功能材料范文第1篇
功能材料范文第2篇
复合材料因其比强度、比模量高的特点在汽车、船舶、以及飞机制造工业得到了广泛应用。但纤维增强复合材料具有各向异性的特点，其面内的抗拉强度与刚度较高，而层间性能较差。碳纳米管（CNTs）超强的力学性能为改善复合材料层间性能提供了新途径。纤维增强复合材料因为其比强度、比模量高以及质量轻的特点在汽车、船舶、以及飞机制造工业得到了广泛的应用。但复合材料层板的性能存在着各向异性的特点，其面内的抗拉强度与刚度较高，而抗压缩性能以及层间性能较差。例如复合材料层板吸收冲击载荷的能力十分有限，冲击后材料的性能会明显的下降，其原因是它的塑性较差并且界面相对薄弱。界面决定载荷从基体向增强体传递的效率，对于复合材料强度特别是偏轴强度在一定程度上起到决定性作用；对于复合材料的损伤累积与裂纹传播历程起一定影响。因而改善纤维复合材料层间性能也是提高复合材料综合性能的有效途径。
CNTs是新型功能材料，具有大的长径比、超高的强度和模量、韧性好、密度低、更兼具特殊的电子学性质，是复合材料的优秀改性剂和理想的功能、增强材料。其超强的力学性能可以极大地改善聚合物基复合材料的强度和韧性。相比于传统纤维，碳纳米管与树脂之间的应力传递效率要高出传统纤维10倍。并且碳纳米管具有各向同性的特点。因此，在传统复合材料中引入碳纳米管，借助其优良的力学性能、大长径比、各项同性等特点，成为了改善传统复合材料层间性能的有效途径。碳纳米管存在于裂纹前缘还可以通过架桥作用、碳纳米管的断裂以及碳纳米管的拔出吸收能量以减缓裂纹的扩展。从而提高其层间的断裂韧性以及使其具有一定的功能性。目前碳纳米管改性纤维复合材料的方法可分为以下3类：通过碳纳米管对于树脂基体的改性，改善复合材料的力学性能；通过碳纳米管对于纤维进行改性，从而增加纤维与树脂界面性能以及层间性能，从而综合提高复合材料的性能；通过碳纳米管对于预浸料进行改性，从而改善复合材料的层间韧性及其他性能。
一、碳纳米管改性纤维复合材料主要方法
碳纳米管分散在树脂基体中，能够起到增强界面，以及增强基体的作用。一方面能改善环氧树脂基体的力学性能。另一方面在纤维与树脂界面处CNTs的搭桥作用，可以有效传递应力，阻止裂纹扩展，增韧纤维与树脂界面。树脂的固化特性以及力学性能，也会受到碳纳米管的影响。但是由于分散在界面处的CNTs有限，对界面的影响较小；目前碳纳米管与聚合物进行复合的方法主要有3种：直接共混法、溶液共混法和原位复合法。直接共混法是工业上一种比较常用的方法，可进行规模化生产，此方法将碳纳米管直接分散在树脂基体中。溶液共混法是将碳纳米管与树脂共同分散在溶剂中进行混合或先将碳纳米管分散在溶剂中再加入树脂基体进行混合。原位复合法是指将碳纳米管与聚合物单体混合后进行单体聚合，这种方法中碳纳米管与基体的界面结合性能较好。
Zhiqi Shen[1]将CNTs与尼龙混合后制膜再与玻璃纤维组成复合材料层板，并研究了CNTs含量对材料的力学性能、热性能以及耐火性能的影响。实验表明，当碳管添加量高于2%时，复合材料层板的抗弯极限增高36%。Tugrul Seyhan[2]使用3辊研磨法（见图1），将环氧树脂与CNTs进行混合后通过真空辅助树脂传递模塑成型法制备了复合材料层合板。实验发现通过在树脂中添加质量分数为0.1%的胺基功能化的多壁碳纳米管后，复合材料层板的II型断裂韧性（GIIC）以及层间剪切强度分别提高8%与11%。但是I型断裂韧性没有明显的提升。通过SEM观察了碳纳米管的分布以及断口形貌，发现3辊研磨法对于碳管在樹脂中的分散优于声波降解法以及高速剪切法，并且CNTs在界面起到了增强作用。
Lars B ger[3]等使用3辊法将多壁碳纳米管（MWCNTs）混入RIM 135环氧树脂中，之后使用真空灌注工艺制备玻璃纤维复合材料，考察玻璃纤维复合材料的静态拉伸以及动态疲劳性能。通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，在树脂中存在着CNTs的团聚现象。作者通过检测复合材料拉伸过程中的电阻变化来判断初始裂纹的产生。经过测试发现，加入质量分数为0.3%的MWCNTs后产生初始裂纹的压力提高，疲劳性能也有所提高。V.Kostopoulos[4]将多壁碳纳米管使用3辊研磨的方法分散到双酚A树脂中，制成碳纤维复合材料层板后，研究了层板的冲击后性能。研究表明，经碳纳米管改性后的层板相比于未改性层板冲击后的压缩模量以及压缩强度都有所提高，并且冲击后的压缩-压缩疲劳寿命也有所提高。