功能材料论文篇1

2材料原子结构建立过程

在已知晶体结构信息条件下，在MS中可采用多种方法建立原子的构型。晶体结构的信息可以通过晶体结构数据库软件查询，对于一些复杂的晶体结构，可通过日本国立材料研究中心数据库(NIMS)等查询。

MS中构建晶体结构一般需要用到的信息有：晶格常数，晶体结构所属空间群或空间群号，晶胞中的原子占位。纳米二氧化钛作为一种新型多功能材料，性质非常优良，应用十分广泛，目前国内外的许多研究选用其作为研究对象。它主要包括金红石型、锐钛矿型和版钛型三个晶型。其中锐钛矿型纳米二氧化钛在常温下是稳定的，主要应用在环保及新材料方面，工业应用前沿广阔。笔者以锐钛矿型TiO2能带计算过程为例，介绍其建立过程。锐钛矿型TiO2为四方晶系，空间群为I41/AMD。每个锐钛矿型TiO2原胞由2个钛原子和4个氧原子组成，初始原胞1×1×1为长方体，如图1a所示。首先选取锐钛矿TiO2晶体2×2×2超级原胞，然后通过计算得到体系的最小化电子能量和原子结构的稳定构型，从而对其进行结构优化。经分析，优化后计算得到的TiO2晶体的晶格参数a，b和c与文献报道实验测试值及其他理论计算值相似(见表1)。为了考查TiO2表面原子与吸附氧之间的反应过程，在完成块体优化后，我们切出了TiO2的三个主要的低指数面(100)，(001)和(101)(如图1所示)。其中(101)面为锐钛矿型TiO2的最稳定晶面，亦为锐钛矿TiO2中最主要的晶面，约占94%以上[11-13]，对该表面的研究具有重要意义。(101)面的性能，在一定程度上可反映出锐钛矿TiO2体相材料的性能。因此，我们主要考虑的锐钛矿TiO2表面模型为(101)面。

对于(101)表层，分别将具有5配位和6配位的两种钛原子表示为Ti5C和Ti6C，具有面氧和桥氧两种氧原子表示为O2C(brightoxygen)和O3C(planeoxygen)(如图1所示)。为了避免交换关联影响，选择真空层厚度为10Å。通过MS软件进行计算。基于DFT理论，采用超软赝势描述价电子的相互作用，采用广义梯度近似(GGA)修正交换关联能，对构建的(101)面进行结构松弛优化。在动能截止能量为340eV及K点值为6×6×1的条件下，进行赝势和电荷密度的自洽迭代循环。计算过程中的能量收敛精度为2×10-5eV，作用在每个原子上的力小于等于0.01eV/nm，内应力小于等于0.1GPa。

除了构建原子模型之外，我们还得到了直观能带结构图(如图2所示)。在教学过程中，运用MS软件，计算过程只需要2～5分钟，学生即可得到能带结构图。横坐标为在模型对称性计算中设定的K点，K点就是倒格空间中的几何点。按照对称性，取纵坐标为能量。因此，能带结构图表示在研究体系中，各个具有对称性位置的点的能量。各个点能量的加和就是整个体系的总能量。采用MS得到的能带结构图，简单易懂、清晰明了，可清楚地看到价带、导带及带隙等具置、形状及长度等。在Castep里，通过给scissors赋值，可增加价带和导带之间的空间，使绝缘体的价带和导带清楚地区分出来。有助于学生更深层次地了解能带结构信息，为更深入的研究提供基础和引导。

功能材料论文篇2

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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功能材料论文篇3

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。

功能材料论文篇4

仪器：RM2000Raman光谱仪（英国Renishaw公司）；DSC1—差示扫描量热仪（瑞士Mettler－To－ledo公司）；VarianXL—300核磁谱仪（美国Vari－an）；ZSD—2自动水分滴定仪；RE—52AA旋转蒸发仪（上海亚荣生化仪器厂）；PZ—D—5液体比重天平（上海良平天平仪器公司）；DP—AW型精密数字压力计（南京桑力电子设备仪器厂）；2X2—025真空泵（浙江黎明机械厂）；79—2型加热磁力搅拌器（常州国华仪器厂）；876—2A型真空干燥箱（上海锦屏仪器有限公司）；FA2004电子天平（上海天平仪器总厂）；控温油浴锅（常州国华仪器厂）。试剂：N－甲基咪唑、钨酸钠、溴丙烷、氯代正丁烷、氯代正戊烷、氯代正己烷、乙腈、乙酸乙酯、二氯甲烷、丙酮等，均为分析纯。

1.2离子液体的制备

1.2.1中间体［Cnmim］Br（n＝3～6）的制备合成中间体［Cnmim］Br（n＝3～6）的反应方程式如下。在500mL的标准回流装置中加入溴代烷烃和N－甲基咪唑（摩尔比为1．2∶1），进行加热回流，控制油浴温度为90℃，0．5h后出现浑浊，继续搅拌反应48h。将反应液倒入烧杯中，放入冰箱冷却结晶24h。用蒸馏法除去过量的溴代烷烃，真空抽滤，用乙酸乙酯和乙腈（体积比2∶1）混合溶剂重结晶三次，得到不同碳含量的中间体［Cnmim］Br（n＝3～6），其中［C3mim］Br、［C4mim］Br、［C5mim］Br在室温下为白色结晶，［C6mim］Br为淡黄色液体，放入真空干燥箱中减压干燥，放保干器中备用［8］。

1.2.2离子液体［Cnmim］2［WO4］的制备将［Cnmim］Br与钨酸钠按摩尔比5∶2加入溶剂丙酮中，常温下搅拌72h，抽滤去掉NH4Br，减压蒸馏除去丙酮，以乙酸乙酯和乙腈（体积比2∶1）的混合溶液重结晶三次，85℃下真空干燥48h，得到四种淡黄色液体，即为［Cnmim］2［WO4］（n＝3～6）离子液体。

2离子液体的表征

2.1离子液体的1HNMR核磁分析离子液体［Cnmim］2［WO4］的核磁谱图如图1所示，各离子液体的1HNMR核磁谱图分析结果与文献报道一致［8］，没有出现杂质的共振峰。

