功能材料论文大全11篇

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2组合式生态浮床和净化效果

将生物载体引入到传统生态浮床中而组建组合式生态浮床，通过提高浮床系统中微生物量和生态浮床的辐射“场强”使其净化效果得到了极大的提升［8，9］。其作用原理是：通过在不同材质生物载体上富集极其复杂的、大量的生物膜系统，提高组合式生态浮床系统内的生物量、生物种类以及系统的“生物场强”［10］，提高组合式生态浮床的净化效果。而且生物载体的应用可以避免冬季低温条件下因植物枯萎而出现无净化效果的情况，因为低温条件下生物载体上的微生物虽生物净化效果差，但是仍然会有一定净化效果。

2．1传统的组合式生态浮床存在的弊端生物载体是组合式生态浮床系统的重要组成部分，最原始的形式就是将人工合成生物载体悬挂在生态浮床的底部，仅仅就是为了提高生态浮床的生物持有量和净化效果以及生物场强，并取得了良好的效果。但是这种生态浮床系统，植物根系和生物载体相互独立，并无耦合效应，植物和生物载体之间并没有很好的配合。另外也有将生物载体作为生物膜附着体和植物根系基质，植物根系和生物载体相互作用、相互依赖，生物载体为根系提供保护和承受部分污染负荷，而根系为生物载体上的微生物提供氧气。而生物载体和植物根系自身的净化效果仍然在发挥优势，而且耦合了两者的优势。

2．2新型组合式生态浮床的净化效果和现状本课题组经过大量的实验研究认为，将生物载体不悬挂于浮床底部而是作为植物生长基质，即实现生物载体和植物根系“亲密接触”而形成湿地型新型组合式生态浮床，其净化效果和管理维护会更好些。而且业内人士对生物载体作为浮床基质时的效果也进行一定的探索研究。

2．2．1无机型生物载体在生态浮床中的应用徐丽花等［11］研究了沸石、沸石－石灰石、石灰石3种生物载体系统的水质净化能力，结果表明：沸石、沸石－石灰石和石灰石系统的TN平均去除率分别为68％、78．3％、60．9％。沸石－石灰石系统的去除率最高，这是由于沸石和石灰石发生了协同作用，沸石吸附NH＋4－N，石灰石促进了硝化作用，使得系统对TN的去除效果好于其生物载体单独使用时的效果。熊聚兵等［12］利用泥炭、石英砂等为植物生物载体强化脱氮过程，研究发现泥炭可提供碳源有利于脱氮，该系统中的NH＋4－N、NO－3－N、NO－2－N和TN的去除率分别为98．05％、98．83％、95．60％、92．41％，而石英砂提供过滤补充脱氮，两者结合的去除效果明显高于任一者的单独去除效果。无机生物载体在组合式生态浮床中具有较好的处理效果，但因其密度较大，在实际景观水体修复中需要浮体较多，增加处理成本，降低其推广效能。

2．2．2人工合成生物载体在生态浮床中的应用人工合成生物载体因其稳定性强、坚固耐用、能够有效抵挡水流冲击，在组合式生态浮床生物载体中被广泛应用。虞中杰等［13］通过构建美人蕉竹制框架下加挂球形生物载体的方式，该系统对TP、NH＋4－N、NO－3－N和CODMn的去除率分别达到74．3％、76．6％、63．6％和67．5％。这得益于人工合成的球形生物载体表面易于附着微生物，有利于强化水体中污染物的降解。张雁秋等［14］以传统生态浮床为对比照组，以空心塑料生物载体作为基质和生物载体组建的组合式生态浮床系统为实验组。初始进水的TN、NH＋4－N、NO－3－N是17、6、11mg／L时，该组合式生态浮床的最终TN、NH＋4－N、NO－3－N的质量浓度分别为（1．05±0．20）、（0．38±0．18）、（0．17±0．03）mg／L，而传统生态浮床的最终TN、NH＋4－N、NO－3－N的质量浓度分别为（5．23±1．12）、（0．29±0．11）、（4．19±2．08）mg／L，显示出良好的脱氮效果，并使硝态氮浓度保持较低浓度。

2．2．3天然纤维素物质生物载体在生态浮床中的应用玉米秸、稻草、油菜秸、麦秸等农作物秸秆和竹丝、树皮等植物茎秆类的废弃物均可以作为生物载体原料。而且用植物纤维素物质作生物载体的较其他人合成的生物载体更容易降解，使用一定时间会自行分解，比人工称合成的生物载体容易形成载体污泥更利于保护环境［15］。本课题组对植物纤维素物质进行预处理后作为组合式生态浮床的生物载体，既能合理利用秸秆资源，拓宽秸秆的利用价值，又能有效修复水体和生态环境，取得良好的效果。施亮亮等［16］构建以稻草为生物载体和植物生长基质，以美人蕉和菖蒲为植物的复合组合式生态浮床为实验组，以人工合成填料为基质的组合式生态浮床为对照组。添加稻草为生物载体的组合式生态浮床在去除污染物方面明显优于以人工合成填料为基质的组合式生态浮床。笔者在研究中发现以竹丝为生物载体的组合式生态浮床，CODMn、TN、NH＋4－N和NO－3－N的平均去除率分别为63．50％、63．86％、47．80％和64．75％明显优于无生物载体组合式生态浮床的49．56％、31．29％、28．24％和43．90％，镜检发现竹丝表面具有较丰富的生物相，大量活性良好的群居钟虫、草履虫、累枝虫和鞭毛虫等，活性、数量均占优势的指示性原生动物，处理过程竹丝稳定降解，释放无机盐类和小分子有机物为微生物生长提供必需的营养成分。楼菊青等［17］发现以毛竹为原料的生物载体在膜速度、挂膜量上有较明显的优势。以上文献研究均显示了天然纤维素物质在组合式生态浮床生物载体制造领域的潜在价值，为浮床生物载体基于天然纤维素物质资源化利用的多元化发展打下坚实的基础［18］。采用天然纤维素物质不仅作为亲水性很强的生物载体，还可以作为反硝化碳源，本课题组已经通过红外光谱分析方法掌握以下信息：①可生物降解材料表面具有较丰富的亲水性基团（－OH（主要在纤维素、多糖物质中）、－CH2（主要在脂肪类物质中）、－NH2（主要为蛋白质）），可形成更为复杂的生物膜体系，更容易吸附微生物，更利于生物增殖、生物种群的多样性；②可生物降解材料使用过程中，被吸附其表面的微生物分解，形成一些可被微生物作为营养的物质，而强化微生物的生长，如果生物载体是固体碳源，释放出来的碳源有利于提高水体的脱氮效果。

3生物载体在生态浮床应用中急需解决的科学难题

3．1作为浮床基质的生物载体与植物根系交互作用机理研究作为浮床基质的生物载体与植物根系是一种相互耦合的关系，互为对方提供生长繁殖所需要的养分，在一定程度上促进提高了生态浮床系统的净化效果、净化进程和生物多样性。目前本课题组已经发现以可生物降解的稻草作为生态浮床系统中植物生长的基质时，其中水生植物（美人蕉和菖蒲）叶子呈碧绿色，而以人工合成生物载体（塑料球）为植物基质或无任何基质时，2种浮床中水生植物叶子呈浅黄色。分析认为稻草、塑料球均作为生物载体和植物基质，生长速率缓慢的硝化菌更容易附着在亲水性良好的稻草上，塑料球因其亲水性差、生物亲和性欠缺而使硝化菌增殖缓慢，稻草上大量的硝化菌就能将相对不容易被植物吸收的氨氮转化为更容易被植物吸收的硝态氮，充分的氮素使稻草基质生态浮床中的植物叶子更为翠绿，生长速率更快。即稻草基质为植物根系提供充分的养料（硝酸盐）；而根系能为稻草表面微生物膜提供来自光合作用的氧气，并在稻草基质中产生脱氮所需要的好氧、缺氧环境，提高整个生态浮床的脱氮效果。但是根际微生物和生物膜相互作用、相互影响研究并没有取得很好的成果，值得深入研究。

3．2生物载体表面和植物根系表面微生物种群差异分析由于根系表面和生物载体表面存在非常大的差异，根际微生物种群类别和生物载体表面微生物类别差异、数量差异和特性差异均需要深入研究，目前很多的研究仍然处于定性分析中阶段。微生物作为生态修复和污染物去除的主体，不同生理生化特性的微生物承担着不同生物降解过程，所以掌握不同生物载体和植物根系表面微生物种群存在的差异（生长速率、呼吸类型、降解底物酶系种类、微生物种群数和数量级等），对不同污染物采取不同的不同载体和植物，或不同生物载体组合，或不同植物的多样化组合，或人工干预提供不同的环境以实现污染物去除，实现通过对微生物相关特性的强化和调控而实现微生物对污染物的降解。

3．3生物载体材质在不同污染源种类的水体修复中的选择方法生物载体作为生态浮床中重要的生物附着场所，有时也作为浮床植物的基质，其作用较大，但是随着生物载体的材质和形态等不断多样化，生物载体形态主要由从水流速度、使用方便和造景等因素考虑，对水体修复效果不会造成实质上的影响，而生物载体材质的不同对水体修复效果会产生极大的影响。传统意义上的生物载体是塑料材质，并将悬挂在生物载体框架以下，其作用原理是：在生物载体表面形成生物膜以提高生态浮床系统中微生物量达到强化生态浮床的修复效果，在其表面形成的微生物是复杂的、多样的、杂乱的丛生，并无特定的靶向污染物，在复合污染较重的现在存在一定的优势。但是塑料材质生物载体存在亲和性和亲水性差而导致微生物量少、附着困难［19］。而且对于以氮素为主要污染物且C／N低的地表水修复过程中来说并无太大的价值，因为脱氮过程中涉及硝化和反硝化过程，反硝化过程需要补充有机碳以提高脱氮效果，而塑料材料生物载体并不能提供碳源，投加液体碳源存在计量无法控制和运行管理复杂等问题，如果以人工合成高聚物作为生物载体和碳源虽然可以实现良好的脱氮过程和硝化菌群的富集，但费用过高［20，21］；所以天然纤维素物质是理想的碳源、载体，不仅天然亲水性和生物亲和性可以实现生物量的最大化和挂膜的最快化，而且生物释碳按需供给和，其来自极为广泛（农业废弃物、林业废弃物等。对于磷含量相对较高的地表水体修复时，塑料材质或天然纤维素材质的生物载体应用于生态浮床中则效果较差，根据生物除磷均以排泥的方式，地表水体污染物浓度较轻，污泥量少或无污泥，无排泥也就除磷效果很低。现在一些工艺中为了提高除磷效果，采用一些孔隙多样化吸收磷或含有某些能够与磷发生化学反应的生物载体以提高除磷效果。

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TheAdvanceofFunctionallyGradientMaterials

JinliangCui

(Qinghaiuniversity,XiningQinghai810016,china)

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

Keywords:FGM；composite；theAdvance

0引言

信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料,特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和经济实力,也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此,新材料的开发与研究是材料科学发展的先导,是21世纪高科技领域的基石。

