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功能材料范文1
關鍵詞：納米涂層；場發射；電子強關聯；軟凝聚態物質
2003年在國際和中國都發生了具有突發性的災難事件，但中國的GDP仍以9.1％的高速度在增長，達到了人民幣11.6萬億元，其中第二產業貢獻4萬多億元。中國現今的第二產業主要領域是冶金、制造和信息，在世界的地位是大加工廠，也是大市場。在國際競爭中所以有優勢是中國的勞動力廉價，這個優勢我們能保持多久?我們還注意到與化工有關的產品中，我們的生產效率是國際發達國家的5％，能耗是3倍，環境的破壞是9倍。這就是我們所付出的代價。不論形勢如何嚴峻，21世紀是中華民族振興的機遇期，制造業絕對是一個極其重要的領域，是個急速發展變化的領域。2003年3月國際真空學會執委會在北京舉行，會議上討論了將原來的冶金專委會改名為“表面工程專委會”，當時也考慮了另一個名字“涂層專委會”，我想用涂層材料更合適，含有繼承性和變革性。20世紀70年代曾經說成是塑料年代，此后塑料科技和工業迅速崛起，極大地改變了人類社會。繼而是信息時代，通信網、計算機網、萬維網、智能網，信息流，日新月異地改變著人類的生活和觀念。我們這個時代是高速發展的時代，技術和觀念都在與時俱進地改變著。
本世紀初興起了納米科技，促進其到來的是由于微電子小型化的發展趨勢，推動科技發展進入納米時代[1]，不僅電子學將進入納電子學領域，物理學進入介觀物理領域，各類科技，包括生物醫學等都在探索納米結構與特性。涂層和表面改性越來越多地增加了納米科技的內容，這是一種低維材料的制造和加工科技，將是制造技術的主流，將迅速地改變傳統制造技術的方法、理論和觀念，作為現今國際上的制造大國，世界加工廠，我們更應該注意研究制造技術的發展和未來。
1 突破傳統制造技術的觀念
納米科技研究的內容主要是在原子、分子尺度上構造材料和器件，測量表征其結構和特性，探索、發現新現象、新規律和應用領域。與我們熟悉傳統的相比，納米材料和器件具有顯著的維數效應和尺寸效應。近幾年來，在納米材料制造方面做了大量的研究工作，在納米粒子粉材的制造，以及材料結構和特性測量、表征上取得了顯著成果[2～7]。接下來深入到納米線、納米管和納米帶的研究[8～14]，出現了一些成功有效的制造方法，發現了一些驚人的結構和特性。在此基礎上，發展了納米復合材料的研究，展現了非常有希望的應用前景[15～17]。近來人們在納米科技初期成果的基礎上挑戰某些產品的傳統加工技術，比如Al組件的快速加工。
T.B.Sercombe等人報道了快速加工鋁(Al)組件的新方法[18]，這個方法的主要特征是用快速成型技術先形成樹脂鍵合件，然后在氮氣氛中分解其鍵和第二次滲入鋁合金。在熱處理過程中，鋁與氮反應形成氮化鋁骨架，在滲透過程中得到剛體結構。與傳統制造工藝相比，這個過程是簡單的快速的，可以制造任何復雜組件，包括聚合物、陶瓷、金屬。圖1是過程示意和原型樣品，(a)是尼龍巾鑲嵌鋁粒子的SEM像，中心有結構細節的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是為還原氧化鋁，它將不是鑄件中的成分。在尼龍被燒去時，這個結構基本保持不變。(b)是氮化物骨架，圍繞Al粒子的一些環狀結構的光學顯微鏡像，再滲入Al時將形成密實結構。(c)是燒結的氮化鋁和滲鋁組件，小柱的厚為0.5 mm 其密度和強度都達到了傳統鑄造技術的水平。他們還制作了公斤重量多種結構的樣品。這是一種冶金技術的探索，開辟了一種新的冶金和制造技術途徑。
2 納米材料的完美定律
描述材料結構的常用術語是原子結構和電子結構。原子結構的主要參量是晶格常數、鍵長、鍵角；電子結構的主要參量是能帶、量子態、分布函數。對于我們熟悉的宏觀體系，這些參量多是確定的常數，但對于納米體系，多數參量隨著原子數量的改變而變化。這是納米材料和器件的典型特征，它決定了納米材料的多樣性。其中有個重要規律，我們稱之為納米材料的完美定律，用簡單語言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了納米晶粒的魔數規則，即含有13、55、147…等數量原子的原子團是穩定的，對于富勒烯碳60和碳70存在的幾率最大，而對于碳59或碳71等結構體系根本不存在。這就是為什么斯莫利(Smmolley)他們當初能在大量的富勒烯中首先發現碳60和碳70，從而獲得了諾貝爾獎。對于一維納米結構，包括納米管和納米線，存在類似的規則?？梢阅Ｐ蜕险J為是由殼層構成的，每個殼層中更精細的結構稱為股，每一股是一條原子鏈，中心為1股包裹殼層為7股的表示為7-1結構，再外殼層為11股的，表示為11-7-1結構，等等，構成最穩定的結構，這是一維納米結構的魔數規則。對二維納米膜存在類似的缺陷熔化規則，即不容許存在很多缺陷，一旦超過臨界值，缺陷自發產生，完全破壞二維晶態結構。上述這些低維結構特征是完美定律的具體表述，進步普遍表述理論是正在研究中的課題。
完美定律是我們討論涂層材料的出發點，因為納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。在制造過程中，方法簡單、產額高、成本低是最有競爭力的?？梢韵胂?，制造成本很高的材料和器件能有市場，一定是不計成本的特殊需要，有政治背景或短期的社會需求。因此在我們探索納米材料制造時，首先考慮的應是滿足完美定律的技術，如用甲烷電弧法制備納米金剛石粉技術[1]，電化學沉積法制備金屬納米線陣列技術[19]，以及電爐燒結法制造氧化物納米帶技術[20]等等。
3 涂層納米材料將給我們帶來什么?
