石墨烯材料范文
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导语:如何才能写好一篇石墨烯材料,这就需要搜集整理更多的资料和文献,欢迎阅读由公文云整理的十篇范文,供你借鉴。

篇1
石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层相同,可想象为由碳原子和其共价键所形成的原子网格。石墨烯极其稳定,同时也非常灵活。它的热能和电能的传导系数比金属更好,并且像玻璃一样透明。硅是目前制作芯片的基本物质,而石墨烯的电子迁移率是硅的100倍,可以发展出导电速度更快的新一代电子组件或晶体管,能够极大地提高电脑的性能。
石墨烯一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在,直至2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在实验中成功地从石墨中分离出石墨烯,证实了它并非是假设性的结构,它可以单独存在,两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。而接下来的问题是,我们可以用这种神奇的材料做什么呢?这个问题的答案值10亿欧元,欧盟将在10年内投入10亿欧元的巨额研究经费支持石墨烯的应用研究项目。除此以外,三星和诺基亚等大型的IT公司也已经开始了在石墨烯领域的研究工作。
电脑技术的飞跃
100GHz的处理器和充电时间仅需数秒的电池,是目前石墨烯应用研究领域最为人所称道的项目。不过,虽然石墨烯具备实现这些应用的半导体特性,但是发掘石墨烯的宝藏并不是一件容易的事情。下面,CHIP将为大家介绍这中间必须要解决的问题以及更多石墨烯的新项目。
特性:超硬、超导
电子流能以较高的速度通过石墨烯,该材料非常坚硬,同时又具备柔性和透明的特点。
原子结构图揭示了石墨烯的秘密,碳原子组成的六边形网格中,每一个碳原子将与相邻的3个碳原子共同使用外层的3个电子,而第四个电子是可以自由移动的。前者使石墨烯结构更稳定和坚固,后者则赋予石墨烯良好的电导性和热导性。碳原子之间相互作用的纽带,使得石墨烯在层的方向上像钻石一样坚硬。但同时,六边形网格结构可以延伸自身约20%左右,碳原子之间的连接很柔韧,因而,石墨烯同时也是很柔韧的。
另外,石墨烯光栅即使损坏了,在催化剂(钯、镍)的作用下也可自我填充愈合,只需供应充足的碳原子用于修补即可。可以自由移动的外层电子在电脑方面的应用更有意义,它赋予了石墨烯特殊的属性:通过自由移动的外层电子相互转化,电子流能以更高的速度几乎毫无阻力地从石墨烯光栅通过。因而,使用石墨烯晶体管制成的电脑芯片将可以工作在更高的频率下,而不会受到热量的影响。2011年6月,IBM的研究人员宣布,他们已经成功地创造出了第一个以石墨烯为基础的芯片,它的工作频率高达100GHz。
大规模生产方面的研究进展
是否能够大量生产是阻碍石墨烯应用梦想实现的第一大问题,石墨烯生产方法有很多种,而目前主要采用的方法有3种。首先是剥离法,通过在高定向热裂解石墨上剥离石墨烯薄片,可以生产出高质量石墨烯,但该技术存在产量低和成本高的不足,无法满足工业化和规模化生产的要求,目前只能在实验室中进行小规模生产。
其次,碳化硅在大约1 000℃时会蒸发,蒸发后可得到二氧化硅,含碳的气体将会残留在碳化硅的表面,利用碳化硅的这一特点,将碳沉积在硅间隙同样可以生产出石墨烯。目前,由石墨烯层和碳化硅基板组成的50mm内径的晶圆就是采用这种方法生产的,但是埃尔兰根大学的一个团队的研究人员发现,这些晶圆虽然适合用于生产晶体管,但是载体材料的电子减速,电子迁移率大约为2 000cm2/Vs左右,虽然比目前广泛使用的掺杂硅(1400cm2/Vs)要高,但远小于石墨烯理论上的极限值(200 000cm2/Vs)。
另外还有化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,CVD),该方法通过在铜表面上沉积分解的含碳气体,再通过化学刻蚀,刻蚀掉不适合作为载体材料的铜,最后将分离得到的石墨烯薄膜加在硅基板上,这样生产出的材料可以实现更高的电子迁移率(16 000cm2/Vs左右)。目前来说,CVD或许是未来大规模生产的最佳方法。
晶体管:
计划与蓝图
石墨烯无法直接取代硅作为晶体管的材料,因为这个神奇的材料需要进行适当的调整。
晶体管是电脑芯片的基本组成部分,这些微小的电子电路每一个代表着一个位。目前常见的晶体管以半导体硅作为主要材料,不同于石墨烯,硅的4个外层电子中的每一个都与它的相邻原子形成共价键,硅没有可以自由移动的电子。因而,需要掺杂其他材料加入外来原子,例如源极和漏极进行N型掺杂,掺入外层有5个电子的砷,如果砷被硅吸收,那么就会多出一个自由移动的外层电子。通道进行P型掺杂,掺入只有3个外层电子的硼,由于反而少了1个电子,所以就会形成一个所谓的“空穴”。当施加电压时,硅晶体管中通道打开,电子从源极流到漏极。所施加的电压,其大小取决于掺杂的材料与程度。硅的禁带宽带为1.1eV(电子伏特),这是电子越过导带和价带之间的禁带所需要的能量。只有当电子能够跳跃至导带,晶体管才处于打开的导电状态。但是石墨烯没有禁带,电子在导带中总是存在,如果作为晶体管材料,那么石墨烯晶体管将一直处于打开的状态,缺少关闭状态。
打造石墨烯半导体
石墨烯必须具有禁带才能够成为适合用于晶体管的材料,在过去的几个月该领域已经有了一些突破。一个科学家小组在佐治亚理工学院使用碳化硅方法已经可以重建石墨烯纳米带。由于石墨烯形成了波浪的形状,所以这将会产生0.5eV的禁带宽度。
除此之外,日本研究人员已经先行了一步,他们已经通过CVD法开发出了30nm的石墨烯晶体管(最新的英特尔三栅极晶体管为22nm)。日本的研究人员使用氦离子轰击石墨烯,产生干扰形成树状结构。由于这样形成的禁带宽度很小,所以他们采用了两个栅极来控制电子的流动。
日本研究人员目前正计划制造这种晶体管的晶圆,以证明他们的方法是否适合大批量生产。不过,也许改变传统的晶体管模型可以设计出更好的石墨烯晶体管。在英国曼彻斯特大学的一个研究项目中,研究人员通过CVD法,将两层石墨烯用一层钨(IV)硫化物(WS2)分隔开来。这将产生一个2.1eV的禁带宽度,必须施以足够的能量,电子才能够从一个石墨烯层移动到另一个。
应用:内存、电池
石墨烯对于电脑相关的其他设备同样意义重大,其中显示器将会是第一位。
在研究出如何使用石墨烯作为晶体管的材料之后,设计出一种快速并能够长期保存数据的闪存单元就不会是一件太难的事情了。瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员已经建立了一个用石墨烯制作浮栅的闪存单元,其工作原理就像一个晶体管。当施加电压时,电子流从源极到漏极。唯一的区别是,栅极和通道之间多了一个石墨烯制作的浮栅。这个浮栅实际上是闪存单元的存储元件,浮动栅中电子的数量决定了该位的值。当施加电压时读出该值,施加高电压,当正电压超过10V时将填充浮栅,施以相应的负电压则清空浮栅中的电子。
这个闪存单元原型通道由同样具有卓越电子特性的矿物辉钼矿(二硫化钼)制成,在石墨烯禁带宽度为1.8eV的情况下,二硫化钼的电子迁移率很高。此外,石墨烯闪存单元可以更长期地保存数据,因为它比使用硅闪存的固态硬盘或者闪存盘的删除周期更长。其次,石墨烯闪存单元能在一个较低的电压下运作和删除,且具有较高的读取和写入速度。
石墨烯优异的导电性注定了它将被用于太阳能电池或电池组,纽约的伦斯勒理工学院的实验表明,使用石墨烯作为材料,电池的充电时间可以从12min减少到90s。
由于石墨烯不仅导电性非常好,同时还是透明的,因而,也非常适用于各种类型的显示器。早在2010年,斯坦福大学的研究人员就已经研发出了使用石墨烯电极的有机发光二极管(OLED),使用石墨烯取代透明的但昂贵的铟锡氧化物(ITO),这种电极也同样可以应用于太阳能电池。
篇2
关键词:石墨烯;复合材料;纳米银;制备及应用
石墨烯作为一种由单层单质原子组成的六边形结晶碳材料,其特殊性能的应用一直是近几年研究的重点。但是石墨烯的生产效率低,需经常将其进行改性,达到以较少的添加量获得更好性能的目的。其中,纳米银的出现在一定程度上扩大了石墨烯在导电[1],导热方面的应用。而且纳米银的生产效率高,很好地解决了石墨烯/纳米银的生产问题,为石墨烯在诸多技术领域的应用拓展了[2]空间。金属粒子由于含有自由移动的电子和极大的比表面积,在导电性和导热性方面有着出色的表现。而纳米银颗粒,纳米银棒,纳米银线则可以在复合基体中形成网络通路,提高材料的导电性和导热性。
1石墨烯/纳米银复合材料的制备方法
目前,石墨烯掺杂纳米银复合材料可以根据纳米银的形貌特征分为石墨烯/纳米银颗粒复合材料和石墨烯/纳米银线复合材料。纳米银的加入使得石墨烯复合材料的导电性和导热性以及石墨烯的表面硬度均得到了提高[3]。
1.1机械共混法
机械共混法可分为搅拌法和熔融共混[4]法。刘孔华利用搅拌法制备得到石墨烯/纳米银线杂化物,在50℃下搅拌,升温至210℃,最后降至常温得到石墨烯/纳米银线杂化物。熔融共混法是利用密炼机或者挤出机的高温和剪切作用力下将石墨烯、纳米银和基材熔融后,共混得到石墨烯/纳米复合材料。该方法用途广泛,适用于极性和非极性聚合物和填料的共混。并且纳米银的烧结温度在180℃,对于纳米银颗粒可以烧结形成一定规模的网络结构。此方法制备的复合材料所需时间短,且纳米银线是单独制备,所以可以单独控制纳米银线的长度和长径比。但是由于是机械共混,纳米银在石墨烯材料中的分散性不是很好,且容易发生团聚,达不到形成大量网络结构的目的。
1.2化学还原法
化学还原法是目前比较常见的将金属纳米粒子附着在石墨烯表面的方法。其主要是通过在石墨烯表面化学还原一些金属前驱体,经常伴随原位复合法和溶液插层法。郑[5]璐等以联胺为还原剂制得纳米银插层的石墨烯。附着在石墨烯表面的银的粒径在20[6]nm左右。王宇鹏等运用柠檬酸钠作为还原剂制得水溶性石墨烯/纳米银线杂化导电体。此方法得到的附着纳米银线直径在40nm左右,长度在2μm,银线断面呈现规则的立方[7]体结构。Mislav等在碱性条件下,利用肼还原银离子,3步法制备纳米银棒附着的石墨[8]烯。Hooman等对石墨烯先进行酸处理,再将纳米银线与石墨烯按照质量比1∶6比例混合搅拌,得到纳米银石墨烯复合材料。该方法制备的复合材料中,纳米银线分散均匀,且长径比较大,一次制备所得产物较多,实验过程稳定,可随时观察反应状态,是目前较为实用的方法。
1.3无溶剂微波
加压法微波辐射法是利用微波反应器产生的快速且大量的热量促使银盐的分解。而且石墨烯具有很好的吸收微波的能力,使得银颗粒可以在短的时间里附着在石墨烯表面。同时,因是无溶剂,得到的产物产率相比于普通溶剂得到的产物有较大的提升,但是实验需要通过对环境施加额外的压力,才能达到试验条件。[9]Lin等用一个典型的反应方式将银颗粒附着到石墨烯表面。试验结果表明,微波处理时间对银颗粒的粒径存在影响。而且由于石墨烯是层状材料,可反应的面积大,相比于碳纳米管,石墨烯表面附着的银颗粒粒径较小。并且由于银颗粒的附着使得石墨烯的表面硬度得到增加。这种方法不需要溶剂溶解且反应时间短,纳米银在石墨烯表面分布也较为均匀,可以得到足量的产物。但是实验仪器较为苛刻,实用性较低。同时石墨烯会吸收一定的微波功率,反应过程存在不确定因素和安全问题。目前,使用此类方法制备石墨烯/纳米银复合材料不是很广泛。
