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構成物質的原子包含原子核及核外電子，而物質的化學性質由核外電子的結構及電子-離子、電子-電子之間的相互作用決定。因此，研究電子的行為對材料研究具有重要意義。量子力學原理為描述電子的行為提供了理論依據。量子力學的模擬方法是通過求解薛定諤方程來實現的，該方法對單電子體系(如氫原子)行之有效，但對于復雜的多電子體系就無能為力了，原因在于無法求解復雜體系的薛定諤方程。但是，通過一些近似處理便可以得到薛定諤方程解。這些方法習慣上稱為第一性原理。最為著名的近似方法有Hartree-Fock近似、密度泛函理論(DensityFunctionalTheory，DFT)和量子蒙特卡羅方法(QuantumMonteCarlo)。其中，應用最為廣泛的是由Hohenberg，Hohn和Sham于20世紀60年代提出的DFT方法。DFT方法的優點在于通過電子密度分布來表示系統能量，將多電子問題轉化為單電子問題，從而簡化了求解過程。經過不斷完善，DFT方法已成為計算固體物性的首選方法。此外，基于DFT原理，研究人員還發展了第一性原理分子動力學理論及含時密度泛函，拓展了第一性原理的應用范圍，使其在材料、醫學、生物等方面的研究中起到舉足輕重的作用。
2材料原子結構建立過程
在已知晶體結構信息條件下，在MS中可采用多種方法建立原子的構型。晶體結構的信息可以通過晶體結構數據庫軟件查詢，對于一些復雜的晶體結構，可通過日本國立材料研究中心數據庫(NIMS)等查詢。
MS中構建晶體結構一般需要用到的信息有：晶格常數，晶體結構所屬空間群或空間群號，晶胞中的原子占位。納米二氧化鈦作為一種新型多功能材料，性質非常優良，應用十分廣泛，目前國內外的許多研究選用其作為研究對象。它主要包括金紅石型、銳鈦礦型和版鈦型三個晶型。其中銳鈦礦型納米二氧化鈦在常溫下是穩定的，主要應用在環保及新材料方面，工業應用前沿廣闊。筆者以銳鈦礦型TiO2能帶計算過程為例，介紹其建立過程。銳鈦礦型TiO2為四方晶系，空間群為I41/AMD。每個銳鈦礦型TiO2原胞由2個鈦原子和4個氧原子組成，初始原胞1×1×1為長方體，如圖1a所示。首先選取銳鈦礦TiO2晶體2×2×2超級原胞，然后通過計算得到體系的最小化電子能量和原子結構的穩定構型，從而對其進行結構優化。經分析，優化后計算得到的TiO2晶體的晶格參數a，b和c與文獻報道實驗測試值及其他理論計算值相似(見表1)。為了考查TiO2表面原子與吸附氧之間的反應過程，在完成塊體優化后，我們切出了TiO2的三個主要的低指數面(100)，(001)和(101)(如圖1所示)。其中(101)面為銳鈦礦型TiO2的最穩定晶面，亦為銳鈦礦TiO2中最主要的晶面，約占94%以上[11-13]，對該表面的研究具有重要意義。(101)面的性能，在一定程度上可反映出銳鈦礦TiO2體相材料的性能。因此，我們主要考慮的銳鈦礦TiO2表面模型為(101)面。
對于(101)表層，分別將具有5配位和6配位的兩種鈦原子表示為Ti5C和Ti6C，具有面氧和橋氧兩種氧原子表示為O2C(brightoxygen)和O3C(planeoxygen)(如圖1所示)。為了避免交換關聯影響，選擇真空層厚度為10Å。通過MS軟件進行計算?；贒FT理論，采用超軟贗勢描述價電子的相互作用，采用廣義梯度近似(GGA)修正交換關聯能，對構建的(101)面進行結構松弛優化。在動能截止能量為340eV及K點值為6×6×1的條件下，進行贗勢和電荷密度的自洽迭代循環。計算過程中的能量收斂精度為2×10-5eV，作用在每個原子上的力小于等于0.01eV/nm，內應力小于等于0.1GPa。
除了構建原子模型之外，我們還得到了直觀能帶結構圖(如圖2所示)。在教學過程中，運用MS軟件，計算過程只需要2～5分鐘，學生即可得到能帶結構圖。橫坐標為在模型對稱性計算中設定的K點，K點就是倒格空間中的幾何點。按照對稱性，取縱坐標為能量。因此，能帶結構圖表示在研究體系中，各個具有對稱性位置的點的能量。各個點能量的加和就是整個體系的總能量。采用MS得到的能帶結構圖，簡單易懂、清晰明了，可清楚地看到價帶、導帶及帶隙等具置、形狀及長度等。在Castep里，通過給scissors賦值，可增加價帶和導帶之間的空間，使絕緣體的價帶和導帶清楚地區分出來。有助于學生更深層次地了解能帶結構信息，為更深入的研究提供基礎和引導。
3結束語
關鍵詞：納米涂層；場發射；電子強關聯；軟凝聚態物質
2003年在國際和中國都發生了具有突發性的災難事件，但中國的GDP仍以9.1％的高速度在增長，達到了人民幣11.6萬億元，其中第二產業貢獻4萬多億元。中國現今的第二產業主要領域是冶金、制造和信息，在世界的地位是大加工廠，也是大市場。在國際競爭中所以有優勢是中國的勞動力廉價，這個優勢我們能保持多久?我們還注意到與化工有關的產品中，我們的生產效率是國際發達國家的5％，能耗是3倍，環境的破壞是9倍。這就是我們所付出的代價。不論形勢如何嚴峻，21世紀是中華民族振興的機遇期，制造業絕對是一個極其重要的領域，是個急速發展變化的領域。2003年3月國際真空學會執委會在北京舉行，會議上討論了將原來的冶金專委會改名為“表面工程專委會”，當時也考慮了另一個名字“涂層專委會”，我想用涂層材料更合適，含有繼承性和變革性。20世紀70年代曾經說成是塑料年代，此后塑料科技和工業迅速崛起，極大地改變了人類社會。繼而是信息時代，通信網、計算機網、萬維網、智能網，信息流，日新月異地改變著人類的生活和觀念。我們這個時代是高速發展的時代，技術和觀念都在與時俱進地改變著。
本世紀初興起了納米科技，促進其到來的是由于微電子小型化的發展趨勢，推動科技發展進入納米時代[1]，不僅電子學將進入納電子學領域，物理學進入介觀物理領域，各類科技，包括生物醫學等都在探索納米結構與特性。涂層和表面改性越來越多地增加了納米科技的內容，這是一種低維材料的制造和加工科技，將是制造技術的主流，將迅速地改變傳統制造技術的方法、理論和觀念，作為現今國際上的制造大國，世界加工廠，我們更應該注意研究制造技術的發展和未來。
1突破傳統制造技術的觀念
納米科技研究的內容主要是在原子、分子尺度上構造材料和器件，測量表征其結構和特性，探索、發現新現象、新規律和應用領域。與我們熟悉傳統的相比，納米材料和器件具有顯著的維數效應和尺寸效應。近幾年來，在納米材料制造方面做了大量的研究工作，在納米粒子粉材的制造，以及材料結構和特性測量、表征上取得了顯著成果[2～7]。接下來深入到納米線、納米管和納米帶的研究[8～14]，出現了一些成功有效的制造方法，發現了一些驚人的結構和特性。在此基礎上，發展了納米復合材料的研究，展現了非常有希望的應用前景[15～17]。近來人們在納米科技初期成果的基礎上挑戰某些產品的傳統加工技術，比如Al組件的快速加工。
