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能源化學工程導論范文1
武漢科技大學化學工程與工藝專業始建于1958年,原名為“煉焦化學專業”,1985年改為“煤化工專業”。1992年,按“煤化工”“、城市燃氣”和“炭素材料”三個專業分別招收新生。1996年,隨著教育部大學本科專業目錄的調整,“煤化工”“、城市燃氣”和“炭素材料”三個專業歸并為“化學工程與工藝”專業。盡管名稱幾經變化,但始終堅持煤化工培養方向和煤焦化的特色。其原因主要是由于武漢科技大學的前身“武漢鋼鐵學院”和“武漢冶金科技大學”原來隸屬于冶金工業部,畢業生主要面向鋼鐵冶金系統;培養目標針對性、學生的工程意識和實踐能力較強,受到鋼鐵冶金行業焦化企業、科研院所的認可。目前,武漢科技大學化學工程與工藝專業為國家級特色專業,擁有化學工程與技術一級博士點和化學工程與技術博士后科研流動站。經過幾代人的辛勤努力,學校化學工程與工藝專業的教學和科學研究規模及水平均有了顯著的提高。在化工專業“寬口徑”培養模式下,堅持煤化工方向特色有著重要的現實意義。首先,中國是以煤為主要能源的國家,在一次能源中,煤炭占70%左右,在較長的時期內這一能源結構不會改變[4]。大力發展煤化工產業,推廣潔凈煤技術,保證國家的能源安全,是中國的一項基本能源政策。其次,煤焦化是煤化工中技術最成熟、應用最廣泛的一種煤炭綜合利用方法。至少在50年內,采用高爐,利用焦炭作為煉鐵的主要燃料、還原劑和料柱支撐體的技術仍將是鋼鐵冶金的主流技術。再次,“節能減排”是中國的重要戰略任務,也是全世界面對的主要挑戰。面對以煤煙型污染為主和焦化行業普遍污染嚴重的現實,從煤炭利用源頭減少污染是實現“節能減排”的必由之路。最后,煤化工(包括焦化)行業涉及到中國能源供應和安全、鋼鐵行業的生存和發展以及節能減排的實現,當前以致今后相當長的時期仍是中國國民經濟的主戰場。因此,武漢科技大學的“化學工程與工藝”專業堅持煤化工方向特色是非常必要的;理順兩者的關系,既具有理論意義,也具有實際價值。
二、特色專業建設的基本原則
進行具有煤化工特色的化學工程與工藝專業建設,是優化專業學科結構,推進教學改革,加強內涵建設,提高人才培養質量,提升專業競爭力的重要舉措。這不但有利于促進學校教學基本建設,進一步改善辦學條件,鞏固辦學特色,而且有利于提高辦學實力,更好地適應以煤化工為主的經濟社會發展的需要[5-6]。
(一)市場導向
目前,中國大學生就業已完全走向市場,學生和用人單位之間進行“雙向選擇”,大學畢業生的一次就業率已經成為評價一所大學教學質量和綜合競爭力的主要指標之一。要提高就業率,就必須瞄準市場對人才的需求,特色專業建設也必須以市場為導向,培養市場需要的專業人才。
(二)自主創新
特色專業建設是中國高等教育教學改革的一項新內容,本身具有探索性、創新性,加之各校各專業都要根據內外部條件形成自己的特色,更無先例可循。因此,特色專業建設要在教育觀念、人才培養目標、人才培養模式、課程體系改革和評價標準等方面堅持創新。
(三)錯位發展
特色專業建設要在市場導向的基礎上,根據現有的辦學條件、科研成果和發展潛能,集中力量,凸現特色;堅持有所為有所不為,采取“人無我有,人有我優,人優我新”的差異化策略,實現“錯位發展”,避免正面競爭。
(四)相對穩定
特色專業建設是一項系統工程,是一個不斷建設、不斷積累、不斷完善的過程,其特色的形成應該具有相對的穩定性。同時,要適應內外部環境的變化,具有一定的前瞻性,能夠體現現代科學技術發展的趨勢和未來社會和市場的需求變化。
三、主要措施
(一)更新教育觀念