2.2离子液体的拉曼光谱分析拉曼光谱采用共焦显微拉曼光谱仪测定，激光光源为He－Ne激光器，激光通过过滤器和柱面透镜，聚焦在装有样品的毛细管上，照在样品上的激光功率大约为0．90mW，在90°角上收集的散色光通过1800条／mm的光栅后，用半导体制冷的CCD检测器测得拉曼信号。离子液体［Cnmim］2［WO4］的拉曼光谱如图2所示。从该图所示的拉曼光谱可以看出，钨离子液体有频率相同的几处共振峰，如600cm－1、1022cm－1，该类振动峰是W＝O键在空间构型比较大的两组咪唑阳离子作用下，产生偏移后的WO2－4的特征峰，由此可确定离子液体的阴离子为WO2－4。

2.3钨离子液体的热分析差式扫描量热（DSC）数据是在温度区间0～100℃获得的，先保持样品在0℃平衡5min，而后以10℃／min的速率升温至100℃。DSC数据显示，钨离子液体［Cnmim］2［WO4］（n＝3～6）没有熔点，在室温范围内均为液态，符合离子液体的定义，且从DSC曲线可以看出，四种钨离子液体中无有机溶剂杂质。

2.4钨离子液体的含水量测定将使用离子交换法得到的钨离子液体用真空干燥法除水后，用无水甲醇及二氯甲烷进行溶解、共沸，然后蒸发出多余溶剂，再真空干燥48h。采用卡尔－费休（KarlFisher）滴定法进行含水量的测定，测定结果如下：［C3mim］2［WO4］含水量0．034％，［C4mim］2［WO4］含水0．027％，［C5mim］2［WO4］含水量0．041％，［C6mim］2［WO4］含水量0．044％；各含水量均小于0．05％。

功能材料论文篇5

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）51-0083-02

研究生教育是我国高等教育的重要组成部分，创新能力培养是研究生教育的核心。教育部早在2003年就开始制定实施“研究生教育创新计划”，加强研究生培养体系、课程教学和教材等建设工作，逐步建立有利于培养研究生创新精神、研究能力的机制，提高研究生培养质量[1]。近年来，高校也在深入开展以提高研究生创新能力为核心的研究生教育教学改革。

课程学习是我国研究生培养过程的重要环节。教育部的《关于改进和加强研究生课程建设的意见》，强调要更好地发挥课程学习在研究生培养中的作用，研究生课程体系应以能力培养为核心，以创新能力培养为重点。因此，从培养研究生的创新能力出发，课程教学必须注重研究生创新能力的培养[2]。作为一名研究生课程授课教师，应更新教育观念和教学内容，开展教学方法改革，探索研究生课程教学的新思路[3]。本文基于研究生专业课程《功能材料》的教学实践，分别从教学内容、教学模式及考核方式等方面进行探索。

一、优化教学内容，注重创新能力培养

《功能材料》是材料科学与工程专业研究生的专业必修课之一。《功能材料》内容涵盖面广，多学科交叉融合，包括电子材料、磁性材料、声学材料、光学材料、生物材料及各种功能转换材料。高校材料类本科专业基本上会开设功能材料及相关专业课程，教学内容包括各类功能材料的组成、结构、性能及应用这条主线，但以掌握基本知识、基本理论为教学目标。目前，很多高校开设的研究生《功能材料》课程的教学大纲及教学内容，绝大部分是按照金属功能材料、无机功能材料和功能高分子材料三大类，来讲授各类功能材料的组成、结构、性能及应用等内容，只是应用部分的比重略有增加，这在教学内容上容易与本科教学内容造成重复，缺乏研究生创新能力的培养。因此，优化教学内容，讲授近年来迅速发展的新型功能材料，结合科研成果案例教学，将有助于研究生创新能力的培养。

1.由于本课程的学生是材料专业的硕士研究生，在前期已经学过如《材料科学基础》、《现代材料分析方法》、《材料结构与性能》等专业基础课程，了解和掌握有关功能材料的组成、结构、性能等基本知识。因此，研究生《功能材料》课程的教学内容应将金属功能材料、无机功能材料和功能高分子材料中的经典功能材料与当前研究热点的功能材料相结合，在简要介绍组成、结构、性能方面的基本知识的基础上，重点介绍材料选择与设计、制备技术与功能材料的性能及应用间的相互关系，强调材料的选择、设计和制备技术对功能材料实际应用的重要性。这样，课程教学内容既可引导学生把握功能材料领域的学术研究前沿，提高创新意识，同时也会兼顾功能材料的基本知识的巩固。

2.由于本课程教学课时只有32学时，在教学内容的安排上，针对当前研究热点，结合本校材料专业的研究方向，主要聚焦在新能源材料、环境材料、生物医用材料等，所以重点把新能源材料、环境材料、生物医用材料等专题分别设章进行介绍，将各专题的最新科研成果和最新进展充实到教学内容中，使学生了解科技前沿，激发学生科研创新兴趣。例如，石墨烯，由于独特的高导电、高导热、高强度、轻质等特性，在新能源、环境、生物医学等领域，有重要的应用潜力。此外，功能材料的3D打印，也是目前的研究热点。因此，在讲授石墨烯材料时，结合3D打印技术，对最新发表的关于3D打印石墨烯及器件制备的文献进行介绍，引导学生讨论石墨烯3D打印技术在电池、电容器等储能器件制造上的前景及研究思路，有助于培养学生的科研兴趣和创新能力。

二、融合多元化教学模式，启发创新思维

教学方法和手段的改革，是研究生创新能力培养的关键。良好的教学效果，不仅与教师的讲授技巧有关，更重要的是需要在教学方法和手段上进行多元化融合，激发学生学习兴趣。通过讲授功能材料领域的最新科技前沿，将学生学习功能材料的思维推向应用，把新方法、新技术、新热点、新问题等加入课程教学中，引导学生积极思考和探讨，以启发思维、训练能力。因此，为了有效达到教学目的，本课程将多种教学方法和手段进行融合探索。

