期—小型化（鐵電液晶、聚合物復(fù)合材料、薄膜材料和異質(zhì)結(jié)構(gòu)等非均勻系統(tǒng)）。
現(xiàn)代功能材料的應(yīng)用非常廣泛，可作信息存儲(chǔ)、圖象顯示；可以做成小體積大容量的陶瓷電容器；鐵電薄膜能用于不揮發(fā)存貯器外，還可利用其壓電特性，用于制作壓力傳感器，聲學(xué)共振器，還可利用鐵電薄膜熱釋電非致冷紅外傳感器研究等。
雖然應(yīng)用廣泛，但鐵電材料的研究面臨很多困難，例如薄膜化引起的界面問題，小型化帶來的尺寸效應(yīng)和加工、表征問題，集成化導(dǎo)致的兼容性問題等等。同時(shí)，與鐵電材料及器件相關(guān)的新原理、新方法、新應(yīng)用都值得我們?nèi)パ芯亢烷_發(fā)。
三、鐵磁材料
隨著材料科學(xué)的發(fā)展，鐵磁材料已成為一種重要的智能材料。鐵磁材料主要包括軟磁材料、硬磁材料、和矩磁材料。
軟磁材料是具有低矯頑力和高磁導(dǎo)率的磁性材料。軟磁材料易于磁化，也易于退磁，廣泛用于電工設(shè)備和電子設(shè)備中。例如變壓器，變壓器是利用電磁感應(yīng)的原理來改變交流電壓的裝置，主要構(gòu)件是一級(jí)級(jí)線圈、二級(jí)線圈和鐵心。在電器設(shè)備和無線電路中，常用作升降電壓、安全隔離等。其中鐵芯芯便是軟磁體。
硬磁材料是指磁化后不易退磁而能長期保留磁性的一種鐵氧體材料，也稱為永磁材料或恒磁材料。硬磁材料可用于永久揚(yáng)聲器、擴(kuò)音器、電話等。揚(yáng)聲器紙盆背面是磁鐵，外磁式揚(yáng)聲器用金屬螺絲刀去接觸磁鐵時(shí)會(huì)感覺到磁性的存在；內(nèi)磁式揚(yáng)聲器中沒有這種感覺，但是外殼內(nèi)部確有磁鐵，便是硬磁體。
矩磁材料，是指具有矩形磁滯回線的鐵氧體材料。它的特點(diǎn)是，當(dāng)有較小的外磁場作用時(shí)，就能使之磁化，并達(dá)到飽和，去掉外磁場后，磁性仍然保持與飽和時(shí)一樣。
四、熱電材料
熱電材料又叫稱溫差電材料，是一種利用固體內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料，主要用于熱電發(fā)電和制冷。
熱電材料根據(jù)運(yùn)作溫度可分為三類：碲化鉍及其合金，這是被廣為使用于熱電致冷器的材料，其最佳運(yùn)作溫度
五、形狀記憶材料
具有一定形狀的固體材料，在某一低溫狀態(tài)下經(jīng)過塑性變形后，通過加熱到這種材料固有的某一臨界溫度以上時(shí)，材料又恢復(fù)到初始形狀的現(xiàn)象，稱為形狀記憶效應(yīng)。具有形狀記憶效應(yīng)的材料稱為形狀記憶材料。形狀記憶材料分為三類：形狀記憶合金（鈦-鎳系形狀記憶合金，銅基系形狀記憶合金和鐵系形狀記憶合金）；形狀記憶陶瓷；形狀記憶聚合物。
形狀記憶材料作為新型功能材料在航空航天、自動(dòng)控制系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)、能源等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。形狀記憶合金已廣泛用于人造衛(wèi)星天線、機(jī)器人和自動(dòng)控制系統(tǒng)、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備和能量轉(zhuǎn)換材料。近年來，又在高分子聚合物、陶瓷材料、超導(dǎo)材料中發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)，而且在性能上各具特色，更加促進(jìn)了形狀記憶材料的發(fā)展相應(yīng)用。
六、納米材料
納米是一個(gè)長度單位，1nm=10-9m。納米材料是指在結(jié)構(gòu)上具有納米尺度調(diào)制特征的材料，納米尺度一般是指1-100nm。當(dāng)一種材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)入納米尺度特征范圍時(shí)，其某個(gè)或某些性能會(huì)發(fā)生明顯的變化。
納米材料的發(fā)展大致可劃分為三個(gè)階段：
第一階段（1990年以前）：主要是在實(shí)驗(yàn)室探索用各種方法制備各種材料的納米顆粒粉體或合成塊體，研究評(píng)估表征的方法，探索納米材料不同于普通材料的特殊性能。
第二階段（1990-1994年）：人們關(guān)注的熱點(diǎn)是如何利用納米材料已發(fā)掘的物理和化學(xué)特性，設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料。
第三階段（1994年至今）：納米組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)材料體系正在成為納米材料研究的新熱點(diǎn)。
納米材料的特性主要有：小尺寸效應(yīng)、表面和界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。
納米材料的應(yīng)用非常廣泛，比如納米陶瓷材料、納米傳感器、納米傾斜功能材料、納米半導(dǎo)體材料、納米催化材料以及在家電、紡織工業(yè)和機(jī)械工業(yè)上的應(yīng)用。
材料是現(xiàn)代科技和國民經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。一個(gè)國家生產(chǎn)材料的品種、數(shù)量和質(zhì)量是衡量其科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。隨著新技術(shù)將更迅猛地發(fā)展，我們對(duì)功能材料的需求也日益迫切。因此，我們要加強(qiáng)對(duì)功能材料的研制和開發(fā)應(yīng)用，把新成果應(yīng)用于勞動(dòng)生產(chǎn)。
關(guān)鍵詞:梯度功能材料,復(fù)合材料,研究進(jìn)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(xué)技術(shù)和社會(huì)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(xué)的發(fā)展。對(duì)材料,特別是對(duì)高性能材料的認(rèn)識(shí)水平、掌握和應(yīng)用能力,直接體現(xiàn)國家的科學(xué)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力,也是一個(gè)國家綜合國力和社會(huì)文明進(jìn)步速度的標(biāo)志。因此,新材料的開發(fā)與研究是材料科學(xué)發(fā)展的先導(dǎo),是21世紀(jì)高科技領(lǐng)域的基石。
近年來,材料科學(xué)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[1]。究其原因,一方面是各個(gè)學(xué)科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實(shí)驗(yàn)技術(shù);另一方面是實(shí)際應(yīng)用的迫切需要對(duì)材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用問題而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合材料，這種材料對(duì)新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質(zhì)化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領(lǐng)域，所以它是近年來在材料科學(xué)中涌現(xiàn)出的研究熱點(diǎn)之一。
1FGM概念的提出
當(dāng)代航天飛機(jī)等高新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料性能的要求越來越苛刻。例如：當(dāng)航天飛機(jī)往返大氣層，飛行速度超過25個(gè)馬赫數(shù)，其表面溫度高達(dá)2000℃。而其燃燒室內(nèi)燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達(dá)5MW/m2.對(duì)于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強(qiáng)制冷卻的冷卻劑，此時(shí)燃燒室內(nèi)外要承受高達(dá)1000K以上的溫差,傳統(tǒng)的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復(fù)合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數(shù)和熱應(yīng)力的差別較大,很容易在相界處出現(xiàn)涂層剝落[3]或龜裂[1]現(xiàn)象，其關(guān)鍵在于基底和涂層間存在有一個(gè)物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規(guī)耐熱材料的不足，日本學(xué)者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續(xù)變化的組分梯度來代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應(yīng)力降至最小[3]。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發(fā)展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)復(fù)合技術(shù)，使構(gòu)成材料的要素（組成、結(jié)構(gòu)）沿厚度方向有一側(cè)向另一側(cè)成連續(xù)變化，從而使材料的性質(zhì)和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分類
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續(xù)變化的特點(diǎn)如圖2,因此它能有效地克服傳統(tǒng)復(fù)合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比FGM有如下優(yōu)勢:
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(qiáng)度;
2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力;
3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點(diǎn)以及應(yīng)力自由端點(diǎn)的應(yīng)力奇異性;
4)用FGM代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻材料涂層,既可以增強(qiáng)連接強(qiáng)度也可以減小裂紋驅(qū)動(dòng)力。
2.2FGM的分類
根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)FGM有多種分類方式。根據(jù)材料的組合方式，F(xiàn)GM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據(jù)其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個(gè)基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據(jù)不同的梯度性質(zhì)變化分為密度FGM，成分FGM，光學(xué)FGM，精細(xì)FGM等[4]；根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域有可分為耐熱FGM，生物、化學(xué)工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3FGM的應(yīng)用
FGM最初是從航天領(lǐng)域發(fā)展起來的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)利用組分、結(jié)構(gòu)、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,并可望應(yīng)用于許多領(lǐng)域。
功能
應(yīng)用領(lǐng)域材料組合
緩和熱應(yīng)
力功能及
結(jié)合功能
航天飛機(jī)的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機(jī)械部件
耐熱性機(jī)械部件
耐蝕性機(jī)械部件
加工工具
運(yùn)動(dòng)用具:建材陶瓷金屬
陶瓷金屬
塑料金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石金屬
碳纖維金屬塑料
核功能
原子爐構(gòu)造材料
核融合爐內(nèi)壁材料
放射性遮避材料輕元素高強(qiáng)度材料
耐熱材料遮避材料
耐熱材料遮避材料
生物相溶性
及醫(yī)學(xué)功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關(guān)節(jié)
人工內(nèi)臟器官:人工血管
補(bǔ)助感覺器官
生命科學(xué)磷灰石氧化鋁
磷灰石金屬
磷灰石塑料
異種塑料
硅芯片塑料
電磁功能
電磁功能陶瓷過濾器
超聲波振動(dòng)子
IC
磁盤
磁頭
電磁鐵
長壽命加熱器
超導(dǎo)材料
電磁屏避材料
高密度封裝基板壓電陶瓷塑料
壓電陶瓷塑料
硅化合物半導(dǎo)體
多層磁性薄膜
金屬鐵磁體
金屬鐵磁體
金屬陶瓷
金屬超導(dǎo)陶瓷
塑料導(dǎo)電性材料
陶瓷陶瓷
光學(xué)功能防反射膜
光纖;透鏡;波選擇器
多色發(fā)光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半導(dǎo)體
稀土類元素玻璃
能源轉(zhuǎn)化功能
MHD發(fā)電
電極;池內(nèi)壁
熱電變換發(fā)電
燃料電池
地?zé)岚l(fā)電
太陽電池陶瓷高熔點(diǎn)金屬
金屬陶瓷
金屬硅化物
陶瓷固體電解質(zhì)
金屬陶瓷
電池硅、鍺及其化合物
4FGM的研究
FGM研究內(nèi)容包括材料設(shè)計(jì)、材料制備和材料性能評(píng)價(jià)。
4.1FGM設(shè)計(jì)
FGM設(shè)計(jì)是一個(gè)逆向設(shè)計(jì)過程[7]。
首先確定材料的最終結(jié)構(gòu)和應(yīng)用條件,然后從FGM設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結(jié)構(gòu),以及制備和評(píng)價(jià)方法,最后基于上述結(jié)構(gòu)和材料組合選擇,根據(jù)假定的組成成份分布函數(shù),計(jì)算出體系的溫度分布和熱應(yīng)力分布。如果調(diào)整假定的組成成份分布函數(shù),就有可能計(jì)算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應(yīng)力分布,此時(shí)的組成分布函數(shù)即最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。
FGM設(shè)計(jì)主要構(gòu)成要素有三:
1)確定結(jié)構(gòu)形狀,熱—力學(xué)邊界條件和成分分布函數(shù);
2)確定各種物性數(shù)據(jù)和復(fù)合材料熱物性參數(shù)模型;
3)采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)—力學(xué)計(jì)算方法,包括有限元方法計(jì)算FGM的應(yīng)力分布,采用通用的和自行開發(fā)的軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。
FGM設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是與材料的制備工藝緊密結(jié)合,借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng),得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。
4.2FGM的制備
FGM制備研究的主要目標(biāo)是通過合適的手段,實(shí)現(xiàn)FGM組成成份、微觀結(jié)構(gòu)能夠按設(shè)計(jì)分布,從而實(shí)現(xiàn)FGM的設(shè)計(jì)性能。可分為粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高溫合成法(SHS);涂層法:如等離子噴涂法,激光熔覆法,電沉積法,氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)相沉積(CVD);形變與馬氏體相變[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設(shè)計(jì)的梯度成分成形,然后燒結(jié)。通過控制和調(diào)節(jié)原料粉末的粒度分布和燒結(jié)收縮的均勻性,可獲得熱應(yīng)力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比較簡單的FGM部件,但工藝比較復(fù)雜,制備的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的燒結(jié)法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)及反應(yīng)燒結(jié)等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設(shè)備簡單、易于操作和成本低等優(yōu)點(diǎn),但要對(duì)保溫溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度進(jìn)行嚴(yán)格控制。國內(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(xué)家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應(yīng)時(shí),發(fā)現(xiàn)的一種合成材料的新技術(shù)。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學(xué)反應(yīng),此后化學(xué)反應(yīng)在自身放熱的支持下,自動(dòng)持續(xù)地蔓延下去,利用反應(yīng)熱將粉末燒結(jié)成材，最后合成新的化合物。其反應(yīng)示意圖如圖6所示[16]：