涂層納米材料是納米科技領域具有代表的材料，或是低維納米材料的有序堆積結構，或者是低維納米材料填充的復合結構。兩者都比傳統材料有驚人的結構和特性。如新型高效光電池[21]、各向異性結構材料[19]、新型面光源材料[22]等，這里舉例介紹基于熱電效應的新型納米熱電變換材料。
熱電效應器件的代表是熱電偶，即利用不同導體接觸的溫差電現象進行溫度測量的器件。基于熱電效應可以制成兩類器件：熱產生電和電產生溫差。前者可以用于制造焦電器件，即用熱直接發電，如將焦電材料涂于內燃機缸表面，利用缸體溫度高于環境幾百度的溫差發電，將余熱變作電能回收。后者可以做成電致冷器件。這類的直接熱電變換器件具有無污染，沒有活動部件，長壽命，高可靠性等優點，但塊體材料制成器件的效率低，限制了它的應用。納米科技興起以后，人們探索利用納米晶或納米線結構能否解決熱電效應的效率問題。認為用量子點超晶格材料有希望顯著提高熱電器件的效率，這是由于納米材料顯著的能級分裂，有利于載流子的共振輸運和降低晶格熱傳導，從而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]報告了量子點超晶格結構的熱-電效應器件，他們制備了PbSeTe／PbTe量子點超晶格(QDSL)結構，用其制造了熱電器件(Thermo-electrics，TE)，圖2(a)是納米超晶格TE致冷器件的結構和電路圖，(b)電流-溫度曲線。將TE超晶格材料，其寬11 mm，長5 mm，厚0.104 mm，n-型的TE片，一端置于熱槽，另一端置于冷槽，為了減小冷槽熱傳導而形成這同結接觸，用一根細金屬線與熱槽連接。當如圖2(a)所示加電流源時，將致冷降溫。對于這種納米線超晶格結構，由于量子限制效應，發生間隔很大的能級分裂，從而得到很高的熱電轉換效率。圖2(b)是TE器件的電流-溫度曲線，實驗點標明為熱與冷端溫差(T )與電流(I )關系，電流坐標表示相應通過器件的電流?！鰹闊岫藴囟萒h與電流I 的關系，其溫度對于流過器件的電流不敏感。為冷端溫度Tc與電流I 的關系，其溫度對于電流是敏感的。圖中A是測得的最大溫差，43.7 K，B是塊體(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大溫差，30.8 K。從圖中可以看出，在較大電流時，冷端溫度趨于飽和。采用這種致冷器件由室溫降至一般冰箱的冷凍溫度是可能的。
電熱效應的逆過程的應用就是焦電器件，即利用熱源與環境的溫差發電。對于內燃機、鍋爐、致冷器高溫熱端等設備的熱壁，涂上超晶格納米結構涂層，利用剩余熱能發電，將是人們利用納米材料和組裝技術研究的重要課題。
類似面致冷、取暖，面光源，面環境監測等涂層功能材料，將給家電產業帶來革命性的影響，將會極大地改變人類的生活方式和觀念。
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4 含鐵碳納米管薄膜場發射
碳納米管陣列或含碳納米管涂層場發射被廣泛研究，以其為場發射陰極做成了平板顯示器。研究結果表明碳管的前端有較強的場發射能力，因此碳管涂層膜中多數碳管是平放在基底上的，場電子發射能力很差。我們制備了含有鐵(Fe)納米粒子的碳納米管，它的側向有更大的場發射能力，有利于用涂層法制造平板場發射陰極。圖3(a)是含鐵粒子碳納米的TEM像，碳管外形發生顯著改變。(b)是碳管場發射I-V特性曲線，I是CVD生長的豎直排列碳納米管的場發射曲線，II是含鐵粒子碳納米管豎直陣列的場發射曲線，III是含粒子碳納米管躺在基底上的場發射曲線，有最強的場發射能力。根據此結果，將含鐵的碳納米管用作涂層場發射陰極，有利于研制平板顯示器。
5 電子強關聯體系和軟凝聚態物質
上面所講到的涂層納米功能材料和器件是當今國際上研究的熱門課題，會很快取得重要成果，甚至有新產品進入市場。當我們在討論這個納米科技中的重要方向時，不能不考慮更深層的理論問題和更長遠的發展前景。這就涉及到物理學的重要理論問題，即電子強關聯體系(electron strong correlation system)與軟凝聚態物質(soft condensation matter)。
在量子力學出現之前，金屬材料電導的來源是個謎，20世紀初量子力學誕生后，解決了金屬導電問題?；贐loch假設：晶體中原子的外層電子，適應晶格周期調整它們的波長，在整個晶體中傳播；電子-電子間沒有相互作用。這是量子力學的簡化模型，沒有考慮電子間的相互作用，特別是在局域態電子的強相互作用。2003年又有人提出了金屬導電問題，Phillips和他的同事以“難以琢磨的Bose金屬”為題重新討論了金屬導電問題[24]。當計入電子間的相互作用時，可能產生的多體態，超導和巨磁阻就是這種狀態。晶體中的缺陷破壞了完善導體，導致電子局域化。電子與核作用的等效結果表現為電子間的吸引作用，導致電荷載流子為Cooper對。但這個對的形成，不是超導的充分條件。當所有Cooper對都成為單量子態時，才能觀察到超導性。這樣，對于費米子由于包利(Paulii)不相容原則，不可能產生宏觀上的單量子態。Cooper對的旋轉半徑小于通常兩個電子相互作用的空間，成為Bose子。宏觀上呈現單量子態，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化電子范圍內，超導性可能認為是玻色-愛因斯坦凝聚，這個觀點現今被很多人接受。從20世紀初至今，對于基本粒子的量子統計有兩種，一是Fermi統計，遵從Paulii不相容原理，即每個能量量子態上只能容納自旋不同的2個電子，而Bose子則不受這個限制。在凝聚態物質中有兩個基態：即共有化Bose子呈現超導態，局域化Bose子呈現絕緣態。然而，在幾個薄合金膜的實驗中，觀察到金屬相，破壞了超導體和絕緣體之間直接轉換。經分析認為這是玻色金屬態，參與導電的是Bose子。推斷這個金屬相可能是渦流玻璃態，這個現象在銅氧化物超導體中得到了驗證。
軟凝聚態物質研究的對象是原子、分子間不僅存在短程作用力，而且存在長程作用力，表觀上呈現的粘稠物質形態，稱為軟凝聚態。至今，人類對于晶體和原子存在強相互作用的固體已經知道得相當透徹了，但對軟凝聚態的很多科學問題還沒有深入研究，21世紀以來，引起了科學家的極大興趣。軟凝聚態物質包括流體、離子液體、復合流體、液晶、固體電解、離子導體、有機粘稠體、有機柔性材料、有機復合體，以及生物活體功能材料等。這其中的液晶由于在顯示器件上的很大市場需求，是被研究得相當清楚的一種。其他軟凝聚態結構和特性的科學問題和應用前景是目前被關注的研究課題。這其中主要有：微流體閥和泵、納米模板、納米陣列透鏡、有機半導體、有機陶瓷、流體類導體、表面敏感材料、親水疏水表面、有機晶體、生物材料(人造骨和牙齒)、柔性集成器件，以及他們的復合，統稱為分子調控材料(materials of molecular manipulation)。其主要特征是原子結構的多變性和柔性，研究材料的設計、制造、結構和特性的測量、表征，追求特殊功能；理論上探討原子結構的穩定體系，光、電、熱、機械特性，以及載流子及其輸運。關于軟凝聚態物質，有些早已為人類所用，電解液、液晶等，但對其理論研究處于初期階段。科學的發展和應用的需求促進深入的理論研究，判斷體系穩定存在的依據是自由能最小，體系自由能可表示為F=E-TS，其中S是熵。對于軟凝聚態物質體系，S是重要參量。其中更多的缺陷，原子、分子運動的復雜行為，更多的電子強關聯，不再是單粒子統計所能描述，需要研究粒子間存在相互作用的統計理論。多樣性是這個體系的突出特征，因此其理論涉及廣泛、復雜問題。
物理學是探索物態結構與特性的基礎學科，是認識自然和發展科技的基礎，其中以原子間有較強作用的稠密物質體系為主要研究對象的凝聚態物理近些年有了迅速進展，研究范圍不斷擴大，從固體結構、相變、光電磁特性擴展到液晶、復雜流體、聚合物和生物體結構等。幾乎每一二十年就有新物質狀態被發現，促進了人類對自然的認識和對其規律把握能力，推動了科學和技術的發展。21世紀仍有一些老的科學問題需要深入研究，一些新科學問題已提到人們的面前。特別是低維量子限域體系和極端條件下的基本物理問題。20世紀80年代出現的介觀物理，后來發展成為納米科技所涉及的學科領域。與宏觀體系和原子體系相比，低維量子限域體系，還有很多物理問題有待解決，人們熟悉的宏觀體系得到的規則和結論有些不再有效，適用于低維量子限域體系的處理方法和理論需要探索，特別是將涉及到多層次多系統問題的描述和表征，將會有更多的新現象、新效應、新規律被發現。在納米尺度，研究原子、分子組裝、測量、表征，涉及有機材料、無機／有機復合材料和生物材料，這將大大的擴展了物理學研究的范圍和深度。涉及的重大科學前沿問題和重點發展方向有①強關聯和軟凝聚態物質，及其他新奇特性凝聚態物質；②低維量子限域體系的結構和量子特性，包括納米尺度功能材料和器件結構和特性；③粒子物理，描述物質微觀結構和基本相互作用的粒子物理標準模型和有關問題，以及復雜系統物理；④極端條件下的物理問題，探索高能過程、核結構、等離子體、新物理現象和核物質新形態等；⑤生命活動中的物理問題，物理學的基本規律、概念、技術引入生命科學中，研究生物大分子體系特征、DNA、蛋白質結構和功能等，其研究關鍵將在于定量化和系統性，必然是多學科的交叉發展，成為未來科學的重要領域。
6 結論
本文討論了納米線涂層的結構和特性，重點是納米線的復合涂層和其電學特性、光電特性。其中包括制造技術新觀念，納米材料的完美定律，納米涂層的熱-電效應，碳納米管的側向場發射，以及電子強關聯體系和軟凝聚態物質，展示了涂層科學與技術的發展前景。
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功能材料范文2
關鍵詞:梯度功能材料，復合材料，研究進展
Abstract :This paper introduces the concept ，types，capability，preparation methods of functionally graded materials. Based upon analysis of the present application situations and prospect of this kind of materials some problems existed are presented. The current status of the research of FGM are discussed and an anticipation of its future development is also present.