1.4溶剂热悬涂法
[10]溶剂热悬涂法是一种利用溶剂的温度配合晶核在一定温度下沿某一固定晶面生长[11]的方法。徐士才采用溶剂热悬涂法,利用氯化银为晶核,甲醛将银离子还原为银单质,制备得到长度为30μm,直径为20~50[12]nm的纳米银线。Dinh等用VitaminC在N/H条件下制备石墨烯/纳米银复合材料,将22纳米银线悬涂在石墨烯表面。该方法具备了化学还原法的稳定性和无溶剂微波加压法的高效性,并且可以得到超长纳米银线。
2石墨烯/纳米银复合材料的应用
目前,虽然石墨烯是优良的导电纳米材料,但是生产成本高,且提升石墨烯本身导电导热能力由石墨烯的厚度决定,所以有一定的局限性。因此,银的导电导热能力都很出色,且成本不太高,可以很好地解决上述问题。同时,银线的生成在石墨烯中可以提[13]供良好的导电通路,大幅降低材料电阻。
2.1导热性能应用
在众多散热硅脂中,银含量是衡量散热硅脂性能的一个重要指标。同时,石墨烯也具备很好的导热能力。因此将银表面附着或者插层能够很好地提高材料的导热性能。[8]Hooman等在40℃条件下,加入0.1%的石墨烯/纳米银复合材料,热导率提高22.22%。
2.2导电性能应用
在如今高科技年代,人们对电子领域的要求越来越高,其中石墨烯和纳米银线制备[14]的透明电极和透明导电膜等得到了广泛关[15,16]注与发展。Liu等利用石墨烯和纳米银的高透过率和高效的光催化能力,成功研制[17][7]出透明电极。Mislav等研究发现,在高电场环境下,石墨烯/纳米银复合物的临界电[18]流密度得到提高。Lee等研究制备了可见光透过率为94%,表面电阻为33Ω/sq的可延伸电极。
2.3光学性能应用
纳米银可以作为表面增强拉曼光谱(SERS)的基质。同时,由于纳米银拥有灵敏的非线性光学响应,可用来制备光学电器件。目前,SERS的增强机理主要有电磁增强[19]机理和化学增强机理。张太阳等制备了聚苯乙烯/石墨烯/纳米银复合材料和层析硅胶/石墨烯/纳米银复合材料,均发现拉曼光谱[20]G峰和D峰有明显增强。Lu等将纳米银/石墨烯复合材料作为SERS基底,可实现对芳香族[21]分子的检测。Kumar等降低了对邻氨基苯硫[22]磺和三聚氰胺的检测限,Ren等使得对叶酸的检测低至9nmol/L。
2.4其他性能的应用
[23]在生物应用方面,Lu等研究发现了银纳米粒子在基体材料上的附着可以实现对血糖和HO的检测。其作为传感器具有高效,灵22敏,可靠的特点,并在临床医学,食品安全[24]和环境质量检测中发挥重要的作用。同[25]时,银的加入也增加了材料的抗菌能力。[26]Chen等成功实现了对DNA分子的无标记测[27]量。Kim等制备了高性能的蛋白质传感器。[28]Bae等成功制备了石墨烯透明触摸屏。
3结语
篇3
关键词:超级电容器;石墨烯;金属氧化物;导电聚合物;石墨烯复合材料
引言
超级电容器,也被称为电化学电容器或超能电容器,特点是充/放电快速,使用寿命长,在很多应用领域甚至可以替代电池。根据工作机制的不同,可以将超级电容器分为双电层电容器(EDLCs)和法拉第赝电容器。前者通过离子吸附来储存能量,后者是通过电极表面上的电解质溶液和活性材料之间的快速氧化还原反应储能。电极材料也可以分为两种类型:双电层型材料和赝电容型材料。典型的双电层材料如碳材料。赝电容材料包括金属氧化物和导电聚合物。但是,由于金属氧化物和导电聚合物导电性差,在反复的充/放电过程中容易引发材料体积的变化,导致了其相对较差的稳定性。将石墨烯(graphene)与金属氧化物或导电聚合物相结合,可以缓冲纳米粒子微观结构的破坏,使graphene复合材料作为超级电容器电极材料具有更加优异的性能。
1 基于石墨烯复合材料在超级电容器中的应用
graphene是一种由sp2-杂化碳原子包裹成蜂窝状晶格结构的碳材料,被认定有着极大的化学和热稳定性、高机械灵活性、优越的电导率和大的比表面积。基于graphene的复合材料可用于制备性能优异的超级电容器电极。
1.1 石墨烯/金属氧化物复合材料在超级电容器中的应用
单独的金属氧化物导电性差,在测试寿命的过程中,循环稳定性差,比电容变化很大,而复合了石墨烯之后,这些缺点均有很大改善。
如采用简单的一步水热法得到了graphene/MnO2花瓣状纳米片和graphene/MnO2纳米棒“三明治”结构的复合材料,并用作超级电容器的电极材料[1]。在1moL/L 硫酸钠(Na2SO4)电解质中,graphene/MnO2花瓣状纳米片复合材料的比电容值高达516.8F/g,且表现出良好的循环稳定性。
1.2 石墨烯/导电聚合物复合材料在超级电容器中的应用
导电聚合物具有生产成本低、掺杂状态具有高导电性、高存储能量/孔隙度/可逆性、可调节的氧化还原活性及环境友好等优势。通过本身存在的一种π共轭体系,能够发生快速、可逆的氧化还原反应,显示出良好的电容性能。但单独使用聚合物作为电极材料有一定的限制,结构不够坚固,耐用性有限。而graphene不仅能够提供良好的双电层性能,而且导电聚合物也表现出法拉第赝电容性。PANI、PPY和PTH以及它的衍生物等,已应用于超级电容器的研究。
以GO和苯胺作为原料,一步电化学法合成大面积的graphene/PANI复合物薄膜[2]。通过调控铟锡氧化物(ITO)的面积可以得到不同尺寸的薄膜。得到的graphene/PANI复合膜具有比表面积大,高导电性,良好的生物相容性和快速氧化还原特性,有完善的分层和封装结构。在超级电容器这一应用中,电化学测试结果表现出了640 F/g的比电容,在1000圈充/放电循环后,比电容仍能保持为初始值的90%,有着良好的循环稳定性。
其他导电聚合物如PTH及其衍生物聚乙撑二氧噻吩(PEDOT)和聚苯乙烯(PS)等,这些导电聚合物与graphene的复合亦有许多研究。例如Alvi等人采用化学氧化聚合技术合成了石墨烯/聚噻吩(graphene/PTH)复合材料,并研究其超电容性能,测其比电容为154 F/g。Jacob等人先利用电泳沉积graphene到铟锡氧化物(ITO)表面上,再继续电聚合一层3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)单体,得到graphene/PEDOT复合物,其平均电容高达1410F/g。
1.3 石墨烯/碳材料复合材料在超级电容器中的应用
在基于graphene的超级电容器电极材料中,graphene的堆叠可能导致活性比表面积的减小。为了尽可能地避免这个问题的产生,可以用一些碳材料如碳纳米管(CNT)作为间隔物来构建graphene层与层之间的纳米孔,同时提供良好的导电性。CNT是一种比较常见的一维碳材料,由于具有良好的导电性、规律性的孔隙结构和电子传输通道、大的比表面积和化学惰性,被认为是优良的超级电容器电极材料,在能源存储器件中有很好的应用前景。Fan等将CNT作为间隔物的概念应用在三维graphene/CNT三明治结构的制备中,采用了CVD法在graphene层与层之间生长CNT[3]。所得三明治结构的graphene/CNT比表面积约为612m2/g,比graphene(202m2/g)的高很多。在10mV/s的扫描速率下,比电容可高达386F/g,这表明所述混合碳电极具有优异的电化学性能。
1.4 石墨烯/金属硫化物复合材料在超级电容器中的应用
金属硫化物纳米粒子如二硫化钼(MoS2),作为一种半导体材料在很多领域已广泛研究,如场效应晶体管(FET)、发光二极管(LED)、光催化、太阳能电池、生物传感器(Sensor)等,近年来在超级电容器方面获得越来越多的关注。Patil等报道了通过应用层-层(LBL)技术得到二硫化钼/石墨烯(MoS2/graphene)纳米片复合膜,并研究了其电化学性能[4]。在20mV/s的扫描速度下,其比电容值为282F/g,在超过1000圈的恒电流充放电后,比电容值仍能高于初始值的93%,具有良好的循环稳定性。
1.5 基于石墨烯三元复合材料在超级电容器中的应用
常见的基于石墨烯三元复合物有石墨烯/碳纳米管/金属氧化物、石墨烯/碳纳米管/导电聚合物和石墨烯/金属氧化物/导电聚合物等复合材料,它们在超级电容器中的应用均已有报道。
Jin等报道了基于graphene的类补丁状碳纳米管/二氧化锰(CNT/MnO2)三元复合物graphene/CNT/MnO2。graphene的存在使CNT/MnO2复合物的比电容由280F/g增加至486.6F/g,而且在长时间充放电后,仍能保持良好的稳定性。Alshareef等先制备出MnO2/CNT复合材料,然后将其与graphene混合超声,接着抽滤成膜,制成graphene/MnO2/CNT复合电极材料,将其应用到柔性电容器中,测得其比电容为310F/g。与此相反,Liu等先合成出graphene/MnO2复合材料,然后将其与CNT混合均匀后,再抽滤成膜,制备出柔性的graphene/MnO2/CNT复合薄膜,该材料具有很好的机械性能和电容性能,比电容为372F/g。当然,除了MnO2外,也有报道将NiO、Co3O4、ZnO及TiO2等与碳材料复合,同样获得了良好的电容性能。比如Lee等制备出四氧化三钴/多壁碳纳米管/石墨烯(Co3O4/MWCNT/graphene)复合薄膜,比电容可达294F/g。Lu等利用自组装法制备得到层状结构的graphene/PANI/CNT三元复合物薄膜。在该结构中,同轴的PANI/CNT纳米电缆均匀地夹在graphene层中,这种结构具有导电性高的优点,有利于促进电解质离子和PANI的接触,更有效地存储法拉第能量。Zhang等则先利用原位部分解压CNTs海绵制备得到CNT/graphene复合物海绵,再电聚合PPY到该复合物海绵上,形成CNT/graphene/PPY三元复合物海绵,比电容为225F/g,在1000个循环后,仍能维持初始比电容的90.6%。
2 结束语
在碳材料中,石墨烯以其独特的电子结构以及优异的物理、化学性能,在超级电容器中应用广泛。将石墨烯与金属氧化物、导电聚合物、碳材料、金属硫化物等纳米材料复合,一方面石墨烯可以在很大程度上提高复合材料的导电性,加速电子转移,减小接触电阻;另一方面,纳米粒子的引入可以增加材料的比表面积,抑制石墨烯的堆叠,提供高的比电容值,进而提高材料的电化学性能。基于石墨烯的复合材料以其多样性和重要性一直是超级电容器活性电极材料研究的热点,其在一定程度上弥补了单一材料的缺陷,提高了复合材料的电化学性能。相信随着研究的深入,制备方法更加新颖,表征手段更加客观,会有越来越多优异的石墨烯基复合材料应用于超级电容器中。尽管基于石墨烯的复合材料在超级电容器中已取得一定的进展,但主要应用还是集中在实验室阶段的基础研究,要想运用到实际生产中还需要进一步改善。这主要是由于复合材料本身存在一些缺陷,如合成技术不能大批量生产化、实验结果重复性不好、制备材料的过程相对繁琐、稳定性差等。
参考文献
[1]Feng X M,Yan Z Z,Chen N N,Zhang Y,Ma Y W,Liu X F,Fan Q L,Wang L H,Huang W. J. Mater. Chem. A,2013,1:12818-12825.
[2]Feng X M,Li R M,Ma Y W,Chen R F,Shi N E,Fan Q L,Huang W. Adv. Funct. Mater.,2011,21:2989-2996.