SHS法具有產(chǎn)物純度高、效率高、成本低、工藝相對(duì)簡單的特點(diǎn)。并且適合制造大尺寸和形狀復(fù)雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應(yīng)的材料體系,金屬與陶瓷的發(fā)熱量差異大,燒結(jié)程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機(jī)械強(qiáng)度較低。目前利用SHS法己制備出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3噴涂法
噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝,適用于形狀復(fù)雜的材料和部件的制備。通常,將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內(nèi),并在熔化的狀態(tài)下將它噴鍍?cè)诨w的表面上形成梯度功能材料涂層。可以通過計(jì)算機(jī)程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設(shè)計(jì)所要求的梯度分布函數(shù)。這種工藝已經(jīng)被廣泛地用來制備耐熱合金發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等離子噴涂法(PS)
PS法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物,形成等離子體,其溫度高達(dá)1500K,同時(shí)處于高度壓縮狀態(tài),所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時(shí)急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達(dá)1.5km/s。原料粉末送至等離子射流中,粉末顆粒被加熱熔化,有時(shí)還會(huì)與等離子體發(fā)生復(fù)雜的冶金化學(xué)反應(yīng),隨后被霧化成細(xì)小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結(jié),形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調(diào)節(jié)等離子射流的溫度及流速,即可調(diào)整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優(yōu)點(diǎn)是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無需燒結(jié),不受基體面積大小的限制,比較容易得到大面積的塊材[10],但梯度涂層與基
體間的結(jié)合強(qiáng)度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是將預(yù)先設(shè)計(jì)好組分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便會(huì)產(chǎn)生用B合金化的A薄涂層,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時(shí)注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復(fù)以上過程,就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強(qiáng)劑熔覆金屬獲得了梯度多層結(jié)構(gòu)。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數(shù)量和厚度,以及熔區(qū)的深度來獲得,熔區(qū)的深度本身由激光的功率和移動(dòng)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(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[10]。采用此法可制備Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
4.2.3.3熱噴射沉積[10]
與等離子噴涂有些相關(guān)的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過將增強(qiáng)粒子注射到金屬流束中,這種工藝已被推廣到制造復(fù)合材料中。陶瓷增強(qiáng)顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態(tài),混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復(fù)合材料。在噴涂沉積過程中,通過連續(xù)地改變?cè)鰪?qiáng)顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產(chǎn)生梯度6061鋁合金/SiC復(fù)合材料。可以使用熱等靜壓工序以消除梯度復(fù)合材料中的孔隙。
4.2.3.4電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學(xué)方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中,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(xué)功能、熱物理性能,該工藝由于對(duì)鍍層材料的物理力學(xué)性能破壞小、設(shè)備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產(chǎn)成本低廉等顯著優(yōu)點(diǎn)而備受材料研究者的關(guān)注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5氣相沉積法
氣相沉積是利用具有活性的氣態(tài)物質(zhì)在基體表面成膜的技術(shù)。通過控制彌散相濃度,在厚度方向上實(shí)現(xiàn)組分的梯度化,適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜,與基體結(jié)合強(qiáng)度低、設(shè)備比較復(fù)雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機(jī)理的不同分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)兩類。
化學(xué)氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質(zhì)源輸送到反應(yīng)器中進(jìn)行均勻混合,在熱基板上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并使反映產(chǎn)物沉積在基板上。通過控制反應(yīng)氣體的壓力、組成及反應(yīng)溫度,精確地控制材料的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài),并能使其組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)從一種組分到另一種組分連續(xù)變化,可得到按設(shè)計(jì)要求的FGM。另外,該法無須燒結(jié)即可制備出致密而性能優(yōu)異的FGM,因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應(yīng)物的形成；氣相反應(yīng)物傳輸?shù)匠练e區(qū)域；固體產(chǎn)物從氣相中沉積與襯底[12]。
物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質(zhì),使其蒸發(fā)為氣相,然后沉積于基材上,形成約100μm厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD法的特點(diǎn)是沉積溫度低,對(duì)基體熱影響小,但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形變與馬氏體相變[8]
通過伴隨的應(yīng)變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個(gè)附加的被稱作“相變塑性”的變形機(jī)制。借助這種機(jī)制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應(yīng)力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內(nèi),可以通過施加應(yīng)變(或等價(jià)應(yīng)力)梯度,在這種材料中產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體體積分?jǐn)?shù)梯度。這一方法在順磁奧氏體18-8不銹鋼(Fe-18%,Cr-8%Ni)試樣內(nèi)部獲得了鐵磁馬氏體α體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍,但能提供一個(gè)簡單的方法,可以一步生產(chǎn)含有飽和磁化強(qiáng)度連續(xù)變化的材料,這種材料對(duì)于位置測量裝置的制造有潛在的應(yīng)用前景。
4.3FGM的特性評(píng)價(jià)
功能梯度材料的特征評(píng)價(jià)是為了進(jìn)一步優(yōu)化成分設(shè)計(jì),為成分設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),目前已開發(fā)出局部熱應(yīng)力試驗(yàn)評(píng)價(jià)、熱屏蔽性能評(píng)價(jià)和熱性能測定、機(jī)械強(qiáng)度測定等四個(gè)方面。這些評(píng)價(jià)技術(shù)還停留在功能梯度材料物性值試驗(yàn)測定等基礎(chǔ)性的工作上[7]。目前,對(duì)熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機(jī)械性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]。目前,日本、美國正致力于建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)特征評(píng)價(jià)體系[7~8]。
5FGM的研究發(fā)展方向
5.1存在的問題
作為一種新型功能材料,梯度功能材料范圍廣泛,性能特殊,用途各異。尚存在一些問題需要進(jìn)一步的研究和解決,主要表現(xiàn)在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫（包括材料體系、物性參數(shù)、材料制備和性能評(píng)價(jià)等）還需要補(bǔ)充、收集、歸納、整理和完善；
2）尚需要進(jìn)一步研究和探索統(tǒng)一的、準(zhǔn)確的材料物理性質(zhì)模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結(jié)構(gòu)以及制備條件的定量關(guān)系，為準(zhǔn)確、可靠地預(yù)測梯度材料物理性能奠定基礎(chǔ)；
3）隨著梯度材料除熱應(yīng)力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設(shè)計(jì)體系，為梯度材料在多方面研究和應(yīng)用開辟道路；
4）尚需完善連續(xù)介質(zhì)理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結(jié)構(gòu)模型，并借助計(jì)算機(jī)模擬對(duì)材料性能進(jìn)行理論預(yù)測，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(shí)用價(jià)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(dòng)化程度高、操作簡便的制備技術(shù)；
2）開發(fā)大尺寸和復(fù)雜形狀的FGM制備技術(shù)；
3）開發(fā)更精確控制梯度組成的制備技術(shù)（高性能材料復(fù)合技術(shù)）；
4）深入研究各種先進(jìn)的制備工藝機(jī)理，特別是其中的光、電、磁特性。
5.3對(duì)FGM的性能評(píng)價(jià)進(jìn)行研究[2、13]
有必要從以下5個(gè)方面進(jìn)行研究：
1）熱穩(wěn)定性，即在溫度梯度下成分分布隨時(shí)間變化關(guān)系問題；
2）熱絕緣性能；
3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；
4）抗極端環(huán)境變化能力；
5）其他性能評(píng)價(jià)，如熱電性能、壓電性能、光學(xué)性能和磁學(xué)性能等
6結(jié)束語
FGM的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代材料的設(shè)計(jì)思想進(jìn)入了高性能新型材料的開發(fā)階段[8]。FGM的研究和開發(fā)應(yīng)用已成為當(dāng)前材料科學(xué)的前沿課題。目前正在向多學(xué)科交叉,多產(chǎn)業(yè)結(jié)合,國際化合作的方向發(fā)展。
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文章從生態(tài)文明觀念培養(yǎng)、航空特色建設(shè)、課堂創(chuàng)新和考核創(chuàng)新四個(gè)方面探討了南昌航空大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)功能材料課程的改革。
[關(guān)鍵詞]
生態(tài)文明；航空特色；創(chuàng)新；改革
功能材料是具有特殊電、磁、光、聲、熱、化學(xué)以及生物功能的新型材料，其種類繁多、性能各異，既是能源、計(jì)算機(jī)、通訊、電子等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究的基礎(chǔ)，又對(duì)眾多不同領(lǐng)域的科技進(jìn)步、社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生著越來越大的影響，據(jù)報(bào)導(dǎo)，在全球新材料研究領(lǐng)域中，功能材料約占85%，近二十年來已成為材料科學(xué)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一。鑒于功能材料的重要地位作用，功能材料作為材料科學(xué)的一個(gè)分支，其理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)也日益受到人們的重視，各高校材料科學(xué)及與材料相關(guān)的專業(yè)都把功能材料作為專業(yè)課程來開設(shè)，有關(guān)功能材料的專著和教材逐年增多[1,2]。功能材料作為一門學(xué)科，具有多學(xué)科交叉，涉及面廣，內(nèi)容繁雜，既理論性強(qiáng)，又與實(shí)際應(yīng)用密切結(jié)合的特征。作為一門課程，相對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)課而言，課程的理論教學(xué)時(shí)數(shù)少。目前出版的教材其體例內(nèi)容各不相同，各校教學(xué)大綱也各異。對(duì)于功能材料課程的改革也各有說法[3-5]。因此，本文試圖從南昌航空大學(xué)航空特色出發(fā)，結(jié)合課程所在學(xué)院的環(huán)境科學(xué)工程背景，在生態(tài)文明和綠色化學(xué)思維下，來探討南昌航空大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)功能材料課程的改革。
1生態(tài)文明思想觀念的培養(yǎng)與加強(qiáng)
