时间：2023-02-09 05:40:47
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇工程热物理论文，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
英文名称：Journal of Shaanxi University of Technology(Natural Science Edition)
主管单位：陕西省教育厅
主办单位：陕西理工学院
出版周期：季刊
出版地址：陕西省汉中市
语
种：中文
开
本：大16开
国际刊号：1673-2944
国内刊号：61-1444/N
邮发代号：
发行范围：国内外统一发行
创刊时间：1985
期刊收录：
核心期刊：
期刊荣誉：
Caj-cd规范获奖期刊
联系方式
期刊简介
《陕西理工学院学报》（自然科学版）原名《陕西工学院学报》，是由陕西理工学院主办的自然科学类学术期刊，创刊于1985年，季刊。
同等学力申硕考试报名条件：申请人获学士学位后工作3年以上；通过学位授予单位的资格审查；通过学位授予单位组织的课程考试；通过同等学力人员申请硕士学位的外国语水平及学科综合水平全国统一考试（申请人自通过资格审查之日起，须在4年内通过学位，授予单位的全部课程考试和国家组织的水平考试。否则，本次申请无效。）；
在通过全部考试后的一年内提出学位论文，并在半年内完成论文答辩；论文答辩未通过，本次申请无效。但论文答辩委员会建议修改论文后再重新答辩者，可在半年后至一年内重新答辩一次，答辩仍未通过或逾期未申请者，本次申请无效。申请人通过同等学力水平认定，经学位授予单位学位评定分委员会同意，报学位评定委员会批准，授予硕士学位并颁发学位证书。
同学力申硕考试报考时间：凡进入“信息平台”的申请人，须在每年3月20日前通过“信息平台”申请参加考试的语种或学科、参加考试的地点。考生一般应在接受其硕士学位申请的学位授予单位所在省（自治区、直辖市）参加考试。如有特殊情况，需申请在工作单位所在地参加考试的，必须经接受其硕士学位申请的学位授予单位同意。
学位授予单位要认真核对考生的资格、报考语种或学科以及参加考试的地点等信息。发现不符的或有弄虚作假的要及时纠正或取消申请资格。
外国语水平和学科综合水平考试的报名信息的汇总、命题、考务及阅卷工作委托教育部学位与研究生教育发展中心（以下简称“学位中心”）组织实施，相关工作的具体安排由“学位中心”另行通知。各省、自治区、直辖市学位与研究生教育主管部门根据“学位中心”的统一安排，组织本地区的考务工作。
同等学力考试形式：同等学力申硕统考即全国统一组织的外国语水平考试和学科综合水平考试，于每年5月份举行。
同等学力考试科目：外国语水平考试的主要语种有：英语、俄语、法语、德语和日语。
学科综合水平考试的学科范围包括：哲学、经济学（含理论经济学、应用经济学）、法学、政治学、社会学、教育学、心理学、中国语言文学、新闻传播学、生物学、历史学、地理学、机械工程、动力工程及工程热物理、电气工程、电子科学与技术、信息与通信工程、控制科学与工程、计算机科学与技术、建筑学、作物学、临床医学、管理科学与工程、工商管理、农林经济管理、公共管理和图书馆、情报与档案管理等27个学科。
申请人自通过资格审查之日起，须在4年内通过学位授予单位的全部课程考试和国家组织的水平考试
（来源：文章屋网 ）
关键词: 通风; 空调; 热管; 节能
中图分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号：
引 言：早在1942年，Gauler就曾提出热管技术原理。热管是用综合液体蒸发、冷凝和毛细管现象设计的。热管理论是在1965年有Cotter首次提出较完整的理论的。热管的结构主要有外壳、吸液芯和工作液组成。本文对热管技术在通风空调工程节能应用中出现的一般性问题进行较系统的分析,为实际工程应用和设计提供参考。
1、通风空调的能流特征
采用集中式空调的建筑物，为了保证室内空气品质,要进行适当的新风置换，小型建筑物主要通过门、窗自然排出、渗入,而大型建筑物往往设集中排风、新风系统。建筑物通风空调废热(冷)具有以下特点:(1) 排出的空气状态参数接近室内空气的温、湿度，对于大型建筑物，排出的废热(冷)相当于总负荷的30% ~40%。(2) 排风中的废热(冷)与新风处理所需能源品位比较接近。(3) 排风中的废热(冷)与新风处理能源需求在时间上完全同步,如果通过热交换方式回收排风中的废热(冷)则无须增设复杂的蓄热装置。
2 热管技术在通风空调节能中的应用
2.1 热管技术在通风空调节能中的优势
热管换热器与其他形式的换热器相比，用于通风空调能源回收的热管属于常温热管，具备以下优势: （1）传热效率高。热管换热器主要通过工质相变传热,具有很高的轴向传热能力,在小温差传热方面具有很强的适应性。但径向传热并无太大的改善,应重点考虑径向传热强化。（2）环境适应性强。热管换热设备的冷凝、蒸发段的结构设计和空间布置非常灵活,特别适应空间狭小和改造工程等情况下的排风废热(冷)回收。（3） 管壁温度具有可调性。可独立改变蒸发段或冷凝段的传热面积,达到独立改变蒸发段和冷凝段热流密度的目的。（4） 属于二次间壁换热。可以避免新风与回、排风的交叉污染,因此特别适合工厂、医院等特殊场合下排风热(冷)回收。（5）管壁温度具有可调性。可独立改变蒸发段或冷凝段的传热面积,达到独立改变蒸发段和冷凝段热流密度的目的。
2.2 热管技术在通风空调节能中的应用
2.2.1 房间空调的换气热(冷)回收
房间空调器在潮湿地区使用时,会因除湿能力不足而不能很好地形成舒适的室内环境。热管-空调器系统的整体性能受旁通风量比例、新风、回风、送风参数等运行条件的影响较大,系统优化设计和优化运行很重要[12]。另外,由于增加了热管换热器,气流阻力有所增加,需要适当增加空调器风机压头。设备造价、总体尺寸都有所加大。
2.2.2 集中排风废热(冷)回收
公共建筑规模大,同时由于人员密度大或者生产工艺要求,换气次数大,例如医院洁净手术室要求换气次数40次/h以上,因而集中排风废热(冷)回收潜力很大。通过分离式热管换热器,利用空调系统排风热(冷)能量预处理新风,新风比按30%计算,可使空调系统节能7%以上。随着排风与新风温差的增大和新风比的增大,节能效果更加显著,实验表明冷、热气流温差只要超过3e即可回收能量。据此,上海、南京等长江中下游地区夏季排风废冷能量回收的时间可达1 500 h以上, 3 a内可收回设备造价。平翅片、百叶式翅片比锥形翅片、针形翅片换热效果好,而且压力损失小,主要原因是平翅片、百叶式翅片与管壁接触更充分,而锥形翅片、针形翅片导致气流扰动增强。风道风速为0. 5 m/s时,采用一排平翅片或百叶式翅片热管,热交换效率可达40%,二排可接近70%,之后随着热管排数增加,热交换效率提高的趋势渐缓,压力损失明显增大。热管单元交错排列与矩形排列比较,热交换效率略有提高,但压力损失显著提高。
3 热管技术在工程中的应用
3.1传统形式热管
传统形式热管换热器中的热管的热传递存在着一系列制约因素,主要有毛细力极限、声速极限、携带极限、沸腾极限等,并与热管结构、工作介质、吸液芯结构、工作温度等有关[3]。毛细力极限是最有普遍意义的制约因素,对于适当数量网目的吸液芯,增加层数,可以提高热管的传热能力和毛细力极限,但是,增加到一定层数时,由于通道减少,传热能力有可能受声速极限的制约而下降[13]。另外,传统热管生产工艺复杂,成本较高。
3.2 分离式热虹吸管
分离式热虹吸管由于蒸气与液体分道流动,故不存在携带极限,限制其传热能力的因素主要有干涸极限、声速极限和冷凝极限。实际上,它是一个气液自然循环系统,循环动力是下降管系统与上升管系统中工作介质压力差,因此,只有当冷凝段和蒸发段达到一个最小高度差,足以克服各段循环阻力,这时蒸发段出口截面含气率为1,工质循环倍率为1,即认为达到最佳工作点。
3.3 热虹吸管
热虹吸管没有吸液芯,冷凝液在重力作用下回流,传热极限主要有携带极限、干涸极限和沸腾极限。影响热虹吸管传热性能的因素有热虹吸管几何尺寸、放置倾角、充液量、工质的热物理性质和工作温度等,其中充液量和倾角影响最大。关于充液量,Imura[14]得到的结果是最佳充液量为热虹吸管总容积的1/5~1/3, Harada[15]等提出充液量为热虹吸管总容积的25% ~30%为宜,还有人[16]得到的最佳充液量为热虹吸管总容积的18% ~20%。
3.4 热管工质的选择
热管依靠工质的相变来传递热量,工质选择一般考虑以下原则:
（1）工作液体与壳体、吸液芯材料应相容,且应具有良好的热稳定性。
（2） 工作液体应适应热管的工作温度区,并有适当的饱和蒸气压。
（3）工作液体应具有良好的综合热物理性质要求液体的输运因子、热导因子较高,还要考虑液体在工作温度下的过热度。
（4）其他原则包括经济性、毒性、环境污染等。
结 语：
热管换热技术应用于通风空调能源回收,结构形式建议首选热虹吸管或者分离式热虹吸管,工质建议选用甲醇、丙酮,充液率等问题有待系统和深入研究,其经济性也有待更多的实际工程检验。由于通风空调工况条件与工业节能应用有很大差异,在设计和应用上不能简单套用工业节能应用的方法和理论体系。热管传热机理复杂,由于实验模型、试验条件、分析方法等的差异,不同研究者得出的一些具体结果差异较大,其一般性意义有待检验。
参考文献:
[1] 杨柳.长沙地区典型商业建筑空调系统能耗实测与分析(硕士学位论文)[D].长沙:湖南大学, 2002.
