高分子材料研究方向十篇

高分子材料研究方向篇1

（一）优化人才培养方案，加强课程体系建设专业学位硕士研究生的人才培养方案应更加突出行业、企事业单位的职业性质和特点的要求[5]。按照行业特点或职业需要优化人才培养方案，构建课程体系。在课程设置中尽可能体现出与学术型硕士研究生的区别，在课程设置上突出实用化、工程化、技术化和职业化特点，改变课程设置僵化、强调统一、灵活性差等缺点。

1.课程体系的构建要打破原有全日制学术型研究生课程体系的框框，在重视基础理论能力培养的同时，要适度增加通用型理论课程模块，即“大学科、大平台”课程。材料工程专业学位研究生应掌握各种材料的制备技术、材料的各种分析手段和表征方法，以及工程技术与实践能力。因此，作为专业学位课，我们设置了《材料工程案例分析》、《材料制备技术》和《材料现代分析方法》三门课程。其中，《材料工程案例分析》是一门综合性工程技术性很强的课程，内容涉及金属材料、无机材料、高分子材料以及复合材料在实际工程应用中的特点及技术指标要求，例如金属材料的失效原因分析及采取的措施；电子陶瓷材料在高温烧结时颜色变黑的原因；钛酸钡本应为绝缘材料，但添加稀土元素变为半导体材料；等等。与其他基础课程相比，与企业生产实践的联系更为密切，重点在于培养学生分析和解决实际工程技术问题的能力。《材料制备技术》涉及各种材料的制备原理、制备方法与应用特点，是材料工程研究生必须掌握和了解的基础理论知识。《材料现代分析方法》是一门重要的工具课，既涉及到基础理论知识，又侧重于方法的具体实践应用，是必须掌握的专业学位课程。其内容包括X-射线衍射、扫描电镜、透射电镜、能谱分析、光电子能谱、原子力显微镜、差热分析、红外光谱、核磁共振、激光粒度分析、比表面测试等各种表征和分析测试方法。这些核心课程的设立将奠定专业学位研究生解决实际工程和技术问题的理论基础。

2.根据培养方向不同，灵活设置研究生课程模块，即“小方向”课程。例如，根据材料工程方向发展的特点和结合材料学院的科研基础，材料工程专业硕士研究生的培养方向主要有材料加工成型与模具设计、电子功能材料与器件、新能源材料与电源技术、高分子材料合成与改性等四个方向。在这四个方向上可灵活设置专业方向模块课程，即每个方向设置两门任选课程。材料加工成型与模具设计方向主要课程有《材料成型技术与模具》和《材料表面工程技术》，电子功能材料与器件方向主要有《先进无机材料与物理性能》和《光电转换材料与器件》，新能源材料与电源技术方向主要有《电化学原理及测试技术》和《新型能源材料》，高分子材料合成与改性方向主要有《高分子材料选论》和《有机波谱分析》。按不同的培养方向灵活设置研究生课程，可为专业学位研究生提供更大的自主选择性，有利于培养其职业素养，提高学习效率。

3.除了专业学位课和选修课外，为了提高研究生的解决实际工程和技术问题的能力，强化专业实践能力，作为必修课程，设置了《材料科学与工程实验》和《专业实践》这两门课程，以更好地凸显专业学位研究生职业取向和过硬的专业实践的特色。同时，还设置了学术讲座、知识产权、信息检索、技术经济分析等课程，以期全面培养专业学位研究生的信息获取能力和企业技术管理等能力。总之，课程设置要联系企业实际需求，考虑专业学位硕士研究生学习工作和研究背景等实际因素，根据企业技术创新的需求，整合教学资源，开发出一套以因材施教、体现学科前沿和实践性的专业学位研究生课程体系，不断提高研究生解决实际技术问题的科研攻关能力。比如，在材料工程专业学位硕士研究生的培养过程中，我们让研究生学习典型的数据处理软件Origin和CAD、ProE等工程制图软件，而该类实用工程软件的学习无疑将提高专业学位研究生的实践技能。

（二）加强师资队伍建设专业学位研究生的硕士论文选题应来自于企业和科研课题，工程背景明确，应用性强。因此，专业硕士研究生导师要求双导师制。一位是校内的导师，另一位是企业导师。学校导师主要负责研究生的课程学习、开题报告、学位论文理论部分的指导等；企业导师负责专业学位研究生的选题、工作安排、专业实践能力的培养、学位论文实践部分的指导等。学校、企业导师要共同制定研究生培养方案，从而保证专业学位研究生培养的质量。在实际操作中，要注意以下问题：

1.在导师遴选上，既要对导师的学历、职称、科研成果等进行量化评定，又要从工程实践经验、基础理论和指导能力及精力等方面对导师进行全方位综合测评。只有达到要求的校内外导师才有资格被聘为专业学位研究生导师。此外，要弱化对导师学历的要求，强化对导师工程实践能力和专业技术能力的要求。

2.加强专业学位研究生导师素质建设。随着专业学位硕士生规模的不断扩大，现有校内导师有相当数量是从学校到学校的年轻导师，他们虽然学历高，但大多缺乏实际工程经验。为此我们有计划地选派年轻教师到设计院、高新技术企业去挂职锻炼。同时，通过承担企业的横向研究，使年轻教师了解工程实际，参加企业的产品开发、设计、技术改造以及企业的运行、营销和管理，从而了解企业的需求。同时，在稳定现有导师资源的同时，我们从企业聘请或引进有工程技术背景的技术人员和专家作为专任的专业学位研究生指导教师，根据学科方向相近或相似的原则，成立3～5人由校内和校外导师组成的导师指导团队，这样可有效发挥各自导师的作用。

3.聘请企业专家担任相关课程任课教师。例如，《材料工程案例分析》这门学位课，可以聘请行业技术专家以专题讲座形式讲授新技术、新工艺和新设备，分析企业面临的技术难题或企业实际发生的技术难题如何攻关解决等，强化研究生解决实际工程技术问题的意识和能力；加大实践领域专家承担专业课程教学的比例，明确实习实践导师和论文导师的职责。

（三）深化校企合作，建立研究生联合培养基地结合专业和行业的特点，选择条件好的企事业单位、科研院所等共建研究生联合培养实习实践基地，强化产学研用人才培养链条。材料学院已与行业部门共建实习实践基地十多个。2012年，桂林电子科技大学材料学院和桂林电器科学研究院有限公司共建了研究生联合培养基地，该基地被批准为省级研究生联合培养基地。上级有关部门拨专款用于该基地的建设。材料学院的专业学位研究生可方便地到该基地实习实践，企业的导师和校内导师组成导师指导团队共同指导专业学位研究生。同时，联合培养基地拿出专项资金用于改善研究生的实习实践条件以及资助专业学位研究生的科研课题。经过实践发现专业学位研究生的工程实践能力和职业技能明显提高。目前已基本形成了培养单位和行业部门良性互动的包括课堂实践、科研实践和企业实践的实践教学体系。

二、结语

高分子材料研究方向篇2

关键词：放电等离子烧结 快速成型技术 研究进展

中图分类号：TF124 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）11（a）-0036-02

随着科学研究和工业技术的不断发展进步，航空航天、汽车制造、精密器械等领域对材料性能及加工工艺的要求越来越高。放电等离子烧结具有快速、低温、高度致密化的优点，是一种无切屑、少废料近净成形材料成型工艺，广泛应用于强度高、密度大、质量轻合金材料、陶瓷复合材料等特种材料的制备，是当前关注度最高、研究最热的特种成型工艺之一。国内外高校企业和专家学者通过实验测试和数值模拟等多种方法手段进行了大量研究，推动了此种成型工艺日趋成熟，广泛应用。

1 放电等离子烧结机理

放电等离子烧结是一种新兴的压力辅助烧结技术，融合了单轴热压烧结和等离子活化两种技术，具体工艺过程为：在真空环境下，将成型材料粉末（金属、非金属或复合材料均可）密封于导电模具（一般为石墨模具）中，通过模具两端的电极和冲头将脉冲电流施加于模具中需要烧结的成型粉末上，烧结过程同时，对工件施加单轴压力，从而使成型粉末迅速烧结成高性能的材料或零件。放电等离子烧结还可以通过调节烧结温度、轴向压力，调整模具配置，控制烧结材料的晶粒大小和微观结构，是一项非常有发展前景的高新技术。

放电等离子烧结过程包括：轻压跟踪-放电活化阶段，粉末受到压力紧密堆积，施加在工件两端的高强度脉冲电压击穿粉末的氧化膜，产生轻微放电；重压成形-热塑变形阶段，由于粉末放电活化作用，在相对较低的压力和温度下粉末即可极大地提高致密性[1]。放电等离子烧结在利用焦耳热烧结成型的基础上，通过辅助电流激活粉末的活化作用，使粉末颗粒持续保持热塑状态，低压、低温下即可形成高致密化纳米晶体材料，在制造难以熔融在一起或者是熔点较高的复合材料方面具有明显优势。