十報(bào)告把生態(tài)文明建設(shè)與經(jīng)濟(jì)建設(shè)、政治建設(shè)、文化建設(shè)、社會(huì)建設(shè)并列提出，把生態(tài)文明建設(shè)提高到前所未有的地位。是因?yàn)椋祟愖詮倪M(jìn)入工業(yè)文明以來，在創(chuàng)造輝煌的物質(zhì)文明、精神文明的同時(shí)，也帶來了難以承受的環(huán)境污染、資源危機(jī)和生態(tài)災(zāi)難，于致以發(fā)展不能持續(xù)，民生不能有效改善，人類的生存遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。生態(tài)文明是工業(yè)文明發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，是超越工業(yè)文明的新型文明境界，是正在積極推動(dòng)、逐步形成的一種社會(huì)形態(tài)，是人類社會(huì)文明的高級(jí)形態(tài)。以生態(tài)文明取代工業(yè)文明成為人類歷史發(fā)展的必然，這是全人類智慧的結(jié)晶，也是可持續(xù)發(fā)展、克服人類生存危機(jī)的明智之舉。生態(tài)文明作為人類文明的基礎(chǔ)，延續(xù)了人類社會(huì)原始文明、農(nóng)耕文明、工業(yè)文明的歷史血脈，承載了物質(zhì)文明、精神文明、政治文明的建設(shè)成果，貫穿在經(jīng)濟(jì)建設(shè)、政治建設(shè)、文化建設(shè)、社會(huì)建設(shè)的各方面和全過程，建設(shè)生態(tài)文明，是關(guān)系人民福祉、關(guān)乎民族未來的長遠(yuǎn)大計(jì)。材料是推動(dòng)人類文明和社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)，與能源、信息并列為現(xiàn)代高新科技發(fā)展的三大支柱之一。隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高質(zhì)量、高性能的新材料日新月異層出不窮。但，材料產(chǎn)業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)和行業(yè)是資源、能源的主要消耗者，又是造成地球環(huán)境問題的主要責(zé)任者。因此，盡管我校材料化學(xué)專業(yè)為學(xué)生開設(shè)了環(huán)境材料和綠色化學(xué)兩門課，但筆者認(rèn)為，在功能材料課程的教學(xué)大綱、教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)過程中，也一定要貫徹生態(tài)文明建設(shè)的思想觀點(diǎn)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生生態(tài)文明意識(shí)。讓學(xué)生加深認(rèn)識(shí)材料在帶給人類物質(zhì)文明的同時(shí)，其生產(chǎn)、消費(fèi)過程中，也消耗了能源與資源，排放了大量的廢棄物，造成大氣、水體和土壤污染，危害人類身體健康。學(xué)會(huì)在尋找新的功能材料時(shí)，運(yùn)用綠色化學(xué)原理和環(huán)境生態(tài)材料知識(shí)，合成制備對(duì)環(huán)境影響小而又能滿足使用性能的新型功能材料——功能環(huán)境材料。如在講授半導(dǎo)體材料這章，用直拉法制備GaAs單晶時(shí)，可以與用同樣的直拉法制備Si單晶方法對(duì)比，提出：為什么直拉法制備GaAs單晶需在密閉液封的條件下？讓學(xué)生思考。
2航空特色的建設(shè)
南昌航空大學(xué)是一所航空特色鮮明的學(xué)校，航空材料的教學(xué)研究與開發(fā)應(yīng)用，更是其航空特色的體現(xiàn)。航空材料，在人們的習(xí)慣思維中，更多的是那些結(jié)構(gòu)力學(xué)材料；但隨著科學(xué)的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，特別是知識(shí)經(jīng)濟(jì)、信息化時(shí)代的到來，智能一體化，功能材料在航空材料所占地位越來越重要，比例越來越高。因此，作為航空院校開設(shè)的功能材料課程，更應(yīng)體現(xiàn)其航空特色，在教學(xué)目的上注意培養(yǎng)學(xué)生的國防航空意識(shí)；在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程中結(jié)合航空產(chǎn)品說明功能材料在其中的應(yīng)用。如，殲-20、F-35中的隱身材料，無人機(jī)中的電子元件所用的半導(dǎo)體材料，導(dǎo)彈制導(dǎo)用的紅外或激光材料，等等。這樣，不但會(huì)激發(fā)學(xué)生的求知欲，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣也會(huì)大大提高，從而促進(jìn)教學(xué)效果的明顯改善。
3課堂創(chuàng)新
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，多媒體教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)蓬勃興起，傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式受到了極大的沖擊。近年在《教育部、財(cái)政部關(guān)于“十二五”期間實(shí)施“高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”的意見》等文件的推動(dòng)下，創(chuàng)新課堂與課堂創(chuàng)新的課堂教學(xué)改革，蔚然成風(fēng)。各種教學(xué)方式方法層出不窮，如，PBL教學(xué)法、案例教學(xué)法、慕課(MOOC)、微課(Microlecture)、顛倒課堂法(TheFlippedClassroom)，等等。文本、圖片、音頻、視頻、動(dòng)畫等媒體在課堂教學(xué)中廣泛應(yīng)用。因此，針對(duì)功能材料課程的具體授課目標(biāo)、授課內(nèi)容和授課對(duì)象，應(yīng)會(huì)善于根據(jù)授課條件選取不同的教學(xué)方法和教學(xué)媒體。尤其是作為高年級(jí)開設(shè)的功能材料課程，更應(yīng)該注意研究性或探究性教學(xué)法、文獻(xiàn)學(xué)習(xí)法的運(yùn)用，于以提高學(xué)生科研創(chuàng)新能力。同時(shí)，也可從日常生活用品出發(fā)，來講解教學(xué)內(nèi)容。比如，手機(jī)、計(jì)算機(jī)、電視機(jī)這些同學(xué)日常使用的產(chǎn)品，運(yùn)用了大量的功能材料，如，液晶材料、發(fā)光材料、半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電材料，等等。讓學(xué)生感到功能材料就在身邊，與日常生活密切相關(guān)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
4創(chuàng)新考核方式
課程成績考核一般分為兩個(gè)部分，一部分是平時(shí)成績，另一部分是課程結(jié)束時(shí)的考試成績。傳統(tǒng)的做法是，平時(shí)成績一般由出勤率、課堂提問和平時(shí)作業(yè)構(gòu)成。課程結(jié)束時(shí)的考試成績，也一般由任課教師根據(jù)所教內(nèi)容命題試卷讓學(xué)生做答，教師依據(jù)學(xué)生答卷情況給以評(píng)定成績。在這種課程考核體系下，學(xué)生的學(xué)習(xí)往往處于被動(dòng)狀態(tài)，無法真正提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性。因此，為充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和自主學(xué)習(xí)能力，保證教學(xué)質(zhì)量的有效性和高效性，必須優(yōu)化課程考核體系，改革成績?cè)u(píng)定方式。加大平時(shí)考核力度，提高平時(shí)成績?cè)诳偝煽冎械谋壤綍r(shí)除了老師考核學(xué)生的作業(yè)、課堂問答、出勤率外，還可進(jìn)行研究性教學(xué)，讓學(xué)生自己評(píng)分。如，根據(jù)學(xué)生興趣、課程教學(xué)的內(nèi)容，讓學(xué)生分成若干小組，選擇不同的專題，通過共同查閱文獻(xiàn)資料，寫成3500字左右的研究性綜述，內(nèi)容涉及材料的性能、分類、組成、制備、用途、應(yīng)用和未來的發(fā)展方向，等等。最后，從每個(gè)小組挑選一位代表以PowerPoint形式在課堂上作報(bào)告，各小組之間可以互相提問，相互評(píng)分，并按一定的比例計(jì)入平時(shí)成績。這既可以鍛煉學(xué)生查閱文獻(xiàn)的能力、分析問題的能力、解決問題的能力，又可提高學(xué)生的寫作能力和口頭語言表達(dá)能力，還可使學(xué)生感到一定的成就感。從而更加全面、科學(xué)、準(zhǔn)確地反映學(xué)生學(xué)習(xí)情況。
5結(jié)語
以上從生態(tài)文明觀念培養(yǎng)、航空特色建設(shè)、課堂創(chuàng)新和考核創(chuàng)新，四個(gè)方面探討了南昌航空大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)功能材料課程的改革，其目的是為提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。而課程教學(xué)改革不僅僅是以上四個(gè)方面，牽涉到教師更多的付出和學(xué)生的密切配合，還有學(xué)校資源的配置，社會(huì)大環(huán)境的影響，等等。唯如此，課程教學(xué)改革方能成功。
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隨時(shí)代的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)用到各行各業(yè)的功能材料層出不窮，而且每年以百分之五的增長率不斷增加。功能材料的特點(diǎn)就是種類繁多，且隨時(shí)間的推移不斷完善和更新。所以講授本門課程之前，首先就要求任課教師要根據(jù)本專業(yè)特色選教材，其次還要與時(shí)俱進(jìn)，不斷關(guān)注學(xué)術(shù)上的前沿領(lǐng)域，及時(shí)汲取科研上的新方法、新成果擴(kuò)充到教學(xué)內(nèi)容中，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。而有限學(xué)時(shí)(32學(xué)時(shí))下，在保證完成基礎(chǔ)理論知識(shí)教學(xué)的同時(shí)，如何讓學(xué)生對(duì)多種功能材料的內(nèi)容比較全面而系統(tǒng)的掌握，如何開闊學(xué)生視野，擴(kuò)大知識(shí)面是我們選取教材，整合教學(xué)內(nèi)容時(shí)需要思考的問題。有關(guān)功能材料方面的教材書籍很多，但每本書編者根據(jù)自己研究方向不同各有偏重，基于這些原因，我們?cè)谶x教材時(shí)，只是指定哈爾濱工業(yè)大學(xué)主出版的《功能材料概論》作為參考教材，根據(jù)本專業(yè)的特色，重點(diǎn)選取超導(dǎo)材料、半導(dǎo)體材料、貯氫材料、磁性材料、光學(xué)材料、功能陶瓷、納米材料進(jìn)行講述，這本書雖然包含的內(nèi)容較多，但相對(duì)較簡單，所以講解功能特性的基本理論時(shí)，我們利用便利的網(wǎng)絡(luò)向?qū)W生提供相關(guān)的參考書，如講壓電陶瓷這一章節(jié)時(shí)，為學(xué)生提供中南大學(xué)出版社出版的《特種陶瓷》作為主要參考資料，該書詳細(xì)講述了結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系、壓電性能產(chǎn)生的機(jī)制及壓電陶瓷的應(yīng)用，通過該書與教師的講解能讓學(xué)生較為全面、細(xì)致地掌握壓電材料的原理和應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果，也進(jìn)一步拓寬本專業(yè)學(xué)生的知識(shí)面。這種教學(xué)過程雖然不可能面面俱到，但能做到重點(diǎn)突出，所以仍能起到很好的教學(xué)效果。當(dāng)然，這并不是長久之計(jì)，我們正在自己編纂適宜本專業(yè)的，有地區(qū)特色功能材料教材。
2功能材料課程的教學(xué)思路與目的
功能材料課程是在學(xué)生學(xué)習(xí)材料化學(xué)這門課的基礎(chǔ)上開設(shè)的，學(xué)生已了解并基本掌握了材料組成與結(jié)構(gòu)、合成與制備、性能以及應(yīng)用四者之間相互關(guān)系和變化規(guī)律，故本門課程不涉及有關(guān)材料學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，但在應(yīng)用到這些知識(shí)時(shí)課前會(huì)復(fù)習(xí)一下。所以在教學(xué)內(nèi)容的選材上結(jié)合本專業(yè)的學(xué)生需要，體現(xiàn)知識(shí)活、內(nèi)容新穎的原則，重點(diǎn)講述功能性的原理，闡明材料的功能特性與組成、結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，體現(xiàn)功能材料在科技和社會(huì)發(fā)展中的重要作用，培養(yǎng)學(xué)生從應(yīng)用角度提出問題、分析問題、解決問題的方法和思路;同時(shí)材料專業(yè)大三的學(xué)生已涉及部分材料方面的知識(shí)，且有一定的自學(xué)、查詢和閱讀文獻(xiàn)的能力，所以在教學(xué)內(nèi)容上適當(dāng)增加培養(yǎng)學(xué)生主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性的教學(xué)環(huán)節(jié)，鼓勵(lì)學(xué)生就當(dāng)前的研究熱點(diǎn)、出現(xiàn)的新材料或是自己感興趣的課題總結(jié)相關(guān)文獻(xiàn)資料，在老師的指導(dǎo)下制作PPT，讓學(xué)生在課堂上做報(bào)告，這樣不但能夠進(jìn)一步鞏固學(xué)生的理論基礎(chǔ)知識(shí)，而且還能及時(shí)了解功能材料的最新發(fā)展動(dòng)向和國際前沿，同時(shí)激發(fā)了學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。總之，本課程的目的是，通過本課程的學(xué)習(xí)進(jìn)一步深化材料化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握各種類型材料功能特性的原理，制備、性能、應(yīng)用以及具有解決實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)問題的能力，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生綜合分析、解決問題的能力和實(shí)驗(yàn)技能，為今后從事新材料開發(fā)與研制工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
3教學(xué)形式的探索
3.1建立教師主導(dǎo)型的案例式、問題式、討論式教學(xué)模式
傳統(tǒng)的教學(xué)方法通常是以教師為中心，教材為中心，教室為中心的“三中心”模式，從教學(xué)效果來看，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)將知識(shí)的傳遞僅僅停留在概念本身，以學(xué)生能識(shí)記概念和定義為目標(biāo)，忽略學(xué)生綜合素質(zhì)和能力的培養(yǎng)。功能材料課程的課堂容量有限，課堂上的決大部分時(shí)間只能傳授知識(shí)的基本框架、基本原理和基本思路，要提高學(xué)習(xí)的層次和效果，必須利用好課外時(shí)間和資源。本課程涉及的功能材料在我們實(shí)際生活中、影視資料都能接觸到，我們?cè)谪S富教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，積極改革教學(xué)方法，在學(xué)生掌握基本理論的基礎(chǔ)上采取案例式、問題式、討論式的教學(xué)方式，提高學(xué)生的自學(xué)能力、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。如講液晶材料這一章之前，先讓學(xué)生根據(jù)常見的液晶屏電子手表、手機(jī)、電視機(jī)進(jìn)行思考，液晶能發(fā)光嗎?是如何顯像的?這三者液晶的顯像原理是否相同?市場上賣的液晶電視與等離子體電視各有什么特點(diǎn)?讓學(xué)生基于這幾個(gè)問題課下查資料并課上討論，討論時(shí)教師給學(xué)生一定的啟發(fā)，使學(xué)生在討論中了解液晶的工作原理，教師再根據(jù)學(xué)生的掌握程度進(jìn)一步講解，這樣的教學(xué)過程改變了傳統(tǒng)的從概念到概念的教學(xué)方式，變成一種促進(jìn)學(xué)生成為教學(xué)主體，采用自主學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)、探索性學(xué)習(xí)案例性教學(xué)實(shí)踐，讓學(xué)生在輕松教學(xué)環(huán)境中就很好地掌握了液晶概念、液晶材料性能及應(yīng)用原理，取得了良好的教學(xué)效果。
3.2靈活運(yùn)用多種教學(xué)手段，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣
由于《功能材料》課程知識(shí)面覆蓋廣，涉及到多個(gè)學(xué)科方向的基礎(chǔ)理論，綜合性強(qiáng)，傳統(tǒng)的教學(xué)只利用板書或PPT進(jìn)行“填鴨”式的教學(xué)手段，很難滿足課程教學(xué)的需要，教學(xué)過程中，我們采用多媒體課件演示和教師板書講解相結(jié)合的方式，利用板書簡單的書寫功能材料性能理論，書寫相對(duì)較慢，可以留給學(xué)生一定的思考時(shí)間;幻燈片主要給學(xué)生傳遞圖像，增大課堂信息量、提高教學(xué)水平和效果。同時(shí)采用動(dòng)畫、視頻等影像資料輔助課堂講授，把課程中的一些難點(diǎn)更直觀高效、生動(dòng)形象地表達(dá)出來，不僅使教師易于講解，而且學(xué)生也易于接受，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。如半導(dǎo)體材料這一章中的摻雜半導(dǎo)體，我們利用動(dòng)畫的方式形象地表達(dá)出P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體、P－N結(jié)的形成過程;在磁記錄材料這一節(jié)中我們除用動(dòng)畫演示磁記錄材料中磁頭的讀寫原理后，同時(shí)讓學(xué)生針對(duì)自己手里各種各樣磁卡的工作原理進(jìn)行討論，從而激發(fā)了學(xué)生的好奇心與求知欲;講解壓電陶瓷的應(yīng)用時(shí)我們還借助一些影像資料來分析說明壓電機(jī)理及壓電陶瓷在日常生活中和軍事上的應(yīng)用，進(jìn)一步加深了學(xué)生的理解。我校已建成了校園網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，它可以作為課堂教學(xué)的重要補(bǔ)充，利用這個(gè)平臺(tái)我們把相關(guān)學(xué)習(xí)資料上網(wǎng)，學(xué)生能充分利用互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢和校園網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，獲得相關(guān)學(xué)習(xí)資料和前沿專業(yè)知識(shí)。而且教師和學(xué)生能夠網(wǎng)上交流和溝通，這樣教師可以及時(shí)得到來自學(xué)生的反饋信息，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。
3.3改進(jìn)考核方法，提高學(xué)生的綜合能力
為使教師更全面掌握學(xué)生學(xué)習(xí)的真實(shí)水平，我們積極改進(jìn)考核方法，在平時(shí)作業(yè)中，注意布置綜合性、應(yīng)用性的習(xí)題，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，在成績?cè)u(píng)定中作為平時(shí)成績的一部分。將平時(shí)成績、期中成績和期末成績進(jìn)行加權(quán)，平時(shí)成績占10%，包括課堂討論與提問發(fā)言、習(xí)題作業(yè)、課堂報(bào)告。期中考試成績占20%，期末考試成績(閉卷)占70%，為學(xué)生提供了全面展示自己能力的機(jī)會(huì)，調(diào)動(dòng)了他們主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)了創(chuàng)新精神，充分體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的教育新觀念。
4結(jié)語
關(guān)鍵詞：環(huán)境功能材料；教學(xué)方法；教學(xué)效果
中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）03-0226-02
一、引言
在當(dāng)今的世界，環(huán)境污染威脅著人類的生存，制約著人類的發(fā)展。因此，用于環(huán)境保護(hù)的功能材料成為世界關(guān)注的熱點(diǎn)。環(huán)境功能材料是指具有獨(dú)特化學(xué)、物理、生物性能，并有良好環(huán)境凈化能力的新型材料。它們可以在經(jīng)典的環(huán)境凈化工藝中發(fā)揮重要作用，也可以為人類新的環(huán)境污染提供解決方案。為了使學(xué)生掌握好材料與環(huán)境之間的關(guān)系，并為今后的研究和實(shí)際工作中利用好環(huán)境功能材料治理環(huán)境污染打下前期基礎(chǔ)，在環(huán)境專業(yè)中開設(shè)“環(huán)境功能材料”課程至關(guān)重要。但是，這門課的教學(xué)面臨著諸多問題，比如：這門課程內(nèi)容涉及材料、化學(xué)、物理、環(huán)境、生物等多個(gè)領(lǐng)域，學(xué)習(xí)內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少。而且大部分的材料是學(xué)生日常不熟悉的，容易造成學(xué)習(xí)困難。因此，如何在有限的教學(xué)時(shí)間獲得良好的教學(xué)效果，是師生共同關(guān)注的問題。本文作者結(jié)合近幾年來對(duì)本課程的教學(xué)體會(huì)闡述一些個(gè)人的觀點(diǎn)和看法，與同行商榷。
二、將生活實(shí)際融入課程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣
學(xué)生對(duì)這門課程的興趣將直接關(guān)系到他們對(duì)這門課的掌握程度。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，筆者平時(shí)留心將環(huán)境功能材料有關(guān)的生活資料收集和整理出來，適時(shí)穿插到課程中去。例如，在講到吸附材料或活性炭時(shí)，先給學(xué)生提出一個(gè)問題：“大家常見的空氣凈化器以及廚房凈水系統(tǒng)用的濾芯一般用的是什么材料？”讓學(xué)生調(diào)研后再來回答這個(gè)問題；在講到汽車尾氣凈化材料時(shí)，可以讓學(xué)生先去了解一下平時(shí)經(jīng)常聽到的“三效催化劑”到底能處理哪三種污染物，車子的性能與“三效催化劑”是否有關(guān)等問題，然后再對(duì)材料的組分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和講解，這樣可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，將環(huán)境功能材料的理論與學(xué)生日常生活中感受到的、易于接受的實(shí)際問題聯(lián)系起來，并能學(xué)以致用，使學(xué)生對(duì)環(huán)境相關(guān)的新材料產(chǎn)生強(qiáng)烈的親切感，由此激發(fā)強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，進(jìn)而主動(dòng)學(xué)習(xí)這門課程。
三、成立興趣小組，定期開展實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情
可以通過自薦和推薦的方式將學(xué)習(xí)環(huán)境功能材料興趣濃厚的學(xué)生組織起來，成立由老師指導(dǎo)的興趣小組，定期開展與課程相關(guān)的小型實(shí)驗(yàn)課題研究，以期進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。在積累了一定研究成果的基礎(chǔ)上，舉行階段性研究成果小型報(bào)告會(huì)，鍛煉學(xué)生的講演能力，同時(shí)增加成就感。報(bào)告會(huì)要適當(dāng)邀請(qǐng)環(huán)境功能材料專業(yè)老師、研究人員和學(xué)院相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)參加。例如，利用業(yè)余時(shí)間，讓興趣小組的學(xué)生針對(duì)當(dāng)前某種典型的水或大氣污染，基于某種環(huán)境功能材料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案來治理或解決這種污染，對(duì)所選擇的環(huán)境功能材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男曰蚪Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，并研究材料的微觀結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，最后將所得到的改性材料盡可能做到一個(gè)簡單的小產(chǎn)品中，實(shí)現(xiàn)更高的污染物去除能力。如果效果理想的話，可以讓他們參加校級(jí)或市級(jí)的大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目比賽，或?qū)⒆罱K的成果寫成。實(shí)踐證明，這些有針對(duì)性的、趣味性的小項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)，不僅提高了興趣小組學(xué)生的獨(dú)立處理問題的能力，也帶動(dòng)了其他學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加深了所學(xué)的理論知識(shí)印象，起到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。
四、合理利用多媒體提高課堂教學(xué)效果
環(huán)境功能材料課程中，有些章節(jié)比如多孔材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，一些微觀概念和理論相對(duì)比較晦澀難懂，某些微觀過程也很難理解。因此，我們需要適時(shí)地引入多媒體教案。例如，分子篩的結(jié)構(gòu)和種類，微觀結(jié)構(gòu)相對(duì)比較抽象，學(xué)生僅憑想象很難判斷。多媒體課件能以立體圖來表現(xiàn)，使其“具現(xiàn)化”，這對(duì)學(xué)生來說就容易理解多了；再如，講到離子交換樹脂交換原理的時(shí)候，由于內(nèi)容抽象，老師在講解時(shí)很難解釋清楚，為了清晰地闡明這一問題，我們可以采用多媒體動(dòng)畫的表現(xiàn)形式，以兩個(gè)鈉離子交換一個(gè)鎂離子軟化水質(zhì)為例來展示交換過程。課件具體設(shè)計(jì)時(shí)，首先顯示出離子樹脂上的鈉離子，當(dāng)含有鎂離子的流體通過時(shí)，兩個(gè)鈉離子就會(huì)與一個(gè)鎂離子交換，隨后鈉離子隨流體流出。這樣直觀的畫面展示形式，在一定程度上突破了時(shí)間和空間的限制，使學(xué)生有身臨其境的感覺，不僅擴(kuò)大了宏觀視野，同時(shí)也強(qiáng)化了直觀效果。
五、建立合理科學(xué)的考評(píng)體系
新教育觀念下，理論聯(lián)系實(shí)際地探索具有科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性、實(shí)用性的考評(píng)體系是一大重點(diǎn)。其實(shí)，考試只是檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果的一種手段，并不是學(xué)生學(xué)習(xí)、老師教學(xué)、乃至學(xué)校和社會(huì)培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)人才最終目的。“環(huán)境功能材料”作為環(huán)境工程專業(yè)的一門新興學(xué)科，具有更新快的特點(diǎn)。這門課的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思想和分析解決問題的能力，因此，用閉卷考試的傳統(tǒng)評(píng)價(jià)形式很難合理科學(xué)地評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)“環(huán)境功能材料”這一課程的掌握程度。閉卷考試很容易使學(xué)生形成為考試過關(guān)而死記硬背的應(yīng)試學(xué)習(xí)心態(tài)，為了能更好地避免這一消極現(xiàn)象，更科學(xué)合理地評(píng)價(jià)學(xué)生的整個(gè)課程學(xué)習(xí)過程的表現(xiàn)、學(xué)科知識(shí)掌握情況和應(yīng)用能力，本課程需要將考核方式進(jìn)行細(xì)化，注重考察學(xué)生的綜合能力。課程考核的方式要加強(qiáng)多樣性和實(shí)用性。例如，一些基礎(chǔ)性的知識(shí)點(diǎn)可以利用較短的課堂時(shí)間通過隨堂測驗(yàn)的考核方式來測驗(yàn)，并及時(shí)給出相應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果；為了加強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，學(xué)期伊始即可布置開放性的研究型論文，這也將成為期末成績考評(píng)的一個(gè)重要組成部分；根據(jù)實(shí)際情況也可在期末以個(gè)人或小組的形式，將“學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)”也作為考評(píng)的一部分內(nèi)容，既鍛煉學(xué)生能力，也可節(jié)約老師的評(píng)閱時(shí)間，教師結(jié)合學(xué)生的講演給課程論文評(píng)分。通過這種方式，學(xué)生們以小組形式自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，與授課教師討論并提出可行的研究方案。合理科學(xué)的考核方式能夠有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，同時(shí)鍛煉其解決實(shí)際問題的能力。
六、小結(jié)
環(huán)境功能材料是一門與生活息息相關(guān)，多學(xué)科交叉、綜合發(fā)展的新學(xué)科。本文作者結(jié)合這幾年對(duì)本課程的教學(xué)在教學(xué)方法和手段上淺談幾點(diǎn)體會(huì)和看法。筆者堅(jiān)信，通過廣大專業(yè)教師的不懈堅(jiān)持和共同努力，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、與時(shí)俱進(jìn)，今后環(huán)境專業(yè)中“環(huán)境功能材料”課程的教學(xué)手段將更加豐富多彩，教學(xué)評(píng)價(jià)也更能反映學(xué)生實(shí)際情況，教學(xué)效果也必將更上一層樓。
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Some Opinions and Experience on Teaching of "Environmental Function Materials" Course
WANG Yan-gang
（School of Environment and Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）
選擇合適的材料是實(shí)現(xiàn)有機(jī)光敏二極管功能以及提高其性能的第一步。目前研究者們對(duì)有機(jī)光敏二極管的光敏材料研究涉及紫外、可見、紅外光區(qū)各個(gè)波段。一些已報(bào)道的有機(jī)光敏二極管的性能如表1所示。