[2] 汪训昌.中高档旅馆废热排放与热利用分析[J].暖通空调, 1995, (4): 23-29
论文关键词：光碟机,热量,ANSYS,分析
随着机电产品使用时间的增加，通电时间越长必然导致集成芯片发热量增大，其散热问题是一个必须要考虑的问题。如果热量不能以合适的方式及时的散出去，必将影响机电产品的功能。光碟机就是一个比较典型的机电产品，其散热问题的考虑是一个很经典的设计。ANSYS是目前应用比较广泛的有限元分析软件，具有强大的有限元分析功能和人性化的人机交互界面，使用该软件，能够有效地降低分析成本，缩短设计时间[1]。本文通过对这一问题的分析研究，对光碟机的热分析问题进行了深入的分析，采取了合情合理的散热方式，采用有限元分析软件ANSYS9.0对散热垫的散热状况进行散热模拟，并对分析结果进行对比。
1 散热理论
热分析是基于能量守恒原理的热平衡方程[2]：
1．1辐射
辐射是指机体以发射红外线方式来散热，物体发射能量并被其他物体吸收转化为热量能量交换[2]。当皮肤温高于环境温度时，机体的热量以辐射方式散失。辐射散热量与皮肤温、环境温度和机体有效辐射面积等因素有关。在一般情况下，辐射散热量占总散热量的40%。当然，如果环境温度高于皮肤温，机体就会吸收辐射热。
1．2传导
传导就是机体通过传递分子动能的方式散发热量，几个完全接触的物体之间或同一物体不同部分之间由于温度梯度而引起的热量交换[2]。当人体与比皮肤温低的物体（如衣服、床、椅等）直接接触时，热量自身体传给这些物体。临床上，用冰帽、冰袋冷敷等方法给高热病人降温，就是利用这个原理，CPU上的平板式散热片[3]也是利用了传导的原理。
1．3对流
对流就是空气的流动，这是以空气分子为介质的一种散热方式，物体表面与周围环境之间，由于温度差而引起的热量交换[2]。与身体最接近的一层空气被体温加热而上升，周围较冷的空气随之流入。这样，空气不断地对流体热就不断地向空气中散发。对流散热量的大小，取决于皮肤温与环境温度之差和风速。
1．4蒸发
液体汽化需要热量，自人体表面每蒸发1ml水，可带走2.32/kJ热量。当气温高于皮温时，其他几种散热方式都失去作用，蒸发便成为唯一的散热途径。
2 光碟机介绍
2.1 光碟机组成
光碟机组成按结构功能来划分主要有三大部分，一是机芯，二是PCBA，三是承载机构和外壳等，如图1所示:
图1 碟机结构
Fig1. ODD structure
2.2光碟机热量散发系统
散热系统主要有：下盖（BC），散热垫（Heat sink），集成芯片（IC）和PCB四部分相接触的物体组成，如图2所示：
图2 散热系统
Fig2. Heat dissipating system
3 热传导散热分析
ANSYS的热分析是基于能量守恒原理的热平衡方程，通过有限元法计算各节点的温度分布，并由次导出其他热物理量参数[2]。电子元器件功率的不断提升导致了更多热量的产生[3]，因而散热显的极为重要[4]。本例中采用稳态分析，参数设定：自然对流条件(10W/m2.K)，热源设定6W(12V*0.5A)，光碟机內部环境温度设定为42℃，光碟机器外部环境温度设定为30℃。各零件的热传导系数如表1：
表 1
零件缩写
热传导系数k(W/m.K)
BC
18.5
Heat sink
3.2
IC
50
PCB
0.36
4 分析结果
经过上述设置后，可得到散热垫的温度场分布图，如图3所示：从图中可看出，使用该散热垫后最高温度可达165.92℃。
图3 温度场分布
Fig3.Temperature field distribute
5 结束语
ANSYS不仅能用于常规工程结构问题的静态或动态有限元分析，还能在诸如流体力学，热力学（温度场）、电磁场等方面进行有限元的模拟与计算[5]。一个成熟的热设计可以为为我们带来一个可靠的产品,同时也为我们的使用创造舒适性[6]。本例中通过对散热垫模拟现场情况的分析，得出散热垫的温度场分布，进而可比较不同散热垫带来的不同散热效果,选择合适的散热垫来散热，为碟机的散热设计提供了有力的数据支撑。同时也值得其它需要散热的产品设计者借鉴学习。
参考文献：
[1]郝兆明．基于ANSYS组合模具过盈配合有限元分析[J]. 机械工程师,2008(5)
[2]王建江，胡仁喜，刘英林．结构与热力学有限元分析[M]．机械工业出版社,2008(3)
[3]张远波.CPU散热片结构优化设计[J].华中科技大学学报.2008年第4期
[4] 卢中林．电子产品的散热设计［J］．可靠性分析与研究(集成电路与元器件卷)，2004，（12）
[5]Saeed Moaveni．ANSYS理论与应用[M]．电子工业出版社,2003(6)
论文关键词：高等工程热力学；研究生；教学方法
为适应社会主义现代化建设对高层次专门人才的要求，研究生教学应追踪世界最新科学研究方向，反映新知识、新成就，采用有益和有效的新经验、新方法、新体系，注意培养学生的综合素质。研究生课程的学习对提高研究生培养质量举足轻重，而课程的教学方式被认为是实施创新教育的重要环节。
“高等工程热力学”是工程热物理、热能工程、动力机械及工程、制冷及低温工程等专业硕士研究生的一门主要学科基础课程，为学位必修课。在传统的“填鸭式”教学过程中，深感学生学完这门课程后却不能很好地将所学的理论知识应用实际工程或自己的研究工作当中去，显然这种教学方式是不符合研究生创新教育及综合能力培养要求的。笔者在教学过程中逐步探索的新教学方法将与大家共享，以其对研究生教学改革起到推波助澜的作用。
一、课堂上的多种教学方式相结合
1.精略结合的教学模式
最基本的教学方法是在课堂上教师与学生面对面进行传道、授业、解惑。课堂上教师可以在有限时间内浓缩课程的精华，采取“细嚼慢咽”与“蜻蜓点水”两种截然不同的讲课模式相结合的策略。对课程中的重点与难点内容，教师可结合板书与多媒体课件等其他教学方法，采取课堂上的“细嚼慢咽”精讲模式。对学生容易掌握的部分，教师则采用“蜻蜓点水”式引导、归纳总结、学生自学等略讲模式。精略结合还体现在对课程中例题的处理上，注重对学生的启发，把解决问题的思路、技巧传授给学生，加强学生对涉及热力学问题的分析能力与解决能力的培养，而淡化具体的求解计算过程。
2.恰如其分的双语教学
“高等工程热力学”是一门概念多、理论性与工程性均较强的课程，且紧随时代不断发展。若采用纯中文教学模式，虽然学生掌握和理解教学内容更加容易些，但对他们查阅相关英文资料、了解国际相关知识、及时扑捉行业发展动态是不利的。倘若在课堂上教师完全采用英语授课或双语教学中英语所占比重较大，势必影响学生对基本理论的深刻理解与正确应用。为提高教学效果，在课件的制作及课堂教学上仅仅对专业名词术语采用英语模式。这样既不会增加课程的难度、不影响学生对课程基本知识的理解与掌握，还能让学生了解并掌握专业英语词汇，对今后查阅专业文献资料及国际交流奠定良好的基础。
3.鼓励学生“质疑”，灵活运用启发引导与讨论式教学
对于已经习惯“填鸭式”教学的学生，教师在课堂教学中创造机会，提倡学生独立思考，增强自信，鼓励学生从学会“质疑”到敢于“质疑”、善于“质疑”。“质疑”使教学形式从教师的“一言堂”到师生的“群言堂”的转变。通过“质疑”，培养了学生的自信，使学生敢于发现问题、提出问题，有利于学生创新思维的培养。
教师可灵活应用启发引导与同学间、师生间互动的讨论式教学方法。例如，在每一章授课结束后学生可先提出自己的问题或理解不透彻的内容，或者是现实中的问题，教师鼓励其他学生为提问的同学解答，教师适时引导或加以补充，最后教师总结。
教师也可结合一些社会现象，或针对一些在学科发展中曾令人困扰的问题、热点问题向学生发问，而学生通过思考、收集资料、课堂内外的讨论等方式提出解决方案，教师最后对学生的解决方案做现场点评。如对熵及熵变的理解、关于“水变油”事件以及“节能减排”问题等等都可以进行讨论。通过教师的启发引导、课堂互动交流，不同观点相互碰撞与切磋，激发学生的学习趣味性、主动性与积极性，充分调动学生的参与意识与创新欲望，再配以教师的总结与点评，可强化理论知识、活跃课堂气氛，也提高了教学质量。这种教学方式势必增加教师教学的动力和压力，鞭策教师勤于学习，不断更新知识，提高讲课技能；同时，这种教学方式也使学生能够感受到学习的乐趣和师生间的平等关系，增进师生之间的交流，提高了教学效果。
4.采用案例教学法
在大部分基本理论内容讲授后，可针对工程中的实际相关问题，开展案例教学，以增加学生对工程实际问题的分析能力与解决能力。例如，在讲工质的通用热力性质这一章后，针对实际气体混合物的配制计算问题进行案例教学。通过该案例教学，学生不仅能综合应用所学的理论知识，还可掌握该类问题的理论分析与计算方法，对今后工作中涉及这方面问题打下深刻烙印。又如，在讲述完化学热力学内容后，针对本校专业特点，可针对发动机的实际问题进行案例教学，强化了运用热力学基本理论对工程实际问题进行分析的能力，对学生在研究生论文中进行理论分析也有一定指导意义。
5.采用“双5教学法”