近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因,一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。

1FGM概念的提出

当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2,其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差,传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料,如金属基陶瓷涂层材料,由于各相的热胀系数和热应力的差别较大,很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面,消除物理性能的突变,使热应力降至最小[3],如图1所示。

随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。

2FGM的特性和分类

2.1FGM的特殊性能

由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2,因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:

1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;

2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;

3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;

4)用FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。

图2

2.2FGM的分类

根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。

3FGM的应用

FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM研究的不断深入,人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化,可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM,并可望应用于许多领域。FGM的应用[8]见图3。

图3FGM的应用

功能

应用领域材料组合

缓和热应

力功能及

结合功能

航天飞机的超耐热材料

陶瓷引擎

耐磨耗损性机械部件

耐热性机械部件

耐蚀性机械部件

加工工具

运动用具:建材陶瓷金属

陶瓷金属

塑料金属

异种金属

异种陶瓷

金刚石金属

碳纤维金属塑料

核功能

原子炉构造材料

核融合炉内壁材料

放射性遮避材料轻元素高强度材料

耐热材料遮避材料

耐热材料遮避材料

生物相溶性

及医学功能

人工牙齿牙根

人工骨

人工关节

人工内脏器官:人工血管

补助感觉器官

生命科学磷灰石氧化铝

磷灰石金属

磷灰石塑料

异种塑料

硅芯片塑料

电磁功能

电磁功能陶瓷过滤器

超声波振动子

IC

磁盘

磁头

电磁铁

长寿命加热器

超导材料

电磁屏避材料

高密度封装基板压电陶瓷塑料

压电陶瓷塑料

硅化合物半导体

多层磁性薄膜

金属铁磁体

金属铁磁体

金属陶瓷

金属超导陶瓷

塑料导电性材料

陶瓷陶瓷

光学功能防反射膜

光纤;透镜;波选择器

多色发光元件

玻璃激光透明材料玻璃

折射率不同的材料

不同的化合物半导体

稀土类元素玻璃

能源转化功能

MHD发电

电极;池内壁

热电变换发电

燃料电池

地热发电

太阳电池陶瓷高熔点金属

金属陶瓷

金属硅化物

陶瓷固体电解质

金属陶瓷

电池硅、锗及其化合物

4FGM的研究

FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。FGM的研究开发体系如图4所示[8]。

设计设计

图4FGM研究开发体系

4.1FGM设计

FGM设计是一个逆向设计过程[7]。

首先确定材料的最终结构和应用条件,然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构,以及制备和评价方法,最后基于上述结构和材料组合选择,根据假定的组成成份分布函数,计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数,就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布,此时的组成分布函数即最佳设计参数。

FGM设计主要构成要素有三:

1)确定结构形状,热—力学边界条件和成分分布函数;

2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;

3)采用适当的数学—力学计算方法,包括有限元方法计算FGM的应力分布,采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。

FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合,借助于计算机辅助设计系统,得出最优的设计方案。

4.2FGM的制备

FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段,实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布,从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高温合成法(SHS);涂层法:如等离子喷涂法,激光熔覆法,电沉积法,气相沉积包含物理气相沉积(PVD)和化学相沉积(CVD);形变与马氏体相变[10、14]。

4.2.1粉末冶金法(PM)

PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形,然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性,可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高,适用于制造形状比较简单的FGM部件,但工艺比较复杂,制备的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点,但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。

4.2.2自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis简称SHS或CombustionSynthesis)

SHS法是前苏联科学家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃烧反应时,发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应,此后化学反应在自身放热的支持下,自动持续地蔓延下去,利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：

图6SHS反应过程示意图

SHS法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系,金属与陶瓷的发热量差异大,烧结程度不同,较难控制,因而影响材料的致密度,孔隙率较大,机械强度较低。目前利用SHS法己制备出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。

4.2.3喷涂法

喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺,适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常,将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内,并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上,其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。

4.2.3.1等离子喷涂法(PS)

PS法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物,形成等离子体,其温度高达1500K,同时处于高度压缩状态,所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流,速度可高达1.5km/s。原料粉末送至等离子射流中,粉末颗粒被加热熔化,有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷射在基底上,快速冷却固结,形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例,调节等离子射流的温度及流速,即可调整成分与组织,获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成,沉积效率高,无需烧结,不受基体面积大小的限制,比较容易得到大面积的块材[10],但梯度涂层与基体间的结合强度不高,并存在涂层组织不均匀,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出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

图7PS方法制备FGM涂层示意图[17]（a）单枪喷涂（b）双枪喷涂

4.2.3.2激光熔覆法

激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末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,便会产生用B合金化的A薄涂层,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比,在上述覆层熔覆的同时注入,在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程,就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度,以及熔区的深度来获得,熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能,但由于激光温度过高,涂层表面有时会出现裂纹或孔洞,并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。

图8同步注粉式激光表面熔覆处理示意图[18]

4.2.3.3热喷射沉积[10]

与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化,并喷涂到基底上凝固,因此,建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中,这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固态,混入金属液滴而被涂覆在基底,形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中,通过连续地改变增强颗粒的馈送速率,热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。

4.2.3.4电沉积法

电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理,将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中,通过注入另一相的悬浮液使之混合,并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度,在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃,涂层的主要材料为TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层,以改变固体材料的表面特性,提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能,该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低,精度易控制,生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]

4.2.3.5气相沉积法

气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度,在厚度方向上实现组分的梯度化,适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制备出大厚度的梯度膜,与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两类。

化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合,在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度,精确地控制材料的组成、结构和形态,并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化,可得到按设计要求的FGM。另外,该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM,因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。

物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质,使其蒸发为气相,然后沉积于基材上,形成约100μm厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD法的特点是沉积温度低,对基体热影响小,但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]

4.2.4形变与马氏体相变[8]

通过伴随的应变变化,马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此,在合适的温度范围内,可以通过施加应变(或等价应力)梯度,在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18-8不锈钢(Fe-18%,Cr-8%Ni)试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围,但能提供一个简单的方法,可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料,这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。

4.3FGM的特性评价

功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计,为成分设计数据库提供实验数据,目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前,对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前,日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。

5FGM的研究发展方向

5.1存在的问题

作为一种新型功能材料,梯度功能材料范围广泛,性能特殊,用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决,主要表现在以下一些方面[5、13]:

1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；

2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；

3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；

4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。

5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多的实用价值;

6)成本高。

5.2FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-20]

1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；

2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；

3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；

4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。

5.3对FGM的性能评价进行研究[2、13]

有必要从以下5个方面进行研究：

1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随时间变化关系问题；

2）热绝缘性能；

3）热疲劳、热冲击和抗震性；

4）抗极端环境变化能力；

5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等

6结束语

FGM的出现标志着现代材料的设计思想进入了高性能新型材料的开发阶段[8]。FGM的研究和开发应用已成为当前材料科学的前沿课题。目前正在向多学科交叉,多产业结合,国际化合作的方向发展。

参考文献：

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篇（3）

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

Keywords:FGM；composite；theAdvance

0引言

信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料,特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和经济实力,也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此,新材料的开发与研究是材料科学发展的先导,是21世纪高科技领域的基石。

近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因,一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。

1FGM概念的提出

当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2,其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差,传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料,如金属基陶瓷涂层材料,由于各相的热胀系数和热应力的差别较大,很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面,消除物理性能的突变,使热应力降至最小[3]。

随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。

2FGM的特性和分类

2.1FGM的特殊性能

由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2,因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:

1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;

2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;

3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;

4)用FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。

2.2FGM的分类

根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。

3FGM的应用

FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM研究的不断深入,人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化,可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM,并可望应用于许多领域。

功能

应用领域材料组合

缓和热应

力功能及

结合功能

航天飞机的超耐热材料

陶瓷引擎

耐磨耗损性机械部件

耐热性机械部件

耐蚀性机械部件

加工工具

运动用具:建材陶瓷金属

陶瓷金属

塑料金属

异种金属

异种陶瓷

金刚石金属

碳纤维金属塑料

核功能

原子炉构造材料

核融合炉内壁材料

放射性遮避材料轻元素高强度材料

耐热材料遮避材料

耐热材料遮避材料

生物相溶性

及医学功能

人工牙齿牙根

人工骨

人工关节

人工内脏器官:人工血管

补助感觉器官

生命科学磷灰石氧化铝

磷灰石金属

磷灰石塑料

异种塑料

硅芯片塑料

电磁功能

电磁功能陶瓷过滤器

超声波振动子

IC

磁盘

磁头

电磁铁

长寿命加热器

超导材料

电磁屏避材料

高密度封装基板压电陶瓷塑料

压电陶瓷塑料

硅化合物半导体

多层磁性薄膜

金属铁磁体

金属铁磁体

金属陶瓷

金属超导陶瓷

塑料导电性材料

陶瓷陶瓷

光学功能防反射膜

光纤;透镜;波选择器

多色发光元件

玻璃激光透明材料玻璃

折射率不同的材料

不同的化合物半导体

稀土类元素玻璃

能源转化功能

MHD发电

电极;池内壁

热电变换发电

燃料电池

地热发电

太阳电池陶瓷高熔点金属

金属陶瓷

金属硅化物

陶瓷固体电解质

金属陶瓷

电池硅、锗及其化合物

4FGM的研究

FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。

4.1FGM设计

FGM设计是一个逆向设计过程[7]。

首先确定材料的最终结构和应用条件,然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构,以及制备和评价方法,最后基于上述结构和材料组合选择,根据假定的组成成份分布函数,计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数,就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布,此时的组成分布函数即最佳设计参数。

FGM设计主要构成要素有三:

1)确定结构形状,热—力学边界条件和成分分布函数;

2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;

3)采用适当的数学—力学计算方法,包括有限元方法计算FGM的应力分布,采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。

FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合,借助于计算机辅助设计系统,得出最优的设计方案。

4.2FGM的制备

FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段,实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布,从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高温合成法(SHS);涂层法:如等离子喷涂法,激光熔覆法,电沉积法,气相沉积包含物理气相沉积(PVD)和化学相沉积(CVD);形变与马氏体相变[10、14]。

4.2.1粉末冶金法(PM)

PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形,然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性,可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高,适用于制造形状比较简单的FGM部件,但工艺比较复杂,制备的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点,但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。

4.2.2自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis简称SHS或CombustionSynthesis)

SHS法是前苏联科学家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃烧反应时,发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应,此后化学反应在自身放热的支持下,自动持续地蔓延下去,利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：

SHS法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系,金属与陶瓷的发热量差异大,烧结程度不同,较难控制,因而影响材料的致密度,孔隙率较大,机械强度较低。目前利用SHS法己制备出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。

4.2.3喷涂法

喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺,适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常,将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内,并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上,其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。

4.2.3.1等离子喷涂法(PS)