辦學理念和專業建設觀念是特色專業建設的指導思想,決定著特色專業建設的方向、進程和績效。特色專業建設是一項涉及專業建設多方面創新和變革的教學改革活動,必須首先在專業建設和教學理念上實現突破,更新傳統的教學觀念以適應時代和社會發展的需要。為此,化學工程與技術學院針對“寬口徑”的教育觀念進行了多次研討,并邀請、走訪用人單位,進行深入地調研,逐步樹立了化學工程與工藝專業在“寬口徑”培養模式下堅持煤化工特色教學的觀念。
(二)加強師資隊伍建設
師資隊伍建設是特色專業建設的根本保證。特色專業需要配備有學科特色的師資隊伍,其教學和科研方向專長必須和專業特色的培育相匹配。化學工程與工藝專業的專業課教師多數既是理論知識的傳播者和研究者,又是專業工程的實踐者。他們多數在武漢科技大學設計研究院從事煤焦化設計研究工作,有著豐富的實踐經驗。近年來,隨著學校跨越式發展,新引進了一批優秀的青年教師。這些青年教師多數沒有煤焦化專業的知識背景,為此,安排新教師隨班學習煤焦化方面的課程,而后安排到焦化廠進行3個月現場學習,并在學校設計院教師指導下完成焦化的工程設計,經教研室組織考核合格后方可上崗。
(三)創新課程體系
特色專業建設必須目標明確,在保持專業目標的基礎上突出體現特色目標;在人才培養規格上要有明顯特色,同時制定科學合理的人才培養方案。課程體系是高等院校實現人才培養目標和基本規格要求的總體設計藍圖,設置合理、科學、超前、前后呼應的課程體系是特色專業建設的基礎和關鍵。應廣泛吸收國內外先進的教育理念和教學經驗,整合教學改革成果,優化課程教學內容,不斷豐富課程內涵,努力構建適應經濟社會發展需要、反映時代特征、具有學校特色的化學工程與工藝本科專業課程體系。依據學校的學科特點,在培養“通才”的基礎上,構建了“焦化特色模塊”、“精細化工模塊”等專業方向課程。同時,將煤化學課程列入專業基礎必修課,從而保證學生具備煤化工的知識背景。新的課程體系充分體現了“提升內涵、強化特色”的教學指導思想。
(四)改革實踐教學環節
特色專業建設過程中,要高度重視校內外實習、實驗、實訓基地建設,為培養學生創新能力、實踐能力提供良好的實踐教學條件。近年來,化學工程與工藝專業建立了一批相對穩定的教學實習基地。考慮到專業培養方向的要求,實習基地以武漢平煤武鋼聯合焦化有限公司為主體。該公司在國內具有技術力量雄厚,生產工藝先進的特點,并具有較高的管理水平。同時,該公司可以說是焦化的一部“百科全書”,建有4.3m、6m、7.63m焦爐,所采用的配套工藝也有多種,是一個相當理想的本科專業特色教學實習基地[7]。在實驗教學方面,依托湖北省煤轉化與新型炭材料重點實驗室,通過開設本科生創新性實驗與創新性研究等課外實踐活動,為培養學生的動手能力、創新能力、提高人才培養質量和專業特色教學提供了保障。
(五)強化課程、教材建設
課程建設是專業培養目標實現的基本途徑,專業特色必定要在課程建設中得以體現。在進行課程體系改革的同時,學校十分重視課程內涵建設,重新整理了傳統課程的教學內容,加強不同學科之間的交叉和融合。如在煤化學課程的基礎上,將其它一些主要能源也引進來,從而形成了能源化學課程。在化工設備及材料中融入了力學、材料等知識;化工設計基礎與技術經濟分析課程在原來技術經濟分析的基礎上,增加了化工設計內容,以加強學生動手能力的培訓;根據企業用人需求,增設了化工CAD繪圖與識圖。教材的質量體現高等教育和科學研究的發展水平,也直接影響本科教學的質量。為提高教學效果,主要專業課程都選用省部級以上優秀教材、“面向21世紀課程教材”、“十五”、“十一五”國家重點教材和教學指導委員會推薦的教材。同時,鼓勵教學經驗豐富、學術水平較高的教師編寫與出版具有學?；瘜W工程與工藝專業特色的教材,以進一步優化教學內容和深化課程體系改革。目前,本專業自編公開出版的教材主要有:《煤化學》《燃氣工程》《化工技術經濟學》《化工設計概論》《化學工程與工藝專業實驗》以及《環境工程導論》等,其中《煤化學》為國家“十一五”規劃教材。
