时间：2022-04-07 16:47:31
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篇功能材料论文，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。
1纤维素复合材料
纤维素复合材料有很多种，按照组成成分区分，可分为纤维素/合成高分子复合材料、纤维素/导电聚合物复合材料等；按照功能区分，可分为力学材料、光学材料、电学材料。现简要介绍有特点的功能性纤维素复合材料。
1.1具有光电活性的纤维素复合材料通过相关学者的研究发现，如果将氢氧化钠/尿素水溶液作为溶剂制备纤维素或染料复合膜，那么，这种材料会显示出较强的发光性能或荧光性能。其中，复合膜还有较强的透明性，透光率能够达到90%.试验发现，复合膜的力学性能很高，拉伸强度能够达到138MPa。如果将天然纤维素浸泡在发光溶剂中进行离心干燥，经过一段时间后，能够得到光致发光纸。这种材料不仅展现了发光剂的吸附能力，还提供了复合纸的发光性能。因此，这些纤维素发光材料可以用于发光二极管和包装等领域。
1.2纤维素/碳纳米管复合材料从纤维素先进功能材料的研究、分析中发现，碳纳米管具有非常优秀的力学性能和电性能，受到人们的高度重视，并被广泛应用于电子器件中。随着科技的不断发展，这种材料在生物传感和复合材料中占有重要位置。
2化学法制备纤维素功能材料
因为天然纤维素很难溶解，所以，不适用于工业生产中。它作为一种天然高分子，在性能上也有一定的不足，例如，这种纤维素耐化学腐蚀性很差、强度较低、稳定性不高。所以，相关人员可以通过化学方法改善天然纤维素的缺陷，强化其溶解性和强度，并赋予它新的性能，不断拓展纤维素的应用领域。因为纤维素分子链上有很多羟基，所以，可以利用这种方法制备出各种各样的纤维素衍生物。近几年，纤维素衍生物材料被广泛应用于日用化工、涂料和食品等领域。其中，纤维素的制备方法主要有均相法和非均相法。因为纤维素很难溶解，所以，在工业生产中，都是利用非均相法制备纤维素衍生物。但是，在这个过程中，纤维素衍生物存在结构不统一和不可控的缺点，同时，还会产生大量的副产物，所以，纤维素衍生物的种类较少。相关人员尝试利用纤维素在不同溶液中的反应生产纤维素衍生物。
2.1纤维素酯纤维素酯是纤维素与强酸或羧酸衍生物，通过酯化反应得到的一种纤维素衍生物。这种衍生物的种类较多，并有较高的附加值，能够在生物、材料、食品中广泛应用。利用这种方式，相关人员可以合成一些具有新功能性的纤维素酯。相关人员通过酯化反应将卟啉分子连接在纤维素上，得到了光电转换材料，卟啉分子还给予了纤维素材料全新的抗菌性能。所以，通过酯化反应，能够在乙基纤维素上连接三苯基胺，然后得到溶致变色的纤维素衍生物，并显现出蓝-绿荧光。这种衍生物在溶液中的量子效率为65%，所以，它还被应用在光电器件领域。
2.2纤维素醚从传统意义上讲，纤维素醚类的种类很多，并有很多性能。这种物质被广泛应用于石油开采中，还有食品、纺织和日用化学品等方面，所以，相关人员可以引进新的基因功能，以得到新型的功能性纤维素醚。一些学者合成了纤维素咔唑醚，它能够用于存储信息，并在OLED的空穴中传输材料；还有一些学者利用醚化反应，在纤维素上连接联苯液晶分子，从而得到对紫外光吸收能力较强的纤维素材料。近年来，相关人员发现了一些新型、高效的纤维素溶剂，为纤维素的再生产提供了新介质。在纤维素溶液中进行衍生化反应，能够得到结构统一、可调控的功能性纤维素衍生物，例如纤维素酯、纤维素醚等。这些分子或衍生物的反应快速、高效、容易分离，为相关行业的研究奠定了良好的基础。
3结束语
通过对纤维素先进功能材料的分析可知，纤维素先进功能材料能够有效利用纤维素的价廉、量大、易获得、可再生等特点，拓展纤维素材料的使用领域。相信纤维素先进功能材料的应用范围将会越来越广。新技术和新溶剂的开发和使用，会极大地推动纤维素功能材料的开发。
作者：姬雷宾单位：中铁二局集团疾病预防控制中心
[关键词] 北京航空航天大学；材料专业研究生；创新型实验；特色实验课程；功能材料
[中图分类号] G643 [文献标识码] A [文章编号] 1674-893X(2012)03?0073?02
创新有三层含义：一是更新；二是创造新事物；三是改变。创新性人才指掌握一定专业知识技能，在社会实践中能推陈出新，以自己的创新性意识和行动，在利用自然改造自然，推动社会进步中做出贡献的人。随着知识经济时代的到来，在世界各国的综合国力竞争中，创新人才被越来越多的国家视为战略性资源和决定性因素。培养具有创新能力的高素质人才，顺应了时代的呼唤和国家发展的要求。研究生教育是培养高层次专业人才的主要途径。我国的研究生数量已跨入世界大国行列，研究生成为目前参与和推动我国科学技术发展的重要力量，其知识创新能力与科研实践能力的培养对于提高我国的科技竞争力至关重要。而大量研究表明，当前我国研究生的创新实践能力严重不足，主要表现在科研实践参与度低、国际性的学术论文数量偏少、学术成果质量不高、原创性成果稀少等等。
北京航空航天大学作为我们国家自己创建的第一所航空航天大学，学校面向国家重大战略需求、面向世界航空航天发展的前沿，为国家经济事业的发展、特别是为航空航天事业做出了不可替代的贡献。北京航空航天大学培养了11万学生，这些高素质人才大部分在我国的航空航天领域担当重任，为我国的航空航天事业提供了人才支持。北京航空航天大学多年来服务大局、特色兴校、培育人才、不断创新，突出航空航天特色和工程技术优势，形成了独具特色的高水平研究型大学建设模式。
北京航空航天大学提出了新时期“重基础、强交叉、拓视野、推创新”的研究生教育思路，对调整研究生教育结构，提高生源质量，改革招生指标分配办法，修订培养方案，促进研究生课程国际化，推广试点班教育模式，建设专业学位研究生实践基地，创新学科交叉机制体制等，提出了明确要求。
一、研究生培养模式和实验教学体系
北京航空航天大学在研究生培养模式上分为理论教学、实验教学和学位论文研究三个阶段。在强化研究生理论教学和学位论文研究的同时，采取了重大举措来培养研究生的实践能力：针对不同学科专业的特点增加了研究生教学的实验环节；通过“211”和“985”条件建设逐步构建了开放适用的研究生实验教学设备条件，并构筑人性化的实验环境；打破了传统实验教学模式，确立了开放式的多元化的研究生公共实验和研究生专业实验课体系；最大限度地挖掘出研究生的知识潜能，养成创造性品格，掌握创造性技能，最后在研究生学位论文的写作中得到深入和升华，使得研究生培养的三个阶段构成了一个由浅入深、循序渐进、具有内在联系的有机体。
在实验教学体系的构建方面，在一级学科层面，将关联密切的研究生理论课程的实验整合成数门独立设置的综合性实验课。结合专业培养目标和其他相关课程，建立一个包括基础验证实验、综合设计实验和创新型实验3个层次的课程体系。
北京航空航天大学还构建了整体性的开放式创新实践基地。例如自2004年以来，先后建设了“先进计算机网络技术研究生创新基地”“复杂产品现代设计与先进制造技术研究生创新基地”和“先进航空航天飞行器创新基地” 等开放性的创新实践基地。基地以航空航天与信息类优势学科群为中心，以重点实验室为依托，在创新人才培养和研究生教育改革的创新方面进行了积极的探索。
二、材料专业研究生特种功能材料特色试验课程设计
北京航空航天大学材料学院多年来一直非常重视研究生教育，研究生的课程设置及内容为研究生从事科学研究打下了坚实的理论基础。但材料学院研究生的实验设备主要来自各科研课题组，设备种类、台套数、完好率受限制，特别是使用时间无法保证，影响研究生试验运行。课时数虚，授课内容待充实。
随着多年来对实验室建设的不断投入，北京航空航天大学材料学院实验室建设遵循“以软带硬”的原则，即以教学改革为前提，投入的实验设备要服务于所开设的实验项目，硬件建设服从软件建设。目前材料学院用于研究生实验教学的设备已经初具规模，拥有多套透射电子显微镜、扫描电子显微镜、电子探针显微镜、原子力显微镜、磁力显微镜、X射线衍射仪、ICP分析仪、拉曼光谱分析仪等先进的分析检测设备，并对各学科实验室进行了优化整合和重组资源配置，发挥了实验室的复合功能和规模效益。材料学院还承担着大量国家级和省部级的重大科研项目，取得了一系列令人瞩目的研究成果，具有良好的培养研究生的客观条件。材料学院将逐步彻底改造研究生实验课内容和实验条件，建立具有航空航天特色、涵盖材料学科重要研究方向的材料制备、测试及评价方法的研究生公共实验平台，以国家建设和经济发展对材料科学与工程学科复合型人才的重大需求为导向，确定材料科学与工程学科实验课程的具体设置方案。
北京航空航天大学材料学院以教育部“空天材料及其服役性能实验室”为依托，开设了“先进结构材料”和“特种功能材料”研究生创新型实验课。该实验室多年来立足于航空航天材料前沿研究，旨在将先进的和学科交叉性强的科研成果高质量地融入到研究生实验教学上，取得了多项重大科研成果。下面以“特种功能材料”的设置为例，从创新型实验课和综合实验课的区别、创新型实验课和研究生毕业论文研究实践的区别、创新型实验课与研究生创新基地三个方面来进行分析。
1. 创新型实验课和综合实验课的区别
