功能材料论文范文
时间：2023-03-01 07:03:43
功能材料论文范文第1篇
关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展
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；
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。
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功能材料论文范文第2篇
1.1天然硼酸复盐化合物天然硼酸复盐化合物可用来生产硼酸、硼砂、元素硼以及硼的其他化合物，为硼酸复盐化合物的人工合成提供原料，进一步生产出纯度高、性能好、功能广泛的硼酸复盐材料，如钠硼解石是制备硼酸钙的重要原料。
1.2人工合成硼酸复盐化合物得益于天然硼酸复盐化合物的应用价值，人们在探索硼酸复盐功能材料方面作了大量的研究工作，合成了许多性能优良的硼酸复盐晶体。目前为止，人们己经合成了一系列碱金属、碱土金属、两性金属及过渡金属等之间形成的复盐类型的硼酸盐。K2Ca［B4O5(OH)4］2•8H2O可采用水溶液法生长其单晶，用于制造彩色陶瓷和瓷釉［13］。K2Al2B2O7晶体是一种能用于紫外区的激光倍频晶体，是BO3基团晶体中唯一一种已经成功生长出大尺寸、高质量的能满足器件切割要求的晶体，采用顶部籽晶法生长。其透光范围宽，具有适中的双折射率，物化性能稳定，不潮解，易于机械加工等诸多的性能优良，是Nd:YAG激光器实现四倍频、五倍频输出的理想材料，在光通信、激光加工等领域有着重要的应用价值［14－15］。宋春荣等［16］对光学晶体KABO在相位匹配下的混频光学特性进行了理论计算和分析，讨论了KABO晶体的折射率与群速指数随光波长参数的变化，为用于产生紫外激光的实验研究提供了重要的理论依据。理论上，从碱金属K到过渡金属Fe两两结合可形成的复盐应该有21个种类，而从以上已合成出的复盐来看，同一类型复盐因有无结晶水、硼氧配阴离子结构不同等因素的影响而具有多种形式。可与过渡金属Zn结合的复盐Ca－Zn、Mg－Zn、Al－Zn及可与过渡金属Fe结合的复盐K－Fe、Ca－Fe、Na－Fe、Mg－Fe、Al－Fe、Zn－Fe并未合成出来，这说明复盐的合成受到金属还原性的影响。因此，硼酸复盐合成的发展空间依然很大，有待于依据已合成复盐的理论进一步探索和研究其它复盐的合成。
2稀土硼酸盐功能材料
2.1稀土金属硼酸盐功能材料稀土金属硼酸盐纳米材料是一类重要的发光材料。Schaak，RE［17］采用溶液前驱体路线合成了一系列纳米晶稀土硼酸盐REBO3(RE=Y，Nd，Sm，Eu，Gd，Ho);何伟等［18］利用溶胶－凝胶燃烧合成法制备了SmBO3粉体，可成为性能较好的针对1.06和10.6μm激光的激光光防护材料和滤光功能材料。陈雨金等［19］通过解理方法获得了Nd3+:LaB3O6微片激光器。(Y，Gd)BO3:Eu荧光粉在真空紫外(VUV)激发下有很高的发光效率，而被广泛应用于等离子体显示器红色荧光粉［20］。YangJ等［21］合成了LuBO3:Eu3+，其可调谐发光性能有潜力应用于荧光灯和场发射显示器。利用元素硼和稀土元素特殊的在材料抗磨减摩方面的作用及在摩擦表面生成复杂的边界膜机理，可将无机纳米微粒作为添加剂加入到油中改善油的摩擦学性能，如硼酸镧就是一类性能优异的极压抗磨添加剂［22］。
2.2金属和稀土金属复合硼酸盐功能材料随着光电子技术研究的深入，激光自倍频工作物质的研究成为国际激光非线性晶体生长研究的一个热点，而稀土倍频晶体是一类比较独特的晶体材料，因为稀土离子在配位结构上具有很大的相似性，它们相近的物理化学性质使得稀土离子在相互取代(部分或全部)时，不会导致晶体结构的突变，因而容易实现材料的改性。近年来，稀土复合硼酸盐倍频晶体在激光技术领域获得了广泛的应用，它们的共同特点是以BO3－3平面基团为基本结构单元，具有较大的非线性光学系数，应用非线性光学晶体实现固体激光器的频率转换，可以用来制作紫外及蓝绿光波段非线性光学材料［23－24］。
2.2.1掺一种稀土金属硼酸复盐在La2O3－Na2O－B2O3体系，Na3La2(BO3)3和Na3La9O3(BO3)8是两种性能优异的非线性光学晶体［25－26］，侯碧辉等［27］对Na3La9O3(BO3)8进行了紫外－可见光－红外及太赫兹波段光谱测量，结果可知:该晶体在上述波段具有良好的非线性光学性质，尤其在太赫兹波段，可以用作窗口材料。在La2O3－CaO－B2O3体系中，La2CaB10O19(LCB)单晶［28］是一种优秀的非线性光学晶体材料，在此体系中合成出的有望应用于非线性光学领域的还有Ca3La3(BO3)5、Ca3La(BO3)3等。在Sm2O3－Na2O－B2O3体系中合成的Na3Sm2(BO3)3晶体［29］易溶于酸，在空气条件下能稳定存在，不易吸潮，倍频效应测试表明其具有非线性光学效应。在Gd2O3－CaO－B2O3体系中，GdCa4O(BO3)3晶体具有良好的非线性光学性能及透光波段宽、相位匹配范围大、损伤阈值高、不潮解等特点，可用于光学倍频、光学混频和光学参量放大，近年来已受到人们的广泛关注［30］。在Y2O3－CaO－B2O3体系中，YCa4O(BO3)3(YCOB)晶体是一种有效的SHG和THG的晶体材料，在性能和应用上类似于GdCOB晶体，被认为是具有良好应用前景的蓝绿光和UV波段光学倍频晶体。YAl3(BO3)4是在Y2O3－Al2O3－B2O3体系中发现的一种优良的激光基质晶体，具有较大的非线性光学系数，透过波段宽，它还是一种耐高温材料，具有很好的热导率和化学稳定性，李桂芳等［31］用固相反应法制备出性能良好的YAB透明陶瓷前驱粉体。张国云等［32］用高温固相法研制了MgB4O7:Dy和MgB4O7:Tb两种热释光材料，四硼酸镁磷光体是一种系统组织等效性较好的的材料，可望用作测量电离辐射剂量的个人剂量计材料。
2.2.2掺两种稀土金属硼酸复盐以上金属和稀土金属复合形成的非线性光学晶体可做为发光基质，当掺入Nd3+、Yb3+、Er3+、Eu3+、Tb3+等激活离子时，晶体同时具有激光和非线性光学性质形成自倍频晶体。在Na3La2(BO3)3中掺激活离子Nd3+可达到较高的掺杂浓度而不至于引起强烈的浓度淬灭效应，这主要由于Na3La2(BO3)3晶体结构中，La3+离子间距较大，稀土间相互作用较弱，从而有利于减弱浓度淬灭效应［33］。白晓艳等［34］采用顶部籽晶法生长出Nd3+:Na3La9O3(BO3)8晶体，812nm处较宽的吸收峰适合AlGaAsLD泵浦的吸收，有望成为一种潜在的自倍频晶体。当GdCOB中Gd3+被Nd3+取代后，能够发出1060nm的激光，成为能发绿光的自倍频晶体［35］。YAB中Y3+被Nd3+部分取代形成Nd:YAB晶体可作为自倍频材料在激光二极管泵浦的固体激光器中获得应用，Nd:YAB作为透明陶瓷材料的研究是一个全新的研究方向［36］。掺Yb3+的晶体在975nm附近有强吸收峰，它的吸收波长与InGaAs二极管激光器相匹配，可用于研制紧凑廉价的半导体激光抽运全固态激光器［37］，如Yb:LCB、Yb:GdCOB、Yb:YAB、Yb:GAB。