[3]Fan Z,Yan J,Zhi L,Zhang Q,Wei T,Feng J,Zhang M,Qian W,Wei F. Adv. Mater.,2010,22:3723-3728.
篇4
关键词 [HTSS]石墨烯; 纳米金(GNPs); 葡萄糖; 无酶传感器; 电化学
1 引 言
葡萄糖的分析与检测对人体的健康及疾病的诊断、治疗和控制有着重要意义,因此,葡萄糖传感器的研究始终是化学与生物传感器研究的热点之一。在诸多类型的葡萄糖传感器中,有关葡萄糖电化学传感器的研究较多[1,2]。常见的葡萄糖电化学传感器主要分为有酶和无酶两种类型。有酶传感器是基于酶对底物的特异性识别功能,具有专一性及高度选择性。然而,由于酶的活性易受到周围环境如温度、湿度及化学环境等因素的影响[3],且固载的酶可能会泄漏,以致影响传感器的稳定性及使用寿命,在一定程度上限制了该类传感器的应用范围。无酶葡萄糖传感器是一种基于葡萄糖分子在相关催化活性材料表面的电催化氧化信号对其进行定性及定量检测的传感装置。近年来,一些具有催化性能的纳米材料已被广泛用于制备新型的无酶葡萄糖传感器,此类传感器因制备简单、稳定性好,可重复利用,价格低廉,能在无酶情况下直接检测葡萄糖,目前已成为葡萄糖电化学传感器研究领域的热点[4]。Kumiawan等[5]研究了金纳米颗粒修饰的金电极与未修饰的金电极分别在碱性溶液中对葡萄糖的响应情况,结果表明:在相同条件下, 金纳米颗粒修饰的电极对葡萄糖的催化氧化电流高于未修饰的金电极。俞建国等[6]采用电刻蚀法制得微镍电极,利用碱性条件下葡萄糖在该修饰电极表面的电催化氧化性质,制备了新型抗干扰无酶葡萄糖微传感器。目前,基于金属纳米材料与碳纳米管等碳基材料复合物的无酶葡萄糖传感器研究多有报道[7~10]。石墨烯作为一种具有二维结构的新型碳基材料,因其具有更大的比表面积及高电子传导能力、原料易得且价格便宜等优点,已成为继碳纳米管后新一代的理想电极修饰材料[11,12]。将其代替碳纳米管等材料应用到无酶葡萄糖传感器的制备尚未见报道。
本研究结合金纳米颗粒与石墨烯的优点,通过同步还原法制得石墨烯/纳米金复合材料,再采用滴涂法并利用Nafion的稳定作用将该复合材料修饰在玻碳电极表面,研制出一种高性能的无酶葡萄糖生物传感器。该传感器可用于对临床样品的检验,具有灵敏度高, 选择性和稳定性好等特点。2 实验部分
2.1仪器与试剂
CHI660D电化学工作站(上海辰华仪器公司);电化学测量采用三电极系统:玻碳电极(Φ=3 mm)或修饰电极为工作电极,饱和甘汞电极(SCE)为参比电极,铂丝电极为对电极;KQ100E型超声清洗机(昆山市超声仪器有限公司);BSZ24S型分析天平(北京赛多利斯仪器系统有限公司);GL16Ⅱ型离心机(上海安亭科学仪器厂);5500型原子力显微镜(AFM,美国安捷伦科技有限公司)。葡萄糖(上海生物工程有限公司);Nafion(5%,Sigmaaldrich公司);纳米级石墨粉(40 nm),抗坏血酸(AA),尿酸(UA),氯金酸(阿拉丁试剂公司);实验所用试剂均为分析纯,实验用水均为二次去离子水。
2.2 石墨烯的合成
氧化石墨烯(GO)的制备在Hummers法[13]的基础上进行了改进。即称取1 g纳米级石墨粉和0.5 g NaNO3于250 mL烧杯中,在冰浴中混合并搅拌,缓慢加入23 mL H2SO4,控制溶液温度在20 ℃以下。在剧烈搅拌下加入3 g KMnO4,在冰浴中控制溶液温度低于20 ℃;随后移去冰浴升温到(35±3) ℃,保持反应30 min(在20 min后,液体变粘稠且有少量气体挥发);然后将46 mL H2O缓慢加入到粘稠组分中,搅拌(有大量气泡产生,温度会升到98 ℃);保持温度反应15 min,随后用温水稀释至140 mL,用3% H2O2还原过量的KMnO4,还原后溶液呈亮黄色。
以8000 r/min离心10 min,移去上层清液,重复3次;以4000 r/min离心5 min,取上层亮黄色氧化石墨烯溶液;最后将氧化石墨烯还原,即得石墨烯产品,产率约为10%。
2.3 石墨烯/纳米金复合材料的制备
采用同步还原法制备石墨烯/纳米金复合材料。首先将80
SymbolmA@ L 5 mmol/L HAuCl4•3H2O溶液与20
SymbolmA@ L 1.0 g/L GO溶液混合;随后加入800
SymbolmA@ L H2O稀释, 并使之混合均匀,在超声振荡条件下加入100
SymbolmA@ L 0.1 mol/L 抗坏血酸溶液,维持该条件反应20 min,所得混合物于室温下静置48 h。在复合材料的制备过程中,石墨烯表面含氧官能团的数量对其与金纳米颗粒间的连接起至关重要作用[14]。未加入抗坏血酸前,GO表面大量的含氧官能团为Au3+在其表面的有效吸附提供了保证;加入抗坏血酸后,GO表面的Au3+首先被还原成微小的金核,随后逐渐形成金纳米颗粒,而GO表面未吸附有Au3+的含氧官能团则直接被抗坏血酸还原,最终得到稳定的石墨烯/纳米金复合材料。该复合材料的原子力显微镜图像(图1)表明,所得的石墨烯材料的厚度约为1 nm,其上面负载纳米金颗粒的粒径约为5 nm。
[TS(][HT5”SS]图1 石墨烯/纳米金复合材料的AFM形貌图
Fig.1 AFM topography of grapheme(Gr)/gold nanoparticle (GNPs) nanocompsites [TS)]
2.4 修饰电极的制备
将玻碳电极用Al2O3 粉在抛光布上抛光,然后依次用蒸馏水,无水乙醇和二次蒸馏水超声清洗1 min。洗净的电极再用二次蒸馏水冲洗,最后用N2吹干,备用。
实验前将电极修饰材料(石墨烯、石墨烯/纳米金复合物)预先超声分散30 min,移取5
SymbolmA@ L悬浮液滴涂于已抛光好的玻碳电极表面,置于红外灯下干燥2 h,然后在修饰过的电极表面滴5
SymbolmA@ L 1% Nafion乙醇溶液,置于室温下晾干,即制得相应材料修饰的玻碳电极。用伏安法测定前,修饰电极需置于K3Fe(CN)6 溶液中循环扫描(电位扫描范围-0.6~0.6 V, 扫描速率100 mV/s),直到获得重复性响应且氧化还原峰电位差在80 mV以内。
2.5 实验方法
实验采用三电极体系,以NaOH溶液作为支持电解质,加入适量葡萄糖溶液,分别采用循环伏安法和线性扫描法进行测试。电位扫描范围为-0.6~0.6 V (vs. SCE),扫描速率为100 mV/s;电化学测量均在室温条件下进行。除特别说明,所有测试底液均通高纯氮气20 min除氧,并在整个实验过程中保持氮气气氛。
3 结果与讨论
3.1 葡萄糖在不同修饰电极上的电化学行为
将制得的石墨烯/纳米金修饰电极、石墨烯修饰电极及裸玻碳电极分别置于含0.01 mol/L葡萄糖的NaOH溶液进行循环伏安扫描,实验前未通N2除氧,结果如图2所示。
[TS(][HT5”SS] 图2 葡萄糖在石墨烯/纳米金修饰电极(a)、石墨烯修饰电极(b)以及裸玻碳电极(c)上的循环伏安曲线
Fig.2 CVs of glucose at Gr/GNP/GCE(a), Gr/GCE(b) and bare GCE(c) in 0.20 mol/L NaOH solution[TS)]
由图2可知,葡萄糖在裸玻碳电极及石墨烯修饰电极上均无明显电化学响应,而在石墨烯/纳米金修饰电极上则可观察到明显的氧化还原信号。表明纳米金颗粒在无酶葡萄糖传感器的构建中具有产生电化学氧化还原信号的重要作用。相对于裸玻碳电极,葡萄糖在石墨烯修饰电极上具有更高的背景电流,表明石墨烯的高电子传导能力可有效地增强修饰电极的信号强度,进而提高传感器的灵敏度。在石墨烯/纳米金修饰电极上,当扫描电位由-0.60 V向0.60 V变化时,分别在-0.30, 0.08和0.35 V处观察到3个氧化峰,其中-0.30 V处的氧化峰归因于葡萄糖的直接电化学氧化,0.08 V的氧化峰对应着葡萄糖氧化产物“葡萄糖酸内酯”的进一步氧化[15,16],表明石墨烯/纳米金修饰电极对葡萄糖的电化学氧化具有良好的电催化活性,0.35 V处的氧化峰对应着在碱性条件下金氧化物的形成[5]。在电位由0.60 V向-0.60 V反向扫描的过程中,在-0.04 V处可观察到一个明显的氧化峰同时该峰在-0.3 V附近还伴有一个肩峰。位于-0.04 V处的氧化峰是由反向扫描过程中金氧化物被还原后,葡萄糖的二次氧化产生的[17]。考虑到实验之前未进行通N2除氧步骤,位于-0.3 V处的肩峰是由于溶液中溶解氧的还原产生的[18]。介于-0.04 V处的氧化峰具有良好的峰形和显著的峰电流,在随后的实验中将以该氧化峰的电流强度与葡萄糖的浓度做工作曲线对葡萄糖进行定量分析。
3.2 检测条件对传感器响应特性的影响
3.2.1 OH-离子强度的影响 葡萄糖氧化电流的强度不仅与其自身的浓度有关,OH-浓度也是重要的影响因素。OH-的存在能够使葡萄糖分子更容易吸附于电极表
面的石墨烯/纳米金上,并降低了葡萄糖氧化的活化能[16]。 本实验将10
SymbolmA@ L 1 mol/L葡萄糖标准溶液分别加入10 mL浓度为0.02, 0.05, 0.10, 0.20和0.30 mol/L的NaOH底液中,用循环伏安法考察了OH-浓度对葡萄糖氧化峰电流的影响(图3)。
由图3可知,随着NaOH浓度,即溶液中OH-浓度的增加,葡萄糖的氧化峰电流逐渐增大,当OH-浓度高于0.20 mol/L时,峰电流随底液浓度增加而降低。因此,本实验以0.20 mol/L NaOH溶液作为葡萄糖电化学检测的支持电解质。
3.2.2 溶解氧对传感器的影响
实验中所配制的溶液在存放过程中均会溶解一定量的氧气,溶液中的溶解氧对测定有一定的影响。因此,本实验采用通氮气20 min除氧,然后在氮气保护气氛下进行测定,以消除溶解氧的干扰。实验结果如图4所示。
[TS(][HT5”SS]图4 A. 修饰电极在NaOH支持电解质中未除氧(a)与除氧后(b)的循环伏安曲线;B. 修饰电极在含葡萄糖的NaOH溶液中未除氧(a)与除氧后(b)的循环伏安曲线
Fig.4 A. CVs of modified electrode in NaOH supporting electrolyte solution without exclusion O2(a) and with the exclusion of O2 (b); B: CVs of modified electrode in the NaOH solution of glucose without exclusion O2(a) and with the exclusion of O2(b)[TS)]
由图4可知,向样品溶液中通氮气20 min后,修饰电极在NaOH底液中的循环伏安曲线更加平整,在含葡萄糖的NaOH底液进行循环伏安扫描时,通氮气前位于-0.3 V处的肩峰消失,此结果进一步表明了原-0.3 V处的肩峰与溶解氧的还原有关。
3.2.3 扫描初始电位对传感器的影响 线性扫描伏安法是一种常见的定量分析手段,通过线性扫描的峰电流与标准样品的浓度之间的关系即可确定传感器的工作曲线。在线性扫描的过程中初始电位的正确选择与否会直接影响到传感器的检测性能。本实验在0.20 mol/L NaOH溶液中加入适量葡萄糖,使其最终浓度为0.01 mol/L,并通过线性扫描伏安法测定了不同初始电位对葡萄糖氧化峰电流的影响,实验中扫描初始电位分别为0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7和0.8V,扫描终止电位为-0.6 V,扫描速率100 mV/s,结果如图5所示。