Key words :FGM；composite；the Advance
0 引言
信息、能源、材料是現代科學技術和社會發展的三大支柱?，F代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學的發展。對材料，特別是對高性能材料的認識水平、掌握和應用能力，直接體現國家的科學技術水平和經濟實力，也是一個國家綜合國力和社會文明進步速度的標志。因此，新材料的開發與研究是材料科學發展的先導，是21世紀高科技領域的基石。
近年來，材料科學獲得了突飛猛進的發展[1]。究其原因，一方面是各個學科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實驗技術;另一方面是實際應用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實際生產應用問題而產生的一種新型復合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領域，所以它是近年來在材料科學中涌現出的研究熱點之一。
1 FGM概念的提出
當代航天飛機等高新技術的發展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當航天飛機往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數，其表面溫度高達2000℃。而其燃燒室內燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2， 其空氣入口的前端熱通量達5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內外要承受高達1000K以上的溫差，傳統的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復合材料，如金屬基陶瓷涂層材料，由于各相的熱脹系數和熱應力的差別較大，很容易在相界處出現涂層剝落[3]或龜裂[1]現象，其關鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規耐熱材料的不足，日本學者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續變化的組分梯度來代替突變界面，消除物理性能的突變，使熱應力降至最小[3]。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機輔助材料設計為基礎，采用先進復合技術，使構成材料的要素（組成、結構）沿厚度方向有一側向另一側成連續變化，從而使材料的性質和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2 FGM的特性和分類
2.1 FGM的特殊性能
由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續變化的特點如圖2，因此它能有效地克服傳統復合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統復合材料相比FGM有如下優勢:
1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料，可以大大地提高粘結強度;
2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應力和熱應力;
3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點以及應力自由端點的應力奇異性;
4)用FGM代替傳統的均勻材料涂層，既可以增強連接強度也可以減小裂紋驅動力。
2.2 FGM的分類
根據不同的分類標準FGM有多種分類方式。根據材料的組合方式，FGM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側到另一側呈梯度漸變的結構材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據不同的梯度性質變化分為密度FGM，成分FGM，光學FGM，精細FGM等[4]；根據不同的應用領域有可分為耐熱FGM，生物、化學工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3 FGM的應用
FGM最初是從航天領域發展起來的。隨著FGM 研究的不斷深入，人們發現利用組分、結構、性能梯度的變化，可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM，并可望應用于許多領域。
功 能
應 用 領 域 材 料 組 合
緩和熱應
力功能及
結合功能
航天飛機的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機械部件
耐熱性機械部件
耐蝕性機械部件
加工工具
運動用具:建材 陶瓷 金屬
陶瓷 金屬
塑料 金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石 金屬
碳纖維 金屬 塑料
核功能
原子爐構造材料
核融合爐內壁材料
放射性遮避材料 輕元素 高強度材料
耐熱材料 遮避材料
耐熱材料 遮避材料
生物相溶性
及醫學功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關節
人工內臟器官:人工血管
補助感覺器官
生命科學 磷灰石 氧化鋁
磷灰石 金屬
磷灰石 塑料
異種塑料
硅芯片 塑料
電磁功能
電磁功能 陶瓷過濾器
超聲波振動子
IC
磁盤
磁頭
電磁鐵
長壽命加熱器
超導材料
電磁屏避材料
高密度封裝基板 壓電陶瓷 塑料
壓電陶瓷 塑料
硅 化合物半導體
多層磁性薄膜
金屬 鐵磁體
金屬 鐵磁體
金屬 陶瓷
金屬 超導陶瓷
塑料 導電性材料
陶瓷 陶瓷
光學功能 防反射膜
光纖;透鏡;波選擇器
多色發光元件
玻璃激光 透明材料 玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半導體
稀土類元素 玻璃
能源轉化功能
MHD 發電
電極;池內壁
熱電變換發電
燃料電池
地熱發電
太陽電池 陶瓷 高熔點金屬
金屬 陶瓷
金屬 硅化物
陶瓷 固體電解質
金屬 陶瓷
電池硅、鍺及其化合物
4 FGM的研究
FGM研究內容包括材料設計、材料制備和材料性能評價。
4. 1 FGM設計
FGM設計是一個逆向設計過程[7]。
首先確定材料的最終結構和應用條件，然后從FGM設計數據庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結構，以及制備和評價方法，最后基于上述結構和材料組合選擇，根據假定的組成成份分布函數，計算出體系的溫度分布和熱應力分布。如果調整假定的組成成份分布函數，就有可能計算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應力分布，此時的組成分布函數即最佳設計參數。
FGM設計主要構成要素有三:
1)確定結構形狀，熱—力學邊界條件和成分分布函數;
2)確定各種物性數據和復合材料熱物性參數模型;
3)采用適當的數學—力學計算方法，包括有限元方法計算FGM的應力分布，采用通用的和自行開發的軟件進行計算機輔助設計。
FGM設計的特點是與材料的制備工藝緊密結合，借助于計算機輔助設計系統，得出最優的設計方案。
4. 2 FGM的制備
FGM制備研究的主要目標是通過合適的手段，實現FGM組成成份、微觀結構能夠按設計分布，從而實現FGM的設計性能?？煞譃榉勰┲旅芊?如粉末冶金法(PM) ，自蔓延高溫合成法(SHS) ;涂層法:如等離子噴涂法，激光熔覆法，電沉積法，氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD) 和化學相沉積(CVD) ;形變與馬氏體相變[10、14]。