Naveed A.Siddiqui[5]等将碳纳米管进行表面处理后，先分散在丙酮中，再与环氧树脂均匀混合，探究了碳纳米管质量分数分别为0%、0.5%、0.7%和1.0%的环氧树脂的流变特性与固化特性，得到结论为：环氧树脂的黏度随着碳纳米管含量的增加而增加。表面处理过的碳纳米管对于树脂固化行为的催化活性在碳纳米管质量分数低于0.5%时可以忽略不计，而当碳纳米管的质量分数增加至1.0%时，催化活性显著提高。A.Rahaman[6]等人研究了碳纳米管的加入对于树脂固化行为的影响。在其研究中使用溶液共混法将碳纳米管与树脂进行混合，混合后将溶剂挥发制备碳纳米管环氧树脂复合材料。分别制备了功能化碳纳米管复合材料与非功能化碳纳米管复合材料，并对3种碳纳米管的质量分数进行了研究，分别为0.1%、0.5%及1.0%。实验研究表明，由于碳纳米管的加入给分子链运动带来的阻碍作用，使得固化反应的活化能出现改变，并且通过DSC数据分析发现，碳纳米管的加入会使得树脂的固化温度向低温方向移动，作者认为其源于碳纳米管较高的导热系数。李兆敏[7]使用羧基化和胺化的多壁碳纳米管溶于丙酮溶剂后与环氧树脂进行混合，模压成型后环氧树脂的力学性有了较大的改善，体电阻率有明显的下降。Behnam Ashrafi[8]通过一系列的反应条件将单壁碳纳米管通过化学键与树脂连接再将树脂灌注到预成型体中固化成型，最终制得的复合材料层板的冲击后压缩强度提高3.5%，GIC提高13%，GIIC提高28%。
二、碳纳米管改性纤维
碳纳米管改性纤维的方法主要分为2种：通过化学气相沉积方法（CVD）在碳纤维表面直接生长出碳纳米管；另一种则是通过化学或者物理键合把碳纳米管接枝到碳纤维表面。碳纳米管在纤维表面的沉积可产生碳纳米管/碳纤维多尺度增强体（如图2所示）。多尺度增强复合材料可以充分发挥碳纤维和碳纳米管的优势性能，显著改善树脂与纤维之间的相互作用和界面强度。其原因在于多尺度的形貌可以大大增加纤维与基体的接触面积，增强界面的机械啮合作用。另一方面此种方法可以实现碳纳米管的定向排布，由于碳纳米管具有很好的韧性，因而也可提高基体材料的韧性。另外，碳纳米管可以起到阻止裂纹扩展的作用。若CNTs表面含有活性基团，还可提高与基体树脂之间的浸润性。
1.化学气相沉积
2009年，利用CVD方法，Sager[10]等人通过调整CVD生长碳纳米管的条件参数，制备2种不同形态的增强体，分别为定向生长和自由生长，如图3所示，并研究了其与环氧树脂的界面剪切强度。研究表明界面强度增长11%～71%。但作者也指出由于造成纤维的损伤，强度模量下降约12%。
Sunny S.Wicks等人使用化学气相沉积的方法在氧化铝纤维表面沉积碳纳米管。氧化铝纤维在化学气相沉积的过程中不会造成纤维的力学性能损失。此学者研究了CNTs的沉积對于使用真空关注成型（VARI）工艺中树脂的渗透率的影响。实验表明，CNTs的沉积使得树脂灌注过程中表面积提高，从而使得渗透率下降。并且随着CNTs含量的增大，渗透率下降增多，但是并不明显。沉积CNTs后的纤维仍然具有较好的工艺性能。
虽然，通过CVD法在纤维表面生长CNTs或通过化学方法在纤维表面接枝CNTs，能明显提高界面剪切强度（IFSS），但是这种方法也会对纤维性能产生一定影响，降低纤维拉伸强度。Sager指出[11]，接枝CNTs在提高IFSS的同时，也使纤维的拉伸强度降低30%，杨氏模量降低10%。纤维拉伸强度的降低是因为纤维表面被引进的催化颗粒损害。
高温处理过程去除了纤维表面的上浆剂。使得纤维与树脂基体的浸润性和化学键减弱，并且生长碳纳米管所使用的金属催化剂的残留也会对于树脂与增强体的界面造成污染。由于化学键合作用的减弱，此方法制备的增强体在界面性能提高方面效果非常有限。
2.化学改性法
Laachachi等[12]采用了化学改性的方法，首先分别通过酸化、热处理，分别在CNTs、碳纤维上接枝羧基和氨基，然后两者官能团间进行酯化、脱水、胺化等反应，反应过程中，以丙酮作溶剂，对纤维进行超声处理。结果表明CNTs对纤维的接枝效果较好。接枝后，CNTs以三维网络的形式富集在纤维周围，对碳纤维进行强烈的水洗及超声浴都不影响接枝效果。
Vinodp.Veedu使用直接在碳布上生长碳纳米管的方法，制备三维的增强复合材料，碳纳米管在厚度方向上起到了增强作用[13]。并且复合材料的硬度、面内力学性能、热传导以及电传导性和层间断裂韧性都有极大提高。此种方法可以改善复合材料的性能，但是技术设备和工艺条件要求高，并且需要清除金属催化杂质，否则也会对于界面粘结性产生不良影响。
以上的方法在多尺度增强体的制备过程中，成功地避免了催化剂的污染，有利于在实际生产中实施。但是接枝的方法可控性不强，碳纳米管可能呈倒伏状态，无法起到基体中的“铆钉”作用。同时，由于纤维表面活性点较少，接枝的碳纤维明显分布不均匀，多为缠结状态，与纤维的结合强度无法保障。