创新型实验课和综合实验课在内容上都涉及到培养学生多学科知识综合应用的能力。差别在于综合实验课相对而言内容更为固定，比如“材料电镜分析实验”是侧重于使学生理解各种电子显微分析方法的基本概念和原理，熟悉仪器结构，掌握样品制备方法及实验参数选择，并学会对各种电镜图像及信息进行识别、计算和分析处理等。而创新型实验课是在课程内容、形式和目的上存在更多的创新元素。这类实验是学生在教师的指导下独立自主完成 ，或者在指导教师的研究领域和学科方向上进行有目的有意识的探索研究，其教学目的在于激发学生的创新意识，培养学生的科研兴趣和研究创新能力。培养学生的创新精神和创新能力，关键在于教师是否有创造性的实践活动的经验和体会，如大的创新团队（课题组）和实验室就是培育创新精神的沃土。以“特种功能材料”为例，北京航空航天大学“空天材料及其服役性能实验室” 针对智能机翼、机载设备和航空发动机等的应用，在航空航天特种功能材料上积累了大量研究成果。其科研设备齐全，在“特种功能材料”实验课中设立了相变材料、磁性材料等相对宽的方向，在实验中指导教师演示其中课题组“成熟”材料从设计-制备-功能特性研究的完整的实践过程，然后在大方向内自由选题，运用理论课程中的基础知识，综合设计实验方案和内容，在任课教师的指导下自主探索研究。如果说综合实验课是学生从理论到实践的第一步，那么创新型实验则是学生开展创新科研工作的第一步。
2. 创新型实验课和研究生毕业论文研究实践的区别
这两者同为科研训练。创新型实验课是“常做常新”的实验课，指导教师要不断开发新的实验方法，搭建不同的新架构。学生则应该不断丰富自主实验的新内容，成为填充架构的新单元。从时间尺度上来说，创新型实验课比研究生毕业论文研究短的多，创新型实验课会对科研的过程有完整的体验，为了保障进度，增强协作沟通能力，学生可以自由结合成小项目组，分工共同完成实验内容。实验课的考核以小组答辩的形式，根据选题的创新性、综合性、协作情况等打分。研究生毕业论文研究一般都是学生在其导师的指导下单独完成的。限于不同实验条件、经费保障条件、课题组的创新实践成果积累等的不同，毕业论文研究的创新实践程度会有很大差异，研究生也往往得不到自主选题和自主研究的机会。
3. 创新型实验课与研究生创新基地的区别
两者的教学资源开放程度和范围不同。研究生创新实践基地是一个面向全校开放的，融教学、科研为一体的实践活动平台。研究生创新基地在学科综合性和交叉性上，可以面向更大范围的不同学科、不同年级的研究生，实现教育资源的整体优化。学科的集中交叉得资源能更集中整合，如“复杂产品现代设计与先进制造技术研究生创新基地”和“先进航空航天飞行器创新基地”等开放性的创新实践基地就是如此。目前，“特种功能材料”研究生创新型实验课还是材料学院研究生实验课程体系的一部分，“特种功能材料”与物理、化学、航空、航天、电子、机械等领域有广泛的学科交叉，可以成为培养研究生的综合设计和研究探索创新能力的有效平台。随着教学实践成果的积累、教学改革的深化和实践教学条件建设的增强，材料学院可以向学校申报加入研究生创新基地的实践活动内容，最大限度地为学生提供更多的科技创新实践机会。
三、结语
北京航空航天大学材料学院“特种功能材料”研究生创新型实验课的教学实践才刚刚起步，深厚的科研成果积累和良好实验课程的资源配置，以及是否能高质量地转化到研究生实验教学上，这些都还需要在实践中不断探索。指导教师团队成员如何利用崭新的实验内容引导学生主动参与科研训练，培养学生的创新思维和探索未知的能力，还需要不断创新教学，与时俱进地转变教育思想，更新教育观念，才能真正在教学改革中收到实效。
参考文献：
[1] 郑冬梅，王悦.构建研究生实验教学体系，培养研究生创新能力[J].实验技术与管理，2010，27（5）：146-148.
[2] 王悦，冯秀娟.高水平研究生创新实践基地的建设与探索[J].北京航空航天大学学报(社会科学版)，2011，24（3）：113-115.
[3] 陈建中，赵剑曦，黄长沧，等.以科研训练为主线培养研究型人才[J].中国大学教学，2005(5)：30-32.
1．何为高分子化学
顾名思义，高分子就是相对分子质量很高的分子，它是高分子化合物的简称。高分子化合物，又称聚合物或高聚物，是结构上由重复单元（低分子化合物—单体）连接而成的高相对分子质量化合物。高分子的相对分子质量非常的大，小到几千，大到几百万、上千万的都有。我们有时将相对分子质量较低的高分子化合物叫低聚物。高分子化学作为化学的一个分支，同样也是从事制造和研究分子的科学，但其制造和研究的对象都是大分子，即由若干个原子按一定规律重复地连接成具有成千上万甚至上百万质量的、最大伸直长度可达毫米量级的长链分子，称为高分子、大分子或聚合物。
2．高相对分子质量与高强度
相对分子质量和物质的性质是密切相关的，是决定物质性质的一个重要因素。只有相对分子质量高的化合物才有一定的机械力学性能，才能作为材料使用。例如乙烷、辛烷、廿烷、聚乙烯、超高分子量聚乙烯，都是直链的烷烃化合物，但是分子量变化很大，其机械力学性能因而也有极大的区别。
3．高分子科学的主要内容
既然高分子化学是制造和研究大分子的科学，对大分子的反应和方法的研究，显然是高分子化学最基本的研究内容。高分子科学不仅是研究化学问题，也是一门系统的科学。高分子科学的主要内容有：如何将低分子化合物连
接成高分子化合物，即聚合反应的研究。高分子化合物的结构与性质关系。不同性质的高分子，其结构必然是不同的。为了得到不同性质的高分子，就要去合成具有特殊结构的高分子。
二、高分子材料化学的应用
材料是人类社会文明发展阶段的标志，是人类赖以生存和发展的物质基础。它是指经过某种加工，具有一定结构、组分和性能，并可应用于一定用途的物质。上世纪半导体硅、高集成芯片、高分子材料的出现和广泛应用，把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。可以说某一种新材料的问世及其应用，往往会引起人类社会的重大变革，材料是人类文明的重要标志。如果说现在人人离不开高分子材料，家家离不开高分子材料，处处离不开高分子材料，是一点也不过分的。高分子化合物的最主要的应用是以高分子材料的形式出现的，高分子材料包括了塑料、纤维、橡胶三大传统合成材料，另外许多精细化工材料也都是高分子材料。
第一，塑料：一类是通用塑料，如容器、管道、家具、薄膜、鞋底与泡沫塑料等等；另一类叫工程塑料，其强度大，如汽车零部件、保险杠、洗衣机内的滚筒、电器的外壳等。
第二，纤维：人们开发出聚酯、尼龙、腈纶、维尼纶等高分子化合物，通过不同的加工，生产出了各种纤维制品，极大地满足着人类的需要。
第三，橡胶：天然橡胶的种类和品质都受到很大的限制，于是科学家们不断开发出了各种人造橡胶，如丁苯橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶、硅橡胶等。
第四，精细化工：比如使得我们的世界变得丰富多彩的各种涂料产品，如家具漆、内外墙乳胶漆、汽车漆、飞机漆等。女孩子用的指甲油，使牙齿变白的增白剂也都是涂料。还有万能胶、建筑用胶、医用胶、结构胶等黏合剂，以及各种吸水树脂等都是高分子产品。
三、高分子化学与高科技的结合
当今社会，人们将能源、信息和材料并列为新科技革命的三大支柱，而材料又是能源和信息发展的物质基础。自从合成有机高分子材料的那一天起，人们始终在不断地研究、开发性能更优异、应用更广泛的新型材料，来满足计算机、光导纤维、激光、生物工程、海洋工程、空间工程和机械工业等尖端技术发展的需要。高分子材料向高性能化、功能化和生物化方向发展，出现了许多产量低、价格高、性能优异的新型高分子材料。
随着生产和科学技术的发展，许多具有特殊功能的高分子材料也不断涌现出来，如分离材料、光电材料、磁性材料、生物医用材料、光敏材料、非线性光学材料等等。功能高分子材料是高分子材料中最活跃的领域，下面简单介绍特种高分子材料：功能高分子是指当有外部刺激时，能通过化学或物理的方法做出相应反应的高分子材料；高性能高分子则是对外力有特别强的抵抗能力的高分子材料。它们都属于特种高分子材料的范畴；特种高分子材料是指带有特殊物理、力学、化学性质和功能的高分子材料，其性能和特征都大大超出了原有通用高分子材料（化学纤维、塑料、橡胶、油漆涂料、粘合剂）的范畴。
第一，力学功能材料：强化功能材料，如超高强材料、高结晶材料等；)弹材料，如热塑性弹性体等。
第二，化学功能材料：分离功能材料，如分离膜、离子交换树脂、高分子络合物等；反应功能材料，如高分子催化剂、高分子试剂；生物功能材料，如固定化酶、生物反应器等。
第三，生物化学功能材料：人工脏器用材料，如人工肾、人工心肺等；高分子药物，如药物活性高分子、缓释性高分子药物、高分子农药等；生物分解材料，如可降解性高分子材料等。
可以预计，在今后很长的历史时期中，特种与功能高分子材料研究将代表了高分子材料发展的主要方向。
四、高分子化学的可持续发展
研究高分子合成材料的环境同化，增加循环使用和再生使用，减少对环境的污染乃至用高分子合成材料治理环境污染，也是21世纪中高分子材料能否得到长足发展的关键问题之一。比如利用植物或微生物进行有实用价值的高分子的合成，在环境友好的水或二氧化碳等化学介质中进行化学合成，探索用前面提到的化学或物理合成的方法合成新概念上的可生物降解高分子，以及用合成高分子来处理污水和毒物，研究合成高分子与生态的相互作用，达到高分子材料与生态环境的和谐等。显然这些都是属于21世纪应当开展的绿色化学过程和材料的研究范畴。
参考文献：
[1]冯新德.展望21世纪的高分子化学与工业[J].科学中国人,1997,(11)
[2]王守德,刘福田,程新.智能材料及其应用进展[J].济南大学学报(自然科学版,2002,(01).