4. 2. 1 粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設計的梯度成分成形，然后燒結。通過控制和調節原料粉末的粒度分布和燒結收縮的均勻性，可獲得熱應力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高，適用于制造形狀比較簡單的FGM部件，但工藝比較復雜，制備的FGM有一定的孔隙率，尺寸受模具限制[7]。常用的燒結法有常壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結及反應燒結等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設備簡單、易于操作和成本低等優點，但要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進行嚴格控制。國內外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/ Ni 、ZrO2/ W、Al2O3/ ZrO2 [8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7] 。
4. 2. 2 自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagating High-temperature Synthesis 簡稱SHS或Combustion Synthesis)
SHS 法是前蘇聯科學家Merzhanov 等在1967 年研究Ti和B的燃燒反應時，發現的一種合成材料的新技術。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學反應，此后化學反應在自身放熱的支持下，自動持續地蔓延下去， 利用反應熱將粉末燒結成材，最后合成新的化合物。其反應示意圖如圖6所示[16]：
SHS 法具有產物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點。并且適合制造大尺寸和形狀復雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應的材料體系，金屬與陶瓷的發熱量差異大，燒結程度不同，較難控制，因而影響材料的致密度，孔隙率較大，機械強度較低。目前利用SHS 法己制備出Al/ TiB2 ， Cu/ TiB2 、Ni/ TiC[8] 、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4. 2. 3 噴涂法
噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝，適用于形狀復雜的材料和部件的制備。通常，將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內，并在熔化的狀態下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層?？梢酝ㄟ^計算機程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設計所要求的梯度分布函數。這種工藝已經被廣泛地用來制備耐熱合金發動機葉片的熱障涂層上，其成分是部分穩定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4. 2. 3. 1 等離子噴涂法(PS)
PS 法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物，形成等離子體，其溫度高達1 500 K，同時處于高度壓縮狀態，所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流，速度可高達1. 5 km/ s。原料粉末送至等離子射流中，粉末顆粒被加熱熔化，有時還會與等離子體發生復雜的冶金化學反應，隨后被霧化成細小的熔滴，噴射在基底上，快速冷卻固結，形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例，調節等離子射流的溫度及流速，即可調整成分與組織，獲得梯度涂層[8、11]。該法的優點是可以方便的控制粉末成分的組成，沉積效率高，無需燒結，不受基體面積大小的限制，比較容易得到大面積的塊材[10]，但梯度涂層與基體間的結合強度不高，并存在涂層組織不均勻，空洞疏松，表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7] 、NiCrAl/MgO -ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
4.2.3.2 激光熔覆法
激光熔覆法是將預先設計好組分配比的混合粉末A放置在基底B上，然后以高功率的激光入射至A并使之熔化，便會產生用B合金化的A薄涂層，并焊接到B基底表面上，形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比，在上述覆層熔覆的同時注入，在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復以上過程，就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強劑熔覆金屬獲得了梯度多層結構。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數量和厚度，以及熔區的深度來獲得，熔區的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能，但由于激光溫度過高，涂層表面有時會出現裂紋或孔洞，并且陶瓷顆粒與金屬往往發生化學反應[10]。采用此法可制備Ti - Al 、WC -Ni 、Al - SiC 系梯度功能材料[7 ] 。
4.2.3.3 熱噴射沉積[10]
與等離子噴涂有些相關的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化，并噴涂到基底上凝固，因此，建立起一層快速凝固的材料。通過將增強粒子注射到金屬流束中，這種工藝已被推廣到制造復合材料中。陶瓷增強顆粒，典型的如SiC或Al2O3，一般保持固態，混入金屬液滴而被涂覆在基底，形成近致密的復合材料。在噴涂沉積過程中，通過連續地改變增強顆粒的饋送速率，熱噴涂沉積已被推廣產生梯度6061鋁合金/SiC復合材料。可以使用熱等靜壓工序以消除梯度復合材料中的孔隙。
4.2.3.4 電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學方法。該法利用電鍍的原理，將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中，通過注入另一相的懸浮液使之混合，并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度，在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來，最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃，涂層的主要材料為TiO2-Ni， Cu-Ni ，SiC-Cu，Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層，以改變固體材料的表面特性，提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學功能、熱物理性能，該工藝由于對鍍層材料的物理力學性能破壞小、設備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低，精度易控制，生產成本低廉等顯著優點而備受材料研究者的關注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5 氣相沉積法