掺Er3+的Er:LCB晶体［38］在790nm和970nm附近存在的吸收对应于AlGdAs和lnGaAs激光二极管输出波长;Er3+离子发射的1.53μm激光对人眼安全，人体细胞组织对其发射的2.94μm激光强烈吸收，因此Er:GdCOB、Er:YAB等晶体在通讯和医疗等领域应用前景广阔［39］。由于Tb3+离子具有特征的绿色发射，所以选择铽作为激活剂来合成不同体系的绿色荧光粉一直是人们所感兴趣的课题，李其华等［40］采用高温固相反应法制备了Ca3La(BO3)3:Tb3+荧光体。张红国等［41］采用柠檬酸燃烧法制备Tb:YAB荧光粉。Dy3+和Eu3+做激活离子的VUV光粉的优势是可能实现一种激活离子在一个基质中发白光和红光，可用于无汞荧光灯中做灯用荧光粉［42］，如Dy:LCB、Eu:LCB［43］。在稀土硼酸盐功能材料中，Nd3+、Yb3+、Er3+等是目前研究较多的稀土激活离子，在激光和荧光材料中具有广泛的用途。对Lu3+、Sc3+、Pm3+稀土离子的研究相对较少，因此，如何将这些稀土离子应用于光学材料、发挥其优良性能将成为今后的研究重点。
3展望
硼酸盐功能材料以其优良的性能获得了广泛的应用前景，伴随激光科学与技术的不断发展，对功能材料质量的要求也越来越高，人工合成的硼酸盐材料大部分作为非线性光学材料应用于光学领域，还有少数具有巨大用途的化合物，如Li2B4O7可作为压电晶体，CsLiB6O10有望成为深微米光刻的新光源材料。稀土元素的掺入使得晶体成为激光和倍频复合的激光自倍频晶体，带有不同的颜色可具有特殊的功能。到目前为止，有些硼酸盐还未被发现，还有一部分硼酸盐虽然被合成出来，但并为对其性质、结构和用途作出更细致的研究，这些都需要在今后做出更加深入的探索和研究。
功能材料论文范文第3篇
关键词：纳米涂层；场发射；电子强关联；软凝聚态物质
2003年在国际和中国都发生了具有突发性的灾难事件，但中国的GDP仍以9.1％的高速度在增长，达到了人民币11.6万亿元，其中第二产业贡献4万多亿元。中国现今的第二产业主要领域是冶金、制造和信息，在世界的地位是大加工厂，也是大市场。在国际竞争中所以有优势是中国的劳动力廉价，这个优势我们能保持多久?我们还注意到与化工有关的产品中，我们的生产效率是国际发达国家的5％，能耗是3倍，环境的破坏是9倍。这就是我们所付出的代价。不论形势如何严峻，21世纪是中华民族振兴的机遇期，制造业绝对是一个极其重要的领域，是个急速发展变化的领域。2003年3月国际真空学会执委会在北京举行，会议上讨论了将原来的冶金专委会改名为“表面工程专委会”，当时也考虑了另一个名字“涂层专委会”，我想用涂层材料更合适，含有继承性和变革性。20世纪70年代曾经说成是塑料年代，此后塑料科技和工业迅速崛起，极大地改变了人类社会。继而是信息时代，通信网、计算机网、万维网、智能网，信息流，日新月异地改变着人类的生活和观念。我们这个时代是高速发展的时代，技术和观念都在与时俱进地改变着。
本世纪初兴起了纳米科技，促进其到来的是由于微电子小型化的发展趋势，推动科技发展进入纳米时代[1]，不仅电子学将进入纳电子学领域，物理学进入介观物理领域，各类科技，包括生物医学等都在探索纳米结构与特性。涂层和表面改性越来越多地增加了纳米科技的内容，这是一种低维材料的制造和加工科技，将是制造技术的主流，将迅速地改变传统制造技术的方法、理论和观念，作为现今国际上的制造大国，世界加工厂，我们更应该注意研究制造技术的发展和未来。
1突破传统制造技术的观念
纳米科技研究的内容主要是在原子、分子尺度上构造材料和器件，测量表征其结构和特性，探索、发现新现象、新规律和应用领域。与我们熟悉传统的相比，纳米材料和器件具有显著的维数效应和尺寸效应。近几年来，在纳米材料制造方面做了大量的研究工作，在纳米粒子粉材的制造，以及材料结构和特性测量、表征上取得了显著成果[2～7]。接下来深入到纳米线、纳米管和纳米带的研究[8～14]，出现了一些成功有效的制造方法，发现了一些惊人的结构和特性。在此基础上，发展了纳米复合材料的研究，展现了非常有希望的应用前景[15～17]。近来人们在纳米科技初期成果的基础上挑战某些产品的传统加工技术，比如Al组件的快速加工。
T.B.Sercombe等人报道了快速加工铝(Al)组件的新方法[18]，这个方法的主要特征是用快速成型技术先形成树脂键合件，然后在氮气氛中分解其键和第二次渗入铝合金。在热处理过程中，铝与氮反应形成氮化铝骨架，在渗透过程中得到刚体结构。与传统制造工艺相比，这个过程是简单的快速的，可以制造任何复杂组件，包括聚合物、陶瓷、金属。图1是过程示意和原型样品，(a)是尼龙巾镶嵌铝粒子的SEM像，中心有结构细节的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是为还原氧化铝，它将不是铸件中的成分。在尼龙被烧去时，这个结构基本保持不变。(b)是氮化物骨架，围绕Al粒子的一些环状结构的光学显微镜像，再渗入Al时将形成密实结构。(c)是烧结的氮化铝和渗铝组件，小柱的厚为0.5mm其密度和强度都达到了传统铸造技术的水平。他们还制作了公斤重量多种结构的样品。这是一种冶金技术的探索，开辟了一种新的冶金和制造技术途径。
2纳米材料的完美定律
描述材料结构的常用术语是原子结构和电子结构。原子结构的主要参量是晶格常数、键长、键角；电子结构的主要参量是能带、量子态、分布函数。对于我们熟悉的宏观体系，这些参量多是确定的常数，但对于纳米体系，多数参量随着原子数量的改变而变化。这是纳米材料和器件的典型特征，它决定了纳米材料的多样性。其中有个重要规律，我们称之为纳米材料的完美定律，用简单语言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了纳米晶粒的魔数规则，即含有13、55、147…等数量原子的原子团是稳定的，对于富勒烯碳60和碳70存在的几率最大，而对于碳59或碳71等结构体系根本不存在。这就是为什么斯莫利(Smmolley)他们当初能在大量的富勒烯中首先发现碳60和碳70，从而获得了诺贝尔奖。对于一维纳米结构，包括纳米管和纳米线，存在类似的规则。可以模型上认为是由壳层构成的，每个壳层中更精细的结构称为股，每一股是一条原子链，中心为1股包裹壳层为7股的表示为7-1结构，再外壳层为11股的，表示为11-7-1结构，等等，构成最稳定的结构，这是一维纳米结构的魔数规则。对二维纳米膜存在类似的缺陷熔化规则，即不容许存在很多缺陷，一旦超过临界值，缺陷自发产生，完全破坏二维晶态结构。上述这些低维结构特征是完美定律的具体表述，进步普遍表述理论是正在研究中的课题。
完美定律是我们讨论涂层材料的出发点，因为纳米材料有更多的人造品格，是大自然很少存在或者不存在的，需要人工大量制造。在制造过程中，方法简单、产额高、成本低是最有竞争力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市场，一定是不计成本的特殊需要，有政治背景或短期的社会需求。因此在我们探索纳米材料制造时，首先考虑的应是满足完美定律的技术，如用甲烷电弧法制备纳米金刚石粉技术[1]，电化学沉积法制备金属纳米线阵列技术[19]，以及电炉烧结法制造氧化物纳米带技术[20]等等。
3涂层纳米材料将给我们带来什么?