T.B.Sercombe等人報道了快速加工鋁(Al)組件的新方法[18]，這個方法的主要特征是用快速成型技術先形成樹脂鍵合件，然后在氮氣氛中分解其鍵和第二次滲入鋁合金。在熱處理過程中，鋁與氮反應形成氮化鋁骨架，在滲透過程中得到剛體結構。與傳統制造工藝相比，這個過程是簡單的快速的，可以制造任何復雜組件，包括聚合物、陶瓷、金屬。圖1是過程示意和原型樣品，(a)是尼龍巾鑲嵌鋁粒子的SEM像，中心有結構細節的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是為還原氧化鋁，它將不是鑄件中的成分。在尼龍被燒去時，這個結構基本保持不變。(b)是氮化物骨架，圍繞Al粒子的一些環狀結構的光學顯微鏡像，再滲入Al時將形成密實結構。(c)是燒結的氮化鋁和滲鋁組件，小柱的厚為0.5mm其密度和強度都達到了傳統鑄造技術的水平。他們還制作了公斤重量多種結構的樣品。這是一種冶金技術的探索，開辟了一種新的冶金和制造技術途徑。
2納米材料的完美定律
描述材料結構的常用術語是原子結構和電子結構。原子結構的主要參量是晶格常數、鍵長、鍵角；電子結構的主要參量是能帶、量子態、分布函數。對于我們熟悉的宏觀體系，這些參量多是確定的常數，但對于納米體系，多數參量隨著原子數量的改變而變化。這是納米材料和器件的典型特征，它決定了納米材料的多樣性。其中有個重要規律，我們稱之為納米材料的完美定律，用簡單語言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了納米晶粒的魔數規則，即含有13、55、147…等數量原子的原子團是穩定的，對于富勒烯碳60和碳70存在的幾率最大，而對于碳59或碳71等結構體系根本不存在。這就是為什么斯莫利(Smmolley)他們當初能在大量的富勒烯中首先發現碳60和碳70，從而獲得了諾貝爾獎。對于一維納米結構，包括納米管和納米線，存在類似的規則。可以模型上認為是由殼層構成的，每個殼層中更精細的結構稱為股，每一股是一條原子鏈，中心為1股包裹殼層為7股的表示為7-1結構，再外殼層為11股的，表示為11-7-1結構，等等，構成最穩定的結構，這是一維納米結構的魔數規則。對二維納米膜存在類似的缺陷熔化規則，即不容許存在很多缺陷，一旦超過臨界值，缺陷自發產生，完全破壞二維晶態結構。上述這些低維結構特征是完美定律的具體表述，進步普遍表述理論是正在研究中的課題。
完美定律是我們討論涂層材料的出發點，因為納米材料有更多的人造品格，是大自然很少存在或者不存在的，需要人工大量制造。在制造過程中，方法簡單、產額高、成本低是最有競爭力的?？梢韵胂螅圃斐杀竞芨叩牟牧虾推骷苡惺袌?，一定是不計成本的特殊需要，有政治背景或短期的社會需求。因此在我們探索納米材料制造時，首先考慮的應是滿足完美定律的技術，如用甲烷電弧法制備納米金剛石粉技術[1]，電化學沉積法制備金屬納米線陣列技術[19]，以及電爐燒結法制造氧化物納米帶技術[20]等等。
3涂層納米材料將給我們帶來什么?
涂層納米材料是納米科技領域具有代表的材料，或是低維納米材料的有序堆積結構，或者是低維納米材料填充的復合結構。兩者都比傳統材料有驚人的結構和特性。如新型高效光電池[21]、各向異性結構材料[19]、新型面光源材料[22]等，這里舉例介紹基于熱電效應的新型納米熱電變換材料。
熱電效應器件的代表是熱電偶，即利用不同導體接觸的溫差電現象進行溫度測量的器件。基于熱電效應可以制成兩類器件：熱產生電和電產生溫差。前者可以用于制造焦電器件，即用熱直接發電，如將焦電材料涂于內燃機缸表面，利用缸體溫度高于環境幾百度的溫差發電，將余熱變作電能回收。后者可以做成電致冷器件。這類的直接熱電變換器件具有無污染，沒有活動部件，長壽命，高可靠性等優點，但塊體材料制成器件的效率低，限制了它的應用。納米科技興起以后，人們探索利用納米晶或納米線結構能否解決熱電效應的效率問題。認為用量子點超晶格材料有希望顯著提高熱電器件的效率，這是由于納米材料顯著的能級分裂，有利于載流子的共振輸運和降低晶格熱傳導，從而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]報告了量子點超晶格結構的熱-電效應器件，他們制備了PbSeTe／PbTe量子點超晶格(QDSL)結構，用其制造了熱電器件(Thermo-electrics，TE)，圖2(a)是納米超晶格TE致冷器件的結構和電路圖，(b)電流-溫度曲線。將TE超晶格材料，其寬11mm，長5mm，厚0.104mm，n-型的TE片，一端置于熱槽，另一端置于冷槽，為了減小冷槽熱傳導而形成這同結接觸，用一根細金屬線與熱槽連接。當如圖2(a)所示加電流源時，將致冷降溫。對于這種納米線超晶格結構，由于量子限制效應，發生間隔很大的能級分裂，從而得到很高的熱電轉換效率。圖2(b)是TE器件的電流-溫度曲線，實驗點標明為熱與冷端溫差(T)與電流(I)關系，電流坐標表示相應通過器件的電流?！鰹闊岫藴囟萒h與電流I的關系，其溫度對于流過器件的電流不敏感。為冷端溫度Tc與電流I的關系，其溫度對于電流是敏感的。圖中A是測得的最大溫差，43.7K，B是塊體(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大溫差，30.8K。從圖中可以看出，在較大電流時，冷端溫度趨于飽和。采用這種致冷器件由室溫降至一般冰箱的冷凍溫度是可能的。
電熱效應的逆過程的應用就是焦電器件，即利用熱源與環境的溫差發電。對于內燃機、鍋爐、致冷器高溫熱端等設備的熱壁，涂上超晶格納米結構涂層，利用剩余熱能發電，將是人們利用納米材料和組裝技術研究的重要課題。
類似面致冷、取暖，面光源，面環境監測等涂層功能材料，將給家電產業帶來革命性的影響，將會極大地改變人類的生活方式和觀念。
4含鐵碳納米管薄膜場發射
碳納米管陣列或含碳納米管涂層場發射被廣泛研究，以其為場發射陰極做成了平板顯示器。研究結果表明碳管的前端有較強的場發射能力，因此碳管涂層膜中多數碳管是平放在基底上的，場電子發射能力很差。我們制備了含有鐵(Fe)納米粒子的碳納米管，它的側向有更大的場發射能力，有利于用涂層法制造平板場發射陰極。圖3(a)是含鐵粒子碳納米的TEM像，碳管外形發生顯著改變。(b)是碳管場發射I-V特性曲線，I是CVD生長的豎直排列碳納米管的場發射曲線，II是含鐵粒子碳納米管豎直陣列的場發射曲線，III是含粒子碳納米管躺在基底上的場發射曲線，有最強的場發射能力。根據此結果，將含鐵的碳納米管用作涂層場發射陰極，有利于研制平板顯示器。