1.通过科研与教学的有机结合，培养学生的创新思维和科研能力。本课程的教学团队都是科研第一线的教师，从事功能材料领域的不同研究方向的科研工作。因此，每位教师分别讲授各自擅长领域的教学内容，将各自的最新研究成果作为科研案例，穿插在教学中，丰富教学内容。而且，本校每个学期都设有材料创新讲坛，邀请国内外在功能材料领域的知名学者来校讲座。根据讲座内容，将1～2场材料创新讲座纳入本课程的教学内容，鼓励学生积极交流与讨论。将科研与教学实现有机结合，通过展示教师的科研创新成果，交流如何提出科研创新课题等，不仅会使学生接触到功能材料领域的研究前沿和热点，而且也会激发学生的科研兴趣，引导他们在学习过程中勤于思考，启发科研创新思维，为创新能力和科研能力的培养创造良好氛围。

2.开展以研究热点为主题的课堂讨论。通常，学生对热点问题和最新研究成果比较关注和感兴趣。教师在讲授每个专题时，都要适当引入本专题方向的研究热点和最新研究成果，进行课堂讨论。教师在上一堂课结束时，将讨论主题布置给学生，让学生对讨论主题提前搜寻资料，有所准备，训练学生的自主学习能力。通过专题的课堂讨论，培养学生独立思考、分析问题及交流、表达等能力。

3.培养学生自学能力及文献综述能力。自学能力的培养，对提高学生独立思考和创新能力非常重要。研究生可以通过课程学习、导师指导等环节提高分析、解决问题的能力，但在独立开展科研及学习新知识时，往往需要自学。由于本课程的教学内容安排是在课堂教学过程中，重点讲授材料选择与设计、制备技术与应用的相互关系及最新科研成果，其他关于材料结构和性能等知识需要通过自学完成。此外，类似专题的课堂讨论等教学互动环节，需要学生通过课后进行文献检索和自学文献、资料等来完成。文献综述能力是研究生创新思维和科研能力培养的重要方面。通过文献综述，学生可以全面了解和掌握某个研究领域或研究方向的现状，思考发展趋势，是开展科学研究最为重要的一步。因此，本课程在学期末设置文献综述环节，布置文献综述任务，要求学生通过文献查找、阅读、总结、撰写等完成综述小论文，培养自学与文献综述能力。

4.全英语教学，培养学生外语学术交流能力。目前，教育部积极鼓励教师开展双语和全英语教学活动，培养学生运用外语的能力，提高国际化教学质量[4]。研究生是开展创新研究的主体之一，了解与把握研究领域的发展，需要通过阅读大量外文文献和资料，而且，国际学术交流也是提高科研创新能力的途径之一。

在国内研究生的培养过程中，学生在外语读写方面的训练较多，而听说能力相对较弱。因此，为培养学生的全英语学术交流与表达能力，本课程采用全英语教学。全部制作英语PPT课件，讲授过程中采取预先发给学生课件和外文资料，让学生能够课前预习，熟悉课堂教学内容及生疏的专业词汇，避免学生在课堂上跟不上教师全英语讲授的节奏。但对比较难理解的知识点，适当辅以中文讲解。在课堂提问及课堂讨论环节，鼓励学生采用英语回答和讨论，训练英语表达能力，培养学生的英语学术交流能力。

三、完善课程教学考核方式，引导学生创新能力的培养

本课程比较注重学生创新思维和创新能力的培养，传统的闭卷考核方式显然不适合研究生的培养。为此，课程教学考核方式应将教学过程中的提问、专题讨论等过程性评价与期末文献综述评价相结合，把撰写文献综述、汇报答辩与交流讨论作为考核的重要形式。特别是期末文献综述评价，在教学过程中，列出若干热点问题，由学生自主进行文献检索、阅读资料，撰写综述。期末采用英语多媒体答辩方式对文献综述进行汇报，全面训练文献查阅、归纳总结、文字与口头表达及英语学术交流能力，加强学生的创新能力培养。

忽视课程教学环节中研究生创新意识与创新能力的训练，是导致研究生创新能力不足的一个重要原因。专业课教学是创新人才培养的主渠道之一，对创新能力的培养至关重要。因此，本课程在教学内容、教学模式和教学评价方式等方面进行探索，以引导学生自主学习，加强创新意识和创新能力的培养。同时，提高课程教学质量，教师要不断学习，提高自身创新能力，在科研第一线开展创新科学研究，让科研反哺教学。

参考文献：

[1]张来斌.认清形势，把握关键，大力推进研究生教育改革创新[J].学位与研究生教育，2010，（1）：58-60.

功能材料论文篇6

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。

功能材料论文篇7

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）32-0139-02

一、引言

《功能高分子材料》是材料化学、高分子材料、复合材料和应用化学专业的主干综合性课程，同时是一门以高分子化学和物理为基础，与生物学、物理学和医学等学科都有交叉的交叉学科。随着科技迅速发展，当前社会领域内对功能高分子的应用更为普遍，因其种类多、内容丰富成为新技术革命中不可或缺的关键材料并充斥在人类生活中，这使得《功能高分子材料》课程的教学显得尤为重要。高分子材料的功能化主要体现在对其组成及结构上的设计，而《功能高分子材料》的教学目的就是让学生在掌握关于功能高分子材料基本知识的基础上，可以制备和设计功能高分子材料。因此，提高对《功能高分子材料》课程教学方法的重视，打破传统的教学方式，对于培养出运用功能高分子材料的高素质优秀人才尤为重要。

二、教学内容和课程特点

《功能高分子材料》是一门专业选修课，同时是一门重要的核心主干课程，不仅要求学生了解并掌握高分子材料的基础知识，更要求学生具备动手设计和制备有关的功能高分子材料的能力。而这也就要求在功能高分子材料的教学过程中，始终贯穿高分子材料的分子“设计―结构―性能”之间的关系，这往往需要学生运用和掌握大量的高分子化学与高分子物理的基础知识。