[TS(][HT5”SS] 图5 A. 不同初始电位下0.01 mol/L葡萄糖在0.2 mol/L NaOH溶液中的反向线性扫描伏安(LSV)曲线; B. LSV的初始电位对葡萄糖氧化峰电流的影响
Fig.5 A. Linear scanning voltammetric (LSV) curves of 0.2 mol/L NaOH solution containing 0.01 mol/L glucose with different initial potentials in negative scans; B. Effect of initial potentials of LSV on peak current of glucose oxidation[TS)]
由图5可知,随着线性扫描初始电位的正移,响应电流呈先增大再减小的变化趋势,在扫描初始电位为0.6 V处传感器的响应电流达到最大值,即在该初始电位下该传感器的灵敏度最高,因此,本实验以0.6 V作为线性扫描初始电位。
3.2.4 石墨烯与纳米金的比例对传感器的影响
在石墨烯/纳米金复合材料的制备过程中,固定5 mmol/L HAuCl4•3H2O溶液与1.0 g/L GO溶液的总体积为100
SymbolmA@ L,改变两者的体积比分别为1∶9, 2∶ 8, 3∶7, 4∶6, 5∶5, 6∶4, 7∶3, 8∶2, 9∶1, 制得不同石墨烯/纳米金比例的复合材料,在上述优化条件下对0.01 mol/L 葡萄糖进行线性扫描伏安法测定,葡萄糖氧化峰电流与V(HAuCl4•3H2O∶V(GO)的关系见图6。
[TS(][HT5”SS] 图6 HAuCl4•3H2O, GO的比例与葡萄糖氧化峰电流的关系
Fig.6 Relationship between the ratio of HAuCl4•3H2O and graphene oxide (GO) and the peak currents of glucose oxidation[TS)]
由图6可知,随着混合物中HAuCl4•3H2O比例的增加,葡萄糖在修饰电极表面的氧化峰电流强度逐渐增加。当两者体积比达到8∶2时, 峰电流达到最大值,之后呈微弱的下降趋势。即在原料比为8∶2时得到的复合材料修饰电极可使传感器获得最大电流响应,故最终选用该复合材料修饰电极构建无酶葡萄糖生物传感器。
3.3 线性检测范围及检出限
在上述选定的最佳实验条件下,用线性扫描伏安法测定葡萄糖的氧化峰电流与浓度之间的关系。传感器的线性范围为0.1~20 mmol/L; 线性回归方程为Y(
SymbolmA@ A)=2.4544+0.6659X (mmol/L),相关系数为 0.9994;其检出限为1.6×10-5 mol/L (S/N=3),5次平行实验的相对标准偏差(RSD)在2%~5%之间,表明方法重现性良好。本传感器具有较宽的线性范围和较低的检出限,其性能可与无酶葡萄糖传感器相媲美。由于正常人体内的葡萄糖含量在3.0~8.0 mmol/L范围内[19], 本传感器可满足人血清样品中葡萄糖含量测定的要求。
3.4 传感器的选择性
在实际样品测定时,一些葡萄糖共存物可能对测定会产生影响。本实验对可能产生干扰的物质,如尿酸(UA),抗坏血酸(AA)等,进行了干扰测试。据文献[21]报道,健康人血清中的UA与AA的含量分别是0.02和0.1 mmol/L,在含5 mmol/L葡萄糖的0.2 mol/L NaOH溶液中分别加入0.2 mmol/L UA和1.0 mmol/L AA后,葡萄糖氧化峰电流分别增加了1.3%和2.6%,表明UA和AA的加入对葡萄糖的测定几乎不产生影响。这主要是由于修饰电极表面的Nafion膜具有排斥中性分子和阴离子的能力,从而可以选择性地透过某些电活性物[22]。在碱性条件下,UA和AA均为阴离子,被Nafion阳离子交换膜挡在传感器外,有效阻止了UA和AA向电极表面扩散,因而可有效消除这些电活性物质的干扰。
3.5 传感器的重复性及稳定性
在优化实验条件下使用同一支修饰电极对葡萄糖浓度为1 mmol/L的溶液重复测定10次,电流氧化峰电流平均值为3.47
SymbolmA@ A,其相对标准偏差为2.7%。实验后将传感器于4 ℃下悬于0.2 mol/L NaOH溶液中保存,每天检测一次,10 d后电极的响应信号为初始的 87.4%。表明该传感器具有较好的稳定性。这主要是由于石墨烯/纳米金修饰电极表面所滴涂的Nafion膜可防止电极修饰材料在溶液中脱落,进而提高了传感器的稳定性。
3.6 血清中葡萄糖的检测
分别取1.0 mL血清样品(商丘市中心医院提供),用0.2 mol/L NaOH溶液稀释至10.0 mL,按上述方法测定;同时,为了进一步考察此修饰电极的实用性,与常用市售血糖检测仪进行了测试比较。结果见表1。连续测定5次,3份样品的分析结果的RSD均小于3%,样品加标回收率在96.2%~103.2%之间,本方法
13.81a, 4.3b, 4.9c0.50022.07a103.2a
27.42a, 8.0b, 7.6c0.5004.33a97.6a
317.26a, 18.2b, 17.6c0.50012.30a96.2a
[BHDFG3*2,WKZQ0W] a. 本方法,b. 罗氏卓越型血糖仪,c. 强生稳豪倍优型血糖仪(a. The present method; b: by Roch AccuChek performa blood glucose meter; c: by Johson OneTouch ultraVue blood gluscose meter)。 [BG)W][HJ]
检测结果与常用市售血糖仪的偏差较小,具有良好的实用性。
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Investigation of Nonenzymatic Glucose Biosensor Based on
Graphene/Gold Nanocomposites
ZHU Xu1, LI ChunLan1, LIU Qin2, ZHU XiaoHua1, ZHANG YinTang1, XU MaoTian*1
1(Department of Chemistry, Shangqiu Normal University, Shangqiu 476000)
2(Department of Chemistry and Environment, South China Normal University, Guangzhou 510631)
Abstract Graphene/gold nanoparticles(GNPs) nanocomposites were synthesized by a simple chemical reduction method. A novel nonenzymatic biosensor for glucose based on graphene/GNPs modified glassy carbon electrode was prepared by electrochemical method. The electrochemical behavior of different modified electrodes was investigated by cyclic voltammetry (CV). Meanwhile,the effects of solution ion intensity, dissolved oxygen and initial scan potential on the sensor response characteristics were studied. Under the optimal conditions, the resulting biosensor displayed a rapid response to glucose. It shows a linear range from 0.1×10-3 to 20×10-3 mol/L with a detection limit of 1.6×10-5 mol/L(S/N=3). The relative standard deviation was 2.7% for 1 mmol/L glucose (n=10). The biosensor shows high sensitivity, good reproducibility, stability and can avoid the interference of commonly coexisted substances. The established method was successfully applied for the determination of glucose in human serum samples with the recovery of standard addition between 96.2% and 103.2%.
篇5
[关键词]水泥机械;磨损;耐磨材料
中图分类号:TQ172 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)12-0233-01
在水泥生产的过程中机械磨损是一种十分常见的现象,这种现象如果不能有效的得到改善,就很有可能造成水泥生产的质量受到较大的影响,同时在生产的过程中也消耗了大量的资源和能源,能源的利用效率也得不到充分的体现,而在这样的情况下,选择一些耐磨的材料就显得分外的重要,耐磨材料可以有效的减少生产中的磨损现象,同时也使整个生产效率得到大幅的提升。
1、机械生产的磨损类型
在对水泥进行生产和制造的过程中,机械磨损通常可以分成三大类,一类就是磨粒磨损,这种磨损形式也是主要的磨损形式,在所有的磨损中它占到了71.4%,第二种就是粘着磨损,这种磨损在所有磨损中所占的比重达到了21.4%,而最后一种就是其他类型的磨损,在所有的磨损中只占7.9%。
1.1 磨粒磨损
这种磨损通常就是指产生相互运动的工作面因为相对运动而产生了摩擦力,最终形成了磨损的状态,通常这种磨损会出现在有相对运动存在的工作表面,所以这种磨损在机械磨损的所有类型当中,所占的比例是最高的。在这种类型的磨损中,会因为工况的差异和磨损材料所受的作用力的差异还可以将其进行更深层次的分类,一般情况下可以将其分成三个大类,一类是凿削磨损,高应力冲击磨损和低应力的挫伤磨损。第一种磨损形式在锤式和反击式的碎机锤头和反击板和颗粒式的颗板当中。第二种主要是应用在水泥磨钢球和衬板的生产当中。第三种主要是应用在输送设备当中,所以在选用的时候要具体问题具体分析。
1.2 粘着磨损
这种磨损形式通常就是指在高速重载荷产生相对运动的工作面上因为瞬时的温度突然升高而出现的粘连状况。粘连的地方会在水泥机械运行的过程中继续产生相对运动,在这样的情况下也就使得工作面的表面会出现比较严重的磨损和伤痕的状态,这种磨损在水泥生产的过程中会出现比较明显的伤痕,这种磨损在水泥生产的过程在大型磨机的传动齿轮工作面上时比较常见的,这样就使得高速段齿轮传动的概率大大的增加。
1.3 其他磨损
这种磨损在实际的工作中通常就是指除了上述两种磨损状况之外产生的磨损问题,比较常见的有高温状态下产生的氧化现象得不到有效的控制而出现的强度下降或者是塑性变形的情况,这种情况就会使得机械的强度受到很大的负面影响,同时还会在这一过程中出现一些明显的变形情况,在高温状态下水泥窑的工作设备比较容易出现磨损的现象。
2、抗磨材料应该具备的综合机械性能
2.1 凿削磨损