涂层纳米材料是纳米科技领域具有代表的材料，或是低维纳米材料的有序堆积结构，或者是低维纳米材料填充的复合结构。两者都比传统材料有惊人的结构和特性。如新型高效光电池[21]、各向异性结构材料[19]、新型面光源材料[22]等，这里举例介绍基于热电效应的新型纳米热电变换材料。
热电效应器件的代表是热电偶，即利用不同导体接触的温差电现象进行温度测量的器件。基于热电效应可以制成两类器件：热产生电和电产生温差。前者可以用于制造焦电器件，即用热直接发电，如将焦电材料涂于内燃机缸表面，利用缸体温度高于环境几百度的温差发电，将余热变作电能回收。后者可以做成电致冷器件。这类的直接热电变换器件具有无污染，没有活动部件，长寿命，高可靠性等优点，但块体材料制成器件的效率低，限制了它的应用。纳米科技兴起以后，人们探索利用纳米晶或纳米线结构能否解决热电效应的效率问题。认为用量子点超晶格材料有希望显著提高热电器件的效率，这是由于纳米材料显著的能级分裂，有利于载流子的共振输运和降低晶格热传导，从而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]报告了量子点超晶格结构的热-电效应器件，他们制备了PbSeTe／PbTe量子点超晶格(QDSL)结构，用其制造了热电器件(Thermo-electrics，TE)，图2(a)是纳米超晶格TE致冷器件的结构和电路图，(b)电流-温度曲线。将TE超晶格材料，其宽11mm，长5mm，厚0.104mm，n-型的TE片，一端置于热槽，另一端置于冷槽，为了减小冷槽热传导而形成这同结接触，用一根细金属线与热槽连接。当如图2(a)所示加电流源时，将致冷降温。对于这种纳米线超晶格结构，由于量子限制效应，发生间隔很大的能级分裂，从而得到很高的热电转换效率。图2(b)是TE器件的电流-温度曲线，实验点标明为热与冷端温差(T)与电流(I)关系，电流坐标表示相应通过器件的电流。■为热端温度Th与电流I的关系，其温度对于流过器件的电流不敏感。为冷端温度Tc与电流I的关系，其温度对于电流是敏感的。图中A是测得的最大温差，43.7K，B是块体(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大温差，30.8K。从图中可以看出，在较大电流时，冷端温度趋于饱和。采用这种致冷器件由室温降至一般冰箱的冷冻温度是可能的。
电热效应的逆过程的应用就是焦电器件，即利用热源与环境的温差发电。对于内燃机、锅炉、致冷器高温热端等设备的热壁，涂上超晶格纳米结构涂层，利用剩余热能发电，将是人们利用纳米材料和组装技术研究的重要课题。
类似面致冷、取暖，面光源，面环境监测等涂层功能材料，将给家电产业带来革命性的影响，将会极大地改变人类的生活方式和观念。
4含铁碳纳米管薄膜场发射
碳纳米管阵列或含碳纳米管涂层场发射被广泛研究，以其为场发射阴极做成了平板显示器。研究结果表明碳管的前端有较强的场发射能力，因此碳管涂层膜中多数碳管是平放在基底上的，场电子发射能力很差。我们制备了含有铁(Fe)纳米粒子的碳纳米管，它的侧向有更大的场发射能力，有利于用涂层法制造平板场发射阴极。图3(a)是含铁粒子碳纳米的TEM像，碳管外形发生显著改变。(b)是碳管场发射I-V特性曲线，I是CVD生长的竖直排列碳纳米管的场发射曲线，II是含铁粒子碳纳米管竖直阵列的场发射曲线，III是含粒子碳纳米管躺在基底上的场发射曲线，有最强的场发射能力。根据此结果，将含铁的碳纳米管用作涂层场发射阴极，有利于研制平板显示器。
5电子强关联体系和软凝聚态物质
上面所讲到的涂层纳米功能材料和器件是当今国际上研究的热门课题，会很快取得重要成果，甚至有新产品进入市场。当我们在讨论这个纳米科技中的重要方向时，不能不考虑更深层的理论问题和更长远的发展前景。这就涉及到物理学的重要理论问题，即电子强关联体系(electronstrongcorrelationsystem)与软凝聚态物质(softcondensationmatter)。
在量子力学出现之前，金属材料电导的来源是个谜，20世纪初量子力学诞生后，解决了金属导电问题。基于Bloch假设：晶体中原子的外层电子，适应晶格周期调整它们的波长，在整个晶体中传播；电子-电子间没有相互作用。这是量子力学的简化模型，没有考虑电子间的相互作用，特别是在局域态电子的强相互作用。2003年又有人提出了金属导电问题，Phillips和他的同事以“难以琢磨的Bose金属”为题重新讨论了金属导电问题[24]。当计入电子间的相互作用时，可能产生的多体态，超导和巨磁阻就是这种状态。晶体中的缺陷破坏了完善导体，导致电子局域化。电子与核作用的等效结果表现为电子间的吸引作用，导致电荷载流子为Cooper对。但这个对的形成，不是超导的充分条件。当所有Cooper对都成为单量子态时，才能观察到超导性。这样，对于费米子由于包利(Paulii)不相容原则，不可能产生宏观上的单量子态。Cooper对的旋转半径小于通常两个电子相互作用的空间，成为Bose子。宏观上呈现单量子态，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化电子范围内，超导性可能认为是玻色-爱因斯坦凝聚，这个观点现今被很多人接受。从20世纪初至今，对于基本粒子的量子统计有两种，一是Fermi统计，遵从Paulii不相容原理，即每个能量量子态上只能容纳自旋不同的2个电子，而Bose子则不受这个限制。在凝聚态物质中有两个基态：即共有化Bose子呈现超导态，局域化Bose子呈现绝缘态。然而，在几个薄合金膜的实验中，观察到金属相，破坏了超导体和绝缘体之间直接转换。经分析认为这是玻色金属态，参与导电的是Bose子。推断这个金属相可能是涡流玻璃态，这个现象在铜氧化物超导体中得到了验证。
软凝聚态物质研究的对象是原子、分子间不仅存在短程作用力，而且存在长程作用力，表观上呈现的粘稠物质形态，称为软凝聚态。至今，人类对于晶体和原子存在强相互作用的固体已经知道得相当透彻了，但对软凝聚态的很多科学问题还没有深入研究，21世纪以来，引起了科学家的极大兴趣。软凝聚态物质包括流体、离子液体、复合流体、液晶、固体电解、离子导体、有机粘稠体、有机柔性材料、有机复合体，以及生物活体功能材料等。这其中的液晶由于在显示器件上的很大市场需求，是被研究得相当清楚的一种。其他软凝聚态结构和特性的科学问题和应用前景是目前被关注的研究课题。这其中主要有：微流体阀和泵、纳米模板、纳米阵列透镜、有机半导体、有机陶瓷、流体类导体、表面敏感材料、亲水疏水表面、有机晶体、生物材料(人造骨和牙齿)、柔性集成器件，以及他们的复合，统称为分子调控材料(materialsofmolecularmanipulation)。其主要特征是原子结构的多变性和柔性，研究材料的设计、制造、结构和特性的测量、表征，追求特殊功能；理论上探讨原子结构的稳定体系，光、电、热、机械特性，以及载流子及其输运。关于软凝聚态物质，有些早已为人类所用，电解液、液晶等，但对其理论研究处于初期阶段。科学的发展和应用的需求促进深入的理论研究，判断体系稳定存在的依据是自由能最小，体系自由能可表示为F=E-TS，其中S是熵。对于软凝聚态物质体系，S是重要参量。其中更多的缺陷，原子、分子运动的复杂行为，更多的电子强关联，不再是单粒子统计所能描述，需要研究粒子间存在相互作用的统计理论。多样性是这个体系的突出特征，因此其理论涉及广泛、复杂问题。
物理学是探索物态结构与特性的基础学科，是认识自然和发展科技的基础，其中以原子间有较强作用的稠密物质体系为主要研究对象的凝聚态物理近些年有了迅速进展，研究范围不断扩大，从固体结构、相变、光电磁特性扩展到液晶、复杂流体、聚合物和生物体结构等。几乎每一二十年就有新物质状态被发现，促进了人类对自然的认识和对其规律把握能力，推动了科学和技术的发展。21世纪仍有一些老的科学问题需要深入研究，一些新科学问题已提到人们的面前。特别是低维量子限域体系和极端条件下的基本物理问题。20世纪80年代出现的介观物理，后来发展成为纳米科技所涉及的学科领域。与宏观体系和原子体系相比，低维量子限域体系，还有很多物理问题有待解决，人们熟悉的宏观体系得到的规则和结论有些不再有效，适用于低维量子限域体系的处理方法和理论需要探索，特别是将涉及到多层次多系统问题的描述和表征，将会有更多的新现象、新效应、新规律被发现。在纳米尺度，研究原子、分子组装、测量、表征，涉及有机材料、无机／有机复合材料和生物材料，这将大大的扩展了物理学研究的范围和深度。涉及的重大科学前沿问题和重点发展方向有①强关联和软凝聚态物质，及其他新奇特性凝聚态物质；②低维量子限域体系的结构和量子特性，包括纳米尺度功能材料和器件结构和特性；③粒子物理，描述物质微观结构和基本相互作用的粒子物理标准模型和有关问题，以及复杂系统物理；④极端条件下的物理问题，探索高能过程、核结构、等离子体、新物理现象和核物质新形态等；⑤生命活动中的物理问题，物理学的基本规律、概念、技术引入生命科学中，研究生物大分子体系特征、DNA、蛋白质结构和功能等，其研究关键将在于定量化和系统性，必然是多学科的交叉发展，成为未来科学的重要领域。