“双5教学法”是指在课堂教学上充分利用“起始5分钟教学法”及课堂教学“最后5分钟教学法”。任课教师可充分有效地利用课堂教学“开始5分钟教学法”，在课堂教学刚开始的5分钟内对上节重点内容进行总结、回顾，把学生的思维及注意力转移到本门课程上来，同时注意对相关内容的上下衔接，对本节内容起到抛砖引玉的作用。
在以教师教、学生听为主，涉及重点、难点问题的课堂精讲教学过程中，课堂最后5分钟也十分关键。在这有限的5分钟内，教师不仅可进行总结、布置讨论题，还可以采用“答题交条”的方式以激发学生的兴趣与注意力。“答题交条”就是教师出一道涉及本节课程内容的比较重要的、或易出错的、或趣味性的简答题，要求学生把问题的答案、姓名与学号写在一个小纸条上，并在离开教室前交到老师手中。“答题交条”意义有三：首先，可充分利用最后的5分钟，强调本次课程的重点内容或易出错的地方，或增加教学内容的趣味性；其次，可初步了解学生对相关知识的掌握程度；最后，该方式可作为一种点名手段，考查学生的出勤情况。学生答案的正误、出勤都作为学生平时成绩的一部分，同时对学生上课认真听讲有促进作用，一举多得。
例如，在讲完“焦耳—汤姆孙系数”这节后，若能抽出课堂最后5分钟，可出一道关于“水蒸气绝热节流后的温度变化趋势”问题，以强化生活及工程中水蒸气节流现象的特征。又如，在讲过理想气体性质后可出一道“若一个门窗开着的房间室内空气的压力不变而温度升高了，问室内空气的比热力学能及总热力学能将发生怎样变化”的简答题，以增加教学趣味性，培养学生从热力学角度分析周围的事物与现象。
二、课外的综合能力提升
为了提升学生的综合素质，激发学生学习的积极性，拓宽学生学习的兴趣，课外综合能力的培养也尤为关键。“高等工程热力学”课程的课外教学实践模式，不仅强化了学生所学的理论知识，更重要的是培养了学生解决问题的能力，锻炼了学生的表达能力，提高学生的综合素质。
1.开展换位教学
该换位教学以学生独立自主学习为前提，结合课程相关内容，通过学生查阅资料、独立钻研和认真思考，独立完成换位教学的汇报材料（如讲稿、ppt）并进行汇报，从而锻炼学生对所研究素材的自学、整理能力及表现能力。
2.写课程总结
课程总结在课程开始时先布置下去，在课程结束后要求每位学生对所学课程的基本理论知识、难点、重点及学习心得进行总结，以文字的形式上交。该课程总结表面上是让学生对所学知识的进一步整理，实质上是学生在整理过程中的进一步强化吸收过程。另外，通过学生的心得体会，教师还可以发现本轮课程教学中的不足，以便今后更好地完成该课程的教学工作。
3.鼓励学生进行创新性实验项目
学生根据所研究方向，选定或独创一个与课程相关的实验项目，进行试验的可行性调研与分析。若试验条件具备、方案可行，则要独立准备及开展实验，并以实验教师的身份对同学进行讲解，最后要写出实验报告或实践总结报告。
三、改革课程教学评价方法
通过近几年逐步在“高等工程热力学”中开展课程教学改革，新的课程评价体系也逐步建立，使教学评价上完成从“一张试卷定高下”到按学生在课堂内外的实际表现和能力来综合评定成绩的转变。该课程的教学效果评价分为基本理论知识的考核与学生对知识的综合运用能力、综合素质的提高等方面。课堂基本理论知识的评价通过考试的方式进行，占总成绩的50％；综合素质考评，占总成绩的50％，依据学生的学习态度、完成作业、课堂讨论及换位教学情况、学生的课程总结报告及创新性实验的论证、准备、操作、报告等内容综合评定。
关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展
TheAdvanceofFunctionallyGradientMaterials
JinliangCui
(Qinghaiuniversity,XiningQinghai810016,china)
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料,特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和经济实力,也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此,新材料的开发与研究是材料科学发展的先导,是21世纪高科技领域的基石。
近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因,一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。
1FGM概念的提出
当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2,其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差,传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料,如金属基陶瓷涂层材料,由于各相的热胀系数和热应力的差别较大,很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面,消除物理性能的突变,使热应力降至最小[3],如图1所示。
随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分类
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2,因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:
1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;
2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;
3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;
4)用FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。
图2
2.2FGM的分类
根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。
3FGM的应用
FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM研究的不断深入,人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化,可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM,并可望应用于许多领域。FGM的应用[8]见图3。
图3FGM的应用
功能
应用领域材料组合
缓和热应
力功能及
结合功能
航天飞机的超耐热材料
陶瓷引擎
耐磨耗损性机械部件
耐热性机械部件
耐蚀性机械部件
加工工具
运动用具:建材陶瓷金属
陶瓷金属
塑料金属
异种金属
异种陶瓷
金刚石金属
碳纤维金属塑料
核功能
原子炉构造材料
核融合炉内壁材料
放射性遮避材料轻元素高强度材料
耐热材料遮避材料
耐热材料遮避材料
生物相溶性
及医学功能
人工牙齿牙根
人工骨
人工关节
人工内脏器官:人工血管
补助感觉器官
生命科学磷灰石氧化铝
磷灰石金属
磷灰石塑料
异种塑料
硅芯片塑料
电磁功能
电磁功能陶瓷过滤器
超声波振动子
IC
磁盘
磁头
电磁铁
长寿命加热器
超导材料
电磁屏避材料
高密度封装基板压电陶瓷塑料
压电陶瓷塑料
硅化合物半导体
多层磁性薄膜
金属铁磁体
金属铁磁体
金属陶瓷
金属超导陶瓷
塑料导电性材料
陶瓷陶瓷
光学功能防反射膜
光纤;透镜;波选择器
多色发光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半导体
稀土类元素玻璃
能源转化功能
MHD发电
电极;池内壁
热电变换发电
燃料电池
地热发电
太阳电池陶瓷高熔点金属
金属陶瓷
金属硅化物
陶瓷固体电解质
金属陶瓷
电池硅、锗及其化合物
4FGM的研究
FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。FGM的研究开发体系如图4所示[8]。
设计设计
图4FGM研究开发体系
4.1FGM设计
FGM设计是一个逆向设计过程[7]。
首先确定材料的最终结构和应用条件,然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构,以及制备和评价方法,最后基于上述结构和材料组合选择,根据假定的组成成份分布函数,计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数,就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布,此时的组成分布函数即最佳设计参数。