2 放电等离子烧结的究现状

早在20世纪30年代，美国科学家便开始探索利用脉冲电流进行材料烧结，但直到1965年，这项技术才真正应用于实际。放电等离子烧结以其独特的加工优势，吸引了国内外科研人员对其进行了大量研究，其中美、日、韩等国在烧结工艺和烧结材料上做了大量系统研究，技术水平一直处于前列；我国对放电等离子烧结技术的研究起步较晚，但发展迅速，国内高校和科研院所等在放电等离子烧结理论和应用工艺等方面做了深入研究。

2.1 实验研究方面

放电等离子烧结实验研究大多围绕材料制备和不同参数对烧结工艺影响两个方面。

对硬质合金的放电等离子烧结研究发现，放电等离子烧结不但可在外界环境要求不高的条件下制备难容合金材料，还能极大提高烧结合金材料的力学性能；采用放电等离子烧结进行钛镍记忆合金加工制备时，可在较短时间内实现钛镍合金致密化[1]，有效解决了熔炼生产无法得到组分均匀和形状复杂的合金这一难题。

放电等离子烧结工艺还常用于制备陶瓷复合材料、电磁材料等功能性材料。研究发现，放电等离子烧结过程中，通过电流激发作用能够有效降低超高温陶瓷材料的烧结温度，控制晶粒的尺寸，使材料快速致密化，以提高陶瓷材料的烧结性能和力学性能；实验表明，应用放电等离子烧结制备磁体，通过脉冲电流的激发作用能够促进磁体的相变，提高磁体的致密性，减少杂质的产生，改善电磁材料性能[2]；应用放电等离子烧结技术对纯碳化硅粉末进行烧结，可成功制备相对密度为98%，晶粒尺寸小于100 nm的多晶碳化硅块体。

国内外专家学者还对放电等离子烧结的重要参数如烧结温度、压力、电流强度对成型粉末熔合过程的影响进行了深入研究。研究发现，最佳的烧结温度不应超过粉末颗粒完全熔化的温度。以铝粉放电等离子烧结为例，随着烧结温度的提高，烧结工件的密度、硬度也会随之增强，但过高的温度会使粉末颗粒表面会产生强烈的塑性变形、机械旋转和原子扩散现象，反而使材料性能变差。此外，烧结温度的控制还与粉末颗粒尺寸密切相关。

在烧结升温过程中，烧结颈的增长状况直接影响试件的致密化程度，对于可导电的纳米颗粒，烧结过程的高温会使颗粒局部蒸发、表面氧化膜去除，从而使电流传导更加畅通，确保烧结颈尺寸均匀增长。此外，烧结颈还与材料收缩率变化、颗粒晶向、颗粒结构相关。

2.2 模拟研究方面

由于放电等离子烧结工艺中的粉末尺度非常小，受放电等离子烧结粉末成型环境的限制，一般方法很难对烧结过程、成型机理、影响因素进行准确的分析，获取烧结过程中的实时参数和检测也十分困难，因此模拟研究成为放电等离子成型技术不可或缺的研究手段之一。

应用ABAQUS或MATLAB等有限元模拟软件对放电等离子烧结过程进行模拟，可获得粉末、模具、冲头间的温度场分度、热场分布和电场分布，研究发现粉末与模具壁之间的存在着温度梯度和较大压力梯度，模具表面温度和试样温度存在近似线性的关系，导热率低的粉末会形成较大的温度梯度等等。科研人员还通过有限元计算模拟出放电等离子烧结系统的电流密度和温度分布变化，从而提出一种准确捕获温度曲线的参考原则。

有限元法能够模拟出放电等离子烧结过程粉末成型的宏观变化，但从原子尺度解释烧结机制还有一定局限性。因此有学者应用分子动力学模拟将模拟尺度缩小到了原子尺度，在原子尺度下研究各种材料微观特性，实现烧结过程的可视化，准确捕获试验研究无法测量的物理量，具有重要的指导意义。

分子动力学模拟为纳米颗粒的研究提供了一个良好的平台，取得了大量的研究成果，如镍纳米颗粒、铜纳米颗粒、氧化钛纳米颗粒等的烧结，可通过观察两颗粒间烧结颈与收缩率的变化来分析烧结过程。研究发现，由于颗粒间晶向异性，在烧结初期晶向会发生变化，形成不同类型的烧结颈[3]，而颗粒间的表面扩散、粘性流动、塑性变形和表面张力也会对烧结过程产生影响。

3 结语

科研人员围绕着放电等离子烧结进行了大量的实验、模拟研究。通过实验研究能够制备出新型特种材料，但无法详细解释材料性能变化的机理；模拟研究虽能够从微观角度揭示烧结模具内各种场的分布，解释简单的烧结机制，但无法与实验M一步融合。随着研究的细化与深入，放电等离子烧结的烧结机制将逐渐被人们揭开神秘的面纱。对于加工难以熔合在一起的合金或高熔点材料，放电等离子烧结表现出明显优势，在金属混合物、多孔材料的制备和不同材料组成的层状复合材料的生产等领域也将有突破性进展。

参考文献

[1] 王海兵，刘咏，羊建高，等.电火花烧结的发展趋势[J].粉末冶金材料科学与工程，2005，10（3）：138-143.

[2] 张小明.TiNi形状记忆合金的电火花烧结[J].钛工业进展2000（3）：8.

[3] 张同亮，刘丹敏，饶光辉，等.SPS制备Mn1.2Fe0.8P0.76

高分子材料研究方向篇3

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。 

 

高分子材料研究方向篇4

非对称纳米粒子的特殊非均质结构决定了其独特的理化性质，由此也为这种新型纳米材料的广泛应用奠定了基础，尤其在生物纳米技术领域。这种非对称纳米材料的独特性质主要包括表面双亲性、催化特性和生物相容性。下面将从这几个方面进行综述。

1.1表面两亲性在水/油混合体系中，具有表面两亲性质的固体纳米粒子可以在两相表面形成一层结构稳定的单分子层以阻止乳化液滴的聚并。由于非对称粒子两面不同的结构特点，因而对其表面活性的研究也曾一度引起广泛的研究热潮。Binks等对比研究了均质粒子和非对称粒子在油/水界面上的吸附性能。结果发现，非对称粒子可使Pickering乳液的稳定性大大增高。相对于仅产生均一表面湿润性的粒子，非对称粒子是具有两面不同湿润性表面的新型粒子，并且也由此具备了典型的Pickering效应和传统表面活性剂的两亲性质［4］。为进一步探究非对称粒子的两亲性，Glaser等运用哑铃状Au-Fe3O4纳米粒子在水相中乳化正己烷，并深入阐明了非对称粒子的两亲性。实验通过配位体交换在Au的部分修饰正十二硫醇(DDT)和十八硫醇(ODT)以增加Au部分的疏水性，从而在整体上提高了粒子的两亲性质。由于具有两亲性的非对称粒子在界面上可通过自组装以降低界面张力，从而增强乳浊液的稳定性，因此在乳液体系中碳氢化合物配体修饰的Au部分因其非极性而朝向正己烷相，同时，极性分子Fe3O4则浸入水相中。实验证明，相对于相同粒径和化学组成的均质粒子，非对称粒子具有更好的界面活性，并且其界面活性随着粒子两亲性的增强而增强。最近一项研究表明，不同类型固体纳米粒子在稳定癸烷和水乳化液时，非对称纳米粒子表现了相对于均质粒子更强的稳定性，因此可以更有效地抑制分散相的聚并。通过观察纳米粒子对两相液滴的乳化作用，Fan等［6］通过动力学模型从机制的角度详细比较了非对称纳米粒子和均质纳米粒子在稳定Pickering乳液时的区别。结果表明，两相界面上粒子的密度是稳定Pickering乳液最关键的因素。当密度足够大时，三相接触角可以作为区分粒子是否有效地稳定乳化液的一种量度。当以相同的密度和接触角时，非对称纳米粒子在稳定乳化液时表现出较均质纳米粒子更加有效。在生物质精炼过程中，初产品的不相溶性和热不稳定性大大增加了纯化过程的复杂度，从而导致得率降低，因此，一种既能够在两相界面上稳定存在又同时具备催化性的材料应运而生。非对称纳米材料因其良好的两亲性可以有效稳定水/油乳液，当在其表面修饰催化剂时，这种材料便可以在两相界面上进行催化反应，从而有效完成非均相的有机合成反应，提高生物质精炼的效率［7］。近年的研究表明，非对称纳米材料凭借优越的表面活性，其多种应用潜能已被开发，如表面稳定剂、增容剂以及防水纺织品等。在工业生产中，为了在反应性共混体系中增容两种组分，通常需要使用嵌段共聚物作为增容剂，但由于大多数的嵌段共聚物不能吸附在界面上，并且在高剪切挤压过程中容易丢失，因此很大程度上增加了共混聚合物的成本。然而，非对称粒子因其表面双亲性质有效避免了嵌段共聚物的缺点，因此可以代替嵌段共聚物成为一种新型增容剂。经相关实验证明，非对称粒子在聚合物共混体系中具有更高的增容效率［8］。Synytska等［9］还巧妙地利用了非对称粒子的双亲性将其化学性修饰到纤维表面，从而开发出新型的防水纺织品。