3.碳纳米管浸润剂改性法
由于以上提到的化学改性纤维的方法对条件要求较为苛刻并且会对纤维造成一定的损伤，所以有许多学者提出将碳纳米管加入到纤维浸润剂中，并且尝试用多种途径将CNTs分散并固定在纤维表面上。这种方法可以利用碳纳米管分散在树脂中的技术，并且又不会对纤维造成损伤。目前文献中提到的途径有表面涂覆法与喷涂法以及VARIM浸渍技术。
（1）表面涂覆法
表面涂覆法是将碳纳米管加入到环氧树脂中制成浸润剂，然后将浸润剂均匀地涂覆在纤维表面。香港大学Siddiqui等人[14]研究通过碳纳米管/环氧树脂复合胶衣层改性玻璃纤维（GF）表面，用以提高纤维的拉伸性能。笔者认为，纤维的断裂往往是从微裂纹开始，这些地方往往成为高应力集中点，纤维越长，表面缺陷越多，越易破坏。碳纳米管涂层则可以弥补缺陷，同时涂层中CNTs的搭桥作用，也可以有效传递应力，阻止裂纹扩展，原理图如图4所示。涂层中CNTs的分布会影响到纤维的拉伸性能，分散较差时，会在纤维表面形成缺陷，降低了拉伸性能；CNTs/环氧树脂改性后的纤维束，与树脂基体的界面结合能力最强，拉伸强度也要高出很多。修复胶衣层覆盖在脆性纤维的表面能有效减少应力集中，提高复合材料的增强效率（裂纹治愈效果）。
Warrier等人[15]将质量分数为0.5%CNTs分别加入上浆剂、树脂基体、上浆剂和树脂基体，这3种玻璃纤维环氧树脂体系中。研究发现，仅仅通过CNTs上浆剂浸润玻璃纤维制备的复合材料与未添加CNTs的复合材料相比，其玻璃化转变温度提高了近10%，热膨胀系数降低了31%，阻止界面处裂纹生长的断裂韧性提高了近10%，但是加速了裂纹的扩展速率，使裂纹扩展的韧性降低了53%。同样的趋势也出现在CNTs仅仅分散在树脂基体中，CNTs同时分散在上浆剂和树脂基体中。但是，仅仅将CNTs分散在上浆剂中，用未添加CNTs的环氧树脂浸润制得的复合材料，其热性能和界面性能的改善最为显著。
A.Godara[16]等人研究了玻璃纤维环氧树脂体系。同样将CNTs加入到上浆剂、基体、基体与上浆剂中。CNT的使用3辊压延的方法分散在基体与上浆剂中。作者将纤维拖拽过上浆剂溶液中（水溶性并且含有树脂以及0.5%的多壁碳纳米管），并且随后将其在120℃进行干燥；上浆剂的厚度为1～2μm，并使用单丝顶出实验来表征界面剪切强度。实验结果表明，将CNTs加入到上浆剂中的增强效果最明显，其SEM图像见图5。将CNTs加入到上浆剂以及基体中的增强效果最差，笔者分析其原因为CNTs已过度饱和。
（2）喷涂法
喷涂法是将配置好的浸润剂使用喷枪直接喷洒在纤维或织物表面。此方法相比于表面涂覆法需要浸润剂具有较低的粘度。
Daniel C.Davis[17]等人将胺基化的单壁碳纳米管通过高剪切与超声分散的方式分散在乙醇中配置浸润剂。使用配置好的浸润剂喷涂在每张纤维布表面，通过烘干将溶剂挥发使碳管分散在碳纤维表面上。经过真空辅助树脂传递模塑成型制成复合材料层合板。实验表明，CNTs质量分数（CNTs质量与纤维质量之比）为0.2%与0.5%的碳纳米管增强碳纤维复合材料的相比于没有用碳纳米管的复合材料强度与刚度以及疲劳寿命都有所提高。作者认为强度提高的原因在于功能化的碳纳米管在基体与纤维的界面区域的活性点间起到纳米级的共价键连接。刚性的提高是由于碳纳米管在树脂的大分子链之间起到了共价键连接的作用。复合材料层板的疲劳性能的提高也得益于碳纳米管的界面增强作用。（3）VARTM预浸渍技术
Limin Gao等人[18]采用VARTM技术将玻璃纤维浸渍在已配制好的浸润剂溶液中，并经过一定条件的干燥挥发溶剂使CNT固定在纤维表面。其SEM图如图6所示。将其与使用3辊将碳纳米管分散在树脂中的方法进行对比。研究发现2种方法成型后的复合材料的导电性能提高，电阻率下降。使用上浆剂的方法改善电性能更加明顯。
三、碳纳米管改性预浸料
Faustino Mujika等人[19]使用将含有功能化的MWCNT的溶液喷涂在预浸料的表面，将溶液挥发后通过热压的方法制备复合材料，并测试其弯曲性能以及裂纹在层间的扩展能力。通过这种新的工艺方法制备的复合材料相比于没有CNT改性的预浸料制备的复合材料，弯曲性能并没有明显提升，原因在于当材料受到弯曲载荷时，中间增强层所受到的张力为零。对于裂纹的扩展能力，由于未功能化的CNTs的分布不均以及其与树脂之间的连接较弱，所以其对于层间断裂性能（GIIC）的增强效果不明显。但对于功能化的CNTs，其增强效果明显。相比于无CNTs的层板，含有质量分数为0.1%CNTs的改性层板。其层间断裂韧性的初始值增加了22%，而扩展值增加了14%。