1.1可見光光敏二極管材料富勒烯及其衍生物是研究較早也是目前較為熱門的一類n型有機(jī)半導(dǎo)體材料。研究者正不斷地探索該類材料的潛能，Lee等［6］報(bào)道了一種多層結(jié)構(gòu)的并五苯/C60器件，該器件在500～690nm的波長范圍內(nèi)都有良好的吸光效率，而在670nm左右，其EQE甚至可以超過100%。P3HT(聚-3-己基噻吩，圖2)和PC61BM(［6，6］-苯基-碳六十一-丁酸甲酯，圖2)也是一組常見的給體、受體材料組合，有報(bào)道顯示用P3HT∶PC61BM制備的器件在540nm光照，－5V偏壓下光響應(yīng)度可以達(dá)到390mA/W，(圖3)［7］。近年來，聚芴衍生物及其共聚物也被證明是一類很有前途的有機(jī)半導(dǎo)體材料，目前已經(jīng)報(bào)道的聚芴衍生物F8T2(聚(9，9-二辛基芴-二噻吩)，圖2)為給體，PC61BM為受體，得到的器件光響應(yīng)度約為625mA/W(460nm，9mW/cm2光照，－10V偏壓)［8］。而Park等［9］報(bào)道DMQA(N，N-二甲基喹啉并吖啶)∶DCV3T(二氰乙烯基-三聯(lián)噻吩，圖2)材料用于有機(jī)光敏二極管，可以得到光響應(yīng)度超過250mA/W(5mW/cm2光照，－3V偏壓)，外量子效率超過64%的器件。本課題組在可見光光敏二極管方面也有著一定的研究基礎(chǔ)。2009年，基于C60/NPB(N，N''''-二(1-萘基)-N，N''''-二苯基-1，1''''-聯(lián)苯-4-4''''-二胺，圖6)有機(jī)異質(zhì)結(jié)，我們報(bào)道了一個(gè)藍(lán)光敏感的有機(jī)光敏二極管［10］。以藍(lán)色OLED(發(fā)光波長為462nm)為光源，我們將此有機(jī)光敏二極管應(yīng)用到有機(jī)光電耦合(OOC)器件中，實(shí)現(xiàn)了0.17%的電流傳輸效率，這是當(dāng)時(shí)已報(bào)道的有機(jī)小分子光電耦合器件中的最高值。同時(shí)，其截止頻率達(dá)到了400kHz，并且在1MHz的輸入信號(hào)下也能表現(xiàn)出極好的跟隨特性(如圖4)。在此工作基礎(chǔ)上，基于C60/m-MTDATA(4，4''''，4″-三(N-3-甲基苯基-N-苯基氨基)三苯胺，圖6)有機(jī)異質(zhì)結(jié)，其在462nm的OLED光源下的光響應(yīng)度達(dá)到130mA/W，將有機(jī)光耦的電流傳輸效率提高到了1.3%［3］。同時(shí)，我們實(shí)現(xiàn)了在柔性基底上制備該有機(jī)光耦，可以應(yīng)用于壓力傳感中。由于其良好的電隔離性能，可將其應(yīng)用到低壓控制電路中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)處于2000V高電勢電路的控制(圖5)。隨著應(yīng)用需求的增加，對(duì)特定顏色選擇性吸收的有機(jī)光敏二極管也逐漸地為人們所重視，Burn等［11］合成了一種以氧化花青素為核心的樹枝狀分子(Dendrimers3，圖2)，以它和PC61BM組成的體異質(zhì)結(jié)有機(jī)光敏二極管可以選擇性地吸收460～570nm的綠光，而在500nm光照條件下，該器件在0V時(shí)的光暗電流比可以達(dá)到2.7×104。Park等［12］報(bào)道的DMQA/SubPc(二氯硼酞菁，圖2)器件也顯示出了對(duì)綠光較好的選擇性，其在560nm光照條件下的比探測率可以達(dá)到2.34×1012Jones。紅光選擇型器件在這方面報(bào)道較少，有課題組利用P6T(α，ω-二苯基六噻吩，圖2)和BP3T(α，ω-二(聯(lián)苯-4-基)三噻吩，圖2)作為藍(lán)綠光吸收材料來阻止藍(lán)綠光到達(dá)傳統(tǒng)的CuPc(銅酞菁)/C60結(jié)構(gòu)的器件光敏層，從而得到較好的紅光選擇性，該器件的比探測率可以達(dá)到4.0×1011Jones，EQE達(dá)到51.4%［13］。
1.2紫外光光敏二極管材料m-MTDATA是紫外吸收材料里的明星分子，目前報(bào)道的基于m-MTDATA∶BPhen(二苯基鄰菲咯啉，圖6)的器件，在－12V偏壓，365nm的光照條件下，其光響應(yīng)度達(dá)到872mA/W［14］。而m-MTDATA搭配Cu(I)配合物CuDD(硼氟酸二［2-(二苯基膦基)苯基］醚•二吡啶并(3，2-a:2''''，3''''-c)吩嗪合銅(Ⅱ)，圖6)組成的器件在365nm光照條件下，其光響應(yīng)度可達(dá)560mA/W，比探測率達(dá)到2.82×1011Jones［15］。NPB也是一種不錯(cuò)的紫外光吸收材料，基于NPB/PBD(2-(4-叔丁基苯基)-5-(4-聯(lián)苯基)-1，3，4-二唑，圖6)的器件光響應(yīng)度可以達(dá)到4.5A/W(3V偏壓，350nm，60μW/cm2光照)，同時(shí)光暗電流比達(dá)到了2.4×103［16］。納米復(fù)合材料同樣得到了研究者們的青睞，如Huang等將C-TPD(4，4''''-二［(對(duì)-三氯代甲硅烷基苯基)苯基氨基］-聯(lián)苯，圖6)和ZnO組成的納米復(fù)合材料與C60用于紫外光敏二極管，得到EQE約400%的高效率器件［17］。然而，以上器件或多或少都會(huì)在可見光區(qū)有所吸收，這對(duì)它們的應(yīng)用造成了一定的限制，另外，由于ITO對(duì)深紫外區(qū)光線的吸收也給深紫外區(qū)的探測造成了困難，為解決這個(gè)問題，有課題組利用在12nm的超薄鋁電極上加鍍一層TPD(N，N''''-二(3-甲基苯基)-N，N''''-二(苯基)聯(lián)苯胺，圖6)作為可見光吸收材料的方法，得到了紫外區(qū)與可見光光響應(yīng)度比值達(dá)到1000左右的器件［18］，也有課題組利用PVA(聚乙烯醇)達(dá)到了類似的效果。
1.3紅外光光敏二極管材料紅光-紅外區(qū)域的探測在光學(xué)通信、遙感控制等領(lǐng)域有著無法替代的作用，然而由于有機(jī)半導(dǎo)體紅外吸收材料較少，使得相關(guān)研究目前要落后于紫外和可見光區(qū)的研究。Chen等［20］通過在半導(dǎo)體層P3HT和PC61BM間插入Ir-125(4，5-苯并吲哚三碳菁，圖7)染料，使得器件的光譜探測上限從650nm提升到1050nm處，在－1.5V偏壓下，該器件在800nm處的EQE達(dá)到了757%，然而，該器件在可見光區(qū)域更加明顯的光響應(yīng)使其并不能被稱為一個(gè)典型的紅外探測器(圖8)。Sampietro課題組［21］報(bào)道了基于方酸菁類化合物AlkSQ的有機(jī)光敏二極管，700nm處的比探測率達(dá)到3.41012Jones。此外，基于二硫綸類材料也表現(xiàn)出不錯(cuò)的紅外吸收性能，Awaga等［22］報(bào)道的以二硫綸類材料BDN(二(4-二甲基氨基二硫代苯偶酰)合鎳(Ⅱ)，圖7)為基礎(chǔ)的器件探測范圍可以覆蓋700～1600nm區(qū)域，比探測率達(dá)到1.6×1011Jones，帶寬約為1.4MHz。曹鏞研究組近年來在近紅外有機(jī)光敏探測器方面做了很好的研究工作，他們報(bào)道了兩種性能優(yōu)良的紅外光敏材料，即苯并三唑類的高聚物PTZBTTT-BDT(圖7)和卟啉類小分子材料DHTBTEZP(圖7)［23，24］，用它們和PC61BM配合制成的器件在近紅外區(qū)處的比探測率都可以達(dá)到1012Jones以上，是兩種很有潛力的紅外光敏二極管材料。另外，他們還嘗試采用ZnO納米線作為電子取出層，使得PDDTT(聚(5，7-二(4-癸基-2-噻吩基)-噻吩并(3，4-b)-噻二唑-噻吩-2，5)，圖7)和PCBM制成的器件可以對(duì)400～1450nm的光照產(chǎn)生響應(yīng)，且在1300～1450nm的紅外區(qū)比探測率達(dá)到109Jones以上［25］，這也為提高紅外光敏二極管的性能提供了一種有效的方法。
2有機(jī)光敏二極管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與界面修飾
有機(jī)光敏二極管依異質(zhì)結(jié)構(gòu)造方式的不同大致可以分為平面異質(zhì)結(jié)(圖9a)、體異質(zhì)結(jié)(圖9b)以及混合型(圖9c)三類器件。不同結(jié)構(gòu)的器件往往會(huì)有很不一樣的性能表現(xiàn)。
2.1平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是有機(jī)光敏二極管較為常見的結(jié)構(gòu)，其中acceptor和donor分別成層，兩者有一個(gè)平面界面，形成異質(zhì)結(jié)。如Wang等［27］設(shè)計(jì)的基于C60/TPBi(1，3，5-(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯，圖6)的器件就是基于這一結(jié)構(gòu)，該課題組發(fā)現(xiàn)該器件在做成平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的時(shí)候可以對(duì)365和330nm雙波長的光線發(fā)生響應(yīng)，而一旦做成體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)則會(huì)失去這一特點(diǎn)。在平面異質(zhì)結(jié)的基礎(chǔ)上，研究者們也通過不同的優(yōu)化手段來提高器件的性能，Lee等設(shè)計(jì)了超薄的并五苯與C60層交替多層的器件(圖10a)，該器件充分利用了并五苯內(nèi)單線態(tài)激子裂變形成兩個(gè)三線態(tài)激子的特性，將器件EQE提高到了100%以上(670nm光照條件下)［6］。也有一些課題組嘗試在給體/受體之間插入一個(gè)內(nèi)聯(lián)層作為紅光吸收材料，有效地提高了紅光的利用率，EQE最高超過了7000%［20］。另外，有課題組采用C-TPD等作為陽極緩沖層對(duì)平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的器件做修飾，C-TPD是一種良好的空穴傳輸材料，有很低的電子遷移率，另一方面，它較高的LUMO能級(jí)也有效地阻擋了C60層電子的注入，因此，它的引入可以使器件的暗電流降低3～4個(gè)量級(jí)［28］。
2.2體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的有機(jī)光敏二極管近年來發(fā)展迅速，有研究人員認(rèn)為這是比平面異質(zhì)結(jié)更有效率的結(jié)構(gòu)［26］。這主要取決于體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)相比于平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)具有的更加大的acceptor和donor的接觸面積。由于光照產(chǎn)生的空穴電子對(duì)的分離主要發(fā)生在acceptor和donor界面處，隨之遷移到電極中產(chǎn)生光電流，因而體異質(zhì)結(jié)中的空穴電子對(duì)能夠得到更加有效的分離，進(jìn)而得到較高的光電轉(zhuǎn)換效率。MEH-PPV(聚［2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1，4-亞苯基-亞乙烯基］，圖2)∶PC61BM組成的體異質(zhì)結(jié)器件暗電流密度可以降到1nA/cm2以下［2］。Gong課題組［29］利用溶液法制備的P3HT∶PCBM體異質(zhì)結(jié)的器件EQE約為80%，比探測率(500nm，0.32mW/cm2光照，－0.5V偏壓)超過1×1013Jones，線性動(dòng)態(tài)范圍超過120dB，暗電流同樣低至nA/cm2量級(jí)。研究者也通過表面修飾的方式來提高體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的器件性能。Leem等［30］以DMQA和DCV3T組成的體異質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)，利用TPD/MoOX雙層結(jié)構(gòu)作為陽極緩沖層得到的器件在540nm處EQE達(dá)到55.2%，而在－3V偏壓下的暗電流降低到6.41nA/cm2。其他還有利用PEIE(聚乙烯亞胺)作為PBDTT-C(圖2)和PC70BM組成的體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)器件的陽極緩沖層，最終得到的器件在－2V偏壓下暗電流為2nA/cm2，比探測率(680nm光照，－2V偏壓)可達(dá)1013Jones，帶寬為12kHz。
2.3其他結(jié)構(gòu)還有一些器件采用給體/體異質(zhì)結(jié)/受體這樣的三層混合結(jié)構(gòu)。如Ma等［32］發(fā)現(xiàn)他們構(gòu)建的ITO/紅熒烯(Rubrene)/紅熒烯∶C60/C60/Al結(jié)構(gòu)的器件的帶寬比普通的平面異質(zhì)結(jié)器件有顯著的提高，達(dá)到15.6MHz，比探測率(405nm光照條件下)在較低的－2V偏壓下就高達(dá)5×1012Jones，此時(shí)暗電流僅為1.5nA/cm2。另外，該器件在同一電壓下入射光強(qiáng)改變約5個(gè)量級(jí)的范圍內(nèi)，光電流都與光強(qiáng)成線性關(guān)系。該課題組還采用TAPC(1，1-雙［(二-4-甲苯基氨基)苯基］環(huán)己烷，圖2)和C70這一組材料，器件結(jié)構(gòu)也是平面-體異質(zhì)結(jié)混合的結(jié)構(gòu)(圖10b)，同樣取得了很好的器件性能，其比探測率達(dá)到2.5×1013Jones，EQE為62%，在同一電壓下，光電流可以和入射光強(qiáng)在6個(gè)量級(jí)的范圍內(nèi)呈線性關(guān)系［33］。近年來也有一些無機(jī)納米棒、納米等與有機(jī)半導(dǎo)體材料相結(jié)合的新型異質(zhì)結(jié)組合，Xie等［34］報(bào)道的TiO2納米棒與Spiro-MeOTAD組成的器件即是這樣的結(jié)構(gòu)(圖11)，Ogale研究組［35］報(bào)道的ZnO(N)納米棒-Spiro-MeOTAD雜交光敏二極管也是類似的結(jié)構(gòu)，此類器件往往有自供電的特性，即可以在0V偏壓下表現(xiàn)出光響應(yīng)性，符合未來社會(huì)節(jié)能環(huán)保化的傾向。
2.4界面機(jī)理研究對(duì)有機(jī)光敏二極管器件的電子空穴傳輸機(jī)理的研究有利于人們通過設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)得到最優(yōu)化的器件性能。目前，有機(jī)光敏二極管的機(jī)理研究多集中在界面處。Hayden課題組［36］利用TSC(熱激發(fā)電流分析)研究有機(jī)光敏二極管內(nèi)的界面陷阱狀態(tài)，他們發(fā)現(xiàn)在低光強(qiáng)下，有機(jī)光敏二極管的帶寬受到界面陷阱的影響，而當(dāng)光強(qiáng)足夠高時(shí)，體陷阱的影響居主導(dǎo)地位。Wang等［37］研究了有機(jī)光敏二極管在光照下的性能衰退現(xiàn)象，最終他們將引起光電流降低的原因定位在了界面處的光解現(xiàn)象上，并提出合適的緩沖層有利于器件性能的提高。本課題組通過調(diào)節(jié)C60/NPB異質(zhì)結(jié)中半導(dǎo)體薄膜的厚度，建立了OPD界面中關(guān)于耗盡區(qū)形成的定量模型，并提供了一個(gè)普遍適用的方法來探究有機(jī)半導(dǎo)體界面的信息。該模型描述了暗電流和開路電壓與C60和NPB薄膜厚度的關(guān)系。界面處的相關(guān)電子結(jié)構(gòu)信息，如內(nèi)建電場、電荷密度、耗盡區(qū)完全形成的最小厚度和異質(zhì)結(jié)每一側(cè)上的能級(jí)彎曲，都可以從這個(gè)擬合模型中得到(圖12)。該模型的擬合結(jié)果顯示，有光照和無光照情況下，半導(dǎo)體耗盡區(qū)的厚度分別是5nm(C60)/70nm(NPB)和8nm(C60)/60nm(NPB)。器件的性能優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證了擬合模型的合理性。以此為基礎(chǔ)，對(duì)有機(jī)光敏二極管(OPD)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并與有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)組裝成OOC。測試表明該OOC的電流傳輸比、信噪比、截止頻率、跟隨頻率分別為0.58%、3×104、400kHz、1.25MHz［38］。
2.5光強(qiáng)分布的計(jì)算有機(jī)薄膜器件中由于光在薄膜內(nèi)的反射與干涉現(xiàn)象，光場強(qiáng)度在薄膜內(nèi)層波浪狀分布(圖13)，研究器件內(nèi)部光強(qiáng)分布對(duì)于器件光敏性能的優(yōu)化有指導(dǎo)性的意義。O''''connor研究組在光伏器件中引進(jìn)了一個(gè)Cap層，通過轉(zhuǎn)移矩陣法計(jì)算了不同Cap層厚度下異質(zhì)結(jié)界面處的光強(qiáng)分布，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)器件界面處光強(qiáng)分布達(dá)到最大時(shí)，器件的光電流也達(dá)到最大值［40］。Hung等同樣用器件內(nèi)部光場強(qiáng)度的變化來解釋改變器件厚度時(shí)，器件光電流的變化［41］。本課題組發(fā)展了利用光強(qiáng)分布預(yù)測光電流的方法，將器件薄膜厚度對(duì)器件內(nèi)部的光場和電場分布的影響同時(shí)列入考慮，提出了一個(gè)模型，可以預(yù)測mMTDATA/C60器件光電流隨厚度變化的趨勢，并指導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使器件光敏性能得到了顯著提高。該方法也可用于其他材料體系［42］。
2.6有機(jī)光敏二極管的穩(wěn)定性有機(jī)光敏二極管的穩(wěn)定性也是一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)。器件在使用過程中，通常會(huì)受到來自環(huán)境中水、氧的侵蝕，還會(huì)出現(xiàn)由光和電引起的材料老化或降解，這些都會(huì)導(dǎo)致器件性能的衰減，影響器件使用壽命。通常情況下，我們可以使用高功函的電極，如Au、Ag等，作為光敏二極管的陰極，這樣可以降低電極氧化的幾率，在一定程度上對(duì)器件起到保護(hù)的作用，以提高其穩(wěn)定性。但這對(duì)器件內(nèi)部的能級(jí)匹配提出了較為嚴(yán)格的要求和限制。Wang課題組在電極和有機(jī)層界面處引入界面修飾層LiF和Li-acac(乙酰丙酮合鋰)，通過其和無界面修飾層器件的瞬態(tài)光電流譜的對(duì)比，得出了電極/有機(jī)層界面在光生激子的衰減方面起著十分重要的作用。并且在界面處引入界面修飾層可以有效地降低光生激子的衰減，從而得到較穩(wěn)定的器件性能。Simonato課題組通過在Ag電極和光敏層之間引入緩沖層聚乙烯亞胺(PEIE)，使得該器件在環(huán)境條件下放置100天之后，性能仍沒有出現(xiàn)明顯的衰減，如圖14所示。這些研究對(duì)制備高穩(wěn)定、高效率的光敏二極管器件起到十分有效的指導(dǎo)作用。