氣相沉積是利用具有活性的氣態物質在基體表面成膜的技術。通過控制彌散相濃度，在厚度方向上實現組分的梯度化，適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料，但合成速度低，一般不能制備出大厚度的梯度膜，與基體結合強度低、設備比較復雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機理的不同分為物理氣相沉積(PVD) 和化學氣相沉積(CVD) 兩類。
化學氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質源輸送到反應器中進行均勻混合，在熱基板上發生化學反應并使反映產物沉積在基板上。通過控制反應氣體的壓力、組成及反應溫度，精確地控制材料的組成、結構和形態，并能使其組成、結構和形態從一種組分到另一種組分連續變化，可得到按設計要求的FGM。另外，該法無須燒結即可制備出致密而性能優異的FGM，因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應物的形成；氣相反應物傳輸到沉積區域；固體產物從氣相中沉積與襯底[12]。
物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質，使其蒸發為氣相，然后沉積于基材上，形成約100μm 厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD 法的特點是沉積溫度低，對基體熱影響小，但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/ TiN、Ti/ TiC、Cr/ CrN 系的FGM [7~8、10~11]
4. 2. 4 形變與馬氏體相變[8]
通過伴隨的應變變化，馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個附加的被稱作“相變塑性”的變形機制。借助這種機制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應力和變形量的增加而增加。因此，在合適的溫度范圍內，可以通過施加應變(或等價應力) 梯度，在這種材料中產生應力誘發馬氏體體積分數梯度。這一方法在順磁奧氏體18 -8 不銹鋼(Fe -18% ，Cr -8 %Ni) 試樣內部獲得了鐵磁馬氏體α體積分數的連續變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍，但能提供一個簡單的方法，可以一步生產含有飽和磁化強度連續變化的材料，這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應用前景。
4. 3 FGM的特性評價
功能梯度材料的特征評價是為了進一步優化成分設計，為成分設計數據庫提供實驗數據，目前已開發出局部熱應力試驗評價、熱屏蔽性能評價和熱性能測定、機械強度測定等四個方面。這些評價技術還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等基礎性的工作上[7]。目前，對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機械性能進行評價[8]。目前，日本、美國正致力于建立統一的標準特征評價體系[7~8]。
5 FGM的研究發展方向
5.1 存在的問題
作為一種新型功能材料，梯度功能材料范圍廣泛，性能特殊，用途各異。尚存在一些問題需要進一步的研究和解決，主要表現在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設計的數據庫（包括材料體系、物性參數、材料制備和性能評價等）還需要補充、收集、歸納、整理和完善；
2）尚需要進一步研究和探索統一的、準確的材料物理性質模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結構以及制備條件的定量關系，為準確、可靠地預測梯度材料物理性能奠定基礎；
3）隨著梯度材料除熱應力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設計體系，為梯度材料在多方面研究和應用開辟道路；
4）尚需完善連續介質理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結構模型，并借助計算機模擬對材料性能進行理論預測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結構簡單，還不具有較多的實用價值;
6)成本高。
5.2 FGM制備技術總的研究趨勢[13、15、19-20]
1）開發的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術；
2）開發大尺寸和復雜形狀的FGM制備技術；
3）開發更精確控制梯度組成的制備技術（高性能材料復合技術）；
4）深入研究各種先進的制備工藝機理，特別是其中的光、電、磁特性。
5.3 對FGM的性能評價進行研究[2、13]
有必要從以下5個方面進行研究：
1）熱穩定性，即在溫度梯度下成分分布隨 時間變化關系問題；
2）熱絕緣性能；
3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；
4）抗極端環境變化能力；
5）其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學性能和磁學性能等
6 結束語
FGM 的出現標志著現代材料的設計思想進入了高性能新型材料的開發階段[8]。FGM的研究和開發應用已成為當前材料科學的前沿課題。目前正在向多學科交叉，多產業結合，國際化合作的方向發展。
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功能材料范文3
文章從生態文明觀念培養、航空特色建設、課堂創新和考核創新四個方面探討了南昌航空大學材料化學專業功能材料課程的改革。
[關鍵詞]
生態文明；航空特色；創新；改革
功能材料是具有特殊電、磁、光、聲、熱、化學以及生物功能的新型材料，其種類繁多、性能各異，既是能源、計算機、通訊、電子等現代科學技術研究的基礎，又對眾多不同領域的科技進步、社會發展產生著越來越大的影響，據報導，在全球新材料研究領域中，功能材料約占85%，近二十年來已成為材料科學領域中的研究熱點之一。鑒于功能材料的重要地位作用，功能材料作為材料科學的一個分支，其理論與實驗教學也日益受到人們的重視，各高校材料科學及與材料相關的專業都把功能材料作為專業課程來開設，有關功能材料的專著和教材逐年增多[1,2]。功能材料作為一門學科，具有多學科交叉，涉及面廣，內容繁雜，既理論性強，又與實際應用密切結合的特征。作為一門課程，相對專業基礎課而言，課程的理論教學時數少。目前出版的教材其體例內容各不相同，各校教學大綱也各異。對于功能材料課程的改革也各有說法[3-5]。因此，本文試圖從南昌航空大學航空特色出發，結合課程所在學院的環境科學工程背景，在生態文明和綠色化學思維下，來探討南昌航空大學材料化學專業功能材料課程的改革。
1生態文明思想觀念的培養與加強