John Williams等学者[20]先将CNTs进行等离子体改性，以提高CNTs在乙醇中的均匀分散性。制备好含有CNTs的乙醇分散液后，使用涂覆装置将其涂覆在玻璃纤维预浸料表面上，其装置如图7所示。再将乙醇挥发，之后考察无CNTs、CNTs含量为1.2g/m2、1.6g/m2及2.0g/m2层板的I型断裂韧性（GIC），并观察层合板的断裂形貌。研究表明，CNTs含量为1.6g/m2的层板GIC初始值与扩展值分别提高22%与46%。笔者认为GIC扩展值得以提高主要是CNTs的存在使得裂纹扩展的路径偏离了中间层，出现明显的纤维架桥作用。
四、结语
目前将碳纳米管分散于树脂基体对于复合材料进行增韧的方法已经较为成熟，具有易于工业化生产等优点，但是此方法成本较高，不能高效利用CNTs。今后应着重提高碳纳米管的利用效率，推进其工业化应用和发展。使用CNTs直接对于纤维或者预浸料进行改性的方法，能够较好地利用CNTs，使得CNTs能够分布在纤维与树脂的界面或者预浸料层间，起到更好的架桥作用，增加裂纹扩展路径，从而起到抑制裂纹扩展，提高复合材料层间断裂韧性以及综合力学性能。但目前此类方法的工业化水平较低，应着眼于开发可工业化的方法并提高其成熟度。
参考文献
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功能材料范文第3篇
小 纪 汗 中 心 小 学
室
多功能室工作计划
充分发挥电教室的功能，以加强信息技术管理和应用为重点，以科研为龙头，以发展为主题，以应用为抓手的基本工作思路，进一步推进我校教育信息化进程，以信息化带动教育现代化，切实提高我校全体师生的信息技术素养和信息技术应用能力，促进学校各项工作健康、协调、可持续发展，特制定本多功能室工作计划。
一、主要工作及实施要求
(一)加强电教设备使用管理，进一步提高设备使用率
1、自觉服从多媒体教室管理员安排，排队进出教室，在指定位置就座，如有调动，必须经任课教师或管理员同意，不得擅自变更座位，随意走动或大声喧闹。课间休息期间，可以选择在多媒体教室继续学习，但不得吵闹、打游戏。
2、严禁随意移动、拆卸机器，不得触摸动力电源等有危险部件，不得随意插拔鼠标、键盘、显示器、电源、网线等各种计算机设备。
3、继续实行设备保管责任制。使用者即是保管者，以能确保设备的正常使用，提高电教室相关人员和广大教师的保管责任心，特别是强化任课教师要在学会使用多媒体设备的基础上，更好的保管现有设备，把人为损坏因素降到最低，从而保证设备的完好率。
4、继续做好多媒体教室的使用，做到“一勤一检”：勤使用，勤检查。每位教师及时认真做好记录，保证学科覆盖率达100%，学科使用率达90%以上，多媒体使用率达15%以上。
5、继续建立故障限时修复制度，认真对待报修用户及设备，自
报修之时开始，如无硬件故障一日内修复，以保证教师的正常使用，教育教学工作的正常开展，确保设备完好率95%以上。
6、强化网络防毒工作，重视网络信息安全，工作计划《多媒体教室工作计划》。电教室要结合学校实际，加强对师生的网络信息安全教育，严格杜绝通过校园网传播不良信息，杜绝病毒和垃圾邮件的传播，对全校的计算机每两周至少查毒、杀毒一次。发现重大网络信息安全事故，及时向校长汇报。
7、继续加强电脑、网络资源使用纪律。教师在工作时间，电脑只能用于制作课件、网上学习(限教育网站和正规的门户网站)，禁止上班时间玩游戏、聊天、打扑克、看电影，严禁上不健康网站和宣传反 动思想的网站、不利用电脑网络诽谤攻击他人等。发现1例按原制定的有关管理规定严肃处理。
8、保持多媒体教室安静整洁，不准随地吐痰，不准乱丢纸屑，用过的练习纸、试卷等资料必须及时带走,一切食品、饮料、雨具、口香糖等，不得带入机房。(违者罚扫多媒体教室一周)
(二)加强信息技术培训与教学，进一步提高教师与学生数字化技能。
1、按上级有关要求，继续做好教师“信息技术与课程整合”的培训工作，做到理论培训与实践操作相结合。
2、积极组织好校本培训工作，使我校教师能制作出更加精美的多媒体和网络课件。
3、积极组织有关教师参加上级部门组织的相关电教培训活动。
功能材料范文第4篇