三、目前《功能高分子材料》课程教学现状与存在的部分问题

首先，功能高分子是一门结构复杂、跨学科性强的专业学科。因此，该门课程在教学内容的选择上不能拘泥于在传统模式中选取某一本教材内容进行教授，而是应需要进一步的去完善和提炼综合各版本的优势内容，再进行教学内容的选取；其次，晦涩难懂的教学重点是要求学生理解高分子材料是怎样从组成、结构上进行设计而使材料功能化的，但理论知识往往比较刻板生硬，使得学生学习兴趣低下。那么，如何提高学生学习积极性是教学关键。传统的“填鸭式”教学并不适用于这门课程，因为在缺乏以学生兴趣作为保障的前提下，我们很难将内容多、更新快、知识点晦涩、难点较多的功能高分子材料这门学科讲清楚。因此，教师应充分考虑更新教学手段、教学方法以及考核方式，提高自身专业素养并调动学生积极性来克服这一困境。

四、《功能高分子材料》课程教学改革方法与实践

1.教材的选定和内容的精讲。目前多数学校对于这门课程安排的课时、学时较短，主要集中于学生找工作和考研的大四阶段。那么，这就有赖于授课教授前期对课程教学内容的精心设计，更要求教师掌握当代先进的高分子材料的前沿知识和发展进程，不断更新自我的知识结构，对课程内容进行系统的分析和归纳，突出课程重点，授课时选择精练重点，深入浅出进行授课，从而解决教学内容多与学时少之间的矛盾。其次，功能高分子是一门相对新兴的前沿学科，因此选择其内容要跟随时代的发展，不可将陈旧的知识拿来反复陈述，而是要跟上科学步伐不断更新、充实和完善授课内容，教师应多方面的关注功能高分子材料领域的前沿动态，不断积累并更新自己的知识量，将先进的学术成果及时应用到平时的教学过程中，使得学生对高分子材料充满好奇，从而提高学生学习功能高分子的积极性，进而牢固掌握高分子材料的基础知识。

2.多媒体教学与传统教学方式相结合。多媒体教学越来越广泛的应用于现代教学中，相比传统的板书口述的传输途径，多媒体具有生动形象的图片和模型、涵盖的信息更广、交互性更强的特点，更容易令学生理解和接受教学过程中复杂的知识难点。近些年，越来越多的课程都已经实行多媒体教学，由于功能高分子材料这门课程的新概念多并且涉猎领域广，引入多媒体辅助教育将更有利于学生直观感受有关功能高分子设计的实例，尤其是教师可利用各种软件、网络资源和视频，生动地展示各种原理模型，把抽象枯燥的功能高分子材料课程变得更加具象、具体，以此调动学生的各种感官、启发学生思考，从而激发学生参与到功能高分子学习中来的兴趣，加强学生对高分子材料中的教学难点的理解和掌握。然而任何事物都是具有两面性的，不能过分依赖多媒体教学，在教学过程中，对于某些特别重要的理论公式的学习和推导，通过多媒体教学难以使学生在较短的时间内完全理解，这时教师就应该采用传统的板书教学方式，通过板书并逐渐讲解过程使得学生能够慢慢理解，加强学生的记忆。总之，多种教学方法有机的结合才能达到完美的理想效果。

3.强化理论与实践紧密结合，培养创新性思维。教师在传授功能高分子材料的理论知识的同时应开设与此课程相关的开放实践课程，如开放性的设计实验。在教师指导下，学生自己动手设计、操作并最终提交实验结果，在整个实验操作中不仅需要现实性的应用学到的理论知识，还可以锻炼学生的自主创新能力。这种自己动手操作设计实验的方式不仅培养了学生的动手能力，更加深了学生对所学知识的理解；还可以带学生去功能高分子材料的工厂参观，切身感受理论结合实际的生产过程，开阔学生的视野，教学实践相结合使得教学成果更为显著。

4.从生活实际出发，激发学生学习动力。教师在教学活动中介绍功能高分子材料的时候，可以以生活中的实际例子或新闻报道中的最新科技进展为例子，让学生认识到功能高分子材料的重要性，同时让学生对最新的研究成果有所了解，从而提高学生们对科学研究的兴趣。例如，教师可以以环保问题为切入点，介绍对于废水、废气处理方面的功能高分子材料；在讲解导电高分子材料时，可以用“诺贝尔化学奖科学贡献―导电聚乙炔发现”的案例切入；在讲电致发光功能高分子材料时，可以先从熟悉的智能计算机谈起，慢慢讲解其屏幕发光机理和应用机制；讲解吸波材料时，教师则可以从各国隐身战斗机的发展入手，从材料的特殊功能入手，再慢慢引出高分子材料的不足之处，从而引导学生主动思考、发掘原因，引导学生获取解决问题的方法，感受到成功的乐趣增进自信，提高学习功能高分子的学习动机。总之，要让学生在学习中建立起功能高分子材料与现实生活的紧密联系，感受到功能高分子学习在未来职业和社会生活中的作用。

5.教学手段多样化，增强教与学的互动性。采取多种教学手段并用，增强互动性教学在功能高分子材料这门学科中是非常重要的，尤其是教与学的互动性，在一定程度上可以促进学生的学习兴趣，在互动中得到对知识的理解和掌握。在互动性教学中，教师可以提出一些问题并适当的给学生安排一些课下查阅资料的任务，锻炼学生的文献检索能力，并能在文献中了解和掌握更为前沿的学科知识；更可以放手安排让学生在讲台上讲授，这样不仅可以促进学生对知识的掌握，还可以锻炼学生的胆量和演讲能力。此外，还可以鼓励学生撰写一些功能高分子材料相关的综述性论文，在培养学生论文写作能力的同时也对功能高分子材料领域有一个广博的认知。总的来说，互动模式可以督促学生主动对知识进行获取，增强学习的效果。

6.科研与教学相融合，以科研促进教学。在功能高分子材料教学过程中，应将教学和科研有机的结合起来。科研教学一体化不但能够提高教师水平，把握前沿的功能高分子材料的知识，更能丰富关于功能高分子材料的教学内容，为学生营造浓郁的学术氛围，提高学生的科研素养和创新能力，进而全面提高关于功能高分子材料的教学质量。