3未來發(fā)展方向
關(guān)鍵詞：自潔功能材料 自潔功能陶瓷 自潔機(jī)理
隨著工業(yè)的發(fā)展和人類的各種活動(dòng)日益頻繁，由此而滋生的疾病也越來越多。要解決這一問題，必須走可持續(xù)發(fā)展之路：一方面解決污染源，另一方面要提高家居環(huán)境的抗污染能力，即研制相應(yīng)的抗污染材料及其制品。對(duì)于陶瓷行業(yè)而言，這一抗污染材料和制品就是自潔功能陶瓷[1]。
1、自潔功能陶瓷的概念和分類
1.1 概念
自潔功能陶瓷由陶瓷基體和自潔功能材料兩大主要部分構(gòu)成，它是指在陶瓷制品表面或釉層中加入一種或幾種具有抗菌、殺菌、防污、除臭和具有凈化大氣功能的材料，這些功能材料必須以較強(qiáng)的結(jié)合力附著在陶瓷上或者與陶瓷本身結(jié)為一體，同時(shí)對(duì)人體不產(chǎn)生任何危害，這樣制得的多功能陶瓷稱為自潔陶瓷。
1.2 分類
主要分為兩大類：一類是有機(jī)材料，另一類是無機(jī)材料。有機(jī)材料多用于塑料、橡膠、紡織行業(yè)等，無機(jī)材料則多用于無機(jī)非金屬行業(yè)，尤以玻璃和陶瓷行業(yè)應(yīng)用較廣。現(xiàn)在所見報(bào)導(dǎo)的無機(jī)自潔功能材料分三類：一類是含金屬離子的無機(jī)化合物，如AgNO3、CuO等，另一類是光催化半導(dǎo)體化合物，如TiO2、ZnO等，第三類是具有遠(yuǎn)紅外輻射功能的自潔材料，如錳及其氧化物。另外，有人還提出用稀土復(fù)合磷酸鹽無機(jī)抗菌材料按一定比例添加到陶瓷中制備抗菌功能陶瓷材料。
2、自潔原理
2.1 含金屬離子的自潔功能材料
含金屬離子的自潔功能材料其殺菌作用主要依賴金屬離子中不穩(wěn)定電子的遷移，這些電子在遷移的過程中阻礙微生物的呼吸和代謝，破壞其蛋白質(zhì)。以Cu2+離子為例，Cu2+離子失去一至兩個(gè)電子時(shí)，具有強(qiáng)烈的氧化性，這種氧化性阻礙了周圍的微生物的呼吸。同時(shí)，還可氧化分解周圍有機(jī)物。由此可見，金屬離子的殺菌和抗污主要是由強(qiáng)氧化性來完成的。金屬離子按其抗菌效果依次為：Ag>Co>Al>Cu>Zn>Fe>Mn>Sn>Ba>Mg>Ca。而其殺菌效果則有變化，為：Ag>Cu>Fe>Sn>Al>Zn>Co，這主要是因?yàn)榭咕饔门c原子的電子云磁場有關(guān)，而殺菌作用則與其氧化作用的大小有關(guān)。一般情況下，常用的金屬離子有Ag+、Zn2+和Cu2+，分別以其化合物的形式帶入。
2.2 光催化半導(dǎo)體自潔功能材料
物質(zhì)根據(jù)其電性可以分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。在半導(dǎo)體材料中，有這樣一族材料，它們能夠被光子激活，從而實(shí)現(xiàn)電子流動(dòng)，這一族材料稱為光催化半導(dǎo)體材料。[4]其中經(jīng)常應(yīng)用的光催化半導(dǎo)體材料有：TiO2、ZrO2、V2O3、ZnO、CaS、Se、GaP、SiC等，在自潔陶瓷的研究中應(yīng)用較多的為：TiO2、ZrO2和ZnO。
2.3 遠(yuǎn)紅外線自潔功能材料
遠(yuǎn)紅外線自潔功能材料包括鋯（Zr）、鈷（Co）、鎳（Ni）錳（Mn）其及氧化物，這類材料的殺菌自潔與其所放出的遠(yuǎn)紅外線射線有關(guān)。但這類材料的殺菌效果是有限的，它必須和以上兩類自潔功能材料配合使用才有更好的應(yīng)用價(jià)值。
2.4 添加稀土復(fù)合磷酸鹽抗菌功能陶瓷材料
將稀土復(fù)合磷酸鹽無機(jī)抗菌材料按一定比例添加到陶瓷中制備抗菌功能陶瓷材料[2]。結(jié)果表明：在陶瓷中加入稀土復(fù)合磷酸鹽無機(jī)抗菌材料不會(huì)降低陶瓷表面質(zhì)量，且對(duì)金黃色葡萄球菌的6h殺抑率可達(dá)94.8%。[3]將復(fù)合磷酸鹽無機(jī)抗菌材料、陶瓷熔塊、粘土、添加物、水按一定比例加入球磨機(jī)中研磨制得抗菌磨漿.然后經(jīng)過施釉、燒結(jié)制備了抗菌功能陶瓷。
3、自潔功能陶瓷的制作工藝
自潔功能陶瓷的制作工藝基本一致。首先必須有基體（陶瓷）、載體和自潔功能材料，其中載體不僅僅是前述幾種，也可以用溶膠凝膠法或其它化學(xué)反應(yīng)方法制成薄膜（載體），再把殺菌自潔功能材料涂覆在其上，在較低的溫度下進(jìn)行烤制，烤制后應(yīng)以結(jié)合較為牢固為前提。也有人將自潔功能材料和載體合二為一，先將載體制成溶液，然后將自潔功能材料加入，最后用蒸涂、浸漬等工藝與陶瓷表面的結(jié)合[5]。顯然，以上方法都是把自潔功能材料涂覆在陶瓷制品的表面，這樣自潔功能材料的自潔作用較好，但有可能結(jié)合的不是很牢固。有人也研究了將自潔功能材料加入釉中，這種加入釉中的方法顯然是簡單，但是自潔作用要喪失許多。如有學(xué)者在釉中加入抗菌劑，可以提高自潔性能。抗菌劑最好是以磷酸三鈣載銀（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%～10%）引入釉中。抗菌釉面磚采用低溫一次快燒，燒成溫度
4、結(jié)語
自潔功能陶瓷問世以來，受到國內(nèi)外同行的普遍關(guān)注。但至今，仍然有兩個(gè)問題沒有得到完全的解決。一是當(dāng)自潔功能材料涂覆于陶瓷表面或加入陶瓷釉中時(shí)，引起陶瓷表面顏色失真，使得陶瓷表面的光澤度變差。二是當(dāng)自潔功能材料涂覆在陶瓷表面制得自潔功能陶瓷時(shí)，由于烤制的溫度較低，使得自潔功能材料與陶瓷表面的結(jié)合力不夠，日常表現(xiàn)為耐久性較差。要解決以上問題，還需作進(jìn)一步的基礎(chǔ)研究，其中顏色的改變可以嘗試用相關(guān)的蔽色劑加以解決；光澤度不夠必須對(duì)基礎(chǔ)釉進(jìn)行調(diào)整，耐久性不好的解決辦法自然是將自潔功能材料和陶瓷基礎(chǔ)釉融為一體，這方面已有許多的研究者正在努力研究。
參考文獻(xiàn)
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《光電材料導(dǎo)論》是我校無機(jī)非金屬材料專業(yè)2013年開設(shè)的專業(yè)課程。開設(shè)這門課程的原因是：（1）國家在十二五規(guī)劃中提出了重點(diǎn)發(fā)展的七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，其中之一的的新材料產(chǎn)業(yè)包含了功能材料，而光電材料是功能材料的一種；（2）我校的無機(jī)非金屬材料教研室的很多老師從事光電材料相關(guān)的研究，具備開設(shè)這門課程的師資力量。所以在課程的教學(xué)內(nèi)容的選材方面，我們會(huì)著重從這兩個(gè)方面考慮。而教學(xué)方法會(huì)利用現(xiàn)在的多媒體技術(shù)，與傳統(tǒng)的板書相結(jié)合，讓學(xué)生更加形象生動(dòng)的加深對(duì)知識(shí)的理解[1]。
1 教學(xué)內(nèi)容的選材
在教學(xué)內(nèi)容的選材方面，我們綜合考慮了以下幾個(gè)因素：
首先，學(xué)生必須能夠有所學(xué)，開設(shè)一門課程才是有意義的。光電材料是功能材料的一種，為了便于學(xué)生循序漸進(jìn)地吸收理解光電材料的專業(yè)知識(shí)點(diǎn)，教學(xué)內(nèi)容分成三個(gè)方面：光功能材料、電功能材料、光電材料及器件。首先，講解光功能材料和電功能材料方面的知識(shí)點(diǎn)，在具有這些知識(shí)的基礎(chǔ)上，再講解光電材料及器件方面的知識(shí)，學(xué)生們就比較容易理解。
其次，我們結(jié)合現(xiàn)在的就業(yè)情況及研究熱點(diǎn)。我們?cè)O(shè)置的教學(xué)內(nèi)容，既考慮了學(xué)生們以后的就業(yè)，也考慮到想進(jìn)一步深造讀研究生的學(xué)生們的研究工作。光功能材料方面的教學(xué)內(nèi)容包含了激光材料、發(fā)光材料、紅外材料及光纖材料。電功能材料方面的教學(xué)內(nèi)容包含了導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料、介電材料、鐵電材料及超導(dǎo)材料，其實(shí)半導(dǎo)體材料也是一種導(dǎo)電材料，之所以把半導(dǎo)體材料單獨(dú)作為一個(gè)章節(jié)，是因?yàn)榘雽?dǎo)體材料是太陽能電池和LED照明燈的核心材料，這也是為后面的光電材料及器件的講解做鋪墊。光電材料及器件方面的教學(xué)內(nèi)容包含了光電子發(fā)射材料、光電導(dǎo)材料、透明導(dǎo)電薄膜材料、光伏材料與太陽能電池及光電顯示材料。
2 教學(xué)方法的探索
光電材料的內(nèi)容更新很快，現(xiàn)在的學(xué)生不僅應(yīng)該掌握傳統(tǒng)基礎(chǔ)的材料知識(shí)，更應(yīng)該掌握最新的知識(shí)點(diǎn)，更應(yīng)該了解光電材料的最新研究進(jìn)展，而使用多媒體教學(xué)能夠及時(shí)地更新課件的內(nèi)容，使得教學(xué)內(nèi)容能夠跟上最新的研究成果[2]，也能讓學(xué)生及時(shí)了解學(xué)習(xí)最新的材料知識(shí)。
多媒體教學(xué)還有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣[3]，因?yàn)樗谝曈X上能夠讓學(xué)生很直觀的學(xué)習(xí)知識(shí)，比如：太陽能電池的工作原理，我們可以在Powerpoint（PPT）上給出太陽能電池工作原理圖，然后再對(duì)照?qǐng)D給學(xué)生詳細(xì)講解其原理，學(xué)生將更深刻的理解其原理。再比如，在講解光纖的傳輸原理時(shí)，可以通過多媒體技術(shù)使用動(dòng)畫，讓學(xué)生很直觀地了解光纖的原理。
但是多媒體教學(xué)應(yīng)該和傳統(tǒng)的板書結(jié)合起來，因?yàn)橛行┲R(shí)僅僅通過多媒體展示，學(xué)生可能比較難理解，還需要老師再次將其中的重點(diǎn)和難點(diǎn)板書出來詳細(xì)講解，同時(shí)也可以加深同學(xué)的印象。
同時(shí)，我們?cè)谡麄€(gè)的教學(xué)過程中，采用的是啟發(fā)式及提問式的教學(xué)方法。通過對(duì)學(xué)生進(jìn)行提問，啟發(fā)學(xué)生自主思考，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。
3 課程考核方式的選擇
課程考核的成績包含兩個(gè)方面，一個(gè)是平時(shí)成績的考核，一個(gè)是期末成績的考核。
平時(shí)成績的考核，我們通過上課提問、課后習(xí)題、出勤率等方面進(jìn)行考核。上課提問可以考查學(xué)生對(duì)上節(jié)課內(nèi)容的掌握程度，還可以考查學(xué)生是否認(rèn)真聽講、是否認(rèn)真思考問題。課后習(xí)題包括兩個(gè)方面，一個(gè)是對(duì)課上內(nèi)容的考查，幫助學(xué)生鞏固課上知識(shí)，另一個(gè)是對(duì)課外知識(shí)的拓展，督促學(xué)生課后查閱文獻(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。
期末成績的考核，我們采用撰寫科技論文的形式進(jìn)行考核。《光電材料導(dǎo)論》開設(shè)在大四上學(xué)期，總共24個(gè)課時(shí)。因?yàn)楣怆姴牧系膬?nèi)容更新比較快，而教學(xué)課時(shí)比較有限，通過撰寫科技論文的形式，既可以督促學(xué)生去更全面的了解光電材料最新的研究進(jìn)展，又可以鍛煉學(xué)生查閱文獻(xiàn)的能力，培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)文獻(xiàn)的能力，有利于大四學(xué)生在下學(xué)期更快進(jìn)入本科畢業(yè)論文的工作。
4 需要改進(jìn)的地方
作為本專業(yè)開設(shè)的新課，在教學(xué)的探索與實(shí)踐過程中，肯定存在一些不足，有很多地方需要我們?nèi)シ词『透倪M(jìn)。我們自己對(duì)此進(jìn)行了總結(jié)，具體包括以下三個(gè)方面：
（1）在多媒體教學(xué)過程中，我們不僅只是使用了PPT這個(gè)軟件，還應(yīng)該引入視頻，比如，在講解使用直拉法制備單晶硅時(shí)，就可以引入一段視頻，讓學(xué)生更直觀地了解使用直拉法是如何制備單晶硅的。
（2）在教學(xué)的過程中，我們還應(yīng)該出示實(shí)物，讓學(xué)生能夠直接接觸，加深印象。可以出示實(shí)物包括光纖、發(fā)光二極管LED，單晶硅片和多晶硅片（這時(shí)，還可以教學(xué)生從宏觀上如何分辨單晶硅片和非晶硅片）、ITO玻璃、閃鋅礦及纖鋅礦結(jié)構(gòu)模型等，不但增強(qiáng)生學(xué)習(xí)光電材料的興趣，而且讓他們對(duì)光電材料實(shí)體有直接的感性認(rèn)識(shí)[4]。
（3）在教學(xué)過程中，我們還應(yīng)該加入兩個(gè)學(xué)時(shí)的討論課，老師布置一個(gè)題目，讓學(xué)生課后準(zhǔn)備，幾個(gè)學(xué)生一組，進(jìn)行資料搜集與整理，然后讓一個(gè)學(xué)生做代表，在討論課上做PPT報(bào)告，其他組的學(xué)生進(jìn)行提問，作報(bào)告的學(xué)生做解答。同時(shí)這個(gè)也要納入平時(shí)成績中，占總成績的20%。
緒論是引導(dǎo)學(xué)生快速進(jìn)入材料化學(xué)主體內(nèi)容比較關(guān)鍵的部分，在緒論這章應(yīng)該讓學(xué)生盡快對(duì)材料化學(xué)這門課程的一些基本概念、材料化學(xué)的主體內(nèi)容范圍及其地位和作用以及一些學(xué)習(xí)方法，包括思維方式的轉(zhuǎn)化和訓(xùn)練方面有一些了解，同時(shí)由于是雙語教學(xué)，不斷滲透英語教學(xué)內(nèi)容仍是主體，所以在緒論內(nèi)容設(shè)計(jì)上，逐步導(dǎo)入英文教材內(nèi)容，用英語表述一些概念，對(duì)概念的理解上，采取中英文表述，主要是照顧英文理解較差的學(xué)生，同時(shí)給學(xué)生一個(gè)適應(yīng)的過程。在“以學(xué)生為本”的教學(xué)理念下，對(duì)材料化學(xué)緒論內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)踐，以下是教學(xué)實(shí)踐中的嘗試和總結(jié)，以其今后更好地進(jìn)行材料化學(xué)課程雙語教學(xué)，教學(xué)方法上“重視學(xué)”，“以學(xué)生為本”，提高教學(xué)質(zhì)量，實(shí)施以培養(yǎng)能力為中心的素質(zhì)教育。
材料概念的導(dǎo)入
1材料的定義有關(guān)材料的定義有以下幾種：材料是具有結(jié)構(gòu)、光、磁、電的用途的物質(zhì)(Matterisamaterialwhenthatformofmatterhasstructural,optical,magnetic,orelectricuse)。材料是能為人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)地制造有用器材(或物品)的物質(zhì)(Matterisamaterialwhenthatformofmattercanbemanufacturedintousefulobjectseconomicallyforthehumansociety)[13]。材料是人類用來制作物件，如用具、工具、元器件、設(shè)備設(shè)施、系統(tǒng)等的物質(zhì)。《辭海》給材料下的定義是：經(jīng)過人類勞動(dòng)所取得的勞動(dòng)對(duì)象稱為原料，而經(jīng)過工業(yè)加工的原料如鋼材、水泥等則稱為材料[14]。這是以往對(duì)材料的定義，隨著時(shí)代的發(fā)展，材料基本含義沒有太大變化，內(nèi)容上豐富許多。與時(shí)俱進(jìn)，現(xiàn)在采用英文教材的最新定義，是需要學(xué)生理解和掌握的。英文教材的定義為：材料可廣泛定義為可用于解決當(dāng)前或未來社會(huì)需要的任何固態(tài)組件和設(shè)備(Thetermmaterialmaybebroadlydefinedasanysolid-statecomponentordevicethatmaybeusedtoaddressacurrentorfuturesocietalneed)[15-16]。例如，釘子、木材、涂料等解決我們住房需求的簡單建筑材料(Forinstance,simplebuildingmaterialssuchasnails,wood,coatings,etc.addressourneedofshelter)。
2材料的分類材料分類有很多種，現(xiàn)代材料一般分為金屬(metals)材料，高分子(polymer)材料如塑料、橡膠、纖維等，無機(jī)材料如陶瓷(ceramics)、玻璃、水泥、磚瓦等和復(fù)合(composites)材料四大類[17]。英文教材將材料分為天然的(natural)和合成的(synthetic)兩大類材料。天然的材料分為無機(jī)(inorganic)和有機(jī)(organic)材料。無機(jī)天然材料包括礦物(minerals)、黏土(clays)、砂(sand)、骨(bone)和牙(teeth)。有機(jī)天然材料包括木材(wood)、皮革(leather)、糖(sugars)和蛋白質(zhì)(proteins)。合成的材料包括大塊(bulk)、微米(microscale)、納米(nanoscale)材料。大塊(bulk)材料包括非晶態(tài)(amorphous)和結(jié)晶(crystalline)材料[15-16]，這種材料分類更貼近材料化學(xué)的定位。