FGM设计主要构成要素有三:
1)确定结构形状,热—力学边界条件和成分分布函数;
2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;
3)采用适当的数学—力学计算方法,包括有限元方法计算FGM的应力分布,采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。
FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合,借助于计算机辅助设计系统,得出最优的设计方案。
4.2FGM的制备
FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段,实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布,从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高温合成法(SHS);涂层法:如等离子喷涂法,激光熔覆法,电沉积法,气相沉积包含物理气相沉积(PVD)和化学相沉积(CVD);形变与马氏体相变[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形,然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性,可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高,适用于制造形状比较简单的FGM部件,但工艺比较复杂,制备的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点,但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis简称SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前苏联科学家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃烧反应时,发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应,此后化学反应在自身放热的支持下,自动持续地蔓延下去,利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：
图6SHS反应过程示意图
SHS法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系,金属与陶瓷的发热量差异大,烧结程度不同,较难控制,因而影响材料的致密度,孔隙率较大,机械强度较低。目前利用SHS法己制备出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3喷涂法
喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺,适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常,将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内,并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上,其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等离子喷涂法(PS)
PS法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物,形成等离子体,其温度高达1500K,同时处于高度压缩状态,所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流,速度可高达1.5km/s。原料粉末送至等离子射流中,粉末颗粒被加热熔化,有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷射在基底上,快速冷却固结,形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例,调节等离子射流的温度及流速,即可调整成分与组织,获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成,沉积效率高,无需烧结,不受基体面积大小的限制,比较容易得到大面积的块材[10],但梯度涂层与基体间的结合强度不高,并存在涂层组织不均匀,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
图7PS方法制备FGM涂层示意图[17]（a）单枪喷涂（b）双枪喷涂
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便会产生用B合金化的A薄涂层,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比,在上述覆层熔覆的同时注入,在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程,就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度,以及熔区的深度来获得,熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能,但由于激光温度过高,涂层表面有时会出现裂纹或孔洞,并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
图8同步注粉式激光表面熔覆处理示意图[18]
4.2.3.3热喷射沉积[10]
与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化,并喷涂到基底上凝固,因此,建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中,这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固态,混入金属液滴而被涂覆在基底,形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中,通过连续地改变增强颗粒的馈送速率,热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。
4.2.3.4电沉积法
电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理,将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中,通过注入另一相的悬浮液使之混合,并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度,在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃,涂层的主要材料为TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层,以改变固体材料的表面特性,提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能,该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低,精度易控制,生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5气相沉积法
气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度,在厚度方向上实现组分的梯度化,适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制备出大厚度的梯度膜,与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两类。
化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合,在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度,精确地控制材料的组成、结构和形态,并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化,可得到按设计要求的FGM。另外,该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM,因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。