7.改革考核方式，端正学习态度。学生的考核情况是反应教学效果的标准，教师应该随时注意自己的教学效果，随时做好查漏补缺的工作，并积极调整教学方式以达到预期的教学效果。传统的考核方式主要是通过考试成绩来评价这门课的教学效果，而在这种情况下，学生往往是阵前磨枪，突击复习，这种瞬时记忆导致学生知识点很快被忘却。因此，改革考核方式变得尤为重要。首先，重视课堂表现力和出勤率，培养学生上课的纪律性和交流思考能力，该方面要占总成绩的30%；其次，要注重课堂报告和文献检索能力，从而锻炼学生检索资料、撰写报告以及演讲能力，并占总成绩的20%；再次，为了培养学生理论联系实践的创新性思维能力，那么设计性试验和课后作业要占总成绩的20%；最后就是考查学生对概念、原理、性能以及实验设计方案的掌握，占总成绩的30%。这种全新的考核方式能够有效促进学生素质的提高，使得分数不再是衡量学生的标准，对功能高分子材料课程教学效果的提升起到了重要的作用。

五、结语

在随着科技的发展，功能高分子材料科学也在飞速发展，这就要求高分子专业的人才的素质也要与时俱进。因此，在功能高分子材料的课程教学过程中，教师要不断提升自身素质，并及时掌握高分子材料研究的前沿内容，系统归纳课程内容，改变教学观念运用多重教学手段，采用理论与实践结合的教学思路，培养学生独立思考、解决问题的能力，调动学生自主性和积极性，为该科研领域不断输送优秀人才。

参考文献：

[1]齐民华.功能高分子材料课程教学改革的思考[J].广东化工，2011，（05）.

[2]周立，孙荣欣.《功能高分子材料》课程教学改革的探索[J].科技信息，2010，（21）.

功能材料论文篇8

所谓同质性，即要求所选论据材料的要素与原材料（或论点）所具备的要素相同、一致。那么，应该怎样做，作文论据材料才与所供材料（或论点）同质呢？

一、弱水三千只取一瓢――紧扣论点要素筛选材料作论据

可作论据的材料成千上万，也千姿百态。筛选论据材料不能被材料的万紫千红所迷惑，一定要弄清材料的实质，紧扣论点，按论点的要素去筛选与原材料（或论点）同质的论据材料。

例如，要论证“勤能补拙”这一论点，那么在筛选论据材料时，就必须针对这一论点所限定的以下三个要素：1.要有“拙”；2.要有“勤”；3.要有“勤”补了“拙”，出了成果，取得了成功。此三要素缺少其中任何一个，就是不符合该论点所限定的要素，论据材料就难以证明论点。

有学生选了这样一个论据材料：“王羲之经常在自己的衣服上写字，将衣服划破，终于成为一个有名的书法家。”这个论据材料中，王羲之确实“勤”，也取得了成功，但与补拙毫不沾边，因为王羲之并不拙。那么，这个论据材料的要素与论点的要素就不一致，选用它用来论证论点是不恰当的。

不妨换个例子看看：“古雅典的德摩斯梯尼小时候口吃，为了弥补这一缺陷，他坚持每天早上含沙练唱，最终改掉了口吃的毛病，成为一位驰名世界的古雅典最具雄辩力的演说家。”德摩斯梯尼天天口含沙粒练习是“勤”，有口吃的毛病是“拙”，经过刻苦努力最终改掉了毛病，取得了事业的成功，是“勤”补了“拙”。与论点的要素相同，很好地体现了同质性的要求，能有力地论证论点。

二、到什么山唱什么歌――有侧重点地叙述用作论据的材料

筛选出具备同质性的论据材料后，接下来就是如何叙述这个论据材料了。那么，该怎样叙述才能体现同质性呢？总的原则就是到什么山唱什么歌。

再以上面的例子来说，下面的一则论据材料就叙述得很好：“传说古时候有个叫德摩斯梯尼的演说家，因小时候口吃，所以登台演讲时常被雄辩的对手压倒（写拙）。可是他毫不气馁，为了克服此弱点，他每天口含石子，面朝大海朗诵，不管春夏秋冬，坚持五十年如一日，连爬山跑步也都坚持演说（写勤）。最后，他终于成为全希腊最有名气的大演说家（写勤补了拙）。”这段话中的第一句叙其“拙”，第二句叙其“勤奋苦练”，第三句叙其“勤”补了“拙”，取得了成功。论据材料的叙述完全针对着“勤能补拙”这一论点所限定的要素，体现出同质性，因此，有力地论证了论点。

功能材料论文篇9

 

1总体功能与结构设计

1.1 ASP.NET技术

ASP.NET是一种基于Web服务器的开发脚本语言环境.利用它可以开发出动态、交互、高性能的Web服务器运用程序，能够实现日B/S模式的管理和应用，在ASP.NET环境下开发的应用程序驻留在服务器端，当客户端通过浏览器IE访问Web服务器，服务器根据ASP.NET应用程序指令访问数据库，将查询到的数据返回给客户端。ASP.NET有运行效率高、实现功能强、开发速度快和很好的维护性的优点。科技论文。

1.2开发与运行环境

平台采用B/S（浏览器/服务器模式）架构；系统基于ASP.NET技术开发，用户使用浏览器就可以进行使用和管理的有关操作；系统支持PC & SUN服务器，支持 Win2003Server & RedHat Linux Advance Serve操作系统；数据库使用SQLServer 2000；系统采用采用模块化的架构设计，支持SSL传输协议，可以实现链路层的加密传输。

1.3总体功能与结构

支撑材料查询系统提供了在线支撑材料查询，在线添加、修改、删除，支撑材料存放位置管理等功能。科技论文。(1)在线查询功能:浏览者在查询界面下可以通过输人要查找的支撑材料的名称、所属类别、所属序号或支撑材料的登记号等关键字，跟数据库中的内容进行模糊查找，找到需要查看的支撑材料相关信息。(2)后台支撑材料管理功能:管理员可以通过登陆验证进入管理界面，对支撑材料进行在线管理，而不用直接修改数据库。支撑材料查询系统结构图如下：

2查询功能

功能材料论文篇10

 