6结论
本文讨论了纳米线涂层的结构和特性，重点是纳米线的复合涂层和其电学特性、光电特性。其中包括制造技术新观念，纳米材料的完美定律，纳米涂层的热-电效应，碳纳米管的侧向场发射，以及电子强关联体系和软凝聚态物质，展示了涂层科学与技术的发展前景。
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功能材料论文范文第4篇
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DeborahD.L.Chung主编的原版英文教材《FunctionalMaterials：Electrical，Dielectric，Electromagnetic，OpticalandMag-neticApplications》作为主要参考教材，同时补充BuddyD.Ratner等人编写的原版英文教材《BiomaterialSci-ence：AnIntroductiontoMaterialsinMedicine》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。
功能材料论文范文第5篇
关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展
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；
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
功能材料论文范文第6篇
选择合适的材料是实现有机光敏二极管功能以及提高其性能的第一步。目前研究者们对有机光敏二极管的光敏材料研究涉及紫外、可见、红外光区各个波段。一些已报道的有机光敏二极管的性能如表1所示。
1.1可见光光敏二极管材料富勒烯及其衍生物是研究较早也是目前较为热门的一类n型有机半导体材料。研究者正不断地探索该类材料的潜能，Lee等［6］报道了一种多层结构的并五苯/C60器件，该器件在500～690nm的波长范围内都有良好的吸光效率，而在670nm左右，其EQE甚至可以超过100%。P3HT(聚-3-己基噻吩，图2)和PC61BM(［6，6］-苯基-碳六十一-丁酸甲酯，图2)也是一组常见的给体、受体材料组合，有报道显示用P3HT∶PC61BM制备的器件在540nm光照，－5V偏压下光响应度可以达到390mA/W，(图3)［7］。近年来，聚芴衍生物及其共聚物也被证明是一类很有前途的有机半导体材料，目前已经报道的聚芴衍生物F8T2(聚(9，9-二辛基芴-二噻吩)，图2)为给体，PC61BM为受体，得到的器件光响应度约为625mA/W(460nm，9mW/cm2光照，－10V偏压)［8］。而Park等［9］报道DMQA(N，N-二甲基喹啉并吖啶)∶DCV3T(二氰乙烯基-三联噻吩，图2)材料用于有机光敏二极管，可以得到光响应度超过250mA/W(5mW/cm2光照，－3V偏压)，外量子效率超过64%的器件。本课题组在可见光光敏二极管方面也有着一定的研究基础。2009年，基于C60/NPB(N，N''''-二(1-萘基)-N，N''''-二苯基-1，1''''-联苯-4-4''''-二胺，图6)有机异质结，我们报道了一个蓝光敏感的有机光敏二极管［10］。以蓝色OLED(发光波长为462nm)为光源，我们将此有机光敏二极管应用到有机光电耦合(OOC)器件中，实现了0.17%的电流传输效率，这是当时已报道的有机小分子光电耦合器件中的最高值。同时，其截止频率达到了400kHz，并且在1MHz的输入信号下也能表现出极好的跟随特性(如图4)。在此工作基础上，基于C60/m-MTDATA(4，4''''，4″-三(N-3-甲基苯基-N-苯基氨基)三苯胺，图6)有机异质结，其在462nm的OLED光源下的光响应度达到130mA/W，将有机光耦的电流传输效率提高到了1.3%［3］。同时，我们实现了在柔性基底上制备该有机光耦，可以应用于压力传感中。由于其良好的电隔离性能，可将其应用到低压控制电路中，实现了对处于2000V高电势电路的控制(图5)。随着应用需求的增加，对特定颜色选择性吸收的有机光敏二极管也逐渐地为人们所重视，Burn等［11］合成了一种以氧化花青素为核心的树枝状分子(Dendrimers3，图2)，以它和PC61BM组成的体异质结有机光敏二极管可以选择性地吸收460～570nm的绿光，而在500nm光照条件下，该器件在0V时的光暗电流比可以达到2.7×104。Park等［12］报道的DMQA/SubPc(二氯硼酞菁，图2)器件也显示出了对绿光较好的选择性，其在560nm光照条件下的比探测率可以达到2.34×1012Jones。红光选择型器件在这方面报道较少，有课题组利用P6T(α，ω-二苯基六噻吩，图2)和BP3T(α，ω-二(联苯-4-基)三噻吩，图2)作为蓝绿光吸收材料来阻止蓝绿光到达传统的CuPc(铜酞菁)/C60结构的器件光敏层，从而得到较好的红光选择性，该器件的比探测率可以达到4.0×1011Jones，EQE达到51.4%［13］。
1.2紫外光光敏二极管材料m-MTDATA是紫外吸收材料里的明星分子，目前报道的基于m-MTDATA∶BPhen(二苯基邻菲咯啉，图6)的器件，在－12V偏压，365nm的光照条件下，其光响应度达到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)吩嗪合铜(Ⅱ)，图6)组成的器件在365nm光照条件下，其光响应度可达560mA/W，比探测率达到2.82×1011Jones［15］。NPB也是一种不错的紫外光吸收材料，基于NPB/PBD(2-(4-叔丁基苯基)-5-(4-联苯基)-1，3，4-二唑，图6)的器件光响应度可以达到4.5A/W(3V偏压，350nm，60μW/cm2光照)，同时光暗电流比达到了2.4×103［16］。纳米复合材料同样得到了研究者们的青睐，如Huang等将C-TPD(4，4''''-二［(对-三氯代甲硅烷基苯基)苯基氨基］-联苯，图6)和ZnO组成的纳米复合材料与C60用于紫外光敏二极管，得到EQE约400%的高效率器件［17］。然而，以上器件或多或少都会在可见光区有所吸收，这对它们的应用造成了一定的限制，另外，由于ITO对深紫外区光线的吸收也给深紫外区的探测造成了困难，为解决这个问题，有课题组利用在12nm的超薄铝电极上加镀一层TPD(N，N''''-二(3-甲基苯基)-N，N''''-二(苯基)联苯胺，图6)作为可见光吸收材料的方法，得到了紫外区与可见光光响应度比值达到1000左右的器件［18］，也有课题组利用PVA(聚乙烯醇)达到了类似的效果。
1.3红外光光敏二极管材料红光-红外区域的探测在光学通信、遥感控制等领域有着无法替代的作用，然而由于有机半导体红外吸收材料较少，使得相关研究目前要落后于紫外和可见光区的研究。Chen等［20］通过在半导体层P3HT和PC61BM间插入Ir-125(4，5-苯并吲哚三碳菁，图7)染料，使得器件的光谱探测上限从650nm提升到1050nm处，在－1.5V偏压下，该器件在800nm处的EQE达到了757%，然而，该器件在可见光区域更加明显的光响应使其并不能被称为一个典型的红外探测器(图8)。Sampietro课题组［21］报道了基于方酸菁类化合物AlkSQ的有机光敏二极管，700nm处的比探测率达到3.41012Jones。此外，基于二硫纶类材料也表现出不错的红外吸收性能，Awaga等［22］报道的以二硫纶类材料BDN(二(4-二甲基氨基二硫代苯偶酰)合镍(Ⅱ)，图7)为基础的器件探测范围可以覆盖700～1600nm区域，比探测率达到1.6×1011Jones，带宽约为1.4MHz。曹镛研究组近年来在近红外有机光敏探测器方面做了很好的研究工作，他们报道了两种性能优良的红外光敏材料，即苯并三唑类的高聚物PTZBTTT-BDT(图7)和卟啉类小分子材料DHTBTEZP(图7)［23，24］，用它们和PC61BM配合制成的器件在近红外区处的比探测率都可以达到1012Jones以上，是两种很有潜力的红外光敏二极管材料。另外，他们还尝试采用ZnO纳米线作为电子取出层，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)，图7)和PCBM制成的器件可以对400～1450nm的光照产生响应，且在1300～1450nm的红外区比探测率达到109Jones以上［25］，这也为提高红外光敏二极管的性能提供了一种有效的方法。