十報告把生態文明建設與經濟建設、政治建設、文化建設、社會建設并列提出，把生態文明建設提高到前所未有的地位。是因為，人類自從進入工業文明以來，在創造輝煌的物質文明、精神文明的同時，也帶來了難以承受的環境污染、資源危機和生態災難，于致以發展不能持續，民生不能有效改善，人類的生存遇到了前所未有的挑戰。生態文明是工業文明發展到一定階段的產物，是超越工業文明的新型文明境界，是正在積極推動、逐步形成的一種社會形態，是人類社會文明的高級形態。以生態文明取代工業文明成為人類歷史發展的必然，這是全人類智慧的結晶，也是可持續發展、克服人類生存危機的明智之舉。生態文明作為人類文明的基礎，延續了人類社會原始文明、農耕文明、工業文明的歷史血脈，承載了物質文明、精神文明、政治文明的建設成果，貫穿在經濟建設、政治建設、文化建設、社會建設的各方面和全過程，建設生態文明，是關系人民福祉、關乎民族未來的長遠大計。材料是推動人類文明和社會進步的物質基礎，與能源、信息并列為現代高新科技發展的三大支柱之一。隨著社會的進步和科學技術的發展，高質量、高性能的新材料日新月異層出不窮。但，材料產業及其相關產業和行業是資源、能源的主要消耗者，又是造成地球環境問題的主要責任者。因此，盡管我校材料化學專業為學生開設了環境材料和綠色化學兩門課，但筆者認為，在功能材料課程的教學大綱、教學目的、教學內容及教學過程中，也一定要貫徹生態文明建設的思想觀點，進一步培養學生生態文明意識。讓學生加深認識材料在帶給人類物質文明的同時，其生產、消費過程中，也消耗了能源與資源，排放了大量的廢棄物，造成大氣、水體和土壤污染，危害人類身體健康。學會在尋找新的功能材料時，運用綠色化學原理和環境生態材料知識，合成制備對環境影響小而又能滿足使用性能的新型功能材料——功能環境材料。如在講授半導體材料這章，用直拉法制備GaAs單晶時，可以與用同樣的直拉法制備Si單晶方法對比，提出：為什么直拉法制備GaAs單晶需在密閉液封的條件下？讓學生思考。
2航空特色的建設
南昌航空大學是一所航空特色鮮明的學校，航空材料的教學研究與開發應用，更是其航空特色的體現。航空材料，在人們的習慣思維中，更多的是那些結構力學材料；但隨著科學的發展，社會的進步，特別是知識經濟、信息化時代的到來，智能一體化，功能材料在航空材料所占地位越來越重要，比例越來越高。因此，作為航空院校開設的功能材料課程，更應體現其航空特色，在教學目的上注意培養學生的國防航空意識；在教學內容、教學過程中結合航空產品說明功能材料在其中的應用。如，殲-20、F-35中的隱身材料，無人機中的電子元件所用的半導體材料，導彈制導用的紅外或激光材料，等等。這樣，不但會激發學生的求知欲，學生的學習興趣也會大大提高，從而促進教學效果的明顯改善。
3課堂創新
隨著計算機技術、網絡技術的發展，多媒體教學、網絡教學蓬勃興起，傳統課堂教學模式受到了極大的沖擊。近年在《教育部、財政部關于“十二五”期間實施“高等學校本科教學質量與教學改革工程”的意見》等文件的推動下，創新課堂與課堂創新的課堂教學改革，蔚然成風。各種教學方式方法層出不窮，如，PBL教學法、案例教學法、慕課(MOOC)、微課(Microlecture)、顛倒課堂法(TheFlippedClassroom)，等等。文本、圖片、音頻、視頻、動畫等媒體在課堂教學中廣泛應用。因此，針對功能材料課程的具體授課目標、授課內容和授課對象，應會善于根據授課條件選取不同的教學方法和教學媒體。尤其是作為高年級開設的功能材料課程，更應該注意研究性或探究性教學法、文獻學習法的運用，于以提高學生科研創新能力。同時，也可從日常生活用品出發，來講解教學內容。比如，手機、計算機、電視機這些同學日常使用的產品，運用了大量的功能材料，如，液晶材料、發光材料、半導體材料、導電材料，等等。讓學生感到功能材料就在身邊，與日常生活密切相關，從而激發學生的學習興趣。
4創新考核方式
課程成績考核一般分為兩個部分，一部分是平時成績，另一部分是課程結束時的考試成績。傳統的做法是，平時成績一般由出勤率、課堂提問和平時作業構成。課程結束時的考試成績，也一般由任課教師根據所教內容命題試卷讓學生做答，教師依據學生答卷情況給以評定成績。在這種課程考核體系下，學生的學習往往處于被動狀態，無法真正提高學生學習主動性。因此，為充分調動學生學習的自主性和積極性，培養學生的創新思維和自主學習能力，保證教學質量的有效性和高效性，必須優化課程考核體系，改革成績評定方式。加大平時考核力度，提高平時成績在總成績中的比例，平時除了老師考核學生的作業、課堂問答、出勤率外，還可進行研究性教學，讓學生自己評分。如，根據學生興趣、課程教學的內容，讓學生分成若干小組，選擇不同的專題，通過共同查閱文獻資料，寫成3500字左右的研究性綜述，內容涉及材料的性能、分類、組成、制備、用途、應用和未來的發展方向，等等。最后，從每個小組挑選一位代表以PowerPoint形式在課堂上作報告，各小組之間可以互相提問，相互評分，并按一定的比例計入平時成績。這既可以鍛煉學生查閱文獻的能力、分析問題的能力、解決問題的能力，又可提高學生的寫作能力和口頭語言表達能力，還可使學生感到一定的成就感。從而更加全面、科學、準確地反映學生學習情況。
5結語
以上從生態文明觀念培養、航空特色建設、課堂創新和考核創新，四個方面探討了南昌航空大學材料化學專業功能材料課程的改革，其目的是為提高人才培養質量。而課程教學改革不僅僅是以上四個方面，牽涉到教師更多的付出和學生的密切配合，還有學校資源的配置，社會大環境的影響，等等。唯如此，課程教學改革方能成功。
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功能材料范文4
[關鍵詞]納米功能材料 體積效應 碳納米管 磁損耗
中圖分類號：TQ323.6 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）34-0346-01
一、納米功能材料的定義
納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（1～100nm）或由它們作為基本單元構成的材料。正是由于基本組成單位尺度小，納米材料具有很多其他普通尺度的材料所不具備的效應，具體包括體積效應、表面效應、介電限域、量子尺寸、量子隧道等，其中最值得注意的是體積效應和介電限域。體積效應是指納米粒子足夠小時，納米材料的催化性、熱阻、內壓、光吸收性都發生了很大變化，應用這個特性制成的納米吸波涂料具有質量輕、厚度薄、吸波頻帶寬等優點。而介電效應是指納米材料處于一定的介質包圍之中時，由于不同材料對光的折射率不同，納米表面及其附近的場強增大，這種效應廣泛應用于多相反應中光催化材料。正是這些獨特的效應使得納米材料在傳統材料、電子設備、醫療器材、機械制造、軍工等領域有著巨大的應用前景。
二、納米功能材料在隱身物質研究領域的應用
目前研究較深的納米材料主要是在信息儲存、生物標記、攝影技術等領域有廣泛應用前景的金屬納米粒子研究，以及可應用在在催化劑、抗菌劑、添加劑等領域的cu納米材料。
目前已經實際應用的隱身材料主要包括電損耗型和磁損耗型，主要原理都是將電信號或磁信號轉變為熱能或相關能量形式，以降低物體的反射信號強度從而實現隱身。納米隱身材料工作原理大多屬于磁損耗型，微觀機理是隨著材料微觀尺度減小，表面原子數相對越來越多使得材料活性增強，微觀粒子加速運動的過程中將磁能轉變為熱能，減少信號反射[1]。
目前隱身材料發展方向主要是
（一）寬頻化：所謂寬頻化是指拓寬納米隱身材料所能吸收雷達探測信號的波段更長。隨著隱身技術的不斷進步，軍事領域開始使用多重頻率雷達協同探測的方法進行對抗，特別是米波段和毫米波段雷達的發展對軍用飛行器隱身技術提出了極大考驗。目前只能吸收少數幾種波段的隱身材料已經不能滿足現實要求，研究制備寬頻帶隱身的納米稀薄隱身材料至關重要[2]。
（二）輕薄化：通過改造現有納米隱身材料的微觀結構，在降低材料密度的同時提高隱身性能已經成為隱身材料研究的重點課題。具體方法是將一些特定鐵磁性材料與納米材料混合以調節電磁參數達到最優效果。
三、在醫學領域應用
癌癥作為當今年人類健康的一個巨大挑戰，難以根治的主要原因在于癌細胞與正常細胞混雜難以選擇性的消除，而納米粒子包裹的智能藥物可以主動探測癌細胞并進行定點消除，特別是磁性納米材料作為藥物載體時[3]，利用人體特殊的磁場使得藥物在特定區域聚集并發揮作用，極大降低了使用藥物的風險，此外還可以利用部分納米材料的生物降解特性減少藥物副作用，以及利用接種了抗原或抗體的納米載體進行探測。
隨著人類操縱納米材料能力的提高，納米機器人得到了長足發展。以搭建納米機器人所用基礎材料的尺度來劃分，目前納米機器人主要包括兩類：一類是在分子尺度上通過操縱原子或分子構建機械甚至有特定功能的機器人以達到吞噬病變細胞的目的；另一類是以硅晶片存儲器為代表的生物系統和機械系統的有機結合體，通過影響或改變人體正常生理代謝進程達到治愈疾病的目的。
四、在化工領域應用
由于納米材料尺度極小，具備獨特的電、磁、光特性，自80年代初期以來，科研工作者利用納米功能材料體積效應、量子尺寸、表面效應等在化工領域取得了許多重大研究成果。