5電子強關聯體系和軟凝聚態物質
上面所講到的涂層納米功能材料和器件是當今國際上研究的熱門課題，會很快取得重要成果，甚至有新產品進入市場。當我們在討論這個納米科技中的重要方向時，不能不考慮更深層的理論問題和更長遠的發展前景。這就涉及到物理學的重要理論問題，即電子強關聯體系(electronstrongcorrelationsystem)與軟凝聚態物質(softcondensationmatter)。
在量子力學出現之前，金屬材料電導的來源是個謎，20世紀初量子力學誕生后，解決了金屬導電問題?；贐loch假設：晶體中原子的外層電子，適應晶格周期調整它們的波長，在整個晶體中傳播；電子-電子間沒有相互作用。這是量子力學的簡化模型，沒有考慮電子間的相互作用，特別是在局域態電子的強相互作用。2003年又有人提出了金屬導電問題，Phillips和他的同事以“難以琢磨的Bose金屬”為題重新討論了金屬導電問題[24]。當計入電子間的相互作用時，可能產生的多體態，超導和巨磁阻就是這種狀態。晶體中的缺陷破壞了完善導體，導致電子局域化。電子與核作用的等效結果表現為電子間的吸引作用，導致電荷載流子為Cooper對。但這個對的形成，不是超導的充分條件。當所有Cooper對都成為單量子態時，才能觀察到超導性。這樣，對于費米子由于包利(Paulii)不相容原則，不可能產生宏觀上的單量子態。Cooper對的旋轉半徑小于通常兩個電子相互作用的空間，成為Bose子。宏觀上呈現單量子態，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化電子范圍內，超導性可能認為是玻色-愛因斯坦凝聚，這個觀點現今被很多人接受。從20世紀初至今，對于基本粒子的量子統計有兩種，一是Fermi統計，遵從Paulii不相容原理，即每個能量量子態上只能容納自旋不同的2個電子，而Bose子則不受這個限制。在凝聚態物質中有兩個基態：即共有化Bose子呈現超導態，局域化Bose子呈現絕緣態。然而，在幾個薄合金膜的實驗中，觀察到金屬相，破壞了超導體和絕緣體之間直接轉換。經分析認為這是玻色金屬態，參與導電的是Bose子。推斷這個金屬相可能是渦流玻璃態，這個現象在銅氧化物超導體中得到了驗證。
軟凝聚態物質研究的對象是原子、分子間不僅存在短程作用力，而且存在長程作用力，表觀上呈現的粘稠物質形態，稱為軟凝聚態。至今，人類對于晶體和原子存在強相互作用的固體已經知道得相當透徹了，但對軟凝聚態的很多科學問題還沒有深入研究，21世紀以來，引起了科學家的極大興趣。軟凝聚態物質包括流體、離子液體、復合流體、液晶、固體電解、離子導體、有機粘稠體、有機柔性材料、有機復合體，以及生物活體功能材料等。這其中的液晶由于在顯示器件上的很大市場需求，是被研究得相當清楚的一種。其他軟凝聚態結構和特性的科學問題和應用前景是目前被關注的研究課題。這其中主要有：微流體閥和泵、納米模板、納米陣列透鏡、有機半導體、有機陶瓷、流體類導體、表面敏感材料、親水疏水表面、有機晶體、生物材料(人造骨和牙齒)、柔性集成器件，以及他們的復合，統稱為分子調控材料(materialsofmolecularmanipulation)。其主要特征是原子結構的多變性和柔性，研究材料的設計、制造、結構和特性的測量、表征，追求特殊功能；理論上探討原子結構的穩定體系，光、電、熱、機械特性，以及載流子及其輸運。關于軟凝聚態物質，有些早已為人類所用，電解液、液晶等，但對其理論研究處于初期階段?？茖W的發展和應用的需求促進深入的理論研究，判斷體系穩定存在的依據是自由能最小，體系自由能可表示為F=E-TS，其中S是熵。對于軟凝聚態物質體系，S是重要參量。其中更多的缺陷，原子、分子運動的復雜行為，更多的電子強關聯，不再是單粒子統計所能描述，需要研究粒子間存在相互作用的統計理論。多樣性是這個體系的突出特征，因此其理論涉及廣泛、復雜問題。
物理學是探索物態結構與特性的基礎學科，是認識自然和發展科技的基礎，其中以原子間有較強作用的稠密物質體系為主要研究對象的凝聚態物理近些年有了迅速進展，研究范圍不斷擴大，從固體結構、相變、光電磁特性擴展到液晶、復雜流體、聚合物和生物體結構等。幾乎每一二十年就有新物質狀態被發現，促進了人類對自然的認識和對其規律把握能力，推動了科學和技術的發展。21世紀仍有一些老的科學問題需要深入研究，一些新科學問題已提到人們的面前。特別是低維量子限域體系和極端條件下的基本物理問題。20世紀80年代出現的介觀物理，后來發展成為納米科技所涉及的學科領域。與宏觀體系和原子體系相比，低維量子限域體系，還有很多物理問題有待解決，人們熟悉的宏觀體系得到的規則和結論有些不再有效，適用于低維量子限域體系的處理方法和理論需要探索，特別是將涉及到多層次多系統問題的描述和表征，將會有更多的新現象、新效應、新規律被發現。在納米尺度，研究原子、分子組裝、測量、表征，涉及有機材料、無機／有機復合材料和生物材料，這將大大的擴展了物理學研究的范圍和深度。涉及的重大科學前沿問題和重點發展方向有①強關聯和軟凝聚態物質，及其他新奇特性凝聚態物質；②低維量子限域體系的結構和量子特性，包括納米尺度功能材料和器件結構和特性；③粒子物理，描述物質微觀結構和基本相互作用的粒子物理標準模型和有關問題，以及復雜系統物理；④極端條件下的物理問題，探索高能過程、核結構、等離子體、新物理現象和核物質新形態等；⑤生命活動中的物理問題，物理學的基本規律、概念、技術引入生命科學中，研究生物大分子體系特征、DNA、蛋白質結構和功能等，其研究關鍵將在于定量化和系統性，必然是多學科的交叉發展，成為未來科學的重要領域。
6結論
本文討論了納米線涂層的結構和特性，重點是納米線的復合涂層和其電學特性、光電特性。其中包括制造技術新觀念，納米材料的完美定律，納米涂層的熱-電效應，碳納米管的側向場發射，以及電子強關聯體系和軟凝聚態物質，展示了涂層科學與技術的發展前景。
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關鍵詞:梯度功能材料,復合材料,研究進展
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?，F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?？梢酝ㄟ^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?？梢允褂脽岬褥o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