1.2催化特性近些年，科学家对于催化剂分子与纳米粒子的结合研究已获得一些进展，如纳米驱动器、感应器、纳米泵以及自动装置的问世。相应复合材料的性质及应用也受到广泛关注。研究人员发现，在氧化物载体上修饰金属所形成的复合纳米材料，相较于未修饰之前的单一组分纳米材料具有更强的催化活性，并且这种复合粒子的催化性能还会因发生在金属与氧化物接触面上的协同效应而增强。Wang等［10］用贵金属和金属氧化物制备出哑铃状的非对称纳米材料，并研究了该合成材料在氧化CO中的催化效率。结果表明，制备的Au-Fe3O4和Pt-Fe3O4非对称粒子在氧化CO时表现了较单纯的贵金属材料(Au或Pt)更强的催化活性。类似地，在催化H2O2还原反应时，Au-Fe3O4纳米粒子也表现出很好的协同效应，从而获得增强的催化性能［11］。自1972年，由日本东京大学FujishimaA和HondaK两位教授［45］首次报告发现TiO2单晶电极可以光催化分解水产生氢气，从而开辟了光解制氢的研究道路。随着材料学的发展，纳米化光催化剂得以实现。由此诞生的纳米TiO2粒子凭借其较高的光催化活性成为当前最有应用潜力的一种光催化剂。但因其能带限制，只有吸收波长小于387.5nm的紫外光才能产生光生电子和空穴以诱发光催化反应，这在很大程度上限制了TiO2光催化技术的实际应用。为拓展TiO2光能利用效率，充分利用太阳光中的可见光，国内外学者围绕TiO2改性做了大量研究［12］。由于贵金属粒子在入射光电场作用下，其自由电子可产生集体振荡，当入射光子频率与贵金属纳米粒子传导电子的整体振动频率相匹配时，纳米粒子会对光子能量产生很强的吸收作用，就会发生局域表面等离子体共振(localizedsurfaceplasmonresonance，LSPR)效应。在Seh等［13］的研究中，制备的非对称金-TiO2纳米粒子可借助金的LSPR效应有效促进TiO2光解制氢。根据实验对比核壳结构的金-TiO2纳米粒子可知，非对称的金-TiO2纳米粒子作为优良的光催化剂在等离子体增强的可见光光解制氢的应用中表现了较好的催化效率。类似地，利用TiO2的光催化性质，非对称结构的金-TiO2纳米粒子还被应用在光催化甲醇氧化生产甲醛的反应中［14］。纳米粒子可以通过将环境中的自由化学能转化成机械能从而使其获得自身动力。作为贵金属之一的铂是一种良好的金属催化剂。它可以催化过氧化氢生成水和氧气，因此制得的铂-金非对称金属纳米棒在过氧化氢水溶液中通过催化反应可获得自发动力。实验显示，在过氧化氢溶液中该纳米棒可以30μm/s的速度进行轴向运动。在类似的实验中，Ozin和他的同事［16］也观察到镍-金纳米棒的旋转运动。在对非对称纳米粒子的催化动力机制的研究中，Wang等［17］制备的修饰有过氧化氢酶的金-吡咯非对称纳米棒在H2O2溶液中也呈现出一定的运动现象。Howse等在前人的研究基础上对非对称粒子催化动力机制进行了深入探索，他们在聚苯乙烯微球的半面上包覆了铂金属材料，并利用铂对过氧化氢的催化还原作用而使其获得自发动力。实验发现，在短时间内，非对称形态的粒子呈现出定向运动，且运动速率随着环境中底物分子浓度的升高而增大。由此构建的趋化系统也为非对称纳米粒子的实际应用提供了新的方向。之后，在Sen和Chaturvedi等的进一步研究中发现，具有催化性的非对称粒子在紫外线照射和H2O2的环境中还表现出一定的趋光性［19，20］。基于非对称材料独特的结构特点和多种性质的相辅相成，这种新型复合粒子为进一步的材料创新以及应用开发都提供了良好的基础和平台。从近年的研究热度和方向可见，具有催化性的非对称纳米粒子，在化学和生物领域都具有很大的应用潜力。

1.3生物相容性基于亚细胞的尺寸大小，纳米粒子被广泛应用于生物领域，如细胞标记和成像。当纳米材料被应用于生物体内时，该材料或结合在细胞表面，或经吞噬作用和巨胞饮作用内化到细胞内。研究表明，在纳米粒子与细胞或胞外环境之间通常会产生一些生物效应，这些生物效应的发生主要由纳米粒子的物理化学性质(尺寸、形状、表面性质)所决定，并由此产生生物相容性或其他生物效应。为了使纳米材料在生物体内更好地发挥其预期作用，研究者们认为，良好的生物相容性是一个至关重要的前提条件。经大量研究发现，SiO2、羟磷灰石(HAP)［23］、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)以合适的物理化学性质修饰于材料表面时，可使材料引入官能基团从而获得较高的生物相容性。因此，无论是对称或非对称纳米材料，其表面如果修饰这些试剂，理论上都是可以获得较好的生物相容性。在了解到聚丙烯酸和聚丙烯酰胺-丙烯酸在人体试验中均表现了良好生物相容性后，Yoshida等创新性地将这两种试剂利用化学反应制成具有两相性的非对称纳米胶体，并在两部分材料中分别修饰了生物素和异硫氰酸荧光素，进而可将链霉亲和素特异性结合在材料表面。经进一步的细胞实验表明，这种非对称纳米胶体在较宽的剂量范围内仍保持很好的生物相容性。在最近一项研究中，非对称纳米材料Au@MnO因同时具备磁性和光学性的双功能而成为高通量检测的研究重点。但是MnO因自身带有一定的细胞毒性阻碍了其在生物医学领域的应用。为了解决这一问题，科学家们将SiO2包覆在暴露的MnO部分，通过改变非对称材料的表面修饰，从而使这一非对称纳米材料(Au@MnO@SiO2)在之后的细胞活力实验中表现了较好的生物相容性，并降低了细胞毒性，从而扩展了其应用范围。

2基于非对称纳米材料的生物探针构建及其应用研究

作为多功能纳米材料，非对称纳米粒子的大多数应用都得益于它可调控的非对称结构和独特的表面特性。随着非对称纳米粒子制备方法的多样化，其在各领域的应用潜能被不断开发，尤其在生物医学领域。由于在非对纳米粒子的两部分独立表面上可以分别修饰配体或蛋白质等生物大分子，由此构建的多功能生物探针已被广泛应用在医学研究和临床诊断上，如生物传感器和靶向药物运载系统等。

2.1生物传感由于非对称纳米粒子具有独特的理化性质，因此可经多种修饰而获得良好的生物传感性能。具有精确生物传感能力的纳米探针对医学领域的应用具有重大意义。Wu等［28］制备的非对称金-聚苯乙烯纳米粒子就同时具备了细胞特异性靶标和生物传感功能。由于修饰在聚苯乙烯半面上的抗HER-2抗体可以与BT474人乳腺癌细胞表面的HER-2受体特异性结合来靶标细胞，同时又通过对金半面的表面增强拉曼散射图谱来传感目标细胞，从而提高了癌细胞检测的灵敏度。Villalonga等［29］运用非对称纳米粒子成功设计出一种尿素传感系统。在这种非对称纳米粒子的金表面修饰上脲酶，同时在介孔硅材料表面包覆上一种pH感应门控(pH-responsivegate)物质，当这一生物探针在环境中遇到尿素时，金部分携带的脲酶就会专一性分解尿素，导致环境中pH值升高，进而打开pH感应门控以实现传感效应。在哺乳动物中枢神经系统中，多巴胺是一个非常重要的神经递质，因而对这种神经递质的定量检测也引起了研究人员浓厚的兴趣。目前，利用多巴胺在电极上的电化学催化氧化作用进行的检测最为普遍。但由于电极表面会因氧化产生污物以及来自抗坏血酸联合氧化形成的干扰都对多巴胺的检测效率构成了一定的负面影响。最近的一项研究显示，将非对称金纳米团簇修饰在玻璃碳电极上制得的多巴胺电化学传感器在多项实验中均表现了较高的催化活性从而有效降低了多巴胺检测限。在多巴胺的电化学反应中，非对称纳米团簇作为一种氧化还原介质可有效促进团簇与玻璃碳电极间的电子转移，以增强多巴胺的电化学催化氧化，从而提高了多巴胺的检测灵敏度和效率［30］。类似的研究发现，为构建一个生物识别-效应系统，在非对称金-介孔硅纳米粒子的两部分分别修饰上链霉亲和素和辣根过氧化物酶(HRP)，当该探针特异性地结合在修饰了生物素的金电极上时，由于固定化的HRP在电化学反应中可转化环境中H2O2从而产生电分析信号，之后由循环伏安曲线来表征这一传感效应。多模态成像是生物医学诊疗中的一项重要的传感手段。通过标记生物荧光物质或量子点的成像探针在细胞靶标和分子检测中已广泛应用。得益于局部表面等离子体共振现象，贵金属纳米粒子以及包含贵金属的复合纳米颗粒具有优良的光学性质，因而可用于光学传感［32］。Sotiriou等将Fe3O4/Ag非对称粒子标记特异性抗体后，细胞实验中暗场荧光测试结果表明，摄取Fe3O4/Ag粒子的Raji和Hela细胞显示出较强的荧光信号，与未经该材料处理的Raji和Hela细胞形成强烈的反差，说明Fe3O4/Ag非对称粒子能够很好地应用于细胞标记和生物成像中。根据量子点的荧光性质，Selvan等制备了表面包覆SiO2的Fe3O4/CdSe非对称二聚体，之后将聚乙二醇(PEG)修饰在复合粒子表面，PEG的亲油基团暴露在表面以便于细胞膜标记。将表面改性后的复合粒子用于活体细胞膜的特定标记，激光共聚焦扫描显微镜结果显示，经磁性粒子标记后小鼠乳腺癌细胞显示出较好的荧光特性，从而证实了Fe3O4/CdSe粒子在体内成像上的应用。