1总体功能与结构设计

1.1 ASP.NET技术

ASP.NET是一种基于Web服务器的开发脚本语言环境.利用它可以开发出动态、交互、高性能的Web服务器运用程序，能够实现日B/S模式的管理和应用，在ASP.NET环境下开发的应用程序驻留在服务器端，当客户端通过浏览器IE访问Web服务器，服务器根据ASP.NET应用程序指令访问数据库，将查询到的数据返回给客户端。ASP.NET有运行效率高、实现功能强、开发速度快和很好的维护性的优点。科技论文。

1.2开发与运行环境

平台采用B/S（浏览器/服务器模式）架构；系统基于ASP.NET技术开发，用户使用浏览器就可以进行使用和管理的有关操作；系统支持PC & SUN服务器，支持 Win2003Server & RedHat Linux Advance Serve操作系统；数据库使用SQLServer 2000；系统采用采用模块化的架构设计，支持SSL传输协议，可以实现链路层的加密传输。

1.3总体功能与结构

支撑材料查询系统提供了在线支撑材料查询，在线添加、修改、删除，支撑材料存放位置管理等功能。科技论文。(1)在线查询功能:浏览者在查询界面下可以通过输人要查找的支撑材料的名称、所属类别、所属序号或支撑材料的登记号等关键字，跟数据库中的内容进行模糊查找，找到需要查看的支撑材料相关信息。(2)后台支撑材料管理功能:管理员可以通过登陆验证进入管理界面，对支撑材料进行在线管理，而不用直接修改数据库。支撑材料查询系统结构图如下：

2查询功能

功能材料论文篇11

经济全球化和文化全球化的快速发展，促进了人才的国际流通性。符合新时代要求的人才，需要具有国际视野和国际竞争力。为了提高工程科学技术人才的培养质量，使工程教育专业质量标准与国际接轨，我国于2016年成为《华盛顿协议》的缔约成员，工程教育专业认证不仅可以推动和发展我国的工程教育专业质量，国外先进的教学理念还可以弥补我国工程科学技术领域的教学不足，优化我国的工程科学技术人才队伍[1]。功能材料专业英语是功能材料专业的专业基础课程，侧重于功能材料专业英语知识、重点词汇、科技论文写作和专业阅读材料中英互译的教学。学生通过该课程的学习，可以掌握部分专业英语词汇，可以独立阅读功能材料专业相关的英文文献，撰写简单的英文专业论文摘要，为将来的学习和工作打下专业英语基础。但是，一般情况下，该门课程为32学时，在较短的时间内提高学生的专业英语水平难度较大。并且传统的教学内容、教学方式和考核方式没有办法充分调动学生的学习积极性，英语基础本就薄弱的学生在接触难度较大的专业英语时，容易产生畏难情绪。结合工程教育专业认证的要求，以学生为中心，以产出为导向，就这需要对传统的教学模式进行改革。包括对教学内容的改革，课堂角色的变换以及课程考核方式的改革[2-3]。

1教学内容的优化

以往的功能材料专业英语课程主要向学生介绍功能材料专业英语的重点词汇，科技论文的结构和写作方法。主要培养学生在阅读、理解、翻译和写作等方面的能力，使学生能够阅读专业相关的英文文献和资料，为后期的深造和工作打下英语基础。而在工程教育专业认证的背景下，功能材料专业的培养目标是将学生培养成能适应社会发展需要，具有社会责任感、有团队精神、有良好的交流能力和国际视野，能够使用工程基础与专业知识解决科学研究、技术开发、产品设计和生产管理中出现的复杂工程问题的高级工程技术型人才[4-5]。对照工程教育专业认证的要求，在课程的实施过程中仅仅培养学生的读写能力显然是不够的。要具有国际视野和良好的交流能力，听和说的能力也十分重要。所以在制定教学大纲时，统筹考虑学生听、说、读、写能力的培养，合理分配听、说、读、写四个方面的教学内容。在讲授专业知识的过程中，使用双语教学提高学生的听力水平，并鼓励学生大胆说英文。功能材料专业的学生在进入本科阶段后，只有第一学年有英语课程，学生说英语的机会很少，并且大多数学生基于各种原因不敢说英语、害怕说英语。在教学的过程中，要培养学生对专业英语知识的学习兴趣，引导其利用网络资源和校内图书馆资源获取最新的音视频材料，提高学生的听说能力，使其能够使用英语进行简单的专业知识交流和技术沟通，为后续的工作学习奠定基础。

2课堂角色的转变

在传统的课堂教学过程中，教学活动以教师为中心。工程教育专业认证要求以产出为导向，以学生为中心。要求教师在教学过程中提高学生的主观能动性，激发学生的学习热情。功能材料专业英语是一门集专业知识和英语于一体的课程，不仅要求学生掌握扎实的专业知识，还要求学生具有一定的英语听说读写能力。这就要求学生课前要对专业知识进行预习和复习，课后要进行广泛的英语听力练习和英文科技论文的阅读和翻译。课堂是教学育人的主渠道，教师要结合讲授法、互动教学法和任务驱动法提高学生的学习积极性和课堂参与度。在课堂教学过程中，要善于利用雨课堂和MOOC学习平台提高学生学习的积极性和主动性，采用启发式教学引入知识点，引导学生进行思考和讨论，突出教学重点和难点。建立课程学习QQ群，及时和学生进行问题交流，鼓励学生使用万方数据库、知网和webofscience进行专业资料检索。组织学生成立学习小组，模拟国际会议，开展课堂专题报告和学术交流。通过互换教学身份提高学生的学习积极性和课堂氛围，培养学生的团队合作精神，增强学生的交流沟通能力，锻炼学生收集材料、筛选材料、总结材料的能力。同时提高学生的英语口语表达能力，提高学生的专业自信。使得学生通过该门课程的学习，不仅可以掌握功能材料专业英语的重点词汇，掌握专业英语的基本翻译技巧和写作技巧，还可以获取检索专业资料的能力，利用所学专业英语知识进行学术沟通和交流的能力。