在微流控技術中，根據微流控裝置制備乳液的幾何結構以及液相流體流動方向的不同，乳液有不同的產生形式，據此可以將微流控裝置主要分為：同向流動型（co-flow）、T形交叉流動型（T-junctioncross-flow）和流動聚焦型（flow-focusing）。如圖1(a)所示為典型的同向流動型微流控裝置幾何結構。在該裝置中，作為分散相的內相液體（innerfluid）和作為連續相的外相液體（outerfluid）分別在內、外通道中同向流動，并在注射管錐口處相遇，此時內相液體受到與其互不相溶的外相液體的剪切力作用而在收集管中斷裂成為尺寸均一的單乳液滴。典型的T形交叉流動型微流控裝置幾何結構，該裝置中內相液體和外相液體主要呈相互垂直流動，并在T形流道的交叉口處相遇，此時內相液體受到外相液體的剪切和擠壓作用而分散斷裂成液滴。流動聚焦型微流控裝置幾何結構的典型結構，該裝置中中間通道內流動的內相液體受到兩側通道中流動的外相液體的作用，并一同流向下游處緊臨的縮口小孔；此時，在外相液體產生的壓力和黏性應力的作用下，內相液體變為一股細小的噴射流，并在小孔下游處斷裂成液滴。在上述裝置中，同向流動型微流控裝置幾何結構主要由玻璃毛細管組裝構建而成，而T形交叉流動型和流動聚焦型微流控裝置幾何結構則可由微加工技術[如軟光刻技術(softlithography)]在聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、玻片等材料上構建。
上述微流控技術均能產生具有良好單分散性（一般CV值小于5%）、且尺寸可精確調控的乳液液滴。在產生乳液的過程中，液相流動的穩定性是決定乳液液滴單分散性的主要因素，而微通道的尺寸以及液相的流速則是調控乳液液滴尺寸的關鍵因素。除了可以控制所產生液滴的尺寸和單分散性外，微流控技術另一大優點是其良好的可升級特性，即可以通過將上述3種類型的微流控裝置幾何結構相互結合而實現對結構復雜的多重乳液的可控制備。Chu等通過將兩個同向流動型微流控裝置幾何結構串聯組裝，得到了兩級同向流動型微流控裝置，以用于產生具有液滴嵌套液滴結構的雙重乳液。當第一級微流控幾何結構中內相液體被中間相液體剪切產生單乳液滴后，攜帶有該單乳液滴的中間相液體將進一步地在第二級微流控裝置幾何結構中被同向流動的另一股外相液體剪切，從而使得單乳液滴被封裝在所形成的中間相液體液滴中，形成了雙重乳液。由于微流控技術對各級液滴產生單元所產生液滴的優良控制性，使得該雙重乳液也具有良好的單分散性?；谖⒘骺匮b置這種優良的可升級特性，Chu等進一步組裝得到了三級玻璃毛細管微流控裝置，并成功可控制得了具有更多層嵌套結構的單分散三重乳液。在上述多重乳液中，乳液內部各層所含液滴的數目和尺寸均精確可控，展現出了微流控技術在可控制備多重乳液方面的巨大優勢。Wang等進一步通過設計液滴產生組件、液滴匯集組件、液體提取組件等微流控功能單元用于組裝微流控裝置，從而可控制得了結構更加多樣化，且內部可以同時包含不同組分液滴的多組分多重乳液，對上述層層嵌套式多重乳液的結構做了進一步地擴展。這些多組分多重乳液內部各層不同組分液滴的種類、尺寸、數目、比例均精確可控。其中，液滴的種類主要取決于用于產生不同液滴的液滴產生組件的數目；液滴的尺寸主要取決于通道的尺寸以及液相流速；而多重乳液內部不同液滴之間的數目和比例則取決于不同液滴的產生頻率，該頻率主要也是通過匹配液相流速來進行調控。微流控技術所制備出的尺寸和結構高度可控的單分散乳液液滴，為具有多樣化結構的新型微顆粒功能材料的設計和制備提供了優良的模板。
2以單乳液滴為模板制備單分散功能微顆粒
以微流控技術制得的單分散乳液液滴作為合成模板，可以制備得到尺寸均一的單分散微顆粒功能材料，并且可以通過改變液滴尺寸在較寬微尺度范圍內實現對微顆粒尺寸的精確調控。此外，該方法還具有很強的通用性。如以油包水型（W/O）乳液或水包油型（O/W）乳液作為模板的微流控合成方法可以分別用于不同種類的基于水溶性單體或油溶性單體的聚合物微顆粒的制備，并且可以方便地通過改變模板液滴中的組分來實現對微顆?；瘜W組成的調節和優化，從而實現對微顆粒功能的調控。此外，微流控技術在微通道中連續制備和操控乳液液滴的獨特工藝，還使得其可以與各種設備相結合，以提供多樣化的合成條件用于球形甚至非球形微顆粒的連續可控生產。
2.1球形功能微顆粒的微流控制備
Weitz研究組利用微流控技術產生的單分散W/O乳液作為模板，通過將溶解在水滴中的N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）單體聚合，制備得到了尺寸均一的溫敏型聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）水凝膠微顆粒。該溫敏型PNIPAM水凝膠微顆粒具有良好的單分散性，且具有優良的溫敏體積相變特性。當溫度在其體積相轉變溫度（VPTT）（約32℃）附近變化時，該PNIPAM水凝膠微顆粒能展現出高溫收縮、低溫溶脹的可逆體積相變行為。類似地，Kumacheva研究組利用單分散的O/W乳液作為模板，通過紫外光照引發油滴中含有的油溶性單體聚合，制備得到了不同組分的單分散聚合物微顆粒。以上研究工作均顯示出了微流控法在制備單分散微顆粒功能材料方面的優勢
2.2非球形功能微顆粒的微流控制備
微顆粒材料的功能除了取決于其化學組成外，顆粒的形狀也對其功能和應用前景具有很大的影響。然而，由于界面張力的作用總是使液滴盡可能地保持球形，因此傳統的分批聚合方法通常難以得到尺寸均一的非球形顆粒。而微流控技術對于微通道中液滴的精確操控能力，則為可控制備單分散的非球形顆粒提供了一個優良的平臺。Xu等通過設計微流控裝置中通道的結構和尺寸，使得流入通道中的含有單體溶液的液滴在受限空間中變形為非球形形狀，再將該變形的液滴經UV光照聚合進行原位固化后，從而制得了尺寸均一的棒狀和扁平狀非球形高分子聚合物微顆粒。在該方法中，由于微流控產生的單分散模板液滴的體積是一定的，因此該液滴在相同的微通道中變形后所形成的非球形液滴的形狀和尺寸也是一定的，從而使得聚合后可以得到均一的非球形顆粒。此外，由于在聚合過程中單體溶液由液態轉變為固態會發生一定程度的體積收縮，并且得到的固體顆粒表面仍具有一層連續相液體構成的浸潤液層使之與微通道之間隔離，因此有效避免了固體微顆粒對微通道的堵塞?；谶@種方法，研究者還制備得到了塞子狀和圓盤狀的聚合物微顆粒，以及不同形狀的非球形磁性水凝膠微顆粒，展現出了微流控方法在可控制備單分散非球形微顆粒功能材料方面所具有的多樣化特點。
2.3Janus形功能微顆粒的微流控制備