2.2靶向运载非对称复合纳米粒子因其两面性在药物靶向输送方面具有潜在应用价值，有的已步入临床研究阶段，因此成为当今生物医学中热门的研究课题之一。众所周知，含铂化合物是一类常用的抗癌药物。因其对肿瘤细胞识别力差而引起较大的毒副作用，多项研究已致力于将其载带于具有靶向功能的纳米材料上。在一项研究中，磁性介孔磷酸钙纳米材料表面可经化学反应修饰上—COOH，之后，研究者将含铂化合物、—NH2化的靶向分子叶酸和荧光标记物罗丹明B分别经化学交联而结合在材料表面。经细胞实验表明，该靶向运载系统在Hela细胞中表现了较高的特异性和杀伤力，从而也验证了传统的对称纳米材料在靶向运载功能上的应用可行性［36］。而以两面性和多功能为主要特点的非对称纳米材料，在合适的设计下亦可作为靶向运载的工具。Sun等［37］利用Au-Fe3O4非对称复合结构的各向异性表面特性及多功能单元，设计了具有靶向输送含铂药物的新型多功能载体。以共价键的形式将含铂化合物的药物和具有靶向作用的HER-2特异性抗体分别连接到复合结构中的金颗粒和Fe3O4颗粒表面，通过对化学连接方式的设计使含铂化合物在低pH值条件下释放，从而可以一定程度上实现对癌细胞的选择性杀伤。相较于单一性即传统的对称纳米材料，非对称的Au-Fe3O4材料本身就兼具了示踪信息:磁性和光学性，因而无需标记其他示踪物，从而简化了修饰过程。此外其非对称表面的生物修饰相对独立，更有利于实现药物分子的可控设计和监控。类似地，在利用非对称金-聚苯乙烯纳米粒子特异性靶标并传感人乳腺癌细胞时，Wu等也提到可以在聚苯乙烯表面通过疏水性吸附将药物固定在功能载体上，以达到高效治疗的目的。最近，Wang等［38］基于具有典型非对称结构的聚苯乙烯-四氧化三铁-氧化硅三元复合体系，在聚合物和氧化硅组分表面分别修饰上不同的化学基团，并且借由功能基团的选择性分别连接上靶向分子叶酸和化疗药物DOX，从而制备了具有靶向和pH值敏感的控释药物载体(图2)。细胞实验结果证明该载体具有良好的肿瘤细胞靶向效果。Sahoo等运用传统的对称纳米材料，也设计出一种以叶酸为靶向载带药物DOX的运载系统。其设计主要是以多功能的MnFe2O4纳米粒子作为载体，通过SiO2包覆形成核壳复合体，后经表面修饰和造孔剂作用使得这一载体表面具备官能基团和多孔性，叶酸分子可通过表面官能基团连接于载体上，而DOX则可载入表面多孔中。这一精良设计使得该运载系统获得了较好的靶向运载效力。与这一DOX运载系统相比，虽然非对称纳米材料在靶向运载效力或是设计程序的复杂程度上并无明显优势，但是Wang等的非对称复合材料可因连接DOX的pH感应门控而实现DOX的可控释放。由此可见，非对称纳米粒子可以有效实现靶向基团和载带药物分步地附着于粒子表面，从而使得这种材料的表面生物修饰具有更好的独立性和可控性。这种通过复合材料的两个独立表面及其表面基团来设计多功能纳米诊疗系统的新思路，可以扩展到其他不同组分的非对称复合材料体系，并可能用于其他生物医学领域。作为靶向运载系统，非对称纳米材料还可以应用在基因治疗(genetherapy)方面。基因治疗是指将外源正常基因导入靶细胞，以纠正或补偿缺陷基因，达到治疗目的。Salem等在非对称Au-Ni纳米棒表面分别化学性修饰上靶向配体和DNA质粒从而设计出一个靶向基因运载系统。修饰在Au表面的转铁蛋白作为靶向物质可以有效捕捉到细胞，同时由于结合在Ni部分的质粒DNA具有编码荧光素蛋白酶和绿色荧光蛋白的基因，因此经细胞转染实验后，激光共聚焦扫描显微镜的结果证明了靶向基因运载系统的有效性，从而为这种复合材料的进一步临床应用提供了实验依据。

2.3基因疫苗基因疫苗指的是DNA疫苗，即将编码外源性抗原的基因插入到含真核表达系统的质粒上，然后将质粒直接导入人或动物体内，让其在宿主细胞中表达抗原蛋白，诱导机体产生免疫应答。一项研究表明，修饰有外源DNA的非对称无机纳米棒可作为一种基因瞬时表达的载体，当其导入细胞内以后，外源DNA和宿主细胞染色体DNA不发生整合就可直接表达为抗原蛋白。与其他无机非病毒载体不同的是，这些纳米棒可以在空间特定区域上修饰不同的功能基团，以提供精确控制的抗原［40］。因此，为进一步开发这种特殊材料的应用潜能，相关研究应首先证实这一新型疫苗载体可以在体内发生强烈的免疫反应。Salem等运用基因枪法将携带有模式抗原的非对称Au-Ni纳米棒导入小鼠体内，结果观察到很强的抗体反应和CD8+T细胞反应。由于免疫刺激佐剂效应(immunostimulatoryadjuvanteffect)，修饰在纳米棒Ni部分的pcDNA3可以增强结合在Au部分上抗原的免疫原性，从而有效增强了免疫应答的强度［41］。这项研究也为非对称纳米材料在接种疫苗领域的进一步应用提供了研究基础。

2.4杀菌剂在临床上，细菌感染是一项可引起较高死亡率并增加医疗成本的严重问题。然而随着细菌抗药性的发现和不断增强，探索新型杀菌剂的开发和应用成为研究热点。Lee等［42］的研究表明，银纳米粒子对多种革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均表现了较强的杀菌效果，因而成为一种高效的新型抗菌剂。然而，银纳米粒子较强的团聚效应、易氧化性和较高表面能等缺陷也限制了这种抗菌剂的实际应用。之后，围绕增强银纳米杀菌剂的稳定性和杀菌力的研究进一步展开。其中，利用非对称纳米材料和银纳米粒子复合形成的抗菌剂表现了较好的杀菌效果。由Zhang等制备的Fe3O4-SiO2非对称纳米棒因其优越的生物相容性而成为杀菌剂良好的修饰材料。Fe3O4-SiO2非对称纳米棒因结合了两个部分材料的性质而同时具备较强的磁性和温和的表面修饰性能，因此由其与银纳米粒子结合形成的复合材料便成为一种可回收的高效杀菌剂。通过抑菌实验发现，Ag@Fe3O4-SiO2对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的最低抑菌浓度分别为0.90μg/mL和1.35μg/mL，明显低于单一的银纳米粒子。之后的实验进一步证实，修饰了银纳米粒子的非对称纳米棒作为一种新型杀菌剂，具有相对较好的分散性和稳定性，更重要的是具备了更加有效且持久的杀菌力。

3展望

高分子材料研究方向篇5

【关键词】材料物理 教学改革 人才培养

【基金项目】湖北省教育厅教学研究项目（编号：2011276，2012288）。

Abstract： In recent years， with the gradual increase of the national investment in new energy， new materials， and optoelectronic information industry， the demands of social engineering capabilities， as well as business level of materials physics graduates increase accordingly. It？蒺s imperative to reform the existing teaching system of materials physics. In this work， the reform of teaching system of materials physics was discussed from four aspects of teaching philosophy， curriculum development， teaching practice， and faculty development. In addition， some suggestions on how to train more professional materials physics graduates were given.