2有机光敏二极管的结构优化与界面修饰
有机光敏二极管依异质结构造方式的不同大致可以分为平面异质结(图9a)、体异质结(图9b)以及混合型(图9c)三类器件。不同结构的器件往往会有很不一样的性能表现。
2.1平面异质结结构平面异质结结构是有机光敏二极管较为常见的结构，其中acceptor和donor分别成层，两者有一个平面界面，形成异质结。如Wang等［27］设计的基于C60/TPBi(1，3，5-(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯，图6)的器件就是基于这一结构，该课题组发现该器件在做成平面异质结结构的时候可以对365和330nm双波长的光线发生响应，而一旦做成体异质结结构则会失去这一特点。在平面异质结的基础上，研究者们也通过不同的优化手段来提高器件的性能，Lee等设计了超薄的并五苯与C60层交替多层的器件(图10a)，该器件充分利用了并五苯内单线态激子裂变形成两个三线态激子的特性，将器件EQE提高到了100%以上(670nm光照条件下)［6］。也有一些课题组尝试在给体/受体之间插入一个内联层作为红光吸收材料，有效地提高了红光的利用率，EQE最高超过了7000%［20］。另外，有课题组采用C-TPD等作为阳极缓冲层对平面异质结结构的器件做修饰，C-TPD是一种良好的空穴传输材料，有很低的电子迁移率，另一方面，它较高的LUMO能级也有效地阻挡了C60层电子的注入，因此，它的引入可以使器件的暗电流降低3～4个量级［28］。
2.2体异质结结构体异质结结构的有机光敏二极管近年来发展迅速，有研究人员认为这是比平面异质结更有效率的结构［26］。这主要取决于体异质结结构相比于平面异质结结构具有的更加大的acceptor和donor的接触面积。由于光照产生的空穴电子对的分离主要发生在acceptor和donor界面处，随之迁移到电极中产生光电流，因而体异质结中的空穴电子对能够得到更加有效的分离，进而得到较高的光电转换效率。MEH-PPV(聚［2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1，4-亚苯基-亚乙烯基］，图2)∶PC61BM组成的体异质结器件暗电流密度可以降到1nA/cm2以下［2］。Gong课题组［29］利用溶液法制备的P3HT∶PCBM体异质结的器件EQE约为80%，比探测率(500nm，0.32mW/cm2光照，－0.5V偏压)超过1×1013Jones，线性动态范围超过120dB，暗电流同样低至nA/cm2量级。研究者也通过表面修饰的方式来提高体异质结结构的器件性能。Leem等［30］以DMQA和DCV3T组成的体异质结为基础，利用TPD/MoOX双层结构作为阳极缓冲层得到的器件在540nm处EQE达到55.2%，而在－3V偏压下的暗电流降低到6.41nA/cm2。其他还有利用PEIE(聚乙烯亚胺)作为PBDTT-C(图2)和PC70BM组成的体异质结结构器件的阳极缓冲层，最终得到的器件在－2V偏压下暗电流为2nA/cm2，比探测率(680nm光照，－2V偏压)可达1013Jones，带宽为12kHz。
2.3其他结构还有一些器件采用给体/体异质结/受体这样的三层混合结构。如Ma等［32］发现他们构建的ITO/红荧烯(Rubrene)/红荧烯∶C60/C60/Al结构的器件的带宽比普通的平面异质结器件有显著的提高，达到15.6MHz，比探测率(405nm光照条件下)在较低的－2V偏压下就高达5×1012Jones，此时暗电流仅为1.5nA/cm2。另外，该器件在同一电压下入射光强改变约5个量级的范围内，光电流都与光强成线性关系。该课题组还采用TAPC(1，1-双［(二-4-甲苯基氨基)苯基］环己烷，图2)和C70这一组材料，器件结构也是平面-体异质结混合的结构(图10b)，同样取得了很好的器件性能，其比探测率达到2.5×1013Jones，EQE为62%，在同一电压下，光电流可以和入射光强在6个量级的范围内呈线性关系［33］。近年来也有一些无机纳米棒、纳米等与有机半导体材料相结合的新型异质结组合，Xie等［34］报道的TiO2纳米棒与Spiro-MeOTAD组成的器件即是这样的结构(图11)，Ogale研究组［35］报道的ZnO(N)纳米棒-Spiro-MeOTAD杂交光敏二极管也是类似的结构，此类器件往往有自供电的特性，即可以在0V偏压下表现出光响应性，符合未来社会节能环保化的倾向。
2.4界面机理研究对有机光敏二极管器件的电子空穴传输机理的研究有利于人们通过设计器件结构得到最优化的器件性能。目前，有机光敏二极管的机理研究多集中在界面处。Hayden课题组［36］利用TSC(热激发电流分析)研究有机光敏二极管内的界面陷阱状态，他们发现在低光强下，有机光敏二极管的带宽受到界面陷阱的影响，而当光强足够高时，体陷阱的影响居主导地位。Wang等［37］研究了有机光敏二极管在光照下的性能衰退现象，最终他们将引起光电流降低的原因定位在了界面处的光解现象上，并提出合适的缓冲层有利于器件性能的提高。本课题组通过调节C60/NPB异质结中半导体薄膜的厚度，建立了OPD界面中关于耗尽区形成的定量模型，并提供了一个普遍适用的方法来探究有机半导体界面的信息。该模型描述了暗电流和开路电压与C60和NPB薄膜厚度的关系。界面处的相关电子结构信息，如内建电场、电荷密度、耗尽区完全形成的最小厚度和异质结每一侧上的能级弯曲，都可以从这个拟合模型中得到(图12)。该模型的拟合结果显示，有光照和无光照情况下，半导体耗尽区的厚度分别是5nm(C60)/70nm(NPB)和8nm(C60)/60nm(NPB)。器件的性能优化结果验证了拟合模型的合理性。以此为基础，对有机光敏二极管(OPD)进行了结构优化，并与有机发光二极管(OLED)组装成OOC。测试表明该OOC的电流传输比、信噪比、截止频率、跟随频率分别为0.58%、3×104、400kHz、1.25MHz［38］。
2.5光强分布的计算有机薄膜器件中由于光在薄膜内的反射与干涉现象，光场强度在薄膜内层波浪状分布(图13)，研究器件内部光强分布对于器件光敏性能的优化有指导性的意义。O''''connor研究组在光伏器件中引进了一个Cap层，通过转移矩阵法计算了不同Cap层厚度下异质结界面处的光强分布，他们发现当器件界面处光强分布达到最大时，器件的光电流也达到最大值［40］。Hung等同样用器件内部光场强度的变化来解释改变器件厚度时，器件光电流的变化［41］。本课题组发展了利用光强分布预测光电流的方法，将器件薄膜厚度对器件内部的光场和电场分布的影响同时列入考虑，提出了一个模型，可以预测mMTDATA/C60器件光电流随厚度变化的趋势，并指导器件结构的优化，使器件光敏性能得到了显著提高。该方法也可用于其他材料体系［42］。
2.6有机光敏二极管的稳定性有机光敏二极管的稳定性也是一个非常重要的性能指标。器件在使用过程中，通常会受到来自环境中水、氧的侵蚀，还会出现由光和电引起的材料老化或降解，这些都会导致器件性能的衰减，影响器件使用寿命。通常情况下，我们可以使用高功函的电极，如Au、Ag等，作为光敏二极管的阴极，这样可以降低电极氧化的几率，在一定程度上对器件起到保护的作用，以提高其稳定性。但这对器件内部的能级匹配提出了较为严格的要求和限制。Wang课题组在电极和有机层界面处引入界面修饰层LiF和Li-acac(乙酰丙酮合锂)，通过其和无界面修饰层器件的瞬态光电流谱的对比，得出了电极/有机层界面在光生激子的衰减方面起着十分重要的作用。并且在界面处引入界面修饰层可以有效地降低光生激子的衰减，从而得到较稳定的器件性能。Simonato课题组通过在Ag电极和光敏层之间引入缓冲层聚乙烯亚胺(PEIE)，使得该器件在环境条件下放置100天之后，性能仍没有出现明显的衰减，如图14所示。这些研究对制备高稳定、高效率的光敏二极管器件起到十分有效的指导作用。
3未来发展方向