论文摘要：高分子化学是研究高分子化合物的合成、化学反应、物理化学、物理、加工成型、应用等方面的一门新兴的综合性学科。那么，高分子化学具体内容及高分子与生活、高科技的发展关系如何呢？以下作简单介绍。
人类从一开始即与高分子有密切关系，自然界的动植物包括人体本身，就是以高分子为主要成分而构成的，这些高分子早已被用作原料来制造生产工具和生活资料。人类的主要食物如淀粉、蛋白质等，也都是高分子。只是到了工业上大量合成高分子并得到重要应用以后，这些人工合成的化合物，才取得高分子化合物这个名称。但提到合成高分子材料（聚合物）的应用与发展，人们在想到它们极大地方便我们的生活的同时，很多人会想到“白色污染”，甚至将水污染、大气污染等各种环境问题的产生怪罪于高分子，这说明他们对高分子并不十分了解。当今社会高分子的功用无处不在，而人们认识高分子时，往往忽略了它带给人类生活的巨大变化和种种利益，不了解它为人类文明做出的贡献是巨大的。
一、高分子化学的内涵
1．何为高分子化学
顾名思义，高分子就是相对分子质量很高的分子，它是高分子化合物的简称。高分子化合物，又称聚合物或高聚物，是结构上由重复单元（低分子化合物—单体）连接而成的高相对分子质量化合物。高分子的相对分子质量非常的大，小到几千，大到几百万、上千万的都有。我们有时将相对分子质量较低的高分子化合物叫低聚物。高分子化学作为化学的一个分支，同样也是从事制造和研究分子的科学，但其制造和研究的对象都是大分子，即由若干个原子按一定规律重复地连接成具有成千上万甚至上百万质量的、最大伸直长度可达毫米量级的长链分子，称为高分子、大分子或聚合物。
2．高相对分子质量与高强度
相对分子质量和物质的性质是密切相关的，是决定物质性质的一个重要因素。只有相对分子质量高的化合物才有一定的机械力学性能，才能作为材料使用。例如乙烷、辛烷、廿烷、聚乙烯、超高分子量聚乙烯，都是直链的烷烃化合物，但是分子量变化很大，其机械力学性能因而也有极大的区别。
3．高分子科学的主要内容
既然高分子化学是制造和研究大分子的科学，对大分子的反应和方法的研究，显然是高分子化学最基本的研究内容。高分子科学不仅是研究化学问题，也是一门系统的科学。高分子科学的主要内容有：如何将低分子化合物连
接成高分子化合物，即聚合反应的研究。高分子化合物的结构与性质关系。不同性质的高分子，其结构必然是不同的。为了得到不同性质的高分子，就要去合成具有特殊结构的高分子。
二、高分子材料化学的应用
材料是人类社会文明发展阶段的标志，是人类赖以生存和发展的物质基础。它是指经过某种加工，具有一定结构、组分和性能，并可应用于一定用途的物质。上世纪半导体硅、高集成芯片、高分子材料的出现和广泛应用，把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。可以说某一种新材料的问世及其应用，往往会引起人类社会的重大变革，材料是人类文明的重要标志。如果说现在人人离不开高分子材料，家家离不开高分子材料，处处离不开高分子材料，是一点也不过分的。高分子化合物的最主要的应用是以高分子材料的形式出现的，高分子材料包括了塑料、纤维、橡胶三大传统合成材料，另外许多精细化工材料也都是高分子材料。
第一，塑料：一类是通用塑料，如容器、管道、家具、薄膜、鞋底与泡沫塑料等等；另一类叫工程塑料，其强度大，如汽车零部件、保险杠、洗衣机内的滚筒、电器的外壳等。
第二，纤维：人们开发出聚酯、尼龙、腈纶、维尼纶等高分子化合物，通过不同的加工，生产出了各种纤维制品，极大地满足着人类的需要。
第三，橡胶：天然橡胶的种类和品质都受到很大的限制，于是科学家们不断开发出了各种人造橡胶，如丁苯橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶、硅橡胶等。
第四，精细化工：比如使得我们的世界变得丰富多彩的各种涂料产品，如家具漆、内外墙乳胶漆、汽车漆、飞机漆等。女孩子用的指甲油，使牙齿变白的增白剂也都是涂料。还有万能胶、建筑用胶、医用胶、结构胶等黏合剂，以及各种吸水树脂等都是高分子产品。
三、高分子化学与高科技的结合
当今社会，人们将能源、信息和材料并列为新科技革命的三大支柱，而材料又是能源和信息发展的物质基础。自从合成有机高分子材料的那一天起，人们始终在不断地研究、开发性能更优异、应用更广泛的新型材料，来满足计算机、光导纤维、激光、生物工程、海洋工程、空间工程和机械工业等尖端技术发展的需要。高分子材料向高性能化、功能化和生物化方向发展，出现了许多产量低、价格高、性能优异的新型高分子材料。
随着生产和科学技术的发展，许多具有特殊功能的高分子材料也不断涌现出来，如分离材料、光电材料、磁性材料、生物医用材料、光敏材料、非线性光学材料等等。功能高分子材料是高分子材料中最活跃的领域，下面简单介绍特种高分子材料：功能高分子是指当有外部刺激时，能通过化学或物理的方法做出相应反应的高分子材料；高性能高分子则是对外力有特别强的抵抗能力的高分子材料。它们都属于特种高分子材料的范畴；特种高分子材料是指带有特殊物理、力学、化学性质和功能的高分子材料，其性能和特征都大大超出了原有通用高分子材料（化学纤维、塑料、橡胶、油漆涂料、粘合剂）的范畴。
第一，力学功能材料：强化功能材料，如超高强材料、高结晶材料等；)弹性功能材料，如热塑性弹性体等。
第二，化学功能材料：分离功能材料，如分离膜、离子交换树脂、高分子络合物等；反应功能材料，如高分子催化剂、高分子试剂；生物功能材料，如固定化酶、生物反应器等。
第三，生物化学功能材料：人工脏器用材料，如人工肾、人工心肺等；高分子药物，如药物活性高分子、缓释性高分子药物、高分子农药等；生物分解材料，如可降解性高分子材料等。
可以预计，在今后很长的历史时期中，特种与功能高分子材料研究将代表了高分子材料发展的主要方向。
四、高分子化学的可持续发展
研究高分子合成材料的环境同化，增加循环使用和再生使用，减少对环境的污染乃至用高分子合成材料治理环境污染，也是21世纪中高分子材料能否得到长足发展的关键问题之一。比如利用植物或微生物进行有实用价值的高分子的合成，在环境友好的水或二氧化碳等化学介质中进行化学合成，探索用前面提到的化学或物理合成的方法合成新概念上的可生物降解高分子，以及用合成高分子来处理污水和毒物，研究合成高分子与生态的相互作用，达到高分子材料与生态环境的和谐等。显然这些都是属于21世纪应当开展的绿色化学过程和材料的研究范畴。
参考文献
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。
参考文献：
[1]杨瑞成，丁旭，陈奎等.材料科学与材料世界[M].北京：化学工业出版社，2006.
[2]李永,宋健,张志民等.梯度功能力学[M].北京:清华大学出版社.2003.
[3]王豫,姚凯伦.功能梯度材料研究的现状与将来发展[J].物理,2000,29(4):206-211.
[4]曾黎明.功能复合材料及其应用[M].北京：化学工业出版社，2007.
[5]高晓霞，姜晓红，田东艳等。功能梯度材料研究的进展综述[J].山西建筑,2006,32(5):143-144.
[6]Erdogan,F.Fracturemechanicsoffunctionallygradedmaterials[J].Compos.Engng,1995(5):753-770.
[7]李智慧,何小凤,李运刚等.功能梯度材料的研究现状[J].河北理工学院学报,2007,29(1):45-50.
[8]李杨,雷发茂,姚敏,李庆文等.梯度功能材料的研究进展[J].菏泽学院学报,2007,29(5):51-55.
[9]林峰.梯度功能材料的研究与应用[J].广东技术师范学院学报,2006,6:1-4.
[10]庞建超,高福宝,曹晓明.功能梯度材料的发展与制备方法的研究[J].金属制品,2005,31(4):4-9.
[11]戈晓岚,赵茂程.工程材料[M].南京:东南大学出版社，2004.
[12]唐小真.材料化学导论[M].北京：高等教育出版社,2007.
[13]李进,田兴华.功能梯度材料的研究现状及应用[J].宁夏工程技术,2007,6(1):80-83.
[14]戴起勋,赵玉涛.材料科学研究方法[M].北京：国防工业出版社,2005.
[15]邵立勤.新材料领域未来发展方向[J].新材料产业,2004,1:25-30.
[16]自蔓延高温合成法.材料工艺及应用/jxzy/jlkj/data/clkxygcgl/clgy/clgy16.htm
[17]远立贤.金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状./articleview/2006-6-6/article_view_405.htm.
[18]工程材料./zskj/3021/gccl/CH2/2.6.4.htm.