3復(fù)合材料復(fù)合材料廣義上是指由兩個(gè)或多個(gè)物理相(以微觀或宏觀的形式)所組成的固體材料。狹義上是指用高性能玻璃纖維、碳纖維、陶瓷纖維、晶須、芳香族聚酰胺纖維等增強(qiáng)的塑料，金屬和陶瓷材料等。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織把復(fù)合材料定義為由兩種以上物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體材料[18-19]。
4新材料與功能材料為適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)與國防建設(shè)的發(fā)展，滿足生產(chǎn)力發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步的要求新近出現(xiàn)或研發(fā)出來的、或正在發(fā)展中、具有傳統(tǒng)材料無法比擬或更為優(yōu)異的性能之各種新型材料，均稱為新材料。新材料一般具備表征性、先導(dǎo)性、依托性、時(shí)間性、優(yōu)能性和新穎性6個(gè)特征[14]。材料通常可分為結(jié)構(gòu)材料與功能材料兩大類。結(jié)構(gòu)材料是以強(qiáng)度、剛度、韌性、塑性、耐磨性、硬度等力學(xué)性能為其基本特征，用于制造以承受重力或傳遞應(yīng)力為主要服役方式之結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料。功能材料則是具有特殊物理性能、化學(xué)性能或生物學(xué)性能等，主要用于制造各種功能元、器件的材料[14,20-21]。1965年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室Morton博士提出功能材料的概念，20世紀(jì)70年代日本材料科技界完善確立，20世紀(jì)80年代在我國逐漸被人們接受。功能材料的定義，國內(nèi)外尚無統(tǒng)一定論，國內(nèi)比較一致的定義，功能材料是指那些具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)功能，特殊的物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)效應(yīng)，能完成功能相互轉(zhuǎn)化、并被用于非結(jié)構(gòu)用途的高技術(shù)材料。這些材料在元件、器件、整機(jī)或系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信息與能源的感知、采集、計(jì)測、傳輸、屏蔽、絕緣、吸收、貯存、記憶、處理、控制發(fā)射和轉(zhuǎn)換等目的[14]。
5納米材料20世紀(jì)70年代，日本科學(xué)家最早認(rèn)識(shí)到納米性能并引用納米概念。20世紀(jì)80年代中期，人們正式把這種材料命名為納米材料。納米材料是指物質(zhì)的粒徑至少有一維在1~100nm之間，具有特殊物理化學(xué)性質(zhì)的材料[22-27]。組成納米材料的基本單元在維數(shù)上可分為三類：(1)零維。指在空間三維尺寸均在納米尺度內(nèi)。如原子簇等。(2)一維。指在空間有兩維處于納米尺度。如納米絲、納米棒、納米管等。(3)二維。指在三維空間中有一維處于納米尺度。如超薄膜、多層膜等[24]。在實(shí)際應(yīng)用中，以一個(gè)材料的10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為閾值來確定其是否為納米材料，作為化妝品納米材料的判斷指標(biāo)[28]。材料及其分類的介紹，主要側(cè)重英文教材的定義，讓學(xué)生記住其英文表達(dá)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)材料的應(yīng)用及最新材料介紹。
材料科學(xué)與材料工程的界定
材料科學(xué)是研究材料結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系，而材料工程是在這些結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系基礎(chǔ)上，對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和工程化以生產(chǎn)預(yù)期性質(zhì)的系列產(chǎn)品(Thedisciplineofmaterialsscienceinvolvesinvestigatingtherelationshipsthatexistbetweenthestructuresandpropertiesofmaterials.Incontrast,materialsengineeringis,onthebasisofthesestructure-propertycorrelations,designingorengineeringthestructureofamaterialtoproduceapredeterminedsetofproperties)[29]。
材料化學(xué)的定義
廣義上材料化學(xué)學(xué)科的定義致力于研究組成材料的原子、離子或分子排列之間的相互關(guān)系和它的整體宏觀結(jié)構(gòu)/物理性質(zhì)(Thebroadlydefineddisciplineofmaterialschemistryisfocusedonunderstandingtherelationshipsbetweenthearrangementofatoms,ions,ormoleculescomprisingamaterial,anditsoverallbulkstructural/physicalproperties)。依據(jù)這個(gè)定義，普通學(xué)科如高分子、固體和表面化學(xué)都包括在材料化學(xué)的研究范圍內(nèi)(Bythisdesignation,commondisciplinessuchaspolymer,solid-state,andsurfacechemistrywouldallbeplacedwithinthescopeofmaterialschemistry)。這個(gè)廣泛的領(lǐng)域是由研究現(xiàn)有材料的結(jié)構(gòu)/性質(zhì)，新材料的合成和表征以及利用先進(jìn)的計(jì)算法來預(yù)測未知材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)組成的(Thisbroadfieldconsistsofstudyingthestructures/propertiesofexistingmaterials,synthesizingandcharacterizingnewmaterials,andusingadvancedcomputationaltechniquestopredictstructuresandpropertiesofmaterialsthathavenotyetbeenrealized)[15-16]。#p#分頁標(biāo)題#e#
蘋果手機(jī)將大批量使用OLED顯示屏的新聞再度甚囂塵上。消息稱，蘋果已與三星簽署為期兩年的供貨f議，2017年將采購7000萬塊小尺寸OLED手機(jī)面板，用于裝配即將推出的iPhone 8手機(jī)；不僅如此，谷歌也將投入8.8億美元建OLED生產(chǎn)線，裝配其最新的手機(jī)產(chǎn)品。
與傳統(tǒng)液晶顯示屏依靠燈管、濾鏡、液晶的組合來實(shí)現(xiàn)顯示不同，OLED依靠特殊的有機(jī)發(fā)光材料提供光源并改變亮度和色彩，其顯示效果更佳，同時(shí)更為輕薄，也更便于同VR和柔性顯示相結(jié)合，被認(rèn)為將引發(fā)一場技術(shù)革命，全面取代原有的顯示技術(shù)。
與三星深耕OLED多年不同，國內(nèi)企業(yè)涉足OLED的歷史并不久遠(yuǎn)，但這絲毫不妨礙2016年上半年OLED在A股市場掀起一場熱潮，成為當(dāng)時(shí)最熱門的題材之一；盡管如此，國內(nèi)OLED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展概況不僅沒有明朗，反而愈發(fā)神秘，題材降溫后，眾多OLED概念股股價(jià)回到起點(diǎn)。
如果蘋果公司如期在2017年推出OLED顯示屏的iPhone 8，勢必意味著OLED時(shí)代真正意義上的到來，A股公司又能分得幾杯羹呢？
發(fā)光材料遭遇技術(shù)門檻
OLED產(chǎn)業(yè)鏈上游主要為材料供應(yīng)和設(shè)備供應(yīng)，其中發(fā)光材料和蒸鍍?cè)O(shè)備又是最為核心的技術(shù)。
濮陽惠成（300481.SZ）業(yè)務(wù)涉及OLED功能材料中間體，其股價(jià)（前復(fù)權(quán)）由2016年3月的20元/股開始，三個(gè)月時(shí)間一路飆漲到接近60元/股。
在各種有機(jī)發(fā)光材料中，芴具有較高的光熱穩(wěn)定性、較高的發(fā)光效率和較寬的能隙，是OLED普遍使用的藍(lán)光材料，濮陽惠成擁有500噸左右的OLED 功能材料產(chǎn)能，包括芴類、咔唑類、硼酸類和噻吩類。
2015年，濮陽惠成芴類業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)2163萬元收入，同比增加76.26%，但2016年該項(xiàng)業(yè)務(wù)收入僅為1675萬元，同比下降22.58%。
濮陽惠成在2016年年報(bào)中表示，公司將通過不斷改進(jìn)OLED功能材料的合成工藝，增加產(chǎn)品種類，重點(diǎn)開發(fā)咔唑類衍生物、芴類衍生物，持續(xù)提升自身在OLED功能材料領(lǐng)域的市場地位和產(chǎn)品競爭力，逐漸將其培育成公司新的利潤增長點(diǎn)。不難發(fā)現(xiàn)，OLED對(duì)于濮陽惠成目前的業(yè)績影響幾乎可以忽略不計(jì)，太平洋證券研報(bào)認(rèn)為，上游OLED材料的需求大規(guī)模放量預(yù)計(jì)要到2018年以后。
但是，讓國內(nèi)功能材料企業(yè)無法享受OLED紅利的似乎不僅僅是時(shí)間。OLED功能材料生產(chǎn)中，首先由化學(xué)原料合成OLED中間體，再由單體廠商把中間體合成升華前材料（單體），最后進(jìn)行升華提純，形成OLED終端材料。
太平洋證券研報(bào)認(rèn)為，僅從OLED 功能材料的合成難度來看，中間體進(jìn)入門檻和成本并不高。興業(yè)證券研報(bào)提出同樣質(zhì)疑，OLED產(chǎn)業(yè)鏈中收益和技術(shù)壁壘最高的部分實(shí)際上為單體及提純，而目前單體市場幾乎被國外企業(yè)壟斷，國內(nèi)OLED企業(yè)缺乏關(guān)鍵材料的專利和技術(shù)。這也意味著，最具利潤和核心競爭力的部分，國內(nèi)企業(yè)難以吃到。
另一家涉及功能材料的A股公司萬潤股份（002643.SZ），其股價(jià)同樣在三個(gè)月時(shí)間內(nèi)由每股30元上漲到接近60元。萬潤股份不僅涉及中間體，同樣在單體上也有動(dòng)作。
萬潤股份單體研發(fā)主要由子公司江蘇三月光電科技有限公司承擔(dān)，三月光電創(chuàng)始人李崇參與過日本OLED研究，2009年創(chuàng)辦三月光電，主要進(jìn)行OLED技術(shù)研發(fā)。根據(jù)萬潤股份年報(bào)，2015年和2016年，三月光電營業(yè)收入分別為2373萬元和1631萬元，凈利潤卻分別只有24萬元和25萬元。
對(duì)于OLED布局，萬潤股份在年報(bào)中表示，公司主要產(chǎn)品包括OLED單體與OLED中間體，為該領(lǐng)域國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)，公司早在OLED材料興起之時(shí)就開始布局OLED材料產(chǎn)業(yè)鏈，為可能出現(xiàn)的顯示材料產(chǎn)業(yè)升級(jí)做好了準(zhǔn)備；未來隨著OLED材料在小尺寸顯示領(lǐng)域應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，公司OLED材料領(lǐng)域有望進(jìn)一步擴(kuò)大在該領(lǐng)域的市場占有率。
盡管無法否認(rèn)國內(nèi)企業(yè)在功能材料尤其是單體材料后來居上的可能性，但僅就目前來看，仍然存在著極大的不確定性和未知數(shù)。
在2016年6月股價(jià)達(dá)到頂峰后，濮陽惠成和萬潤股份開始進(jìn)入下跌通道，2017年4月26日分別收于25.30元/股和36.10元/股，幾乎被打回原型，也說明了題材躁動(dòng)后，市場對(duì)國內(nèi)OLED行業(yè)的謹(jǐn)慎態(tài)度。
PI膜“難產(chǎn)”
OLED相較傳統(tǒng)液晶屏的另一大優(yōu)勢，是便于同屏幕柔性可折疊相結(jié)合，丹邦科技（002618.SZ）是這個(gè)故事的主角之一。
2016年3月初到6月底，丹邦科技股價(jià)由最低12元/股上漲到最高36元/股，除了OLED整個(gè)題材啟動(dòng)外，其PI膜項(xiàng)目是另一推手。
2013年，丹邦科技定增6億元，用于建設(shè)微電子級(jí)高性能聚酰亞胺研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，即微電子級(jí)PI膜項(xiàng)目，該種材料應(yīng)用于柔性顯示領(lǐng)域，存在較高技術(shù)壁壘，微電子級(jí)PI膜基本被國外企業(yè)壟斷。
根據(jù)當(dāng)時(shí)的募投方案，丹邦科技將建設(shè)年產(chǎn)300噸微電子級(jí)PI膜項(xiàng)目，其中9微米和12.5微米各150萬噸，兩種規(guī)格的PI膜售價(jià)分別為109.8萬元/噸和91.5萬元/噸，完全達(dá)產(chǎn)后，預(yù)計(jì)新增營業(yè)收入3億元、新增凈利潤1.52億元，項(xiàng)目建設(shè)期24個(gè)月，建設(shè)完成后第一年和第二年的產(chǎn)能利用率分別為60%、80%，第三年完全達(dá)產(chǎn)。
也就是說，2015年丹邦科技PI項(xiàng)目建設(shè)完成，2016年就將貢獻(xiàn)1.8億元的營業(yè)收入和9000萬元的凈利潤。但是，該項(xiàng)目卻一波三折，2015年6月，丹邦科技公告表示，公司預(yù)計(jì)PI膜項(xiàng)目達(dá)到預(yù)定可使用狀態(tài)的日期將由2015年5月31日調(diào)整至2015年10月31日，這是該項(xiàng)目首次推遲，隨后便進(jìn)入膠著狀態(tài)。
直到丹邦科技股價(jià)達(dá)到36元/股后，其PI膜項(xiàng)目仍然未能落地，伴隨著OLED退潮，股價(jià)也迅速回落。2016年7月底，故事發(fā)生了轉(zhuǎn)機(jī)，丹邦科技在互動(dòng)易平臺(tái)上表示，其PI膜項(xiàng)目將在8月底完成，于是股價(jià)開始反彈，并在8月底創(chuàng)下接近40元/股的新高。
股價(jià)創(chuàng)下新高后，丹邦科技的PI膜項(xiàng)目卻再次杳無音訊，其股價(jià)也像濮陽惠成和萬潤科技一樣，一路下滑到最低20元/股。
2017年4月5日，丹邦科技再發(fā)公告，表示PI膜項(xiàng)目已經(jīng)完成測試并小批量試產(chǎn)，并開始著手進(jìn)行批量生產(chǎn)，似乎終于看到了勝利的曙光。
值得注意的是，2015年，丹邦科技營業(yè)收入和凈利潤分別為4.19億元和6687萬元，同比分別下降16.54%和26.46%；2016年，其營收和凈利潤分別為2.71億元和2459萬元，同比分別下降35.39%和63.23%。
連續(xù)兩年的業(yè)績大幅下滑，讓PI膜項(xiàng)目成為丹邦科技最后的救命稻草，排除該項(xiàng)目仍然存在的眾多不確定性，即便全額完成預(yù)定效益，又能否匹配其80億元的市場估值呢？
三星供應(yīng)鏈難入
2016年7月，中穎電子（300327.SZ）設(shè)立合資公司“芯穎科技有限公司”，公司持股75%，其所有AMOLED顯示驅(qū)動(dòng)芯片業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)入芯穎科技負(fù)責(zé)。
公開資料顯示，2015年，中穎電子已經(jīng)與國內(nèi)OLED面板廠商和輝光電合作開發(fā)AMOLED驅(qū)動(dòng)芯片，后者批量采用中穎電子OLED芯片。
國聯(lián)證券認(rèn)為，和輝光電OLED面板產(chǎn)能有望達(dá)到3萬片/月，中穎電子還將與國內(nèi)其他主流面板廠商合作，2017年至2019年驅(qū)動(dòng)IC收入有望達(dá)到7300萬元、2.5億元和8.2億元。
比起研報(bào)的樂觀，中穎電子在2016年年報(bào)中并未透露其OLED相關(guān)業(yè)務(wù)的具體信息，僅表示，該業(yè)務(wù)短期會(huì)影響公司盈利，長期有機(jī)會(huì)，以AMOLED顯示屏驅(qū)動(dòng)芯片為公司帶來新的盈利增L點(diǎn)。而根據(jù)年報(bào)中提供的芯穎科技財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)，2016年其營業(yè)收入為292萬元，凈利潤為-328萬元。
【關(guān)鍵詞】高分子；化學(xué)；發(fā)展；方向
中圖分類號(hào)： F407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
一、前言