随着有机光电材料与理论的稳步发展，有机光敏二极管的研究也在不断提高，目前有机光敏二极管在红外和可见光区的EQE可以超过80%，光响应度也大多处于200～500mA/W，比探测率通常能在1012Jones左右，通过合适的结构选择，可以实现低于1nA/cm2的暗电流，某些器件的截止频率可以超过100MHz，这些性能已经与无机硅器件相当。同时，与传统的无机光敏二极管相比，有机光敏二极管还有成本低、轻便、材料选择极为广泛以及可制备柔性器件等优点，这使得有机光敏二极管在传统的光电领域，具有了特殊的研究价值和广阔的应用前景。有机光敏二极管尤其是红外有机光敏二极管，在生物传感、红外成像等方面可以得到极为有效的应用;利用有机器件的柔性特点，还可以有效地应用于生物仿真、智能军装等领域。另外，将其应用到光电耦合器件中，不仅可以实现信号的快速传输和有效控制，还可以实现对搭载在极高电压上电路的控制。尽管具有这些让人欣喜的优势，但是我们还看到有机光敏二极管各项性能处于一个不平衡状态。比如有些器件光电流高，但是频率特性不好，或者光暗电流比较低，部分有机光敏二极管的性能指标高，但稳定性不足，这是目前有机光敏二极管与无机器件相比的差距所在。因此，今后有机光敏二极管的研究方面，可以从三个层次展开，首先是集中在有机光敏材料分子结构的调控，从微观和根本上提高光敏材料的光选择性、光电转换效率和稳定性;其次是结构上，先优化异质结界面，比如在界面处加入偶极材料P(VDF-TrFE)等，提高光生激子的分离效率，然后优化有机层和电极的界面，比如在电极和有机层之间加入适当缓冲层，调节界面处能级结构，在不降低光电流输出的情况下有效降低暗电流，从而提高光敏二极管的信噪比;最后是贯穿整个器件的模拟优化和器件稳定性研究，通过光强和电场强度在整个器件中分布的模拟计算，得到高性能的器件结构，同时探索器件稳定性与结构的关系，提高器件寿命。
功能材料论文范文第7篇
[关键词] 实践性环节 分层次教学 研究生学位课 功能材料 制备工艺
一、研究背景
随着硕士研究生招生规模的扩大,目前多数硕士研究生就业的主要去向已不再是高校和研究机构,而是科研和生产一线,带之而来的有两个问题:一是研究生的工程实际能力应加强,二是需求量增大,培养节奏应加快。为此,国内一些实力较强的重点高校将硕士研究生的培养周期缩短为2年(上课时间压缩为10个月,毕业论文时间压缩为14个月),这便出现了培养质量如何保证这一难题,急待解决。
另外,目前国内各高校本科教学评估工作已陆续结束,研究生教学评估工作正在逐步展开,哈尔滨工业大学就已经开始了此方面的工作。本着“以评促建”的原则,为配合评估,围绕保证研究生的培养质量,在研究生教学体系确立、教学内容规范、教学管理完善等方面均有许多工作要做。加之,研究生教学体系和内容的确立中,有些课程存在仓促“上马”的问题,也有些课程在教学内容和讲授方式方面虽存在诸多问题,只因已讲授多年,方式和内容上已成定势,难在短时间内更改。此外,还有些实践性很强的硕士研究生学位课程与专业方向脱节和没有相应的实验等问题需要解决。
哈尔滨工业大学应用化学系无机化学硕士点本着理论联系实际的主导思想,基于“学科基础―学科实验―论文课题―深造、就业”一条龙培养硕士研究生的原则,开设了体现专业方向的《功能材料制备工艺基础》和《功能材料制备实验》两门学科学位课程,结合课程和设课的目标与宗旨进行了相应的研究和实践,取得了有推广价值的效果。对于规范研究生教学和保证教学效果具有重要的理论意义和实际价值。
二、研究内容
1.教学体系确立和教材编写
(1)通过国内外对比研究,制订具有理科特色并兼顾工科特点的教学大纲,规范教学内容
近年来,利用专业派出的多位访问学者对美国、加拿大、英国等的高水平大学研究生培养体系和培养方案的调研,以及对国内同类重点高校的调研,在对国外5所著名大学和国内7所重点大学同类课程教学内容、教学方法的对比研究和综合分析基础上制定了具有理科特色并兼顾工科特点的教学大纲(无机化学为理科硕士点,但在哈工大是由具有工科背景的无机非金属材料硕士点改办),包括教学目的、具体内容和教学要求,保证了教学目标的有效实施,方便了教师授课,具体了教学内容和要求,规范了研究生学位课教学。三年的实践效果表明,有较大的可行性。
(2)提供实施教学的依据,编写理论课教材和实验教材
配合理论课教学,编写了《新型功能材料设计与制备工艺》教材(研究生专用),2004年6月由化学工业出版社出版;配合实验教学,修订再版了《精细化工综合实验》教材(本教材的93个实验分12编,含本科一般院校实验、本科重点院校实验、硕士研究生实验三个层次),于2006年8月哈工大出版社修订再版;于2005年编写了《功能材料制备―特色实验部分》校内讲义;三本教材覆盖教学大纲中涉及的全部内容,使得研究生教学有据可依,方便了学生学习,提高了课程的规范性和学生学习的效率。
2.教学内容和授课方法改革
(1)提出分层次教学以培养拔尖人才的主导思想
学科点本着理论联系实际的主导思想,基于“学科基础―学科实验―论文课题―深造、就业”一条龙培养硕士研究生的原则,开设了体现专业方向的《功能材料制备工艺基础》和《功能材料制备实验》两门学科学位课程。本课程理论部分和实验部分各36学时。在理论部分教学内容的确定上,首先给出功能材料的基本设计思想,结合焙烧、提拉、溶胶-凝胶、水热合成、固相合成、化学气相沉淀等几种主要的制备方法,介绍人工晶体、纳米粉体、功能薄膜、功能陶瓷、复合材料和杂化材料等几种重要功能材料的制备工艺,覆盖面广,综合性强。
这种做法的基本考虑是,本学科点毕业的硕士研究生,除了必须对论文工作的研究方向有比较雄厚的基础和研究能力外,还应该对本硕士点其他研究方向所研究的新型功能材料制备工艺有比较清楚的了解。这种对代表专业方向的各类新型功能材料进行讲授并配备实验的做法,达到了“变空洞为具体”,“变无形为有形”,一方面,使研究生对专业发展动态有所了解,专业知识的深广度有所提高,研究思路有所明确,分析问题和解决问题的能力有所加强;另一方面,加强了研究生之间对课题的熟悉,方便了后续毕业论文工作,也为就业后尽快熟悉工作提供了条件。
(2)采取“专人专题”讲授,部分内容采用双语教学的分层次教学方法
全部授课内容分为5个专题,由有相应专业特长和科研优势的多名导师分专题授课,授课教师以博导为主。而且讲课内容分基本部分和拓展部分,杂化材料制备工艺基础部分采用了双语教学。在保证基本教学效果的同时,有效地实施了分层次教学。
(3)开发教师科研成果转化的教学实验,实现理论教学与实验教学的互补相促
结合授课教师科研成果,配合专业方向,开发了PbTiO3改性纳米陶瓷的溶胶-凝胶制备及表征、水热合成法制备BaTiO3纳米粉、花生酸/ATO超薄膜的LB方法制备与表征、功能晶体LiNbO3的生长及光电性能测试、ABO3型纳米粉/IPNs复合材料的制备及其PTC特性、POSS有机/无机杂化材料的制备和性能测试等功能材料制备和表征等6个综合性、设计性实验(这些实验全部是由任课教师的科研成果转化而来),并在教学中连续实践三届。解决了实验内容的先进性、实验方法的合理性和实验工艺的可行性等问题。
3.考试制度和考核方法改革
随着研究生教学的日益规范,对研究生学位课程的教学要求越来越高,学位课程的成绩与学生的奖学金及总成绩等联系逐渐紧密,成绩高低对学生的影响较大。但目前在研究生教学考核体系中,一直存在的问题是成绩的给出有较强随意性,普遍较易通过或分数较为集中,多数情况下拉不开成绩档次,考核环节缺乏严谨和规范性,很难真实和全面地反映学生掌握的水平和能力。针对此种情况,在研究中改革考试制度和考核方法,采取笔试、实验、英语科研论文三结合的考试方法,在每个专题部分都安排一次讨论,在讨论的基础上,每个同学都围绕个人毕业论文方向写出一篇英语科技论文,作为课程理论部分考试的一部分,形成一个完整的教学过程。在硕士生中已连续进行三届,在督促学生认真学习的同时,一定程度的解决考试成绩不能全面反映学生掌握情况的问题。
三、应用效果
经过在硕士点三年的教学实践,取得了较为明显的效果:
1.学位课程所讲内容、所做实验均为本专业方向的主要内容,可以使学生较全面地掌握了典型新型功能材料的制备原理和制备工艺以及表征手段,为后期的硕士论文工作打下了必不可少的基础,学生进行论文工作的适应性和进度、效率较前大为增加;且为后续从事材料的研究工作打下了较为坚实的基础,为学生择业和适应工作提供了方便。
2.通过此理论课程和实验课程,改变了以往专业学生的毕业论文只对某一领域熟悉,与将来工作的选择和要求很难对应的状况,能做到对几个大的方面理论和实验的了解,方便择业和工作的适应。且在毕业论文工作期间也会为同一专业从事不同课题的同学间开展讨论提供方便,有效加强了学生之间的相互交流,既扩展了专业知识面,又通过相互出谋划策解决了论文工作中的问题,加快了论文工作的进度,提高了研究工作的质量。同时,由于选择本课程的外专业学生的逐渐增加以及各教学环节的有效参与,大大扩展了学科点影响,
3.学生通过理论课程、实验课程、专题研讨、英语科技论文撰写,得到了全方位的训练,同时亦使导师和学科点对研究生业务素质全面了解,为有针对性地采取相应措施培养和后续选择拔尖人才(攻博、留校)提供了可靠的依据。
参考文献:
[1]曾攀.重视传统课程建设,培养高素质人才――谈研究生学位课《有限元分析及应用》的教改体会[J].学位与研究生教育,2000,(1):31-34.