关于《材料物理性能》课程的教研项目以及教改文章较多[3,4,5], 介绍了讲述该课程的特点和重要性等, 提出了一些独特的教学方法[6,7], 还有一些根据各自学校的特点提出的针对性改革方案[8]。如许天旱[6]提出的纵横联系, 融会贯通教学新理念, 基于材料学、物理学以及结晶学等方面的内容, 采用层层推进及Venn流程图的方式, 将材料的力、热、光、电、磁等知识相互联系起来, 旨在真正的培养学生学习的主动性及创新性。张占辉等[7]阐述科学故事在课程教学中应用的方式、优势及效果, 通过生动的案例与观点相结合, 介绍故事教学法在提高课程教学质量中的积极意义。高荣礼等[8]根据应用型本科院校自身特点与办学定位, 以提高学生实践能力、竞争能力和可持续发展能力为核心目标, 针对材料物理性能课程教学现状及存在问题, 结合教学科研中的实际经验, 提出在应用型本科高校中材料物理性能课的教学目的, 着手从教学模式、教学手段、评价机制和教学内容等方面对材料物理性能课程进行初步改革与探索。
针对该门课程是为功能材料专业本科生定制的一门专业基础课, 而且根据我校重点培养学生工程实践能力的定位以及本校学生自身的特点, 需要在教学方法、教学内容以及课程实验的选择定位以及设置等方面进行定制性研究, 充分挖掘可以实现创新思维的教学环节, 激发学生的学习兴趣, 使学生真正学有所长、学有所用, 为国家培养更专业和有钻研精神的后备力量。本文将对“功能材料的物理性能”课程进行教学模式初探。
一、强化教学设计, 契合教学目标
为了完成教学目标, 重点在于进行有效地课程设计。本着课堂中以学生为主体, 教师为引导的宗旨, 设计了本课程的教学思路, 其流程如图1所示。在课程内容教授的开始, 先就大家感兴趣的一些实际应用举例, 导入这些应用中起功能特性的材料的光、电、热、磁以及相互功能转换特性等物理性能的授课内容。然后重点讲解这些物理性能的基础理论知识、相关的物理机制、测试方法以及影响因素。同时, 设计一些相关的实验, 让学生来进行实验操作, 进一步验证课程内容。当学生掌握了这些课程内容之后, 组织学生讨论如何控制和改善功能材料的物理性能。最后将鼓励学生进行案例分析, 用这些知识去解密课前提出的应用实例。
二、改进教学方法, 提高课堂气氛
为了充分提高学生的兴趣, 大力开展多媒体和信息化教学。多媒体和信息化教学可以清晰描述微观、动态的变化过程与状态, 显著加大课堂教学信息量, 简化信息传输转换过程, 增加教学内容的趣味性和吸引力, 从而显著提高师生的互动效率和教学效果, 使教学变得轻松、有趣、简单、高效。
三、衔接基础与应用, 激发学习兴趣
可在教学过程中积极引入实际应用教学法, 以实际应用实例引领教学内容, 增加兴趣点, 使抽象内容形象化, 降低理论知识的学习难度, 并培养学生的科学素质。比如会列举一些如图2中所示的生活中、交通运输、通讯、新能源、以及军事等领域中常见的交通监测、太阳能电池、信息存储、屏幕显示、信息传输、磁悬浮列车、芯片、隐身飞机这些大家感兴趣的实际应用, 来导出这些应用中起功能特性的就是功能材料的光、电、热、磁等物理性能。
再比如在将材料的光性能中, 会讲到光的反射、折射、衍射、散射等内容, 内容比较抽象, 可以在内容讲解之前给大家提出一些有兴趣的问题, 比如为什么晴天和雾霾天的视觉效果不同?为什么天空是蓝色的, 为什么旭日和夕阳呈红色?为什么玻璃是透明的, 而金属对可见光是不透明?为什么钻石有璀璨夺目的光彩?以此来激发学生的学习兴趣, 让学生带着疑问针对性的学习, 一定会提高学习的效果。
四、细化评价标准, 助力持续改进
细化理论课和实验课的评价标准, 采用评价量表的方式, 建立考核方案和体系。采用课堂讨论、实验技能、作业、期末考试等多元化考核评价方式, 将过程性评价与终结性评价结合起来。
积极采用考试成绩分析、专家评教、同行评教、课程目标评定以及学生反馈意见, 及时总结本课程存在的问题。比如知识点多, 难以记忆, 公式多、物理机制难、内容抽象枯燥, 学生学习热情不够;还需要增加工程应用的内容;运用模型进行分析问题的能力需要加强。
针对上述问题, 提出有效地改进措施: (1) 优化内容, 突出重点; (2) 纵横联系, 融会贯通:以电子为主线, 将光、电、磁内容衔接起来; (3) 增加科研前沿知识, 拓宽学生知识面; (4) 丰富教学手段, 增加图表、动画、视频、实物的采用, 提高学生的学习兴趣; (5) 积极主动与企业人员讨论培养方案, 针对企业需求, 调整课程内容。
五、采取有效措施, 培养学生工程教育实践能力
“工程教育”理念是国内外高等教育中的一个重要理念。这一理念强调高等院校在开展理论教学的基础上, 积极重视对学生工程实践能力的培养, 需要重视这门课程不仅要在教学上注重加强学生对物理性能的理论知识的学习, 还需要培养学生学习具备独特物理性能的材料在工程中的实际应用。另外, 还需要突出工程实验的设计, 更好地将所学到的材料物理性能专业知识应用到实际工程实践中去。