Janus形功能微顆粒是一種兩面具有截然不同的物理或化學性質（如不同的表面浸潤性、磁性、光電性質等）的顆粒，目前已在自組裝研究以及乳液穩定劑和光學器件開發等方面展現出了獨特的優勢。微流控技術對于層流條件下運行的液滴的精確操控，使得其為Janus形微顆粒的制備提供了一個便利且易于工藝放大的優良技術平臺。微流控技術用于制備Janus形微顆粒，主要是利用了兩種同向流動的液相流體被剪切成為一個乳液液滴后，短時間內仍能在液滴內部相互保持層流而不至于混合這一特點。這樣，利用該含有兩種液相的Janus形液滴作為模板，經過快速原位聚合，便可得到兩面具有不同性質的單分散Janus形微顆粒。此外，通過改變微通道形狀尺寸使Janus形液滴在受限空間變形為非球形形狀，還可以進一步制備得到具有非球形結構的Janus形微顆粒。
3以復乳液滴為模板制備單分散功能微顆粒
具有內部腔室結構的微顆粒功能材料由于其為物質的封裝提供了一個受保護的內部空間，因此在藥物傳送與控釋、活性物質保護、生物大分子合成、化學催化以及生化分離等領域應用非常廣泛。以微流控復乳液滴，如油包水包油型（O/W/O）和水包油包水型（W/O/W）雙重乳液，可以通過將其內部液滴作為微顆粒內部腔室，而將外部液層經反應后作為微顆粒殼層，從而實現對新型腔室型微顆粒的可控設計和制備。在該方法中，借助微流控技術對乳液尺寸、形狀、單分散性和結構的精確控制，可以對腔室型微顆粒的殼層尺寸和厚度，以及內部腔室的尺寸和數目等進行精確調控。而O/W/O和W/O/W雙重乳液的中間水層和油層使得該方法可廣泛適用于多種水溶性和油溶性材料，以及可以良好分散的有機、無機納米顆粒材料等以用于構造多樣化的微顆粒。此外，O/W/O和W/O/W雙重乳液的內部油滴和水滴結構還分別為油溶性和水溶性物質的封裝提供了具有更好溶解性的內部環境。微流控復乳液滴能夠實現對內部液滴的高封裝率（約100%），這也為活性物質或藥物等在制備微顆粒過程中的同步、高效率的封裝提供了可能性。
3.1中空功能微顆粒的微流控制備
Zhang等利用O/W/O雙重乳液作為模板，通過將具有溫敏特性的NIPAM、具有葡萄糖識別特性的3-丙烯酰胺基苯硼酸，以及親水性丙烯酸單體加入其中間水層中并由紫外光照引發聚合，再使用有機溶劑將內部油滴洗去后，制得了具有中空腔室結構的單分散葡萄糖響應型水凝膠微顆粒。該中空微顆粒的內部空腔可用于包載胰島素，而其水凝膠殼層可在37℃條件下響應葡萄糖濃度變化以實現胰島素的自律式控制釋放。當葡萄糖濃度升高時，水凝膠殼層溶脹使得其交聯網絡結構的網孔變大，從而內部包載的胰島素可以透過殼層快速擴散釋放；而當葡萄糖濃度降低時，水凝膠殼層收縮使得交聯網絡結構的網孔變小，從而胰島素擴散減慢、釋放速率降低。這種葡萄糖響應型中空功能微顆粒為設計和開發新型自律式控釋載體以用于糖尿病治療提供了新的模型和理論指導?；谶@種微流控制備方法，研究者通過靈活調節中間水層中的功能組分為其他水溶材料如N,N-甲基丙烯酸二甲氨基乙酯或者NIPAM和苯并-18-冠-6-丙烯酰胺，還成功制得了能夠響應pH變化或者鉛離子濃度變化以實現殼層溶脹收縮的中空水凝膠微顆粒，以期用于不同需求情況下物質的控制釋放。
3.2核-殼型功能微顆粒的微流控制備
Wang等通過將均勻分散有超順磁性Fe3O4納米顆粒的NIPAM單體溶液作為中間水相，大豆油作為內、外油相，由微流控裝置制得O/W/O雙重乳液作為模板后，再由紫外光照引發其中間水層聚合，制得了具有熱引發自爆突釋功能的核-殼型（油核-水凝膠殼層）水凝膠微顆粒。該微顆粒的內部油核可用于封裝油溶性的藥物；而其PNIPAM水凝膠殼層的溫敏體積相變特性以及殼層中鑲嵌的超順磁性納米顆粒的磁響應特性，使得該微顆?？上仍谕饧哟艌鲆龑露ㄏ蜻\輸到某一特定的位點，然后在升溫作用下使殼層收縮從而擠壓內部油核至殼層破裂，并最終將內部油核連同其中所溶解的物質一起快速突釋出來，從而在短時間內達到較高的局部藥物濃度。這種具有磁靶向運輸和自爆式突釋功能的核-殼型水凝膠微顆粒為新型藥物傳送系統的設計和研制提供了一種新的途徑。基于這種微流控制備方法的通用性，研究者通過改變O/W/O雙重乳液模板的中間水層組分以調節微顆粒殼層的功能，還成功研制出了一系列能夠響應外界環境刺激如鉀離子、乙醇、沒食子酸乙酯等濃度變化來實現自爆式突釋功能的新型微顆粒。此外，Liu等通過使用均質乳化劑制備的W/O乳液作為內部油相來構造O/W/O雙重乳液，成功制備得到了內部油核中分散有水滴的自爆式水凝膠微顆粒，實現了自爆式微顆粒對水溶性藥物或者納米顆粒的封裝運輸。在升溫條件下，微顆粒水凝膠殼層不斷收縮擠壓內部油滴，從而使得內部油滴連同封裝有納米顆粒的最內部水滴一并被快速釋放到外部環境中，達到了很好的突釋效果。除了上述自爆式核-殼型微顆粒外，研究者還利用O/W/O雙重乳液研制出另一類具有突釋功能的核-殼型微顆粒。Liu等通過將殼聚糖加入中間水相、交聯劑對苯二甲醛加入內部油相，由微流控裝置制得O/W/O雙重乳液后，內相中對苯二甲醛擴散進入中間水層使殼聚糖交聯形成殼層，從而制得了內含油核的核-殼型微顆粒。該微顆粒的交聯殼聚糖殼層可以在較低的pH條件下降解，從而使得殼層溶解消失并將內部油核釋放出來。
3.3孔-殼型功能微顆粒的微流控制備
具有封閉殼層的中空微顆粒和核-殼型微顆粒在物質封裝方面展現出了高效的性能。然而，其內部所封裝的物質分子通過微顆粒殼層（如上述微顆粒的水凝膠殼層）的傳質往往是一個比較緩慢的過程。通過在微顆粒殼層上構造孔結構，可以促進物質分子穿過殼層的傳質過程；并且，通過對孔結構進行調控，還可以進一步通過孔的尺寸和功能性控制物質的封裝和控釋過程，從而使微顆粒功能更加多樣化。Wang等基于微流控W/O/W雙重乳液，通過調節中間油層組分以控制內相水滴與外部水相之間的黏結以控制雙重乳液的結構變化，并以此為模板制得到了殼層表面具有單個通孔結構的孔-殼型微顆粒。該方法中使用了光聚合樹脂乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（ETPTA）和有機溶劑苯甲酸芐酯（BB）的混合溶液作為中間油相，并使用聚甘油蓖麻醇酯（PGPR）作為乳化劑。由于ETPTA單體對PGPR的溶解度較差，因此降低了中間油相對PGPR的溶解能力，導致內相水滴與中間油層之間的W/O界面以及中間油層與外部水相之間的O/W界面趨向于黏結，從而使得雙重乳液由核殼型可控演化成橡子型結構。通過改變中間油相中ETPTA的比例，可以控制W/O/W雙重乳液的演化程度。以這些可控演化后的雙重乳液作為模板，便可以制得殼層表面具有單個通孔結構，且通孔尺寸和內部空腔的結構均精確可控的孔-殼型微顆粒。此外，基于微流控技術對雙重乳液內部液滴數目和尺寸的精確控制，還可以對微顆粒中孔-殼型結構的數目以及尺寸進行調控。這種具有可控孔-殼型結構的微顆?？梢杂糜诨诔叽缙ヅ涞摹發ock-key”式顆粒捕獲；也可以用于從不同尺寸的混合顆粒中選擇性地裝載小顆粒，從而實現基于顆粒尺寸的選擇性篩分