英文名称：Acta Photonica Sinica
主管单位：中国科学院
主办单位：中国光学学会;中国科学院西安光学精密机械研究所
出版周期：月刊
出版地址：陕西省西安市
语
种：中文
开
本：大16开
国际刊号：1004-4213
国内刊号：61-1235/O4
邮发代号：52-105
发行范围：国内外统一发行
创刊时间：1972
期刊收录：
CA 化学文摘(美)(2009)
SA 科学文摘(英)(2009)
CBST 科学技术文献速报(日)(2009)
Pж(AJ) 文摘杂志(俄)(2009)
EI 工程索引(美)(2009)
中国科学引文数据库(CSCD―2008)
核心期刊：
中文核心期刊(2008)
中文核心期刊(2004)
中文核心期刊(2000)
期刊荣誉：
联系方式
期刊简介
目前，材料化学专业培养出的学生也不能完全适应社会和市场对人才的需求。这就要求材料化学专业课程体系必须充分体现以就业为导向的思想，提高学生的专业技能，强化学生的就业意识，使学生在考研、就业方面具有较强的竞争力。因此，材料化学专业课程体系的改革迫在眉睫。
现行课程体系存在的问题及其成因
1．办学特色不明确。自我校材料化学专业招生以来，在办学过程中发现在专业建设上存在一些薄弱环节，如专业学科定位不确定，专业人才培养目标不够明确、课程体系中基础课平台不够规范，课程设置不够科学、合理等。究其原因，主要由于材料化学专业建立时间短，办学经验不足。
2．课程设置理念滞后。合理的课程设置理念是让每一位学生不仅受到严格的专业训练，而且还应受到广泛的通识教育，把学生培养成有专业知识、有爱心、有责任心、有雄心的智者。在材料化学专业课程设置中，由于受传统观念的影响，侠义专业概念的限制，只要求知识的传授，对学生独立思考能力、自学能力、动手能力和生存能力方面的培养没有足够的重视。同时，在课程设置中存在对社会需求、学生就业、市场前景等考虑不周等问题。
3．实践、实验教学条件欠缺。实践、实验课程是培养学生的动手能力、分析问题和解决问题能力必不可少的教学环节。起初，我们以三、四十人组成的实习队伍进入企业、经济实体实习。而今，大型企业自动化程度很高，实习生很难进入车间进行实践操作，另外，经济欠发达地区的大型企业为数不多，小型企业又没有能力接收大量的实习生，加上实习经费的短缺等原因，无法实现“大部队”形式的实习。在实验教学方面，由于条件所限，只能开出部分专业课的实验。
4．专业教师缺乏。师资队伍是优化课程体系的执行者，也是人才培养的主导者。先有优秀的教师，后有优秀的学生，再有品牌专业［2］。我校材料化学专业建立以来，虽然引进了固体材料化学、无机功能材料、催化材料、分子生物学等领域的数名博士研究生充实本专业的教师队伍，但是由于地域和待遇的局限，专业教师数量有限，还是不能完全满足教学的需求，目前正在通过各方努力引进高水平的教师，以加强本专业的师资队伍建设。
课程体系的优化策略
课程体系是高校人才培养目标、课程指导思想、课程设置、课程结构及教学管理模式的综合体现，是学校办学特色、学科专业特色和人才培养特色的综合反映。课程体系是否科学合理，对培养高质量人才目标具有决定性的意义。今年，为提高教学质量，适应社会对人才的需求，学校开展了人才培养和教学体系改革研究，重新制定“2012版本科人才培养方案”，借此契机，化学与环境科学学院对材料化学专业课程体系作了重新修订，通过选择、整合与调适等措施进行了材料化学专业课程体系的优化。
(一)调整教学计划，优化专业基础课内容教学计划是一门课程授课的整体规划，随着社会经济和科学技术的发展，教育结构不断发生变革，教学计划也必须不断改革。在本次修订人才培养方案的同时，材料化学专业也调整了教学计划，对各门课程的教学内容进行了优化。
1．无机化学课程。现行的材料化学专业课程体系中，无机化学是大学一年级学生的必修课程。本课程的教学直接影响大学一年级的学生的学习思维方式和学习习惯。也是他们从中学的学习方式转变为大学学习方式的关键时期。在本阶段，我们有意识地培养学生的独立思考能力和自学能力。无机化学课程内容包括理论部分和元素部分，对于材料化学专业的学生来说，无机化学课程的理论部分是课程的核心，元素部分是辅助内容。在调整教学计划前，我们就无机化学课程的讲授内容对本专业三届(90人)学生进行了问卷调查，结果显示，89%的学生不赞成讲解课程的全部内容，认为无机化学元素部分可在教师指导下进行自学。在元素部分的教学中，教师以典型元素的性质进行讲解，然后同学生一起讨论，通过实例指导学生去认识一种元素、一族元素以及一类元素，逐步了解元素的结构—性质—功能之间的关系，使学生掌握学习元素化学知识的方法。另外，我们在化合物的性质教学中，教会学生如何查阅相关工具书、参考书和手册等，这样，其余元素部分设置为自学内容。
2．高等数学课程。高等数学是材料化学专业的一门必修课程。目前我院材料化学专业使用的教材为“生化类”《高等数学》。随着材料化学学科的知识量迅速增加，对材料的定性定量分析、材料结构分析、材料物理性能测试等技术的要求，需要高深的高等数学知识。因此，我们把材料化学专业的“生化类”高等数学调整为“理工类”高等数学。同时，在高等数学课程中增加了线性代数的内容，以达到材料结构测试和性能计算知识的要求。
3．材料结构分析方法课程。测试方法在材料化学专业的发展中有着非常重要的作用。随着对材料的性能、组成和微观结构的深入研究，新的研究方法、实验方法和测试手段越来越多样化。因此，我们把材料结构分析方法课程的教学分为理论讲授和仪器操作。首先，教师在课堂上讲解测定材料结构和性能的仪器，然后学生到仪器实验室进行观摩，在教师的指导下学生自己动手测定样品学习操作。另外，还可借助内蒙古功能材料物理与化学重点实验室的部分高档仪器进行学习。
4．专业前沿知识讲座。课程内容应随着社会、科技的发展及时充实新知识。材料化学专业教材的内容往往是数年、甚至数十年的科学知识总结。为及时补充材料科学领域的新知识，我们将现代材料科技成果融入到教学中，用前沿的材料科学研究内容去充实陈旧的教学内容，在人才培养方案中增加了专业前沿知识专题讲座课程，及时传授本学科的前沿知识和最新研究成果、动态。
(二)加强实践教学，优化课程类型多元化的实践教学是培养学生创新和动手能力的最有效的手段，通过实验来研究物质及其变化规律，使学生获取基本的实验动手能力、综合分析问题的能力、解决问题的能力、一定的科学研究能力和一般的创新能力［3］。根据“高等院校理工科教学指导委员会通讯”所提倡的高等院校材料化学专业规范讨论稿的要求，材料化学专业的实践课程有基础课实验、专业基础课实验、专业课实验、专业实习、毕业论文等等内容［4］。在材料化学专业实验教学中，充分考虑实验内容的科学性和系统性，选择具有一定难度和较大覆盖面的交叉型综合实验作为实验教学的主要内容，以培养学生的创新能力。学院全面开放所有实验室，给学生创造开展专业综合技能训练的场所，提高学生的实验能力。目前，在各级有关部门的支持下，按材料化学人才培养方案的要求，材料化学实验室基本具备完成基础课、专业基础课和专业课的实验教学条件。学院倡导请相关的知名企业家、工程师指导部分实践教学，实现学校与地方大中小型企业的对接。根据各企业的实际，按照学生意愿分成由五至八人组成的“小组”进入不同的微小企业进行多元化的实习。材料化学专业对学生完成毕业论文(设计)实行分类指导和分流培养的方式，改变以往的毕业论文撰写模式，允许学生在教师的指导下根据自已的兴趣、爱好以及个人的从业需求选择毕业论文课题，可以在本学院教师的指导下，也可以在科研院所、企业、经济实体中科技人员的指导下完成毕业论文(设计)。#p#分页标题#e#
关键词：材料科学；结构化学；教学内容
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）18-0032-02
湘潭大学目前除了化学专业、应用化学专业开设结构化学之外，材料物理、材料化学、材料科学与工程这3个材料科学类的专业也开设结构化学课程，5个专业使用的教材均为周公度、段连运先生编著，北京大学出版社出版的结构化学基础（第4版）一书。根据近几年来材料科学类结构化学的教学实践情况，考虑到材料科学学科与化学学科之间的差异，根据材料科学与工程教学指导委员会制订的高等学校材料物理、材料化学专业规范，优化适合于材料科学类3个专业的结构化学课程的教学内容实有必要。
一、结构化学的内容和课程的任务
结构化学是研究原子在空间相互结合成分子或化学实体的方式（结构）、依据（化学键本质）、规律及结构与性能间的联系，它是联系材料宏观与微观的桥梁，是材料设计的基础。结构化学以在分子水平上研究自然科学问题为其主要目标与特征，这决定了它不仅是研究化学反应机制、化学的内在规律性、各类化学体系立体构型、键型及构效关系的指南，而且已成为材料科学、分子生物学、金属有机化学等新兴、边缘或综合学科发展的支柱。结构化学不仅与化学各分支学科，而且与材料科学、物理学、地学、生命科学、冶金学等学科有广泛的横向联系与交叉。结构化学的另一个重要内容就是与合成化学、理论化学以及材料科学、生命科学、固体物理等相邻学科一起，建立分子工程学、晶体工程学等学科。