3考核方式的调整

传统的课程考核总成绩包括期末考试卷面成绩和平时成绩两部分，其中平时成绩占30%，期末考试成绩占70%。平时成绩主要包括考勤、平时作业和课堂表现，期末考试主要考察学生的读写能力，这样的考核方式没有办法考察学生的听说能力，也不能全面而真实地反映学生的学习效果和学习质量。并且以期末考试为主的考核方式，容易让学生忽略平常的学习，导致考前突击、临时抱佛脚的考前现象。降低期末考试的比重，将课堂英语互动、英语专题演讲和学生收集、整理、分析资料的能力纳入考察范围，可以有效地激发学生的学习兴趣和课堂参与度，从而提高教学质量。帮助学生克服畏难情绪，成为学习的主角，主动参与教学过程。给学生营造良好的学习氛围，教学相长，让教学过程成为双方主动介入的过程。

4结语

工程教育专业认证是我国高等教育的必然趋势，推动着工程教育改革的步伐。工程教育专业认证体系以学生为中心的理念，打破了传统的教学模式，需要教师优化教学内容，改进教学方法，调整考核方式，激发学生的学习热情，提高学生的主观能动性，增强学生的沟通能力和解决问题的能力，培养学生求是的科学态度和求实的科学精神。

参考文献

[1]袁斌，曾美琴，胡仁宗，等．基于工程教育认证背景下的金属功能材料课程改革与实践[J]．中国现代教育装备，2018，287：75-77．

[2]郑学晶，徐慎刚，郑晓莉，等．《高分子材料专业英语》中的课程思政探索与实践[J]．高分子通报，2020，8：80-85．

[3]朱敏，朱钰方．《功能材料学》课程全英语教学改革初探[J]．教育教学论坛，2015，3：61-62．

功能材料论文篇12

中图分类号： TU323.3 文献标志码： B

Finite element modeling and analysis on bi-layer

functionally graded cantilever beam

YANG Qing， ZHANG Kai， ZHENG Bailin， ZHU Jianxin

（School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics， Tongji University， Shanghai 200092， China）

Abstract： To study the effect of different modeling and interface treatment on the calculation results of a functionally graded bi-layer cantilever beam， the comparison of finite element calculation results and theoretical solutions indicate that， the eight-node second-order element is more precise than the four-node linear element because the former could eliminate the shear self-locking effectively； as to the perfect interface of dual-material， the constraint condition， forced displacement coupling is more in line with the actual situation than the constraint condition of eliminating coincident nodes， and the finite element solutions of stress field around beam end are more rational than the theory solutions.

Key words： bi-layer cantilever beam； functionally graded material； interface； nonlinear finite element； theoretical calculation； Marc

收稿日期： 2013-01-07 修回日期： 2013-07-11

基金项目： 国家自然科学基金（41072207）

作者简介： 杨青（1981—），男，浙江天台人，博士研究生，研究方向为固体力学与复合材料力学，（E-mail）；

郑百林（1966—），男，陕西岐山人，教授，博导，博士，研究方向为固体力学与复合材料力学，（E-mail）

0 引 言

功能梯度材料的概念由日本科学家在20世纪80年代中期首先提出，旨在解决航天技术领域高温环境下的材料热应力问题.[1]功能梯度材料具有渐变的特点，可以消除由于材料性质不匹配以及结构设计缺陷所带来的失效问题，因此，随着材料科技和设计水平的不断提高，功能梯度材料在工程领域中的应用越来越广阔.[2-3]

目前，关于功能梯度材料结构的理论计算和有限元计算已取得较为丰硕的成果.李永等[4]利用层合法，将功能梯度结构沿梯度方向分成若干层，每层等效为各向同性均匀材料进行计算；SANKAR[5]利用初等梁理论给出功能梯度简支梁受横向载荷作用下的弹性解；校金友等[6]利用应力函数法求得弹性模量沿梁厚度方向指数变化功能梯度简支梁的二维弹性解；ZHONG等[7]利用应力函数半逆解法求得模量以任意梯度函数变化时平面悬臂梁问题的解析解；YANG等[8]利用应力函数法求得模量以任意梯度函数变化时双层悬臂梁问题的解析解；张驰等[9]采用等参梯度元方法对功能梯度材料进行有限元分析；朱昊文等[10]求得功能梯度压电材料板的有限元解；张晓等[11]对一种新型功能梯度复合锚杆的延展性和协调性进行有限元分析；GO等[12]用有限元法分析旋转功能梯度圆盘的热弹性力学性能.

本文使用Marc非线性分析软件，对双层功能梯度悬臂梁进行建模分析，同时与理论解进行对比，考察不同建模形式和界面处理方式对计算结果的影响.

1 基本方程与有限元模型

1.1 基本方程

功能梯度双层悬臂梁模型见图1.图1中，长度为L，厚度为2h，上、下层均为功能梯度材料，每层厚度均为h，各自沿厚度方向以功能函数F1（y）和F2（y）变化.

图 1 功能梯度双层悬臂梁模型

Fig.1 Model of functionally graded bi-layer cantilever beam

采用弹性力学平面理论进行分析.假定该问题为平面应力问题，功能梯度材料本构方程中的柔度系数sjk不再是常数，而是关于坐标y的函数，即sjk=s（i）jk（y）=s（1）jk（y）=s*（1）jk×F1（y）， y≤0

s（2）jk（y）=s*（2）jk×F2（y）， y≥0 （1）式中：s（1）jk（y）为上层材料的梯度变化函数；s（2）jk（y）为下层材料的梯度变化函数；s*（1）jk与s*（2）jk分别为上、下层模量y=y0处的基准值，本文中基准坐标y0=0位于界面处.

在基准坐标y0处，Fi（y0）=1.

功能梯度材料平面问题的控制方程为2y2s112φiy2+s122φix2+ys443φix2y+s124φiy2x2+s224φix4=0 （2）式中：i=1和2分别表示梁的上层和下层.

对于平面梁问题，可设应力函数φ（x，y）=nj=0xjfj（y） （3）式中：n由边界条件的具体形式而定.端部受集中弯矩与轴向力，n=0；端部受集中剪力，n=1；上面受均布载荷，n=2.

对于平面层合梁，先求得单层梁的通解，然后根据理想界面连续条件与边界条件，将上、下层耦合，从而求出特解.理想界面连续条件为σ1y=σ2y，τ1yx=τ2yx

u1=u2，w1=w2 （4）1.2 有限元模型

由于功能梯度材料本构关系中引入模量梯度变化函数可能产生物理非线性，故针对功能梯度材料宜使用非线性分析方法.Marc作为分析工具，具有良好的非线性分析功能，可非常方便地设定弹性模量的函数关系，而无须通过用户端编子程序，分析效率高、适用范围广.