本课程今后还将在教学方法、教学内容以及课程实验的选择定位以及设置等方面持续进行探索性研究, 充分挖掘可以实现创新思维的教学环节, 突出课堂教学的引导作用, 激发学生的学习兴趣, 让学生有效地将理论和实践结合起来, 为培养创新型和应用型人才奠定基础。
摘要：《功能材料物理性能》是为功能材料专业本科生定制的一门专业基础课。本文根据我校重点培养学生工程实践能力的定位以及本校学生自身的特点, 在教学设计、教学方法、教学内容等方面进行定制性探索研究, 充分挖掘可以实现创新思维的教学环节, 激发学生的学习兴趣, 让学生有效地将理论和工程实践结合起来, 为培养创新型和应用型人才奠定基础。
关键词：功能材料物理性能,教学模式初探,定制型教学
参考文献
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功能材料范文第5篇
随着现代科学技术进步和全球化发展,新型材料尤其是新型纳米/微米功能材料在国计民生中的作用日益凸显。然而,新型功能材料的化工生产过程并不成熟,许多还在探索阶段。即便有部分材料生产过程已经成功应用于量产,特定环节也需要大幅度改善,以应对安全,能耗,成本,环保等各方面的挑战。本文就新型纳米/微米功能材料的现代化工生产过程,尤其是连续流生产过程进行一些探讨和总结。
2.纳米/微米功能材料概述
一纳米是指1*10-9米,相对于微米的1*10-6米。纳米材料是材料的一个维度在1-100nm之间。纳米/微米功能材料中又包括了颗粒材料及多孔材料。相对于微米材料,纳米材料,具有更小的颗粒尺寸和/或者孔径尺寸,更高的比表面积和更高的利用率。在纳米尺度,材料性质相对于整体材料会发生改变。例如,纳米金溶胶溶液的颜色会对应于金纳米粒子的尺寸发生改变,而出现酒红色,橙色,绿色,蓝色,紫色等一系列颜色的变化。
由于纳米/微米材料的性质独特,其应用空间也非常广泛,作为催化剂和催化剂载体,过滤吸附介质,半导体材料,能量转化材料,等等。在能源,尤其是清洁能源领域,纳米/微米材料作为锂离子电池材料[1],燃料电池催化剂材料,智能窗材料等等,得到普遍关注。
相对于纳米/微米材料的潜在优势,其更加广泛的应用领域还有待发掘。限制其应用的主要原因:
(1)基础研究成果的可重复性尚需提高
近年来,在基础研究领域有数以万计的材料新发明和创造,但是部分成果并不具有良好的重复性,同时又缺乏对产生该成果原因的足够理解,这导致了此类成果一直停留在基础研究阶段,而不会产生向下一个阶段的跨越。
(2)基础研究成果到量产之间缺少工程放大[2]研发阶段的支持
目前全球针对新材料的产生和制造仍然主要划分为基础研究和大量生产制备。而在这两者之间起到关键桥梁作用的工程研发和放大过程获得的关注和支持尤显不足。对于基础研究获得的新材料是否能被放大量产是未知的。普通的科研院所并不具备将基础研究成果进行工程放大的实验室条件和实力,而材料厂商面对激烈的市场竞争也很难投入大量的时间和资源去开发对于能否进入市场尚未可知的材料。
(3)量产新材料的生产流程不稳定,成本偏高
纳米/微米新材料的生产流程一般也是崭新的,这就导致其在生产初期的不稳定性,不同批次产品之间的差异造成其应用的困难。另外,新材料的成本一般较高,而纳米/微米材料的生产成本更高。高昂的材料成本直接导致了使用新材料的公司对于导入新材料的顾虑。基于以上三点,限制纳米/微米新材料应用的主要影响因素是其在不同阶段生产制造的困难性。下面就简单介绍一下纳米/微米功能材料的生产过程种类及划分。
3.纳米/微米功能材料制备过程种类及划分
纳米/微米功能材料的制备方法有很多种。
(1)根据是否发生化学反应可以分为物理制备的方法和化学制备的方法。物理制备的方法包括:粉碎法,溅射法等等。
化学制备的方法包括:化学气相沉积[3],溶胶凝胶法,水热合成法,共沉淀法,等等。
物理和化学结合的方法:化学反应球磨法,等等。
(2)根据颗粒是由大变小还是由小长大可以分为自上而下的方法和自下而上的方法。例如,通过球磨的方式把大块颗粒打碎成为小颗粒是自上而下的方法,而晶体颗粒的水热生长是自下而上的方法。
(3)根据相态的分布可以划分为气相生产方法,液相生产方法和固相生产方法。
(4)根据生产过程连续连续和间歇的特点,又可分为连续反应制备和间歇反应制备。
(5)如果引入模板,又可分为硬模板法[4]和软模板法。
在新能源领域,锂离子电池正极材料的性能至关重要。而其前驱体的生产目前是以液相生产方法-共沉淀法为主。液相生产方法又可以按照生产过程中产品是否可以连续产生和收集分为间歇反应过程和连续反应过程。
4.纳米/微米材料液相生产的间歇反应过程和连续反应过程
(1)间歇反应过程