结构化学课程是材料科学类的一门基础课，其任务是使学生深刻掌握微观物质运动的基本规律，获得原子、分子和晶体结构的基本理论、基础知识，深入掌握物质结构和性能的相互关系，牢固树立结构决定性能的观点，了解研究分子和晶体结构的近代物理方法。通过这门课程的学习，培养学生的创新精神和实践能力，进一步培养学生从结构的观点分析问题和解决问题的能力。结构化学的教学对于锻炼学生思维、开发学生智力、发展学生能力、提高学生综合素质有着极其重要的作用。凡具有较好理论基础的大学毕业生，适应能力强，后劲足，结构化学的教学起着十分重要的作用。
二、材料科学的特征
材料科学与工程正在发生深刻的变化，其研究已深入到原子尺度，突出特征表现在3个方面。第一，材料科学技术化，材料技术科学化，材料科学与工程技术日益融合，相互促进；第二，新材料、新技术、新工艺相互结合，为各个工程领域开拓了新的研究内容，带来了新的生命力和发展前景；最后，学科之间的相互交叉渗透，使得各学科之间的关系日益密切，难以分割。基础科学与现代技术的新成果也和材料科学与工程的发展交织在一起。
从教材角度看材料科学，具有3个特征：基础性、前沿性和应用性。基础性，一方面指材料科学的研究是建立在物理、化学的基础上，没有扎实的理化基础从事材料研究与开发是难以想象的。另一方面，当前材料科学研究显示出突出的交叉性和综合性，学科内容及规模不仅体系庞大而且纷繁芜杂，没有扎实的基础就难以抓住要害，不能适应学科的变化和发展，这就要求教材毫不含糊地重视基础。前沿性是指材料科学的发展速度迅猛，只有在教材中恰当地反映这些变化，才能使学生适应日后的研究工作。应用性是指材料研究的目的而言，是为了实际应用。当今材料研究从实验室到工业化的时间大大缩短，材料研究与开发已成为高科技的重要组成部分，要求在教材中有意识地体现这一特征。
三、结构化学课程教学的主要内容与基本要求
根据结构化学的研究内容和材料科学学科的特征，材料科学类的结构化学课程不仅要兼顾物理系的材料物理和化学系的材料化学2个专业，包含适当的量子力学基础、固体理论和表面结构化学，还要适当地介绍一些的功能材料，不能“有理无物”，而且既要与材料物理课程和材料化学课程紧密地相联系，又要区别开来，既要与计算物理课程和计算化学课程相联系，又要区别开来，突出材料结构与性能的关系，简要介绍分子设计学。遵循加强基础、强化能力、整体优化、精选内容、更新知识、突出应用、反映前沿及简明扼要的原则，进行教材编写。
在内容的选取上，首先把握更新与精选，处理好“新”与“基”的关系。在加强基本教学内容的前提下适当反映新内容，拓宽知识面，体现“少而精”、“精而新”的原则。不仅要反映现代科学的发展趋势和学科的前沿理论，而且应注重结构化学课程对其他课程和学科的渗透，提高综合度。其次充分重视理论联系实际。在不同部分侧重点不同，力求加强宏观与微观的联系，掌握规律。第三，注意演绎法和归纳法2种方法的应用。RHoffmann曾说：“化学理论的最主要作用是提供一种思维方式，以总结更新知识”。结构化学作为理论化学的重要组成部分，要求该课程使学生在2种思维模式即演绎法和归纳法方面均得到较好的训练。中国传统教学偏重演绎，优点是严谨，但缺乏创新意识，而美国等国家在教学上侧重归纳，优点是独立思考和创造能力强，缺点是基础不够扎实。因此，我们力求将2种思维模式在各个章节都有所体现，期望学生受到全面的训练。第四，充分注意习题的作用。习题是锻炼思维的体操，是学习过程中的重要一环，做习题不仅是理解、掌握知识，而且是学会如何运用知识。虽然做习题本身不是科学研究，但对研究能力的养成有重要作用。许多科学大师都曾津津乐道于他们早年在习题中的受益。A Sommerfeld曾写信给他的学生W Heisenberg，告诫他：要勤奋地去做练习，只有这样，你才会发现，哪些你理解了，哪些你还没有理解。杨振宁也曾回忆他的大学学习：西南联大教学风气是非常认真的，我们那时念的课，一般老师准备得很好，学生习题做得很多。的确，“勤奋地去做练习”，“习题做得很多”，往往是达到成功的一个阶梯。因此例题习题选编的恰当与否直接影响教学效果，这在内容多、学时少、提倡自学的当今时代显得尤为重要，对于结构化学课程而言更是如此。习题不能全部简单化，我们编写了一定数量的综合训练题。最后，注意课外读物的作用。课外读物有利于拓宽学生的知识面，培养学生的自学能力。阅读原始研究论文能够培养学生良好的思维能力和思考问题的方法，提高他们分析问题和解决问题的能力。在结构化学中，每一个基本原理或理论大都对应一位科学大师，学习他们的研究方法及写作技巧，对学生将来从事科研等工作十分有益。
因此，材料科学类的结构化学课程教学内容应包括下列6部分内容，各部分的基本要求如下：
1.量子力学基础和原子结构。这部分内容在第1、2章中讲授。要求了解量子力学的基本假设，掌握氢原子和类氢离子的薛定谔方程及求解要点，提高对原子结构的认识，深入理解原子轨道的意义、性质和空间图象。了解多电子原子的自恰场方法及中心力场近似法，了解核外电子布居的依据，了解角动量的偶合及原子光谱项的意义。
2.化学键理论和分子结构。这部分内容主要在第3、5、6、10章中讲授。要求重点掌握化学键的三个基本理论：分子轨道理论、价键理论和配位场理论。其中第3章要求了解线性变分法处理H2+和H2，了解共价键本质及典型的双原子分子的电子排布。第5章要求掌握价键理论在多原子分子结构中的应用，掌握s-p杂化轨道的造法及键角公式。要求掌握HMO方法及其在共轭分子中的应用，掌握前线轨道理论和能量相关图及其应用。第6章要求掌握配位场理论在配位化合物结构中的应用，π-σ配键化合物和过度金属簇合物的电子结构或成键特征与性能。了解分子光谱、电子能谱原理。掌握现代化学键理论在讨论非金属化合物成键特征及结构与性能关系方面的应用。
3.点阵理论和晶体结构。这部分内容主要在第4、7、8、9章中讲授。要求根据分子的几何构型确定分子所属的点群，初步了解群的表示和特征表的意义。了解偶极矩、旋光性与分子结构的关系。要求着重了解X射线衍射等方法所依据的基本原理，以及在测定结构中的作用和应用范围，为了解与掌握现代化学中的重要实验方法打下初步的理论基础。掌握描述晶体结构的表达方法，掌握金属、离子化合物的晶体结构与性能。了解用结构化学理论研究固体表面的结构和性能的方法。
4.功能材料结构与性能。这部分内容在11章中讲授。初步了解几类重要的功能材料，加深理解结构决定性能的观点，初步了解功能材料结构与性能的关系。
5.分子设计基础。这部分内容在12章中讲授。初步了解分子设计的基本原理及其应用。
关键词：材料化学专业；课程体系；优化策略
为社会培养合格的“高级材料化学专业人才”是材料化学专业教育的本质［1］。目前，各高等院校不断优化材料化学课程体系，使其更加科学化和合理化。科学完备的课程体系是知识结构和能力培养的优化组合，材料化学专业课程体系是材料化学人才培养方案的核心，对材料化学专业人才培养起着至关重要的作用。材料化学专业课程体系的优化首先是课程体系和教学内容的整体优化。
一、优化材料化学专业课程体系的必要性
1．高等教育改革的需要。
目前，优化课程体系，改革教学内容，构建合理的知识结构，注重理论联系实际，更新教学手段是高等教育改革的需求。优化课程体系不仅要使它所包含的专业基础课、专业课、实践课等形成相互联系的统一整体，而且要充分体现培养目标和培养规格。
2．现代科学技术发展的需要。
近年来，随着材料化学专业教育课程论及教育理念的发展，我们根据材料科学发展规律，对材料化学专业课程体系进行了两次优化调整（分别为2008年下半年和2012年上半年）。我们优化的材料化学专业课程体系能够体现材料化学专业教育特色，完善材料化学专业课程体系，加强材料化学专业的学科方法论教育。
3．市场经济发展的需要。
优化材料化学专业课程体系能够反映社会和市场经济对综合性专业人才的要求。优化的材料化学专业课程体系应该充分体现以就业为导向的思想。我们倡导与专业相关的知名企业家走进课堂开展必修课教学，实现在校内与企业的对接，强化学生的就业意识，提高学生的专业技能。
二、现行课程体系存在的问题及其成因
1．办学特色不明确。
专业建设存在一些薄弱环节，如材料化学课程体系的基础课平台不够规范，课程设置不够科学，教学进程安排不够合理，等等。此外，由于材料化学专业办学时间短，存在专业学科定位不准，专业人才培养目标不够明确，课程体系不够科学等问题。近年来，为提高教学质量，适应社会对人才的需求，很多高校开展了人才培养和教学体系研究。因此，有必要对材料化学专业课程体系的建设进行思考。
2．课程设置理念滞后。
在材料化学专业课程设置中，我们受传统的重视知识传授的狭义专业概念的限制，不够重视独立思考习惯、自学能力、动手能力和生存能力的培养。同时，在课程设置中存在社会需求、学生的就业取向、市场前景等的考虑程度不够周到等问题。合理的课程设置理念是让每一位学生不仅受到本专业的学术训练，而且受到广泛的通识教育，把学生培养成有专业知识、有爱心、有责任心和有雄心的智者。