与理论方法一致，有限元建模的分析类型也选用平面应力分析，建立二维平面分析模型.悬臂梁固定端选用位移固定边界条件，载荷采用力加载形式.为保证求解进度，单元划分应该较密，单元尺寸选取为厚度坐标的1/20，即h/20.

单元类型分别选取四节点线性单元和八节点二次单元进行计算，双材料理想连接界面分别采取消除重合节点和强制位移约束，通过与理论解进行比较，考察上述建模方法的合理性.

2 算例和讨论

本文理论解可参见文献[8].考察某悬臂梁l=10 m，h=1 m，上层功能梯度变化函数为F1（y）=eαy，下层功能梯度函数为F2（y）=eβy；在界面y=0，上层材料弹性模量为2.1×1011 Pa，下层材料为1.1×1011 Pa，取α=1，β=-2，泊松比ν=0.3.当悬臂梁端部受集中剪力P=1 000 N作用时，对应的边界条件为σ1x=σ2x=0， x=0 （5）

σ1y=0， y=-h

σ2y=0， y=h （6）

∫0-hτ1yxdy+∫h0τ2yxdy=P， x=0 （7）

τ1yx=0， y=-h

τ2yx=0， y=h （8） ui=0， wi=0， wix=0， x=l， y=0 （9）

将线性单元和二次单元的计算结果与理论结果进行比较.不同单元类型对正应力σx的影响见图2，可知，对于正应力σx，线性单元和二次单元的计算结果与理论解结果差别很小.

图 2 不同单元类型对正应力σx的影响

Fig.2 Effect of different element types on normal stress σx

不同单元类型对剪应力τxy的影响见图3，可知，关于横截面剪应力τxy，选取二次单元的计算结果与理论结果一致；而在梁的上、下表面以及界面处，线性单元的计算结果误差较大.根据上、下表面的边界条件，剪应力在边界处应该为0，而线性单元计算结果显然不为0，在界面处的剪应力也不连续，与理论解和实际情况不符.

图 3 不同单元类型对剪应力τxy的影响

Fig.3 Effect of different element types on shear stress τxy

不同单元类型对挠度的影响见图4，可知，对于系统的挠度，二次单元的计算结果与理论解一致，而线性单元的挠度计算值较小.

由上述对比可知，线性单元在计算剪应力和挠度时不够准确，主要是由于线性单元的边不能发生弯曲变形，而剪应变是单元水平边与垂直边之间的

图 4 不同单元类型对挠度的影响

Fig.4 Effect of different element types on deflection

夹角，这样，单元中就存在实际上不存在的、由于单元的数学描述而产生的剪应变.这种剪应变在梁的表面与界面处尤其显著，因此在梁的上、下表面与中间界面处计算误差较大；相应地，对挠度也造成影响.以上现象称为单元的剪力自锁，在梁的计算中需特别注意，可通过增加单元密度和选用二次单元消除，且后者更经济、高效.

将界面强制位移约束和消除重合节点的有限元计算结果与理论解进行比较.不同界面约束方式对正应力σx的影响见图5，可知，这2种界面的处理方式对界面处正应力σx的影响很大.界面的存在使原本连续的弹性场发生变化，而这种变化可由式（4）定义的界面条件表征，即位移连续，剪应力连续，法向应力σy连续，而轴向正应力σx不连续.显然，由界面强制位移的约束条件所得到的结果与理论解一致，而消除共节点的界面处理方式，无法体现双材料的界面特性，是不合理的.

图 5 不同界面约束方式对正应力σx的影响

Fig.5 Effect of different constraint ways on normal stress σx

不同界面约束方式对剪应力τxy的影响见图6，不同界面约束方式对挠度的影响见图7，可知，2种界面的处理方式对于界面剪应力和挠度的分布影响不显著.通过对界面剪应力的有限元结果与理论解结果进行比较，可知，在远离端部的位置，理论解与有限元解非常吻合；而在端部附近，差别十分显著.由于约束的作用，梁在端部的应力状态非常复杂，尤其对于双层梁，在界面端的应力具有奇异性，应力状态更加复杂；而理论计算中，通常在端部应用圣维南原理，使用放松约束条件加以简化计算.因此，如果关心靠近端部附近的应力场，有限元的计算结果比理论计算更加合理，通过增加单元的密度可以得到较精确的结果.x轴界面处的剪应力τxy的分布见图8.

图 6 不同界面约束方式对剪应力τxy的影响

Fig.6 Effect of different constraint ways on normal stress τxy

图 7 不同界面约束方式对挠度的影响

Fig.7 Effect of different constraint ways on deflection

图 8 x轴界面处的剪应力τxy的分布

Fig.8 Distribution of shear stress τxy on interface along x-axis

3 结 论

通过有限元法对功能梯度双层复合悬臂梁的力学行为进行分析，并与理论解进行对比，得以下结论：

（1）对于功能梯度悬臂梁，选取二次单元能更好地消除剪力自锁现象，求解更加精确.

（2）对于双材料理想界面处理，采取强制位移约束条件比消除重合节点约束条件更符合真实情况.

（3）由于理论解在端部处采用放松的圣维南边界条件，因此理论解并不能精确反映端部处的应力分布特性，也不能反映界面端的应力奇异情况.故在求解端部附近应力场方面，有限元解比理论解更加合理，如选取适当的单元尺寸，有限元法可以得到较精确的解.参考文献：

[1] HIRAI T， CHEN Leng. Recent and prospective development of functionally graded materials in Japan[J]. Mat Sci Forum， 1999（308-311）： 509-514.

[2] ABRATE S. Impact on composite structures[M]. Cambridge： Cambridge Univ Pr， 1998： 153.

[3] ANDERSON T A. A 3D elasticity solution for a sandwich composite with functionally graded core subjected to transverse loading by a rigid sphere[J]. Composite Structures， 2002， 60（3）： 265-274.

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