间歇反应过程,是指反应过程是间歇的。每次反应前,反应器内需要新加入前驱体物料;反应进行中,没有物质的进入和产出;反应结束后,反应器内的纳米/微米颗粒方可随液体流出。间歇反应的特点是设备和生产流程相对简单,投资小,操作灵活,生产过程更容易实现,缺点是反应时间较长,每次反应开始需要加入物料,反应结束后需要收集产品和清理系统,生产过程之中时间成本和操作成本较高。对于需要控制高温高压反应条件的反应,反应的安全性是重要的考量因素。因为间歇反应器容量较大,大体积的高压反应相对于小体积反应而言,反应系统的设计和材料要求更高,安全性更难得到保障,发生危险时危害更严重。另外,间歇反应器的反应参数不容易得到准确控制,反应参数的均一性较难实现,因此产品的一致性也受到限制,产品质量不容易得到保障。
在现代材料生产过程中,间歇式反应器在逐渐被连续流反应器取代。但是在纳米/微米颗粒材料的高温高压反应系统中,由于连续流反应系统的设计难度非常高,关于纳米晶体材料的连续流生产流程在国际上目前仍然没有实现工业化生产,尚停留在基础研究或者工程研发放大阶段,且研究仅局限于有限的几个课题组。
(2)连续反应过程
①连续反应过程基本概念
连续反应过程,顾名思义,反应过程是连续的。反应初始阶段,物料(一般前驱体物料溶解在溶剂中)经由反应系统入口进入,反应随之进行,反应会有一个稳定的时间,当反应完全稳定后,开始收集反应产物。此后,物料会由入口持续的进入,反应产物(此时纳米/微米颗粒在液相中反应形成)会在系统出口连续的流出,得到收集。这样一个过程可以稳定的持续下去,直到系统检修或者因切换产品等其它原因而暂停生产。
②连续流反应过程的优点
连续流反应的优点在于其反应参数更加灵活可控,副反应较少,反应可持续且稳定,重复性好,产品一致性高,操作成本低,可以相对准确的实现工程放大。缺点是较于间歇反应器而言,其设计费用,设备费用,安装费用均较高,新流程的研发费用高,不易实现。
③连续流反应过程的分类
连续流反应过程根据其反应条件的不同可以分为适用于常规条件的反应过程和高温高压反应过程。根据反应器的大小又可以分为普通的连续流反应过程和运用微反应器的反应过程。
前文介绍,纳米/微米材料的制备生产可以分为从上而下的生产过程及自下而上的生产过程。在自下而上的生产过程中,纳米/微米晶体颗粒的生长条件至关重要。水热反应是目前学术领域和工业界最流行的制备纳米/微米晶体颗粒的方法。传统的水热反应在反应釜中进行。反应温度较高可以高达300摄氏度以上;反应压力大,可以达到几十个大气压;而反应时间非常长,通常需要几天的时间。因为从反应初始反应就处于一种黑箱状态,反应参数不容易得到研究解答。因为反应容器体积较大,压力和温度均非常高,安全性上不容易得到保障。此外,从实验室的小反应釜进行反应的工程放大比较困难,没有准确的设计预测。基于以上原因,一种连续流微反应系统[5]被研究产生。
④连续流微反应系统
连续流微反应系统目前处于世界上最前沿的研究领域。其基本思想是令化学反应发生在一个小的区域。一般反应器体积为几立方厘米,最多几十立方厘米。由于其小的特点,反应参数更容易得到控制和分析。由于其单位时间内流过的液体体积较小,反应温度和压力可以向更有利于反应进行的方向提高,发生意外的情况下危害小,同时安全设计相较于间歇釜式反应系统简单易行。针对纳米/微米晶体生长需要的高温高压反应,反应时间可以由几天缩短至几分钟甚至几秒钟。其对反应速度的提升优势是惊人的。连续流微反应的工程放大相较于间歇釜式反应器要容易很多,最主要的是要控制平行反应的出口和入口条件的一致性。虽然目前该反应属于世界前沿,尚处于学术研究阶段,但是像每种有工业化潜力和需求的新技术的产生一样,连续流微反应系统是高温高压生产纳米/微米颗粒发展的必然趋势。
连续流反应系统的研发和设计要遵循几个原则,首先要保证选材的安全性,要着眼于反应系统的体积(管径),温度,压力和溶剂特点(是否腐蚀等等)。其次要考虑晶体颗粒的生长和沉积,保证系统内无堵塞和堆积。再次要根据流体的特点计算设计流速,保证颗粒可以顺利被带出。最后关于反应器外的附属设计,例如泵,预热器,冷却器的选择要根据实际需求计算得出。此外,对于关键部件,例如混合装置的设计则需要根据研发经验和具体需求进行合理选择和设计。
5.结束语
随着社会需求的提升和现代科学技术的进步,社会对纳米/微米新型功能材料的需求也不断增长。在纳米/微米材料的不同制备方法和反应系统中,新型的液相连续流微反应过程具有非常广阔的发展空间。当前,新型反应过程有待进一步的研发和生产规模的放大,这些都需要科研工作者和工业界进行紧密合作,针对于材料的需求和化工生产反应的特点进行设计,验证和改良,有力推进纳米/微米新型功能材料的应用,造福社会。