3．实验教学条件欠缺。
优化实践教学应该体现以下三个方面内容：一是毕业实习、毕业论文（设计）实行“分类指导，分流培养”。学生可根据个人从业需要，撰写高水平的实习报告，获取名副其实的学分。二是优化实践教学进程。各专业可根据专业特点和人才培养需要，科学、合理地确定毕业实习的时间和进程。三是增设创业实践环节。学生可通过创业训练、第二课堂与创新活动，获得创新、创业学分。而我们现行的材料化学专业的实践教学环节，因人力资源和物质资源等原因，欠缺根据学生需要安排实习和创新性实践内容。
4．师资队伍建设力度不够。
师资队伍是优化课程体系的执行者，也是培养材料化学专业人才的主导者。先有优秀的教师，后有优秀的学生，再有品牌专业［2］。材料化学专业成立以来，我们加大力度引进了固体材料化学、无机功能材料、催化材料、分子生物学等领域的博士研究生数名，充实了本专业的教师队伍。目前我们正在通过各方努力引进高水平教师，加强材料化学专业的师资队伍建设。
三、课程体系的优化策略
课程体系是高校人才培养目标、课程指导思想、课程设置、课程结构及教学管理模式的综合体现，是学校办学特色、学科专业特色和人才培养特色的综合反映。
课程体系是构建人才培养方案的核心内容，其是否科学合理，对培养高质量人才目标具有决定性的意义。我们通过选择、整合与调适课程体系等措施优化了材料化学专业课程体系。
1.调整教学计划，优化专业基础课内容。
（1）优化材料化学专业的无机化学课程内容
材料化学专业课程体系是材料化学专业人才培养方案的核心，课程体系的科学性直接影响材料化学专业的人才培养质量。因此，随着材料化学专业办学条件的改善和教学理念的科学化，有必要优化材料化学专业课程体系。我们现行的材料化学专业课程体系中无机化学课程是大学一年级学生的必修课程。此门课程的指导思想直接影响学生在大学学习的思维模式和获取知识的习惯，这个阶段也是在大学一年级学生从中学学习模式转变成大学学习模式的关键时期。因此我们有意识地培养学生的独立思考意识和自学能力，为学生将来的学习工作打下良好的基础。
无机化学课程内容包括理论部分和元素部分。我们认为无机化学理论部分内容是无机化学课程的核心部分，元素部分内容是辅助部分。目前无机化学课程详细介绍理论部分内容和元素部分内容。我们对材料化学专业的三届（2007、2008、2009级学生）90名同学进行问卷调查，结果80名同学不赞成全部介绍无机化学元素部分内容，而是希望在老师的指导下以自学方式完成无机化学元素部分内容的学习。
对元素部分内容我们采取了抓典型元素性质的分析和讨论，引导学生掌握学习元素化学知识的方法；通过实例指导学生去认识一个元素、一族元素或一类元素；逐步了解结构—性能—功能之间的关系；初步掌握如何通过查阅参考书、手册汲取知识的模式。其余元素部分内容我们设置为自学内容。
（2）优化材料化学专业的高等数学课程内容
高等数学作为高等院校的基础学科，承担着培养学生数学能力，提高学生逻辑思维能力，为专业课程学习提供数学思想和数理方法论的任务。高等数学是化学、生物、物理、材料物理、材料化学专业的基础课程。目前一些普通高等院校的课程设置中有生物、化学、材料化学专业的“生化材”类高等数学教育教学。而随着材料化学学科与数学学科的交叉日益加深，定性定量分析发展迅速，材料结构分析、材料物理性能测试计算时需要更深的高等数学知识，所以我们把材料化学专业的“生化类”高等数学调整为“理工类”高等数学教学。同时我们在材料化学专业的高等数学课程内容中增加了线性代数的内容，以便达到材料结构测试和性能计算的知识要求。
（3）材料结构分析方法课程的教学形式的优化
测试方法在材料化学专业的发展起着非常重要的作用。随着科学技术的发展，人们对材料性能的要求日益广发和苛刻，对材料性能及其组分和微观结构的关系越来越感兴趣，因而不断出现新的研究方法。测试手段也越来越多样化，实验方法的数量随着科学技术的发展而急速增加。因此我们把材料结构分析方法课程的教学形式进行优化。具体做法是任课老师在课堂上介绍材料结构和性能测定仪器的原理，然后到实际仪器设备房间进行教学。学生在仪器管理人员的指导下，利用化学与环境科学学院和内蒙古功能材料物理与化学重点实验室的科学仪器设备完成本课程的学习内容。这样设置学生自己动手测定样品的结构和性能的课程，有助于提高学生的动手能力和解决实际问题的能力。
（4）以专业前沿知识讲座充实课程内容
课程内容应当随着社会、企业、科技的发展及时充实新知识。材料化学专业教材的内容常常是数年，甚至数十年前的人类材料科学知识的概括。所以，任课老师要根据自身研究工作经历及时充实现代材料科学知识，优化课程内涵结构。材料化学专业老师可以采用以下三种方法：一是将现代材料科技成果恰当地融入到基础课教学中，用新的材料科技内容去改造、替代、充实陈旧的教学内容，并处理好知识的继承和发展的关系，使其有机地融合在一起；二是开设材料加工新技术课程内容或开展材料设计加工科技活动，激发学生的兴趣，提高他们的动手能力；三是开展能够反映本学科专业前沿知识、最新科技成就的专题讲座。
2.加强实践教学，优化课程类型。
根据“高等院校理工科教学指导委员会通讯”所提倡的高等院校材料化学专业规范讨论稿的要求，材料化学专业的实践课程有基础课实验、专业基础课实验、专业课实验、专业实习、毕业论文等内容［3］。
多元化的实践教学是培养学生创新和动手能力的最有效手段，通过实验来研究物质及其变化规律，使学生获取基本的实验动手能力、综合分析问题的能力、解决问题的能力，一定的科学研究能力和创新能力［4］。在材料化学专业实验教学上，充分考虑实验内容的科学性和系统性，选择具有一定难度和较大覆盖面的交叉型综合实验作为实验教学的主要内容，着重培养学生的创新能力。全面开放所有实验室，给学生创造开展专业综合技能训练的场所，提高学生的专业素质。
目前，在各级有关部门的支持下，按材料化学课程体系要求能完成基础课、专业基础课和专业课的实验教学任务。但是经济欠发达地区的高等院校的材料化学专业的实践教学课程出现了一些新情况。以往三四十人的实习队伍进入企业、经济实体完成实践教学任务。而今，大型企业自动化程度很高，实习生很难进入车间进行实地实践学习，微小企业又没有能力接收大量实习生，加上专业实习经费的缺乏等原因，材料化学专业的实践教学课程无法实现“大部队”形式的实习任务。所以，我们对材料化学专业实践教学课程进行了优化。我们设置了适合地区特点的、按学生兴趣分成由五—八人组成的“小组”进入不同的微小企业进行不同内容的实践的多元化实践教学模式。在不同的微小企业完成实践教学课程时我们注重学生自身管理和实践指导老师巡视管理相结合，保证实践教学过程中的实习效率和学生安全问题。
改变材料化学专业现行毕业论文模式，允许学生做毕业论文时根据自身兴趣爱好和就业取向选择课题，可以在学院老师的指导下完成毕业论文课题，也可以在科研所、企业、经济实体完成毕业论文课题。
3.增设自学选修课程，优化课程结构。
目前我院材料化学专业的课程体系中没有设置自学性选修课程。材料化学专业教育不仅仅是传授材料科学相关的知识，更重要的是传授获取知识的方法，以便学生顺应社会需求选择性地学习新领域的新知识而提高生存能力。社会需求多元化的当今时代，需要的人才不是单一性人才，而是综合能力较强的复合人才。所以，在材料化学专业课程体系中增设自学性选修课程是社会和科学发展的必然要求。
培养学生的自学能力是丰富学生知识面的重要措施，是教师的基本职责，是素质教育的必然要求，是终身学习的客观需要。优化教学理念和教学观点是培养学生自学能力的前提条件，激发学生的学习兴趣是培养学生自学能力的关键所在，营造学生自主主动学习的舆论氛围是培养学生自学能力的重要环节，科学指导学生自学是培养学生自学能力的基本内容，科学的评价标准是促使学生自学的原动力［5］。在材料化学专业课程体系中增设自学性选修课是提高学生自学能力的一种措施。
目前，材料化学专业课程体系中的化学与社会、化学史等课程完全可以设置为自学性选修课程。优化的材料化学课程体系中应有无机化学元素部分的一些内容，还应有自学性选修课程。只有这样才能给学生创建重视自学，提高自学能力的学习环境。
总之，优化材料化学专业课程体系是材料科学发展的客观需求，是培养合格的材料化学专业人才的要求。优化材料化学专业课程体系是我们办学条件改善和教学理念提升的产物。我们主张在课程体系设置中遵循学生的认知规律，留给学生足够的空间，让学生独立思考自己有兴趣的材料科学问题。同时，我们给学生创造进行独立或在老师指导下的半独立实践活动的条件。采取上述无机化学课程、高等数学课程、实践教学课程和自学性选修课程的优化措施，可培养具有独立思考材料化学专业问题、具有一定自学能力和动手能力的符合社会需求的专业人才。
参考文献：
［1］王燕露.论高等教育的本质［J］.科技信息（高校讲坛），2011，（33）：216-220.
［2］张婧，孙建三.麻省理工学院培养创造创新型人才论析［J］.黑龙江社会科学，2004，（4）：130-132.
［3］高等院校材料化学规范讨论稿［EB/OL］.高等院校理工科教学指导委员会通讯，2006，9.