在实际的生产中,这种工作状态如果长期得不到改变就很有可能会使得金属材料收到非常大的冲击力,同时还可以形成龟裂的问题,如果不能对其采取有效的措施进行控制,还可能发展成磨削剥离。如果新的工作表面收到了外力的作用,就会再一次出现剥离的现象,这样就会使得很多材料在短时间内就收到很大的磨损。在这样的情况下,如果要想使材料不受到非常严重的磨损,最为基础的一项工作就是要采取有效的措施不断的提高材料自身的强度,这样才能保证其在受到了非常大的冲击力之后依然能够保持良好的形态。同时材料自身还要拥有比较好的韧性。在选择材料的过程中,一定要保证材料自身拥有非常强的硬度,但是这并不意味着强度越高越好,它也需要有一个合理的范围,如果材料的硬度太高,其韧性就会变差,所以在受到了强大冲击力的作用之后就会产生非常严重的粉碎或者是断裂的现象。所以在加工的过程中,一定要综合考虑各种因素,材料的综合性一定要得到充分的体现,只有这样材料才能具备非常强的耐磨性。
2.2 高应力冲击磨损
这种工作状况下的金属材料表面受到的冲击力较凿削磨损工作状态的冲击力要小一些,只是局部状地受到冲击的作用,表面发生微小裂纹,一般不产生剥离。由于是分布不均的局部受冲击力作用,因而金属材料加工过程中应以提高强度和表面硬度为主,兼顾塑性。低应力挫伤磨损这种工作状况下工作的金属材料与凿削磨损和高应力冲击磨损不同,其工作表面基本上不受或受到很小的冲击载荷作用,工作表面的磨损是一种渐进的过程,通常经磨损后的工作表面十分光滑,只是几何尺寸发生变化,这种磨损在绝大多数的工作场合下只要能够有适当的方式保证,其磨损就会大大地减少,但对于如M型斗式提升机链环这种不能进行的工作表面,由于其磨损时的介质不同,磨损的剧烈程度也不同,这里只推荐不能采取工作状况下工作的金属材料机械性能的选择,这种磨损类型下工作的金属材料的强度应在设计时从几何尺寸和结构加以满足,在加工过程中主要应以提高材料的表面硬度为主,冲击韧性做适当的兼顾即可,最好采用低碳钢或低碳合金钢经表面渗碳淬火加回火获取表面硬度,这样既满足抗磨损要求,又能兼顾材料的韧性要求。
3、不同工作状况下推荐使用的金属材料
3.1水泥生产中,锤式破碎机的锤头、反击式破碎机的反击板、领式破碎机的预板等这此部件均受到凿削磨损,推荐使用高锰钢做为耐磨金属材料。这种化学成分经过在1050℃水韧化处理后,基本完全是奥氏体组织。这种金属组织具有较好的韧性,能很好地吸收高载荷冲击能量而不发生剥离,但硬度值很低,一般只有hh170-220,是不耐磨的高锰钢在使用过程中能表现出极强的耐磨性能是因为在高冲击载荷作用表面发生形变,在共作表面产生晶格错位,而使工作表面产生冷作硬化现象,使表面硬度迅速提高达到hh450-550,从而提高了耐磨性。这种过程叫做冷作硬化过程,前提是要有足够使其产生冷作硬化过程的冲击载荷,否则是不能产生冷作硬化现象的。凿削磨损正好具备了这一过程。
3.2水泥生产中的水泥磨一、二仓的钢球和衬板等受高应力冲击磨损,推荐使用高格铸铁作为耐磨金属材料。高铬铸铁:含铬量在12%-19%,含碳量在3%-3.5%,外加一此极少量的其它合金成分,铸造成型后经热处理获得的是马氏体金相组织这种金相组织具有极高硬度,达到hrc56-62,十分耐磨损。由于有大于12%的铬元索的存在,使材料内形成。,15c3的碳化铬的组织形态,这种形态的分布是以块状分布的,因而使高铬铸铁材料具有一定的冲击韧性,能承受一定的冲击力不发生断裂,其中k在0.8-1.8kg/cm2,用于水泥磨机一、二仓钢球和衬板是很适宜的,可以大大地降低球耗(一般可达50-60克/吨水泥),经济效益十分显著。但高铬铸铁下适宜凿削磨损}_况条件,因为在高冲击力载荷作用下,其冲击韧性不能满足共作要求,易发生脆性断裂。
4、结语
在水泥生产的过程中,金属材料的磨损是必然的,为了减少磨损带来的负面影响,在实际的工作中,我们必须要对机械的破坏形式和材料的具体特点进行详细的准确的分析,只有这样,才能使得材料的磨损降到最低,实现更高的经济效益和社会效益,这样才能早日的实现可持续发展。
参考文献
篇6
【关键词】总承包 材料采购 材料采购管理 项目化管理
中图分类号:K826.16 文献标识码:A 文章编号:
1 引言
材料不仅是建筑工程施工的基本要素,也是影响工程造价的决定性因素,材料投资在整个工程投资中占有相当大的比重,材料采购维持着正常的建筑施工状况。但受到各种因素的影响,在实际操作阶段材料采购都会出现不同程度的问题,如价格难预算,成本难控制,数量难明确等。因此材料采购管理成为项目管理的一个重要组成部分,不论是施工企业或是总承包单位在制定作业计划时要充分考虑材料因素。因为如果材料采购不当或管理不善,所采购的材料达不到项目建设的要求,不仅会影响项目的顺利实施,还会降低项目的预期效益,甚至导致整个项目的失败。
2 材料采购项目化管理的必要性及含义
2.1因为工程项目建设采购的物资品种较为繁多,涉及面广,用量大;采购随机性大,即便经过非常精细地预测,也不能够排除图纸变动和设计变更,以及突发事件等的影响造成采购计划的变更;部分主要建材的价格如水泥、钢材等受市场波动的影响大,确定材料选购时间非常重要,而材料选购时间同时会受设计和施工中资金、工期、施工方案等方面的影响,因此对材料采购人员的专业水平、知识结构、工作能力要求高。针对材料采购管理的独特性及特殊性,实行材料采购项目化管理是非常必要的。
2.2项目化管理是现代项目管理理论对项目和运作活动进行管理的技术和手段,它将传统的项目管理方法应用于全面的企业运作,“按项目进行管理”是其核心内容,是传统项目管理方法和技术在企业所有项目上的综合应用。项目化管理最根本的目的是如何在确保时间、技术、经费和性能指标的条件下,以尽可能高的效率完成预定目标,让所有与企业相关方满意。
2.3材料采购项目化管理就是基于企业战略视角下,以材料采购项目各目标的实现和各相关方的满意为着眼点,运用项目管理的方法和工具,对企业的材料采购管理工作所进行的系统地、动态地长期性组织管理活动。
3 材料采购项目化管理的内容
3.1明确项目总体目标和任务,确定并编制项目总体材料采购计划,确定材料采购目标和任务,制定材料采购的管理流程计划和控制措施,协调各种资源并实施。
3.2确定材料采购项目进度计划、编制步骤及进度影响因素,并对材料采购项目进度计划进行控制。
3.3确定材料采购项目成本构成,进行成本估算、成本预算,收集并分析成本控制的依据,确定成本控制方法,明确成本控制成果,掌握成本控制策略。
3.4明确所采购材料的质量要求,分析项目材料采购的特点,确定质量计划,明确质量控制依据,掌握质量控制方法,明确质量控制结果,并对其进行有效的管理。
3.5制定项目材料采购人力资源计划,选派与之相适应的人员,组建采购工作团队,分配任务,并扎实搞好采购人员的培训工作。
3.6明确材料采购项目风险类别并对其准确识别,掌握风险度量和评估方法,建立风险管理模型并对其进行分析,在风险分析的基础上制定风险应对的措施。
4 材料采购项目化管理系统构建注意事项
工程总承包模式下的材料采购管理过程,是一个动态过程,涉及企业技术、供应、施工、质量、生产、财务等所有部门和所有相关人员,因此,需要构建一种适应工程总承包的材料采购项目化管理系统。
4.1计划管理。确定采购目标和任务,编制采购计划,协调各种资源并实施。材料采购计划的编制是整个采购活动的准绳。编制材料采购计划时应注意:
4.1.1确定材料需用量。材料的需用计划一般由项目的技术人员编制,材料消耗定额是编制材料供应计划的重要依据,同时还应结合施工设计要求和施工进度,确定用多少进多少,从而达到最佳供给状态,并据此可科学地判断材料使用的节约或浪费。
4.1.2确定经济采购量。确定经济采购量的目的,就是使与材料有关的订货成本、购买成本、储存成本和缺货成本四项成本总和达到最低。根据施工项目的一般情况,最终得出一定期间的经济采购量。
4.1.3编制材料采购计划。根据材料的需用计划和经济采购量的分析结果以及将要选择的合同类型编制采购计划,说明如何对采购过程进行管理,具体包括合同类型、组织采购的人员、管理潜在的供应商、编制采购文档、制定评价标准等。
4.2目标管理。主要包括质量、成本和进度三大目标的管理。
4.2.1质量管理。分析材料采购项目的特点,制定采购规范、质量目标、质量控制措施等。在采购过程中,杜绝不合格品流入生产过程,把不合格品控制在最低限度,保证采购供应质量不断提高。
4.2.1.1采购规范。采购规范是说明采购原材料的资料,包括材料的类别、品种、规格、登记、技术标准、技术要求、图样、检验规程、生产工艺等内容,全面规定了采购的原材料的客观性质。材料采购规范的制定应按照科学、合理的原则进行。规定的材料质量特性既不能过高,也不能过低。过高会造成材料潜力未充分发挥,功能过剩,增加不必要的成本;过低会造成不能满足产品、工艺需要,无法实现产品的功能,满足不了产品质量要求。
4.2.1.2质量目标。质量目标是保证材料质量的行为与结果的规定,它是进行材料质量控制的依据,是衡量与反映材料质量管理的标准,是对采购供应活动进行考核的依据。
4.2.1.3质量控制。质量控制是为了满足质量要求的管理活动,其目的在于控制质量活动的过程和结果,使之达到质量目标的要求,通过预先控制、检验、验收等工作进行控制。
4.2.2成本管理。材料采购成本包括:买价、运杂费和采购保管费,它是材料部门的可控成本,所以材料部门是材料采购成本的责任中心。因此,要做好材料采购成本管理和原材料价格管理,对其相关费用做出计划、估算、预算和控制工作。
4.2.2.1编制材料采购预算。材料采购预算是在实施采购行为之前,对采购成本进行预测,这是对整个采购资金的一种理性规划。主要是在预算的基础上,根据各种材料的消耗定额和市场价格,结合期初库存材料的数量和其他材料采购成本费用编制。从而使采购人员自觉地调整、约束自己的行为,激励他们努力工作,提高工作效率,降低材料采购成本。
4.2.2.2采购询价。就是通过询问价格的方式,从可能的卖方那里获得谁有资格、谁能最低成本完成材料采购计划中的供应任务。这就需要做好采购询价管理,充分利用计算机管理系统,借助网络优势,快速地浏览和获取需要的信息,确定供应商的范围,从而保障采购询价管理,得到询价结果的高效率。
4.2.2.3适当的采购方式。对于每个工程材料费用占到很大比重,材料采购是否经济直接较大影响项目成本,因此材料采购方案必须经济合理。根据采购材料的具体情况选择适当的采购方式,材料采购的主要方式有:询价比较采购、招标采购、竞争性谈判、电子商务网上采购、集中采购、联合采购等。
4.2.2.4合理的运输方式。材料运输应根据各运输工具的特点,结合工程项目所在地及购买材料的具体情况,在促进货物流通、充分利用各种运输方式的条件下,选择最合理经济的运输路线、运输方式和运输工具,准时、安全地完成运输工作。在科学的施工组织设计保质和安全的前提下,合理安排材料的装卸和运输,减少运输途中的损耗,减少或避免重复搬运。材料的运输方式主要有:铁路运输、公路运输、水路运输、集装箱运输。
4.2.2.5控制库存。当企业生产部门需要某种材料时,可以直接与对应的供货商联系,供货商将材料直接发送企业,这样就省去了中间环节的采购部门,节约订货时间,降低订货成本,增强原材料供应的及时性。在工作中适量的降低库存,控制库存,提高材料的质量和效率,减少库存积压。
4.2.3进度管理。识别企业所属项目的材料需求时间,确定采购工作各环节的顺序,测算各活动所持续的时间,编制进度计划,按进度计划进行控制。
4.3供应商管理
4.3.1供应商分级。可根据企业所采购材料的重要性不同,在对材料进行重要性分类的同时,也将供应商分为如战略性材料供应商、重要材料供应商、瓶颈材料供应商和一般材料供应商等,企业根据不同情况选择与供应商合适的合作伙伴关系。
4.3.2供应商评估。企业可按照系统全面、稳定可比及可操作性原则,采用定性和定量相结合的方法定期对供应商进行评估。由材料采购员对工程所需材料进行市场调查,确定三个以上可提供所需材料的供应商名单,项目经理组织人员对市场调查情况进行综合评估,确定出合格的供应商名录。