傳統的催化劑催化效率低、環境污染嚴重，新興納米材料制成的催化劑通過優化反應路徑、提高催化效率實現了化工行業革命性的變革。其基本原理是利用納米材料尺度極小表面粒子相對較多，因此表面活性極大，為分子之間聚合、斷鏈提供了大量的場所[4]。以Ni或Cu一Zn化合物的納米顆粒為例，這些催化劑替代了昂貴的鉑或鈕催化劑，納米鉑黑催化劑可使乙烯的氧化反應溫度從600℃降至室溫。
以碳納米管為增強材料[5]可以制成貯氫材料等多種復合材料。目前已經可以通過20V直流電在兩個石墨電極之間產生電弧，使陽極在4000K-10000K溫度下不斷蒸發消耗引起電弧噴射得到納米顆粒，其中30%為長3-10nm，直徑1-5nm的碳納米管顆粒。美國西南納米技術公司與大陸菲利普斯公司合作，實現了通過硫化床反應器工藝制造多壁碳納米管和單壁碳納米管。
五、我國在納米功能材料領域研究現狀
納米材料自20世紀80年代正式問世以來，基礎理論研究與實際產品開發均取得重大進展，以1997-2004年為例，世界范圍內對納米材料相關科學研究投資從8.2億增長到32億，通過對其體積效應、表面效應、介電限域等特性的開發，納米材料已經在化工制造、軍用航天器隱身、醫藥與生物等領域得到廣泛應用，納米碳酸鈣、納米氧化硅、納米氧化鋅等都已經形成比較大的市場規模[1]。中國通過集中科研力量以及各領軍企業加大投資力度，實現了納米產業飛速發展，目前基于原料價格低廉與市場需求旺盛等原因，納米碳酸鈣、納米氧化鋅等均已形成產業集群甚至完整的產業鏈。但也同時面臨以下幾個問題：一是納米材料研究投資需求大，民營性質中小企業科研力量弱、資金實力普遍不強，亟須國家層面支持。二是科研力量分散，重復勞動明顯，未形成集中有序的科研梯隊，缺少大型科研基地。三是產學研結合能力不足，納米材料研究到納米材料實際應用對接能力較弱，限制了納米功能材料研究特別是高純度高指標納米材料研發的資金來源。
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功能材料范文5
關鍵詞：建筑功能材料；教學方法
中圖分類號：G712 文獻標識碼：A
文章編號：1009-0118（2012）07-0095-02
《建筑功能材料》是無機非金屬材料工程專業(土木工程材料方向)的一門專業選修課，具有綜合性和實踐性的特點，主要培養學生了解與掌握建筑功能材料的基本功能、分類、組成、結構與性能，并能通過所學知識掌握組成、結構及性能三者之間的關系，并熟悉常見功能材料的規格與規范、選用原則、檢測方法和工程應用方法等，從而可以在某一工程實例當中正確選擇合適的建筑功能材料進行選用和檢測，能熟練將知識運用到實際工程中。筆者根據近幾年在建筑功能材料教學中的教學實踐，發現以工程實踐為主線的教學組織方法，可以激發同學們的學習積極性，提高學生對專業知識點的掌握程度。
一、建筑功能材料的課程特點
（一）課程各知識點既獨立又密切聯系
《建筑功能材料》是工程材料重要的一個分支，其包含的內容龐雜，需講授有關常見的功能材料的生產、技術性能與技術指標，檢驗方法，應用及其施工要點等基本內容。從功能性方面可分為建筑保溫隔熱材料、建筑防水材料、建筑防護材料、建筑防火材料、建筑聲學材料、建筑裝飾材料及功能混凝土等方面的內容，這些材料之間沒有必然的邏輯關系，它們是相互獨立的知識體系，但是在某些性能和技術指標上又存有一定的共性，尤其是在工程應用上更是一個系統的統一體，相輔相成，相互結合的工程類材料。
（二）與先修課程聯系緊密且知識綜合性強
建筑功能材料與先修課程《土木工程材料》、《建筑結構材料》、《無機非金屬材料學》等聯系緊密。比如:功能混凝土就是土木工程材料中“混凝土”課程內容的深化，更加注重其功能性。學生如果對土木工程材料的知識掌握不牢固，或者理解不深入，那么在學習功能混凝土工程知識的時候，要么不知所云，要么就一知半解，這嚴重影響了學生對該課程的知識掌握。另一方面，材料也不是單純和理論的，任何工程的建筑和工程現象都和建筑功能材料有著決定性聯系［1］。
（三）理論性強，新材料層出不窮
建筑功能材料領域的更新是從設計到施工等整個工程領域更新的源泉。新材料、新的檢測技術以及新的施工工藝層出不窮［2-3］。在教學內容上，不僅要注意傳統的技術和理論的教學，更需補充講授一些新材料和新技術、新方法等內容。
二、建筑功能材料課堂教學
（一）備課
功能材料范文6
關鍵詞：建筑行業；鋼材結構；技術材料；應用綜述
新技隨著時代的發展，建筑行業也得到了空前的發展機會，目前，在各類建筑的建設過程中，鋼結構的應用也變得越來越廣泛。由于我國在建筑行業中使用鋼結構的時間相對較晚，因此，，在對工程建筑進行建設時，鋼結構新技術以及各類新型材料的應用還有待完善。
Abstract: with the continuous development of construction industry, construction technology and construction of all kinds of new materials have been widely applied to construction project construction process. Because the steel structure has good ductility, light weight and high strength, the characteristics of it, both at home and abroad of all kinds of building construction has been widely used in the process. This article will base on our country's economic construction and development, from the fire protection materials, anti-corrosion materials, insulation materials, heat preservation, membrane material, thin plate, hot rolled section steel and steel material this several aspects to building steel structure material of new technology application are simple.
Key words: construction industry; Steel structure; Technical materials; Application review.
中圖分類號：TU391文獻標識碼：A文章編號：2095-2104(2013)
一、關于鋼結構的概述
(一)鋼結構的主要優點
1、施工周期短
一般情況下，建筑所用的鋼結構都是在工廠就生產好了的，在施工的過程中，可以對其進行現場安裝，這就在一定程度上大大縮短了工程的施工工期。
2、空間大
由于鋼材的抗側彎強度以及抗壓強度是砼的1.5倍左右，所以，在同等強度條件下，鋼結構施工具有增大有效的施工空間、縮小截面的優點。
3、可循環利用
在對鋼結構的建筑物進行施工時，其施工材料可以回收再利用，這與其它的建筑物結構相比，建筑垃圾相對較少也是其主要優點之一。
（二）鋼結構的主要缺點
1、耐火性差
由于鋼材的導熱系數明顯大于鋼筋砼導熱系數，此外，它的耐火性也遠低于混凝土的耐火性。一般情況下，當溫度達到600℃時，鋼結構的強度以及剛度就基本消失。因此，在對鋼結構建筑進行設計時，一定要注意抗火環節的設計。
2、耐腐蝕性相對較差
在一定條件下，鋼材表面的鐵原子在與空氣中的氧氣接觸時，會發生氧化反應而生成鐵銹。當鋼結構出現銹蝕時，鋼結構的應力就會集中在一起，對結構的安全使用造成一定的隱患。鋼結構建筑一旦出現此種情況，就會減少建筑結構的使用壽命，由此可見，為了確保鋼結構建筑的實際壽命能夠達到設計的使用年限，就必須對其進行相應的處理。
二、隔熱、保溫材料