Key words： materials physics； teaching reform； personnel training

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）06-0170-02

材料物理专业属于材料科学类，其培养目标是培养较系统的掌握材料科学的基本理论与技术，具备材料物理相关基本知识和基本技能，能在与材料科学与工程相关的领域从事研究、教学、科技开发及相关管理工作的材料物理高级专门人才[1]。随着科学技术的不断发展，社会对材料物理专业人才的需求情况也在逐渐发生变化。近几年国家在新能源、新材料以及光电信息领域投入的不断加大，使得企业对于材料物理专业毕业生的需求数量也在逐年增加，特别是对于具有较强专业基础和实践能力的人才的需求，是很多高新技术企业每年人才发展计划的重点。

材料物理是物理学与材料科学的一个交叉学科，主要通过各种物理技术和物理效应，实现材料的合成、制备、加工、修饰与应用。主要研究范围包括材料的合成、结构、性质与应用；新型材料的设计以及材料的计算机模拟等。随着国家对本专业人才需求的变化，对本专业的教学体系进行一定的改革迫在眉睫。本文以武汉工程大学材料物理专业的发展为出发点，分别从教学理念、课程建设、教学实践以及师资队伍建设四个方面入手，详细探讨了本专业在新形势下进行教学改革的一些措施。

一、教学理念的更新

面向未来的教学改革需要现代化的教学思想，需要前瞻性的教学理念[2]。这些教学理念包括从专业教育向综合素质教育，从重知识传授向能力培养转变；从封闭式的学校教育模式向开放型的产、学、研三结合的教育模式转变；从标准化培养模式向个性化、选择性培养模式转变；从维持性学习向创新性学习转变[3]。

武汉工程大学材料物理专业所属学科为省级重点学科及湖北省首批优势特色学科，本专业依托自身的学科优势和人才优势，将专业人才培养特色定位于低温等离子体技术及应用和功能薄膜材料的开发，重点培养在光电信息材料、新能源材料、环境材料等方面具有扎实的基础理论知识和实践能力的应用型创新人才。

为适应新时期国家建设对材料物理专业人才需求的变化，在对本专业人才的需求情况以及人才市场走向等问题进行充分调查论证的基础上，明确了我校材料物理专业的培养目标，即在专业设置和课程体系设计上尽量体现“拓宽专业面、夯实基础、重视能力培养”的指导思想，着力培养学生的创新能力，真正提高本科生的素质教育。同时，我们也注意到现实的就业压力对学生的影响，在打好基础，增强适应性的同时，设置功能薄膜材料和等离子体技术2个专业方向，提供了更多的课程、丰富了教学内容，扩大了学生的选择空间，满足学生多样化的需求，进一步体现了因材施教的思想；同时也体现我校等离子体学科及薄膜材料研究方面的特色。

新的教学方案力求将全面素质教育的精神渗透到专业教育之中，使基础知识教育、能力训练和素质培养结合起来，对学生进行较为系统的基本知识和基本理论的教学，加强对学生基本方法和技能的训练，重视对学生创造能力和创新意识的培养。

二、课程建设的优化

在不同的社会需求下，根据社会对毕业生需求的调研及预测对材料物理专业的课程体系进行适当的修订，突出本专业在不同时期的重点，对于培养满足社会需求的高水平人才十分重要[4-7]。我校材料物理专业在课程建设方面主要集中在提升现有课程和推出新课程/新内容两个方面。

在提升现有课程方面，对于本专业的一些老牌重点课程，采取主讲教师负责制，其余教师积极参与，分工合作，加强重点课程建设，并积极申报新的重点课程。经过几年建设，已在多门课程的建设方面取得了较好成果，如《材料科学基础》、《工业等离子体原理》、《薄膜材料与制备技术》等课程已建设成为校级精品课程，《纳米材料与技术》、《固体物理学》课程成为校级重点建设课程。这些重点课程的建设一方面锻炼了队伍，提高了整体素质，另一方面对其他课程的建设起到很好的示范带动作用。在重点课程建设过程中，本专业一直在积极探索课程教学改革方法，采用多媒体教学的课程由2002年的1门发展到现在所有课程都使用多媒体教学；双语教学也从无到有，《工业等离子体原理》、《薄膜材料与技术》已采用双语教学。

在推出新课程/新内容方面，本专业根据毕业生就业新形势对培养方案进行了大量修改。新的培养方案进一步体现了因材施教的思想，提供了更多的课程、丰富了教学内容，扩大了学生的选择空间；同时也体现了我校等离子体学科优势的特色。如新培养计划针对社会需求开设了《电子材料》和《工业等离子体工程》等课程，课程内容紧紧围绕目前工业生产中涉及到的新产品和新技术，有利于学生更好地完成从学校到社会的衔接。此外，现有课程的授课内容也逐步以市场为导向，在保持现有特色的同时，增加与市场需求相关联的专业知识体系，学生毕业后反响良好。

三、教学实践改革

材料物理专业的实践教学主要分为校内实践和校外实践两部分。校内实践主要是指在学校现有的实验条件下进行的一系列基础实验和专业实验，因此实验室建设也是提高实践教学质量的必要前提[8-10]。我校材料物理专业以湖北省等离子体化学与新材料重点实验室、湖北省微波等离子体技术研究工程中心和专业实验室为校内实践教学平台，在材料制备、加工，材料性能（力学、电学、磁学、热学等性质）测试、材料组织结构测定及材料应用等方面开展实验室建设，并结合本学科科研发展方向进行建设，设备采购主要围绕着材料科学基础、材料合成与加工、薄膜材料、材料表面改性、等离子体加工、纳米材料等课程进行。

在此基础上，我校材料物理专业根据学科建设发展情况，在2005年对实践教学环节进行了重大改革，将原来分散在各个课程中的实验课程进行整合，对原有实验体系进行重新规划，开设单独的实验课程，制定统一大纲，整合实验内容，并对实验内容适当更新，使实验体系更加完备，并与实用化紧密结合，侧重于培养学生动手能力。整合后的校内实验课为《材料科学基础实验》、《材料物理专业实验》以及《等离子体技术与应用实验》三门课程，总学时由原来的80个增加到108个。

同时，在实验内容上进行创新，将科研成果转化为教学内容，以科研促进教学。目前，在材料物理专业开设的3门实验课中，《材料物理专业实验》以及《等离子体技术与应用实验》全部实验均为教师科研转化而来。所有专业实验将科研与教学紧密结合，一方面弥补教学经费的不足，另一方面让学生接触科学前沿，激发从事科研工作兴趣，培养学生在从事科学研究的同时加深对课程内容的理解，提高教学效果。

此外，在校内实践教学中增设《学年论文》这一实践教学内容，让学生模拟实际科学研究，通过教师拟定方向，学生收集资料、归纳总结收集到的信息写出文献综述、然后针对发现的问题确定具体的研究题目，再制定详细的实验方案，并预测可能的结果。最后通过答辩，完成这一实践教学环节。

在校外实践教学方面，本专业设置有《毕业实习》环节，毕业实习地点的选择主要以人才市场需求为导向，目前学校已与多家从事光电信息材料、新能源材料、环境材料的企业签订实习协议，并在几家硅材料制造企业、LED制造企业及薄膜制备企业建立了实习基地，为学生的毕业实习提供了保障。此外，在指导毕业论文过程中，鼓励学生采取“宜化模式”完成毕业论文。由于“宜化模式”课题来源于企业，结合工厂实际，其研究结果更具有实用性。学生在做毕业论文过程中能够更好地将书本上的理论知识与现实的生产实际相结合，有效训练学生综合应用知识的能力。本专业近年来在学生毕业实习和毕业论文环节中有超过25%的学生采取“宜化模式”进行毕业论文。

四、加强师资队伍建设

师资队伍建设是专业建设的重要环节。为了培养出满足社会需要的高素质人才，教师的知识更新和自身素质提升十分关键[9，11]。本专业在职教师具有学历层次高、职称结构合理、平均年龄低的特点，基于这样一个教师队伍现状，材料物理专业的师资队伍建设一直坚持高标准、高水平的指导思想，在引进高水平的学术带头人、责任教授的同时，加大力度对现有的青年教师进行培养，提高他们的教学、科研水平。具体措施主要包括对青年教师进行帮扶指导，努力提高青年教师的教学技能；合理安排好现有教师的教学和科研工作，在保证教学质量的前提下，积极开展科学研究工作，通过科学研究，不断提高教师的学术素养；积极引进优秀教师，逐步建立一支高水平、稳定的教师队伍。

此外，本专业在教学过程中积极聘请相关行业的优秀工程师为学生讲授专业基础课程或进行专题报告，在此过程中让老师和学生充分了解国内外相关行业的发展动态，探讨材料物理专业今后的发展方向和毕业生应该具备的基础知识和基本技能，以此加强学生对本专业的了解，更进一步提高教学效果。

五、结语

如何培养满足新形势要求的材料物理专业高素质应用型人才，是所有高校材料物理专业教学人员需要探讨的核心问题。教学改革是一个随社会形势发展而不断进行的过程，因此，我们时刻紧跟社会发展步伐，在充分了解国家和社会对本专业人才需求的前提下不断探求新形势下的教学改革，这样才能不断为社会输出高水平的专业人才。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部高等教育司.普通高等学校本科专业目录和专业介绍（1998年颁布）[G]. 北京：高等教育出版社，1998，138.