PS法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物,形成等离子体,其温度高达1500K,同时处于高度压缩状态,所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流,速度可高达1.5km/s。原料粉末送至等离子射流中,粉末颗粒被加热熔化,有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷射在基底上,快速冷却固结,形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例,调节等离子射流的温度及流速,即可调整成分与组织,获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成,沉积效率高,无需烧结,不受基体面积大小的限制,比较容易得到大面积的块材[10],但梯度涂层与基体间的结合强度不高,并存在涂层组织不均匀,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出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

激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末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,便会产生用B合金化的A薄涂层,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比,在上述覆层熔覆的同时注入,在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程,就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度,以及熔区的深度来获得,熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能,但由于激光温度过高,涂层表面有时会出现裂纹或孔洞,并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。

4.2.3.3热喷射沉积[10]

与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化,并喷涂到基底上凝固,因此,建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中,这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固态,混入金属液滴而被涂覆在基底,形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中,通过连续地改变增强颗粒的馈送速率,热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。

4.2.3.4电沉积法

电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理,将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中,通过注入另一相的悬浮液使之混合,并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度,在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃,涂层的主要材料为TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层,以改变固体材料的表面特性,提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能,该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低,精度易控制,生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]

4.2.3.5气相沉积法

气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度,在厚度方向上实现组分的梯度化,适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制备出大厚度的梯度膜,与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两类。

化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合,在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度,精确地控制材料的组成、结构和形态,并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化,可得到按设计要求的FGM。另外,该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM,因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。

物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质,使其蒸发为气相,然后沉积于基材上,形成约100μm厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD法的特点是沉积温度低,对基体热影响小,但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]

4.2.4形变与马氏体相变[8]

通过伴随的应变变化,马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此,在合适的温度范围内,可以通过施加应变(或等价应力)梯度,在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18-8不锈钢(Fe-18%,Cr-8%Ni)试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围,但能提供一个简单的方法,可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料,这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。

4.3FGM的特性评价

功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计,为成分设计数据库提供实验数据,目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前,对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前,日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。

5FGM的研究发展方向

5.1存在的问题

作为一种新型功能材料,梯度功能材料范围广泛,性能特殊,用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决,主要表现在以下一些方面[5、13]:

1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；

2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；

3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；

4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。

5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多的实用价值;

6)成本高。

5.2FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-20]

1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；

2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；

3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；

4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。

5.3对FGM的性能评价进行研究[2、13]

有必要从以下5个方面进行研究：

1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随时间变化关系问题；

2）热绝缘性能；

3）热疲劳、热冲击和抗震性；

4）抗极端环境变化能力；

篇（4）

2房屋建筑的门窗节能技术

大部分房屋的建设，门窗面积都占到房屋总面积的百分之三十；门窗是房屋能耗散失最严重的部位，其能耗占住宅总能耗的比例很大，占房屋传热、散热的四分之一，所以，除了保证必要的日照、采光、通风等要求下，尽量减少房屋门窗洞口的开设，提高房屋本身的保温效果，减少对外的传热量。王玲玲重庆建工第七建筑工程有限责任公司400039对于门窗运用新型的玻璃，增强玻璃的隔热保温效果；低辐射玻璃是房屋建设中常用的玻璃，它的表面有一层半导体氧化物，使得这种玻璃对可见光和近红外的透光率较高，反射率较低，可以大量获取太阳光能，而对常温下的长波红外热的透光率低，反射率较高，这就使得这种窗户的保温性能较好。增强住宅外窗的气密性，有助于提高房屋的保温性。对于门窗的建设，使用新型的、密封性良好的门窗材料；而门窗与墙体之间的缝隙可采用保温效果良好的弹性松软型材料；框和扇的密封可以使用橡胶、泡沫密封条，也可以采用高低缝和回风槽等；然而，扇与玻璃之间的密封则可以使用各种弹性压条等。

3屋面节能技术

首先，合理选择保温材料。屋面节能一般是将容量低、导热系数小、吸水性低、有一定强度的保温材料设置在防水层和屋面层之间；然而，对于屋面保温材料的选用时，必须要按照屋面的设计和材料产品技术规范，对屋面建设中所使用的节能保温材料的容量、导热性、吸水性、外观等性能进行严格检查，然而，在施工时，严格按照配合比和施工工艺要求对这些材料进行使用，保证保温材料的合理使用。其次，实行倒置式屋面。倒置式屋面，就是将传统屋面结构中的保温层和防水层颠倒，将保温层放在防水层的上面；传统房屋在使用中，当屋面的保温材料吸湿后，其导热性将下降，所以，在传统屋面结构中，常常在保温层上设置防水层，在保温层下做隔热层，从而增加了屋面的造价，使得屋面结构复杂；同时，使得防水材料暴露于最上层，加速防水材料的老化；所以，传统的屋面构架已不在实用，现如今，房屋的屋面大多都将保温层放置在防水层上面。

篇（5）

中图分类号：TU761文献标识码： A 文章编号：

引言：

节约能源是我国刻不容缓的突出问题，其中建筑节能是重中之重，这是因为建筑能耗量约占全国总用能量的 1/4，居耗能首位。中国的经济和能源面对这种巨大压力时，政府已陆续出台相关法律文件，实行具体政策，推动建筑节能是符合中国的可持续发展战略。随着社会和经济不断发展，建筑领域内开展节能方面的学术研究有利于生态环境的协调发展，因此建筑节能保温材料的研发是非常有必要的。我们需要对建筑材料的保温隔热性能、实用价值、材料的稳定性等方面的优、缺点进行深入剖析，以满足不同条件下的使用需求。

一、对保温材料分析

1、无机保温材料

岩棉、玻璃棉和膨胀珍珠岩都属于无机保温材料，其中岩棉和玻璃棉有时统称矿物棉， 它们是一种优质的保温材料，应用也最广泛。

1.1无机保温材料在建筑施工运用中的优点：耐酸碱，耐腐蚀，不开裂，不脱落，稳定性高，不会存在老化问题。具有不燃、不霉、不蛀、保温、隔热、隔音等性能，能够做到与结构寿命同步，价格较低施工简便，适用范围广，对各种材质各种形状的墙体均合适。而且没有冷热桥产生，全封闭无接缝无空腔。不仅可以做外墙外保温还可以做外墙内保温，或者外墙内外在同时保温和屋面的保温和地热的隔热层。防火等级高阻燃性能好，适用广泛，大多用于密集的住宅、防火等级要求严格的公共场所。另外，还可作为防火隔离带的施工材料，可达到高级别防火标准。

1.2无机保温材料存在以下主要缺点：不环保、保温性能差、受压强度低下；吸湿性高、在施工中会对人产生有害气体，如玻璃棉潮湿后会释放有毒气体，一些发达国家已经禁止此类材料的使用。

2、有机发泡类保温材料

聚苯乙烯泡沫保温材料是一种热塑性材料（又叫EPS板和XPS板），优越于无机保温材料性能。目前膨胀聚苯板EPS、挤塑聚苯板XPS、喷涂聚氨酯SPU和聚苯颗粒等都属于我国有机发泡类建筑节能保温材料，辅助材料有聚合物粘结砂浆、界面剂和界面砂浆、专用膨胀螺丝、耐碱玻纤网格布和镀锌钢丝网格布等。

2.1有机保温材料有以下优点：它具有密度小、重量轻、可加工性能好、导热系数小、低吸水率、保温隔热隔音性能好、结构均匀而且尺寸精度高等优点，主要应用有聚苯板、钢丝网架夹芯复合内外墙板、金属复合夹芯板等

2.2他在施工运用中的缺点：由于EPS/XPS保温材料有空腔结构，所以外界空气容易通过缝隙影响保温效果；抗风性差：EPS抗拉强度在干燥状况下仅为0.1M pa，浸水后更低，所以EPS保温材料一般不用于高层建筑；由于实际中很难做到EPS/XPS保温材料必须存放40天后才能用于施工，所以应用EPS保温材料的工程易出现裂缝、墙体透湿和返水现象；EPS/XPS保温材料大都采用氟利昂发泡，很容易造成大气污染，遇火高温下产生的熔滴易发生二次燃烧，具有极快的火焰传播速度。因此公共场所和高层建筑必须谨慎使用；在发达的美国有多个州禁止使用；在英国18米以上建筑不允许使用EPS板作外墙保温材料；欧洲许多板材厂不再生产EPS板；许多保险公司已禁止给EPS板作保温建筑保险。

3、聚氨酯硬泡节能保温材料

3.1聚氨酯PU硬泡节能保温材料的优点：它较无机保温材料和有机保温材料的热导率最低。它使用最小的绝缘材料厚度来达到同样的隔热效果。硬泡闭孔率高达95% 以上的闭孔结构，具有很好的防水、隔汽性能，能阻隔水、水蒸气渗透，使墙体保持稳定的绝热状态，这是其他材料不能媲美的优点。聚氨酯PU 硬泡节能保温材料的韧性很好，不易产生开裂现象，耐冲击具有较强的抵抗外力的能力。

3.2聚氨酯PU硬泡节能保温材料的缺点：国产的环保、阻燃和消烟性能不过关，在燃烧时易产生大量浓烟，引起人员伤亡，某些地方规定不许在高层及公共场所建筑使用该材料。

4、复合型材料

利用处理过的农作物秸杆和经过无害处理的保温材质的垃圾通过发泡等技术手段生产的空心材料等是复合型材料。

4.1复合材料的优点：保温隔热性能好，它兼具无机材料的很多优点（如防火能力，变形系数小，抗老化，性能稳定，绝缘层，高强度，良好的环保，寿命长，施工难度小，成本低），以及其原材料来源广泛，节约资源，提高资源的循环再利用。

4.2复合材料缺点：复合材料在市场上局限正处在研发发展中。有一定的保温隔热效果，应用上也取得了一定进展，但其性能和应用上存在局限性：成本较高，涂层老化快。

5、发泡水泥

发泡水泥是通过发泡机的发泡系统利用机械方式充分泡沫，使泡沫和水泥浆料均匀地混合，然后经过发泡机的泵送系统进行现浇施工或模具成型，经自然养护形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料。

5.1发泡水泥的优点：强度高，发泡水泥绝热层的强度明显高于聚苯板绝热层的强度。经适当养护，正常施工的发泡水泥绝热层在容重为400kg/cm3时，其立方抗压强度可达2MPa以上，足够承载各种施工荷载；保温性能好经计算得知：发泡水泥保温效果要明显优于聚苯板保温效果；稳定性发泡水泥与一般混凝土一样，都属于无机材料，有着极其稳定的化学性能，在正常情况下，历经百年也不会老化变质，且不燃烧、环保；施工因素发泡水泥适合采用机械化大面积施工，劳动强度低，工程进度快，且与上、下各构造层容易结合为一体；经济性由于发泡水泥的主要材料是水泥，且基本无废料，又可省略找平层等多道工序，综合造价相对要低一些。

5.2发泡水泥的缺点：强度低，吸水率高，无法与泡沫玻璃、泡沫陶瓷、酚醛泡沫板、聚苯颗粒、聚苯板、挤塑板等墙体保温材料相比。

6、聚苯颗粒保温浆料

聚苯颗粒保温料浆是由聚苯颗粒和保温胶粉料组成。使用时按配比加水在搅拌机中搅拌完成后再加入聚苯颗粒，充分搅拌后形成塑性良好的膏状体，将其抹于墙体干燥后便形成保温性能优良的隔热层。