[2]郁翰萍.培养研究生的创新能力完善研究生的实验教学[J].实验室研究与探索,2005,(6):81-89.
[3]杨海燕.建立与科研课题结合的研究生实验技术教学新模式[J].西北医学教育,2007,(3):443-444.
功能材料论文范文第8篇
[关键词] 北京航空航天大学；材料专业研究生；创新型实验；特色实验课程；功能材料
[中图分类号] G643 [文献标识码] A [文章编号] 1674-893X(2012)03?0073?02
创新有三层含义：一是更新；二是创造新事物；三是改变。创新性人才指掌握一定专业知识技能，在社会实践中能推陈出新，以自己的创新性意识和行动，在利用自然改造自然，推动社会进步中做出贡献的人。随着知识经济时代的到来，在世界各国的综合国力竞争中，创新人才被越来越多的国家视为战略性资源和决定性因素。培养具有创新能力的高素质人才，顺应了时代的呼唤和国家发展的要求。研究生教育是培养高层次专业人才的主要途径。我国的研究生数量已跨入世界大国行列，研究生成为目前参与和推动我国科学技术发展的重要力量，其知识创新能力与科研实践能力的培养对于提高我国的科技竞争力至关重要。而大量研究表明，当前我国研究生的创新实践能力严重不足，主要表现在科研实践参与度低、国际性的学术论文数量偏少、学术成果质量不高、原创性成果稀少等等。
北京航空航天大学作为我们国家自己创建的第一所航空航天大学，学校面向国家重大战略需求、面向世界航空航天发展的前沿，为国家经济事业的发展、特别是为航空航天事业做出了不可替代的贡献。北京航空航天大学培养了11万学生，这些高素质人才大部分在我国的航空航天领域担当重任，为我国的航空航天事业提供了人才支持。北京航空航天大学多年来服务大局、特色兴校、培育人才、不断创新，突出航空航天特色和工程技术优势，形成了独具特色的高水平研究型大学建设模式。
北京航空航天大学提出了新时期“重基础、强交叉、拓视野、推创新”的研究生教育思路，对调整研究生教育结构，提高生源质量，改革招生指标分配办法，修订培养方案，促进研究生课程国际化，推广试点班教育模式，建设专业学位研究生实践基地，创新学科交叉机制体制等，提出了明确要求。
一、研究生培养模式和实验教学体系
北京航空航天大学在研究生培养模式上分为理论教学、实验教学和学位论文研究三个阶段。在强化研究生理论教学和学位论文研究的同时，采取了重大举措来培养研究生的实践能力：针对不同学科专业的特点增加了研究生教学的实验环节；通过“211”和“985”条件建设逐步构建了开放适用的研究生实验教学设备条件，并构筑人性化的实验环境；打破了传统实验教学模式，确立了开放式的多元化的研究生公共实验和研究生专业实验课体系；最大限度地挖掘出研究生的知识潜能，养成创造性品格，掌握创造性技能，最后在研究生学位论文的写作中得到深入和升华，使得研究生培养的三个阶段构成了一个由浅入深、循序渐进、具有内在联系的有机体。
在实验教学体系的构建方面，在一级学科层面，将关联密切的研究生理论课程的实验整合成数门独立设置的综合性实验课。结合专业培养目标和其他相关课程，建立一个包括基础验证实验、综合设计实验和创新型实验3个层次的课程体系。
北京航空航天大学还构建了整体性的开放式创新实践基地。例如自2004年以来，先后建设了“先进计算机网络技术研究生创新基地”“复杂产品现代设计与先进制造技术研究生创新基地”和“先进航空航天飞行器创新基地” 等开放性的创新实践基地。基地以航空航天与信息类优势学科群为中心，以重点实验室为依托，在创新人才培养和研究生教育改革的创新方面进行了积极的探索。
二、材料专业研究生特种功能材料特色试验课程设计
北京航空航天大学材料学院多年来一直非常重视研究生教育，研究生的课程设置及内容为研究生从事科学研究打下了坚实的理论基础。但材料学院研究生的实验设备主要来自各科研课题组，设备种类、台套数、完好率受限制，特别是使用时间无法保证，影响研究生试验运行。课时数虚，授课内容待充实。
随着多年来对实验室建设的不断投入，北京航空航天大学材料学院实验室建设遵循“以软带硬”的原则，即以教学改革为前提，投入的实验设备要服务于所开设的实验项目，硬件建设服从软件建设。目前材料学院用于研究生实验教学的设备已经初具规模，拥有多套透射电子显微镜、扫描电子显微镜、电子探针显微镜、原子力显微镜、磁力显微镜、X射线衍射仪、ICP分析仪、拉曼光谱分析仪等先进的分析检测设备，并对各学科实验室进行了优化整合和重组资源配置，发挥了实验室的复合功能和规模效益。材料学院还承担着大量部级和省部级的重大科研项目，取得了一系列令人瞩目的研究成果，具有良好的培养研究生的客观条件。材料学院将逐步彻底改造研究生实验课内容和实验条件，建立具有航空航天特色、涵盖材料学科重要研究方向的材料制备、测试及评价方法的研究生公共实验平台，以国家建设和经济发展对材料科学与工程学科复合型人才的重大需求为导向，确定材料科学与工程学科实验课程的具体设置方案。
北京航空航天大学材料学院以教育部“空天材料及其服役性能实验室”为依托，开设了“先进结构材料”和“特种功能材料”研究生创新型实验课。该实验室多年来立足于航空航天材料前沿研究，旨在将先进的和学科交叉性强的科研成果高质量地融入到研究生实验教学上，取得了多项重大科研成果。下面以“特种功能材料”的设置为例，从创新型实验课和综合实验课的区别、创新型实验课和研究生毕业论文研究实践的区别、创新型实验课与研究生创新基地三个方面来进行分析。
1. 创新型实验课和综合实验课的区别
创新型实验课和综合实验课在内容上都涉及到培养学生多学科知识综合应用的能力。差别在于综合实验课相对而言内容更为固定，比如“材料电镜分析实验”是侧重于使学生理解各种电子显微分析方法的基本概念和原理，熟悉仪器结构，掌握样品制备方法及实验参数选择，并学会对各种电镜图像及信息进行识别、计算和分析处理等。而创新型实验课是在课程内容、形式和目的上存在更多的创新元素。这类实验是学生在教师的指导下独立自主完成 ，或者在指导教师的研究领域和学科方向上进行有目的有意识的探索研究，其教学目的在于激发学生的创新意识，培养学生的科研兴趣和研究创新能力。培养学生的创新精神和创新能力，关键在于教师是否有创造性的实践活动的经验和体会，如大的创新团队（课题组）和实验室就是培育创新精神的沃土。以“特种功能材料”为例，北京航空航天大学“空天材料及其服役性能实验室” 针对智能机翼、机载设备和航空发动机等的应用，在航空航天特种功能材料上积累了大量研究成果。其科研设备齐全，在“特种功能材料”实验课中设立了相变材料、磁性材料等相对宽的方向，在实验中指导教师演示其中课题组“成熟”材料从设计-制备-功能特性研究的完整的实践过程，然后在大方向内自由选题，运用理论课程中的基础知识，综合设计实验方案和内容，在任课教师的指导下自主探索研究。如果说综合实验课是学生从理论到实践的第一步，那么创新型实验则是学生开展创新科研工作的第一步。
2. 创新型实验课和研究生毕业论文研究实践的区别
这两者同为科研训练。创新型实验课是“常做常新”的实验课，指导教师要不断开发新的实验方法，搭建不同的新架构。学生则应该不断丰富自主实验的新内容，成为填充架构的新单元。从时间尺度上来说，创新型实验课比研究生毕业论文研究短的多，创新型实验课会对科研的过程有完整的体验，为了保障进度，增强协作沟通能力，学生可以自由结合成小项目组，分工共同完成实验内容。实验课的考核以小组答辩的形式，根据选题的创新性、综合性、协作情况等打分。研究生毕业论文研究一般都是学生在其导师的指导下单独完成的。限于不同实验条件、经费保障条件、课题组的创新实践成果积累等的不同，毕业论文研究的创新实践程度会有很大差异，研究生也往往得不到自主选题和自主研究的机会。
3. 创新型实验课与研究生创新基地的区别
两者的教学资源开放程度和范围不同。研究生创新实践基地是一个面向全校开放的，融教学、科研为一体的实践活动平台。研究生创新基地在学科综合性和交叉性上，可以面向更大范围的不同学科、不同年级的研究生，实现教育资源的整体优化。学科的集中交叉得资源能更集中整合，如“复杂产品现代设计与先进制造技术研究生创新基地”和“先进航空航天飞行器创新基地”等开放性的创新实践基地就是如此。目前，“特种功能材料”研究生创新型实验课还是材料学院研究生实验课程体系的一部分，“特种功能材料”与物理、化学、航空、航天、电子、机械等领域有广泛的学科交叉，可以成为培养研究生的综合设计和研究探索创新能力的有效平台。随着教学实践成果的积累、教学改革的深化和实践教学条件建设的增强，材料学院可以向学校申报加入研究生创新基地的实践活动内容，最大限度地为学生提供更多的科技创新实践机会。
三、结语