[2]王雅珍，祖立武，张小舟，等.高分子材料与工程专业教学改革探索与实践[J].高师理科学刊，2007，27（1）：61―63.

[3]天津大学材料科学与工程学院教学改革小组.面向未来的材料科学与工程专业教学改革与实践[J].高等工程教育研究，2005（增刊）：24―3O.

[4]闫时建，田玉明，张敏刚，等.材料物理专业计算机操作实践课的教学改革[J].山西财经大学学报（高等教育版），2008，11（2）：71―72.

[5]肖纪美.材料物理教学体会[J].北京科技大学学报，2000，22（5）：389―395.

[6]石敏，陈翌庆，许育东，等.论“材料物理基础”精品课程的建设[J].合肥工业大学学报（社会科学版），2010，24（1）：86―90.

[7]李艳红，，郭思辰.材料物理课程教学改革与创新能力培养研究[J].科教文汇，2008，12：182.

[8]姚婷珍，许天旱.材料物理实验教学改革初探[J].广西教育，2009，3：109―110.

[9]刘仿军，鄢国平，喻湘华，等.高分子材料与工程专业人才培养模式研究与实践[J].武汉工程大学学报，2009，31（6）：88―91.

高分子材料研究方向篇6

高分子材料是指由相对分子质量较大的化合物分子构成的材料。按其来源，高分子材料可分为天然，合成，半合成材料，包括了塑料，合成纤维，合成橡胶，涂料，粘合剂和高分子基复合材料。从1907年高分子酚醛树脂的出现以来，高分子材料因其普遍具有许多金属和无机材料所无法取代的优点而获得迅速的发展。然而，现在大规模生产的还只是在寻常条件下能够使用的高分子物质，即通用高分子。它们存在着机械强度和刚性差、耐热性低等缺点，而现代工程技术的发展对高分子材料提出了更高的要求。于是新型高分子材料的开发与应用尤为重要。耐高温、高强度、高模量、高冲击性、耐极端条件等高性能的新型高分子材料的开发与应用不但能解决现阶段的高分子材料所面临的问题，而且也将积极地推动高分子材料向功能化、智能化、精细化方向的发展。与此同时，我国十二五计划也将高分子材料的开发研究纳入了其中，作为其重要研究方向之一的新型高分子材料的开发研究必将会极大地推动我国材料技术的发展。

1.国内外高分子材料开发现状

21世纪是一个科学技术飞速发展进步，生产力大幅度提高的新纪元。材料工业与信息工业，生物工程，能源工业一起成为世界经济的四大支柱产业。高分子材料与金属材料和无机非金属材料共同构成了应用性材料科学的最重要的三个领域。高分子材料凭借其独特的优势占领了巨大的市场。

世界高分子材料工业正在高速地发展着。世界合成树脂量从1950年的1.5M工增长到2005年的212M工，每年大概以5％的增长率在迅速地增长。现在塑料的产量早已超过了木材和水泥等结构材料的总产量。合成橡胶的产量也已超过了天然橡胶，而合成纤维的年产量在上个世纪80年代就已经达到了棉花、羊毛等天然和人造纤维的2倍。对于我国而言，目前我国是世界上最大的树脂进口国，每年进口的树脂数量大约是世界树脂总贸易的25％到30％。我国的树脂合成工业正高速地发展当中，树脂合成能力也在飞速地提高中。然而与西方发达国家仍然存在着差距。

2.开发新型高分子材料的重要意义和途径

从上世纪30年代高分子材料的出现开始到现代，世界工业科学不再只是满足与对基础高分子材料的开发研究，从90代开始，科学家们就将注意力集中到了高功能，高智能的高分子材料开发上。现代工业对于新型高分子材料的需求日益强烈。

新型高分子材料的开发主要是集中在制造工艺的改进上，以提高产品的性能，减少环境的污染，节约资源。就目前而言，合成树脂新品种、新牌号和专用树脂仍然层出不穷，以茂金属催化剂为代表的新一代聚烯烃催化剂开发仍然是高分子材料技术开发的热点之一。然而开发应用领域也在不断扩大。在开发新聚合方法方面，着重于阴离子活性聚合、基团转移聚合和微乳液聚合的丁业化。在第二次世界大战中发展起来的高分子复合技术，以及出现于50年代的高分子合金化技术后。新的复合技术和合金化技术层出不穷。同时，也更加重视在降低和防止高分子材料生产和使用过程中造成的环境污染。加快高分子材料回收、再生技术的开发和推广应用，大力开展有利于保护环境的可降解高分子材料的研究开发。

新型高分子材料的开发，不但能够满足现代工业发展对于材料工业的高要求，更能够促进能源与资源的节约，减少环境的污染，提高生产能力，更能体现出现代科技的高速发展。

3.新型高分子材料的应用

现代高分子材料是相对于传统材料如玻璃而言是后起的材料，但其发展的速度应用的广泛性却大大超越了传统材料。高分子材料既可以用于结构材料，也可以用于功能材料。现阶段新型高分子材料大致包括高分子分离膜，高分子磁性材料，光功能高分子材料，高分子复合材料这几大类。

高分子分离膜是用高分子材料制成的具有选择透过性功能的半透性薄膜。采用这样的薄膜，以压力差、温度梯度、浓度梯度或电位差为动力，与以往传统的分离技术相比，更加的省能、高效和洁净等，被认为是支撑新技术革命的重大技术。

高分子磁性材料是磁与高分子材料相结合的新的应用。早期磁性材料具有硬且脆，加工性差等缺点。将磁粉混炼于塑料或橡胶中制成的高分子磁性材料，这样制成的复合型高分子磁性材料，比重轻、容易加工成尺寸精度高和复杂形状的制品，还能与其它元件一体成型等。

光功能高分子材料，是指能够对光进行透射、吸收、储存、转换的一类高分子材料。目前，这一类材料已有很多，应用也很广泛。

高分子复合材料是指高分子材料和不同性质组成的物质复合粘结而成的多相材料。高分子复合材料最大优点具有各种材料的长处，如高强度、质轻、耐温、耐腐蚀、绝热、绝缘等性质。

这些新型的高分子材料在人类社会生活，工业生产，医药卫生和尖端技术等方方面面都有着广泛的应用。例如，在生物医用材料界上，研制出的一系列的改性聚碳酸亚丙酯(PM-PPC)新型高分子材料是腹壁缺损修复的高效材料：在工业污水的处理上，在不添加任何药剂的情况下，利用新型高分子材料物理法除去油田中的污水：开发的聚酰亚胺等热固性树脂及苯乙烯、聚丙烯等热塑性树脂复合材料，这些材料比强度和比模量比金属还高，是国防、尖端技术方面不可缺少的材料；同样，在药物传递系统中应用新型高分子材料，在药剂学中应用，在包转材料中的应用等等。新型高分子材料已经渗透于人类生活的各个方面。

材料是人类用来制造各种产品的物质，是人类生活和生产的物质基础，是一个国家工业发展的重要基础和标志。作为材料重要组成部分的高分子材料随着时代的发展，技术的进步，越来越能影响人类的生活，工业的进步。区别于我们已经开发研究成熟的一些传统材料，高分子材料的研究开发存在着无穷的潜力。正如一些科学家预言的那样，新型高分子材料的开发将有可能会带来现代材料界的一次重大革命。

[参考文献

[1]程晓敏，高分子材料导论[M]，安徽大学出版社2006，

[2]顾正超，高分子材料开发现状与展望[J]，科技与经济，2000.(02).

[3]郝敬辉，新型高分子材料物理法处理油田污水[J]，油气田地面工程，2010.(07)

[4]黄凯，高分子材料在药物传递系统研究中的应用[J]，中国现代应用学2010.(SI)

[5]于金海，应用新型可降解材料修复腹壁缺损的实验研究[J].中国知网论文总库2010.

[6]黄丽，高分子材料[M].化学工业出版社2005.

[7]高分子材料，百度百科.

