发蓝工艺综合性实验教学设计与实践

摘要:以培养学生实践与创新能力为目标，学生自行设计了环保节能型常温发蓝工艺综合创新性实验，取代传统能耗高污染大、有危险性的高温发蓝工艺实验。学生根据常温发蓝工艺配方设计正交实验表研究在Q235钢表面制备发蓝膜，并采用XRD、SEM、CHI680C电化学工作站等对发蓝膜层进行性能测试。通过实验方案设计、动手操作与探究实践等环节，培养学生实践及创新思维能力等综合素质、激发学生主动参与科研创新、科研创作的热情和兴趣，教学效果良好。

关键词:常温发蓝;综合性实验;正交实验;发蓝膜

实验教学是高校教学体系中培养学生动手能力、实践能力和创新能力的重要环节之一。《材料科学综合实验》课程是一门以创新实践型人才培养为主的综合性、实用性强的实验课程［1－3］，“碳素钢化学热处理、表面处理及组织性能分析”是该课程的实验项目之一。实验以Q235普通碳素结构钢为研究对象，试样在经化学热处理后再进行表面高温发蓝处理，高温发蓝处理是在实验室的抽风厨里进行。高温发蓝处理得到膜层虽然性能优良，但其能耗高、污染大，容易腐蚀仪器设备，实验过程操作危险性高，当多组学生同时在抽风厨里操作时很难开展实验。因此，急需设计一种能耗低、污染小的环保节能型发蓝处理工艺实验，在常温下的抽风厨外面就能进行实验操作。近年来学者们研究的常温发蓝技术，具有毒性和污染小、对一些航空材料也有良好的防护和装饰效果等优点。基于当前国家提出的深化高等学校创新创业教育改革，重视创新创业人才的培养［4－5］，设计的环保节能型常温发蓝处理工艺实验应具有设计性、创新性及可探究性。

1设计思路和创新点

以培养实践能力、创新创业能力的高素质人才为导向，开展培养本科生实践创新能力的实验教学新模式，让科学实验方法与实验教学内容相结合，并让学生了解学科最前沿的知识，培养学生的科研创新能力和实验操作能力、提高学生的创新意识，激发学生对科学研究、科研创新创业的兴趣［6－9］。围绕省部提出的创新创业教育改革的战略部署，最近的科研成果结合实验教学面临的问题，采用环保型常温发蓝技术在Q235钢表面制备发蓝膜。在实验室开展环保型常温发蓝工艺实验具有节能环保、操作易学、发蓝周期较短、实验方法稳定验等优点，且能同时开设多组实验。通过以下几个方面革新，教学效果显著。(1)以实验课程学生能力达成度分析结果为依据，以实验操作安全为基础，用环保型常温发蓝工艺替换污染大能耗高有操作危险的碱性高温发蓝工艺，保证实验操作安全。(2)在实验教学过程中，充分体现以学生为主体，教师为主导，提高学生学习的积极性、主动性和创新性。整个实践环节包括:学生分组、查阅文献资料、设计实验方案、提交实验预习报告、指导教师审核、确定实验设计方案、自行配置槽液、按设计方案实验、膜层性能测试及提交实验总结报告等，具体操作如下:首先，学生分好组(每批次5～6组、每组2～3人)。学生根据实验任务要求，结合实验指导书和专业基础知识，在实验教师指导下查阅与发蓝处理工艺和正交实验设计法相关的文献资料。其次，设计常温发蓝实验方案环节。在此过程中，指导教师起引导作用，充分发挥学生学习的主观能动性。以小组为单位，组员合作共同完成实验方案的拟定。小组成员自主学习、共同讨论分析、相互质疑。实验指导教师负责审核发蓝工艺实验方案的可行性，并给学生答疑解惑，提出整改意见或措施。最后，每组提交一份实验预习报告，含括选料、药品仪器设备、工艺操作流程、工艺配方及实验条件、正交实验设计表、膜层性能测试等内容。在实践操作过程中，每组学生自行配置常温发蓝槽液，按小组设计的实验方案在Q235钢表面制备发蓝膜，并观察及记录实验现象、测试膜层性能、处理及分析实验数据，教师引导学生进行问题回答与总结，对实验成果进行分析归纳，完成实验总结报告。(3)实验考核评价:增加学生自行设计实验方案和自行管理机制，实验考核着重于学生的实践创新能力。整个实验过程指导教师一直在跟踪评价打分，在学生的实验方案设计、实验过程的实践动手能力、分析解决问题的能力及实验总结报告的撰写水平及创新上打分权重加大、降低实验总结报告的打分。

2学生综合实验设计

2.1正交实验设计表

为了帮助学生理解正交实验法的方案设计，初步掌握正交实验设计方法的使用，在Q235钢表面制备常温发蓝膜的实验过程中，学生先要查阅钢铁件表面发蓝技术、发蓝膜制备工艺及方法等相关文献资料，确定常温发蓝的工艺及配方，选择要研究的实验因素和水平数，确定适当的正交试验因素水平表。通过正交实验法的学习与实践，能显著提高学生的实验设计能力，培养学生的科研创新能力、科学思维能力及意识，有助于提升学生综合能力。学生自行设计的正交试验因素水平表如表1所示。在含硝酸钾0.5～1.5g·L－1、单宁酸0.5～1.5g·L－1的发蓝液中，在发蓝温度为35℃、发蓝时间为10min的情况下，采用L9(34)正交实验表对发蓝液中主体成分硫酸铜、磷酸二氢锌、氯化镍及酒石酸的用量进行优化。表1因素水平表Table1Levelsandfactorsoforthogonalexperimen序号因素(A)硫酸铜/(g·L－1)(B)磷酸二氢锌/(g·L－1)(C)氯化镍/(g·L－1)(D)酒石酸/(g·L－1)1350.55247.50.757.535101.010。

2.2综合实验过程设计

2.2.1实验材料、药品及仪器以广泛应用于石油管道、发电厂变电站的接地网材料Q235钢为研究对象，其化学成分如表2所示。试样规格:Q235100mm×50mm×1.0mm。实验仪器主要为电子天平、恒温水浴锅、金相显微镜、电化学工作站、X射线能谱仪及扫描电镜等。2.2.2实验工艺流程Q235钢表面制备发蓝膜的实验工艺流程如图1所示［10］:打磨(砂纸)→冷水洗→化学除油→热水洗→冷水洗→浸蚀(活化)→蒸馏水冲洗→常温发蓝→温水洗→冷水洗→吹干→浸油→性能测试。2.2.3实验操作步骤(1)打磨:依次用180#、600#、1200#的砂纸打磨Q235钢试样表面，去除Q235钢表面的氧化膜、油污及划痕。(2)化学除油:其工艺参数为，Na3PO45～15g·L－1，NaOH20～40g·L－1，Na2SiO35～15g·L－1，Na2CO315～35g·L－1，OP－101～2mL温度60～70℃，时间5～6min［11－12］。(3)将打磨处理好的Q235钢试样浸入到配置好的化学除油液中，在65℃的恒温水浴锅中浸泡清洗5～6min，去除试样表面的油污。除油后的试样浸泡在70～90℃的热水中清洗1～3min，再用自来水冲洗2遍即可。(4)浸蚀(活化):在室温下将Q235钢试样浸泡在质量百分比0.5%盐酸溶液中，浸泡时间为3～5min。浸蚀工艺主要是去除试样表面新生成的极薄氧化膜或挂灰，露出光洁的基材表面，以提高发蓝膜与Q235钢基体的结合力。浸蚀后的试样表面用蒸馏水冲洗3遍。(5)常温发蓝:其工艺参数［13－14］为，五水硫酸铜3～5g·L－1，二水合磷酸二氢锌(SHMP)5～10g·L－1，酒石酸5～10g·L－1，六水氯化镍0.5～1.0g·L－1，硝酸钾0.5～1.5g·L－1，单宁酸0.5～1.5g·L－1，对苯二酚0.8～1.2g·L－1，乙二胺四乙酸二钠0.5～0.8g·L－1，十二烷基硫酸钠0.1～0.3g·L－1，采用常温发蓝方式，时间5～10min。将浸蚀后的Q235钢试样浸入常温发蓝液中进行发蓝处理，5～10min后将试样取出，立即浸入到50～60℃温水中清洗0.5～1.0min，再用蒸馏水冲洗2遍，然后用电热吹风机吹干试样表面，放入干燥皿中备用。(6)浸油工艺参数为，20#机油，温度100～110℃，时间3～5min。浸油主要是提高发蓝膜的耐蚀性及润滑减少摩擦作用。(7)性能测试:①耐蚀性:采用硫酸铜点滴实验研究Q235钢表面常温发蓝膜的耐蚀性。先用胶头滴管将质量比为5%硫酸铜溶液滴在Q235钢表面的发蓝膜上，同时用秒表计时，当发蓝膜上出现红色锈点时停止计时，记录在每个试样四个边角及中央部位出现红色锈点的时间，求取平均值来表征发蓝膜的耐蚀性［15－16］。②电化学性能测试:电化学及测试技术是本专业学生在大三的必修课程，电化学测试技术是研究材料腐蚀及涂覆层对基材防护的重要方法。学生采用CHI680C电化学工作站，用动电位扫描法法测试发蓝膜在质量百分比为3.5%NaCl溶液中的极化曲线，工作电极为有发蓝膜试样。测量前试样在溶液中稳定5s，从开路电位起扫描，扫描速度0.1mV/s，扫描幅度为0.25V［17］。2.2.4正交试实验结果正交试实验方法通常对实验数据及结果分析采用极差分析法和方差分析法。科技工作者对正交试验方法很重视，该方法能使实验次数大大减少，并用相应的分析方法处理实验数据及结果，可得到不少有价值的结论［18］。学生通过对正交试验结果的分析来掌握正交试验设计法，得到正交试验结果如表3所示。R称为极差，用于表示该因素对实验结果的影响大小，R越大，影响越大。从表3中可知，R硫酸铜=20.4，其极差值最大，酒石酸与磷酸二氢锌相当，氯化镍对应的极差值最小，其R氯化镍=3.4。因此硫酸铜对发蓝膜的耐蚀性影响最大，氯化镍对常温发蓝膜的耐蚀性影响最小。影响常温发蓝膜耐蚀性的主次顺序为:硫酸铜＞酒石酸＞磷酸二氢锌＞氯化镍。k用于分析最优方案，表示某因素在同一水平下的算术平均值。通过耐蚀性取k值较大值得水平因素作为优化方案，得到发蓝处理液主体成分的最佳工艺配方为A3B2C1D1，即硫酸铜5g·L－1、磷酸二氢锌7.5g·L－1、氯化镍0.5g·L－1、酒石酸5g·L－1。

2.3常温发蓝膜的表征及性能测试

凭借院系的科研教学平台及本科专业基础教学实验平台，以培养本科生成为科研创新型人才为目标，实验过程中安排学生学习使用一些常用科研及实验教学仪器设备，如电化学工作站、X射线能谱仪及扫描电镜等，让学生对常温发蓝工艺实验的设计、实验操作过程和性能测试方法及原理等均有很充分的认知，激发了学生科学研究的兴趣，助推学生学习专业知识及技能的积极性和主动性。2.3.1发蓝膜的表征图1是学生在Q235钢表面制备的常温发蓝膜的宏观照片，发蓝膜呈暗黑色，浸油后成黑亮色。学生测试所得常温发蓝膜层中的成分如图3所示，氧、铁含量见表4。从图3和表4中可知，常温发蓝膜层中的氧含量约为27.68%，铁含量约为72.32%。实验所测得常温发蓝膜层膜重约为7.995mg，单面厚度约1.1μm。2.3.2电化学性能测试学生对试样上的发蓝膜进行电化学性能测试，结合金属腐蚀学所学的腐蚀机理及防护措施，能进一步理解和掌握电化学知识及测试方法。将配方编号1、最佳配方、编号3、编号4得到的常温发蓝膜分别在质量百分比为3.5%NaCl溶液中进行电化学极化测试，测得的塔菲尔曲线如图4所示，其对应曲线分别为(1)、(2)、(3)、(4)，对应的自腐蚀电位和腐蚀电流见表5。从图4和表5中可知，Q235钢表面用最佳配方制作的常温发蓝膜在3.5%NaCl溶液中进行极化时，其自腐蚀电位为－0.5049V，腐蚀电流最小为0.249μA·cm－2，说明其发蓝膜耐腐蚀性能最好。

3结语

学生通过环保节能型发蓝工艺综合性实验的设计与实践，学习和掌握了科学的实验研究方法－正交实验法，有了初步实验方案设计的能力。在实验过程中，学生掌握了常温发蓝膜的制备工艺及材料表面膜层性能表征常用的测试方法，学生通过实验数据的整理及分析，得到有一定价值的实验结果，学生的分析归纳总结能力得到提高，综合素质得到提升，为今后能迅速融入科研团队及工作团队打下基础。

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作者：刘刚 彭叔森 王春霞 师超 刘光明 单位：南昌航空大学材料科学与工程学院