4.3.3供应商信息数据库。对供应商评估的原始信息的收集非常重要,主要包括供应商的基本信息、供货信息、资信信息和历史信息。其中,供应商基本信息主要用于内部工作人员维护和供应商动态维护;供货信息主要包括供货范围、供货批量、供货能力、价格、质量和交货期等;供应商的资信信息主要有准时交货率、到货质量等级、质量合格率、质量分数、资信等级等;供应商的历史信息主要有各种历史交易记录,如供货、退货、代用、质检、降价、应付款记录等。
4.4合同管理。常见的合同可分为成本加奖励费合同、固定价格加奖励费用合同、固定总价合同三种。采购合同就是在确定了供应商后,项目与供应商之间签定的确保双方履行约定的一份法律文件。在签定之前,需要对合同类型进行选择,因为不同的合同类型决定了风险在买方和卖方之间分配:项目的目标是把最大的实施风险放在供应商,同时维护对项目经济、高效执行的奖励;供应商的目标是把风险降到最低,同时使利润最大化。
4.5风险管理。在材料采购工作中,采购风险是客观存在的,采购风险通常是指采购过程可能出现的一些意外情况,包括人为风险、经济风险和自然风险,具体说来,如采购预测不准导致物料难以满足生产要求或超出预算、供应商供货不及时、提供货物不符合合同要求、供应商之间存在不诚实等。在风险管理系统中,关键是对材料采购有关环节上的外部和内部风险予以识别,并对风险给出定性或者定量的评估和衡量,在此基础上探讨和研究风险规避、防范及应对措施,实现材料采购项目化管理目标。
4.6人力资源管理。材料采购是一个动态的全过程活动,采购不仅要掌握特有的采购技巧和策略,还要掌握一定的工程、预算、合约、法律方面的相关知识,以及其他关于产品、市场等很多方面的综合知识,因此,对采购人员的素质提出了新的要求,需要重点抓好材料采购人员选聘与培训管理工作等方面的建设。主要从采购人员面试管理、招聘渠道选择、专业技能测试、采购及采购管理培训和职业素质培训入手,配合各项制度建设,形成一整套规范化的程序文件和表格,以此来共同推动材料采购人力资源管理的完善。
4.7信息管理。建立材料采购信息系统,材料采购信息系统应包括计划采购系统、目标(成本、质量、进度)分析系统、供应商管理信息系统、合同管理系统、风险管理系统、人力资源管理系统等。材料采购信息系统的建立,既可利用计算机来取代人工繁琐的事务处理,提高管理效率,又可完成手工难以完成的信息处理,为材料管理及决策提供信息分析及最佳决策方案,使供应工作处于最佳状态。材料部门要提倡“多存信息,少存实物”的新观念。
5 结语
本文针对目前材料采购管理存在的问题,对材料采购项目化管理的必要性进行了分析,从计划管理、目标管理、供应商管理、合同管理、风险管理、人力资源管理、信息管理七个方面构建材料采购项目化管理体系,希望将材料采购项目化管理溶入与工程总承包项目管理中,达到提高材料采购管理质量,降低材料采购管理成本,最终提高投资效益的目的。
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一、细化纳税对象,找准管理方法。
现在纳税人各种经济成份鱼龙混杂,行业千姿百态,过去税收管理单一,采取眉毛胡子一把抓,造成征纳矛盾较多。我们从细化管理对象入手,把道县共2500多户纳税人细化分五大类20种行业及特种纳税人,一类纳税人为28户一般纳税人企业和50户小规模企业、29户加油站、8户总商、4户大中型超市、6户家电、8户通讯器材销售店、18户小水电站;二类纳税人为12户皮鞋制造厂、10户药品零售店、48户个体砖厂、2户金属材料制品厂、35户木材加工厂、;三类纳税人为10户矿产采掘户、全县的定点屠宰;四类纳税人为道江镇起征点以上个体工商户、农村城镇的小超市;五类纳税人为道江镇起征点以下个体工商户、农村个体工商户和零散税收。并明确一、二类纳税人为全局的重点纳税户,对一类纳税人实行驻厂税收管理员管理办法,对二类纳税人实行行业税收管理员管理办法;三类纳税人为代征纳税人,由各专业管理办公室代征办法;四类纳税人为普通纳税人,五类纳税人为监管纳税人,这两类纳税人实行分路段、乡镇实行税收管理责任区管理办法
二、摸索行业特点,细化管理办法。
明确了四类纳税人50种行业或特种纳税人,选取一些典型户来调查各行业及纳税人的特性,针对行业特点,在税收精细化管理上想实招,下苦功。通过反复探索和不断总结完善,从年下半年开始我们分别对加油站、砖厂、药店、超市、家电、通讯器材销售、总商、皮鞋、小水电、废旧金属制品等10个行业145户纳税人的税收管理摸索出了一套行之有效的办法,取得了明显成效。
一是帐实核对,抓好加油站税收管理。道县共有29户成品油销售纳税人,加油站点46个,加油机都安装了税控装置。年8月,我局成立了成品油管理小组,对加油站实行专业化管理。在对全县所有的加油站进行了调查了解的基础上,掌握了各加油站油罐数量、形状、尺寸,把采集来的数据和各种类型油罐的计算公式全部录入电脑,在以后的工作中只要量出油罐内的油面高度,就能准确计算出库存油量,顺利解决了加油站库存油难以核实的难题。同时,建立健全了加油站日销售台帐与进货报验制度,加油站每天登记日销售数量,进货时,应在进货前一至两天向成品油管理小组申报进货数量,货到后必须报告管理小组到场验证核实数量、金额后,经双方签字方可入库,并在增值税专用发票上签字后,方可认证抵扣,杜绝了虚开增值税专用发票的行为。今年5月份,通过盘存核实加油站销售数量,道县农机加油站核实库存差96635.63升,隐瞒销售收入347179.01元,补增值税59020.43元,道县上关加油站核实库存差22430.54升,隐瞒销售收入84910.52元,补增值税14434.78元;道县城北加油站核实库存差39160.15升,隐瞒销售收入146181.14元,补增值税24850.79元,共计查补增值税98306元。根据管理需要,我局还建立了油价涨跌报告制,油价涨跌加油站应及时通知国税部门,及时调整税控装置的计税价格,实行动态管理;每月至少分上、中、下旬到各加油站抄录税控加油机数据,不定期巡查各加油站,以防止加油站不经过加油机加油。对税负明显偏低、财务欠健全的加油站,将其纳入重点纳税评估和稽查范围,认真分析、研究原因,实施稽查;对账务不健全、收入有明显差距,连续两个月零申报、负申报的,取消进项税抵扣,采取核定税款或预储税款等征收方式,今年就有2个加油因机外加油补缴增值税3.3万元。
二是以电控税,抓好砖厂和废旧金属制品行业税收管理。县局专门成立砖厂税收管理组,制定了全县砖厂实行以电控税征管办法,按生产规模、年产量、年销售量、年耗电量、年定税额、实际入库税款、砖厂引风形式,实行以电定产、以产核销、以销计税的征管方法进行税收征管。核实了各砖厂每度电生产砖坯数量,剔除了非生产用电因素,核定自然引风的轮窑砖厂,每耗用1度电缴纳增值税0.18元,机械引风的轮窑砖厂,每耗用1度电缴纳增值税0.15元的大致计税标准。通过有效控管,48户砖厂年应纳税额由年度的18万元增长到年的42万元,今年1-9月已入库315805.6元。
道县有2户利用废旧的金属材料进行冶炼制造线材的企业,根据这个行业耗电量大,产品多少与用电量息息相关的特点,由税收管理员进行了驻厂调查,掌握了线材的销售价、收购废旧金属的成本,得出了产品耗电比,每吨产品均耗电1200度,按这个耗电标准,由耗电量得出生产量,再由生产数与产品结存数计算出销售数量,按市场线材的价格核实销售收入,监控这两户企业准确申报纳税。原来这两户企业总是以没有生产多少产品,每吨产品没有什么毛利为借口,一年最多缴税4万多元,现在进行准确监控后,企业的销售收入准确清楚,今年1到9月申报缴税26.4万元。
三是以票管税,抓好药店、家电、通讯器材销售、小水电等的税收管理。
年7月,针对药店行业实行柜组销货,集中收款,收款员凭售货员开具的收款单收款,容易核实销售额的实际,他们有针对性地采取了抓紧、抓细、抓实的征管措施,向10户药店下达建账通知书,责令限期建账;并统一印制了《道县国税局药店货物销售发票》作为药店行业货物销售法定凭证,以此作为纳税申报依据。在试行过程中,有个别药店想少缴税,不开具《道县国税局药店货物销售发票》,他们派人前往药店收集证据,核实后按规定进行行政处罚。两个月后,药店行业税收管理走上了正轨,月入库税收由6000元上升到现在的20000余元,今年1到9月就入库了增值税209690元。
年8月,我局将药店行业管理经验在家电、通讯器材销售行业进行了推广,要求家电与通讯器材销售行业在任何情况下都必须按规定开具、使用发票,并将其使用的信誉卡视同纳税资料进行管理,定期检查其印制、使用、库存等情况。为有效监控各经营业户的开票行为,我们在外部管理上一方面加大电视等宣传力度,同时采取有奖举报等方式,促使经营者自觉按规定开具发票。在内部管理上抽调部分人员“坐店”监管,明处的坐守,暗地里盯紧,记录的记录,巡查的巡查。经过去年长达四个多月的不懈努力,掌握了纳税人大量的原始数据与经营信息,为核实应纳税额提供了充足的依据。同时要求设置会计账簿和进销货登记表,按日分次如实记载经营事项,按实申报经营收入。今年1到9月,6户家电户入库增值税180666.7元,8户通讯器材销售商入库增值税110119.3元,比年同期又增加税收16.4万元。
全县18户小水电发电企业,销售都要用票,但用票量不大,每月只开具一份票。我局专门设立了一个水电行业税收管理员,各小水电站领取的发票由税收管理员进行代管监开,准确掌握各小水电站的销售额,保证小水电站纳税人能准确申报。今年1到9月小水电站已入库增值税67.6万元。
四是坐店核销,抓好超市税收征管。
我局对超市采取管理组管户法,设立四人超市管理组,根据超市的营业时间调整专管员的工作时间,专门进行超市税收管理。管理组根据超市报送的收款计算机核算软件,在每天上午、晚上超市收款员交接班时,到超市记录当班次每台计算机自动生成的销售货物金额,收取超市签字认可的日销售汇总表。每月随机确定3天进行现场跟班验票,记录销售情况,核实登记每笔收入,推算出月营业额,掌握超市大概销售情况。曙光超市原月定税只有8000元,现在每月均缴税17184元,生源百货超市原定税为8000元,现月均缴税为16267元,道县好又多超市原定税600元,现月均缴税为1100元,道县信和祥超市原定税800元,现月均缴税1400元,并对生源超市与曙光超市根据其销售额超过180万元的情况认定其为一般纳税人按一般纳税人进行管理。
五是以进核销,抓好总、总经销商税收管理。
针对个体总、总经销户进货渠道正常,先款后货、商品流通交易手续完备、品牌销售不易隐藏的特点,我们首先要求其进行建帐,同时经常从各专业银行调取其电汇信汇数据或调取进货发票,再根据进货、销货线索,核实其销售收入,促其进行正常申报缴税。如对道县酒类经销商李文军原只定税为2000元一个月,现每月申报税款达6000多元;雕牌洗涤用品商刘德增原只定税1200元,现在每月申报税款超过4000元。
六是以工人人数管税,抓好皮鞋制造行业税收管理。
道县皮鞋闻名全国,销路较好,而且是道县的一个特色行业,一直存在厂子红火但税收不高的局面。我们针对皮鞋厂销售与工人人数、车板机台数、销售网点三大因素相关的特点,特别是与工人人数成直线联系的特点,对全县的皮鞋厂采取按工人的人数来核实其销售收入,督促进行纳税申报。经多次测定并与皮鞋厂进行交流,核定每个工人一天生产两双皮鞋这个标准,按皮鞋厂老板每月提供其计件工资发放表上的工人数再乘以道县当地皮鞋平均销售价来核实其销售额,并每月进行6次随机抽查工人人数,如老板提供不符人数的按最高人数计算。今年1到9月全县12户皮鞋厂实现销售收入296万元,实现增值税17.8万元。
五、创新管理思路,深化管理成果。