物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质,使其蒸发为气相,然后沉积于基材上,形成约100μm厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD法的特点是沉积温度低,对基体热影响小,但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形变与马氏体相变[8]
通过伴随的应变变化,马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此,在合适的温度范围内,可以通过施加应变(或等价应力)梯度,在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18-8不锈钢(Fe-18%,Cr-8%Ni)试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围,但能提供一个简单的方法,可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料,这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。
4.3FGM的特性评价
功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计,为成分设计数据库提供实验数据,目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前,对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前,日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。
5FGM的研究发展方向
5.1存在的问题
作为一种新型功能材料,梯度功能材料范围广泛,性能特殊,用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决,主要表现在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；
2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；
3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；
4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多的实用价值;
6)成本高。
5.2FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-20]
1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；
2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；
3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；
4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。
5.3对FGM的性能评价进行研究[2、13]
有必要从以下5个方面进行研究：
1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随时间变化关系问题；
2）热绝缘性能；
3）热疲劳、热冲击和抗震性；
4）抗极端环境变化能力；
5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等
6结束语
FGM的出现标志着现代材料的设计思想进入了高性能新型材料的开发阶段[8]。FGM的研究和开发应用已成为当前材料科学的前沿课题。目前正在向多学科交叉,多产业结合,国际化合作的方向发展。
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传统研究生实验教学的学术化和程式化培养方案，严重制约学生的实践能力。该文从现代化学分析技术课程教学及研究生培养的现状出发，以学生研究前沿的文献资料作为新的教学内容，利用实验室的先进仪器，组织学生自带样品进行测试，采集并解析图谱，建立教学案例(卡片库)。该课程教学内容及教学方法的改革，有利于提升研究生的创新意识，增进其操作技能，为后续科研论文的顺利开展奠定基础。
关键词
现代化学分析技术;研究生培养;实验教学改革;能力
研究生实验教学是高等教育人才培养体系中必不可少的一个环节。传统的研究生实验教学培养方案，通常采用已有的学术研究成果，进行验证式实验教学，并按照实验教材的顺序程式化进行。这种实验教学模式，内容乏味，很难提高学生学习的兴趣和实践能力。研究生实验教学的目标是培养学生的实践动手能力，提升学生的创新激情，进而培养其独立自主的创新能力［1－2］。因此，需对其现有实验教学模式进行大胆改革。华南理工大学十分重视研究生实践能力的培养，提高研究生动手能力，自2010年起，独立设置了化学类研究生2个学分的选修课———“现代化学分析技术”课程。该课程作为现代物质结构分析的一个重要手段，在各领域中得到了广泛的应用，已成为鉴定各种化合物以及测定其结构的最常用方法。通过该实验课程的学习，极大地提升了学生对学科前沿知识的认知，培养了学生的实际操作技能，同时为其后期的科研论文的顺利实施打下了良好的科研基础。本文阐述了在该课程教学改革方面的探索与认识。
1化学研究生创新实践现状
1.1现代化学分析技术课程现状
在国内外，“现代化学分析技术”通常作为化学、化工、生命科学、材料科学、环境科学、医药食品等诸多领域的硕士研究生专业基础课。一般侧重介绍光、电、色、磁等物理化学方法基础理论知识;通过授课培训、实际操作等方式，向学生讲解每一台仪器设备的基本内容，让学生在较短的时间内了解仪器设备构成，培养学生独立操作如核磁共振仪、X－射线衍射仪等贵重仪器设备的能力，为其从事科研工作打下坚实的基础。在华南理工大学，现代化学分析技术课程作为化学与化工学院硕士研究生的学位选修课，是圆满完成硕士学位论文的基础。目前，开设该课程的专业主要有:有机化学，应用化学，分析化学，无机化学，物理化学，化学工程等。自2010年开设以来，该课程深受各相关专业硕士生的欢迎与好评(每学期约有60位研究生选修)，同时吸引了本院和外院的博士生来旁听。甚至有许多学生是带着科研任务中遇到的实际问题来听课和参与讨论的。该课程的开设，不仅帮助学生解决实际科研中存在的诸多问题，而且能大大提升学生利用现代化学分析方法和技术解析化合物结构的能力。
1.2化学研究生实验平台现状
当前，随着全国研究生招生规模的不断扩大，高等学校发展层次不平衡。如“985”“211”学校，教育部及地方投入了大量的资金，构建了一流实验平台，并从国内外引进大量的高素质、高水平科研人才，为研究生创新平台的建设、研究生创新能力的培养打下良好的基础;而普通高等院校，由于财力的原因，实验设施简陋、老化，很难适应现代实验分析的需求;研究生导师自身因为科研资金有限，导致研究生从事一些低水平、重复性的科研工作，这不仅浪费人才资源，同时使学生实践能力、创新能力的培养大打折扣。另一方面，当前研究生教育只重视传授基本理论和方法，较少关注现代技术的不断创新和根据研究生导师的研究方向、结合研究前沿进行创新实验教学。学生常常只是依照老的实验教材，进行验证式的实验操作，不仅适应不了现代化学实践的需要，而且对学生创新兴趣、创新能力的培养产生消极影响。基于化学分析与实验技术在现代相关领域研究中所起的重要作用，结合我校实际情况，并从化学化工、生命科学、材料科学、环境科学、医药食品等相关专业的发展趋势来看，迫切需要加强研究生现代化学分析技术课程的改革，建立其大型仪器测试创新实践基地。
2化学研究生创新实践教育举措
2.1推动教学内容和教学方法的创新