(六)建立健全質量保障和監控機制
建立健全質量保障和監控機制是創建特色、保持特色的關鍵。只有特色鮮明,才能優勢突出;只有集中力量重點建設,才能使學校加強對某一專業重點投入,創造良好的教學、科研條件,取得預計的成果。特色專業更強調精干高效,它是學校具有標志性作用的專業。要做到這一點離不開質量監控。為進一步保證教學質量,實行課程、專業帶頭人負責制,并建立了科學、合理的教學質量監控體系,包括學生評教制,干部同行評議制,教學檢查員聽課指導制,教學信息員信息反饋制,監督電話、信箱信息收集制,等。此外,還加大了對青年教師的培養力度,為青年教師配備指導教師,制定青年教師“過教學關”計劃。上述措施有力地保障了教學質量的穩步提升,為培養高質量的煤焦化特色化工專業人才提供了制度保障。
能源化學工程導論范文2
計算機工程是涉及現代計算系統、計算機控制設備的軟硬件設計、制造、操作的科學與技術，建立在計算、數學、科學和工程學的基礎上，主要研究計算機處理器、多處理器通訊設計、網絡設計和存儲器體系，著重研究硬件設計以及與軟件和操作系統的交互性能，如嵌入式系統、分布式數據與大規模存儲系統。絕大多數美國學校的電氣工程和計算機工程是在一個系，除數學、物理等基礎科學知識外，課程體系主要包括計算機科學和電氣工程等學科的相關課程、設計和構建計算機系統及基于計算機系統的相關軟硬件課程。培養的學生應具備從事計算機系統工作的能力，或具備基于計算機相關系統進行分析、設計、應用和集成工作的能力，具有扎實的計算機基礎理論、良好的科學素質和工程實踐能力，包括良好的團隊合作和人際交流溝通能力[5]。下面主要介紹美國這4所大學的計算機工程課程設置情況。
1.1UIUC計算機工程專業本科課程設置
UIUC計算機工程專業學生需要修滿128個學分，這些課程分為如下7大類：1)科學基礎與數學課程(31學分)，包括數學、物理、化學在內的10門課程。2)計算機工程核心課程(34學分)，這些課程重點介紹計算機工程領域的基本概念、基本原理、基本實驗方法和技術，共有10門課程。3)專業基礎數學課程(6學分)，包括離散數學和概率、工程應用兩門數學課程。4)寫作課程(4學分)，1門寫作原理課程，主要講授研究報告的寫作方法。5)專業技術選修課(23學分)，其中1門必須選自計算機工程和計算機科學專業技術選修課程之外的課程，其他必須均選自計算機工程和計算機科學專業技術選修課程。這些課程強調計算機工程實踐中用到的主要分析方法和設計原則。6)社會科學與人文科學課程(18學分)，這些課程被工學院認可并滿足學校對學生社會科學與人文科學課程通識教育的要求。7)自由選修課程(12學分)，這些幾乎沒有限制的選修課可以讓學生學習任何領域的知識。學生可以在計算機工程專業深入學習課程，也可以學習生物工程、技術管理或語言等課程。
1.2普度大學計算機工程專業本科課程設置