3.4多腔室型功能微顆粒的微流控制備
能夠分隔封裝不同組分的物質，并可以實現對所封裝物質的按需釋放的多腔室微顆粒，在作為傳送載體用于不相容活性物質的協同運輸，以及作為微反應容器用于不同反應物的微反應等方面具有重要的意義。多腔室微顆粒的傳統制備方法通常是采用內含多個液滴的雙重乳液作為模板進行合成，或者是逐步將一個腔室型微顆粒封裝到另一個腔室型微顆粒中；但是這些方法往往工藝復雜，并且難以獨立、精確地控制內部各個腔室的結構。而微流控多組分多重乳液則為多腔室功能微顆粒的設計和制備提供了獨特的模板，其內部不同組分的液滴可作為獨立的腔室用于不同組分物質甚至不相容物質的隔離封裝。并且，通過精確控制其內部不同組分液滴的尺寸、數目和比例，可以實現對內部各個腔室的獨立調控、以及對不同組分封裝劑量的優化。Wang等利用內含兩種不同組分油滴的O/W/O四組分雙重乳液作為合成模板，通過紫外光照聚合中間水層中含有的NIPAM單體，從而一步可控制得了內含不同組分油滴且其數目和比例均精確可控的多腔室型微顆粒。當溫度升至微顆粒PNIPAM殼層的VPTT以上時，微顆粒會因為殼層劇烈收縮而將內部不同組分的油滴連同所封裝的物質一同釋放出來。這種共封裝和釋放模式使得該微顆粒有望用于協同運輸和釋放不同組分藥物或反應物以用于協同治療或觸發式按需反應。微流控多組分多重乳液能夠封裝不同組分液滴的特點，也為將具有不同功能的材料整合到同一個微顆粒中以獲得多功能特性提供了可能。Liu等利用O/W/O四組分雙重乳液作為模板成功制得了同時具有磁靶向響應特性和鉛離子響應特性的多功能水凝膠微顆粒。該乳液模板的外部水滴中溶解有NIPAM和苯并-18-冠-6-丙烯酰胺單體，水滴內部封裝有一個含有磁性納米顆粒和聚苯乙烯高分子（PS）的乙酸異戊酯液滴以及一個大豆油滴。首先，磁性納米顆粒和聚苯乙烯經乙酸異戊酯揮發后沉積下來形成固體PS磁核；然后，水滴中的單體經紫外光照聚合后形成包含有PS磁核和大豆油滴的水凝膠，再經過有機溶劑洗去大豆油核后，得到了具有PS磁核和空腔的水凝膠微顆粒。該微顆?？梢栽谕饧哟艌鲆龑逻M行定向運動，并且其水凝膠殼層可以響應外界環境中鉛離子的濃度變化而發生溶脹或者收縮，從而有望用作受鉛離子污染的微環境中的微型傳感器或執行器。
4總結與展望
關鍵詞：相變；保溫材料；建筑；節能；工程
一、前言
在建筑施工過程中隨著新工藝和新技術的不斷發展，保溫材料在建筑中的應用也越加的廣泛，在建筑施工過程中相變保溫材料作為一種新的保溫材料正在被廣泛的使用。
二、保溫材料特點
1、真空隔熱板。在以往建筑工程項目的建設過程中，所用的保溫材料，其厚度相對比較大，易減少層和層之間的距離，出現窗洞不斷加深等各種問題，為有效地解決這些問題，出現了一種新的保溫材料，即真空隔熱板，該材料自身較薄，同時所排放的CO量也較小，在其外表面裹有相應的紙質與金屬外殼，在殼間形成真空，且填充了纖維、壓縮硅酸鹽與泡沫塑料等，其中所填充的這種纖維為多孔。真空隔熱板作為一種高效且新型的材料，其應用前景非常廣泛。
2、復合型硅酸巖保溫材料。該材料含有硅酸鹽、鋁以及鎂等物質，是一種非金屬的礦物基料，通過添加相應的輔助原料與化學添加劑，借助于新技術以及新工藝的應用制造而成?？v觀我國當前建筑材料市場，這種材料是當前最為理想的一種保溫材料，其導熱系數相對較低、用料厚度也比較少且熱損也比較小，具有無毒特性，不會對設備造成腐蝕，也不會對環境造成污染，屬于一種高效保溫且輕質性的材料。除此之外，相對于其他類型的保溫材料而言，該材料還具有無粉塵與無刺激等特點，能夠對其進行任意地裁剪，便于施工等。
三、外墻保溫特點
不同的建筑在節能上的要求不同，根據節能標準在施工時將保溫材料同墻體固定復合，通過該種方式降低建筑墻體的導熱系數，達到隔熱的目的，使得建筑具有更好的保溫能力。保溫材料大多為導熱系數較低的塊材或者松散材料，可以通過直接粘附于墻上的辦法進行安裝，也可以將材料同外裝飾一齊掛在墻面上。外墻保溫分為三種：外保溫、夾心保溫以及內保溫，就保溫效果而言，外保溫效果最佳。以下就外保溫特點展開敘述：
1、外保溫能夠消除熱橋效應。
2、建筑采用外保溫的形式后，能夠使得室內貯存更多熱量，這是由于保溫材料內部實體墻熱容較大，因而可以達到保溫的目的。
3、對外保溫加強后，以室內熱環境保持為前提對室溫做適當的降低，不但能夠保證室內環境溫度的適宜，同時還能夠降低能耗，以此節約能源減少采暖負荷。
4、由于墻體外添加了外保溫材料，因此建筑內部的主體墻溫度會相對較高，從而濕度相對較低。由于保溫材料的導熱系數較小因此主體墻熱應力減小，因而裂縫、變形以及破損等主體墻的病害出現幾率就會相對降低。
5、外墻保溫優點概述：
（1）外墻保溫從技術結構上分析能夠減少外界環境（降水、紫外線、溫度等）對主體結構造成的不良影響。
（2）擴大使用空間。由于外墻保溫材料設置在外部，因此會節約內部空間。
（3）在舊房改造中能夠發巨大的優勢，且不會干擾人們的正常生活。
四、相變保溫材料在建筑工程節能技術中的應用
1、相變保溫材料在建筑工程中的應用特點
在建筑工程的施工建設中，采用相變保溫材料能夠大大提升工程的施工效率、促進工作進度和增加工程效益，這也給我國的可持續發展和建設和諧社會提供了新的途徑，同時這也是可持續發展觀念和建設和諧社會主義目標的主要途徑。變形保溫材料在建筑工程中的主要特點有如下幾點。
（1）新型保溫材料
一些性能良好的節能保溫材料對于建筑的保溫起到了很好的作用，這也讓現代建筑實現了大規模的節能目標。且在國外，一些發達國家已經在建筑節能保溫材料方面取得了突破性的成果。
（2）紅外熱反射技術
紅外熱反射技術是最近新興保溫技術，它的工作原理是通過在建筑物的內部或者外表以及護結構的空氣間層中通過采用高純度的鋁箔或者其他的一些高效熱反射材料，將絕大部分的紅外線反射回去，從而達到隔絕建筑物內部熱量的散失、提高居住環境的舒適程度的目的。
2、配制漿料
保溫漿料需要專業人員來配制，這樣才不會出現攪拌不勻而出現保溫效果失常的情況。
3、抹底層相變節能材料
保溫層應當分成三次涂抹，且每一次的厚度應當控制在10～12mm左右。每次涂抹的間隔時間也不能太短，這樣才能夠保證涂抹層的穩定性。
五、相變材料與隔熱材料的具體應用
節能環保意識的逐漸增強，促使人們對房屋建筑質量在節能環保方面的要求有所提高，建筑市場對保溫隔熱型環保材料的應用也變得更加重視。隨著深入探索與實踐，隔熱保溫材料在墻體中的應用理論和技術日益完善和成熟。外墻保溫材料的應用主要分為三類：內保溫、外保溫以及空夾心復合型墻體保溫。外墻保溫材料的應用使得建筑節能環保效果有了大幅度的提高。由于保溫隔熱材料自身導熱系數低、構成材質強，熱穩定性極佳，同時耐火、耐氣候性強等特點，因此較之一般材料，具有非常顯著的優越性。特別是保溫隔熱材料具備良好的抗壓性、耐火性，極其適合現代建筑的實際需求。目前市場中還有一些玻璃材料，具有非常良好的保溫效果，而且種類日益繁多，比如吸熱玻璃、調光玻璃、熱反射玻璃、低輻射玻璃等，在實現環保節能、降低污染的同時，還能充分滿足人們的個性化需求，因此在現代建筑中可以廣泛利用。