化学分析方法发展迅速，教学应该引入最新知识。当今社会，科学技术不断进步，科研成果不断涌现。与此相对应，现代分析仪器日新月异，分析手段不断创新，因此，二者有机结合，就能快速、有效地推动研究生的认知能力、并提升其研究水平。为适应新发展，“现代化学分析技术”课程教学应该以导师的研究方向为指导，以最新相关文献、资料等为教学内容，建立新的分析方法，使学生初步掌握现代仪器的基本原理、操作规程及步骤，以及对实验结果的分析和判断，培养学生解决实际问题的能力，为学生从事后期科研论文的工作打下坚实基础。教师结合本校相关领域的课题，整理和收编科研实践中的谱图以及采集和解析谱图的经验，建立相关教学案例(卡片库)，使学生有更多机会进行有效的实例演习，以提升学生解决实际科研中所遇到问题的能力。“现代化学分析技术”课程不能囿于现有教学模式，但又不能完全脱离。在理论教学上需重视教学内容的新颖性、先进性，在实践教学上需结合现代仪器的新特点、新方法，是一种全新新型教学模式。该课程共开设32学时，其中，教师课堂理论讲授16学时;设计性、创新性实验16学时。课堂讲授包括:大型仪器实验室安全及现代化学分析技术现状与发展趋势(2学时);紫外、红外光谱仪(2学时);气相、气－质联用仪(2学时);离子色谱、高效液相色谱仪(2学时);原子吸收、等离子体原子发射仪(2学时)，热重差热联用热分析仪(2学时);粒度仪、X－射线衍射仪(2学时)，以及核磁共振仪(2学时)。在16学时的设计性、创新性实验中，着重加强实践教学，提高学生综合技能的培养。由于X－射线衍射仪和核磁共振仪的价格比较昂贵，在国内多数开设的仪器分析课程中，甚至学生在实际科研中，学生没有机会动手操作这些贵重仪器。而在国外，这些仪器对研究生，甚至本科生都是开放的。为了提高本校研究生的综合技能和素质，该课程利用化学与化工学院的资源，组织学生带上自己科研中的样品进行操作培训，采集样品图谱。在教师的现场指导下，学生能快速掌握从选择合适的分析方法，准备样品，采集图谱，处理数据到最后解析图谱的一般程序。研究生实验教学实施5年来，取得了较好的教学效果。如核磁共振仪，学生学会了利用Mestrenova谱图处理软件处理核磁原始数据的能力，运用ChemDraw进行谱图模拟、进而进行谱图解析的能力，使学生深刻认识到二维谱图在结构鉴定中的重要作用，提高了学生谱图分析和解释问题的能力。
2.2推动大型仪器测试创新实践基地建设
近年来，为适应新形势发展，国内各高校纷纷投入巨资建设新型实验教学实践基地，积极开展科技创新活动，为研究生实验教学新模式提供创新平台［3－5］。实验室经过学校多年的财经投入，拥有了一批先进的大型仪器设备，为广大教师、研究生科学研究和实验教学建立了较好的测试创新实践基地。该基地的大型仪器设备主要包括:用于样品结构和组成表征的红外、紫外、核磁共振仪、X－射线衍射仪、等离子体原子发射光谱仪、离子色谱仪等;用于样品高效分离的气相色谱－质谱联用仪、高效液相色谱仪等;以及样品热物性、粒度、电性分析的热重－差热联用分析仪、粒度仪、电化学工作站等。多年来，这些大型仪器设备一直向广大师生开放，实现科学、规范地为教学科研服务，取得了丰富的科研成果［6－7］。依托该实验平台，教师不断地丰富实验教学内容，提高实验教学工作水平;学生依据其研究方向、结合学术前沿，进行相关内容、产品的测试，不仅为其后期研究课题的选题打下良好的科研基础，而且通过课程实践，极大地提升了学生对相关仪器设备的自主学习能力、动手操作技能，培养学生的观察力、开拓创新意识，提高创新水平。借助该实验平台，教学与科研有机融合，完善了人才培养方式与创新教育模式。创新型化学研究生的培养，不仅能为研究生解决实际科研问题、提升学生动手能力、创新能力，而且随着大型仪器创新平台合理利用，将为社会提供更多的创新性科研专门人才，产生巨大的经济效益和社会价值。以信息工程学院核磁共振仪为例，随着核磁共振仪的开放共享，为学院化学、化工学科、特别是化学的发展带来了质的飞跃。如核磁共振仪自2010年开放使用至今，几乎满负荷运转，使用机时数达4.6万，测试样品数约15万个，发表SCI一区TOP科研论文达80余篇，外部专用索引(ESI)进入国际前1，为我院化学学科首次进入世界大学前200强做出了应有的贡献。
2.3提高学生综合素养和择业水平
目前，化学研究生择业的主要方向为化学、化工相关企业、科研机构及高等院校等。这些行业考察并接纳学生的主要依据就是学生的综合素质及科研能力。如结合导师研究方向和科学前沿，学生能独立开展文献检索，并能初步提出科学问题;学生在教学实践中养成良好的实验观察、数据记录习惯;培养学生团结协作、实事求是的科研作风等;科研素质提升的外在表现就是学生科研能力的提高。如查阅文献、提高科技英语阅读、写作的能力;学生在测试过程中观察能力、分析能力、特别是动手能力的培养;撰写实验报告的能力等。现代社会是知识经济和市场经济的有机融合。化学研究生为适应这个开放、现代、繁荣的社会，顺应这个发展潮流，需提升自己的综合素养和技能，使自己在将来的择业上立于不败之地。华南理工大学为化学研究生开设的新型化学实验课程教学，就是为学生后期顺利开展研究课题提供预演。学生借助新型实验教学实践平台，进行独立上机操作，不仅能验证实验测试原理、测试方法及测试步骤，更能培养掌握和操作大型仪器设备的技能，掌握现代先进仪器的检测手段，为将来走向工作岗位打下坚实的基础［8－10］。
3结束语
研究生是我国发展生产力、进行科技攻关的主力军。化学研究生是化学、化工、材料、环保等领域的中坚。传统实验教学模式已无法适应这变化多端、日新月异的科学社会。因此，对现有实验教学内容和方法的改革势在必行。化学实验教学改革立足学术前缘、结合导师的研究方向，以高校现代先进仪器设备作为教学平台，通过独立上机的操作方式、结合课堂理论，培养学生独立从事科学研究的能力，提升学生从事科学研究的综合素养，形成了以学生为主体的实践教学模式［11－12］。为学生更好地融入创新型社会打下牢固的基础。
作者：梁向晖 钟伟强 毛秋平 单位：华南理工大学化学与化工学院
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摘要传统建筑学专业以设计为主导的教学模式，往往重艺术、轻技术，重形态分析、轻客观量化，这与当今社会倡导建筑节能和可持续发展背道而驰。笔者尝试挑战传统的建筑教学模式，从技术理论教学中引入绿色建筑设计，并在绿色设计中强调计算机能耗模拟技术等一系列量化分析手段。然而，笔者发现以建筑技术理论为主导的绿色建筑设计，学生往往重技术而轻艺术，特别是过分注重计算机能耗模拟分析，反而忽略建筑设计这一根本。论文分析造成这种问题的主观和客观原因，以期实现技术与艺术更好地结合。
关键词建筑技术；教学改革；绿色设计；理论教学
引言
绿色建筑无疑是未来建筑发展的一个重要趋势。然而，我国传统的以建筑设计为主导的建筑教学中，都会偏重建筑的艺术性，忽视技术性，重主观分析，轻客观量化[1、2]。这就造成建筑师对技术的漠视和生疏，设计实践中建筑设计构思与绿色技术策略脱节；即使那些做了些绿色设计的方案，也很少能够进行量化分析。众所周知，缺乏数据支持的绿色设计很难做到真正的节能。此外，一些建筑师虽然采用了计算机能耗模拟分析，但对数值分析结果知之甚少，无法将分析与设计相关联[3]。如果不正视这些问题，这些绿色建筑设计就会陷入对形式的操弄和概念把玩中，走向“伪绿色”和“反生态”[4]。作为培养未来建筑师摇篮，大学建筑教育在灌输技术理论知识和绿色建筑设计理念方面责无旁贷。尽管我国高校建筑学系近些年来一直倡导绿色和可持续建筑教育，但我国大部分建筑学专业采用传统的线性教学模式[5]，即将建筑技术理论和建筑设计分成泾渭分明的两条线，建筑技术课程在内容上偏重技术理论知识，枯燥深奥，与建筑实践联系较少，而在师资配备上往往选择纯技术背景的教师，由于不具备建筑设计背景，这些教师很少能将技术理论与建筑设计结合讲解，就更别提让学生将所学的技术理论应用到建筑设计之中[6、7]。笔者自2010年起在南京大学建筑与城市规划学院教授建筑学三年级本科的建筑技术课程。为改变当前现状，笔者尝试从建筑技术理论教学中引入绿色建筑设计，并在设计中强调计算机能耗模拟技术等一系列量化分析手段。笔者的教改无疑让建筑学学生更为重视技术理论和绿色建筑理念，然而却出现了一些值得探讨的问题，即学生往往过分重视理论和量化分析，忘记了建筑设计这一根本。论文分析造成这些问题的主、客观原因，并希望抛砖引玉，来引导和促进我国建筑技术课程的全面改革和创新。
1教学调整