高分子材料研究方向篇7

关键词：材料力学；国内外；新材料

材料力学，也就是研究构成工程器件物质内部受力情况的一门学科。其研究特点是将宏观的问题放到微观世界去解决，从而搭建解决材料变形、扭转等一系列问题。首先，力学知识最先起源于人类对自然现象的观察和生产劳动过程中的经验积累。而材料力学的起源如果要追溯则应追溯到古代房屋建筑上去。在古中国的宫殿建筑中，由于那是皇权的象征，所以材料的选用在符合审美的需求的基础上最重要的是要使材料在预定年限内不会出现断裂。只是很可惜，在古中国没有形成一套完整的系统。而在西方世界的意大利，意大利科学家为了解决建筑船舶和水闸所需要的梁的尺寸问题，进行了一系列实验，并于1638年提出梁的强度计算公式。但是受到材料力学的发展限制，他所得到的答案并不完全正确。后来英国科学家胡克发表了重要的胡克定律，这才奠定了材料力学的基础。自从18世纪起，材料力学才开始沿着科学的方向发展。

一、材料力学在国内外的发展

新材料是指新出现或正在发展中的、具有传统材料所不具有的优异性能的材料。它主要包括电子信息、光电、超导材料；生物功能材料；能源材料和生态环境材料；高性能陶瓷材料及新型工程塑料；粉体、纳米、微孔材料和高纯金属及高纯材料；表面技术与涂层和薄膜材料；复合材料；智能材料；新结构功能助剂材料、优异性能的新型结构材料等。新材料产业包括新材料及其相关产品和技术装备。与传统材料相比，新材料产业技术高度密集、更新换代快、研究与开发投入高、保密性强、产品的附加值高、生产与市场具有强烈的国际性、产品的质量与特定性能在市场中具有决定作用。新材料的应用范围非常广泛，发展前景十分广阔，其研发水平及产业化规模已成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。

二、在国内外的发展

综观全世界，新材料产业已经渗透到国民经济、国防建设和社会生活的各个领域，支撑着一大批高新技术产业的发展，对国民经济的发展具有举足轻重的作用，成为各个国家抢占未来经济发展制高点的重要领域。主要发达国家都十分重视新材料产业投入和发展。

1.美国政府在1991至1995年的《国家关键技术报告》中就将材料科学与技术列为重要的研究领域。自1996年以后，该计划的制定方式有所变化，由DARPA（国防高级研究计划局）提出年度修改方案交国会审议，近年有关材料的立项列入到《国防领域的研究、开发、实验及评估计划》中的61101E子项（国防研究科学，该子项包括信息科学、电子科学和材料科学三大领域）和62712E（材料与电子技术，该子项包括材料加工技术、微电子器件技术、低温电子器件技术和军用医疗与损伤技术四个领域）中，主要预算合计为15亿美元左右。在新材料的单项方面，美国2000年制定的国家纳米技术计划被列为第一优先科技发展计划。

2.德国自1994年就启动了跨世纪部级新材料研究计划，实施周期为1994―2003年。该计划目标是通过产品创新和技术创新，在新材料制造装备、加工和应用三个方面确保德国的国际领先地位；进入21世纪后，德国在9大重点发展领域均将新材料列为首位，通过开发新材料以确保资源和环境；德国还将纳米技术列为科研创新的战略领域。3、日本一直十分重视材料技术的发展，把开发新材料列为国家高新技术的第二大目标，认为新材料技术是推动21世纪创新和社会繁荣的主导力量。在日本新的5年“科学技术基本计划”，重点发展的材料技术包括：分析和控制微粒、分子、原子、电子等微观结构技术；高纯化和功能组合技术；功能性结构材料技术；使材料具有特殊功能的表面处理技术；应用计算机设计和制造材料的技术等。

二、新材料的应用和成就

1.促进了一批新材料产业的形成和发展，初步形成了完整的新材料体系一是在电子信息材料领域形成了直径200毫米（8英寸）硅单晶抛光片、纯镓和高纯镓、水平砷化镓晶片等半导体材料产业，以及新型超长余辉发光材料和制品、氮化镓基高度发光材料与发光器件、彩色终端显示用荧光粉、纳米级掺稀土基因――氧化硅玻璃复合光放大功能材料、偏光片彩色感光材料等显示发光材料产业；二是在电池和电池材料方面形成了包括锂离子电池、方型锂离子电池、锂离子电池极板材料、锂离子电池用六氟磷酸锂、镍氢动力电池正极新材料、动力电池储能材料等在内的完整产业链； 三是在稀土永磁材料的研究开发与应用上，发明了在国际上处于领先水平的钕铁氮新型永磁材料；四是在稀土提取及相关产品方面形成了我国的特色产业，如高纯稀土金属铈、钍、高纯氧化铕、重稀土金属、稀土复合氧化物燃烧催化剂等；五是在新型高分子材料方面形成了改性MC尼龙管材和管件、特种工程塑料聚醚酮树脂、光盘级聚碳酸酯、特性氨纶纤维、高分子功能材料热缩细管与母排保护套管等产品系列。

高分子材料研究方向篇8

瞬态光伏技术（TPV）能够有效探索半导体功能材料中光生电荷的输运性质，是一种无损检测技术。简述了利用瞬态光伏技术探索半导体功能材料的光电性质，包括分析功能材料的类型、载流子的传输方向、载流子的寿命、分离效率等信息，这对我们理解半导体功能材料的各种光物理过程是非常有益的。

关键词：

瞬态光伏技术；光生电荷；光生电子-空穴对；光生载流子

瞬态光伏技术是微区扫描技术中表面光电压的一种。表面光电压就是半导体的光伏效应，当半导体的表面被大于其带隙能的光照射时，半导体价带（VB）中的电子由于吸收了光子的能量，跃迁到半导体导带（CB），价带中留下空穴，产生光生电子-空穴对，这种光生电荷的空间分离产生的电势差为光伏效应，W.G.Adams在1876年最先观察到这一现象。1948年以后，半导体领域的开拓使得光伏效应成为一种检测手段，并应用于半导体材料特征参数的表征上。不同于稳态表面光电压（SPS）检测在连续波长的光激发下的光生载流子（电子或空穴）的分离结果，瞬态光伏技术检测的是在极短的光（纳秒ns或飞秒fs级别）激发后的光生载流子的产生、分离、复合等一系列动力学行为。

1瞬态光伏技术的发展

瞬态光伏的说法源于英文Transientphotovoltage。这种检测方法也有许多其他的表达方式，如时间分辨光伏等。最早利用瞬态光伏技术的是E.O.Johanson［1］，1957年Johnson通过此技术探索了多种半导体中少数载流子的寿命。瞬态光伏技术的发展依赖检测仪器中光源的使用，Johnson采用的光源为电火花隙（Sparkgap），它的时间分辨率在微秒范围内。J.Hlavka和R.Svehla［2］使用发光二极管作为光源，将测试装置从等效电路上进行分析，得到的时间分辨率为100ns。这一技术的改进对未来瞬态光伏技术的迅速发展起到了至关重要的推动作用。随着具有超快时间分辨率的脉冲激光器作为光源，瞬态光伏的时间分辨率也逐渐提高，在各类型的半导体材料中都有应用，探索这些半导体材料的光电性质，获得了很多优异的成果。例如2004年，B.Mahrov等人研究了空穴导体CuSCN等和电子导体TiO2等的瞬态光伏，分析得知不同的半导体类型（空穴或电子导体）导致了电荷注入方式不同［3］。

在利用瞬态光伏技术作为研究手段的工作中，德国Th.Dittrich研究小组获得了令人瞩目的成绩。他们不仅检测到时间分辨率为纳秒级的光伏结果，同时研究了不同类型半导体材料的瞬态光伏性质，建立了多种模型［4］。V.Duzhko博士在低电导材料方面也做了大量的工作，从单一的Si器件到现在的复杂器件，如染料敏化的TiO2器件、量子点电池器件等［5］。此外，瑞士的AndersHagfeldt小组［6］，英国的BrianC.O'Regan小组［7］和日本的KunioAwaga小组［8］也对半导体材料的瞬态光伏性质有卓越的研究。在国内复旦大学应用表面物理国家重点实验室的侯晓远教授课题组和吉林大学光化学与光物理实验室的王德军教授领导的科研小组对瞬态光伏技术的研究都取得非常好的研究成果。侯晓远教授课题组从有机薄膜半导体等瞬态光伏结果发现了极快激子解离过程［9］。王德军教授课题组在研究功能半导体材料，如TiO2、ZnO、Fe3O4、BiVO4等新兴的半导体材料的瞬态光电性质有重要发现［10-13］。

2瞬态光伏技术的装置及获得的信息

理想的光伏测试技术可以调节不同的参数对半导体功能材料进行测试，例如，调节系统的温度、压力、气氛等一系列参数，也可以选择不同的光源（连续光源或者脉冲激光源）进行瞬态光伏（时间分辨的光电压）的测量，如图1a中所示。作为一种无损检测设备，瞬态光伏系统的搭建通常是按照图1b中的简图自组装搭建。光源为脉冲激光器，测试过程中经过衰减的激光可以通过渐变圆形中性滤光片进行调节，衰减后的激光通过反光镜直接照射到样品池中。样品池的被测信号经过信号放大器，由数字示波器进行检测记录。光生电荷的产生是一个极其快速的过程，相比之下，光生电荷载流子的分离、扩散、转移和复合则较慢，一般时间分辨率在纳秒、微秒甚至更长的时间，光生载流子在不同时间分辨率内的传输动力学行为对半导体功能材料的活性有着重要的影响。例如，半导体的光电转换效率就受到半导体光生电子空穴对的分离程度影响；光生载流子的传输方向影响功能材料的性质及其应用；同时光生载流子的寿命及其具有的能量可以决定体系的氧化还原性等。因此，通过瞬态光伏技术可以获得半导体功能材料光生电荷的分离效率、获得光生载流子（电子或空穴）的扩散方向、光生载流子的扩散寿命等微观动力学信息。通过这些信息，我们可以分析半导体功能材料的物理化学性质，以及这些性质与材料活性之间的关系，这对进一步提高和优化功能材料的性能是非常重要的。