我國高分子化學(xué)一直都是我國發(fā)展的重點(diǎn)，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于很多相關(guān)產(chǎn)業(yè)非常有幫助，高分子化學(xué)是高分子材料的研究基礎(chǔ)，已經(jīng)涉及到了機(jī)械行業(yè)，建筑行業(yè)等多個(gè)行業(yè)，因此發(fā)展高分子化學(xué)對(duì)于我國高分子材料行業(yè)是非常有幫助的。
二、現(xiàn)如今高分子化學(xué)的發(fā)展情況和應(yīng)用范圍
自從20世紀(jì)到現(xiàn)在，隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，天然資源已經(jīng)露出了疲態(tài)，科學(xué)家們已經(jīng)開始使用高分子化學(xué)進(jìn)行材料的合成。有數(shù)字表明，在之前的40年中，使用材料的速度正在以每10年五倍增長，人類三大合成材料，其中包括塑料、橡膠、纖維，在使用過程中表現(xiàn)出了令人驚訝的增長速度。新型的材料，特別表現(xiàn)在合成材料，在工業(yè)、建筑、農(nóng)業(yè)、電子技術(shù)方面都被廣泛使用，極大的支撐著人類的日常生活，是使國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的必要?jiǎng)恿υ慈?/p>
相對(duì)分子質(zhì)量和物質(zhì)的性質(zhì)是密切相關(guān)的，是決定物質(zhì)性質(zhì)的一個(gè)重要因素。只有相對(duì)分子質(zhì)量高的化合物才有一定的機(jī)械力學(xué)性能，才能作為材料使用。例如乙烷、辛烷、廿烷、聚乙烯、超高分子量聚乙烯，都是直鏈的烷烴化合物，但是分子量變化很大，其機(jī)械力學(xué)性能因而也有極大的區(qū)別。
三、高分子化學(xué)與高科技的結(jié)合
當(dāng)今社會(huì)，人們將能源、信息和材料并列為新科技革命的三大支柱，而材料又是能源和信息發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。自從合成有機(jī)高分子材料的那一天起，人們始終在不斷地研究、開發(fā)性能更優(yōu)異、應(yīng)用更廣泛的新型材料，來滿足計(jì)算機(jī)、光導(dǎo)纖維、激光、生物工程、海洋工程、空間工程和機(jī)械工業(yè)等尖端技術(shù)發(fā)展的需要。高分子材料向高性能化、功能化和生物化方向發(fā)展，出現(xiàn)了許多產(chǎn)量低、價(jià)格高、性能優(yōu)異的新型高分子材料。
隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多具有特殊功能的高分子材料也不斷涌現(xiàn)出來，如分離材料、光電材料、磁性材料、生物醫(yī)用材料、光敏材料、非線性光學(xué)材料等等。功能高分子材料是高分子材料中最活躍的領(lǐng)域，下面簡單介紹特種高分子材料：功能高分子是指當(dāng)有外部刺激時(shí)，能通過化學(xué)或物理的方法做出相應(yīng)反應(yīng)的高分子材料；高性能高分子則是對(duì)外力有特別強(qiáng)的抵抗能力的高分子材料。它們都屬于特種高分子材料的范疇；特種高分子材料是指帶有特殊物理、力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)和功能的高分子材料，其性能和特征都大大超出了原有通用高分子材料（化學(xué)纖維、塑料、橡膠、油漆涂料、粘合劑）的范疇。
第一，力學(xué)功能材料：強(qiáng)化功能材料，如超高強(qiáng)材料、高結(jié)晶材料等；)彈材料，如熱塑性彈性體等。
第二，化學(xué)功能材料：分離功能材料，如分離膜、離子交換樹脂、高分子絡(luò)合物等；反應(yīng)功能材料，如高分子催化劑、高分子試劑；生物功能材料，如固定化酶、生物反應(yīng)器等。
第三，生物化學(xué)功能材料：人工臟器用材料，如人工腎、人工心肺等；高分子藥物，如藥物活性高分子、緩釋性高分子藥物、高分子農(nóng)藥等；生物分解材料，如可降解性高分子材料等。
可以預(yù)計(jì)，在今后很長的歷史時(shí)期中，特種與功能高分子材料研究將代表了高分子材料發(fā)展的主要方向。
四、高分子材料化學(xué)的應(yīng)用
材料是人類社會(huì)文明發(fā)展階段的標(biāo)志，是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。它是指經(jīng)過某種加工，具有一定結(jié)構(gòu)、組分和性能，并可應(yīng)用于一定用途的物質(zhì)。上世紀(jì)半導(dǎo)體硅、高集成芯片、高分子材料的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，把人類由工業(yè)社會(huì)推向信息和知識(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)。可以說某一種新材料的問世及其應(yīng)用，往往會(huì)引起人類社會(huì)的重大變革，材料是人類文明的重要標(biāo)志。如果說現(xiàn)在人人離不開高分子材料，家家離不開高分子材料，處處離不開高分子材料，是一點(diǎn)也不過分的。高分子化合物的最主要的應(yīng)用是以高分子材料的形式出現(xiàn)的，高分子材料包括了塑料、纖維、橡膠三大傳統(tǒng)合成材料，另外許多精細(xì)化工材料也都是高分子材料。
第一，塑料：一類是通用塑料，如容器、管道、家具、薄膜、鞋底與泡沫塑料等等；另一類叫工程塑料，其強(qiáng)度大，如汽車零部件、保險(xiǎn)杠、洗衣機(jī)內(nèi)的滾筒、電器的外殼等。
第二，纖維：人們開發(fā)出聚酯、尼龍、腈綸、維尼綸等高分子化合物，通過不同的加工，生產(chǎn)出了各種纖維制品，極大地滿足著人類的需要。
第三，橡膠：天然橡膠的種類和品質(zhì)都受到很大的限制，于是科學(xué)家們不斷開發(fā)出了各種人造橡膠，如丁苯橡膠、丁腈橡膠、乙丙橡膠、氟橡膠、硅橡膠等。
第四，精細(xì)化工：比如使得我們的世界變得豐富多彩的各種涂料產(chǎn)品，如家具漆、內(nèi)外墻乳膠漆、汽車漆、飛機(jī)漆等。女孩子用的指甲油，使牙齒變白的增白劑也都是涂料。還有萬能膠、建筑用膠、醫(yī)用膠、結(jié)構(gòu)膠等黏合劑，以及各種吸水樹脂等都是高分子產(chǎn)品。
五、高分子化學(xué)的發(fā)展方向
1、使地球更加綠色化
在現(xiàn)在很多工業(yè)發(fā)達(dá)的城市，天空中都會(huì)飄著非常濃郁的黑煙，對(duì)人們的日常生活有非常嚴(yán)重的污染。綠色，在現(xiàn)在被認(rèn)為是沒有污染、再生性或者可以循環(huán)使用。在沒有污染方面，我們需要做的就是減少工業(yè)廢棄物的排放、相對(duì)的減少污染源。現(xiàn)在的情況表明，化學(xué)行業(yè)中具有污染和治理兩個(gè)方面的性質(zhì)，可以對(duì)綠色使用材料進(jìn)行研究，也可以繼續(xù)對(duì)環(huán)境造成惡化。例如：在研制的過程中使用的催化劑、溶解劑、中間物品等，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣、廢渣、廢棄液體等都是對(duì)環(huán)境造成影響的主要元兇，若長期的進(jìn)行排放，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響，甚至?xí)?dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的事情發(fā)生。
2、減少的自然資源的使用依賴
目前研究的高分子合成材料對(duì)石油具有很強(qiáng)的依賴性，眾所周知，石油是經(jīng)過地球非常漫長孕育才出現(xiàn)的，另外，石油也是現(xiàn)如今人類社會(huì)非常重要的能源，石油資源現(xiàn)在正在快速的減少，而且不能快速的進(jìn)行補(bǔ)充，所以人們現(xiàn)在非常急切的找到可以代替石油使用的資源，這已經(jīng)成為現(xiàn)在高分子化學(xué)研究中非常重要的課題。在對(duì)物質(zhì)中原子和分子的比率進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)物質(zhì)的微觀特性、宏觀特性以及表面性質(zhì)進(jìn)行加強(qiáng)控制，也許這種物質(zhì)就會(huì)滿足一些行業(yè)的使用要求，當(dāng)這種情況出現(xiàn)的時(shí)候就可以把這種物質(zhì)作為材料使用。所以，在對(duì)材料進(jìn)行配置的時(shí)候就會(huì)減少對(duì)不可再生資源的依賴程度，并對(duì)使用材料和環(huán)境進(jìn)行相互協(xié)調(diào)，這是現(xiàn)如今化學(xué)研究當(dāng)中非常重要的領(lǐng)域。現(xiàn)在很多高分子合成材料都非常依賴石油資源。想要解決目前的情況，可以對(duì)天然高分子進(jìn)行利用，這其中也應(yīng)該包含對(duì)無機(jī)高分子的不斷探索和研究。
現(xiàn)在由石油合成的高分子材料，主要因?yàn)樵又幸蕴紴橹饕兀渲羞€含有少量的氮、氧等原子，所以被稱為有機(jī)高分子。無機(jī)高分子是因?yàn)橹麈溕系慕M成原子中不含碳。根據(jù)元素的性質(zhì)進(jìn)行判斷，大約有40～50種元素可以成為長鏈分子。現(xiàn)在引起科學(xué)家高度重視的一種無機(jī)高分子，它的主鏈上都是硅原子，并且含有有機(jī)側(cè)鏈的聚硅烷。
3、使高分子材料不斷納米化
現(xiàn)在很多高分子化學(xué)反應(yīng)中的原子經(jīng)過重新排列組合之后的反應(yīng)空間要比原子的大小大出很多，所以，化學(xué)反應(yīng)的研究要在一個(gè)受限空間之中進(jìn)行。若在有限的空間中，像納米量級(jí)的片層當(dāng)中，小型分子由于和片層分子相互作用而且還在一個(gè)比較受限的空間內(nèi)進(jìn)行排列，之后產(chǎn)生單體聚合，聚合之后的產(chǎn)物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不會(huì)再受限的空間內(nèi)進(jìn)行全部的復(fù)制，這種情況和自由空間的結(jié)果完全不同。我們也許會(huì)在受限制空間內(nèi)進(jìn)行聚合反應(yīng)的分子中提煉出高分子納米化學(xué)的定義。化學(xué)的研究對(duì)象基本都是納米量級(jí)的分子和原子，但是因?yàn)闆]有精細(xì)的方式，沒有達(dá)到可以在納米尺度上精確控制分子或者原子的程度，所以現(xiàn)如今很難做到對(duì)分子的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，使化學(xué)的合成讓人感覺非常的粗放。高分子化學(xué)在納米程度上精要精確的按照分子設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上確定分子鏈中的原子配比位置以及相互結(jié)合的方式，通過納米技術(shù)對(duì)分子、原子和分子鏈進(jìn)行非常精確的控制，達(dá)到對(duì)高分子各級(jí)結(jié)構(gòu)的位置確定。這樣就可以精確的控制新合成材料的功能和特性。
4、面向智能材料的高分子化學(xué)研究路線
20世紀(jì)的人類社會(huì)是以合成材料為標(biāo)志的，在21世紀(jì)人類社會(huì)的標(biāo)志將會(huì)是智能材料。高分子化學(xué)仍然是進(jìn)入智能材料時(shí)期非常重要的組成部分。材料自身具有的功能可以根據(jù)外部條件的變化，有意識(shí)的進(jìn)行調(diào)節(jié)和修復(fù)等一系列措施，這就是智能材料的基本定義。現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)了解高分子有軟物質(zhì)這一特征，簡單說就是可以對(duì)外場具有反應(yīng)。
六、結(jié)束語
綜上所述，高分子化學(xué)已經(jīng)發(fā)展到了非常不錯(cuò)的方向，在很多方面都有非常廣闊的運(yùn)用，目前高分子化學(xué)會(huì)朝著綠色以及環(huán)保方面進(jìn)行發(fā)展，隨著高分子化學(xué)不斷取得突破，未來使用高分子材料的前景會(huì)更加的廣闊。
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電氣石功能的復(fù)合型材料，一般情況下是將電氣石與有機(jī)、無機(jī)、天然材料等復(fù)合而成的材料，經(jīng)過復(fù)合之后，這些材料在功能和性質(zhì)方面都發(fā)生了一些變化，可以使材料的性能得到進(jìn)一步的優(yōu)化，同時(shí)，經(jīng)過復(fù)合之后，制造的成本還能降低，提高材料在使用方面的功能，滿足人們對(duì)不同物質(zhì)材料的需求。
一、目前我國電氣石功能復(fù)合材料研究進(jìn)展
目前，電氣石在應(yīng)用上主要包括以下幾個(gè)方面：
1.環(huán)保方面
在空氣以及水的凈化方面，電氣石的負(fù)離子對(duì)其的改善作用是十分明顯的，在改善環(huán)境、促進(jìn)人身體健康發(fā)展方面有著重要的作用。
2.保健行業(yè)
電氣石具有防臭、抗菌、發(fā)射遠(yuǎn)紅外線、抗靜電、抗電磁波等功能，這些功能在人體保健方面有著極大的好處，因此，在一些人體休閑的場所得到廣泛的應(yīng)用，比如在汗蒸館，可以通過電氣石的復(fù)合型材料所釋放出的能量，讓人在靜止的情況下細(xì)胞可以處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，促進(jìn)血液的循環(huán)，加快人體的新陳代謝，達(dá)到為人體進(jìn)行治療以及保健的作用效果。
3.建筑材料方面
在建筑材料，例如水泥、石材等方面加入電氣石的微粉，在消毒、凈化方面有著重要的作用，還可以去除污漬等。
4.農(nóng)業(yè)方面
電氣石材料應(yīng)用在農(nóng)業(yè)方面，可以使土壤的結(jié)構(gòu)得到改善，從而促進(jìn)農(nóng)作物的生長，達(dá)到農(nóng)作物增產(chǎn)的目的。與此同時(shí)，在養(yǎng)殖業(yè)、造酒業(yè)、鮮花的培育方面，電氣石材料的應(yīng)用都十分廣泛。
二、電氣石功能材料的發(fā)展前景
在電氣石功能材料的諸多的研究以及應(yīng)用之中，可以發(fā)現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，在改善環(huán)境以及促進(jìn)各種產(chǎn)品的功能特性方面，電氣石有著重要的作用，對(duì)我們的生產(chǎn)生活有著重要的意義。但目前為止，我們?cè)陔姎馐δ懿牧戏矫娴难芯亢烷_發(fā)仍不夠深入，需要我們?nèi)ミM(jìn)行深層次的開發(fā)。
當(dāng)前，電氣石在應(yīng)用方面僅僅是作為礦物的填料去應(yīng)用的，雖然在實(shí)際的應(yīng)用方面有一定的用處，也可以發(fā)揮出一定的作用，但從整體情況以及電氣石的整個(gè)功用來看，并沒能將其應(yīng)用在比較高端的技術(shù)領(lǐng)域方面，若是可以在高分子的結(jié)構(gòu)制備中將電氣石的功能以化學(xué)化學(xué)鍵合的方式規(guī)則地引入其中，將其進(jìn)行研究和開發(fā)，制造出一些高端的材料，那么在我們的生活中就可以得到更大的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益。
目前，我們?cè)陔姎馐呢?fù)離子釋放方面的機(jī)理、抑制細(xì)菌消滅細(xì)菌方面的機(jī)理以及對(duì)遠(yuǎn)紅外的輻射性能方面的影響因素等，都需要進(jìn)行深入的研究，這樣才能更好地找出電氣石功能材料的結(jié)構(gòu)與性能方面的一些聯(lián)系。同時(shí)，電氣石復(fù)合的材料在電磁方面的屏蔽以及影響條件的方面還需要得到提升，必須提高電氣石功能的復(fù)合材料在制備方面的技術(shù)水平，在電氣石功能的復(fù)合性材料的研究和開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)花費(fèi)大量的時(shí)間和精力去進(jìn)行研發(fā)，提高材料的應(yīng)用范圍。
同時(shí)，改性劑在電氣石的結(jié)構(gòu)和性能方面的影響方面的研究，在未來電氣石材料的發(fā)展方面也有著重要的意義。隨著人們對(duì)電氣石的研究的加深，電氣石復(fù)合型材料在應(yīng)用方面會(huì)越來越廣泛，應(yīng)用的實(shí)際效果也會(huì)越來越明顯。
三、結(jié)束語
作為天然的非金屬的礦產(chǎn)資源，電氣石在復(fù)合材料的應(yīng)用方面是十分重要的，電氣石在物理化學(xué)方面的獨(dú)特性，在復(fù)合材料的制造和應(yīng)用中前景十分廣泛，對(duì)特殊性能、綜合性能材料的開發(fā)有著十分重要的意義。目前，我國在電氣石的復(fù)合材料研究方面仍處于比較簡單的階段，沒有進(jìn)行深入的研究，在電氣石資源的利用方面也不夠充分。鑒于電氣石的復(fù)合型材料在我們實(shí)際的生活中應(yīng)用是十分有潛力的，我相信，隨著人們對(duì)電氣石材料的深入研究，我國在電氣石復(fù)合型材料方面的發(fā)展一定會(huì)更加快速，在應(yīng)用方面也會(huì)更加廣泛，推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
[1]胡應(yīng)模，陳旭波，湯明茹.電氣石功能復(fù)合材料研究進(jìn)展及前景展望[J].地學(xué)前緣，2014，05：331-337.