基于標準房間熱過程模擬的非穩態傳熱模型，并采用專用氣象數據對相變材料的兩種不同應以北京的建筑為例，就外墻的保溫節能工程進行闡述。
對于被動式建筑，可充分利用白天太陽能和夜間冷風自然資源，將相變材料應用于被動式建筑中，在夏天材料可吸收室內多余熱溫，進而降低室內溫度波動幅度，可蓄存夜間冷風量，使室內始終保持較好的舒適度。通過對北京地區建筑有外保溫和無外保溫、內墻為相變墻體和普通墻體的夏季室內溫度變化情況進行分析發現，當內墻采用相變墻體且墻體熔點合適時，被動式建筑房間的溫度在整個夏季都會滿足舒適度要求，而應用隔熱材料則不利于夜間散熱，其降低室溫的效果不明顯，在某種情況下甚至會出現室外溫度較低但室內溫度卻較高的情況。通過對冬季有外保溫和無外保溫、內墻為相變墻體和普通墻體的室內溫度逐時變化情況進行分析發現，當被動式建筑采用的內墻為相變墻體時對室內溫度的影響較小，只有在室溫接近墻體熔點時才會發生相變，相變材料作用無法得到有效發揮，而隔熱材料卻具有良好的保溫效果。綜合考慮冬季、夏季外保溫和相變墻體對被動式建筑室內溫度的影響時，無法選擇較為合適熔點的相變墻體同時滿足北京地區建筑對冬夏兩季舒適度的要求，雖然外保溫在夏季無法發揮作用，但是在冬季具有良好的保溫效果，所以采用隔熱材料來提高被動式建筑舒適度更為合理。
對于相變材料與隔熱材料在主動式建筑中的應用則可通過空調、采暖運行過程中的耗電量來對兩者應用效果進行比較分析。主動式建筑在冬季采暖期間，采用相變蓄能式電加熱地板采暖系統，白天耗電量較低，只是普通房間的20%左右，這有利于緩解白天供電緊張的情況，同時也可大大節約采暖費，而采用隔熱材料時不僅耗電量低，采暖費的節約率也更高。在夏季，主動式建筑北墻采用相變墻體時，其單位面積空調冷耗量最小，相較于普通房間要低約16%，而在墻體內設置保溫層或是添加相變材料空調降耗效果并不明顯。雖然夏季使用相變墻體能夠降低冷耗量，但是針對北京地區氣象條件，其冬季采暖比重更高，由此可以推斷，若綜合考慮全年空調采暖耗量，選擇外保溫比較合適。
六、結束語
在建筑設計施工過程中我們要不斷的提高節能意識，在建筑施工中應用新工藝和新技術來提高節能效果。
參考文獻：
陰極過程試驗結果顯示，當鍍液中加入SiC微粒和稀土后，復合材料的陰極沉積電流密度增加，有利于Ni-W-P合金在陰極沉積，并形成Ni-W-P-SiC或RE-Ni-W-P-SiC復合材料。而在鍍液中加入PTFE后，卻降低復合材料鍍層的陰極沉積電流密度。當稀土的添加量為7~9g/l時，復合材料鍍層的陰極沉積電流密度增加并不明顯；隨著稀土添加量的增加，復合材料鍍層的陰極沉積電流密度增加較明顯，當添加量達到11~13g/l時，鍍層的陰極沉積電流密度增加達到最大值；若進一步增加稀土用量，則陰極沉積電流密度有所下降。SiC微粒與Ni-W-P合金共沉積的機理是：SiC微粒本身帶負電荷，當加入到鍍液中，它會吸附周圍的正電荷，在流體動力學和電場力的作用下，遷移到陰極表面形成弱吸附；其次，到達陰極表面的SiC微粒在靜電場力的作用下脫去水化膜與陰極直接接觸而形成強吸附；第三，吸附到陰極表面的SiC微粒被Ni-W-P合金捕獲一起沉積到鍍層中。
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.
TheresistancetooxidationathightemperatureofthemultifunctionalelectrodepositedRE-Ni-W-P-SiCcompositesisinvestigated.TheresultsshowthatduringhightemperatureoxidationtherelatiohipbetweentheoxidizedfilmweightofpureNi,Ni-W-P,Ni-W-P-SiCorRE-Ni-W-P-SiCcoatingandtheoxidationtimeisamixedcurve,i.e.itisaroximatelyalinearrelatiohipwhentheoxidationtimeislethan60miwhileitisapowerfunctionrelatiohipwhentheoxidationtimeisover60mi.TheoxidationrateorderofthefourcoatingsisNi>Ni-W-P>Ni-W-P-SiC>RE-Ni-W-P-SiC.TheoxidizedfilmweightofNi-W-P,Ni-W-P-SiCorRE-Ni-W-P-SiCcoatingincreasesexponentiallywithariseinoxidationtemperature.Thehightemperature-oxidationresistanceofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatingis3~4timesthatofNi-W-Palloycoating.Thecrosectionmorphologiesshowthatafterheat-treatmentat500oCtheNi-W-Pcoatingdiffusesintothematrix,andthereisnoobviousboundarybetweenNi-W-Pcoatingandmatrix;thereisaboundarybetweentheNi-W-P-SiCandmatrix,butitisnotclear;thereisanobviousboundarybetweenRE-Ni-W-P-SiCcoatingandmatrix.Afterheattreatmentat800oCthereisnoboundarybetweenNi-W-PorNi-W-P-SiCcoatingandmatrixwhilethereisaboundarybetweenRE-Ni-W-P-SiCcoatingandmatrix.X-raydiffractionpatterofNi-W-P，Ni-W-P-SiCandRE-Ni-W-P-SiCcoatingsshowclearlythatRE-Ni-W-P-SiCcoatinghasbetterresistancetohightemperatureoxidation.