各部分的教学内容皆围绕一条主线即：组成性质应用而展开。主要性质及其应用：通过对比，掌握不同结构材料的不同性质，比如混凝土、砂浆和砌筑块材等脆性材料的抗压性能远优于其抗拉性能，工程中主要作为受压材料，如用于受压柱和墙等，而建筑钢材和木材等韧性材料由于具有较好的抗拉性能主要用于梁等受弯构件或构件的受拉部位。密切联系工程实际：在课程教学中注意密切结合工程实例。如对一些工程质量事故，可以分析技术上的原因，同时指出劣质建材或偷工减料产生的社会根源，培养他们的责任感和事业心。[3]通过工程材料应用的正面和反面的案例，帮助学生认识材料性质的优劣对工程质量和人民生命财产的重要影响。又既加深了对材料性质和正确应用的认识，又增强了责任感，为培养合格的土木工程师做准备。其他材料部分对其他工程材料，如防水材料、保温隔热材料、吸声隔声材料等，结合具备各功能的基本原理介绍现有不同的功能材料常见品种和优缺点，弄清如何根据不同工程应用条件合理选用功能材料。
课堂教学理论知识的课堂讲授应该避免满堂灌式的填鸭式教学，对课堂教学应该进行合理的教学设计和组织，在课堂上充分调动学生学习的积极性，以提高学习效率和教学质量。每节课的组织最好包括以下几部分内容：（1）用五至十分钟作引言：课堂前十分钟左右，学生大多还不能高效的接受教师所要介绍的内容，故教师不宜直入主题，设置引言可起到铺垫作用，使学生渐入情景，并激起其对本堂课主要讲授内容的求知欲。（2）用三十分钟讲授本堂课的重点内容：针对不同的教学内容，教师可采用多种灵活的教学方法：可讲授、可讨论等等。（3）用五分钟小结：小结是对本堂教学内容的梳理和归纳，使重点更加明确。（4）用五分钟引入下次课内容：小结后可通过设问等方法引入下节课将要介绍的内容，例如采用课前提问的办法，即在本节课快要结束时，给学生们提出几个问题，下节课讲述课程新内容前，先向学生提问，要求学生回答上一节课提出的问题，以促进学生课后通过自学获取知识，[4]同时方便学生带着问题提前预习。当然每堂课的实际教学活动的开展需要根据不同的教学内容和不同的情况灵活处理。
除了时间和内容的把握，教师在教学过程中应该遵循以下原则：（1）语速适中：教师讲授的内容对学生来说是全新的东西，特别是对于抽象或艰深的东西，学生有一个理解和接收的过程，因此，讲课时忌语速过快。（2）讲解准确：在内容正确的基础上，教师的讲解力求准确。（3）力求精辟：对知识点的概括力求精辟，让学生掌握到精髓。另外，在教学过程中，教师要善于创设和谐、宽松的教学情境，促使学生敢疑、善疑，探寻具有创新意义的新方法。教师在教学中,要尽量抛弃以“量”为主的知识观,树立以知识的“质”和“结构”为主的观念，真正使教学成为培养创新精神、提高创新能力的有效途径。[5]2.2课内实验本课程的特点是实践性强，贴近工程实际。课内材料试验的进行可以帮助学生对不同材料的性质获得直接的感性认识，有助于其对所学理论的理解和掌握。通过对材料进行相关试验，可以掌握基本的试验操作和材料性能检验方法，为学生毕业后从事相关工程技术工作：材料验收、质量鉴定、材料试验研究等方面，打下必要的基础。对所获得有关性质的实验数据，例如强度、弹性模量等有一定的感性认识，为后续课程的学习和结构的设计或分析等打下基础。为保证课内试验的教学效果，应做好实验组织和考核工作，细化考核指标，保证每个学生参与实验，在此基础上，可适当开放试验室资源，鼓励学有余力和有兴趣的学生开展适当的创新性实验。
实习现场施工的工程实践是感性认识的另一重要来源。实习是一个非常重要的教学环节，是学生完善相关知识体系、理论联系实际的重要途径。在工地上，可以看到不同材料的具体应用、学到具体的施工操作和检测方法、了解常见工程弊病及其解决方法等课堂上学不到的知识。其重要性不言而喻。因此，教师要本着高度负责的精神，引导学生在实习中多观察、勤思考、善于发现和解决问题，做到学以致用。学科竞赛与科研活动组织学生参加建筑材料方面的设计竞赛，是另一种作用显著的激发学生学习兴趣的途径。通过组织学生参加竞赛可以检验他们对相关知识掌握的程度以及是否具有创新能力。通过组织参加全国“第二届混凝土材料设计大赛”发现，学生的参与热情较高，由于有了展示和发挥的平台，下届学生学习本门课程的积极性也明显提高。而且通过学科竞赛我们也发现了教学中存在的问题，对下一步的教学也有一定的校正和促进作用。学科竞赛等活动为学生提供了学以致用的平台，经过实践修正的理论才能更好地指导实践。学有余力的学生参与教师的科研活动，可在巩固所学知识的基础上，让学生了解本学科的动态和前沿，学会查阅文献、制订方案、撰写论文等，为日后继续深造等积累一定的科研经验。此类创新或科研活动的开展，有利于培养出高素质的工程技术和科研人才。
作者：刘凤利 刘俊华 单位：河南大学土木建筑学院 开封大学土木建筑工程学院
论文关键词：静电纺丝，硝酸镧，氟化铵，PVP，纳米纤维
随着稀土应用研究的广泛和深入发展，稀土氟化物在新材料特别是功能材料研究方面，重要性日渐突现。LaF3晶体具有低的声子能量,高的热和环境稳定性,被广泛用于发光基质材料[1-4]。近几年，掺杂稀土的氟氧化物因其在光通讯方面的应用而发展了起来。这种材料可以提供低的声子能量[5]。自从1993年首次报道以来，稀土离子在氟氧化物中的溶解性，热和环境稳定性的研究得到了很大发展[6,7]。
目前，已见很多文献报道了用不同方法制备出稀土氟化镧纳米微粒[8]、氟化镧薄膜[9]、氟化镧纳米线[10]等，未见有制备出氟化镧纳米纤维的相关报道。本文将稀土氟化物和氟氧化物的特点结合起来，用静电纺丝技术成功制备出LaF3/LaOF复合纳米纤维PVP，并对其进行了结构表征，希望发现新的特性。
1 实 验
1.1 LaF3 /PVP溶液的配制
(1)用电子天平称取一定量PVP，置于磨口烧瓶中，量取一定量无水乙醇，注入磨口烧瓶中，再放入磁力搅拌子,盖上瓶塞。将该磨口烧瓶置于磁力搅拌器上，常温下搅拌12小时杂志网。得到无色透明有一定黏度的PVP的乙醇溶液。
(2)称量一定量硝酸镧固体和氟化铵固体，放入烧杯中，加入少量去离子水，搅拌几分钟，生成白色沉淀。将沉淀加入到PVP溶液中，搅拌24小时，形成白色悬浊液，即为LaF3/(PVP+乙醇)混合溶液。静置3小时，即可进行纺丝。
1.2 LaF3/PVP纤维的制备
将适量制备好的不透明溶胶倒入注射器内，金属电极插入注射管前端。接收距离以毛细管尖端与接收板（铁丝网）的距离为准，为15cm，然后施加20kV的电压。接收时间为48h，得到一层纤维毡。此过程需要不断向容器内补充LaF3/PVP复合溶液PVP，每隔约10min须用干净的滤纸擦拭毛细管管口。
1.3 LaF3/LaOF复合纤维的制备
取上一步骤制备的纤维，将其平铺在坩埚或方舟内，放置于马弗炉中加热。升温速度控制在约0.5°C/min，分别在500°C，600°C，900°C保温10h，自然降温。高温焙烧之后，纤维体积减少，韧性差。样品在热处理中发生了很大的变化，处理前是白色的纤维，当达到500°C时，样品体积明显变小，呈浅灰色薄膜状。达到600°C时，样品体积明显变小，呈白色薄膜状。达到900°C时，样品体积明显变小，呈白色颗粒状。
1.4 测 试
采用S-4200型SEM进行纳米纤维形貌与直径分析；采用Y-2000型X射线衍射仪进行结构分析；采用SDT-2960型差热分析仪对样品进行热重分析和差热分析。
2 结果与讨论
2.1 扫描电镜分析(SEM)
无机-有机前躯体纤维以及经过不同温度煅烧的纤维的形貌如图1。其中(a)为前驱体纤维，由扫描电镜的照片可以看出，LaF3/PVP复合纤维直径较大PVP，约为400nm，表面光滑，尺寸分布均一，彼此没有交连。而由经过焙烧后的 (b)可以看出，纤维中的PVP 逐渐分解，纤维产生非常明显的收缩，直径由原来400nm减小到200~250nm。纤维在热处理过程中，除了体积上的明显收缩以外，纤维出现弯曲杂志网。(c)可以看出，600°C时，PVP已分解完全，纤维没有因为高分子的分解而失去支撑，纤维直径约为150nm。 (d)可以看出900°C焙烧后纤维部分断裂，由颗粒堆积组成，说明焙烧温度过高不易得到纤维。
图1. LaF3/PVP复合纤维及不同焙烧温度下样品的
SEM照片
(a) LaF3/PVP复合纤维 (b) 500°C (c) 600°C (d) 900°C
2.2 XRD分析
将LaF3/PVP复合纤维分别在500℃，600℃，900℃下焙烧，所得样品的X射线衍射见图2。由图中a,b,c可以看出，500℃时已经生成氟化镧晶体PVP，但是晶体发育还不完全，衍射峰不明显，基线比较杂乱。600℃时晶体发育比较好，但是部分氟化镧转变成了氟氧化镧，这是由于焙烧温度升高、焙烧时间延长所致。900℃时晶体发育完全，但是大部分氟化镧转变成了氟氧化镧，这是由于焙烧温度更高，时间更长所致。
图2. LaF3/PVP复合纤维在不同焙烧温度下样品的XRD图
a.500°C b. 600°C c. 900°C
2.3 LaF3/LaOF复合纳米的形成机理
3 结 论
(1)采用静电纺丝技术成功制备出大量的
LaF3/LaOF复合纳米纤维，使无机纳米纤维的制备工艺大大简化，为一维结构纳米材料的深入研究奠定了坚实的基础。
(2) SEM 分析表明，得到的纤维平均直径150 nm，长度>50μm。
(3)XRD 分析表明，得到的纤维为LaF3/LaOF复合纳米纤维。在600℃时晶体发育比较好，衍射峰比较强。
参考文献：
[1]Stouwdam J W, van Veggel F C J M. NanoLett., 2002, 2: 73.