笔者所教授的建筑技术课程有两门—‘建筑技术II-建筑声、光、热’和‘建筑技术III-建筑设备’，这两门都为技术核心课。前者为建筑学传统的‘建筑物理’，主要学习建筑热工、光学、声学中的概念和原理，以及一些基本的节能知识。后者为‘建筑设备’课程，主要介绍建筑给排水系统、采暖通风与空气调节系统、电气工程的基本理论、知识和技能。这两门课的主要特点是技术理论性强，学科跨度大，知识点多，涉及面广。为了使这两门课程能够更能适合当代绿色和可持续建筑发展，笔者在教学内容上做了以下调整和修改：（1）大量介绍绿色建筑优秀设计案例。除基础技术理论教学外，笔者介绍了大量的优秀绿色建筑设计。比如以伦佐•皮亚诺所设计的Tjibaou文化中心，来讲解如何利用当地气候特点来进行被动节能设计。在讲解建筑如何适应干热和湿热这两种不同气候特点时，以不同地域的当地民居为着眼点，从整体规划到单体建筑的设计案例来分析如何通过设计来应对不同的环境。（2）强调主动和被动节能设计的有机结合。被动节能设计强调的是建筑对气候和自然环境的适应，特别是在减少甚至是不依赖主动节能设备的情况下，通过建筑设计手段来创造较为舒适的建筑物理环境，这对于建筑学学生尤为重要。但同时随着建筑技术的发展，也不可能忽视建筑设备在建筑设计中所占的地位。笔者以ReynerBanham的《ArchitectureoftheWell-temperedEnvironment》一书为基点[8]，讲解现代建筑技术如何影响和改变现代建筑设计和理念，帮助学生重视被动节能设计的同时，也要兼顾主动建筑节能设计。（3）注重大建筑环境的整体可持续发展。美国绿色建筑委员会（U.SGreenBuildingCouncil）建立并推行的LEED评估体系（LeadershipinEnergyandEnvironmentalDesign），对城市生态和基地的自然保护非常重视，特别是建筑节水和水循环利用方面，但相关知识在我国建筑学教育中却相对薄弱，仅在建筑设备教材中介绍了一些设备节水和中水处理的基础理论知识。对于如何通过利用规划和设计来综合考虑雨水收集、废水利用等则是完全没有涉及。为了增强这方面的知识，笔者引入了与建筑与景观设计最为密切的LID技术。LowImpactDevelopment（英文简称：LID）技术是20世纪90年代末发展起的暴雨管理和面源污染处理技术，和传统的技术如湿地、滞留塘、草沟等不同的是LID技术是通过分散的，小规模的源头控制来达到对暴雨所产生的径流和污染的控制，使开发地区尽量接近于自然的水文循环[9]。LID技术所涵盖的内容包括：城市自然排水体系、雨水花园、生态滞留草沟、绿色街道、可渗透路面、生态屋顶、雨水再生系统等都一一被介绍到，与LID技术相关的各种网站也都提供给学生[10]。（4）强化量化分析的意识和手段。我国绿色建筑节能设计面临另一个重大问题是缺乏量化分析，而真正的绿色设计往往需要客观数据的支持，只有通过对其绿色设计的定量评价，才具有可信性与科学性。为加强量化分析手段，笔者将Autodesk公司的Ecotect这一能耗模拟软件引入到建筑技术课程中。Ecotect具有较全面的整体环境分析手段，可以对建筑物的朝向、立面、空间划分等进行能耗比较分析。根据以往经验，笔者在教授过程中会一再强调计算机模拟软件的优劣性，以及如何解读模拟结果。此外，笔者还组织学生进行实地参观和测量、邀请校外专家进行专题讲座、参与各种绿色设计竞赛等一系列方式来加深和拓宽学生对绿色建筑理念的认识。
2绿色设计
为了让建筑技术理论更好地与建筑设计相结合，笔者取消了与设计课脱节的作业和理论知识考试，而是布置了一个既有建筑的绿色节能改造设计。选择既有建筑可以让学生掌握建筑技术的实践知识，而专项设计不仅可以节省设计时间，还能使设计课题更具有针对性。既有建筑的绿色节能改造设计分成两部分。首先是实地考察该建筑的现状，以小组为单位选择一个中型公共建筑，实地测量和评估该建筑的声、光、热物理环境现状，此外还要求学生去调查建筑的用水量、照明和设备用电量等能耗信息。在此基础上，就是针对改建筑进行绿色节能改造设计。设计要求是可以不考虑改造室内平面布局和建筑物整体结构的情况下，根据当地地理、气候特点，进行可持续再利用改造，如增加遮阳、绿色屋面（屋顶花园）、垂直绿化、被动和主动太阳能利用、雨水回收及再利用、固体垃圾分类处理等。为配合课程需要，设计还要求学生研究一些基础的节能设计手段，如改变既有建筑的窗墙比、增加遮阳、利用自然通风等，或改善建筑围护结构的保温隔热性能等手法，进行节能优化设计。尽管要求学生利用计算机能耗模拟分析等手段，定量研究不同的绿化节能设计，并进行方案优化比较，但也说明如果某些绿色节能设计较难进行定量分析，可采用概念设计，但需要有设计详图和一定的文字进行补充说明。笔者希望以建筑技术理论为主导的绿色建筑设计，可以改变建筑系学生重艺术而轻技术，重形态分析而轻客观量化的问题。然而两年的教改实验结果却令人失望，学生的绿色设计走向令一个极端。尽管也有一些优秀的绿色设计出现（图1），但大部分学生在绿色节能改造设计中过分看重技术和客观量化分析，反而忽略建筑设计这一根本，图2为一个典型的学生作业。笔者发现很多学生将主要时间和精力集中在计算机能耗模拟分析上，在节能设计上大部分学生倾向于利用技术手段而不是设计手法，如采用先进的建筑保温隔热材料来减少建筑的能耗。尽管笔者在今年增加了强制性被动节能设计要求，但很多学生往往采用一些如增加遮阳设计，减少窗墙比等简单的设计措施，真正好的绿色设计却很少见。此外，就是深入设计问题，如在课程中介绍了LID技术后，很多学生都想到收集雨水，但大部分只是简单地设计了一个雨水收集池，但却没有人能做进一步的考虑，包括如何处理收集来的雨水以及与周围环境相配合等。
3分析与讨论
表1是笔者对2014、2015年度65名南大建筑学系三年级学生的绿色节能改造设计的分析总结。从表1可以看出大部分学生虽然掌握了建筑节能相关的理论知识，却没有很好的运用于建筑设计中。从分析中可以发现有70%学生虽然提出了一些绿色节能概念，但有半数停步在简单的绿色节能概念运用上，有些对绿色节能改造设计做了尝试，但却不知道如何深化自己的设计。一般而言，设计能力较强的学生在作业中表现地较好，无论是在设计创意、深化设、图面表达上等都略胜一筹。造成课程设计的结果不尽人意存在着很多主观和客观原因，与普通的建筑设计课程相比，主要包括:（1）教学内容和方式的差异性。我国建筑学专业采用的传统地线性教学模式，不仅使建筑技术理论课程与建筑设计课相脱节，也导致二者无论在教学内容还是教学方式上也有着本质的不同。我国技术理论课程的教学方式以老师授课为主，课堂时间即无法留给学生做设计，老师也无法指导设计。而建筑设计课程则是以学生自己动手做设计，老师的课堂时间主要是进行讲解和修改。此外，教学内容的侧重点也是不同，例如以绿色设计为主题的建筑设计课通常也是以建筑设计为主，绿色为辅，更多的强调建筑设计的合理性和艺术性。尽管笔者在技术理论课中大量引入和强调了绿色设计实践，但课程内容的侧重点还是基础理论和专业技术知识，因而从建筑技术理论课中引入的建筑设计，课程内容侧重点本身会给学生造成以技术为主的指向作用，因而在设计中自然而然会更强调技术。（2）设计命题的差异性。传统的建筑设计课程，特别本科教学中的建筑设计课的命题往往针对某种类别的建筑进行设计，如学校、宾馆或商业综合体等。而本次课程设计则是问题化命题，即通过一个或几个设计解决一个专业问题，这要求学生通过设计问题来学习相应的专业技术知识，再将知识融入到自己的设计之中。但显然学生还不是很适应这种工作模式和思维方式。特别是选择既有建筑进行节能设计改造，学生更觉得具有一定的局限性，因而限制了一些的学生设计构思。（3）数字技术教学需要进一步探讨。无论是建筑设计课程还是技术课程都面对着同样的问题，就是日新月异的数字化技术是一把双刃剑，一方面它是一个功能强大的设计辅助手段，但另一方面它也仅仅是一个工具而已，因而有必要让学生认识到数字技术本身的局限性以及其仅仅作为工具的特性[11]。尤其是当前的能耗模拟软件，往往都是对先进设备和新材料进行更有效能的模拟，如将窗体从普通玻璃更换成LOW-E玻璃的节能效果要远远高于一些复杂而需要深入考虑的被动节能设计，学生就更倾向于简单而效果相对较好的节能设计。此外，就是学生在学了计算机能耗模拟软件后，往往会将多种能耗模拟分析结果作为设计主体。尽管笔者一直在做这方面的教学探索，但收效甚微。由此可见，将数字化技术较好的应用到建筑设计创作或量化分析上，需要一套从理论、方法到技术的完整教育体系，而这一新体系的建立可能需要花费很长时间的艰苦探索。结语如何将建筑技术与艺术完美的融合，一直是当前业界探讨的问题。绿色节能建筑不是技术的自然生成，也不是形式和概念的把玩。建筑设计是基本要素，技术是不可缺少的手段，二者需要有机融合。笔者的教学探索表明建筑技术类课程需要一个全面的改革，传统的课堂教学完全无法满足培养绿色建筑设计人才的需要，笔者建议教学改革可以从以下三方面做起：（1）打破我国传统专业教师和设计教师之间的壁垒。在这里可以借鉴香港大学的教学体制，即设计教师在教授设计课时，同时必须开设1-2门专业课（建筑技术、历史、理论均可），从教师结构上创造专业课与设计课的结合环境，这样学生在学习设计知识的同时，也会学到专业教师所侧重的专业技术知识[12]。（2）打破建筑技术课和设计课程在教学上的壁垒。改革我国传统建筑学线性教学结构，采用技术课程与建筑设计课程的交叉式教学，通过合理的设计课程安排，引导学生加强技术理论学习。（3）打破建筑技术课和设计课程在作业和评分上的壁垒。取消建筑技术课程的作业，而是结合设计课程的某个设计题目，通过给出的不同技术问题进行分项、分段设计和计分，而学生最终设计成果中包括相关课题的分项成果。笔者认为只有让学生在设计中掌握技术理论知识的需求，在掌握理论知识后有用到设计中的动力，才是做好绿色设计的关键。失败是成功之母，希望业内同行以此为鉴，共同探索建筑技术课程的全面教学改革，为我国培养出一代可持续发展型的设计人才。
作者：吴蔚
痴心报国不言悔