在建筑行業飛速發展的今天，人們對于各類建筑的節能要求也變得越來越高，從相關的資料可以看出，保溫并不是困擾建筑行業的的主要問題，不過人們對于保溫建筑仍然存在各種各樣的爭議。目前，解決建筑物保溫問題的首要條件就是保溫材料的選擇。一般情況下，保溫建筑是通過保溫介質來對空氣進行截流的，以此來達到減緩熱傳遞的目的。不同種類的保溫材料其最大的差別就是怎樣達到保溫的作用。保溫材料的類型以及厚度對保溫建筑的保溫功能有著至關重要的影響。
在此，不得不提到保溫建筑的泠凝現象，所謂的泠凝現象就是指當熱空氣遇到冷表面或冷卻時，空氣中原有的水汽就會減少，從而形成泠凝的現象。當保溫建筑出現泠凝現象時，金屬結構表面就會出現霉斑或腐蝕的情況，最終使得建筑物的面層被損壞，并讓保溫建筑喪失其相應的保溫性能。當前解決此類問題的主要方法就是在保溫建筑的保暖面安裝一層防水汽的貼面，以此來達到緩解水汽運動速度的目的，尤其是對于那些潮氣散發以及潮濕地區的房屋，這種處理方式有著十分重要的作用。
三、鋼結構的焊接技術以及應用前景
（一）鋼結構焊接過程中的基本要求
在對建筑鋼結構進行焊接之前，一定要對相關的焊接設備進行嚴格的檢查，確保焊接過程中所需的工具儀表齊全，所有設備均能正常工作。對于那些外觀要求相對較嚴的鋼結構，務必要確保焊接縫外觀的質量達到相關的要求，在焊接的過程中，如有必要還必須對焊接縫進行及時的修磨處理。特別是對于圓管Y、K、T形節點、螺栓球節點處的網架焊縫以及普通焊接球處的網架焊縫，此類焊接縫的探傷方式以及內部缺陷的分級都必須要符合我國的相關焊縫標準。
在對鋼結構建筑進行焊接的過程中，不同鋼材料所對應的焊條也不同，因此，對于焊接所需的材料必須要進行嚴格的篩選。例如，對于Q235的鋼材，其焊條最好選用E4303，而對于Q345的鋼材，其焊條最好選用E5015。在對鋼結構的坡口尺寸、板厚、材質，其軋制方向必須與它所代表桿件必須一致，同時還必須在與首件一同焊接。如果遇到不能在桿件進行焊接時，就必須根據母材料的抗拉強度等級來選擇相應的焊條。在對強度較高的鋼材料進行焊接的過程中，由于母材料的融入關系，焊縫所需金屬的實際抗拉強度通常要比焊條的名義強度高出許多倍，因此，在對此類結構進行焊接的過程中，最好選用抗拉強度相對較低的焊條來對其進行焊接，以此來確保焊縫金屬的實際強度與母材料的強度一致。
在對鋼結構的焊接次序進行考慮時，由于不同焊接部位的間隙不同，因此，在對其進行焊接的過程中，最好遵循由小到大的焊接原則，只有如此才能確保鋼結構在完成焊接工作后不會出現變形等情況。對于需要進行多層焊接的鋼結構，在完成每層的焊接工序后還必須對焊接部位的缺陷以及熔渣清理干凈，當處理好該層的缺陷以及裂紋后方可進行下一層的焊接。
（二）鋼結構焊接過程中的施工質量標準
對于鋼結構的建筑而言，其建成后的受力情況與焊接縫的焊接質量有著密不可分的內在聯系，因此，在完成鋼結構的相關焊接工作后，務必要對其質量進行嚴格的判定。在對鋼結構建筑的施工質量進行判定的過程中，主要包含了以下幾個方面的內容。
1、施工單位在對鋼結構工程進行判定的過程中，最好是從工程的焊接方法、焊接材料以及初次使用的鋼材等方面來對其焊接工藝進行評定，并根據相應的評定結果來對結構的最終焊接工藝進行確定。
2、在完成鋼結構的焊接后，在其焊接表面不能出現焊瘤、裂紋等缺陷，一、二級焊縫處不能有弧坑裂紋、夾渣以及表面氣孔等缺陷出現，特別是對于焊接縫，一定不能出現未焊滿以及咬邊等缺陷。大量的實踐經驗表明，在對鋼結構進行焊接的過程中，其焊接縫的外觀必須要均勻、平緩，對于焊接縫處的焊渣一定要清理干凈。
3、在完成焊接縫的相關焊接工作后，可以使用鋼尺、放大鏡以及觀察檢查的方式來對二、三級焊接縫進行檢查，以此來確保焊接完成后的鋼結構外觀能夠符合相關的要求。
（三）鋼結構在不同情況下的焊接技術
1、定位焊
由于鋼結構建筑的一個節點通常包含了多個構件，因此，在對鋼結構進行焊接的過程中，一般都會采用定位焊接的方式。在實際的焊接施工過程中，定位焊接所需的焊接原材料必須要與鋼結構原材料的材質相匹配，焊接縫最終的焊接質量必須達到相應的要求。此外，從事焊接工作的技術人員還必須持有相應的焊工施焊合格證。
2、返修焊與磨修
在對鋼結構建筑進行焊接的過程中，當結構的余高、焊坡以及焊角尺寸等低于或小于1毫米，且咬邊出現超差時，就必須將其修磨均勻。在焊接施工的過程中，可以使用碳弧氣刨等一系列的方法來對焊接處的缺陷進行清除，并用砂輪將焊接坡口表面的氧化層磨掉，使其露出金屬的光澤。
（四）鋼結構的應用前景
在對鋼結構進行焊接的過程中，由于鋼材的熱處理方式的不同以及強度級別均存在較大的差異，它主要體現在焊接工藝、焊接過程中的熱影響區性能、預熱溫度等方面。目前，常見的鋼結構建筑主要有專業化的建筑用鋼以及強度較高的建筑鋼結構，不過在一些開發配套的鋼結構建筑中，就必須要用到相應的焊接材料。為了對建筑鋼結構的焊接技術進行有效地提升，最好是在鋼結構的生產線中引進一些先進的生產設備，以此來開發出質量更優的鋼結構產品。
四、防腐蝕以及防銹材料
(一)使用防腐蝕以及防銹材料時的相關要求
上文已經講到，鋼結構的主要缺點就是耐腐蝕性相對較差。通常情況下，新建的鋼結構建筑在一段時間之后必須要重新涂刷涂料，這就使得鋼結構建筑的維修費用普遍較高。當前，解決鋼結構建筑腐蝕問題的主要方法有以下兩種，一種是選用不易腐蝕的鋼材來作為鋼結構的原材料；另一種是在鋼結構表面噴灑一層防銹涂料。對于鋼結構表面所用的防腐蝕材料以及防銹材料的選擇，應以我國的相關的法律法規以及建筑行業的相關規定為標準。
（二）使用防腐蝕以及防銹材料時的注意事項
在對保溫建筑進行設計時，一定要將預期耐蝕壽命、使用情況、涂裝方法、涂層厚度、涂層結構、表面除銹等級、基材種類等方面的因素均在設計方案中體現出來，并提出相應的涂裝要求以及除銹方法。對于輕型鋼結構，在其出現銹斑以及圖層分化時，就必須對其做出相應的維護，而不是等到鋼結構出現大量的涂層脫落時才對其進行維護。這樣做不僅可以減少處理鋼結構表面時的工作量，而且還可以在節約維修成本的前提下，確保鋼結構建筑的維修質量。此外，在對鋼結構建筑進行維修時，選用的涂層材料必須與鋼結構表面原有的涂料品種相同，確保涂料的相互配套。
（三）處理鋼結構表面時的方法
在對保溫建筑的鋼結構表面進行處理時，其主要的方法有激光除銹、控制射流真空除銹、表面合金、電鍍、熱浸鍍、化學轉化膜、噴砂(丸)除銹、酸洗除銹、滾動鋼絲輪除銹以及手工工具除銹等。由于鋼結構的腐蝕問題較為嚴重，因此，在保溫建筑行業的發展過程中，急需研發出一種價廉、質輕、高效的耐腐蝕、耐銹的新型材料或涂料來滿足建筑行業的快速發展對于鋼結構所提出的各類新型要求。
五、防火材料的應用
由于鋼結構的防火性相對較差，因此在各類火災事故中，沒有進行過防護處理的鋼結構通常只能維持20分鐘左右。在震驚世界的“9.11”事件中，世貿大廈的倒塌就充分說明了鋼結構建筑的耐火性較差的這一特性。
目前，對于鋼結構建筑的防火方法主要有以下兩種，一種是在鋼結構的外層涂上一層混凝土或其它的一些防火材料，另一種方法就是在鋼結構表面涂上一層防火涂料。這也是鋼結構建筑的造價相對較高的主要原因之一，同時，這種情況的出現還在一定程度上阻礙了鋼結構建筑行業的發展。對于鋼結構的防火處理一定要嚴格執行我國《建筑設計防火》中的相關要求，對于鋼結構表面的防火涂層的設計一定要遵循建筑物的防火等級以及各種構件的耐火極限來對其防火處理進行科學合理的設計。用于鋼結構建筑防火處理的涂料，其質量要求、涂層厚度以及涂料的性能都必須達到我國《鋼結構防火涂料應用技術規范》以及《鋼結構防火涂料通用技術條件》中的相關要求。
六、結束語
隨著鋼結構在各類建筑建設過程中的廣泛應用，近年來各地紛紛出現了一些專門負責鋼結構研究以及設計的研究所，它們的主要工作就是對鋼結構建筑進行咨詢以及設計。這些研究所在發展的過程中，出現了一大批優秀的鋼結構建筑的設計方案，它們在建筑行業的發展過程中留下了光輝的一筆。例如各類文化公共建筑、體育場館、火車站、候機樓、高層辦公樓等建筑物，它們不僅具有較高的安全性，同時還具有較強的現代感，同時還在一定程度上反映出了古老的中國文化。我國在加入WTO之后，鋼結構建筑得到了更為廣闊的發展空間，在此過程中，它對于新型材料也提出了更高的要求，為了滿足鋼結構建筑的發展需求，就必須根據鋼結構建筑的特點，制定出相應的材料使用以及設計方案。
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