一是改变管理思路,强化纳税评估。对一类纳税人的28户增值税一般纳税人和50户小规模纳税人企业,我们除了“驻厂税收管理”外,同时全面建立健全纳税评估,强化日常管理。我局制定了《道县国家税务局纳税评估管理操作规程》和《道县国家税务局纳税评估与各业务岗位工作衔接办法》,对企业产品成本比率异常和税负低入预警税负的,结合纳税人的生产经营情况和行业特点分别从纳税申报、税收稽核、信息采集、数据分析、纳税约谈等方面进行探索和尝试,按纳税评估规程要进行约谈,企业如不能说明原因的,或者理由不充分的列为重点管理对象,问题严重的,及时移送稽查部门查处。如对与能源供应关系密切的金属矿冶炼行业、非金属矿冶行业企业纳税评估中,我局核定了冶炼行业原材料、成品产出比例,即每生产1吨产成品应耗用不同标号矿渣的数量,进而以产定耗,测定企业耗用和购进原材料、辅料的数量,由税收管理员开展实地调查,对纳税人进行约谈,了解企业的生产经营情况,结合纳税人报送的纳税申报资料、企业财务报表和其他资料进行审核分析,计算相关指标,初步确定各企业的产品成本比率,掌握企业购进材料情况。道县双丰电化厂通过购销比对被查补增值税2万余元,道县鑫利冶炼有限公司通过耗用能源测定,核实销售收入71万元,补缴增值税12万余元。湖南千金医药股份公司道县配送站税负率差异辐度达273%,通过分析与约谈,核实该企业把认定一般纳税人以前购进的货物放在以后取得增值税专用发票进行认证抵扣,补交增值税104048.99元。截至年10月份,我局共对16户企业进行了纳税评估,其中企业所得税1户,增值税15户,通过评估,调账补税130余万元。
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一、全日制专业学位研究生培养模式探索
(一)培养目标与定位
我们对全日制材料工程专业研究生培养提出了“133”的目标与定位,即全日制材料工程专业研究生培养要建立“一个”明确的培养目标,坚持“三个面向”(面向学科前沿,面向企业,面向市场),实现“三师教育”(材料设计师、材料加工师、材料检测评估师)。全日制材料工程专业研究生培养目标定位为:掌握材料工程领域坚实的基础理论、宽广的专业知识和扎实的工程实践能力,能够承担材料工程领域专业技术或管理工作,具有良好职业道德的高层次、应用型专门人才。全日制材料工程研究生培养要坚持“三个面向”:面向学科前沿要求全日制材料工程专业研究生培养要立足学科前沿,把握学科方向;面向企业要求全日制材料工程专业研究生培养要立足企业需求,提升解决制约企业发展瓶颈问题的能力;面向市场要求培养的研究生了解企业产品性能与适应领域,能研发适应市场发展的新产品,并顺应市场需求来设计、改变产品组成和加工过程。“三师教育”是结合企业产品生产过程提出的具体培养措施。材料设计师要求培养学生产品研发能力,让学生利用所学的材料基础理论进行新产品的开发与改性;材料加工师要求培养学生的产品生产管理能力与对产品生产线技术改造的能力;材料检测评估师要求培养学生的产品性能检测和销售能力。
(二)探索全日制专业学位研究生培养新模式
1.制订好一套切实可行的培养方案。
培养方案是对研究生实施培养的主要依据,能够充分体现培养目标和培养要求。培养方案制订要做到了解学科前沿,与企业和市场需求结合。培养方案以宽基础、重实践为特点,以学校教师和企业技术人员团队指导为亮点。加强案例分析类课程比重,要求研究生必须选修至少一门企业管理方面的课程。考核内容上改变过去注重“标准答案”去死记硬背就可得高分的模式,安排一些综合案例分析等考查内容。真正考查研究生掌握、运用知识的能力,从而激发他们学习的积极性、自主性和创新性,提高运用知识解决实际问题的能力。
2.建设好一批精品课程。
目前全日制专业学位研究生培养工作刚起步,各高校都在探索中前进,缺乏成功经验借鉴,更缺乏完善的课程体系和教材。部分高校索性采用学术研究生的课程体系,适当增加实践环节教学,这与专业学位研究生培养目标相违背。高校要重视课程建设,以达到事半功倍的成效。材料工程专业研究生课程强调理论性与应用性结合,突出应用性。在课程设置方面凸显了知识面、强实践性,彰显学生多学科知识背景,强化工程实践理念。如专业开设的《产品设计与制造技术》课程,以产品为牵引,介绍产品设计、工艺、结构和组成的关系。课程内容紧密结合企业生产实际,并安排一定学时的企业现场教学。
3.建立好一批实践基地。
实践环节是专业学位研究生培养的重要环节。充足的、完善的和高质量的专业实践环节是教育质量的重要保证,是专业学位不同于学术型研究生的最大区别。如果实践环节缺失,就失去了专业学位研究生教育改革的意义,失去了高层次应用型工程人才的办学特色。实践环节的保证有赖于建设一批高质量的实践基地。发挥产学研过程中建立的企业研究生工作站和研究生创新中心的作用,使之成为专业学位研究生实践的坚强后盾。
4.建设好一支企业导师队伍。
全日制专业学位教育的特点决定了培养过程必须校企联合,其实现途径是建设好一支企业导师队伍,实行导师组联合培养机制。由于目前大学排行榜注重考查学校的科学研究水平,导致高校过分注重科研成果的质量和数量,缺乏对教师工程实践能力的培养;学校在教师的引进、考核、职称评审、经费划拨中也主要与科研成果挂钩,这一导向必然导致教师投入更多的时间和精力追求学术成果,无暇顾及自身工程实践能力的提高。这种重科学、轻工程的评价导向严重影响了工程师人才的培养质量,影响了工程教育的科学发展。因此要弥补不足,必须发挥企业导师工程实践功底厚实、经验足的优点,走出一条校企联合培养的路子。
二、全日制专业学位研究生教育管理探索
(一)目前存在的问题
1.全日制专业学位研究生教育社会认可度有待提高。
一是社会长期以来形成的偏见。长期以来专业学位研究生教育主要是为企业培养研发人员,实行在职培养,过程不严谨,得不到高校的高度重视。二是全日制专业学位研究生培养工作刚起步,志愿报考人数极少,生源多数来自学术型研究生的调剂生。三是学校管理配套的滞后,学校学术型研究生与专业学位研究生在管理和资源分配方面存在不均。四是部分专业博士学位未设置,全日制专业学位较学术型研究生失去提前攻读博士的机会。以上原因造成专业学位研究生认可度较低。
2.全日制专业学位研究生班级管理难度加大。
专业学位研究生培养过程基本上是在课题组内进行的,他们对课题组存在归属感和依赖感,与课题组师兄、师姐交流频繁,与班级同学交流稀少。据笔者调查有80%的专业学位研究生对课题组的归属感强烈,对班级缺乏归属;有20%的研究生甚至不能认识本班全部同学。研究生教育注重学生研究能力的培养,缺少必要的班级活动。在企业实践阶段,同学们各奔东西,联系偏少,班级活动几乎缺失。以上因素造成专业学位研究生实体班级难以统一管理,思政教育基本载体缺失。目前高校在专业学位研究生管理上实行的是导师负责制,导师不仅是科研的指导者,而且是德育的塑造者。现实情况是导师重视对研究生的科研指导,缺少对研究生必要的思想道德教育。
3.德育内涵有待提升。
道德教育是完善研究生综合素质的重要方面。现阶段专业学位研究生德育得到高校的普遍重视,但内涵还停留在成长成才、如何掌握知识等方面,很少涉及职业任职能力等内容,不利于研究生综合素质的培养,有待于提升。
(二)解决教育管理存在问题的有效途径
1.加强专业学位的宣传,提高对专业学位的正确认识。
社会和学校对专业学位研究生教育的认识水平关系到专业学位研究生生源和培养质量,关系到国家全日制专业学位研究生改革的推进,关系到专业学位研究生良好道德品质的形成。因此,社会和学校要加大专业学位教育的宣传力度,创新宣传形式,让学生及时了解国家的相关政策,了解学校相关的培养措施,了解专业学位研究生培养是我国研究生教育体制改革、结构优化的必然,是实现研究生培养与社会需求相结合,更好地适应国家经济建设和社会发展对高层次应用型人才的迫切需要,及时让专业学位研究生消除偏见。及时掌握专业学位研究生的思想变化,了解研究生的经济状况和学习生活状况,在全日制专业学位研究生的学籍管理、生活补助、科研津贴、奖学金评定、助学贷款、学生权益、就业服务等政策措施上要与学术型研究生同等对待。
2.发挥新媒体优势,开拓思政管理工作新形式。
互联网诞生掀起规模空前的传媒革命,它所创造的传播内容、传播方式和传播影响,相对于传统的印刷类、电子类媒体而言,实现了革命性的飞跃,具有快捷性、开放性、全时空、虚拟化等特征。面对专业学位研究生实体班级难以管理状况,借助新媒体优势,建立网络虚拟班级,设置班级博客、导师博客等内容,在网络平台上实现对研究生的思想教育,实现同学之间的交流沟通,开拓全日制专业学位研究生管理工作新局面。利用网络平台开展思想政治教育工作,也易于研究生接受,也能提高思想政治教育的针对性和实效性。全日制专业学位研究生无论在学习期间还是在企业实践期间都存在道德行为、道德意识的塑造,都会受到导师无形的影响。因此,必须发挥导师在专业学位研究生培养过程中育人作用,实现导师不仅授业而且传道的作用。
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[关键词]无机非金属材料工程;卓越计划;生产实习
“卓越工程师教育培养计划”(“卓越计划”)是为贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010年至2020年)》而提出的高等教育重大改革计划。旨在培养具有较强工程实践能力、创新能力和良好综合素质的优秀工程应用型人才,提高我国工程教育的质量,进而努力提升我国产业的国际竞争力,对我国经济建设事业有着至关重要的意义。该计划强调培养学生的现场工作能力、设计能力、工程项目实施能力以及新产品开发与技术改造能力,这就要求有强有力的专业实践教学作为支撑。无机非金属材料工程是实践性很强的工科专业,实践教学方面要求较高,传统的无机非金属材料专业的实践教学主要是学生在校外集中进行的认识实习和生产实习。由于实习时间较短、经费紧张等原因,两者在形式和内容安排上不可避免地出现交叉和重合,影响实习与实践教学效果。因此需要探索新型的适应“卓越计划”要求的无机非金属材料工程专业生产实习模式,以保证实习效果。
1生产实习常规开展方式与新需求分析[1]
在科学技术飞速发展、经济社会不断变化的大背景下,无机非金属材料工程专业涉及领域不断拓宽及作为实践教学重要组成部分的生产现场发生了翻天覆地的变化。如专业涉及领域由传统的水泥、玻璃、陶瓷和特种材料拓展到光伏玻璃、膜材料、复合材料等多种新型功能复合材料;而生产现场自动化程度越来越高、场地越来越小、密封性越来越好。同时,企业对技术的保密意识越来越强。显然传统的实践教学无论是教学内容、教学方式都不利于符合生产现场要求的高素质工程技术人才。因而在专业教学学时不断减少的现状下,进行无机非金属材料工程卓越计划教学与实践的改革与创新势在必行。
2生产实习的重要性[2,3]
实践是工程的灵魂和根本,产学研结合是工程教育的重要特征和本质要求,“卓越计划”创立了高校与企业联合培养人才的新机制,以期从根本上解决工程人才培养中校企脱节的现象。
2.1企业参与“卓越计划”的重要性