北京航空航天大学材料学院“特种功能材料”研究生创新型实验课的教学实践才刚刚起步，深厚的科研成果积累和良好实验课程的资源配置，以及是否能高质量地转化到研究生实验教学上，这些都还需要在实践中不断探索。指导教师团队成员如何利用崭新的实验内容引导学生主动参与科研训练，培养学生的创新思维和探索未知的能力，还需要不断创新教学，与时俱进地转变教育思想，更新教育观念，才能真正在教学改革中收到实效。
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功能材料论文范文第9篇
《功能材料与器件学报》（CN：31-1708/TB）是一本有较高学术价值的大型双月刊，自创刊以来，选题新奇而不失报道广度，服务大众而不失理论高度。颇受业界和广大读者的关注和好评。
《功能材料与器件学报》专业技术性刊物。反映功能材料与器件领域中的科研成果和应用技术进展，刊登论文、简报、综述和消息。
功能材料论文范文第10篇
关键词：环境功能材料；教学方法；教学效果
中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）03-0226-02
一、引言
在当今的世界，环境污染威胁着人类的生存，制约着人类的发展。因此，用于环境保护的功能材料成为世界关注的热点。环境功能材料是指具有独特化学、物理、生物性能，并有良好环境净化能力的新型材料。它们可以在经典的环境净化工艺中发挥重要作用，也可以为人类新的环境污染提供解决方案。为了使学生掌握好材料与环境之间的关系，并为今后的研究和实际工作中利用好环境功能材料治理环境污染打下前期基础，在环境专业中开设“环境功能材料”课程至关重要。但是，这门课的教学面临着诸多问题，比如：这门课程内容涉及材料、化学、物理、环境、生物等多个领域，学习内容多、学时少。而且大部分的材料是学生日常不熟悉的，容易造成学习困难。因此，如何在有限的教学时间获得良好的教学效果，是师生共同关注的问题。本文作者结合近几年来对本课程的教学体会阐述一些个人的观点和看法，与同行商榷。
二、将生活实际融入课程，激发学生的学习兴趣
学生对这门课程的兴趣将直接关系到他们对这门课的掌握程度。为了激发学生的学习兴趣，笔者平时留心将环境功能材料有关的生活资料收集和整理出来，适时穿插到课程中去。例如，在讲到吸附材料或活性炭时，先给学生提出一个问题：“大家常见的空气净化器以及厨房净水系统用的滤芯一般用的是什么材料？”让学生调研后再来回答这个问题；在讲到汽车尾气净化材料时，可以让学生先去了解一下平时经常听到的“三效催化剂”到底能处理哪三种污染物，车子的性能与“三效催化剂”是否有关等问题，然后再对材料的组分和结构进行分析和讲解，这样可以提高学生的学习兴趣。因此，将环境功能材料的理论与学生日常生活中感受到的、易于接受的实际问题联系起来，并能学以致用，使学生对环境相关的新材料产生强烈的亲切感，由此激发强烈的学习动机，进而主动学习这门课程。
三、成立兴趣小组，定期开展实验研究进一步提高学生学习热情
可以通过自荐和推荐的方式将学习环境功能材料兴趣浓厚的学生组织起来，成立由老师指导的兴趣小组，定期开展与课程相关的小型实验课题研究，以期进一步提高学生的学习热情。在积累了一定研究成果的基础上，举行阶段性研究成果小型报告会，锻炼学生的讲演能力，同时增加成就感。报告会要适当邀请环境功能材料专业老师、研究人员和学院相关领导参加。例如，利用业余时间，让兴趣小组的学生针对当前某种典型的水或大气污染，基于某种环境功能材料设计实验方案来治理或解决这种污染，对所选择的环境功能材料进行适当的改性或结构优化，并研究材料的微观结构和物理化学性质，最后将所得到的改性材料尽可能做到一个简单的小产品中，实现更高的污染物去除能力。如果效果理想的话，可以让他们参加校级或市级的大学生创新项目比赛，或将最终的成果写成。实践证明，这些有针对性的、趣味性的小项目研究和实验，不仅提高了兴趣小组学生的独立处理问题的能力，也带动了其他学生的学习热情，加深了所学的理论知识印象，起到事半功倍的学习效果。
四、合理利用多媒体提高课堂教学效果
环境功能材料课程中，有些章节比如多孔材料的内部结构，一些微观概念和理论相对比较晦涩难懂，某些微观过程也很难理解。因此，我们需要适时地引入多媒体教案。例如，分子筛的结构和种类，微观结构相对比较抽象，学生仅凭想象很难判断。多媒体课件能以立体图来表现，使其“具现化”，这对学生来说就容易理解多了；再如，讲到离子交换树脂交换原理的时候，由于内容抽象，老师在讲解时很难解释清楚，为了清晰地阐明这一问题，我们可以采用多媒体动画的表现形式，以两个钠离子交换一个镁离子软化水质为例来展示交换过程。课件具体设计时，首先显示出离子树脂上的钠离子，当含有镁离子的流体通过时，两个钠离子就会与一个镁离子交换，随后钠离子随流体流出。这样直观的画面展示形式，在一定程度上突破了时间和空间的限制，使学生有身临其境的感觉，不仅扩大了宏观视野，同时也强化了直观效果。
五、建立合理科学的考评体系
新教育观念下，理论联系实际地探索具有科学性、严谨性、实用性的考评体系是一大重点。其实，考试只是检验学习效果的一种手段，并不是学生学习、老师教学、乃至学校和社会培养相关专业人才最终目的。“环境功能材料”作为环境工程专业的一门新兴学科，具有更新快的特点。这门课的主要目的是培养学生的创新思想和分析解决问题的能力，因此，用闭卷考试的传统评价形式很难合理科学地评价学生对“环境功能材料”这一课程的掌握程度。闭卷考试很容易使学生形成为考试过关而死记硬背的应试学习心态，为了能更好地避免这一消极现象，更科学合理地评价学生的整个课程学习过程的表现、学科知识掌握情况和应用能力，本课程需要将考核方式进行细化，注重考察学生的综合能力。课程考核的方式要加强多样性和实用性。例如，一些基础性的知识点可以利用较短的课堂时间通过随堂测验的考核方式来测验，并及时给出相应的评价结果；为了加强学生运用理论知识解决实际问题的能力，学期伊始即可布置开放性的研究型论文，这也将成为期末成绩考评的一个重要组成部分；根据实际情况也可在期末以个人或小组的形式，将“学术报告会”也作为考评的一部分内容，既锻炼学生能力，也可节约老师的评阅时间，教师结合学生的讲演给课程论文评分。通过这种方式，学生们以小组形式自主设计实验过程，与授课教师讨论并提出可行的研究方案。合理科学的考核方式能够有效提高学生的学习效率，同时锻炼其解决实际问题的能力。
六、小结
环境功能材料是一门与生活息息相关，多学科交叉、综合发展的新学科。本文作者结合这几年对本课程的教学在教学方法和手段上浅谈几点体会和看法。笔者坚信，通过广大专业教师的不懈坚持和共同努力，不断总结经验、与时俱进，今后环境专业中“环境功能材料”课程的教学手段将更加丰富多彩，教学评价也更能反映学生实际情况，教学效果也必将更上一层楼。
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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）
Abstract："Environmental Function Materials" is one of the most important courses in major of environmental science and environmental engineering，which includes the fields such as material，chemistry，physics，environment，and biology. This subject is an emphasis on theoretical knowledge and practical applications. The author has taught the Environmental Function Materials Course for many years. Based on the actual teaching experiences and the characteristics of the course of the "Environmental Function Materials" course，the author makes a few comments on how to improve the teaching effect of environmental function materials，and a discussion with the peers.