1982年9月，作为吉林省蛟河市偏远山区农村中学的高中毕业生，张福成以优异的高考成绩被燕山大学的前身――东北重型机械学院金属材料专业录取。大学期间，私下里他曾听到一些同学对专业前景的“描绘”：毕业后只能到辅助部门工作，不仅没有发展前途，而且将终日在粉尘和高温的恶劣环境中工作。张福成却认为，“行行出状元”，只要是国家的发展建设需要，就不应计较个人的得失。尤其是他从专业课上得知：全世界每年因磨损就消耗掉200万吨以上的奥氏体锰钢。他越发坚定了努力学好专业知识，在金属材料专业领域有所作为的坚定信念。从此，张福成便与耐磨材料结下了不解之缘。本科毕业论文的题目，他选的是耐磨材料方面的；硕士、博士研究生的研究方向，他仍选择了耐磨材料。1986年本科毕业时，当时实行的是统招统分的政策，张福成在全专业四年总成绩排名第一，但他毅然放弃了到北京和上海工作的机会。读硕士和博士研究生时，他没有选择当时一些人趋之若鹜的热门专业，也经受住了“下海经商”大潮的巨大诱惑，始终默默地在被有些人看不上眼的耐磨材料领域里上下求索，潜心钻研，一点一滴地打下了坚实的专业基础。
1986年，正在燕大读研究生的张福成参与了硕士生导师郑炀曾教授承担的国家“七五”重点攻关项目“湿式中硬矿特大磨球机衬板材料的研究”的科研工作，也开始了他在耐磨材料领域不断拼搏进取的科研生涯。研究耐磨材料需要经常做磨损试验，试验中作为磨料的石英石会产生大量的粉尘，长期在这种环境中工作容易得矽肺病。从1988年至1998年，张福成教授整整与石英石粉尘打了10年的交道，经常是每天1 O多个小时的磨损试验一做就是半年。从事耐磨材料的研究，还要经常到工作环境恶劣的水泥厂、炼钢厂和矿山做现场试验，有时还要冒意想不到的风险。1994年的一天，张福成教授正在山东的一个钢厂的炼钢炉前作现场实验，投入炼钢炉的废钢铁中混入了一发旧炮弹。若不是突然停电，张福成和同伴将面临不堪设想的后果!从小在农村艰苦的劳动生活中磨炼出的坚强意志和吃苦耐劳的品格，使张福成在科研工作中遇到的各种困难面前总是从容不迫，知难而进。
22年来。正是凭着坚韧不拔的意志和科学的创新精神，张福成在耐磨材料领域的科研能力和水平不断提高，并取得了丰硕的科研成果，从而奠定了他在我国耐磨材料领域中举足轻重的地位。作为课题负责人或主要完成人。他先后完成了国家“七五”、“八五”攻关项目，国家“973”项目和省部级以上的科研项目二十多项。在耐磨材料的理论研究方面，他提出了“耐磨奥氏体锰钢中合金元素原子呈短程有序偏聚分布”的理论，圆满地解释了学术界近百年来在奥氏体锰钢研究领域中一直有争议的一些理论问题，如加工硬化机制、耐磨机理及其中的应变诱发马氏体相变机制等。根据这个理论，张福成教授又设计了新型耐磨材料――新型耐磨奥氏体锰钢，其耐磨性比原普通高锰钢提高1倍以上。这种新型耐磨材料已被全国的五十多家企业采用，用于制作球磨机衬板、铁路辙叉、齿板、破碎篦、铲齿和履带板等各行业急需的耐磨零部件，累计为国家创造利税6亿元，取得了显著的经济和社会效益。这项成果先后获得2002年国家科技进步二等奖，2000年中国高校科技进步一等奖。
随着铁路运输事业的发展，高速、重载、跨区间无缝线路已成为发展的必然趋势。这对铁路辙叉的使用寿命和结构形式提出了新的更高的要求，然而，其中有许多技术问题十分棘手，它们已经成为铁路运输事业发展的瓶颈和障碍。
高锰钢辙叉和高碳钢钢轨的焊接是我国铁路实现全面提速的关键技术之一，国际上只有法国和奥地利拥有该项技术的发明专利。从1997年起，始终在耐磨材料领域不懈地探索的张福成教授又毅然承担了国家科委重点攻关项目――“高速铁路用高锰钢辙叉与碳钢钢轨焊接”这一长期困扰着材料焊接领域发展和全国铁路大提速的难题。此前，我国的几十家科研单位曾进行了20多年的研究，但始终没有取得突破性的成果。高碳钢焊接要求缓冷，以防止热影响区出现马氏体和产生大的热应力。然而，高锰钢焊接却要求快冷，以抑止奥氏体晶界的碳化物析出。否则会产生热裂纹和韧性急剧下降的后果；同时，两种材料的热物理性能差异很大，直接焊接将导致接头处产生很大的内应力，不仅降低接头的强度和韧性，而且严重降低其疲劳寿命。因此，高锰钢辙叉与高碳钢钢轨焊接技术一直是制约我国铁路提速的难题之一。
在攻关的过程中，张福成教授查阅了国内外关于焊接技术的最新理论，做了上百次的等离子焊、铸焊、氩弧焊等试验，经过5年的反复研究后终于提出了利用材料性质梯度过渡的思路。并设计了一种物理性质和组织结构介于高锰钢和高碳钢之间的材料作为焊接材料，并优化出焊接速度快、自动化程度高、焊接质量稳定的闪光焊接方法作为高锰钢辙叉与碳钢钢轨的焊接技术；同时对高锰钢进行特殊的变质处理，降低晶界碳化物析出和液化裂纹形成的倾向，从而发明了高锰钢辙叉焊接技术。高锰钢辙叉焊接技术使高锰钢辙叉使用寿命进一步提高60％以上，平均过载量从1.8亿吨提高到3.0亿吨以上，最高达到5亿吨以上，减少了火车对铁路路轨的冲击。提高了铁路路轨和火车的使用寿命。高锰钢辙叉焊接技术的发明使我国成为世界上第三个自主拥有该项技术的国家，在我国铁路全面提速中发挥了重要作用。与法国和奥地利两个国家的技术相比，张福成教授发明的技术具有综合成本低、工艺简单和性能优异等特点。2001年，在秦岭隧道建设项目验收会上，铁道部科技司的一位领导对参会的近百名铁道部所属院校和科研单位的科研人员讲话时说“铁路辙叉焊接项目，铁道部曾经给一所大学和铁道部研究部门800多万元进行开发研究。最终没有搞成，而只给了燕山大学12万元，项目就搞成了，所以，今后我们要加强路内路外科研单位的项目合作。”铁道部组织的成果鉴定委员会认为：这项成果“是我国高锰钢与钢轨焊接技术的重大突破”，“填补了国内空白，总体技术水平达到国际先进水平”，“它为实现我国高速、重载、跨区间无缝线路的技术跨越创造了条件”。这项技术在近几年的国际招标中连续几十次中标，已成为我国高锰钢辙叉焊接采用的唯一技术，并在中铁山桥集团有限公司投产，产品出口加拿大、澳大利亚、新西兰、伊朗、印尼、委内瑞拉等十几个国家和香港地区，仅高锰钢辙叉一项年产值就达8000余万元，出口创汇450万美元。
近几年来，继发明高锰钢辙叉焊接技术之后，张福成教授在铁路辙又用材研究领域又连续取得了一系列新的研究成
果：纯净高锰钢辙叉制造新技术、高锰钢辙叉爆炸硬化技术、锻造高锰钢辙叉制造技术、含氮高锰钢辙叉用钢、高锰钢辙叉与碳钢钢轨焊接材料及其制造技术、高锰钢辙叉专用堆焊材料及其制造技术和铁路辙叉用贝氏体钢及其制造技术等。目前，这些新成果中的大部分已被应用在我国和外国的提速或高速铁路线路中。
20多年来，张福成教授先后主持了二十几项国家“七五”、“八五”攻关项目、国家“973”项目、国家自然基金项目、国家重点攻关项目、国家中小企业创新基金项目、铁道部重点攻关项目和河北省自然基金项目，并在国内外学术刊物上100余篇，获得国家发明专利16项。
呕心沥血培育创新型人才
在科研领域不断勇攀高峰，取得累累硕果的同时，从1989年研究生毕业起就承担教学任务的张福成教授也无愧于人民教师的光荣称号。张福成教授认为，大学是培养创新型人才的摇篮，作为一名高校教师，在不断地提高自身素质的同时，还应自觉主动地改革教学内容和教学方法。为社会培养出更多的高素质创新型人才。在长期的教学工作中，无论是对待本科生还是对待研究生，他都坚持高标准、严要求。他以严谨的治学态度和敢为人先的胆识，大胆地进行教学内容和方法的改革。在讲授每一门专业课前，他都认真地查阅大量文献资料。并结合自己的科研工作，把国内外最新的科研动态和成果写进讲义；讲课时，他总是结合教学内容，毫无保留地把自己多年从事科研工作的成功经验传授给学生。为培养学生的科技创新能力，根据当代科技发展呈现多学科交叉的趋势，结合学生的实际情况，张福成教授鼓励、引导学生不断拓展自己的知识面，使自己的视野更开阔，为走上工作岗位后的科技创新活动打下坚实的基础。
根据自己多年从事创新性科研工作的切身体会，张福成教授十分重视培养学生的动手能力。在金相实验技术课的教学中，他发现，长期以来，金相实验技术课的教学一直沿用传统的课堂讲授为主、实验教学为辅的方法，而忽略了金相实验技术课是让学生掌握金属试样的制备及组织分析方法，了解相关实验设备的原理及应用技术的主要目的。以致使学生在金相实验技术课结业时，从试样的制备到金相组织的分析能力都达不到应有的要求。张福成教授看在眼里，急在心上，他决心改变这种现状。经过认真的思考和充分的准备，从1996年秋季起，张福成教授在实验室的老师们的支持和配合下，开始了改变传统的教学方式的改革实践。他把金相实验技术课的课堂直接搬到实验室，由具有丰富实验经验的实验教师现场指导、讲解实验。然后他再对较深的理论进行课堂讲解。他在实验室讲课时，坚持以培养学生动手能力为主，讲解为辅的原则，对学生在实验过程中出现的问题再进行讲解，使学生既锻炼了动手能力，又提高了观察问题、发现问题、分析问题的能力。金相实验技术课教学改革的实践证明，学生的动手能力和金相组织分析能力明显地得到了提高。
20年来，张福成教授讲授的专业课始终受到本科生和研究生的欢迎。许多本科生由此对专业产生了兴趣，许多人毕业后考上了研究生。张福成教授指导培养的研究生知识面广、基础扎实、科技创新能力强，不少人目前已成为国内材料科学研究领域的骨干。