普度大學計算機工程專業學生需要修滿125個學分，這些課程分為如下6大類：1)通識教育課程(24～25學分)，包括6～7學分的兩門交流技巧課程和18個學分的社會與人文學科選修課程。2)數學課程(21～22學分)，數學課程有兩種套餐，各6門課，學生可以根據自己的情況任選一種。3)科學基礎課程(18～1分)，包括物理、化學、生物及面向對象編程等5門課程。4)工程基礎課程(7學分)，包括工程導論兩門課程及計算機工程和計算機科學以外學科的工程學科選修課1門。5)計算機工程專業課程(4分)，包括32～33學分的13門計算機工程專業核心課程；兩門共計1學分的研討課程；2門3～4學分的高級設計課程；2門8學分的研究生課程；1～2門計算機專業選修課程，使計算機工程專業課程總學分達到4分。6)任選課程(4～6學分)，根據輔修要求或個人興趣，任選課程可以從理學院或文理學院中適合工科學生的數學、科學課程中選擇，目的是使總學分達到125學分。
1.3伊利諾伊理工學院計算機工程專業本科課程設置
IIT計算機工程專業學生需要修滿130～134個學分，這些課程分為如下3大類：1)限選課程(10分)，學分分配如下：計算機工程專業限選課程47學分，包括計算機工程和計算機科學兩類課程；數學限選課程24學分；物理限選課程11學分；化學限選課程3學分；工程科學限選課程3學分；社會科學與人文學科限選課程21學分。2)選修課程(15～1分)，包括專業選修課程9～12學分，其中含1門硬件設計選修課；科學選修課程3學分。3)跨專業實踐項目課程(6學分)，包括IPROI跨專業實踐項目I和IPROII跨專業實踐項目II兩門課程。
1.4西北大學計算機工程專業本科課程設置
西北大學計算機工程專業學生需要修48門課程，這些課程分為如下7類：1)通用工程方法、數學、科學基礎課程(15門)，必修計算方法與線性代數GenEng205-1、線性代數與力學GenEng205-2、動態系統建模GenEng205-3和微分方程GenEng205-4等4門通用工程方法課程；必修微積分(I)MATH220，微積分(II)MATH224，微積分(III)MATH230及多元積分與矢量微積分MATH234四門數學課程；必修普通物理(I)Physics135-2和普通物理(II)Physics135-3兩門科學基礎課程；從McCormick工學院科學基礎課程中任選其他2門課程；另外必修IDEA106-1工程設計與交流(I)、IIDEA106-2工程設計與交流(II)兩門工程設計和交流課程。2)工程基礎課程(5門)，必修4門，包括EECS202電氣工程導論、EECS203計算機工程導論、EECS211編程基礎(C++)、EECS302概率系統與隨機信號，并從McCormick工學院工程基礎課程熱電力學、系統工程與分析、材料科學和流體與固體中任選1門。3)交流與社科人文學科課程(8門)，選修GenCmn102演講或GenCmn103課程的其中1門，另外選修7門滿足McCormick工學院要求的社科人文學科課程。4)專業核心課程(5門)，必修EECS205計算機系統軟件基礎、EECS303高級數字邏輯設計、EECS361計算機體系結構、EECS311數據結構與數據管理和EECS343電路基礎這5門課程。5)技術選修課程(10門)，西北大學計算機工程專業分高性能計算、VLSI與CAD、嵌入式系統和算法設計與軟件系統4個方向，每個方向開設若干門技術課程，每個學生必須在這4個方向中選修5門課；從專業基礎課程EECS213計算機系統導論、EECS222信號與系統基礎、EECS223固態工程基礎、EECS224電磁場與光學基礎、EECS225電子學基礎5門課中根據學習方向選修2門；剩下3門從計算機科學、計算機工程、數學、科學基礎等課程中選修，如可以是生物學BIOL210-1,2,3和化學原理CHEM210-1,2,3課程，也可以經申請同意選修相關計算機工程研究生課程。6)自由選修課程(5門)，共修5門，學生可以根據自身情況和興趣愛好自由選修。若從未學習過任何計算機編程語言，建議其中1門選修編程入門(Python)EECS110課程。7)高級項目課程(1門)，至少在微處理器系統項目EECS347-1、計算機體系結構項目EECS362和VLSI設計項目EECS3923門課中選修1門。
24所大學計算機工程課程設置特色
4所大學計算機工程本科專業的課程設置都通過美國工程教育認證機構ABET的EC2000指標體系認證，有如下特點：
1)注重基礎知識的學習，在貫徹通識教育中培養學生的各種能力?；A知識直接決定學生未來的發展潛力[7-8]，而基礎知識的掌握通常是通過通識教育實現的。與我國高校通識教育不同的是，這4所美國大學按照各種完整的項目組織基礎知識，讓學生在基于項目的學習中形成各種能力。他們還特別重視人際溝通能力的培養和學生對廣泛深入的人文社科知識的理解，使所有工科學生在數學、物理、信息、物質、生命、技術和能源科學方面及人文社科方面打下廣泛的基礎。這種比知識更重要的能力是學生取之不盡、用之不竭的資源。普度大學第一年的工程基礎培養及UIUC第一年的計算機工程訓練從一開始就圍繞能力培養，使學生能更好地理解和應用所學的基礎科學和數學知識。
2)注重相關學科的交叉和融合，培養學生跨學科處理問題的本領?，F代工程是一個復雜系統，不是狹隘的技術知識背景所能勝任的。解決現代工程問題要求工程師能夠打破學科壁壘，把被學科割裂開來的工程再還原為一個整體。這要求學校在課程設置上必須充分考慮學科的交叉和融合，為學生提供綜合的知識背景，以利于復雜工程問題的解決[6,8]。UIUC、普度大學、西北大學和IIT在課程設上均體現了學科交叉、學科融合的思想。UIUC規定學生在技術選修課中必須選1門計算機工程和計算機科學系以外的課程，例如宇航工程、農業與生物工程、土木工程、化學工程、生理學、生物工程、生物物理學、生物化學、大氣科學、天文學、材料科學與工程、機械工程等。普度大學的計算機工程專業學生也必須選修1門電氣工程和計算機工程領域以外的課程，以滿足工程拓寬要求，可以是航空力學、化學工程計算、噪音控制、核工程導論、材料結構與特性、環境工程中的物理化學原理、環境可持續工程以及運籌學-優化、運籌學-隨機模型中的任何1門。西北大學的計算機工程本身就是該校電氣工程和計算機科學交叉和融合的結果，學生除必須選修科學基礎選修課中的普通物理-電磁學、普通物理-波現象和現代物理外，還必須在遺傳和進化生物學、工程分子和細胞生物學中任選1門。IIT規定科學選修課必須選1門生物學、材料科學、化學原理，工程選修課必須選1門機械學導論或熱動力學。
3)強調工程實踐能力培養，培養學生“以解決問題為中心”的工程設計能力。工程本身就意味著實踐，意味著更加重視工程實際和工程的系統性和完整性。這4所大學都十分強調學生工程實踐能力的培養，在課程設置上不僅有豐富的實驗課程，而且通過更為靈活多樣的基于項目學習(Project-basedLearning)課程培養學生的實踐能力。如IIT有IPRO跨專業實踐項目，西北大學要求學生在微處理器系統項目(EECS347)、計算機體系結構項目(EECS362)、VLSI設計項目(EECS392)等項目課程中必須至少選修1門。普度大學要求學生選修電氣工程設計導論(ECE402)、計算機設計與樣機(ECE437)、操作系統工程(ECE469)、編譯器與翻譯器工程(ECE495S)和數字系統高級項目(ECE495C)等項目課程。UIUC則有計算機組成與設計(ECE411)、高級數字系統項目(ECE395)、微處理器項目(ECE412)、數字信號處理項目(ECE410)等項目課程供學生選擇。