企业参与“卓越计划”的重要性主要体现在2个方面。(1)企业在工程人才培养方面有着重要的指导作用。企业在激烈的市场竞争中,对本行业的现状和发展趋势最了解,也就最清楚当今社会和未来世界对工程人才的需求,包括人才层次、类型、规格等方面。因此企业参与卓越工程师的培养,使它们由单纯的用人单位变成共同培养单位,充分发挥了企业在整个工程人才培养过程中不可替代的指导作用,使校企合作培养出来的工程人才能够达到“卓越计划”的培养目标。(2)企业拥有高校所不具备的真实的工程环境,这对于卓越工程师的培养至关重要。为了生存、发展和竞争,企业必须拥有最先进的生产设备和制造技术,这些是作为教学单位的高校所无法达到的;企业所需要解决的生产、技术、研发、市场、管理方面的问题,是训练和培养工程人才能力的最好题材;企业所拥有的一批经验丰富的工程师,他们的工程经历和实践能力正是高校工程教育专业教师所不及的;企业所拥有的研发设计、生产制造和市场营销的场地和机构,是工程人才未来发挥作用的场所。因此,只有开展校企合作,发挥各自优势,实现资源、设备、师资的最佳组合,才能在知识、能力和素质方面培养出满足“卓越计划”培养标准要求的卓越工程师。总之,企业的参与是“卓越计划”成败的关键。这就要求实践指导教师必须具有扎实的基础理论知识及基本操作技能,培养实事求是、科学严谨的工作作风,从自身做起,严格要求自己,并且关注相关学科理论的新进展,丰富更新自己的知识体系,同时积极参加相关工作,把科研与教学紧密结合起来,提高教学质量,借着带领学生进行工程实践的机会,真正地深入到企业、车间、班组中去,本着与学生共同学习的态度,带着问题去学习,以弥补自身偏重理论教育而工程实践较少的不足。
2.2企业实践
我们聘请有较丰富实践经验的企业工程技术人员担任企业导师,采取校内导师+企业导师的双导师制度,原则上每7名学生聘请1名企业导师,同时配备1名校内导师。校内导师将学生带到企业后,首先接受企业的进厂安全培训以及各车间、生产线的工艺流程培训。然后,学生要深入企业生产一线,进入实验室、车间、班组,在企业导师、工艺人员、师傅的带领下,认真学习每一个生产工艺中设备布置、工艺制度、操作制度等细节部分。在对岗位较为熟悉后,可助岗或顶岗工作一段时间,与工程实践亲密接触,丰富专业知识,进而探究现有工艺过程的优缺点,帮助企业进行调研,同时较早接触社会,学会与人相处,增长人生阅历。实践对于学生来说是一个非常重要的环节。学生在第7学期熟悉所在企业、车间的原料准备、成型工艺、烧成工艺、窑炉制度、检选包装等工艺流程,做到理论知识与实践相结合。第8学期,双导师与学生共同研究实践题目,指导学生完成毕业论文(设计),毕业论文(设计)题目,可以是产品的研发、制品的使用跟踪,也可以是几种原料的性能比较、原料不同含量对制品性能的影响,各工艺、制度研究,或是对企业某项产品质量及市场需求进行调研,不拘泥于题目类别与研究形式,只要是在这其中学生学习到了知识,提高了实践能力及发现、分析、解决问题的能力,为学生的进一步深造、更好地胜任工作打下坚实的基础就是最好的。
3与企业合作生产实习模式[4,5]
在当今社会经济发展大环境下,校企合作成为衡量高校人才培养模式的参考点,是高校教育发展的流行趋势,也是企业获取新的发展和参与社会竞争的主要选择。近年来,我校坚持“厚基础、重实践、求创新、高素质”的办学方向,坚持以服务社会为导向,以教学为中心,以特色求发展,突出创新型应用型的人才培养模式,以鲜明的专业特色带动校企合作,合作模式不断创新,取得了较好的效果。主要采取的校企合作模式有如下几点:
(1)“企业引入”模式。
由学院提供场地及其他各种服务,将企业引入学校,建成校内生产性实训基地,为学生提供生产性实训岗位。通过合作方式,企业得到了学校在厂房、技术及技术工人等方面的支持,降低了生产成本,而学校获得了学生顶岗实习、教师参与技术开发等机会,取得了生产与教学双赢的效果。
(2)“设备共享”模式。
由企业和学校共同提供设备,建立生产性实训基地,企业进行生产的同时,为学生提供生产性实训岗位。这种合作模式实现了校企资源的互补和共享,使双方的设备兼具教学和生产功能,大大提高了设备利用率。
(3“)技术推广”模式。
由企业提供先进的生产设备(企业产品),以学院教师为主体针对本院学生及社会人员开展的新设备、新技术应用培训。通过这种合作,学生获得了最新的技术培训,掌握了先进设备的操作技能,而企业则达到了发展潜在客户的目的。
(4)“岗位承包”模式。
学院承接企业生产流程外包业务,在企业技术人员的支持下开展生产活动,教师成为生产过程中的技术与管理人员,学生交替进行顶岗工作。通过这种合作,企业降低了生产成本和人力成本,而学院的师生都得到了真实生产的锻炼。
(5)“校企共训”模式。
将企业的内训机构引入到学院,学院免费提供场地和设备,双方共同组建“捆绑”式培训团队,为企业员工和学院的学生进行专业技能培训。这种直接引入企业培训课程和培训师资的模式,使学院的课程能紧跟企业要求和技术发展,同时扩充了兼职教师队伍。
(6)“培训移植”模式。
移植跨国公司的员工培训项目,由企业提供设备及教师培训,教师取得企业的资格证书后,为企业培训员工,同时面向学生实施“订单式”培训。通过这种合作模式,学校不仅在设备、技术上获益,学生的就业质量也得到了保证。
(7)“实训承包”模式。
由学院提供场地,企业提供设备和师资,在校内建设仿真实习场所,对企业员工进行培训,同时承包学院的相关实训课程。
4结束语[6]
实践是检验真理的唯一标准,实践也是培养学生掌握知识和提高能力的最有效方法。经学生和实习基地反馈,此培养方法效果较好,学生熟悉了专业、企业,培养了能力,企业较早培训了有就业意向的学生,学校真正完成了对人才的培养,实现学生、用人单位、学校的三赢。高等教育应面向国家发展需要和市场需求,培养具备较高工程实践能力的卓越工程师,实现高等教育和有志青年的价值。
参考文献
[1]李书伟,刘绍娜.“卓越工程师培养计划”下实践教育的思考[J].中国现代教育装备,2011(11):138-140.
[2]焦宝祥.卓越工程师教育与应用型本科实践教学体系的设计[J].考试周刊,2012(75):147-148.
[3]林健.卓越工程师创新能力的培养[J].高等工程教育研究,2012(5):15-17.
[4]李娜,王武,王红玲.实习基地外延拓展与校企合作内涵建设研究[J].实验技术与管理,2012,29(10):185-187.
[5]魏宏波.校企合作培养卓越工程师模式的探索[J].中国现代教育装备,2012(17):35-37
篇10
关键词:循环经济;墙体材料;清洁生产
现阶段正处于经济发展与转型的关键时期,建设节约型社会以及发展循环经济是社经济发展的主要目标,这对社会以及经济发展有极大的促进作用。墙体材料行业作为资源消耗大户长期存在,不仅会对土地资源以及能源造成较大的消耗,还会对环境造成较大污染,具有高能耗、高资源消耗以及高污染等明显缺陷。当前发展理念为循环经济,在这种大环境与大背景之下,对墙体材料行业来说既是机遇又是挑战。
一、循环经济下的产业发展模式
循环经济与传统经济在在发展模式上有显著差别,传统的经济发展主要采用单向的线性流动模式,这种发展方式需要大量的能源资源进行支撑,是一种对生态环境造成严重破坏的发展模式,不能实现能源以及资源的可持续发展。在物质循环的基础上实现经济可持续发展就是指循环经济,该种模式主要利用系统在最大限度上实现对废弃物的少量排放,促使环境与经济是协调发展,最终实现资源节约以及环境保护的发展目标。
二、循环经济视域下影响墙体材料行业发展的主要因素
1.新型墙体材料市场秩序较为混乱
墙体材料行业在不断发展与进步,现阶段正是关键时期,虽然已经取得显著的成绩,但还是有一些不能忽视的问题是存在于整个发展过程中,故意炒作以及虚假宣传等都在其涵盖范围。因此在实际发展时必修对上述问题进行注意,从问题的关着手,在真正意义上促使墙体材料发挥自身的价值与意义。新型墙体材料进行市场是一些不良商贩进行恶意宣传的噱头,最终导致大量的劣质产品流入市场,这不仅对墙体材料行业自身发展有不良影响,同时对社会以及经济发展有极大的阻碍作用。
2.产品质量问题
工艺门槛较低是墙体材料生产的显著特点,同时兼具设备成本较低以及操作技术相对容易的优势是,但上述优势与特点最终导致部分企业进行盲目生产与投资,最终导致产品质量得不到应有的保障。同时有些制造企业还会在设备是采购以及生产过程中进行故意的宣传,对市场产生误导作用。大量简陋以及质量较差的设备进入到市场,最终对新型墙体材料质量造成严重影响,对整个行业的发展都有阻碍作用。
3.对新型墙体材料的系统性研究不足
当前国内针对新兴墙体材料所开展的相关工作还较为欠缺,这主要是时间累积和生产产业发展现状造成的,加之研制过程中缺乏必要的研究规划,导致生产出来的产品出现无试验根据的问题。
4.新型墙体材料的施工技术相对复杂
部分新型墙体材料因为在性能等方面不能达到基本的墙体材料表中,因此在施工过程中必须采取对应的配套措施,例如针对空心墙体材料而配套采用的专用砌筑砂浆,粉煤灰或者灰砂砖等若采用一般的抹面砂浆,其整体粘结性能较差,将导致施工难度加大。
三、循环经济模式下新型墙体材料的循环体系构建
循环经济的经济活动的循环模式主要集中体现在:基于企业内部的小循环体系;基于企业与行业之间的中循环体系;基于社会层次的大循环体系三个方面。
1.小循环体系的构建
小循环体系体现的是在企业内部实施清洁生产以及资源的循环、综合利用方面。通过产品的生态设计、清洁生产等方式和途径,让整个材料生产工艺流程、环节都尽量不产生或者少产生废弃物,增加对生产资源的利用比例,实现对环境污染的最小化。而墙体材料产品的清洁生产体现在一个重要方面,即清洁蛇根草方面,其通过对应的生产工艺技术与装备来控制生产资源以及能源的消耗,增加对废弃物资源的应用,这是新型墙体材料在生产企业内部小循环体系构建的主要内容。
2.中循环体系的构建
中循环体系是构建在企业与行业之间的一种生态发展循环网络,在企业之间形成共生发展的关系。而体现在新型墙体材料方面则主要是以对废弃物的循环利用方面,将上游产业中所产生的废弃物、废渣等通过合理的废物利用技术将之作为下游墙体材料生产所使用的原材料。从而实现企业与企业之间实现中循环,最终达到对资源的优化配置目的。
很多行业在生产过程中所产生的废弃物都可以作为墙体材料产品的生产原料。例如,通过与煤炭企业形成链接系统,利用煤炭生产过程中所产生的煤矸石,将之进行烧结处理之后得到煤矸石砌块;通过与电力企业形成链接系统,利用电厂生产过程中产生的粉煤灰,通过与非金属矿山企业建立链接系统,利用选矿过程中产生的剥离土、尾矿等作为原材料,生产得到墙体材料产品等。
3.大循环体系的构建
所谓的大循环体系及时基于社会层面而建立起来的一个废弃物回收再利用系统。通过应用整个社会生产过程中所产生的废弃物作为基本的生产原料来生产建筑墙体材料。例如,通过利用建筑垃圾、城市生活垃圾以及江河淤泥等作为原料进行墙体材料的生产。这是循环经济在大循环模式下实现墙体材料生产的生态资源调节与控制,是在保证境得以持续稳定发展的基础上实现战略发展的重要径。同时,围护结构所使用的墙体材料对建筑节能所造成的影响尤为凸出,通过使用保温性能和隔热性能的材料能够有效的改善建筑墙体材料,达到降低环节温度、减少建筑能耗的目的。这是墙体材料大循环体系在社会层面实现循环经济基本理念的重要依据。
四、实现墙体材料行业循环发展的产业措施
1.使用空心化生产工艺
所谓的空心化生产工艺就是通过生产多孔砖、空心砖、空心砌块等方式来实现清洁化生产。在整个生产的原料处理、成型、干燥以及焙烧等环节中对相关的工艺有具体的要求。通过选择合理的工艺参数保证产品的整体质量,使得产品的合格率能够达到95%以上。与传统的实心砖相比,多孔砖能够节省材料25%,降低能耗12%左右;空心砖能够节省材料45%左右,降低能耗25%。通过使用空心化产品工艺技术,能够有效达到资源节约、能源控制以及减少污染的目的。
2.采用内燃烧技术
内燃烧技术已经在我国的制砖行业中得到了广泛的应用,通过在原料当中掺加对应比例的工业废渣、废料等,不但能够减少资源的耗费,而且还能够减少制砖过程中的能源消耗。例如,在生产过程中通过使用烧失量相对较高的粉煤灰、具有对应发热量的工业炉渣、农作物秸杆等,能够增加。
五、结语
通过这种工业生产循环模式,可以建立起完善的生态工业产业园,在园区内就能够进行废弃物的交换和再生产,实现真个园区内部物质的闭路循环,保证内部的能量实现梯级应用。最终形成一个相互依赖的工业生态系统,实现整个墙体材料生产系统的零排放,达到墙体材料行业与环境的协调发展目的。
参考文献: