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2組合式生態浮床和凈化效果

將生物載體引入到傳統生態浮床中而組建組合式生態浮床，通過提高浮床系統中微生物量和生態浮床的輻射“場強”使其凈化效果得到了極大的提升［8，9］。其作用原理是：通過在不同材質生物載體上富集極其復雜的、大量的生物膜系統，提高組合式生態浮床系統內的生物量、生物種類以及系統的“生物場強”［10］，提高組合式生態浮床的凈化效果。而且生物載體的應用可以避免冬季低溫條件下因植物枯萎而出現無凈化效果的情況，因為低溫條件下生物載體上的微生物雖生物凈化效果差，但是仍然會有一定凈化效果。

2．1傳統的組合式生態浮床存在的弊端生物載體是組合式生態浮床系統的重要組成部分，最原始的形式就是將人工合成生物載體懸掛在生態浮床的底部，僅僅就是為了提高生態浮床的生物持有量和凈化效果以及生物場強，并取得了良好的效果。但是這種生態浮床系統，植物根系和生物載體相互獨立，并無耦合效應，植物和生物載體之間并沒有很好的配合。另外也有將生物載體作為生物膜附著體和植物根系基質，植物根系和生物載體相互作用、相互依賴，生物載體為根系提供保護和承受部分污染負荷，而根系為生物載體上的微生物提供氧氣。而生物載體和植物根系自身的凈化效果仍然在發揮優勢，而且耦合了兩者的優勢。

2．2新型組合式生態浮床的凈化效果和現狀本課題組經過大量的實驗研究認為，將生物載體不懸掛于浮床底部而是作為植物生長基質，即實現生物載體和植物根系“親密接觸”而形成濕地型新型組合式生態浮床，其凈化效果和管理維護會更好些。而且業內人士對生物載體作為浮床基質時的效果也進行一定的探索研究。

2．2．1無機型生物載體在生態浮床中的應用徐麗花等［11］研究了沸石、沸石－石灰石、石灰石3種生物載體系統的水質凈化能力，結果表明：沸石、沸石－石灰石和石灰石系統的TN平均去除率分別為68％、78．3％、60．9％。沸石－石灰石系統的去除率最高，這是由于沸石和石灰石發生了協同作用，沸石吸附NH＋4－N，石灰石促進了硝化作用，使得系統對TN的去除效果好于其生物載體單獨使用時的效果。熊聚兵等［12］利用泥炭、石英砂等為植物生物載體強化脫氮過程，研究發現泥炭可提供碳源有利于脫氮，該系統中的NH＋4－N、NO－3－N、NO－2－N和TN的去除率分別為98．05％、98．83％、95．60％、92．41％，而石英砂提供過濾補充脫氮，兩者結合的去除效果明顯高于任一者的單獨去除效果。無機生物載體在組合式生態浮床中具有較好的處理效果，但因其密度較大，在實際景觀水體修復中需要浮體較多，增加處理成本，降低其推廣效能。

2．2．2人工合成生物載體在生態浮床中的應用人工合成生物載體因其穩定性強、堅固耐用、能夠有效抵擋水流沖擊，在組合式生態浮床生物載體中被廣泛應用。虞中杰等［13］通過構建美人蕉竹制框架下加掛球形生物載體的方式，該系統對TP、NH＋4－N、NO－3－N和CODMn的去除率分別達到74．3％、76．6％、63．6％和67．5％。這得益于人工合成的球形生物載體表面易于附著微生物，有利于強化水體中污染物的降解。張雁秋等［14］以傳統生態浮床為對比照組，以空心塑料生物載體作為基質和生物載體組建的組合式生態浮床系統為實驗組。初始進水的TN、NH＋4－N、NO－3－N是17、6、11mg／L時，該組合式生態浮床的最終TN、NH＋4－N、NO－3－N的質量濃度分別為（1．05±0．20）、（0．38±0．18）、（0．17±0．03）mg／L，而傳統生態浮床的最終TN、NH＋4－N、NO－3－N的質量濃度分別為（5．23±1．12）、（0．29±0．11）、（4．19±2．08）mg／L，顯示出良好的脫氮效果，并使硝態氮濃度保持較低濃度。

2．2．3天然纖維素物質生物載體在生態浮床中的應用玉米秸、稻草、油菜秸、麥秸等農作物秸稈和竹絲、樹皮等植物莖稈類的廢棄物均可以作為生物載體原料。而且用植物纖維素物質作生物載體的較其他人合成的生物載體更容易降解，使用一定時間會自行分解，比人工稱合成的生物載體容易形成載體污泥更利于保護環境［15］。本課題組對植物纖維素物質進行預處理后作為組合式生態浮床的生物載體，既能合理利用秸稈資源，拓寬秸稈的利用價值，又能有效修復水體和生態環境，取得良好的效果。施亮亮等［16］構建以稻草為生物載體和植物生長基質，以美人蕉和菖蒲為植物的復合組合式生態浮床為實驗組，以人工合成填料為基質的組合式生態浮床為對照組。添加稻草為生物載體的組合式生態浮床在去除污染物方面明顯優于以人工合成填料為基質的組合式生態浮床。筆者在研究中發現以竹絲為生物載體的組合式生態浮床，CODMn、TN、NH＋4－N和NO－3－N的平均去除率分別為63．50％、63．86％、47．80％和64．75％明顯優于無生物載體組合式生態浮床的49．56％、31．29％、28．24％和43．90％，鏡檢發現竹絲表面具有較豐富的生物相，大量活性良好的群居鐘蟲、草履蟲、累枝蟲和鞭毛蟲等，活性、數量均占優勢的指示性原生動物，處理過程竹絲穩定降解，釋放無機鹽類和小分子有機物為微生物生長提供必需的營養成分。樓菊青等［17］發現以毛竹為原料的生物載體在膜速度、掛膜量上有較明顯的優勢。以上文獻研究均顯示了天然纖維素物質在組合式生態浮床生物載體制造領域的潛在價值，為浮床生物載體基于天然纖維素物質資源化利用的多元化發展打下堅實的基礎［18］。采用天然纖維素物質不僅作為親水性很強的生物載體，還可以作為反硝化碳源，本課題組已經通過紅外光譜分析方法掌握以下信息：①可生物降解材料表面具有較豐富的親水性基團（－OH（主要在纖維素、多糖物質中）、－CH2（主要在脂肪類物質中）、－NH2（主要為蛋白質）），可形成更為復雜的生物膜體系，更容易吸附微生物，更利于生物增殖、生物種群的多樣性；②可生物降解材料使用過程中，被吸附其表面的微生物分解，形成一些可被微生物作為營養的物質，而強化微生物的生長，如果生物載體是固體碳源，釋放出來的碳源有利于提高水體的脫氮效果。

3生物載體在生態浮床應用中急需解決的科學難題

3．1作為浮床基質的生物載體與植物根系交互作用機理研究作為浮床基質的生物載體與植物根系是一種相互耦合的關系，互為對方提供生長繁殖所需要的養分，在一定程度上促進提高了生態浮床系統的凈化效果、凈化進程和生物多樣性。目前本課題組已經發現以可生物降解的稻草作為生態浮床系統中植物生長的基質時，其中水生植物（美人蕉和菖蒲）葉子呈碧綠色，而以人工合成生物載體（塑料球）為植物基質或無任何基質時，2種浮床中水生植物葉子呈淺黃色。分析認為稻草、塑料球均作為生物載體和植物基質，生長速率緩慢的硝化菌更容易附著在親水性良好的稻草上，塑料球因其親水性差、生物親和性欠缺而使硝化菌增殖緩慢，稻草上大量的硝化菌就能將相對不容易被植物吸收的氨氮轉化為更容易被植物吸收的硝態氮，充分的氮素使稻草基質生態浮床中的植物葉子更為翠綠，生長速率更快。即稻草基質為植物根系提供充分的養料（硝酸鹽）；而根系能為稻草表面微生物膜提供來自光合作用的氧氣，并在稻草基質中產生脫氮所需要的好氧、缺氧環境，提高整個生態浮床的脫氮效果。但是根際微生物和生物膜相互作用、相互影響研究并沒有取得很好的成果，值得深入研究。

3．2生物載體表面和植物根系表面微生物種群差異分析由于根系表面和生物載體表面存在非常大的差異，根際微生物種群類別和生物載體表面微生物類別差異、數量差異和特性差異均需要深入研究，目前很多的研究仍然處于定性分析中階段。微生物作為生態修復和污染物去除的主體，不同生理生化特性的微生物承擔著不同生物降解過程，所以掌握不同生物載體和植物根系表面微生物種群存在的差異（生長速率、呼吸類型、降解底物酶系種類、微生物種群數和數量級等），對不同污染物采取不同的不同載體和植物，或不同生物載體組合，或不同植物的多樣化組合，或人工干預提供不同的環境以實現污染物去除，實現通過對微生物相關特性的強化和調控而實現微生物對污染物的降解。

3．3生物載體材質在不同污染源種類的水體修復中的選擇方法生物載體作為生態浮床中重要的生物附著場所，有時也作為浮床植物的基質，其作用較大，但是隨著生物載體的材質和形態等不斷多樣化，生物載體形態主要由從水流速度、使用方便和造景等因素考慮，對水體修復效果不會造成實質上的影響，而生物載體材質的不同對水體修復效果會產生極大的影響。傳統意義上的生物載體是塑料材質，并將懸掛在生物載體框架以下，其作用原理是：在生物載體表面形成生物膜以提高生態浮床系統中微生物量達到強化生態浮床的修復效果，在其表面形成的微生物是復雜的、多樣的、雜亂的叢生，并無特定的靶向污染物，在復合污染較重的現在存在一定的優勢。但是塑料材質生物載體存在親和性和親水性差而導致微生物量少、附著困難［19］。而且對于以氮素為主要污染物且C／N低的地表水修復過程中來說并無太大的價值，因為脫氮過程中涉及硝化和反硝化過程，反硝化過程需要補充有機碳以提高脫氮效果，而塑料材料生物載體并不能提供碳源，投加液體碳源存在計量無法控制和運行管理復雜等問題，如果以人工合成高聚物作為生物載體和碳源雖然可以實現良好的脫氮過程和硝化菌群的富集，但費用過高［20，21］；所以天然纖維素物質是理想的碳源、載體，不僅天然親水性和生物親和性可以實現生物量的最大化和掛膜的最快化，而且生物釋碳按需供給和，其來自極為廣泛（農業廢棄物、林業廢棄物等。對于磷含量相對較高的地表水體修復時，塑料材質或天然纖維素材質的生物載體應用于生態浮床中則效果較差，根據生物除磷均以排泥的方式，地表水體污染物濃度較輕，污泥量少或無污泥，無排泥也就除磷效果很低。現在一些工藝中為了提高除磷效果，采用一些孔隙多樣化吸收磷或含有某些能夠與磷發生化學反應的生物載體以提高除磷效果。

篇（2）

TheAdvanceofFunctionallyGradientMaterials

JinliangCui

(Qinghaiuniversity,XiningQinghai810016,china)

Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.

Keywords:FGM；composite；theAdvance

0引言

信息、能源、材料是現代科學技術和社會發展的三大支柱。現代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學的發展。對材料,特別是對高性能材料的認識水平、掌握和應用能力,直接體現國家的科學技術水平和經濟實力,也是一個國家綜合國力和社會文明進步速度的標志。因此,新材料的開發與研究是材料科學發展的先導,是21世紀高科技領域的基石。

近年來,材料科學獲得了突飛猛進的發展[1]。究其原因,一方面是各個學科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實驗技術;另一方面是實際應用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實際生產應用問題而產生的一種新型復合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領域，所以它是近年來在材料科學中涌現出的研究熱點之一。

1FGM概念的提出

當代航天飛機等高新技術的發展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當航天飛機往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數，其表面溫度高達2000℃。而其燃燒室內燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內外要承受高達1000K以上的溫差,傳統的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數和熱應力的差別較大,很容易在相界處出現涂層剝落[3]或龜裂[1]現象，其關鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規耐熱材料的不足，日本學者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續變化的組分梯度來代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應力降至最小[3],如圖1所示。

隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機輔助材料設計為基礎，采用先進復合技術，使構成材料的要素（組成、結構）沿厚度方向有一側向另一側成連續變化，從而使材料的性質和功能呈梯度變化的新型材料[4]。

2FGM的特性和分類

2.1FGM的特殊性能

由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續變化的特點如圖2,因此它能有效地克服傳統復合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統復合材料相比FGM有如下優勢:

1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結強度;

2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應力和熱應力;

3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點以及應力自由端點的應力奇異性;

4)用FGM代替傳統的均勻材料涂層,既可以增強連接強度也可以減小裂紋驅動力。

圖2

2.2FGM的分類

根據不同的分類標準FGM有多種分類方式。根據材料的組合方式，FGM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側到另一側呈梯度漸變的結構材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據不同的梯度性質變化分為密度FGM，成分FGM，光學FGM，精細FGM等[4]；根據不同的應用領域有可分為耐熱FGM，生物、化學工程FGM，電子工程FGM等[7]。

3FGM的應用

FGM最初是從航天領域發展起來的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發現利用組分、結構、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,并可望應用于許多領域。FGM的應用[8]見圖3。

圖3FGM的應用

功能

應用領域材料組合

緩和熱應

力功能及

結合功能

航天飛機的超耐熱材料

陶瓷引擎

耐磨耗損性機械部件

耐熱性機械部件

耐蝕性機械部件

加工工具

運動用具:建材陶瓷金屬

陶瓷金屬

塑料金屬

異種金屬

異種陶瓷

金剛石金屬

碳纖維金屬塑料

核功能

原子爐構造材料

核融合爐內壁材料

放射性遮避材料輕元素高強度材料

耐熱材料遮避材料

耐熱材料遮避材料

生物相溶性

及醫學功能

人工牙齒牙根

人工骨

人工關節

人工內臟器官:人工血管

補助感覺器官

生命科學磷灰石氧化鋁

磷灰石金屬

磷灰石塑料

異種塑料

硅芯片塑料

電磁功能

電磁功能陶瓷過濾器

超聲波振動子

IC

磁盤

磁頭

電磁鐵

長壽命加熱器

超導材料

電磁屏避材料

高密度封裝基板壓電陶瓷塑料

壓電陶瓷塑料

硅化合物半導體

多層磁性薄膜

金屬鐵磁體

金屬鐵磁體

金屬陶瓷

金屬超導陶瓷

塑料導電性材料

陶瓷陶瓷

光學功能防反射膜

光纖;透鏡;波選擇器

多色發光元件

玻璃激光透明材料玻璃

折射率不同的材料

不同的化合物半導體

稀土類元素玻璃

能源轉化功能

MHD發電

電極;池內壁

熱電變換發電

燃料電池

地熱發電

太陽電池陶瓷高熔點金屬

金屬陶瓷

金屬硅化物

陶瓷固體電解質

金屬陶瓷

電池硅、鍺及其化合物

4FGM的研究

FGM研究內容包括材料設計、材料制備和材料性能評價。FGM的研究開發體系如圖4所示[8]。

設計設計

圖4FGM研究開發體系

4.1FGM設計

FGM設計是一個逆向設計過程[7]。

首先確定材料的最終結構和應用條件,然后從FGM設計數據庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結構,以及制備和評價方法,最后基于上述結構和材料組合選擇,根據假定的組成成份分布函數,計算出體系的溫度分布和熱應力分布。如果調整假定的組成成份分布函數,就有可能計算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應力分布,此時的組成分布函數即最佳設計參數。

FGM設計主要構成要素有三:

1)確定結構形狀,熱—力學邊界條件和成分分布函數;

2)確定各種物性數據和復合材料熱物性參數模型;

3)采用適當的數學—力學計算方法,包括有限元方法計算FGM的應力分布,采用通用的和自行開發的軟件進行計算機輔助設計。

FGM設計的特點是與材料的制備工藝緊密結合,借助于計算機輔助設計系統,得出最優的設計方案。

4.2FGM的制備

FGM制備研究的主要目標是通過合適的手段,實現FGM組成成份、微觀結構能夠按設計分布,從而實現FGM的設計性能。可分為粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高溫合成法(SHS);涂層法:如等離子噴涂法,激光熔覆法,電沉積法,氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD)和化學相沉積(CVD);形變與馬氏體相變[10、14]。

4.2.1粉末冶金法(PM)

PM法是先將原料粉末按設計的梯度成分成形,然后燒結。通過控制和調節原料粉末的粒度分布和燒結收縮的均勻性,可獲得熱應力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比較簡單的FGM部件,但工藝比較復雜,制備的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的燒結法有常壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結及反應燒結等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設備簡單、易于操作和成本低等優點,但要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進行嚴格控制。國內外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。

4.2.2自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis簡稱SHS或CombustionSynthesis)

SHS法是前蘇聯科學家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應時,發現的一種合成材料的新技術。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學反應,此后化學反應在自身放熱的支持下,自動持續地蔓延下去,利用反應熱將粉末燒結成材，最后合成新的化合物。其反應示意圖如圖6所示[16]：

圖6SHS反應過程示意圖

SHS法具有產物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點。并且適合制造大尺寸和形狀復雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應的材料體系,金屬與陶瓷的發熱量差異大,燒結程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機械強度較低。目前利用SHS法己制備出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。

4.2.3噴涂法

噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝,適用于形狀復雜的材料和部件的制備。通常,將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內,并在熔化的狀態下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層。可以通過計算機程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設計所要求的梯度分布函數。這種工藝已經被廣泛地用來制備耐熱合金發動機葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。

4.2.3.1等離子噴涂法(PS)

PS法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物,形成等離子體,其溫度高達1500K,同時處于高度壓縮狀態,所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達1.5km/s。原料粉末送至等離子射流中,粉末顆粒被加熱熔化,有時還會與等離子體發生復雜的冶金化學反應,隨后被霧化成細小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結,形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調節等離子射流的溫度及流速,即可調整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優點是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無需燒結,不受基體面積大小的限制,比較容易得到大面積的塊材[10],但梯度涂層與基體間的結合強度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出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

圖7PS方法制備FGM涂層示意圖[17]（a）單槍噴涂（b）雙槍噴涂

4.2.3.2激光熔覆法

激光熔覆法是將預先設計好組分配比的混合粉末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,便會產生用B合金化的A薄涂層,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復以上過程,就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強劑熔覆金屬獲得了梯度多層結構。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數量和厚度,以及熔區的深度來獲得,熔區的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能,但由于激光溫度過高,涂層表面有時會出現裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發生化學反應[10]。采用此法可制備Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。

圖8同步注粉式激光表面熔覆處理示意圖[18]

4.2.3.3熱噴射沉積[10]

與等離子噴涂有些相關的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過將增強粒子注射到金屬流束中,這種工藝已被推廣到制造復合材料中。陶瓷增強顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態,混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復合材料。在噴涂沉積過程中,通過連續地改變增強顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產生梯度6061鋁合金/SiC復合材料。可以使用熱等靜壓工序以消除梯度復合材料中的孔隙。

4.2.3.4電沉積法

電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中,通過注入另一相的懸浮液使之混合,并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃,涂層的主要材料為TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層,以改變固體材料的表面特性,提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學功能、熱物理性能,該工藝由于對鍍層材料的物理力學性能破壞小、設備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產成本低廉等顯著優點而備受材料研究者的關注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]

4.2.3.5氣相沉積法

氣相沉積是利用具有活性的氣態物質在基體表面成膜的技術。通過控制彌散相濃度,在厚度方向上實現組分的梯度化,適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜,與基體結合強度低、設備比較復雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機理的不同分為物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)兩類。

化學氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質源輸送到反應器中進行均勻混合,在熱基板上發生化學反應并使反映產物沉積在基板上。通過控制反應氣體的壓力、組成及反應溫度,精確地控制材料的組成、結構和形態,并能使其組成、結構和形態從一種組分到另一種組分連續變化,可得到按設計要求的FGM。另外,該法無須燒結即可制備出致密而性能優異的FGM,因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應物的形成；氣相反應物傳輸到沉積區域；固體產物從氣相中沉積與襯底[12]。

物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質,使其蒸發為氣相,然后沉積于基材上,形成約100μm厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD法的特點是沉積溫度低,對基體熱影響小,但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]

4.2.4形變與馬氏體相變[8]

通過伴隨的應變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個附加的被稱作“相變塑性”的變形機制。借助這種機制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內,可以通過施加應變(或等價應力)梯度,在這種材料中產生應力誘發馬氏體體積分數梯度。這一方法在順磁奧氏體18-8不銹鋼(Fe-18%,Cr-8%Ni)試樣內部獲得了鐵磁馬氏體α體積分數的連續變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍,但能提供一個簡單的方法,可以一步生產含有飽和磁化強度連續變化的材料,這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應用前景。

4.3FGM的特性評價

功能梯度材料的特征評價是為了進一步優化成分設計,為成分設計數據庫提供實驗數據,目前已開發出局部熱應力試驗評價、熱屏蔽性能評價和熱性能測定、機械強度測定等四個方面。這些評價技術還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等基礎性的工作上[7]。目前,對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機械性能進行評價[8]。目前,日本、美國正致力于建立統一的標準特征評價體系[7~8]。

5FGM的研究發展方向

5.1存在的問題

作為一種新型功能材料,梯度功能材料范圍廣泛,性能特殊,用途各異。尚存在一些問題需要進一步的研究和解決,主要表現在以下一些方面[5、13]:

1）梯度材料設計的數據庫（包括材料體系、物性參數、材料制備和性能評價等）還需要補充、收集、歸納、整理和完善；

2）尚需要進一步研究和探索統一的、準確的材料物理性質模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結構以及制備條件的定量關系，為準確、可靠地預測梯度材料物理性能奠定基礎；

3）隨著梯度材料除熱應力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設計體系，為梯度材料在多方面研究和應用開辟道路；

4）尚需完善連續介質理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結構模型，并借助計算機模擬對材料性能進行理論預測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。

5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結構簡單,還不具有較多的實用價值;

6)成本高。

5.2FGM制備技術總的研究趨勢[13、15、19-20]

1）開發的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術；

2）開發大尺寸和復雜形狀的FGM制備技術；

3）開發更精確控制梯度組成的制備技術（高性能材料復合技術）；

4）深入研究各種先進的制備工藝機理，特別是其中的光、電、磁特性。

5.3對FGM的性能評價進行研究[2、13]

有必要從以下5個方面進行研究：

1）熱穩定性，即在溫度梯度下成分分布隨時間變化關系問題；

2）熱絕緣性能；

3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；

4）抗極端環境變化能力；

5）其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學性能和磁學性能等

6結束語

FGM的出現標志著現代材料的設計思想進入了高性能新型材料的開發階段[8]。FGM的研究和開發應用已成為當前材料科學的前沿課題。目前正在向多學科交叉,多產業結合,國際化合作的方向發展。

參考文獻：

[1]楊瑞成，丁旭，陳奎等.材料科學與材料世界[M].北京：化學工業出版社，2006.

[2]李永,宋健,張志民等.梯度功能力學[M].北京:清華大學出版社.2003.

[3]王豫,姚凱倫.功能梯度材料研究的現狀與將來發展[J].物理,2000,29(4):206-211.

[4]曾黎明.功能復合材料及其應用[M].北京：化學工業出版社，2007.

[5]高曉霞，姜曉紅，田東艷等。功能梯度材料研究的進展綜述[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,何小鳳,李運剛等.功能梯度材料的研究現狀[J].河北理工學院學報,2007,29(1):45-50.

[8]李楊,雷發茂,姚敏,李慶文等.梯度功能材料的研究進展[J].菏澤學院學報,2007,29(5):51-55.

[9]林峰.梯度功能材料的研究與應用[J].廣東技術師范學院學報,2006,6:1-4.

[10]龐建超,高福寶,曹曉明.功能梯度材料的發展與制備方法的研究[J].金屬制品,2005,31(4):4-9.

[11]戈曉嵐,趙茂程.工程材料[M].南京:東南大學出版社，2004.

[12]唐小真.材料化學導論[M].北京：高等教育出版社,2007.

[13]李進,田興華.功能梯度材料的研究現狀及應用[J].寧夏工程技術,2007,6(1):80-83.

[14]戴起勛,趙玉濤.材料科學研究方法[M].北京：國防工業出版社,2005.

[15]邵立勤.新材料領域未來發展方向[J].新材料產業,2004,1:25-30.

[16]自蔓延高溫合成法.材料工藝及應用/jxzy/jlkj/data/clkxygcgl/clgy/clgy16.htm

[17]遠立賢.金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應用現狀./articleview/2006-6-6/article_view_405.htm.

篇（3）

Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.

Keywords:FGM；composite；theAdvance

0引言

信息、能源、材料是現代科學技術和社會發展的三大支柱。現代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學的發展。對材料,特別是對高性能材料的認識水平、掌握和應用能力,直接體現國家的科學技術水平和經濟實力,也是一個國家綜合國力和社會文明進步速度的標志。因此,新材料的開發與研究是材料科學發展的先導,是21世紀高科技領域的基石。

近年來,材料科學獲得了突飛猛進的發展[1]。究其原因,一方面是各個學科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實驗技術;另一方面是實際應用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實際生產應用問題而產生的一種新型復合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領域，所以它是近年來在材料科學中涌現出的研究熱點之一。

1FGM概念的提出

當代航天飛機等高新技術的發展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當航天飛機往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數，其表面溫度高達2000℃。而其燃燒室內燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內外要承受高達1000K以上的溫差,傳統的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數和熱應力的差別較大,很容易在相界處出現涂層剝落[3]或龜裂[1]現象，其關鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規耐熱材料的不足，日本學者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續變化的組分梯度來代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應力降至最小[3]。

隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機輔助材料設計為基礎，采用先進復合技術，使構成材料的要素（組成、結構）沿厚度方向有一側向另一側成連續變化，從而使材料的性質和功能呈梯度變化的新型材料[4]。

2FGM的特性和分類

2.1FGM的特殊性能

由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續變化的特點如圖2,因此它能有效地克服傳統復合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統復合材料相比FGM有如下優勢:

1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結強度;

2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應力和熱應力;

3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點以及應力自由端點的應力奇異性;

4)用FGM代替傳統的均勻材料涂層,既可以增強連接強度也可以減小裂紋驅動力。

2.2FGM的分類

根據不同的分類標準FGM有多種分類方式。根據材料的組合方式，FGM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側到另一側呈梯度漸變的結構材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據不同的梯度性質變化分為密度FGM，成分FGM，光學FGM，精細FGM等[4]；根據不同的應用領域有可分為耐熱FGM，生物、化學工程FGM，電子工程FGM等[7]。

3FGM的應用

FGM最初是從航天領域發展起來的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發現利用組分、結構、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,并可望應用于許多領域。

功能

應用領域材料組合

緩和熱應

力功能及

結合功能

航天飛機的超耐熱材料

陶瓷引擎

耐磨耗損性機械部件

耐熱性機械部件

耐蝕性機械部件

加工工具

運動用具:建材陶瓷金屬

陶瓷金屬

塑料金屬

異種金屬

異種陶瓷

金剛石金屬

碳纖維金屬塑料

核功能

原子爐構造材料

核融合爐內壁材料

放射性遮避材料輕元素高強度材料

耐熱材料遮避材料

耐熱材料遮避材料

生物相溶性

及醫學功能

人工牙齒牙根

人工骨

人工關節

人工內臟器官:人工血管

補助感覺器官

生命科學磷灰石氧化鋁

磷灰石金屬

磷灰石塑料

異種塑料

硅芯片塑料

電磁功能

電磁功能陶瓷過濾器

超聲波振動子

IC

磁盤

磁頭

電磁鐵

長壽命加熱器

超導材料

電磁屏避材料

高密度封裝基板壓電陶瓷塑料

壓電陶瓷塑料

硅化合物半導體

多層磁性薄膜

金屬鐵磁體

金屬鐵磁體

金屬陶瓷

金屬超導陶瓷

塑料導電性材料

陶瓷陶瓷

光學功能防反射膜

光纖;透鏡;波選擇器

多色發光元件

玻璃激光透明材料玻璃

折射率不同的材料

不同的化合物半導體

稀土類元素玻璃

能源轉化功能

MHD發電

電極;池內壁

熱電變換發電

燃料電池

地熱發電

太陽電池陶瓷高熔點金屬

金屬陶瓷

金屬硅化物

陶瓷固體電解質

金屬陶瓷

電池硅、鍺及其化合物

4FGM的研究

FGM研究內容包括材料設計、材料制備和材料性能評價。

4.1FGM設計

FGM設計是一個逆向設計過程[7]。

首先確定材料的最終結構和應用條件,然后從FGM設計數據庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結構,以及制備和評價方法,最后基于上述結構和材料組合選擇,根據假定的組成成份分布函數,計算出體系的溫度分布和熱應力分布。如果調整假定的組成成份分布函數,就有可能計算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應力分布,此時的組成分布函數即最佳設計參數。

FGM設計主要構成要素有三:

1)確定結構形狀,熱—力學邊界條件和成分分布函數;

2)確定各種物性數據和復合材料熱物性參數模型;

3)采用適當的數學—力學計算方法,包括有限元方法計算FGM的應力分布,采用通用的和自行開發的軟件進行計算機輔助設計。

FGM設計的特點是與材料的制備工藝緊密結合,借助于計算機輔助設計系統,得出最優的設計方案。

4.2FGM的制備

FGM制備研究的主要目標是通過合適的手段,實現FGM組成成份、微觀結構能夠按設計分布,從而實現FGM的設計性能。可分為粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高溫合成法(SHS);涂層法:如等離子噴涂法,激光熔覆法,電沉積法,氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD)和化學相沉積(CVD);形變與馬氏體相變[10、14]。

4.2.1粉末冶金法(PM)

PM法是先將原料粉末按設計的梯度成分成形,然后燒結。通過控制和調節原料粉末的粒度分布和燒結收縮的均勻性,可獲得熱應力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比較簡單的FGM部件,但工藝比較復雜,制備的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的燒結法有常壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結及反應燒結等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設備簡單、易于操作和成本低等優點,但要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進行嚴格控制。國內外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。

4.2.2自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis簡稱SHS或CombustionSynthesis)

SHS法是前蘇聯科學家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應時,發現的一種合成材料的新技術。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學反應,此后化學反應在自身放熱的支持下,自動持續地蔓延下去,利用反應熱將粉末燒結成材，最后合成新的化合物。其反應示意圖如圖6所示[16]：

SHS法具有產物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點。并且適合制造大尺寸和形狀復雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應的材料體系,金屬與陶瓷的發熱量差異大,燒結程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機械強度較低。目前利用SHS法己制備出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。

4.2.3噴涂法

噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝,適用于形狀復雜的材料和部件的制備。通常,將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內,并在熔化的狀態下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層。可以通過計算機程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設計所要求的梯度分布函數。這種工藝已經被廣泛地用來制備耐熱合金發動機葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。

4.2.3.1等離子噴涂法(PS)

PS法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物,形成等離子體,其溫度高達1500K,同時處于高度壓縮狀態,所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達1.5km/s。原料粉末送至等離子射流中,粉末顆粒被加熱熔化,有時還會與等離子體發生復雜的冶金化學反應,隨后被霧化成細小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結,形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調節等離子射流的溫度及流速,即可調整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優點是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無需燒結,不受基體面積大小的限制,比較容易得到大面積的塊材[10],但梯度涂層與基體間的結合強度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出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

4.2.3.2激光熔覆法

激光熔覆法是將預先設計好組分配比的混合粉末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,便會產生用B合金化的A薄涂層,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復以上過程,就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強劑熔覆金屬獲得了梯度多層結構。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數量和厚度,以及熔區的深度來獲得,熔區的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能,但由于激光溫度過高,涂層表面有時會出現裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發生化學反應[10]。采用此法可制備Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。

4.2.3.3熱噴射沉積[10]

與等離子噴涂有些相關的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過將增強粒子注射到金屬流束中,這種工藝已被推廣到制造復合材料中。陶瓷增強顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態,混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復合材料。在噴涂沉積過程中,通過連續地改變增強顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產生梯度6061鋁合金/SiC復合材料。可以使用熱等靜壓工序以消除梯度復合材料中的孔隙。

4.2.3.4電沉積法

電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中,通過注入另一相的懸浮液使之混合,并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃,涂層的主要材料為TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層,以改變固體材料的表面特性,提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學功能、熱物理性能,該工藝由于對鍍層材料的物理力學性能破壞小、設備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產成本低廉等顯著優點而備受材料研究者的關注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]

4.2.3.5氣相沉積法

氣相沉積是利用具有活性的氣態物質在基體表面成膜的技術。通過控制彌散相濃度,在厚度方向上實現組分的梯度化,適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜,與基體結合強度低、設備比較復雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機理的不同分為物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)兩類。

化學氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質源輸送到反應器中進行均勻混合,在熱基板上發生化學反應并使反映產物沉積在基板上。通過控制反應氣體的壓力、組成及反應溫度,精確地控制材料的組成、結構和形態,并能使其組成、結構和形態從一種組分到另一種組分連續變化,可得到按設計要求的FGM。另外,該法無須燒結即可制備出致密而性能優異的FGM,因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應物的形成；氣相反應物傳輸到沉積區域；固體產物從氣相中沉積與襯底[12]。

物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質,使其蒸發為氣相,然后沉積于基材上,形成約100μm厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD法的特點是沉積溫度低,對基體熱影響小,但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]

4.2.4形變與馬氏體相變[8]

通過伴隨的應變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個附加的被稱作“相變塑性”的變形機制。借助這種機制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內,可以通過施加應變(或等價應力)梯度,在這種材料中產生應力誘發馬氏體體積分數梯度。這一方法在順磁奧氏體18-8不銹鋼(Fe-18%,Cr-8%Ni)試樣內部獲得了鐵磁馬氏體α體積分數的連續變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍,但能提供一個簡單的方法,可以一步生產含有飽和磁化強度連續變化的材料,這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應用前景。

4.3FGM的特性評價

功能梯度材料的特征評價是為了進一步優化成分設計,為成分設計數據庫提供實驗數據,目前已開發出局部熱應力試驗評價、熱屏蔽性能評價和熱性能測定、機械強度測定等四個方面。這些評價技術還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等基礎性的工作上[7]。目前,對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機械性能進行評價[8]。目前,日本、美國正致力于建立統一的標準特征評價體系[7~8]。

5FGM的研究發展方向

5.1存在的問題

作為一種新型功能材料,梯度功能材料范圍廣泛,性能特殊,用途各異。尚存在一些問題需要進一步的研究和解決,主要表現在以下一些方面[5、13]:

1）梯度材料設計的數據庫（包括材料體系、物性參數、材料制備和性能評價等）還需要補充、收集、歸納、整理和完善；

2）尚需要進一步研究和探索統一的、準確的材料物理性質模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結構以及制備條件的定量關系，為準確、可靠地預測梯度材料物理性能奠定基礎；

3）隨著梯度材料除熱應力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設計體系，為梯度材料在多方面研究和應用開辟道路；

4）尚需完善連續介質理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結構模型，并借助計算機模擬對材料性能進行理論預測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。

5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結構簡單,還不具有較多的實用價值;

6)成本高。

5.2FGM制備技術總的研究趨勢[13、15、19-20]

1）開發的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術；

2）開發大尺寸和復雜形狀的FGM制備技術；

3）開發更精確控制梯度組成的制備技術（高性能材料復合技術）；

4）深入研究各種先進的制備工藝機理，特別是其中的光、電、磁特性。

5.3對FGM的性能評價進行研究[2、13]

有必要從以下5個方面進行研究：

1）熱穩定性，即在溫度梯度下成分分布隨時間變化關系問題；

2）熱絕緣性能；

3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；

4）抗極端環境變化能力；

篇（4）

2房屋建筑的門窗節能技術

大部分房屋的建設，門窗面積都占到房屋總面積的百分之三十；門窗是房屋能耗散失最嚴重的部位，其能耗占住宅總能耗的比例很大，占房屋傳熱、散熱的四分之一，所以，除了保證必要的日照、采光、通風等要求下，盡量減少房屋門窗洞口的開設，提高房屋本身的保溫效果，減少對外的傳熱量。王玲玲重慶建工第七建筑工程有限責任公司400039對于門窗運用新型的玻璃，增強玻璃的隔熱保溫效果；低輻射玻璃是房屋建設中常用的玻璃，它的表面有一層半導體氧化物，使得這種玻璃對可見光和近紅外的透光率較高，反射率較低，可以大量獲取太陽光能，而對常溫下的長波紅外熱的透光率低，反射率較高，這就使得這種窗戶的保溫性能較好。增強住宅外窗的氣密性，有助于提高房屋的保溫性。對于門窗的建設，使用新型的、密封性良好的門窗材料；而門窗與墻體之間的縫隙可采用保溫效果良好的彈性松軟型材料；框和扇的密封可以使用橡膠、泡沫密封條，也可以采用高低縫和回風槽等；然而，扇與玻璃之間的密封則可以使用各種彈性壓條等。

3屋面節能技術

首先，合理選擇保溫材料。屋面節能一般是將容量低、導熱系數小、吸水性低、有一定強度的保溫材料設置在防水層和屋面層之間；然而，對于屋面保溫材料的選用時，必須要按照屋面的設計和材料產品技術規范，對屋面建設中所使用的節能保溫材料的容量、導熱性、吸水性、外觀等性能進行嚴格檢查，然而，在施工時，嚴格按照配合比和施工工藝要求對這些材料進行使用，保證保溫材料的合理使用。其次，實行倒置式屋面。倒置式屋面，就是將傳統屋面結構中的保溫層和防水層顛倒，將保溫層放在防水層的上面；傳統房屋在使用中，當屋面的保溫材料吸濕后，其導熱性將下降，所以，在傳統屋面結構中，常常在保溫層上設置防水層，在保溫層下做隔熱層，從而增加了屋面的造價，使得屋面結構復雜；同時，使得防水材料暴露于最上層，加速防水材料的老化；所以，傳統的屋面構架已不在實用，現如今，房屋的屋面大多都將保溫層放置在防水層上面。

篇（5）

中圖分類號：TU761文獻標識碼： A 文章編號：

引言：

節約能源是我國刻不容緩的突出問題，其中建筑節能是重中之重，這是因為建筑能耗量約占全國總用能量的 1/4，居耗能首位。中國的經濟和能源面對這種巨大壓力時，政府已陸續出臺相關法律文件，實行具體政策，推動建筑節能是符合中國的可持續發展戰略。隨著社會和經濟不斷發展，建筑領域內開展節能方面的學術研究有利于生態環境的協調發展，因此建筑節能保溫材料的研發是非常有必要的。我們需要對建筑材料的保溫隔熱性能、實用價值、材料的穩定性等方面的優、缺點進行深入剖析，以滿足不同條件下的使用需求。

一、對保溫材料分析

1、無機保溫材料

巖棉、玻璃棉和膨脹珍珠巖都屬于無機保溫材料，其中巖棉和玻璃棉有時統稱礦物棉， 它們是一種優質的保溫材料，應用也最廣泛。

1.1無機保溫材料在建筑施工運用中的優點：耐酸堿，耐腐蝕，不開裂，不脫落，穩定性高，不會存在老化問題。具有不燃、不霉、不蛀、保溫、隔熱、隔音等性能，能夠做到與結構壽命同步，價格較低施工簡便，適用范圍廣，對各種材質各種形狀的墻體均合適。而且沒有冷熱橋產生，全封閉無接縫無空腔。不僅可以做外墻外保溫還可以做外墻內保溫，或者外墻內外在同時保溫和屋面的保溫和地熱的隔熱層。防火等級高阻燃性能好，適用廣泛，大多用于密集的住宅、防火等級要求嚴格的公共場所。另外，還可作為防火隔離帶的施工材料，可達到高級別防火標準。

1.2無機保溫材料存在以下主要缺點：不環保、保溫性能差、受壓強度低下；吸濕性高、在施工中會對人產生有害氣體，如玻璃棉潮濕后會釋放有毒氣體，一些發達國家已經禁止此類材料的使用。

2、有機發泡類保溫材料

聚苯乙烯泡沫保溫材料是一種熱塑性材料（又叫EPS板和XPS板），優越于無機保溫材料性能。目前膨脹聚苯板EPS、擠塑聚苯板XPS、噴涂聚氨酯SPU和聚苯顆粒等都屬于我國有機發泡類建筑節能保溫材料，輔助材料有聚合物粘結砂漿、界面劑和界面砂漿、專用膨脹螺絲、耐堿玻纖網格布和鍍鋅鋼絲網格布等。

2.1有機保溫材料有以下優點：它具有密度小、重量輕、可加工性能好、導熱系數小、低吸水率、保溫隔熱隔音性能好、結構均勻而且尺寸精度高等優點，主要應用有聚苯板、鋼絲網架夾芯復合內外墻板、金屬復合夾芯板等

2.2他在施工運用中的缺點：由于EPS/XPS保溫材料有空腔結構，所以外界空氣容易通過縫隙影響保溫效果；抗風性差：EPS抗拉強度在干燥狀況下僅為0.1M pa，浸水后更低，所以EPS保溫材料一般不用于高層建筑；由于實際中很難做到EPS/XPS保溫材料必須存放40天后才能用于施工，所以應用EPS保溫材料的工程易出現裂縫、墻體透濕和返水現象；EPS/XPS保溫材料大都采用氟利昂發泡，很容易造成大氣污染，遇火高溫下產生的熔滴易發生二次燃燒，具有極快的火焰傳播速度。因此公共場所和高層建筑必須謹慎使用；在發達的美國有多個州禁止使用；在英國18米以上建筑不允許使用EPS板作外墻保溫材料；歐洲許多板材廠不再生產EPS板；許多保險公司已禁止給EPS板作保溫建筑保險。

3、聚氨酯硬泡節能保溫材料

3.1聚氨酯PU硬泡節能保溫材料的優點：它較無機保溫材料和有機保溫材料的熱導率最低。它使用最小的絕緣材料厚度來達到同樣的隔熱效果。硬泡閉孔率高達95% 以上的閉孔結構，具有很好的防水、隔汽性能，能阻隔水、水蒸氣滲透，使墻體保持穩定的絕熱狀態，這是其他材料不能媲美的優點。聚氨酯PU 硬泡節能保溫材料的韌性很好，不易產生開裂現象，耐沖擊具有較強的抵抗外力的能力。

3.2聚氨酯PU硬泡節能保溫材料的缺點：國產的環保、阻燃和消煙性能不過關，在燃燒時易產生大量濃煙，引起人員傷亡，某些地方規定不許在高層及公共場所建筑使用該材料。

4、復合型材料

利用處理過的農作物秸桿和經過無害處理的保溫材質的垃圾通過發泡等技術手段生產的空心材料等是復合型材料。

4.1復合材料的優點：保溫隔熱性能好，它兼具無機材料的很多優點（如防火能力，變形系數小，抗老化，性能穩定，絕緣層，高強度，良好的環保，壽命長，施工難度小，成本低），以及其原材料來源廣泛，節約資源，提高資源的循環再利用。

4.2復合材料缺點：復合材料在市場上局限正處在研發發展中。有一定的保溫隔熱效果，應用上也取得了一定進展，但其性能和應用上存在局限性：成本較高，涂層老化快。

5、發泡水泥

發泡水泥是通過發泡機的發泡系統利用機械方式充分泡沫，使泡沫和水泥漿料均勻地混合，然后經過發泡機的泵送系統進行現澆施工或模具成型，經自然養護形成的一種含有大量封閉氣孔的新型輕質保溫材料。

5.1發泡水泥的優點：強度高，發泡水泥絕熱層的強度明顯高于聚苯板絕熱層的強度。經適當養護，正常施工的發泡水泥絕熱層在容重為400kg/cm3時，其立方抗壓強度可達2MPa以上，足夠承載各種施工荷載；保溫性能好經計算得知：發泡水泥保溫效果要明顯優于聚苯板保溫效果；穩定性發泡水泥與一般混凝土一樣，都屬于無機材料，有著極其穩定的化學性能，在正常情況下，歷經百年也不會老化變質，且不燃燒、環保；施工因素發泡水泥適合采用機械化大面積施工，勞動強度低，工程進度快，且與上、下各構造層容易結合為一體；經濟性由于發泡水泥的主要材料是水泥，且基本無廢料，又可省略找平層等多道工序，綜合造價相對要低一些。

5.2發泡水泥的缺點：強度低，吸水率高，無法與泡沫玻璃、泡沫陶瓷、酚醛泡沫板、聚苯顆粒、聚苯板、擠塑板等墻體保溫材料相比。

6、聚苯顆粒保溫漿料

聚苯顆粒保溫料漿是由聚苯顆粒和保溫膠粉料組成。使用時按配比加水在攪拌機中攪拌完成后再加入聚苯顆粒，充分攪拌后形成塑性良好的膏狀體，將其抹于墻體干燥后便形成保溫性能優良的隔熱層。

6.1聚苯顆粒保溫漿料優點：該材料具有導熱系數低，保溫隔熱性能好，抗壓強度高，粘接力強，附著力強，耐凍融等優點，而且施工方便施工速度快，施工速度快。對平整度要求不高的基層施工適應好，可以減少大量的剔鑿工序，施工質量好。每平米造價低，經濟效益好。但聚苯顆粒保溫材料的吸水率高于其他材料，使用時必須加做抗裂防水層。由抗裂水泥砂漿復合玻纖網組成抗裂保護層材料，有效控制裂縫的產生。聚苯顆粒保溫料漿容易成型、可以適應結構復雜的建筑保溫，彌補聚苯乙烯泡沫塑料板的不足，因此它在建筑保溫隔熱材料的應用上占有重要地位。

6.2聚苯顆粒保溫漿料在施工運用中的缺點：墻體界面的界面砂漿不夠，可能降低附著力。

二、為我國建筑節能保溫材料的健康發展提以下建議

1、增加投入研發力度，增加產品穩定性。

在我國建筑行業的應用研發進展緩慢，需要加大投入研發力度，增加產品質量和各項性能。

2、完善相關法規，強制性節能環保。

必須加大建筑節能的工作研究，制定和頒布相應的建筑節能法規，加大建筑保溫行業的執法力度，強制建筑企業使用新型保溫材料。

結語：

從現在節能保溫材料的使用，已經看到了我們未來的發展方向是美好的。是智能化、綠色化、生態化方向發展。選擇好的保溫材料，才能有力的發揮外墻保溫系統的保溫性能。既有利于緩解能源緊張，又能減少溫室氣體。國家建設部節能總體目標是：到2020年北方和沿海經濟發達地區新建筑實現節能65%，所以今后的努力的方向是不斷改善節能保溫材料的各種不足，不斷提高優良性能。未來建筑將是由專業建筑師，結構工程師，設備工程師，建筑物理學家，能源專家，共同發展建設。高效節能設施將成為未來建筑的核心，只有這樣才能實現可持續發展的建筑節能，保護生態。

參考文獻:

篇（6）

RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層在不同濃度的硫酸、鹽酸、磷酸和氯化鐵等溶液中的腐蝕試驗結果表明，以Ni-W-P合金為基體的復合材料鍍層在鍍態或熱處理條件下在硫酸,磷酸,鹽酸和氯化鐵溶液中具有較好的耐蝕性,其耐蝕性優于316L不銹鋼;Ni-W-P-SiC復合鍍層在鹽酸、硫酸和氯化鐵溶液中的耐蝕性優于Ni-W-P合金鍍層和RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層，而RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層在磷酸溶液中的耐蝕性又優于Ni-W->:請記住我站域名/

復合材料鍍層的硬度和耐磨性試驗結果表明，隨著加熱溫度的提高，復合材料鍍層的硬度增加，在400℃時達峰值，加熱溫度繼續升高，鍍層硬度呈下降趨勢；此外，陰陽極相互垂直所得復合鍍層的硬度高于陰陽極相互平行的硬度；鍍態時復合鍍層的磨損率均最高，隨著熱處理溫度的提高，磨損率呈下降趨勢，在400℃時磨損率最低，耐磨性最好。繼續升高溫度，磨損率有所上升。另外，隨著鍍層中磷含量的增加，其耐磨性改善。在400℃熱處理條件下，隨著熱處理時間的延長，復合鍍層的硬度和耐磨性增加，當熱處理時間達到3小時時，鍍層硬度和耐磨性達到最佳值；若繼續延長時間，鍍層的硬度和耐磨性將降低。隨著鍍液中SiC濃度的增加，RE-Ni-W-P-SiC復合材料鍍層的硬度增加，同時鍍層的耐磨性能也增強。鍍液中鎢酸鈉濃度對RE-Ni-W-P-SiC多功能復合材料硬度及耐磨性的影響規律與鍍液中SiC濃度對RE-Ni-W-P-SiC復合材料硬度及耐磨性的影響規律基本一致，即隨著鎢酸鈉濃度的升高，RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層的硬度和耐磨性均提高。隨著鍍液中次亞磷酸鈉濃度的升高，鍍層的硬度和耐磨性均降低。

RE-Ni-W-P-SiC復合材料鍍層的組織與結構分析表明，復合鍍層在鍍態下為非晶態，當熱處理溫度升到200℃時，鍍層開始晶化并析出Ni3P相；當溫度達到500℃時，鍍層晶化完畢，產生新相g-(FeNi)。因此，整個鍍層的顯微結構隨溫度的變化過程是：非晶態混晶態晶態；稀土元素對復合鍍層的顯微組織無影響，但可以提高復合鍍層中SiC微的含量；鍍液中鎢酸鈉和檸檬酸的濃度對復合材料鍍層的結構影響不大，復合材料中的磷含量是鍍層非晶化的主要決定因素；鍍液中鎢酸鈉和檸檬酸的濃度對復合材料鍍層的表面形貌影響較大，當鎢酸鈉的濃度為90—150g/L和檸檬酸的濃度為150—170g/L時，復合材料鍍層表面顆粒細小，而且平整光滑。

復合材料鍍層的抗高溫氧化試驗結果表明，在高溫氧化過程中,純鎳鍍層、Ni-W-P、Ni-W-P-SiC和RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層的氧化膜重量和氧化時間的關系,在氧化時間小于60min時，氧化膜的增長規律近似于直線方程；而在氧化時間大于60min后,它的增長規律可以用冪函數方程表示。四種鍍層氧化速率的大小順序是Ni>Ni-W-P>Ni-W-P-SiC>RE-Ni-W-P-SiC。在高溫氧化過程中,Ni-W-P、Ni-W-P-SiC和RE-Ni-W-P-三種鍍層的氧化膜重量隨著氧化溫度的升高而呈指數型增加。RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層與Ni-W-P合金層相比,它的高溫抗氧化性能可以提高2-3倍。鍍層的截面形貌表明,經500℃下氧化，Ni-W-P合金已向基體擴散,與基體之間沒有明顯的分界線；Ni-W-P-SiC復合鍍層與基體之間有分界線,但不明顯；而RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層在此溫度下有明顯的分界線。經800℃下氧化后,除RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層與基體有明顯分界線外,其它兩種鍍層均無分界線。Ni-W-P、Ni-W-P-SiC和RE-Ni-W-P-SiC三種鍍層經800℃下氧化后的X-射線衍射圖同樣顯示,RE-Ni-W-P-SiC復合鍍層具有更好的抗高溫氧化能力。

對電沉積RE-Ni-W-P-SiC多功能復合材料進行了日處理5平方米的中試試驗，結果表明，用該工藝處理的多種零部件在磷化工、制糖和卷煙等工業中應用，其壽命明顯高于國產零部件，接近或超過進口件的水平，并取得了一定的經濟效益。

關鍵詞：電沉積，RE-Ni-W-P-SiC復合材料鍍層，硬度與耐磨性，耐蝕性，抗高溫氧化性，組織與結構，應用。

Atract

ProceandbasictheoryofelectrodepositedRE-Ni-W-P-SiCmultifunctionalcompositecompositecoatinghavebeenstudied，includingsomecontentsasfollows：

E-pHpatterofNi-P-H2OandNi-C-H2Osystemsweredrownoutonthebasisofthermodynamicanalysis，andresultsshowthatNiandPcanco-depositonthecathodeintheformofNi3P；therearesomeNi3Cphasesinthecoating，andCcomesfromorganiccompoundwhichwasaddedinthebathandCO2intheairthatwasdiolvedinwater.

ExperimentalresultsofproceparametersindicatethataseriesofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingswithdifferentcontentswereobtainedbymeaofaropriateparameters，andcomponentscopesofthecoatingsareSiC5~30wt，Ni50~60wt，W10~25wt，P5~15wtandRE5~10wt.ThecontentsofW，PandSiCi nthecompositecoatingswereincreasedwhenchloride，oxideandsulfaterareearthwasaddedinthebathreectivelyortogether.Theadditionofsodiumhypophohatemustbearopriate，ifaddedmuch，WandSiCcontentsinthecoatingsweredecreased，Sotheadditionofsodiumhypophohatemustbecontrolled10~15g/l.Currentdeity，temperatureandpHvaluehavecoiderableeffectsonthecontentsofW，PandSiCinthecompositecoatings.Generally，currentdeity（Dk）mustbecontrolled5~10A/dm2，pH6.0~6.5andtemperature55~65oC.Besides，DkandpHhaveagreateffectonthesurfacemorphologiesofthecoatings，andthecompositecoatingsgetcoarsewhenDkandpHwerehigh，onthecontrary，thecompositesgainfinecrystalwhenDkandpHwerelow.TheagitatingintervaltimehaslittleeffectonNi，WandPcontents，whileithascoiderableeffectonSiCcontentinthedeposits.ExteionofagitationandintervaltimewilldecreaseSiCcontentinthecomposites，sointervalandagitatingtimemustbecontrolled3miand4~5mireectively.

CurvesofcathodicpolarizationdilaythatwhenSiCparticlesandrareearth（RE）wereaddedinthebath，cathodicdepositingcurrentdeityofthecompositesincreases，anditisprofitableforNi-W-Pcoatingtodepositinthecathode，formingNi-W-P-SiCandRE-Ni-W-P-SiCcomposites.Onthecontrary，theadditionofPTFEinthebathdecreasescathodicdepositingcurrentdeityofthecoatings.Thecurrentdeityincreasesalittlewhentheamountofrareearth（RE）is7~9g/l；however，thedeityincreasesgreatlywithincreasingamountofRE，anditreachespeakvaluewhentheamountofREis11~13g/l.ButiftheamountofREisraisedfurther，thecurrentdeitydecreases.MechanismofSiCparticlesandNi-W-Pcoatingco-depositionis:SiCparticlescarryaboutnegativeelectricchargeitself,andtheymayadsorbpositiveelectricchargearoundwhenSiCparticlesareaddedinthebath.Theymovetothesurfaceofcathodeandformweakadsorptionundertheeffectsoffluiddynamicsandelectricfieldforce;secondly,SiCparticlesonthecathodicsurfacedehydrateundertheeffectoftheelectrostaticfieldforceandformstrongadsorptiothirdly,SiCparticlesadsorbedonthecathodicsurfacearecapturedbyNi-W-Pcoatinganddepositedinthecomposite.

CorrosionexperimentsofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatinginH2SO4，HCl，H3PO4andFeCl3solutioshowthatthecompositecoatingsonthebaseofNi-W-PcoatingshavebettercorrosionresistanceinH2SO4，HCl，H3PO4andFeCl3solutioatas-depositedorheattreatment，andtheircorrosionresistanceissuperiortothatof316Lstainlesteel；thecorrosionresistanceofNi-W-P-SiCcoatinginHCl，H2SO4andFeCl3solutioismuchbetterthanthatofNi-W-PandRE-Ni-W-P-SiCcoatings；however，thecorrosionresistanceoftheRE-Ni-W-P-SiCcompositeinH3PO4solutionissuperiortothatofNi-W-P-SiCandNi-W-Pcoatings.ThecorrosionmechanismofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatinginH2SO4andH3PO4solutioisgapandintergranularcorrosion，andinHClandFeCl3solutioispointandintergranularcorrosion.

Resultsofhardneandwearresistanceofthecompositecoatingsshowthatthehardneofthecoatingsincreaseswithincreasingheattreatmenttemperature，anditreachespeakvalueat400oC.Butitdecreaseswithincreasingheattreatmenttemperaturecontinually.Besides，thehardneofthecoatingbyverticalhangingbetweencathodeandanodeismuchhigherthanthatofonebyparallelhangingbetweencathodeandanode.Theabrasionrateofthecompositesishighestatas-deposited，whileitdecreaseswiththeriseoftemperature，itcutsdownlowestat400oC.Buttheabrasionrateincreaseswithcontinuingraisingheattreatmenttemperature.Thewearresistanceofthecoatingisraisedwithincreasingthephohoruscontentinthedeposit.Thehardneandwearresistanceofthecompositeincreasewithexteionofheattreatedtimeat400oC，andtheyreachtheirpeakvaluesat3hoursreectively.However，thehardneandwearresistanceofthecoatingdecreasewiththeriseoftheheattreatedtime.ThehardneandwearresistanceoftheRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingincreasewiththeriseofSiCandsodiumtungst ateconcentratiointhebathreectively，whilethehardneandwearresistanceoftheRE-Ni-W-P-SiCcoatingdecreasewithincreasingsodiumhypophohateconcentrationinthebath.

MicrostructureofelectrodepositedRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingwasstudied，andresultsshowthattheRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingisamorphousas-deposited.WhilethecoatingchangesintothecrystalandNi3Pphasesprecipitatewhenheattreatedtemperatureisraisedto200oC；Thecrystalproceofthecoatingisfinishedandnewγ-（FeNi）phaseisproducedwhentemperaturerisesto500oC.Therefore，themicrostructurechangingproceofthecoatingisamorphousmixturecrystal；therareearthhasnoeffectonthemicrostructureofthecoating，whileitcanincreasetheSiCcontentinthedeposits.Sodiumtungstateandcitricacidconcentratiointhebathhavenoeffectsonthemicrostructureofthecomposite，howevertheyhavecoiderableeffectsonthesurfacemorphologiesofthecoatings.Thecoatingswithfinecrystalandsmoothsurfacewillbeobtainedwhensodiumtungstateconcentrationis90~150g/landcitricacidconcentrationis150~170g/l.Thephohoruscontentinthecompositeisadecisivefactorthatenablesthecoatingtochangeintoamorphousstate.

篇（7）

主管單位：中國科學院出版圖書情報委員會

主辦單位：中國科學院上海微系統與信息技術研究所;中國材料研究學會

出版周期：雙月刊

出版地址：上海市

語

種：中文

開

本：大16開

國際刊號：1007-4252

國內刊號：31-1708/TG

郵發代號：4-737

發行范圍：國內外統一發行

創刊時間：1995

期刊收錄：

CA 化學文摘(美)(2009)

CBST 科學技術文獻速報(日)(2009)

Pж(AJ) 文摘雜志(俄)(2009)

中國科學引文數據庫(CSCD―2008)

核心期刊：

中文核心期刊(2008)

中文核心期刊(2004)

期刊榮譽：

Caj-cd規范獲獎期刊

聯系方式

篇（8）

中圖分類號：G642.0；G642.3；TB34 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）05-0072-02 華南農業大學材料化學專業的培養目標是立足廣東，面向珠江三角洲，培養掌握現代化學與材料學基礎的基本理論和研究方法，具備新材料研究和技術開發能力，能在化學、材料科學與工程及其相關領域，從事新材料的設計、檢測、研究、開發和管理等工作的高素質復合型人才。無機功能材料是具有特殊電、磁、光、聲、熱、化學以及生物功能的新型材料，既是信息技術、生物技術、能源技術等高技術領域和國防建設的重要基礎材料，又在農業、化工和建材等傳統產業的改造方面起著重要作用。無機功能材料是華南農業大學材料化學專業的一門重要的專業課程。本文結合教學實際，從教學內容的更新、教學方法的探索和考核方式的改革等方面進行了有益的探索和實踐，取得了較好的效果。

一、加強教學內容改革與優化，建立教學新體系

無機功能材料課程內容包括無機材料概論、晶態與非晶態結構、超導材料、壓電材料、介電材料、半導體材料、紅外材料、光導材料、變色材料、磁性材料、特種玻璃、生物功能材料、多孔材料等內容。在十多年教學中，通過精選教學內容，加強教學內容改革與優化，以“制備—結構—特性—應用”為主線，注重教學內容與學科發展前沿、現代生活和生產實際相結合，體現了授課內容的先進性、趣味性和實用性，提高了學生學習興趣。

1.教學內容與學科發展前沿結合，體現先進性。緊跟學科發展前沿、瞄準研究熱點是更新課堂教學內容的有效途徑。在授課過程中，注重從國際和國內學術期刊中獲得無機功能材料研究的相關信息，把研究熱點與最具代表性的研究成果制成課件，展示給學生，使學生及時了解到最新的前沿知識，接觸學術前沿領域，激發學生的求知欲望[1，2]。例如，在講授壓電陶瓷材料時，首先講授傳統的壓電陶瓷，以PZT為基的二元系、三元系鉛基壓電陶瓷的制備、性能以及在國民經濟和現代科學技術等方面應用；其次向學生介紹這類壓電陶瓷中大量的鉛在制備、使用和廢棄處理過程中都會污染環境；最后介紹當前無鉛壓電陶瓷研究進展，包括BaTiO3基、BNT基和鈮酸鹽系等無鉛壓電陶瓷。講授無機超導材料時，先介紹物質磁性的分類、磁性材料種類、特性和應用，再介紹當前磁性材料科學的研究熱點——磁性半導體、分子基磁體以及同時具有鐵電和鐵磁雙重性質的磁電復合材料。在講授無機多孔材料時，介紹2012年發表在《Nature Materials》上的吸附二氧化碳的新材料NOTT-202a的結構、特性和應用前景[3]。通過學科研究前沿知識的講授，體現了教學內容的先進性。

2.教學內容與現代生活實際結合，體現實用性。無機功能材料在日常生活中應用廣泛。在課堂教學中，將教學內容與現代生活實際相結合，提高了學生的興趣。例如熱致變色材料是一種能對外界環境變化產生響應的新型智能材料，其中的無機低溫熱變色材料具有隨溫度變化顏色改變的特性，可將在商標、封簽和票據上作特殊的標記進行化學防偽，用于冷凍食品、蔬菜和水果等各類食品適宜保存溫度的指示，制作熱變色家具、茶具和玩具，用于繪畫、美術作品和廣告中產生一些奇特的效果等[4]。變溫磁性材料與家用電飯鍋，壓電材料與煤氣灶和倒車報警器，變色玻璃與太陽鏡，氣敏陶瓷與煤氣報警器，熒光材料與彩色電視機，紅外材料與節水龍頭，形狀記憶合金與兒童矯牙，多孔材料與飲水機，無機納米抗菌材料與保健鞋墊，超導材料與磁懸浮列車，吸波材料與隱身飛機，泡沫玻璃與新型節能建筑材料等知識的介紹，使學生感受到無機功能材料在生活中無處不在。這種理論聯系生活實際的教學，增強理論課的實用性和趣味性。

二、加強教學方法和手段的更新，增強課堂教學效果

1.講授與討論相結合。在教師講授的同時，開展課堂討論式教學，既可以培養學生學習的主動性和分析問題的能力，又可以培養學生的創造性思維，從而有效地提高課堂教學質量[5，6]。本課程在教學過程中根據選課學生人數安排討論課次數，采用方式為：首先教師提出若干個課題，如金剛砂的制備、結構和應用，無機超導體的種類、結構和應用，寶石中的化學以及氣敏陶瓷的種類、特性和應用等；其次學生自由組合成2～3人小組，查閱文獻和制作PPT；最后每個小組推薦一名成員上臺講授。從實施效果來看，這種課堂討論教學改變了傳統的以教師講授為主和學生被動接受的教學模式，增強了學生學習的主動性，提高了學生查閱文獻、PPT制作、語言表達和綜合分析問題的能力，促進了教與學之間的互動，活躍了課堂教學氣氛。

2.傳統授課方式與現代教育手段相結合。將多媒體引入傳統的課堂教學，是對傳統的教學方式的繼承、揚棄和補充，將抽象的知識直觀化和形象化，激發了學生的學習興趣，調動了學生學習的積極性[5]。例如在講授超導材料時，先讓學生觀看磁懸浮現象的視頻，通過提出問題“為什么磁性圓片在低溫下會在金屬圓片的上方懸浮起來？”引入講授內容——超導材料，然后從超導現象，超導特性，超導材料的種類、結構及其在輸電、電機、交通運輸、微電子、電子計算機、生物工程、醫療和軍事等領域應用進行講授。在講授發光材料時，先利用中山大學國家級精品課程《綜合化學實驗》網絡資源，讓學生觀看“化學發光材料制備”視頻，了解化學發光材料制備過程、結構表征的方法和手段，觀察發光現象。在講授激光材料和壓電陶瓷前，播放一段激光雕刻機制作葫蘆工藝品和壓電陶瓷的有關應用的視頻。在講授激光產生的機理時，采用動畫展現“三能級系統”、“四能級系統”、粒子數反轉和激光形成的過程。這種講授與動畫和視頻的有機結合，收到良好的教學效果。

3.理論教學與實踐教學相結合。近幾年來，通過以下四個方面的實現理論教學與實踐教學的有機結合：（1）設置無機功能材料課程的實驗。實驗教學是學生創新意識和創新能力培養的重要手段與途徑[7]，利用華南農業大學省級化學實驗教學示范中心的有利條件，開設了溶膠—凝膠法制備納米BaTiO3陶瓷粉體，微波輻射法合成磷酸鋅，稀土發光材料的制備與發光性能等實驗項目，提高了學生的實驗技能。（2）組織學生參觀相關企業。與深圳寶嘉能源有限公司，中山東晨磁性電子制品有限公司，佛山安億納米材料有限公司、東莞長發光電科技有限公司和廣州臺實防水補強有限公司等10余家企業建立了長期的產學研合作關系，通過組織學生參觀，了解鎳鋅軟磁鐵氧體材料及器件、鋰離子電池等無機功能材料的生產工藝和過程，增加了感性認識，加深了對理論知識的理解。（3）鼓勵學生參與教師研究課題。近幾年來，學生參與教師主持的含氮共軛聚合物與無機半導體雜化光催化劑的設計、制備與催化機理研究，雙功能光轉換劑的制備及其在棚膜中的應用研究，一維二氧化鈦納米管裝載恩諾沙星納米囊研制及緩釋特性研究，季鏻鹽類復合抗菌材料的制備和性能等多項省、部級及以上科研項目。學生通過參與教師的科研，了解無機功能材料研究的發展動態，開闊知識視野，增強學習和研究的興趣。（4）指導學生申報大學生科技創新項目。課外創新活動是培養大學生創新能力的有效途徑[8]，近幾年來，材料化學專業的學生獲得了碳納米管/聚N-異丙基丙烯酰胺智能復合材料的制備與性能研究，橄欖石納米LiFePO4正極材料的模板法制備及性能研究，稀性二氧化鈦納米管的制備及其對農藥降解的研究，水熱法制備鈥摻雜二氧化鈦納米管及其光催化性能研究，GeS簇/MOFs復合多孔納米材料可見光催化還原CO2和H2O合成甲醇的研究，金屬氧化物改性多孔碳球的制備、表征及其用于直接甲醇燃料電池的研究和竹炭為模板制備納米鈦酸鋰負極材料及其性能研究等科技創新項目，增強了學生的創新意識，提高了分析問題和解決問題的能力。

三、加強考核方式的改革，體現考核客觀性和公正性

為了體現客觀性和和公平性，無機功能材料課程考核采取平時考核和期末考試結合辦法。平時成績占總評成績的40%，主要考查平時作業、課堂教學參與、小論文撰寫、PPT制作和課堂討論講授效果等。期末考試成績總評成60%，題型包括單項選擇、不定項選擇題、填空題、專業名詞英漢互譯和簡答題。其中前三項主要考核學生對無機功能材料基本知識的掌握情況，后二者考核學生運用知識的能力。

綜上所述，通過10多年的探索和實踐，無機功能材料的課堂教學取得了良好的效果。從學生評教結果看，2008～2012年得分均92分以上，位居學院專業課前列。學生主持與課程相關的大學生科技創新項目24項，公開發表相關學術論文50余篇，其中SCI和EI收錄32篇。在今后的工作中，將不斷深化課堂教學改革，加強實踐環節教學，使無機功能材料課程的教學在培養適應珠江三角洲經濟發展的材料化學方面高素質復合型人才發揮更大作用。

參考文獻：

[1]趙北君，朱世富，何知宇，等.“現代材料制備科學與技術”課程教學培養創新意識的嘗試[J].高等理科教育，2008，（6）：77-79.

[2]王艷榮.《無機材料科學基礎》教學實踐與改革探討[J].高教論壇，2007，（2）：128-129.

[3]YANG Sihai，LIN Xiang，L.William，et al.A partially interpenetrated metal-organic framework for selective hysteretic sorption of carbon dioxide[J].Nature Materials，2012，11（8）：710-716.

[4]王海濱，劉樹信，霍冀川.無機熱致變色材料的研究及應用進展[J].中國陶瓷，2006，42（4）：11-13.

[5]程順有.實施啟發式教學培養學生創新能力——以專業基礎課程的“課堂討論”為例[J].高等理科教育，2004，（3）：87-90.

[6]王果.問題討論式課堂教學法的探索與實踐[J].高等農業教育，2008，（2）：60-62.

[7]陳德碧，楊帆.應用型人才培養的實驗教學改革實踐[J].實驗科學與技術，2010，8（4）：42-43，133.

篇（9）

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）03-0061-02

高等教育國際化成為當代世界高等教育的重要理念。培養既有扎實專業知識，又有國際交流、合作、競爭能力的國際化人才，已成為我國高等教育的最重要任務之一。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010―2020年）》和《上海市中長期教育改革和發展規劃綱要（2010―2020年）》都將教育國際化列于突出地位。因此，上海市教委從2009年起開展了上海高校示范性全英語教學課程建設，鼓勵高校教師開展全英語教學，發揮課程示范輻射作用，提高國際化教學質量[1]。上海理工大學材料科學與工程專業自2010年起開始了本科生課程的全英語教學探索，目前正在建設包括材料結構與性能、材料分析與設計和專門材料與應用三個全英語教學課程群[2，3]。《功能材料學》課程主要針對材料科學與工程專業三年級學生，是專門材料與應用課程群的核心課程之一。《功能材料學》課程主要向學生講授各類功能材料的結構、性能及應用的基本理論和相互關系等，并介紹當今各類功能材料的最新研究成果，加強學生對專業知識的理解和掌握，并了解功能材料領域的發展趨勢，為今后在相關領域學習和工作打下堅實基礎；同時，深化培養學生的專業英語運用能力以及國際化視野，提升其綜合素質。為更好地實現上述教學目標，提高課程教學效果，本文結合《功能材料學》全英語教學課程近幾年的教學實踐，對課程的教學內容、教學方法與手段以及評價體系等方面進行了初步探索。

一、教學內容的優化

功能材料是指具有優異的物理、化學、生物、光電性質并能在其之間相互轉化的材料。根據材料的功能分類，功能材料包括電子材料、磁性材料、光學材料、生物材料、各種功能轉換材料等，涵蓋電子學、光學、生物醫學、電磁學等領域，是一門多學科交叉融合的學科。目前，高校的材料科學與工程專業基本都開設功能材料學及相關的專業課程。功能材料學涵蓋面廣、信息量大，但是一般課程的教學時數相對較少，所以多數高校都是選取幾類功能材料作為教學內容。例如華中科技大學開設的《先進功能材料》課程主要介紹光功能材料、電功能材料、磁功能材料和能源材料。本校的《功能材料學》課程實施全英語教學，雖然學生在前期已學習了全英語授課的《材料科學基礎》、《現代材料分析方法》、《材料結構與性能》等專業基礎課，能夠較好適應全英語授課的節奏和方式，但是很多學生以英語思維方式理解和掌握專業知識仍然面臨困難和挑戰，所以在教學時數有限的情況下，教學內容的優化至關重要。

1.為實現課程教學與國外接軌，同時結合功能材料領域的發展狀況和本校材料學院以能源、環境、生物材料為主的研究特色，本課程教學中選用了Deborah D.L.Chung主編的原版英文教材《Functional Materials：Electrical，Dielectric，Electromagnetic，Optical and Magnetic Applications》作為主要參考教材，同時補充Buddy D. Ratner等人編寫的原版英文教材《Biomaterial Science：An Introduction to Materials in Medicine》作為生物功能材料的參考教材，并將發表的經典論文與最新研究成果等作為補充教材。

2.由于本課程的學生已學習了大量的材料學基礎理論課程，所以教學內容以功能材料的應用為主，兼顧理論知識的鞏固。以材料設計中的“結構-性能-應用”基本思路為主線，在介紹某種功能材料的結構與性能之間關系的基礎上，著重講授功能材料的性能與應用之間的相互關系，突出實際應用案例。這樣，課程教學內容既保證學生可以鞏固功能材料學的基礎知識，又引導學生將基礎知識和實際應用結合起來，提高解決實際問題的能力。

3.為了教學內容能夠有效激發學生的學習興趣，引導學生把握功能材料領域的發展趨勢，本課程以專題形式只在壓電材料、磁性材料、光電材料、電池能源材料、生物材料等范圍內選擇幾種經典的和最新發展的功能材料及其制備新技術作為講授內容，同時引入新材料、新技術等方面的課堂討論內容。例如在講授太陽能電池材料及新技術時，除了介紹太陽能電池的工作原理、目前研究的太陽能電池材料外，結合本院開展太陽能電池材料研究的老師的科研成果，課堂討論太陽能電池材料的研究現狀和發展趨勢。

二、多元化教學方法與手段的運用

全英語教學是指用英語全程授課，讓學生在全英語環境中學習專業知識，這對學生提出了更高要求。復旦大學蔡基剛教授研究認為，具有大學英語四級水平以上的學生，具備上全英語課程的能力，關鍵在于堅持和信心[4]。目前，本專業學生在上海市及全國范圍內均為一本招生，英語整體水平較高，而且學生在前期已經學習了多門全英語授課的專業基礎課。但是，部分學生仍然對全英語課程產生畏難情緒。因此，在全英語教學中，如何提高學生對課程的興趣以幫助學生克服畏難情趣，是影響教學效果的重要因素。在近幾年的全英語教學實踐中，我們對多種教學方法和手段進行了融合運用。

1.多媒體教學，精心準備課件及教學細節。在課前精心組織教學內容，注重最新研究成果和經典功能材料的實際應用案例，力求課程內容的前沿性、實用性和趣味性。多媒體課件盡量通過圖片、表格、動畫以及視頻等資料，以直觀的方式體現教學內容，避免在幻燈片上出現大段文字，以此吸引學生的注意力，幫助其克服語言障礙。通過講授過程中放慢語速或者重點內容重復多次的方式，爭取絕大多數同學在課堂上能夠聽懂、理解，并且設置提問環節以增強學生對知識點的掌握。

2.將研究和探索的氛圍帶到課程教學中。本課程的教學內容結合了學院的研究特色，教學團隊由多名從事不同功能材料研究的科研一線教師組成，分別在其擅長的研究領域講授教學內容，同時將各自的科研成果引入教學，豐富教學內容，使教學與科研有機結合起來。增加教師本人的科研成果展示、科研故事等內容，使課程充滿研究和探索的氣氛，激發學生對課程內容和功能材料研究的興趣。

3.開展當前研究熱點和最新研究成果的課堂討論。通常學生對研究熱點和最新研究成果都比較感興趣。例如在講授目前非常熱門的石墨烯材料時，教師提前給學生布置討論題目：石墨烯材料具有非常優異的電導、機械強度、韌性等性能，那么這類材料的應用領域在哪里？在課堂上，教師在講授完石墨烯材料的結構與性能關系后，在輕松的氛圍下開始課堂討論。這樣的教學方式不僅有利于調動學生主動參與的積極性，而且可以培養學生獨立思考和分析判斷問題的能力以及交流、討論、合作的熱情和能力。

4.注重學生課前預習和課后知識鞏固。全英語教學實踐中，學生的課前預習對提高課堂教學效果非常重要。為了讓學生的課前預習有的放矢，教師在課程開始前將課件放在課程網站上，讓學生根據課程進度表提前下載課件并配合英語參考教材預習，避免了英語參考教材信息量大、學生預習無從下手的情況。通過預習，學生可以熟悉課堂的教學內容以及專業詞匯，盡量避免因為課程內容和詞匯生疏帶來對知識點的理解困難，有助于學生跟上教師授課節奏，提高課堂教學效果。而對學生課前預習要求的檢查和督促則通過教師課堂隨機測驗、點名提問等方式進行，并且將結果計入平時成績。另外，為了進一步鞏固課堂所學知識，每個專題授課結束后都會通過布置作業來引導學生對所學內容和知識點進行回顧。對學生課后作業完成情況的檢查則通過作業批改、在課堂上問答的互動方式進行，標準解答定期上傳至課程網站，以便學生加深對課程內容和知識點的理解和掌握。同時，本課程還設置課后輔導答疑環節，學生在每周的固定時間可到教師辦公室接受答疑輔導。

三、課程教學評價體系的建立

好的課程教學評價體系也可以有效激發學生的學習興趣，提高教學質量。傳統的以期末考試為主的評價方式，容易導致學生考試前突擊死記硬背知識點，而忽視平時對所學知識的運用以及綜合素質的培養。本課程采用教學過程中的課堂參與度等作為過程性評價和學期末綜合考試作為總結性評價。過程性評價包括了全英語課后作業、課堂問答互動、小組課堂專題演講以及查閱英語文獻與資料能力等構成，占總成績的50%～60%；而期末綜合考試則主要考查學生對重點知識點的理解以及解決實際問題的能力，占40%～50%。采用這樣的評價方式，鼓勵學生參與課程教學，激勵學生的學習熱情。既讓學生重視對知識點的理解和靈活運用，而不是死記硬背基本知識點和基本概念，也加強了學生綜合素質的培養。

全英語課程教學已成為高校培養國際化人才的重要舉措。《功能材料學》課程是材料科學與工程專業非常重要的專業課，要達到提高學生專業知識水平，培養學生解決實際問題的能力以及國際化視野，提升綜合素質的教學目標，在全英語教學中，必須要在教學內容、教學方法與手段、教學評價體系等方面下功夫，激發學生對全英語教學課程的學習興趣，使學生克服畏難情緒，能夠在教學過程中成為教學主體。全英語教學還是一種新的教學模式，在引導學生成為教學主體的同時，教師也要不斷學習、提高教學理念和教學水平。只有教師和學生教學相長，才能真正提高全英語教學質量。

篇（10）

生物質可以轉化為能源和各種化工產品與生物質基材料。目前我國生物質材料工業采用直接轉化的模式，生產過程存在效率低、能耗高、產物類型少等問題，因此如何將生物質進行高附加值的綜合開發利用是生物質產業面臨的主要瓶頸之一。

綻放夢想

任俊莉在攻讀博士期間，師從于華南理工大學孫潤倉教授（杰青、長江學者特聘教授）。在良師的教導下，她主要針對蔗渣和麥草秸稈中半纖維素的分離、結構表征及定向轉化為造紙助劑進行了系統研究，完成了博士論文。懷揣著對校園的熱愛，對科研的執著，她選擇了畢業留校，繼續從事于農林生物質半纖維素的分離及其轉化為高附加值的多元化產品的基礎和應用研究。

2008年2月，任俊莉受單位資助赴瑞典隆德大學化學工程系做訪問學者，在此期間，她針對農業秸稈轉化生物乙醇過程中的關鍵技術問題進行了深入研究，考察了堿預浸漬和蒸汽爆破相結合的技術對麥草秸稈轉化乙醇產率的影響。

東西方文化的碰撞，學術氛圍的交融在任俊莉身上起了奇妙的化學反應，對于科研的激情更甚。

在生物質能源的科研道路上，她不高大，但執著。

半纖維素在自然界中的含量十分豐富，在植物中的含量占1/4-1/3，僅次于纖維素的含量。因半纖維素獨特的化學結構，較高的環保價值，使其在造紙、食品包裝、生物醫藥、污水處理等領域有著潛在的商業價值。半纖維素被公認為是制備環保材料的理想材料。因此，以半纖維素為基質制備功能材料的研究為農林生物質資源的高值化利用提供了新的資源化道路。

為此，任俊莉將研究方向定為農林生物質高值化利用的基礎和應用研究，尤其在半纖維素轉化為多元化高附加值產品方面有著豐富的研究經驗。

放飛夢想

每個人都有夢想，難得的是將夢想堅持下去。

恩格斯曾說過，社會一旦有技術上的需要，則這種需要就會比十所大學更能把科學推向前進。在任俊莉負責的諸多有影響力的項目中，主要以基礎研究為主，其中，她帶領的課題組在研的廣州市科信局應用基礎研究計劃項目“新型環保半纖維素基重金屬離子吸附材料的制備及應用研究”凝結了團隊成員的心血和智慧。制備的半纖維素吸附材料具有較好的吸附性能，尤其對重金屬離子具有較好的吸附性能，同時還對尿素具有一定的緩釋效應，將在農業、污水處理等行業有著潛在的商業應用前景。

其中，該項目體現了兩大創新：首先提出一種新型環保生物質基吸附劑的方法。該方法工藝簡單易行，該方法的提出基于“過程綠色，產物與環境友好”，具有科學性與先進性。該吸附劑具有生物可降解性，能夠多次循環利用，可應用于污水處理中的重金屬離子富集和回收，將為半纖維素在新材料研究應用領域開辟一條資源化道路。

其次提出一種溫和條件下均相體系制備帶有碳碳雙鍵的半纖維素衍生物新方法。該方法在較溫和的條件下合成出均一性好、分子量高的GMA修飾的半纖維素。該聚合物可以進一步通過接枝共聚等技術制備功能材料。該研究將為半纖維素工業化均相改性以及大規模應用于污水處理、造紙、醫藥等工業領域奠定理論依據。

談到實實在在的成果，任俊莉告訴記者，該項目以農林廢棄物半纖維素轉化為可生物降解的功能材料為目標，研發了一種吸附重金屬離子的新型環保材料，屬于污水處理、高分子材料、高分子化學、林產化學等多學科交叉研究領域，涵及可降解高分子材料技術及污水處理技術，具體為一種新型環保重金屬離子吸附劑的制備及其對重金屬離子吸附和脫吸行為以及再生性能的研究。

這個項目主要以農林生物質蔗渣和竹材加工下腳料分離和純化得到的木聚糖類型的半纖維素為原料，從分子學角度設計了半纖維素基新型吸附材料的組成和結構；通過調控反應參數，制備了系列陰離子型的木聚糖基水凝膠，其吸水率在80-900范圍內，表現出對pH、有機溶劑極好的智能響應行為和反復的開-關特性。該水凝膠對鉛、鉻、鋅重金屬離子的最大吸附量達859、495、274mg/g，重復使用8次之后仍保留原來90%的吸附容量。制備的系列木聚糖基水凝膠可以作為吸附材料、吸水/保水材料、智能開關等可以應用于污水處理、醫藥等行業。該功能材料具有生物可降解性、可再生能力，能夠循環使用，富集的重金屬離子能夠被分離和回收，在污水處理工業具有潛在的應用前景。

我們可以預見到，利用生物質制備生物能源、生物質基材料和化學品，以補充或逐步替代不可再生石化資源是目前資源轉化的一種重要發展趨勢，將推動現有的龐大的化石基工業體系向生物質工業體系的良性轉變。

實現夢想

科技人才最重要的價值體現在他們的創造價值上。科技人才能夠利用他們掌握的專業知識進行創造性的勞動，提出新的理論和新的解決方法，并轉化為新的生產力。

目前，任俊莉的具體研究方向是構建半纖維素功能材料理論體系和方法，制備高性能的復合膜材料、具有良好選擇性的吸附材料以及對藥物具良好控釋性能的藥物載體等功能材料，并考察了它們在食品、污水、農業及醫藥行業的應用。

另外，她將“綠色催化化學”理念應用于半纖維素高選擇性合成化工中間體的研究中，主要利用納米催化技術在水相和綠色溶劑體系催化轉化半纖維素及單糖合成糠醛及糠醛衍生物等高附加值化學品，實現了原料天然、過程綠色、產物環保的目的，符合當前綠色經濟的發展。

為此，從工作至今，任俊莉主持了大大小小多個項目，如國家自然科學基金面上項目、教育部新世紀人才支持計劃項目、教育部高等學校全國優博論文作者專項基金項目、廣東省自然科學杰出青年基金（首屆）、廣東市科技計劃項目、廣東省教育廳育苗工程、華南理工大學第一批優秀青年學者培養對象、華南理工大學中央業務費重點項目和面上項目、中國科學院可再生能源與天然氣水合物重點實驗室、重點實驗室人才基金、新教師基金及開放基金等多項項目。

目前，她主持的國家自然科學基金面上項目、教育部新世紀人才支持計劃項目、教育部高等學校全國優博論文作者專項基金項目、廣東省自然科學杰出青年基金（首屆）等項目主要是針對農林生物質半纖維素的清潔高效分離及高值化利用進行基礎研究，建立了半纖維素高效分離技術體系，提出均相改性新方法，創立半纖維素均相化學修飾體系，揭示半纖維素在離子液體體系的溶解機理，依據半纖維素的化學結構，設計合成了系列不同功能的半纖維素基材料，闡明了半纖維素結構與材料性能之間的關系，這些研究為半纖維素的工業應用提供了重要的理論依據。

除了在半纖維素領域取得了一定成果，任俊莉同時還擔負著傳道授業的師者責任。她協助孫潤倉教授指導了博士研究生3名，其中兩名研究生分別獲得華南理工大學優博創新基金的特等資助。指導5名碩士研究生。在指導研究生時，任俊莉在生活上給予他們物質和精神的雙重支持；在科研方面，她細心指導，時刻跟蹤學生科研工作動態，及時發現問題，及時解決。并且，還積極參與和協助學科帶頭人對學科的建設，幫助團隊青年教師在項目申報、等方面快速成長，完善學術梯隊建設。

收獲夢想

6月22日，由《科學中國人》雜志主辦的“科學中國人（2012）年度人物頒獎典禮”在北京萬壽賓館舉行。此次，共評選出百余位科學中國人（2012）年度人物及年度人物特別獎。

榮譽的殿堂上，任俊莉如蓮花般奪目。當杰出青年科學家獲獎者登臺領獎，所有人都關注到了那萬花叢中一點紅，她是獲獎者中唯一的女性。組委會給她的提名理由這樣描述：多年來以造紙植物資源半纖維素的高值化利用為研究核心，針對制漿造紙過程中半纖維素資源化利用效率低、成本高及轉化產品類型少等瓶頸問題開展工作，在解譯蔗渣、麥草和黃竹半纖維素化學結構的基礎上，依據半纖維素的構效關系構建了多元化半纖維素基產品合成新理論和新方法，建立了具有自主創新的半纖維素轉化技術體系，研究成果受到國內外學術界的廣泛關注和跟進。研究成果獲高等學校科學技術獎自然科學獎一等獎2項（2012年，2008年，排名第五）。申請人2010年獲“全國百篇優秀博士論文”獎，2012年入選廣東省高等學校“千百十工程”第七批校級培養對象，同年獲得教育部新世紀人才支持計劃項目、廣東省自然科學杰出青年基金項目、華南理工大學首批杰出人才培養計劃培養對象―優秀青年學者等人才項目資助。

篇（11）

34歲，他舍棄在德國繼續深造的機會，回到母校從事科研工作；

35歲，他放棄武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室的優越條件，俯身廣西教育事業；

如今，46歲的他，瞄準世界材料科學發展的前沿，刻苦鉆研，勇于創新，為實現廣西從有色金屬資源大省向有色金屬資源強省轉變，積極貢獻自己的青春與才智。

他，就是廣西有色金屬及特色材料加工國家重點實驗室培育基地、有色金屬及材料加工新技術教育部重點實驗室學術帶頭人、桂林理工大學教授、博士生導師――方亮。

從中國到德國，只為占領材料研究高端

1970年，湖北宜昌三峽大學校園，方亮呱呱落地，從童年起，研究哲學的父親和研究生物的母親就讓方亮無拘無束成長，運動成了他的至愛。1988年，復讀一年的方亮以全校第三名的成績被以材料學科見長的全國重點大學武漢工業大學錄取，成為當時武漢工業大學材料科學實驗班僅有的九名學生之一，成為武工大校長、我國著名材料學專家袁潤章教授的弟子。

“正是高考的挫折，讓我明白，一個人要對自己的人生負責，要建立一套屬于自己的學習和工作方法。”方亮說，在運動和科研上，他找到平衡點：“運動強健體魄，培養競爭意識和面對挫折的能力，拼搏帶給我不懈努力的干勁。”

大學四年，方亮成績優異，曾連續三年被評為三好學生標兵，之后免試直升研究生，1998年獲得武漢工業大學（2000年更名為武漢理工大學）復合材料工學博士學位，同年留校在材料復合新技術國家重點實驗室從事科研工作。2003年5月，方亮破格晉升為武漢理工大學教授，并成為當時學校最年輕的博士生導師，也被武漢市組織部作為江漢大學副校長人選進行考察。為了家庭團聚，當年12月，方亮去到久負盛名的德國亞琛工業大學及尤里西研究中心電子材料所當訪問學者，利用國外先進設備加快自己的研究進程，先后在國際專業刊物發表15篇電子材料方面的論文，成為2004年武漢理工大學發表SCI論文排名第一的教師。

方亮長期從事新型無機非金屬功能材料的合成、結構與性能探索工作，在復合氧化物電、磁功能材料系統中設計與合成了類鈣鈦礦結構與六方磁鉛石結構新有色金屬復合氧化物600余個，均被ICDD授予了PDF卡，成為鑒定它們的國際標準數據，開展了新型微波介電陶瓷、無鉛鐵電與壓電材料、鐵電―鐵磁材料等探索工作。作為負責人或技術負責人承擔了國家自然科學基金重大專項及青年基金項目、面上項目與地區聯合資助項目、教育部重大項目、留學回國基金項目與“新世紀優秀人才”支持計劃項目、美國國際衍射數據中心資助項目、國防軍工重點項目等30余項。獲得授權國家發明專利200余件，作為主要作者300余篇，SCI已收錄260余篇，SCI引用超2000次，其中7篇論文被ISI評為2000年來本領域引用率最高的1%以內高引頻論文。

回顧自己14年的科研經歷，方亮說：“材料科學是人類發展進步的三大支柱學科之一，我的導師一直告誡我們，要對新材料保持興趣與探索，科學研究永無止境，總有更好性能的材料出現，總有更好方法去改進現在的人類進程。”

從武漢到桂林，只為打造材料學界國家重點實驗室與材料學科博士點

2005年，34歲的方亮決定離開德國優越的科研生活環境，回國后與同為材料領域專家的妻子進入中科院上海硅酸鹽研究所，同時在母校繼續執教。方亮說：“在國外可以學習到先進的科學技術和學習、工作管理制度。但是那些收獲都是個人的，而做出的成果和知識產權卻歸國外所有，與其貢獻自己的才智給外國人‘打工’，不如回國傳授先進的技術，起領頭的作用，影響一批人、帶動一批人，共同建設我們的國家。”

然而，半年后，方亮再次做出了一個讓人吃驚的決定：放棄武漢理工大學的優越條件，不是去上海，而是從武漢到桂林，應邀作為桂林理工大學有色金屬與材料加工新技術教育部重點實驗室講座教授，面對各方疑問，方亮答道：“廣西青山綠水自然環境好，民風淳樸好客，是一個有色資源大省，但是社會、經濟與教育的發展都有所欠缺，廣西的加速發展更需要材料科學的推動與高素質科技人才的培養。通過我的努力，充分利用桂林理工大學提供的良好的科研與教育平臺，可以實現學以致用、報效國家的理想，做出比在發達地區更大的貢獻。”

到校一年后，方亮協同吳伯麟教授完成了教育部重點實驗室的驗收，2007年在時任桂林理工大學書記黎志和校長趙艷林的邀請下，正式加入了桂林理工大學，并擔任了教育部重點實驗室主任，2010年該實驗室成為廣西第二個國家重點實驗室培育基地，2013年桂林理工大學獲得廣西目前唯一的材料科學與工程學科一級博士點。

在桂林理工大學的教學崗位，方亮除了給本科生授課、指導畢業論文，還培養碩士生、博士生。方亮認為，對于本科生的培養，應該因材施教，根據學生不同的興趣導向來對他們進行分類培養，對立志從事科學研究的部分學生，要在平時的教學實踐中注意對其科學素養的培養，提高獨立進行科學研究的能力；而對另一部分立志于畢業后參加工作的同學，則應為他們多提供一些實踐機會，讓他們能夠在畢業后盡快適應社會。

作為碩士、博士生導師，方亮關注研究生培養質量，他利用自己的影響力，積極邀請行業內國內外專家到校指導，先后有多位國內外材料學知名專家來重點實驗室開展講座，有效提升研究生學科素養，每名研究生都能在SCI二區及以上國際期刊發表學術論文，其中2013級研究生李潔作為第一作者在發表無機非金屬材料領域頂級期刊J. Am. Ceram Soc.、J. Eur. Ceram Soc發表3篇SCI論文，被華中科技大學錄取為博士研究生。

在擔任桂理理工大學國家重點實驗室培育基地主任期間，方亮傾力打造一個能夠走在學術前端的團隊，他建立一套“教授、青年博士教師、研究生、本科生”四位一體的聯動模式，充分實現各個層次人才之間的“學、幫、帶”。青年教師初來乍到，沒有經費，方亮無償提供自己的設備、原料等急需物資；參加國際會議能夠更好地與同行交流，方亮拿出自己的科研經費資助青年教師參加國際會議。2009年，四年一屆的國際鐵電會議在西安舉行，這是該領域的一次重要會議。在方亮的資助下，桂林理工大學兩名青年教師、一名博士生和兩名碩士生到會展示了他們的最新研究成果。此外，實驗室每兩周一次的學術報告，方亮認真聽取學生報告，并對學生提出的問題耐心予以指導，使大家更加明確方向，找到解決問題的方法。

方亮牽頭與廣西新未來信息產業股份有限公司組建廣西“電子材料與器件人才小高地”，2013年得到廣西壯族自治區人才工作領導小組、自治區黨委組織部共同認定，為廣西大力培養“材料人才”，在科研、創新、人才培養、發明創造方面均有不俗的成績。日前，從“廣西電子材料與器件人才小高地”傳來喜訊，2016年方亮研究組共有7名考生被錄取為西安交大、華中科技大、中山大學等校博士研究生。

從象牙塔到生產車間，只為實現產學研一體化

“科研成果只有走出實驗室，轉變成生產力，才能為社會產生更廣泛的經濟、社會效益。”這是方亮一直堅持的理念。

桂林理工大學重點實驗室教授陳平研發一種綠色生態建材制備新技術，方亮積極支持陳平教授推廣這項技術，提出學校與廣西重點企業柳州魚峰水泥集團全面合作的構想，得到學校領導的高度重視。2008年12月，桂林理工大學與魚峰集團簽訂全面合作框架協議，目前已經發揮多重作用：依托桂林理工大學的技術，魚峰集團全面改造四條生產線，生產工藝節能20%，產品性能提高20%，每年新增經濟效益1000多萬元；以該項目為主的成果獲得了2010年廣西科技進步一等獎，2011年獲得了目前廣西唯一的一項國家技術發明獎二等獎。

2010年5月，方亮帶領團隊成員周煥福、劉來君等赴北海，與廣西新未來股份有限公司進行調研與技術交流，并達成教育部重點實驗室與廣西新未來股份有限公司共建“廣西敏感元器件工程與研究中心”全面合作框架協議，并從2010年6月起，參與新未來股份有限公司承擔的廣西“千億元產業”電子元器件研發中心的共建工作，在此基礎上，雙方不斷加強合作，把研發的重點之一確定為“新未來”公司主導產品氧化鋅壓敏電阻的低溫燒結制備技術，獲得了“千億元產業”重大項目資助，申請10項發明專利，解決了高能型氧化鋅壓敏電阻器在低溫化制備、與電極的共燒匹配等關鍵工藝技術難題，實現了兩條低溫共燒生產線的改造，2013年11月至2016年2月累計生產高能型氧化鋅壓敏電阻3.5億只，累計節約生產成本約1749萬元，銷售收入達到1.4億元，利稅3155萬元。

微波介質陶瓷是方亮的主要研究領域，它是現代通信技術的關鍵基礎材料，主要在微波頻段（主要是UHF、SHF頻段）電路中作為介質諧振器與濾波器，在通信、雷達、導航、電子對抗、全球衛星定位系統（GPS）等領域已得到廣泛應用。方亮發現了綜合性能優異的系列B位缺位類鈣鈦礦微波介質材料，作為第一完成人獲2007年度中國建筑材料工業協會?中國硅酸鹽學會建筑材料科學技術獎（簡稱中國建材獎，科技部批準立項，具有推薦國家獎資格）一等獎。

近5年來，方亮利用廣西的優勢有色金屬資源，開展可低溫共燒的有色金屬復合氧化物微波介電材料的研究，在新型微波介質陶瓷的研究成果得到國外同行的認同，在國際硅酸鹽或陶瓷領域排名前三位的學術刊物J. Eur. Ceram Soc.、J. Am. Ceram Soc、Inter. Ceram40余篇，2013年度獲得廣西自然科學獎二等獎（第一完成人）。在國內外率先報道了高Q值的尖晶石結構化合物、Li基鹽巖結構、六方鈣鈦礦與復合鈣鈦礦、V基石榴石化合物等新型微波介質陶瓷以及與Ag電極的低溫共燒研究結果，其中2010年與印度Sebastain研究組同時以快報形式報道了尖晶石結構化合物Li2MTi3O8具有高的品質因子、低的諧振頻率溫度系數，而且燒結溫度也低于1075 ℃，被J. Am. Ceram Soc認為是繼日本村田公司發現（Zr，Sn）TiO4后的中介電常數微波介質材料的一個突破，目前已在上市公司進行中試生產與成果轉化。

2013年1月方亮擔任了桂林理工大學科技處處長，當年學校科研經費就突破了億元大關，以后逐年穩定增長。這三年間桂林理工大學獲得國家自然科學基金項目總量穩居廣西區第三位，其中重點項目（2項）和國家優秀青年基金項目（1項）總數名列廣西第一。專利申請量及授權量位列廣西壯族自治區前兩位（2015年申請發明專利533件，獲授權中國發明專利245件，累計授權率及有效專利擁有量名列廣西企事業單位第二位），對桂林市“國家知識產權試點示范城市”的創建以及桂林國家級高新區知識產權工作提供重要的支撐。2011年，方亮入選國家知識產權局第三批“百千萬知識產權人才工程”百名高層次人才培養人選，2014年自治區知識產權局立項支持廣西知識產權培訓基地（桂林理工大學）試點建設。

“只問過程，不問結果”是方亮埋頭苦干的真實寫照，各方贊揚與各種榮譽卻不曾忘記他：他入選2006年度教育部新世紀優秀人才支持計劃與2006年度廣西“新世紀十百千人才工程”第二層次人選；獲得15次美國國際衍射數據中心（ICDD）頒發的重要貢獻證書；獲得2008年度廣西青年“五四”獎章標兵榮譽稱號，獲得2009年度 “廣西高校首屆杰出科技人才”稱號，2010年入選第三批廣西高校“八桂學者”、2011年11月被自治區黨委、自治區人民政府聘請為首批特聘專家。

從全國尋訪優才，只為打造一支優秀“材料團隊”

從1995年起，方亮師從原武漢工業大學校長袁潤章教授、材料復合新技術國家重點實驗室常務副主任吳伯麟教授從事鈮鉭酸鹽電光功能材料研究，那時，他就深深體會到學術研究團隊對學術成長的重要性。

2005年9月，方亮來到桂林理工大學執教后，拓展了新型有色金屬氧化物電光功能材料的研究方向。此時的方亮，已深切感受到人才對團隊建設、對廣西材料研究及應用領域的不可或缺。