6.1聚苯颗粒保温浆料优点：该材料具有导热系数低，保温隔热性能好，抗压强度高，粘接力强，附着力强，耐冻融等优点，而且施工方便施工速度快，施工速度快。对平整度要求不高的基层施工适应好，可以减少大量的剔凿工序，施工质量好。每平米造价低，经济效益好。但聚苯颗粒保温材料的吸水率高于其他材料，使用时必须加做抗裂防水层。由抗裂水泥砂浆复合玻纤网组成抗裂保护层材料，有效控制裂缝的产生。聚苯颗粒保温料浆容易成型、可以适应结构复杂的建筑保温，弥补聚苯乙烯泡沫塑料板的不足，因此它在建筑保温隔热材料的应用上占有重要地位。

6.2聚苯颗粒保温浆料在施工运用中的缺点：墙体界面的界面砂浆不够，可能降低附着力。

二、为我国建筑节能保温材料的健康发展提以下建议

1、增加投入研发力度，增加产品稳定性。

在我国建筑行业的应用研发进展缓慢，需要加大投入研发力度，增加产品质量和各项性能。

2、完善相关法规，强制性节能环保。

必须加大建筑节能的工作研究，制定和颁布相应的建筑节能法规，加大建筑保温行业的执法力度，强制建筑企业使用新型保温材料。

结语：

从现在节能保温材料的使用，已经看到了我们未来的发展方向是美好的。是智能化、绿色化、生态化方向发展。选择好的保温材料，才能有力的发挥外墙保温系统的保温性能。既有利于缓解能源紧张，又能减少温室气体。国家建设部节能总体目标是：到2020年北方和沿海经济发达地区新建筑实现节能65%，所以今后的努力的方向是不断改善节能保温材料的各种不足，不断提高优良性能。未来建筑将是由专业建筑师，结构工程师，设备工程师，建筑物理学家，能源专家，共同发展建设。高效节能设施将成为未来建筑的核心，只有这样才能实现可持续发展的建筑节能，保护生态。

参考文献:

篇（6）

RE-Ni-W-P-SiC复合镀层在不同浓度的硫酸、盐酸、磷酸和氯化铁等溶液中的腐蚀试验结果表明，以Ni-W-P合金为基体的复合材料镀层在镀态或热处理条件下在硫酸,磷酸,盐酸和氯化铁溶液中具有较好的耐蚀性,其耐蚀性优于316L不锈钢;Ni-W-P-SiC复合镀层在盐酸、硫酸和氯化铁溶液中的耐蚀性优于Ni-W-P合金镀层和RE-Ni-W-P-SiC复合镀层，而RE-Ni-W-P-SiC复合镀层在磷酸溶液中的耐蚀性又优于Ni-W->:请记住我站域名/

复合材料镀层的硬度和耐磨性试验结果表明，随着加热温度的提高，复合材料镀层的硬度增加，在400℃时达峰值，加热温度继续升高，镀层硬度呈下降趋势；此外，阴阳极相互垂直所得复合镀层的硬度高于阴阳极相互平行的硬度；镀态时复合镀层的磨损率均最高，随着热处理温度的提高，磨损率呈下降趋势，在400℃时磨损率最低，耐磨性最好。继续升高温度，磨损率有所上升。另外，随着镀层中磷含量的增加，其耐磨性改善。在400℃热处理条件下，随着热处理时间的延长，复合镀层的硬度和耐磨性增加，当热处理时间达到3小时时，镀层硬度和耐磨性达到最佳值；若继续延长时间，镀层的硬度和耐磨性将降低。随着镀液中SiC浓度的增加，RE-Ni-W-P-SiC复合材料镀层的硬度增加，同时镀层的耐磨性能也增强。镀液中钨酸钠浓度对RE-Ni-W-P-SiC多功能复合材料硬度及耐磨性的影响规律与镀液中SiC浓度对RE-Ni-W-P-SiC复合材料硬度及耐磨性的影响规律基本一致，即随着钨酸钠浓度的升高，RE-Ni-W-P-SiC复合镀层的硬度和耐磨性均提高。随着镀液中次亚磷酸钠浓度的升高，镀层的硬度和耐磨性均降低。

RE-Ni-W-P-SiC复合材料镀层的组织与结构分析表明，复合镀层在镀态下为非晶态，当热处理温度升到200℃时，镀层开始晶化并析出Ni3P相；当温度达到500℃时，镀层晶化完毕，产生新相g-(FeNi)。因此，整个镀层的显微结构随温度的变化过程是：非晶态混晶态晶态；稀土元素对复合镀层的显微组织无影响，但可以提高复合镀层中SiC微的含量；镀液中钨酸钠和柠檬酸的浓度对复合材料镀层的结构影响不大，复合材料中的磷含量是镀层非晶化的主要决定因素；镀液中钨酸钠和柠檬酸的浓度对复合材料镀层的表面形貌影响较大，当钨酸钠的浓度为90—150g/L和柠檬酸的浓度为150—170g/L时，复合材料镀层表面颗粒细小，而且平整光滑。

复合材料镀层的抗高温氧化试验结果表明，在高温氧化过程中,纯镍镀层、Ni-W-P、Ni-W-P-SiC和RE-Ni-W-P-SiC复合镀层的氧化膜重量和氧化时间的关系,在氧化时间小于60min时，氧化膜的增长规律近似于直线方程；而在氧化时间大于60min后,它的增长规律可以用幂函数方程表示。四种镀层氧化速率的大小顺序是Ni>Ni-W-P>Ni-W-P-SiC>RE-Ni-W-P-SiC。在高温氧化过程中,Ni-W-P、Ni-W-P-SiC和RE-Ni-W-P-三种镀层的氧化膜重量随着氧化温度的升高而呈指数型增加。RE-Ni-W-P-SiC复合镀层与Ni-W-P合金层相比,它的高温抗氧化性能可以提高2-3倍。镀层的截面形貌表明,经500℃下氧化，Ni-W-P合金已向基体扩散,与基体之间没有明显的分界线；Ni-W-P-SiC复合镀层与基体之间有分界线,但不明显；而RE-Ni-W-P-SiC复合镀层在此温度下有明显的分界线。经800℃下氧化后,除RE-Ni-W-P-SiC复合镀层与基体有明显分界线外,其它两种镀层均无分界线。Ni-W-P、Ni-W-P-SiC和RE-Ni-W-P-SiC三种镀层经800℃下氧化后的X-射线衍射图同样显示,RE-Ni-W-P-SiC复合镀层具有更好的抗高温氧化能力。

对电沉积RE-Ni-W-P-SiC多功能复合材料进行了日处理5平方米的中试试验，结果表明，用该工艺处理的多种零部件在磷化工、制糖和卷烟等工业中应用，其寿命明显高于国产零部件，接近或超过进口件的水平，并取得了一定的经济效益。

关键词：电沉积，RE-Ni-W-P-SiC复合材料镀层，硬度与耐磨性，耐蚀性，抗高温氧化性，组织与结构，应用。

Atract

ProceandbasictheoryofelectrodepositedRE-Ni-W-P-SiCmultifunctionalcompositecompositecoatinghavebeenstudied，includingsomecontentsasfollows：

E-pHpatterofNi-P-H2OandNi-C-H2Osystemsweredrownoutonthebasisofthermodynamicanalysis，andresultsshowthatNiandPcanco-depositonthecathodeintheformofNi3P；therearesomeNi3Cphasesinthecoating，andCcomesfromorganiccompoundwhichwasaddedinthebathandCO2intheairthatwasdiolvedinwater.

ExperimentalresultsofproceparametersindicatethataseriesofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingswithdifferentcontentswereobtainedbymeaofaropriateparameters，andcomponentscopesofthecoatingsareSiC5~30wt，Ni50~60wt，W10~25wt，P5~15wtandRE5~10wt.ThecontentsofW，PandSiCi nthecompositecoatingswereincreasedwhenchloride，oxideandsulfaterareearthwasaddedinthebathreectivelyortogether.Theadditionofsodiumhypophohatemustbearopriate，ifaddedmuch，WandSiCcontentsinthecoatingsweredecreased，Sotheadditionofsodiumhypophohatemustbecontrolled10~15g/l.Currentdeity，temperatureandpHvaluehavecoiderableeffectsonthecontentsofW，PandSiCinthecompositecoatings.Generally，currentdeity（Dk）mustbecontrolled5~10A/dm2，pH6.0~6.5andtemperature55~65oC.Besides，DkandpHhaveagreateffectonthesurfacemorphologiesofthecoatings，andthecompositecoatingsgetcoarsewhenDkandpHwerehigh，onthecontrary，thecompositesgainfinecrystalwhenDkandpHwerelow.TheagitatingintervaltimehaslittleeffectonNi，WandPcontents，whileithascoiderableeffectonSiCcontentinthedeposits.ExteionofagitationandintervaltimewilldecreaseSiCcontentinthecomposites，sointervalandagitatingtimemustbecontrolled3miand4~5mireectively.

CurvesofcathodicpolarizationdilaythatwhenSiCparticlesandrareearth（RE）wereaddedinthebath，cathodicdepositingcurrentdeityofthecompositesincreases，anditisprofitableforNi-W-Pcoatingtodepositinthecathode，formingNi-W-P-SiCandRE-Ni-W-P-SiCcomposites.Onthecontrary，theadditionofPTFEinthebathdecreasescathodicdepositingcurrentdeityofthecoatings.Thecurrentdeityincreasesalittlewhentheamountofrareearth（RE）is7~9g/l；however，thedeityincreasesgreatlywithincreasingamountofRE，anditreachespeakvaluewhentheamountofREis11~13g/l.ButiftheamountofREisraisedfurther，thecurrentdeitydecreases.MechanismofSiCparticlesandNi-W-Pcoatingco-depositionis:SiCparticlescarryaboutnegativeelectricchargeitself,andtheymayadsorbpositiveelectricchargearoundwhenSiCparticlesareaddedinthebath.Theymovetothesurfaceofcathodeandformweakadsorptionundertheeffectsoffluiddynamicsandelectricfieldforce;secondly,SiCparticlesonthecathodicsurfacedehydrateundertheeffectoftheelectrostaticfieldforceandformstrongadsorptiothirdly,SiCparticlesadsorbedonthecathodicsurfacearecapturedbyNi-W-Pcoatinganddepositedinthecomposite.

CorrosionexperimentsofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatinginH2SO4，HCl，H3PO4andFeCl3solutioshowthatthecompositecoatingsonthebaseofNi-W-PcoatingshavebettercorrosionresistanceinH2SO4，HCl，H3PO4andFeCl3solutioatas-depositedorheattreatment，andtheircorrosionresistanceissuperiortothatof316Lstainlesteel；thecorrosionresistanceofNi-W-P-SiCcoatinginHCl，H2SO4andFeCl3solutioismuchbetterthanthatofNi-W-PandRE-Ni-W-P-SiCcoatings；however，thecorrosionresistanceoftheRE-Ni-W-P-SiCcompositeinH3PO4solutionissuperiortothatofNi-W-P-SiCandNi-W-Pcoatings.ThecorrosionmechanismofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatinginH2SO4andH3PO4solutioisgapandintergranularcorrosion，andinHClandFeCl3solutioispointandintergranularcorrosion.

Resultsofhardneandwearresistanceofthecompositecoatingsshowthatthehardneofthecoatingsincreaseswithincreasingheattreatmenttemperature，anditreachespeakvalueat400oC.Butitdecreaseswithincreasingheattreatmenttemperaturecontinually.Besides，thehardneofthecoatingbyverticalhangingbetweencathodeandanodeismuchhigherthanthatofonebyparallelhangingbetweencathodeandanode.Theabrasionrateofthecompositesishighestatas-deposited，whileitdecreaseswiththeriseoftemperature，itcutsdownlowestat400oC.Buttheabrasionrateincreaseswithcontinuingraisingheattreatmenttemperature.Thewearresistanceofthecoatingisraisedwithincreasingthephohoruscontentinthedeposit.Thehardneandwearresistanceofthecompositeincreasewithexteionofheattreatedtimeat400oC，andtheyreachtheirpeakvaluesat3hoursreectively.However，thehardneandwearresistanceofthecoatingdecreasewiththeriseoftheheattreatedtime.ThehardneandwearresistanceoftheRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingincreasewiththeriseofSiCandsodiumtungst ateconcentratiointhebathreectively，whilethehardneandwearresistanceoftheRE-Ni-W-P-SiCcoatingdecreasewithincreasingsodiumhypophohateconcentrationinthebath.

MicrostructureofelectrodepositedRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingwasstudied，andresultsshowthattheRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingisamorphousas-deposited.WhilethecoatingchangesintothecrystalandNi3Pphasesprecipitatewhenheattreatedtemperatureisraisedto200oC；Thecrystalproceofthecoatingisfinishedandnewγ-（FeNi）phaseisproducedwhentemperaturerisesto500oC.Therefore，themicrostructurechangingproceofthecoatingisamorphousmixturecrystal；therareearthhasnoeffectonthemicrostructureofthecoating，whileitcanincreasetheSiCcontentinthedeposits.Sodiumtungstateandcitricacidconcentratiointhebathhavenoeffectsonthemicrostructureofthecomposite，howevertheyhavecoiderableeffectsonthesurfacemorphologiesofthecoatings.Thecoatingswithfinecrystalandsmoothsurfacewillbeobtainedwhensodiumtungstateconcentrationis90~150g/landcitricacidconcentrationis150~170g/l.Thephohoruscontentinthecompositeisadecisivefactorthatenablesthecoatingtochangeintoamorphousstate.

篇（7）

主管单位：中国科学院出版图书情报委员会

主办单位：中国科学院上海微系统与信息技术研究所;中国材料研究学会

出版周期：双月刊

出版地址：上海市

语

种：中文

开

本：大16开

国际刊号：1007-4252

国内刊号：31-1708/TG

邮发代号：4-737

发行范围：国内外统一发行

创刊时间：1995

期刊收录：

CA 化学文摘(美)(2009)

CBST 科学技术文献速报(日)(2009)

Pж(AJ) 文摘杂志(俄)(2009)

中国科学引文数据库(CSCD―2008)

核心期刊：

中文核心期刊(2008)

中文核心期刊(2004)

期刊荣誉：

Caj-cd规范获奖期刊

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篇（8）

中图分类号：G642.0；G642.3；TB34 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）05-0072-02 华南农业大学材料化学专业的培养目标是立足广东，面向珠江三角洲，培养掌握现代化学与材料学基础的基本理论和研究方法，具备新材料研究和技术开发能力，能在化学、材料科学与工程及其相关领域，从事新材料的设计、检测、研究、开发和管理等工作的高素质复合型人才。无机功能材料是具有特殊电、磁、光、声、热、化学以及生物功能的新型材料，既是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，又在农业、化工和建材等传统产业的改造方面起着重要作用。无机功能材料是华南农业大学材料化学专业的一门重要的专业课程。本文结合教学实际，从教学内容的更新、教学方法的探索和考核方式的改革等方面进行了有益的探索和实践，取得了较好的效果。

一、加强教学内容改革与优化，建立教学新体系

无机功能材料课程内容包括无机材料概论、晶态与非晶态结构、超导材料、压电材料、介电材料、半导体材料、红外材料、光导材料、变色材料、磁性材料、特种玻璃、生物功能材料、多孔材料等内容。在十多年教学中，通过精选教学内容，加强教学内容改革与优化，以“制备—结构—特性—应用”为主线，注重教学内容与学科发展前沿、现代生活和生产实际相结合，体现了授课内容的先进性、趣味性和实用性，提高了学生学习兴趣。

1.教学内容与学科发展前沿结合，体现先进性。紧跟学科发展前沿、瞄准研究热点是更新课堂教学内容的有效途径。在授课过程中，注重从国际和国内学术期刊中获得无机功能材料研究的相关信息，把研究热点与最具代表性的研究成果制成课件，展示给学生，使学生及时了解到最新的前沿知识，接触学术前沿领域，激发学生的求知欲望[1，2]。例如，在讲授压电陶瓷材料时，首先讲授传统的压电陶瓷，以PZT为基的二元系、三元系铅基压电陶瓷的制备、性能以及在国民经济和现代科学技术等方面应用；其次向学生介绍这类压电陶瓷中大量的铅在制备、使用和废弃处理过程中都会污染环境；最后介绍当前无铅压电陶瓷研究进展，包括BaTiO3基、BNT基和铌酸盐系等无铅压电陶瓷。讲授无机超导材料时，先介绍物质磁性的分类、磁性材料种类、特性和应用，再介绍当前磁性材料科学的研究热点——磁性半导体、分子基磁体以及同时具有铁电和铁磁双重性质的磁电复合材料。在讲授无机多孔材料时，介绍2012年发表在《Nature Materials》上的吸附二氧化碳的新材料NOTT-202a的结构、特性和应用前景[3]。通过学科研究前沿知识的讲授，体现了教学内容的先进性。

2.教学内容与现代生活实际结合，体现实用性。无机功能材料在日常生活中应用广泛。在课堂教学中，将教学内容与现代生活实际相结合，提高了学生的兴趣。例如热致变色材料是一种能对外界环境变化产生响应的新型智能材料，其中的无机低温热变色材料具有随温度变化颜色改变的特性，可将在商标、封签和票据上作特殊的标记进行化学防伪，用于冷冻食品、蔬菜和水果等各类食品适宜保存温度的指示，制作热变色家具、茶具和玩具，用于绘画、美术作品和广告中产生一些奇特的效果等[4]。变温磁性材料与家用电饭锅，压电材料与煤气灶和倒车报警器，变色玻璃与太阳镜，气敏陶瓷与煤气报警器，荧光材料与彩色电视机，红外材料与节水龙头，形状记忆合金与儿童矫牙，多孔材料与饮水机，无机纳米抗菌材料与保健鞋垫，超导材料与磁悬浮列车，吸波材料与隐身飞机，泡沫玻璃与新型节能建筑材料等知识的介绍，使学生感受到无机功能材料在生活中无处不在。这种理论联系生活实际的教学，增强理论课的实用性和趣味性。

二、加强教学方法和手段的更新，增强课堂教学效果

1.讲授与讨论相结合。在教师讲授的同时，开展课堂讨论式教学，既可以培养学生学习的主动性和分析问题的能力，又可以培养学生的创造性思维，从而有效地提高课堂教学质量[5，6]。本课程在教学过程中根据选课学生人数安排讨论课次数，采用方式为：首先教师提出若干个课题，如金刚砂的制备、结构和应用，无机超导体的种类、结构和应用，宝石中的化学以及气敏陶瓷的种类、特性和应用等；其次学生自由组合成2～3人小组，查阅文献和制作PPT；最后每个小组推荐一名成员上台讲授。从实施效果来看，这种课堂讨论教学改变了传统的以教师讲授为主和学生被动接受的教学模式，增强了学生学习的主动性，提高了学生查阅文献、PPT制作、语言表达和综合分析问题的能力，促进了教与学之间的互动，活跃了课堂教学气氛。

2.传统授课方式与现代教育手段相结合。将多媒体引入传统的课堂教学，是对传统的教学方式的继承、扬弃和补充，将抽象的知识直观化和形象化，激发了学生的学习兴趣，调动了学生学习的积极性[5]。例如在讲授超导材料时，先让学生观看磁悬浮现象的视频，通过提出问题“为什么磁性圆片在低温下会在金属圆片的上方悬浮起来？”引入讲授内容——超导材料，然后从超导现象，超导特性，超导材料的种类、结构及其在输电、电机、交通运输、微电子、电子计算机、生物工程、医疗和军事等领域应用进行讲授。在讲授发光材料时，先利用中山大学国家级精品课程《综合化学实验》网络资源，让学生观看“化学发光材料制备”视频，了解化学发光材料制备过程、结构表征的方法和手段，观察发光现象。在讲授激光材料和压电陶瓷前，播放一段激光雕刻机制作葫芦工艺品和压电陶瓷的有关应用的视频。在讲授激光产生的机理时，采用动画展现“三能级系统”、“四能级系统”、粒子数反转和激光形成的过程。这种讲授与动画和视频的有机结合，收到良好的教学效果。

3.理论教学与实践教学相结合。近几年来，通过以下四个方面的实现理论教学与实践教学的有机结合：（1）设置无机功能材料课程的实验。实验教学是学生创新意识和创新能力培养的重要手段与途径[7]，利用华南农业大学省级化学实验教学示范中心的有利条件，开设了溶胶—凝胶法制备纳米BaTiO3陶瓷粉体，微波辐射法合成磷酸锌，稀土发光材料的制备与发光性能等实验项目，提高了学生的实验技能。（2）组织学生参观相关企业。与深圳宝嘉能源有限公司，中山东晨磁性电子制品有限公司，佛山安亿纳米材料有限公司、东莞长发光电科技有限公司和广州台实防水补强有限公司等10余家企业建立了长期的产学研合作关系，通过组织学生参观，了解镍锌软磁铁氧体材料及器件、锂离子电池等无机功能材料的生产工艺和过程，增加了感性认识，加深了对理论知识的理解。（3）鼓励学生参与教师研究课题。近几年来，学生参与教师主持的含氮共轭聚合物与无机半导体杂化光催化剂的设计、制备与催化机理研究，双功能光转换剂的制备及其在棚膜中的应用研究，一维二氧化钛纳米管装载恩诺沙星纳米囊研制及缓释特性研究，季鏻盐类复合抗菌材料的制备和性能等多项省、部级及以上科研项目。学生通过参与教师的科研，了解无机功能材料研究的发展动态，开阔知识视野，增强学习和研究的兴趣。（4）指导学生申报大学生科技创新项目。课外创新活动是培养大学生创新能力的有效途径[8]，近几年来，材料化学专业的学生获得了碳纳米管/聚N-异丙基丙烯酰胺智能复合材料的制备与性能研究，橄榄石纳米LiFePO4正极材料的模板法制备及性能研究，稀性二氧化钛纳米管的制备及其对农药降解的研究，水热法制备钬掺杂二氧化钛纳米管及其光催化性能研究，GeS簇/MOFs复合多孔纳米材料可见光催化还原CO2和H2O合成甲醇的研究，金属氧化物改性多孔碳球的制备、表征及其用于直接甲醇燃料电池的研究和竹炭为模板制备纳米钛酸锂负极材料及其性能研究等科技创新项目，增强了学生的创新意识，提高了分析问题和解决问题的能力。

三、加强考核方式的改革，体现考核客观性和公正性

为了体现客观性和和公平性，无机功能材料课程考核采取平时考核和期末考试结合办法。平时成绩占总评成绩的40%，主要考查平时作业、课堂教学参与、小论文撰写、PPT制作和课堂讨论讲授效果等。期末考试成绩总评成60%，题型包括单项选择、不定项选择题、填空题、专业名词英汉互译和简答题。其中前三项主要考核学生对无机功能材料基本知识的掌握情况，后二者考核学生运用知识的能力。

综上所述，通过10多年的探索和实践，无机功能材料的课堂教学取得了良好的效果。从学生评教结果看，2008～2012年得分均92分以上，位居学院专业课前列。学生主持与课程相关的大学生科技创新项目24项，公开发表相关学术论文50余篇，其中SCI和EI收录32篇。在今后的工作中，将不断深化课堂教学改革，加强实践环节教学，使无机功能材料课程的教学在培养适应珠江三角洲经济发展的材料化学方面高素质复合型人才发挥更大作用。

参考文献：

[1]赵北君，朱世富，何知宇，等.“现代材料制备科学与技术”课程教学培养创新意识的尝试[J].高等理科教育，2008，（6）：77-79.

[2]王艳荣.《无机材料科学基础》教学实践与改革探讨[J].高教论坛，2007，（2）：128-129.

[3]YANG Sihai，LIN Xiang，L.William，et al.A partially interpenetrated metal-organic framework for selective hysteretic sorption of carbon dioxide[J].Nature Materials，2012，11（8）：710-716.

[4]王海滨，刘树信，霍冀川.无机热致变色材料的研究及应用进展[J].中国陶瓷，2006，42（4）：11-13.

[5]程顺有.实施启发式教学培养学生创新能力——以专业基础课程的“课堂讨论”为例[J].高等理科教育，2004，（3）：87-90.

[6]王果.问题讨论式课堂教学法的探索与实践[J].高等农业教育，2008，（2）：60-62.

[7]陈德碧，杨帆.应用型人才培养的实验教学改革实践[J].实验科学与技术，2010，8（4）：42-43，133.

篇（9）

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）03-0061-02

高等教育国际化成为当代世界高等教育的重要理念。培养既有扎实专业知识，又有国际交流、合作、竞争能力的国际化人才，已成为我国高等教育的最重要任务之一。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010―2020年）》和《上海市中长期教育改革和发展规划纲要（2010―2020年）》都将教育国际化列于突出地位。因此，上海市教委从2009年起开展了上海高校示范性全英语教学课程建设，鼓励高校教师开展全英语教学，发挥课程示范辐射作用，提高国际化教学质量[1]。上海理工大学材料科学与工程专业自2010年起开始了本科生课程的全英语教学探索，目前正在建设包括材料结构与性能、材料分析与设计和专门材料与应用三个全英语教学课程群[2，3]。《功能材料学》课程主要针对材料科学与工程专业三年级学生，是专门材料与应用课程群的核心课程之一。《功能材料学》课程主要向学生讲授各类功能材料的结构、性能及应用的基本理论和相互关系等，并介绍当今各类功能材料的最新研究成果，加强学生对专业知识的理解和掌握，并了解功能材料领域的发展趋势，为今后在相关领域学习和工作打下坚实基础；同时，深化培养学生的专业英语运用能力以及国际化视野，提升其综合素质。为更好地实现上述教学目标，提高课程教学效果，本文结合《功能材料学》全英语教学课程近几年的教学实践，对课程的教学内容、教学方法与手段以及评价体系等方面进行了初步探索。

一、教学内容的优化

功能材料是指具有优异的物理、化学、生物、光电性质并能在其之间相互转化的材料。根据材料的功能分类，功能材料包括电子材料、磁性材料、光学材料、生物材料、各种功能转换材料等，涵盖电子学、光学、生物医学、电磁学等领域，是一门多学科交叉融合的学科。目前，高校的材料科学与工程专业基本都开设功能材料学及相关的专业课程。功能材料学涵盖面广、信息量大，但是一般课程的教学时数相对较少，所以多数高校都是选取几类功能材料作为教学内容。例如华中科技大学开设的《先进功能材料》课程主要介绍光功能材料、电功能材料、磁功能材料和能源材料。本校的《功能材料学》课程实施全英语教学，虽然学生在前期已学习了全英语授课的《材料科学基础》、《现代材料分析方法》、《材料结构与性能》等专业基础课，能够较好适应全英语授课的节奏和方式，但是很多学生以英语思维方式理解和掌握专业知识仍然面临困难和挑战，所以在教学时数有限的情况下，教学内容的优化至关重要。

1.为实现课程教学与国外接轨，同时结合功能材料领域的发展状况和本校材料学院以能源、环境、生物材料为主的研究特色，本课程教学中选用了Deborah D.L.Chung主编的原版英文教材《Functional Materials：Electrical，Dielectric，Electromagnetic，Optical and Magnetic Applications》作为主要参考教材，同时补充Buddy D. Ratner等人编写的原版英文教材《Biomaterial Science：An Introduction to Materials in Medicine》作为生物功能材料的参考教材，并将发表的经典论文与最新研究成果等作为补充教材。

2.由于本课程的学生已学习了大量的材料学基础理论课程，所以教学内容以功能材料的应用为主，兼顾理论知识的巩固。以材料设计中的“结构-性能-应用”基本思路为主线，在介绍某种功能材料的结构与性能之间关系的基础上，着重讲授功能材料的性能与应用之间的相互关系，突出实际应用案例。这样，课程教学内容既保证学生可以巩固功能材料学的基础知识，又引导学生将基础知识和实际应用结合起来，提高解决实际问题的能力。

3.为了教学内容能够有效激发学生的学习兴趣，引导学生把握功能材料领域的发展趋势，本课程以专题形式只在压电材料、磁性材料、光电材料、电池能源材料、生物材料等范围内选择几种经典的和最新发展的功能材料及其制备新技术作为讲授内容，同时引入新材料、新技术等方面的课堂讨论内容。例如在讲授太阳能电池材料及新技术时，除了介绍太阳能电池的工作原理、目前研究的太阳能电池材料外，结合本院开展太阳能电池材料研究的老师的科研成果，课堂讨论太阳能电池材料的研究现状和发展趋势。

二、多元化教学方法与手段的运用

全英语教学是指用英语全程授课，让学生在全英语环境中学习专业知识，这对学生提出了更高要求。复旦大学蔡基刚教授研究认为，具有大学英语四级水平以上的学生，具备上全英语课程的能力，关键在于坚持和信心[4]。目前，本专业学生在上海市及全国范围内均为一本招生，英语整体水平较高，而且学生在前期已经学习了多门全英语授课的专业基础课。但是，部分学生仍然对全英语课程产生畏难情绪。因此，在全英语教学中，如何提高学生对课程的兴趣以帮助学生克服畏难情趣，是影响教学效果的重要因素。在近几年的全英语教学实践中，我们对多种教学方法和手段进行了融合运用。

1.多媒体教学，精心准备课件及教学细节。在课前精心组织教学内容，注重最新研究成果和经典功能材料的实际应用案例，力求课程内容的前沿性、实用性和趣味性。多媒体课件尽量通过图片、表格、动画以及视频等资料，以直观的方式体现教学内容，避免在幻灯片上出现大段文字，以此吸引学生的注意力，帮助其克服语言障碍。通过讲授过程中放慢语速或者重点内容重复多次的方式，争取绝大多数同学在课堂上能够听懂、理解，并且设置提问环节以增强学生对知识点的掌握。

2.将研究和探索的氛围带到课程教学中。本课程的教学内容结合了学院的研究特色，教学团队由多名从事不同功能材料研究的科研一线教师组成，分别在其擅长的研究领域讲授教学内容，同时将各自的科研成果引入教学，丰富教学内容，使教学与科研有机结合起来。增加教师本人的科研成果展示、科研故事等内容，使课程充满研究和探索的气氛，激发学生对课程内容和功能材料研究的兴趣。

3.开展当前研究热点和最新研究成果的课堂讨论。通常学生对研究热点和最新研究成果都比较感兴趣。例如在讲授目前非常热门的石墨烯材料时，教师提前给学生布置讨论题目：石墨烯材料具有非常优异的电导、机械强度、韧性等性能，那么这类材料的应用领域在哪里？在课堂上，教师在讲授完石墨烯材料的结构与性能关系后，在轻松的氛围下开始课堂讨论。这样的教学方式不仅有利于调动学生主动参与的积极性，而且可以培养学生独立思考和分析判断问题的能力以及交流、讨论、合作的热情和能力。

4.注重学生课前预习和课后知识巩固。全英语教学实践中，学生的课前预习对提高课堂教学效果非常重要。为了让学生的课前预习有的放矢，教师在课程开始前将课件放在课程网站上，让学生根据课程进度表提前下载课件并配合英语参考教材预习，避免了英语参考教材信息量大、学生预习无从下手的情况。通过预习，学生可以熟悉课堂的教学内容以及专业词汇，尽量避免因为课程内容和词汇生疏带来对知识点的理解困难，有助于学生跟上教师授课节奏，提高课堂教学效果。而对学生课前预习要求的检查和督促则通过教师课堂随机测验、点名提问等方式进行，并且将结果计入平时成绩。另外，为了进一步巩固课堂所学知识，每个专题授课结束后都会通过布置作业来引导学生对所学内容和知识点进行回顾。对学生课后作业完成情况的检查则通过作业批改、在课堂上问答的互动方式进行，标准解答定期上传至课程网站，以便学生加深对课程内容和知识点的理解和掌握。同时，本课程还设置课后辅导答疑环节，学生在每周的固定时间可到教师办公室接受答疑辅导。

三、课程教学评价体系的建立

好的课程教学评价体系也可以有效激发学生的学习兴趣，提高教学质量。传统的以期末考试为主的评价方式，容易导致学生考试前突击死记硬背知识点，而忽视平时对所学知识的运用以及综合素质的培养。本课程采用教学过程中的课堂参与度等作为过程性评价和学期末综合考试作为总结性评价。过程性评价包括了全英语课后作业、课堂问答互动、小组课堂专题演讲以及查阅英语文献与资料能力等构成，占总成绩的50%～60%；而期末综合考试则主要考查学生对重点知识点的理解以及解决实际问题的能力，占40%～50%。采用这样的评价方式，鼓励学生参与课程教学，激励学生的学习热情。既让学生重视对知识点的理解和灵活运用，而不是死记硬背基本知识点和基本概念，也加强了学生综合素质的培养。

全英语课程教学已成为高校培养国际化人才的重要举措。《功能材料学》课程是材料科学与工程专业非常重要的专业课，要达到提高学生专业知识水平，培养学生解决实际问题的能力以及国际化视野，提升综合素质的教学目标，在全英语教学中，必须要在教学内容、教学方法与手段、教学评价体系等方面下功夫，激发学生对全英语教学课程的学习兴趣，使学生克服畏难情绪，能够在教学过程中成为教学主体。全英语教学还是一种新的教学模式，在引导学生成为教学主体的同时，教师也要不断学习、提高教学理念和教学水平。只有教师和学生教学相长，才能真正提高全英语教学质量。

篇（10）

生物质可以转化为能源和各种化工产品与生物质基材料。目前我国生物质材料工业采用直接转化的模式，生产过程存在效率低、能耗高、产物类型少等问题，因此如何将生物质进行高附加值的综合开发利用是生物质产业面临的主要瓶颈之一。

绽放梦想

任俊莉在攻读博士期间，师从于华南理工大学孙润仓教授（杰青、长江学者特聘教授）。在良师的教导下，她主要针对蔗渣和麦草秸秆中半纤维素的分离、结构表征及定向转化为造纸助剂进行了系统研究，完成了博士论文。怀揣着对校园的热爱，对科研的执著，她选择了毕业留校，继续从事于农林生物质半纤维素的分离及其转化为高附加值的多元化产品的基础和应用研究。

2008年2月，任俊莉受单位资助赴瑞典隆德大学化学工程系做访问学者，在此期间，她针对农业秸秆转化生物乙醇过程中的关键技术问题进行了深入研究，考察了碱预浸渍和蒸汽爆破相结合的技术对麦草秸秆转化乙醇产率的影响。

东西方文化的碰撞，学术氛围的交融在任俊莉身上起了奇妙的化学反应，对于科研的激情更甚。

在生物质能源的科研道路上，她不高大，但执著。

半纤维素在自然界中的含量十分丰富，在植物中的含量占1/4-1/3，仅次于纤维素的含量。因半纤维素独特的化学结构，较高的环保价值，使其在造纸、食品包装、生物医药、污水处理等领域有着潜在的商业价值。半纤维素被公认为是制备环保材料的理想材料。因此，以半纤维素为基质制备功能材料的研究为农林生物质资源的高值化利用提供了新的资源化道路。

为此，任俊莉将研究方向定为农林生物质高值化利用的基础和应用研究，尤其在半纤维素转化为多元化高附加值产品方面有着丰富的研究经验。

放飞梦想

每个人都有梦想，难得的是将梦想坚持下去。

恩格斯曾说过，社会一旦有技术上的需要，则这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进。在任俊莉负责的诸多有影响力的项目中，主要以基础研究为主，其中，她带领的课题组在研的广州市科信局应用基础研究计划项目“新型环保半纤维素基重金属离子吸附材料的制备及应用研究”凝结了团队成员的心血和智慧。制备的半纤维素吸附材料具有较好的吸附性能，尤其对重金属离子具有较好的吸附性能，同时还对尿素具有一定的缓释效应，将在农业、污水处理等行业有着潜在的商业应用前景。

其中，该项目体现了两大创新：首先提出一种新型环保生物质基吸附剂的方法。该方法工艺简单易行，该方法的提出基于“过程绿色，产物与环境友好”，具有科学性与先进性。该吸附剂具有生物可降解性，能够多次循环利用，可应用于污水处理中的重金属离子富集和回收，将为半纤维素在新材料研究应用领域开辟一条资源化道路。

其次提出一种温和条件下均相体系制备带有碳碳双键的半纤维素衍生物新方法。该方法在较温和的条件下合成出均一性好、分子量高的GMA修饰的半纤维素。该聚合物可以进一步通过接枝共聚等技术制备功能材料。该研究将为半纤维素工业化均相改性以及大规模应用于污水处理、造纸、医药等工业领域奠定理论依据。

谈到实实在在的成果，任俊莉告诉记者，该项目以农林废弃物半纤维素转化为可生物降解的功能材料为目标，研发了一种吸附重金属离子的新型环保材料，属于污水处理、高分子材料、高分子化学、林产化学等多学科交叉研究领域，涵及可降解高分子材料技术及污水处理技术，具体为一种新型环保重金属离子吸附剂的制备及其对重金属离子吸附和脱吸行为以及再生性能的研究。

这个项目主要以农林生物质蔗渣和竹材加工下脚料分离和纯化得到的木聚糖类型的半纤维素为原料，从分子学角度设计了半纤维素基新型吸附材料的组成和结构；通过调控反应参数，制备了系列阴离子型的木聚糖基水凝胶，其吸水率在80-900范围内，表现出对pH、有机溶剂极好的智能响应行为和反复的开-关特性。该水凝胶对铅、铬、锌重金属离子的最大吸附量达859、495、274mg/g，重复使用8次之后仍保留原来90%的吸附容量。制备的系列木聚糖基水凝胶可以作为吸附材料、吸水/保水材料、智能开关等可以应用于污水处理、医药等行业。该功能材料具有生物可降解性、可再生能力，能够循环使用，富集的重金属离子能够被分离和回收，在污水处理工业具有潜在的应用前景。

我们可以预见到，利用生物质制备生物能源、生物质基材料和化学品，以补充或逐步替代不可再生石化资源是目前资源转化的一种重要发展趋势，将推动现有的庞大的化石基工业体系向生物质工业体系的良性转变。

实现梦想

科技人才最重要的价值体现在他们的创造价值上。科技人才能够利用他们掌握的专业知识进行创造性的劳动，提出新的理论和新的解决方法，并转化为新的生产力。

目前，任俊莉的具体研究方向是构建半纤维素功能材料理论体系和方法，制备高性能的复合膜材料、具有良好选择性的吸附材料以及对药物具良好控释性能的药物载体等功能材料，并考察了它们在食品、污水、农业及医药行业的应用。

另外，她将“绿色催化化学”理念应用于半纤维素高选择性合成化工中间体的研究中，主要利用纳米催化技术在水相和绿色溶剂体系催化转化半纤维素及单糖合成糠醛及糠醛衍生物等高附加值化学品，实现了原料天然、过程绿色、产物环保的目的，符合当前绿色经济的发展。

为此，从工作至今，任俊莉主持了大大小小多个项目，如国家自然科学基金面上项目、教育部新世纪人才支持计划项目、教育部高等学校全国优博论文作者专项基金项目、广东省自然科学杰出青年基金（首届）、广东市科技计划项目、广东省教育厅育苗工程、华南理工大学第一批优秀青年学者培养对象、华南理工大学中央业务费重点项目和面上项目、中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室、重点实验室人才基金、新教师基金及开放基金等多项项目。

目前，她主持的国家自然科学基金面上项目、教育部新世纪人才支持计划项目、教育部高等学校全国优博论文作者专项基金项目、广东省自然科学杰出青年基金（首届）等项目主要是针对农林生物质半纤维素的清洁高效分离及高值化利用进行基础研究，建立了半纤维素高效分离技术体系，提出均相改性新方法，创立半纤维素均相化学修饰体系，揭示半纤维素在离子液体体系的溶解机理，依据半纤维素的化学结构，设计合成了系列不同功能的半纤维素基材料，阐明了半纤维素结构与材料性能之间的关系，这些研究为半纤维素的工业应用提供了重要的理论依据。

除了在半纤维素领域取得了一定成果，任俊莉同时还担负着传道授业的师者责任。她协助孙润仓教授指导了博士研究生3名，其中两名研究生分别获得华南理工大学优博创新基金的特等资助。指导5名硕士研究生。在指导研究生时，任俊莉在生活上给予他们物质和精神的双重支持；在科研方面，她细心指导，时刻跟踪学生科研工作动态，及时发现问题，及时解决。并且，还积极参与和协助学科带头人对学科的建设，帮助团队青年教师在项目申报、等方面快速成长，完善学术梯队建设。

收获梦想

6月22日，由《科学中国人》杂志主办的“科学中国人（2012）年度人物颁奖典礼”在北京万寿宾馆举行。此次，共评选出百余位科学中国人（2012）年度人物及年度人物特别奖。

荣誉的殿堂上，任俊莉如莲花般夺目。当杰出青年科学家获奖者登台领奖，所有人都关注到了那万花丛中一点红，她是获奖者中唯一的女性。组委会给她的提名理由这样描述：多年来以造纸植物资源半纤维素的高值化利用为研究核心，针对制浆造纸过程中半纤维素资源化利用效率低、成本高及转化产品类型少等瓶颈问题开展工作，在解译蔗渣、麦草和黄竹半纤维素化学结构的基础上，依据半纤维素的构效关系构建了多元化半纤维素基产品合成新理论和新方法，建立了具有自主创新的半纤维素转化技术体系，研究成果受到国内外学术界的广泛关注和跟进。研究成果获高等学校科学技术奖自然科学奖一等奖2项（2012年，2008年，排名第五）。申请人2010年获“全国百篇优秀博士论文”奖，2012年入选广东省高等学校“千百十工程”第七批校级培养对象，同年获得教育部新世纪人才支持计划项目、广东省自然科学杰出青年基金项目、华南理工大学首批杰出人才培养计划培养对象―优秀青年学者等人才项目资助。

篇（11）

34岁，他舍弃在德国继续深造的机会，回到母校从事科研工作；

35岁，他放弃武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室的优越条件，俯身广西教育事业；

如今，46岁的他，瞄准世界材料科学发展的前沿，刻苦钻研，勇于创新，为实现广西从有色金属资源大省向有色金属资源强省转变，积极贡献自己的青春与才智。

他，就是广西有色金属及特色材料加工国家重点实验室培育基地、有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室学术带头人、桂林理工大学教授、博士生导师――方亮。

从中国到德国，只为占领材料研究高端

1970年，湖北宜昌三峡大学校园，方亮呱呱落地，从童年起，研究哲学的父亲和研究生物的母亲就让方亮无拘无束成长，运动成了他的至爱。1988年，复读一年的方亮以全校第三名的成绩被以材料学科见长的全国重点大学武汉工业大学录取，成为当时武汉工业大学材料科学实验班仅有的九名学生之一，成为武工大校长、我国著名材料学专家袁润章教授的弟子。

“正是高考的挫折，让我明白，一个人要对自己的人生负责，要建立一套属于自己的学习和工作方法。”方亮说，在运动和科研上，他找到平衡点：“运动强健体魄，培养竞争意识和面对挫折的能力，拼搏带给我不懈努力的干劲。”