4)發揮和保護學生的個性及興趣，激發學生的自主性和創造性。工程教育應該在最大程度上發揮學生的個性并促進其創新能力的發展。在專業學習中，學生可以根據自己的水平、學習興趣、個性特長選擇不同的課程，從而促進個性和創造性的發展。為學生提供不同的培養計劃是這4所大學的共同特點。西北大學為計算機工程學生提供了高性能計算、VLSI與CAD、嵌入式系統和算法設計及軟件系統4個不同的學習路徑。UIUC、IIT及普度大學則采用龐大的選修課程及明確的課程分類，使學生可以依據興趣愛好自行組織課程和學習內容，以發展個性，提高創新能力。
5)堅持課程設置機構的開放性，改變只按學科知識、由教師單方面設置的做法。在課程設置機構方面，這4所大學均根據產業界對計算機工程師的能力、素質、技能和知識等要求，學生求職的需求，畢業校友學習和工作的經驗反饋及ABET2000指標體系，成立由有工程背景的教師、產業界、教育認證機構、學生及畢業生等利益相關者組成的專門委員會，討論、確認、不斷改進計算機工程專業的課程體系及教學大綱。這與我國由高等院校計算機科學與技術專業教學指導委員會主導、以學科為導向，追求知識完備性為基礎，由缺乏產業經驗和工程背景的教師確定的課程設置和教學計劃相比，在滿足學生求職和產業界需要等方面有明顯優勢[8]。
3改進我國計算機科學與技術本科專業實踐教學的思考
截至2006年，我國高校工科專業在校生為600萬人，其中計算機相關專業在校生近45萬人，在規模上基本適應我國經濟社會發展的需求。問題是我國計算機工程教育與計算機工業界脫節較嚴重，不同類型、層次學校的培養目標趨同[8]。通過深入研究、分析和比較美國高等學校計算機工程專業的培養目標及課程設置特色，我們深刻認識到我國工科院校計算機專業本科教育存在的諸多弊端。比如工程實踐環節薄弱；工科教師隊伍的非工化趨向嚴重；評價體系錯位；課程體系落后，學科交叉欠缺，導致創新與實踐雙向不足，計算機畢業生得不到產業界的認同，普通工科院校計算機專業畢業生就業率低下。以下是我們對工科院校計算機科學與技術本科專業實踐教學改革的一些思考：
1)計算機科學與技術本科專業實踐教學的改革應從培養目標、課程體系、師資建設和評價體系、產學合作等方面綜合考慮。
2)從培養目標上，工科計算機人才培養應從學科導向轉為求職導向，也就是以產業需求為導向。這使學生能形成勝任今后工作的能力，成為合格的公民和稱職的產業人員，而不僅僅是只掌握系統、完備的學科知識。
3)課程體系要符合大工程觀的要求，注重學科的交叉和融合，強調基礎知識的同時強化對學生實踐能力的培養。實踐教學應加強實驗課程、項目課程和企業實習項目的建設，強調做中學、用中學，提倡學生的主動學習和實踐是實踐教學改革的重點內容。
4)評價體系涉及如何評價學生的學習效果，是關系到教學是否能達到培養目標的重要因素。如果要培養符合計算機產業界需要的具有各種能力和素質的工程師，以理論考試為主評價學生能力的評價體系就尤顯片面。如何制定科學有效的評價指標，對學生的各種能力進行綜合評價，特別是在基于項目的實踐學習中對學生的團隊合作能力、交流溝通能力、解決工程實際問題的能力進行科學評價，是一個有待探索的問題。
能源化學工程導論范文3
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。現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。可分為粉末致密法: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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