摘要：新型纳米/微米功能材料由于其独特的性质,在国民生活中的重要作用日益显著。基础研究的工业化难度较高,基础研究和工业化生产之间缺少工程研发放大的桥梁,工业化研发成本和生产成本高等原因限制了一部分先进纳米/微米功能材料的应用。纳米/微米功能材料的制备方法依据不同的分类方式有多种。在液相反应中,间歇反应过程在应用上有局限性。先进的连续流反应过程正逐渐取代间歇反应过程。其研发和设计要考虑安全性,无颗粒堵塞和堆积,对于关键部件和附属器件进行合理研究和设计等原则。
关键词：纳米/微米功能材料,化工生产过程,连续流微反应系统
参考文献
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功能材料范文第6篇
1 功能化碳纤维/聚苯胺复合材料结构与性能
碳纳米管从性质上来看属于由石墨烯构成的管状结构, 其中的碳主要通过sp2杂化的形式存在, 从而形成了一个独特的电子结构。按照碳纳米管中碳的的卷曲方向, 可以将其分为三种类型, 分别是锯齿型、扶手椅型和螺旋型。根据其中管壁石墨层中的层数, 可将其分为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管三种类型。碳纳米管的直径范围在几埃到几百纳米之间, 管径长度在微米级。当前已经有研究人员制备出了20cm的双壁碳纳米管。
2 功能化碳纤维/聚苯胺复合材料的制备方法
功能化碳纤维/聚苯胺复合材料的制备方法主要受到其性质的影响。当前制备碳纳米管的方法主要是电弧放电法。
最早的电弧放电方法是用于制备富勒烯的, 由于这种方法能够高效的制备大量的富勒烯, 因此逐渐引起了人们的广泛关注。随后就要研究人员利用这种方法来制备碳纤维, 在这一过程中, 偶然发现了发现了碳纳米管。电弧放电法的具体过程如下:首先将石墨电极放在装有惰性气体的容器中, 这时需要确保两个电极的间距在1mm左右, 然后通入20V左右的电压, 电流会从50 逐渐增大为100A, 在电流增大的过程中, 两个电极之间会产生电弧, 电弧温度最高可以达到3000oC。在高温的作用下, 石墨会蒸发, 并产生各种类型的产物, 包括富勒烯、碳纳米管等。这种制备方法的优点在于采用的技术十分简单, 但是制备得到的碳纳米管纯度较低, 且碳纳米管中经常混杂着较多的多壁碳纳米管。这一方法的另一个显著的缺陷在于能耗大, 大规模制备时的成本较高。此外, 这种方法制备的产量容易受到电流密度、惰性气氛、电极状况的影响。
3 功能化碳纤维/聚苯胺复合材料的应用
功能化碳纤维/聚苯胺复合材料具有良好的性质, 因此在生物、医学、催化、传感器等诸多领域有着较好的应用效果。
碳纳米管中包含高分子的结构, 经过一定的处理可以制备性能良好的复合材料。功能化碳纤维/聚苯胺复合材料性能主要受到其的负载量的影响。而只要进行一定的功能化处理就可以调整和改变复合材料中的负载量。在进行了功能化处理后, 碳纳米管的分散性明显有所提升, 此外碳纳米管与复合材料的结合可以确保其产品的机械性能。例如, 通过1, 3 加成反应、酯化反应等进行功能化反应, 可以一些性能优良的复合材料, 这些材料在有机溶剂和水中都能进行有效的溶解。
4 结语
综上所述, 对碳纳米管进行功能化, 制备得到的功能化碳纤维/聚苯胺复合材料可以作为催化剂或载体等在许多领域进行有效的应用。在日后的研究中, 可以将研究的重点放在纳米碳催化反应方面, 并对其催化效果进行实验确认。此外, 相关研究人员也可以研究对碳纳米管进行功能化操作的新途径, 并进一步加强碳纳米管中基团单一性研究, 对其表面功能基团进行更加定量的测试。
摘要：碳纳米管在结构上的特点以及其良好的物理化学性质使得其许多领域都受到了广泛的关注, 尤其是在催化和复合材料领域已经得到了一定的应用。但是碳纳米管自身也具有一些性质上的缺陷, 如化学惰性和易团聚等, 使导致其不易与其它物质进行反应, 也难以溶解于溶剂中, 影响了碳纳米管的进一步推广应用。为了解决碳纳米管在性质上的这些缺陷, 通常采用的方法是对其进行功能化的处理。除了上述的这些缺陷外, 碳纳米管在催化反应中, 由于其表面官能团种类和数目的波动性, 导致其功能的发挥受到了到较大的局限;而碳纳米管纳米粒子结合成为复合材料时, 其表面官能团的性质也会对纳米粒子的分散产生一定的影响。本文功能化碳纤维和聚苯胺形成的复合材料能够较好的改善上述的这些缺陷, 因此, 本文主要对这一复合材料的性质和制备方法进行了研究。
关键词：功能化碳纤维,聚苯胺,复合材料
参考文献
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