3瞬态光伏获得材料类型和载流子传输方向

利用瞬态光伏技术可以判断功能材料的类型。例如图2所示，2a中为n型Si的瞬态光伏谱图。它显示当材料的表面受到光照以后，n型半导体的瞬态光伏信号为正，光生电子向材料的体相迁移，光生空穴向表面迁移，并在表面大量聚集，因此表现为正信号。2b中p型Si的瞬态光伏信号为负。当p型材料受到光激发以后，光生电子向材料的表面移动，光生空穴向体相移动，因此信号为负［14］。

4瞬态光伏技术比较材料的分离效率及寿命

利用瞬态光伏技术可以分析半导体功能材料的光生电荷分离效率和光生载流子的扩散寿命。在光催化应用中，光生载流子的分离效率及寿命影响着催化剂的活性。光生电子-空穴对的分离效率越高，载流子的寿命越长，说明在光催化降解过程中参与氧化还原反应的载流子越多，催化活性越高。如在C掺杂的TiO2材料（C-TiO2）中［10］，不同的煅烧温度获得的样品，由于光电性质的不同，催化活性具有明显差异。如图3a所示，瞬态光伏信号在最大值处（P2峰）归因于光生电荷载流子的扩散，与P25的瞬态光电压曲线相比，在130℃、150℃、180℃煅烧温度制备下C掺杂TiO2样品P2峰位的响应时间分别是19ms、32ms、30ms，C的掺杂使得样品的扩散光伏寿命明显延长，说明C-TiO2的光生载流子的分离效率更高，光生载流子的复合更慢，因此有更多的载流子参与光催化的氧化还原反应，催化活性更高，如图3b。

5瞬态光伏技术的未来及展望

高分子材料研究方向篇9

关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展

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。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，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。

1 fgm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。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或龟裂现象，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，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。

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 。

2 fgm的特性和分类

2.1 fgm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。正如erdogan在其论文 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。

2.2 fgm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；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）；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 ；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 。

3 fgm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。

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

4 fgm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。

4. 1 　fgm设计

fgm设计是一个逆向设计过程 。

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. 2　fgm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 。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 、al2o3-w-ni-cr、wc-co、wc-ni等 。

4. 2. 2 自蔓延燃烧高温合成法(self-propagating high-temperature synthesis 简称shs或combustion synthesis)

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]：

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 、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1 500 k,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. 5 km/ 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 、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 ] 。

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。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。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

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. 3 fgm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 。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。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]。

5 fgm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。

5.2 fgm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。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：

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.

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.

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.

曾黎明.功能复合材料及其应用[m]. 北京：化学工业出版社，2007.

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.

erdogan, f.fracture mechanics of functionally graded materials[j].compos. engng,1995(5):753-770.

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.

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http://etsc.hnu.cn/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. http://col.njtu.edu.cn/zskj/3021/gccl/ch2/2.6.4.htm.

[19] 刘清，张军.先进复合材料领域近期发展趋势[j].特别关注，2005,12：9-11.

高分子材料研究方向篇10

关键词：高分子材料；化工材料；发展现状

我国自上世纪80年代以来，开始致力于高分子化工材料的研发，并且将高分子化工材料用于多种领域，满足了节能减排、高性能高科技等现代社会发展的要求。除了本文主要介绍三种材料以外，我国在烯类单体聚合、a―烯烃的聚合、乙烯基单体的光聚合与光刻胶等方面也取得很大的研究成果，随着现代科技的发展以及社会发展的进一步需求，高分子化工材料将得到进一步的开发研究，并广泛的应用于农业、工业、医学、生物、能源等领域。高分子智能材料已经成为材料科学发展的一个重要研究领域，全世界各个国家科学家都在为此作不懈的努力。从人类历史发展来看，任何一种重要材料的发明和利用，都能够把人类改造自然，创造社会的能力提高到一个新的高度，并给社会生产力和人类生产生活带来巨大的影响，使人类的物质文明建设和精神文明建设共同向前推进一大步。所以可以肯定的说，未来将会有更多更好更实用的智能材料出现在我们的面前。

一、高分子材料概念描述

所谓高分子材料是指由许多重复单元共价连接而成的，分子量很大的一类分子所组成的相关聚合物，并且具有粘弹性。高分子材料正在向以下几方面发展：高功能化，高性能化，复合化，精细化和智能化。鉴于此，我国的高分子材料在进一步开发通用的基础上，应该重点发展高分子材料品种、提高技术水平、扩大生产以进一步满足市场需要。天然高分子是存在于动物、植物及生物体内的高分子物质，可分为天然纤维、天然树脂、天然橡胶、动物胶等。合成高分子材料主要是指塑料、合成橡胶和合成纤维三大合成材料，此外还包括胶黏剂、涂料以及各种功能性高分子材料。合成高分子材料具有天然高分子材料所没有的或较为优越的性能，较小的密度、较高的力学、耐磨性、耐腐蚀性、电绝缘性等。

二、高分子材料的应用分析

（一）聚烯烃材料

聚烯烃是高分子化工材料中用量最大的，也是应用范围最广的一种，主要在汽车、建筑、家电等领域得到广泛的应用。聚烯烃是烯烃的聚合物，是由乙烯、丙烯1-丁烯、1-戊烯、1-己烯、1-辛烯、4-甲基-1-戊烯等α-烯烃以及某些环烯烃单独聚合或共聚合而得到的一类热塑性树脂的总称，主要通过高压聚合或者低压聚合如溶液法、浆液法等方法生产合成，主要品种有聚乙烯以及以乙烯为基础的一些共聚物、聚丙烯以及以聚丙烯为基础的丙烯共聚物。具有容易加工、综合性能良好、原料丰富，价格低廉等优点。目前，各研究机构正在研究使用过渡金属做催化剂，进行各类烯烃的聚合。近年来，随着节能减排、低碳经济以及可持续发展思想的深入，聚烯烃的合金化、高性能化和多样化成为研究的方向和重点。

（二）高分子智能材料

高分子智能材料是通过有机和合成的方法，使无生命的有机材料变得具有生物功能的一种材料。其功能可随外界条件的变化而有意识地调节、修饰和修复。形状记忆高分子材料是指在一定条件下赋予高分子材料的起始装态，当外部条件发生改变时，它可以改变成相应地形状，并能固定其形态。当外部条件再次发生改变时，智能高分子材料以特定的规律和方式再一次发生变化并恢复至起始态。从而完成从起始记忆态到固定变形态再到恢复起始态的循环过程。自行调温调光的新型建筑材料，成分是由水和聚合物构成的。在低温时聚合物是成串排列的，为透明状，能够透过90%的光线。加热时，这种聚合物就以纤维的形式聚合在一起，成乳白色，能够阻挡90%的光线。并且这种可逆过程是在两三度温差范围内完成的。具有传感功能的高分子材料，这种与传感器结合起来的高分子材料，已成为智能材料的一个新特点。例如，装有压电陶瓷传感器的机器人，可以灵敏地感觉到轴承脱离时摩擦力突然变化的情况，并迅速作出握紧反应。

（三）稀土催化材料

稀土元素具有独特的化学性能和物理组成，以稀土元素为基础的稀土功能材料在信息、生物、新技术、新能源以及环境保护等现代科学技术和现代工业发展中起着十分重要的作用，稀土催化材料比传统的贵金属催化材料相比，具有资源丰度高、成本低、生产工艺水平高以及性能优越等方面的优势。稀土催化材料不仅能够提高生产效率，最重要的是能够节约资源和能源，进而减少环境污染。上世纪60年代，中科院长春应用化学研究所运用稀土化合物组成新型催化剂用于二烯烃的聚合以及橡胶的制备，打破了传统的Z-N催化剂，取得重大研究进展。目前稀土催化材料大量运用在能源环境领域中，如汽车尾气净化、工业废气以及人居环境净化等方面。

（四）生物医用材料

生物医学材料指的是一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织不会产生不良影响的材料。高分子合成的生物医用材料通过分子设计和聚合，能够获得具有良好物理性能和生物相容性的生物材料，其中高分子软材料常用做为人体软组织如血管、食道和指关节等的替代品。合成的高分子硬材料可以用作人工硬脑膜、笼架球形的人工心脏瓣膜的球形阀等；液态的合成材料如室温硫化硅橡胶可以用作注入式组织修补材料。

三、结束语

新型高分子材料对人们的日常生活和工作产生越来越大的影响，本文从几个方面介绍新型智能高分子材料。主要包括高分子材料的含义，发展现状和高分子材料的应用等几方面内容。作为一种与国民经济、高科技技术和现代化生活密切相关重要的材料已经在各个领域中发挥了巨大的作用，人类已经进入了高分子时代。

参考文献：