[2]Zheng H R, Wang X T, Dejneka M J, et al.J. Lumin., 2004, 108: 39.
[3]Kam C H,Buddhudu S J. Physica B, 2004, 344: 18.
[4]Wang X J, Huang S H, Reeves R, et al. J.Lumin., 2001, 229: 94-95.
[5]M.J. Dejneka,MRS Bull. 1998, 23: 57–62
[6]M.J. Dejneka, J. Non-Cryst. Solid. 1998,239: 149–155.
[7]Y. Wang, J. Ohwaki, Appl. Phys. Lett. 1993,63 : 3268
[8]张茂峰,孟建新,刘应亮,等.LaF3:Eu3+纳米粒子的水热法制备及发光性质研究. 中国稀土学报，2005,23(5): 564-567.
[9]M. Vijayakumara, S. Selvasekarapandiana,T. Gnanasekaranb, et al. Structural and impedance studies on LaF3thin films preparedby vacuum evaporation. Journal of Fluorine Chemistry, 2004,125: 1119-1125.
[10]张茂峰，孟建新，时朝璞，等.LaF3纳米线的低温溶剂热法制备及形成机理. 无机化学学报，2006，22(10):1883-1886.
[11]崔启征,董相廷,于伟利,等.静电纺丝技术制备无机物纳米纤维的最新研究进展[J]. 稀有金属材料与工程,2006,35 (7): 1167–1171.
CUI Qizheng, DONG Xiangting, YU Weili, et al. RareMetal Mater Eng ( in Chinese), 2006, 35(7): 1 167–1 171.
创新了科研服务理念
科研理念是高校科研工作的灵魂。如何适应新时期科研发展的需求，从被动性工作向主动性工作转变、从服务于工作岗位向服务于经济社会发展转变，成为摆在科研工作面前的重要挑战。受多种因素影响，河南大学长期以来形成了科研竞争意识淡漠的观念，教师参与科研的积极性不高，学术交流与合作意识不强，人均科研成果数量和质量都较低。不从思想上根本改变这种观念，不从体制上加以限制和约束，学校将很难融入区域科技创新体系。通过召开科研大会、赴同类先进院校调研、深入基层科研单位开展调查研究，主动发现问题并切实落实解决，在此基础上，结合学校科研工作实际和建设全国一流大学的目标，学校出台了一系列管理文件，凝练出科研工作的基本理念：积极贯彻科学发展观，促进科研观念的转变，使科研成为全体教师的一种生存状态和成长方式，倡导“问题即课题，教学即研究，成果即成长”，不断营造宽松科研氛围，强化科研竞争意识，增强自主创新能力，突出重点，以点带面，坚定不移地实施跨越式发展战略，为建设高水平研究教学型大学、进而创建全国一流大学提供科研支撑。同时强化管理部门服务意识、营造人人参与科研、全校支持科研的和谐宽松的学术氛围。学校科研竞争意识显著增强，近年来在科研工作方面取得了突出成绩，实现了若干领域新的突破。
完善了创新平台体系
针对普遍存在科研要素条块分割的问题，学校提出大科研概念，把与科研密切相关的要素整合起来，进一步完善科研机构运行机制，理顺学院和研究机构的关系，使科研机构成为产出高水平研究成果的科研基础平台。“黄河文明与可持续发展研究中心”和“体育改革与发展研究中心”已经成为全国乃至国际上有重要影响的研究基地，“特种功能材料重点实验室”和“植物逆境生物学重点实验室”正向国家重点实验室迈进，“河南省纳米材料工程技术研究中心”成为国内纳米科学技术研究及产业化基地。“河南省高校数字区域模拟重点学科开放实验室”等一批重点实验室、工程中心为河南的经济社会发展做出了重要贡献。学校还整合全校科研资源，在基层科研单位设立51个校级重点研究机构，每年给予每个机构3万元的运转经费和平均11万元的项目建设经费，使科研成为教师工作的重要组成部分，极大地提高了教师的科研积极性、主动性和创造性，三年建设期产出了大批创新成果。同时学校还依托自身技术与企业联合组建研发中心，积极探索新形势下校企联合、产学研一体化的新模式。目前，学校基本形成国家、省部、厅局、校四级层次分明，结构合理的科研创新平台体系，参与经济建设和社会发展的能力显著增强，在创新型河南建设中的贡献率和显示度日益显现。
构筑了人才高地
学校以学科建设为中心，吸引和整合创新人才，以提高原始创新能力为目标，淡化行政隶属关系，凝练学科方向，打造学术队伍，依托重大科研项目、国际学术交流与合作项目、各级重点学科和重点科研机构，着力培养造就一批创新能力强的高水平学科带头人，积极引进领军人才，推进创新团队建设。随着各项事业的快速发展，目前学校正处在加快杰出人才队伍建设的阶段，正计划在一些优势学科每年投入1000万元引进2～3位大师级人才，让一个大师级的人物率领一支团队，带领和培养新的杰出人才，开辟新的研究领域和新的优势学科，建成2～3个国内相同领域的科研重镇，实现高层次突破，在国际学术前沿崭露头脚。尝试在校内建立“学科特区”，按照国外的模式对引进人才进行管理，给他们提供优越的工作生活条件、充足的科研经费、自由的财权和人事权力，消除他们的后顾之忧，尽最大努力提供充分发展的空间，大力改善吸引优秀人员的大环境和小环境。同时，学校每年面向新参加工作的教师进行岗前培训，帮助他们了解学校整体科研情况和科研基本规律，尽快融入各科研工作中。近年来，学校汇聚了一大批优秀人才，为创新科学研究提供了智力支撑。
强化科研激励措施
科研体制顺畅是科研工作运行的重要保障。学校重新制定科研工作量核算办法，实行积分制，出台《河南大学科研奖励管理办法》，增加教师科研的灵活性。尤其是高起点、大额度重奖对学校学科建设、学位点建设、学术水平有重要支撑作用的高层次项目和高层次成果(SCI按影响因子奖励)，对全国百篇优秀博士论文和提名论文给予重奖，对发明专利给予1万元的奖励，对一般性项目和成果不再给予奖励。学校还设立“河南大学年度特别贡献奖”，对实现高层次突破、扩大学校学术声誉，产生重大社会影响的科研人员给予特别贡献奖，引导教师积极承担高层次项目和推出高水平研究成果。同时全面梳理科研管理文件，修订完善符合学校目前发展需要的制度体系，这些政策措施的出台，在校内引起强烈震动，激发了教师向高层次目标冲刺，为建设全国一流大学提供了强有力的科研支撑。
加大科研投入
学校设立博士科研启动基金，每年投入300万元用于资助刚参加工作的博士从事科研启动工作；投入100万元作为科研基金项目经费，用于资助青年教师的科研工作；投入60万元作为校重点科研项目经费，主要资助通过国家级项目评审而未获立项的课题，使有发展前景和良好基础的课题继续开展研究并向国家级项目冲刺；投入100万元作为学术交流基金，采取“走出去，请进来”的办法，资助教师参与学术交流，资助在学校召开的国际、国内重要学术会议，重点资助来校讲学或进行研究的诺贝尔奖获得者、院士、长江学者、国家杰出青年基金获得者等高层次专家和学者；投入200万元作为“科技成果转化基金”，设立了专利基金、对外开放基金等多种基金，为科研创新、学术交流、成果转化等提供了充足的经费保障。
加强科技成果推广转化工作
学校以市场为导向，加强管理、组织和领导，制定了一系列激励措施，使横向项目与科研人员的切身利益，尤其是职称评定挂起钩来，引导科研人员在重视纵向课题的同时，更加积极主动地争取横向研究课题。学校积极组织现有技术成果有意识地参加深圳高交会、上海工博会等全国各地的技术成果信息会、展示会、
洽谈会等活动，推广现有技术成果并寻找新的研究课题。学校还与开封市政府合作，建立了产学研合作领导协调小组，正式启动产学研合作工程，一批科技成果纷纷在当地落户。如专利技术“从焦化粗苯生产中提取噻吩”已在开封巨龙化工厂实施，从根本上解决了焦化苯生产过程中产生的废酸污染问题，同时又生产出另一种产品“噻吩”，每年可产生直接经济效益800多万元。
学校充分利用200万元科技成果转化基金，整合科技资源，加快学校科技成果向生产力转化的进程，资助了一批中试成果向工业化转化项目，建立了一批技术产业化的样板工程，为进一步推广奠定了坚实基础。如董学芝教授的“造纸黑液碱回收中直接生产沉淀碳酸钙新技术”解决了围绕造纸界的白泥二次污染问题，达到国际先进水平，获得美国、澳大利亚、俄罗斯三国发明专利，已在武汉晨鸣纸业集团和河南华丰纸业有限公司进行工业化生产，每年新增效益达2000多万元；特种功能材料实验室“可分散性纳米二氧化硅合成新技术”正在济源市建设年产1000吨纳米二氧化硅系列产品生产线，每年可实现产值8400万元；河南省纳米材料工程技术研究中心中试基地完成了“低渗油井增注剂”项目的中试放大和技术转让。2006年10月，学校与企业投资3000万元开展的国家创新药物研究项目正式启动。