大学四年，方亮成绩优异，曾连续三年被评为三好学生标兵，之后免试直升研究生，1998年获得武汉工业大学（2000年更名为武汉理工大学）复合材料工学博士学位，同年留校在材料复合新技术国家重点实验室从事科研工作。2003年5月，方亮破格晋升为武汉理工大学教授，并成为当时学校最年轻的博士生导师，也被武汉市组织部作为江汉大学副校长人选进行考察。为了家庭团聚，当年12月，方亮去到久负盛名的德国亚琛工业大学及尤里西研究中心电子材料所当访问学者，利用国外先进设备加快自己的研究进程，先后在国际专业刊物发表15篇电子材料方面的论文，成为2004年武汉理工大学发表SCI论文排名第一的教师。

方亮长期从事新型无机非金属功能材料的合成、结构与性能探索工作，在复合氧化物电、磁功能材料系统中设计与合成了类钙钛矿结构与六方磁铅石结构新有色金属复合氧化物600余个，均被ICDD授予了PDF卡，成为鉴定它们的国际标准数据，开展了新型微波介电陶瓷、无铅铁电与压电材料、铁电―铁磁材料等探索工作。作为负责人或技术负责人承担了国家自然科学基金重大专项及青年基金项目、面上项目与地区联合资助项目、教育部重大项目、留学回国基金项目与“新世纪优秀人才”支持计划项目、美国国际衍射数据中心资助项目、国防军工重点项目等30余项。获得授权国家发明专利200余件，作为主要作者300余篇，SCI已收录260余篇，SCI引用超2000次，其中7篇论文被ISI评为2000年来本领域引用率最高的1%以内高引频论文。

回顾自己14年的科研经历，方亮说：“材料科学是人类发展进步的三大支柱学科之一，我的导师一直告诫我们，要对新材料保持兴趣与探索，科学研究永无止境，总有更好性能的材料出现，总有更好方法去改进现在的人类进程。”

从武汉到桂林，只为打造材料学界国家重点实验室与材料学科博士点

2005年，34岁的方亮决定离开德国优越的科研生活环境，回国后与同为材料领域专家的妻子进入中科院上海硅酸盐研究所，同时在母校继续执教。方亮说：“在国外可以学习到先进的科学技术和学习、工作管理制度。但是那些收获都是个人的，而做出的成果和知识产权却归国外所有，与其贡献自己的才智给外国人‘打工’，不如回国传授先进的技术，起领头的作用，影响一批人、带动一批人，共同建设我们的国家。”

然而，半年后，方亮再次做出了一个让人吃惊的决定：放弃武汉理工大学的优越条件，不是去上海，而是从武汉到桂林，应邀作为桂林理工大学有色金属与材料加工新技术教育部重点实验室讲座教授，面对各方疑问，方亮答道：“广西青山绿水自然环境好，民风淳朴好客，是一个有色资源大省，但是社会、经济与教育的发展都有所欠缺，广西的加速发展更需要材料科学的推动与高素质科技人才的培养。通过我的努力，充分利用桂林理工大学提供的良好的科研与教育平台，可以实现学以致用、报效国家的理想，做出比在发达地区更大的贡献。”

到校一年后，方亮协同吴伯麟教授完成了教育部重点实验室的验收，2007年在时任桂林理工大学书记黎志和校长赵艳林的邀请下，正式加入了桂林理工大学，并担任了教育部重点实验室主任，2010年该实验室成为广西第二个国家重点实验室培育基地，2013年桂林理工大学获得广西目前唯一的材料科学与工程学科一级博士点。

在桂林理工大学的教学岗位，方亮除了给本科生授课、指导毕业论文，还培养硕士生、博士生。方亮认为，对于本科生的培养，应该因材施教，根据学生不同的兴趣导向来对他们进行分类培养，对立志从事科学研究的部分学生，要在平时的教学实践中注意对其科学素养的培养，提高独立进行科学研究的能力；而对另一部分立志于毕业后参加工作的同学，则应为他们多提供一些实践机会，让他们能够在毕业后尽快适应社会。

作为硕士、博士生导师，方亮关注研究生培养质量，他利用自己的影响力，积极邀请行业内国内外专家到校指导，先后有多位国内外材料学知名专家来重点实验室开展讲座，有效提升研究生学科素养，每名研究生都能在SCI二区及以上国际期刊发表学术论文，其中2013级研究生李洁作为第一作者在发表无机非金属材料领域顶级期刊J. Am. Ceram Soc.、J. Eur. Ceram Soc发表3篇SCI论文，被华中科技大学录取为博士研究生。

在担任桂理理工大学国家重点实验室培育基地主任期间，方亮倾力打造一个能够走在学术前端的团队，他建立一套“教授、青年博士教师、研究生、本科生”四位一体的联动模式，充分实现各个层次人才之间的“学、帮、带”。青年教师初来乍到，没有经费，方亮无偿提供自己的设备、原料等急需物资；参加国际会议能够更好地与同行交流，方亮拿出自己的科研经费资助青年教师参加国际会议。2009年，四年一届的国际铁电会议在西安举行，这是该领域的一次重要会议。在方亮的资助下，桂林理工大学两名青年教师、一名博士生和两名硕士生到会展示了他们的最新研究成果。此外，实验室每两周一次的学术报告，方亮认真听取学生报告，并对学生提出的问题耐心予以指导，使大家更加明确方向，找到解决问题的方法。

方亮牵头与广西新未来信息产业股份有限公司组建广西“电子材料与器件人才小高地”，2013年得到广西壮族自治区人才工作领导小组、自治区党委组织部共同认定，为广西大力培养“材料人才”，在科研、创新、人才培养、发明创造方面均有不俗的成绩。日前，从“广西电子材料与器件人才小高地”传来喜讯，2016年方亮研究组共有7名考生被录取为西安交大、华中科技大、中山大学等校博士研究生。

从象牙塔到生产车间，只为实现产学研一体化

“科研成果只有走出实验室，转变成生产力，才能为社会产生更广泛的经济、社会效益。”这是方亮一直坚持的理念。

桂林理工大学重点实验室教授陈平研发一种绿色生态建材制备新技术，方亮积极支持陈平教授推广这项技术，提出学校与广西重点企业柳州鱼峰水泥集团全面合作的构想，得到学校领导的高度重视。2008年12月，桂林理工大学与鱼峰集团签订全面合作框架协议，目前已经发挥多重作用：依托桂林理工大学的技术，鱼峰集团全面改造四条生产线，生产工艺节能20%，产品性能提高20%，每年新增经济效益1000多万元；以该项目为主的成果获得了2010年广西科技进步一等奖，2011年获得了目前广西唯一的一项国家技术发明奖二等奖。

2010年5月，方亮带领团队成员周焕福、刘来君等赴北海，与广西新未来股份有限公司进行调研与技术交流，并达成教育部重点实验室与广西新未来股份有限公司共建“广西敏感元器件工程与研究中心”全面合作框架协议，并从2010年6月起，参与新未来股份有限公司承担的广西“千亿元产业”电子元器件研发中心的共建工作，在此基础上，双方不断加强合作，把研发的重点之一确定为“新未来”公司主导产品氧化锌压敏电阻的低温烧结制备技术，获得了“千亿元产业”重大项目资助，申请10项发明专利，解决了高能型氧化锌压敏电阻器在低温化制备、与电极的共烧匹配等关键工艺技术难题，实现了两条低温共烧生产线的改造，2013年11月至2016年2月累计生产高能型氧化锌压敏电阻3.5亿只，累计节约生产成本约1749万元，销售收入达到1.4亿元，利税3155万元。

微波介质陶瓷是方亮的主要研究领域，它是现代通信技术的关键基础材料，主要在微波频段（主要是UHF、SHF频段）电路中作为介质谐振器与滤波器，在通信、雷达、导航、电子对抗、全球卫星定位系统（GPS）等领域已得到广泛应用。方亮发现了综合性能优异的系列B位缺位类钙钛矿微波介质材料，作为第一完成人获2007年度中国建筑材料工业协会・中国硅酸盐学会建筑材料科学技术奖（简称中国建材奖，科技部批准立项，具有推荐国家奖资格）一等奖。

近5年来，方亮利用广西的优势有色金属资源，开展可低温共烧的有色金属复合氧化物微波介电材料的研究，在新型微波介质陶瓷的研究成果得到国外同行的认同，在国际硅酸盐或陶瓷领域排名前三位的学术刊物J. Eur. Ceram Soc.、J. Am. Ceram Soc、Inter. Ceram40余篇，2013年度获得广西自然科学奖二等奖（第一完成人）。在国内外率先报道了高Q值的尖晶石结构化合物、Li基盐岩结构、六方钙钛矿与复合钙钛矿、V基石榴石化合物等新型微波介质陶瓷以及与Ag电极的低温共烧研究结果，其中2010年与印度Sebastain研究组同时以快报形式报道了尖晶石结构化合物Li2MTi3O8具有高的品质因子、低的谐振频率温度系数，而且烧结温度也低于1075 ℃，被J. Am. Ceram Soc认为是继日本村田公司发现（Zr，Sn）TiO4后的中介电常数微波介质材料的一个突破，目前已在上市公司进行中试生产与成果转化。

2013年1月方亮担任了桂林理工大学科技处处长，当年学校科研经费就突破了亿元大关，以后逐年稳定增长。这三年间桂林理工大学获得国家自然科学基金项目总量稳居广西区第三位，其中重点项目（2项）和国家优秀青年基金项目（1项）总数名列广西第一。专利申请量及授权量位列广西壮族自治区前两位（2015年申请发明专利533件，获授权中国发明专利245件，累计授权率及有效专利拥有量名列广西企事业单位第二位），对桂林市“国家知识产权试点示范城市”的创建以及桂林国家级高新区知识产权工作提供重要的支撑。2011年，方亮入选国家知识产权局第三批“百千万知识产权人才工程”百名高层次人才培养人选，2014年自治区知识产权局立项支持广西知识产权培训基地（桂林理工大学）试点建设。

“只问过程，不问结果”是方亮埋头苦干的真实写照，各方赞扬与各种荣誉却不曾忘记他：他入选2006年度教育部新世纪优秀人才支持计划与2006年度广西“新世纪十百千人才工程”第二层次人选；获得15次美国国际衍射数据中心（ICDD）颁发的重要贡献证书；获得2008年度广西青年“五四”奖章标兵荣誉称号，获得2009年度 “广西高校首届杰出科技人才”称号，2010年入选第三批广西高校“八桂学者”、2011年11月被自治区党委、自治区人民政府聘请为首批特聘专家。

从全国寻访优才，只为打造一支优秀“材料团队”

从1995年起，方亮师从原武汉工业大学校长袁润章教授、材料复合新技术国家重点实验室常务副主任吴伯麟教授从事铌钽酸盐电光功能材料研究，那时，他就深深体会到学术研究团队对学术成长的重要性。

2005年9月，方亮来到桂林理工大学执教后，拓展了新型有色金属氧化物电光功能材料的研究方向。此时的方亮，已深切感受到人才对团队建设、对广西材料研究及应用领域的不可或缺。