《光電材料導論》是我校無機非金屬材料專業2013年開設的專業課程。開設這門課程的原因是：（1）國家在十二五規劃中提出了重點發展的七大戰略性新興產業，其中之一的的新材料產業包含了功能材料，而光電材料是功能材料的一種；（2）我校的無機非金屬材料教研室的很多老師從事光電材料相關的研究，具備開設這門課程的師資力量。所以在課程的教學內容的選材方面，我們會著重從這兩個方面考慮。而教學方法會利用現在的多媒體技術，與傳統的板書相結合，讓學生更加形象生動的加深對知識的理解[1]。
1 教學內容的選材
在教學內容的選材方面，我們綜合考慮了以下幾個因素：
首先，學生必須能夠有所學，開設一門課程才是有意義的。光電材料是功能材料的一種，為了便于學生循序漸進地吸收理解光電材料的專業知識點，教學內容分成三個方面：光功能材料、電功能材料、光電材料及器件。首先，講解光功能材料和電功能材料方面的知識點，在具有這些知識的基礎上，再講解光電材料及器件方面的知識，學生們就比較容易理解。
其次，我們結合現在的就業情況及研究熱點。我們設置的教學內容，既考慮了學生們以后的就業，也考慮到想進一步深造讀研究生的學生們的研究工作。光功能材料方面的教學內容包含了激光材料、發光材料、紅外材料及光纖材料。電功能材料方面的教學內容包含了導電材料、半導體材料、介電材料、鐵電材料及超導材料，其實半導體材料也是一種導電材料，之所以把半導體材料單獨作為一個章節，是因為半導體材料是太陽能電池和LED照明燈的核心材料，這也是為后面的光電材料及器件的講解做鋪墊。光電材料及器件方面的教學內容包含了光電子發射材料、光電導材料、透明導電薄膜材料、光伏材料與太陽能電池及光電顯示材料。
2 教學方法的探索
光電材料的內容更新很快，現在的學生不僅應該掌握傳統基礎的材料知識，更應該掌握最新的知識點，更應該了解光電材料的最新研究進展，而使用多媒體教學能夠及時地更新課件的內容，使得教學內容能夠跟上最新的研究成果[2]，也能讓學生及時了解學習最新的材料知識。
多媒體教學還有助于激發學生學習的興趣[3]，因為它在視覺上能夠讓學生很直觀的學習知識，比如：太陽能電池的工作原理，我們可以在Powerpoint（PPT）上給出太陽能電池工作原理圖，然后再對照圖給學生詳細講解其原理，學生將更深刻的理解其原理。再比如，在講解光纖的傳輸原理時，可以通過多媒體技術使用動畫，讓學生很直觀地了解光纖的原理。
但是多媒體教學應該和傳統的板書結合起來，因為有些知識僅僅通過多媒體展示，學生可能比較難理解，還需要老師再次將其中的重點和難點板書出來詳細講解，同時也可以加深同學的印象。
同時，我們在整個的教學過程中，采用的是啟發式及提問式的教學方法。通過對學生進行提問，啟發學生自主思考，加深學生對知識點的理解。
3 課程考核方式的選擇
課程考核的成績包含兩個方面，一個是平時成績的考核，一個是期末成績的考核。
平時成績的考核，我們通過上課提問、課后習題、出勤率等方面進行考核。上課提問可以考查學生對上節課內容的掌握程度，還可以考查學生是否認真聽講、是否認真思考問題。課后習題包括兩個方面，一個是對課上內容的考查，幫助學生鞏固課上知識，另一個是對課外知識的拓展，督促學生課后查閱文獻，培養學生的學習能力。
期末成績的考核，我們采用撰寫科技論文的形式進行考核?！豆怆姴牧蠈д摗烽_設在大四上學期，總共24個課時。因為光電材料的內容更新比較快，而教學課時比較有限，通過撰寫科技論文的形式，既可以督促學生去更全面的了解光電材料最新的研究進展，又可以鍛煉學生查閱文獻的能力，培養學生總結文獻的能力，有利于大四學生在下學期更快進入本科畢業論文的工作。
4 需要改進的地方
作為本專業開設的新課，在教學的探索與實踐過程中，肯定存在一些不足，有很多地方需要我們去反省和改進。我們自己對此進行了總結，具體包括以下三個方面：
（1）在多媒體教學過程中，我們不僅只是使用了PPT這個軟件，還應該引入視頻，比如，在講解使用直拉法制備單晶硅時，就可以引入一段視頻，讓學生更直觀地了解使用直拉法是如何制備單晶硅的。
（2）在教學的過程中，我們還應該出示實物，讓學生能夠直接接觸，加深印象?？梢猿鍪緦嵨锇ü饫w、發光二極管LED，單晶硅片和多晶硅片（這時，還可以教學生從宏觀上如何分辨單晶硅片和非晶硅片）、ITO玻璃、閃鋅礦及纖鋅礦結構模型等，不但增強生學習光電材料的興趣，而且讓他們對光電材料實體有直接的感性認識[4]。
（3）在教學過程中，我們還應該加入兩個學時的討論課，老師布置一個題目，讓學生課后準備，幾個學生一組，進行資料搜集與整理，然后讓一個學生做代表，在討論課上做PPT報告，其他組的學生進行提問，作報告的學生做解答。同時這個也要納入平時成績中，占總成績的20%。
關鍵詞：課程項目；功能材料；工程教育模式
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0568（2011）35－0090－02
一、引言
我國傳統的通識教育過于強調基礎科學理論，弱化專業內容和工程實踐，企業普遍反映畢業生缺乏創新精神和創新能力。而西方國家針對這一問題開展了大量的研究實踐，成果豐富，其中尤以工程教育模式更為突出。它是以工程項目為載體，以從科研到運行為生命周期，讓學生主動參與實踐，以課程之間有機聯系的方式學習工程?！白鲋袑W”是工程教育改革的戰略之一，中國教育部于2008年開始組織課題組進行試點。
《功能材料》是一門既有一定的理論基礎知識，又與實際應用密切相關的多學科交叉的課程。以教師講解為主的傳統教學方式無法充分調動學生的參與積極性，解決實際問題的能力得不到體現。本文就是根據這一實際需要，適應北京石油化工學院（以下簡稱“我院”）素質教育，滿足培養綜合性、創新性、應用型人才的要求，就工程教育模式下《功能材料》課程在教學方法、教學手段等方面的教學實踐進行探究。
二、工程教育模式應用到《功能材料》課程的依據
將工程教育模式應用到《功能材料》課程，符合高等院校工程教育培養的目標要求。工程教育模式突破了傳統教學模式，通過選取項目創設情景，協作學生學習開展教學，通過完成項目達到意義建構，通過解決問題實現學生對知識的掌握，充分體現我院以研究型和應用型人培養為目標的教育特點。
功能材料作為能源、計算機、通訊、電子等現代科學技術研究的基礎，近年來已成為材料科學領域中的研究熱點之一。種類繁多、功能各異的新型功能材料正在眾多不同領域對科技的進步、社會的發展產生了越來越大的影響。目前根據我院2009版新大綱要求，《功能材料》課程涉及面廣、頭緒多、內容繁雜、系統性不強，而且課程的理論教學時數相對較少。如果還像以前一樣照本宣科，在課堂上根本不能吸引學生的注意力，激發學生的學習興趣，教學效果不理想。而且，事實也證明，按照傳統方式培養出來的畢業生在今后的工作中的應用能力也比較差，不能達到用人單位對人才的要求標準。
三、工程教育模式應用于《功能材料》教學的實踐
以真實項目為載體開展項目式教學，能使學生親身經歷產品構思、設計、實現、運作的項目開發生命周期，在與課程緊密聯系的項目實踐中積極主動地學習專業知識，提高學生對理論知識的應用能力和實踐動手能力，增強學生的成就感，充分挖掘學生的創造潛能。
1.構思
根據課程教學內容選取研究項目。課程研究項目是《功能材料》課程學習的一個重要組成部分。通過實施課程研究項目，學生可以深入掌握課程的理論知識體系，提高綜合應用已有知識解決問題的能力，更好地培養材料科學與工程專業學生的專業技術能力和綜合素質。
2.課程研究項目設計
為了實現項目教學目標，我院設計了《功能材料》課程研究項目指導書，主要內容包括：①項目的題目；②項目組成員；③項目的研究背景及意義；④項目擬開展的主要研究內容；⑤擬采用的主要研究方法或研究工具等；⑥項目主要的日程安排或時間節點；⑦主要參考文獻。讓學生在完成研究項目指導計劃書的過程中掌握項目所包含的理論知識，真正實現“做中學”。
3.任務實現
教師經過簡單的理論介紹和導入之后，帶領學生實施項目，鼓勵學生自己選取感興趣的項目。把學生分成小組（每組最多3個學生），每一小組選出一個組長，全面負責該組的任務。所有環節任務的實現都靠小組成員的共同努力。
研究項目選取的難易程度，研究內容的多少，都會影響到每組的最終成績。每個小組要在項目報告中標明每個人在總體工作中的貢獻和工作比例，或者每個人負責的內容。
4.成果展示
所有的項目都要按照規定的時間對教師和全體學生進行演示匯報。演示匯報的主要目的是讓教師和其他學生了解各組的工作和研究成果。小組的學生都要在臺前匯報，匯報前由教師指定主匯報人。每個項目演示匯報時間不超過10分鐘，另外有5分鐘的提問時間。每個組必須嚴格控制演示時間，超過時間1分鐘以上要扣分。
不同項目的設定有利于滿足不同層次學習者的學習需求，便于開展個性化、差異化教學。通過個體和合作的形式進行項目學習和實訓，學生不僅能培養自主學習的能力，而且能培養合作、溝通和組織能力。項目完成后的及時反饋，又有利于學生間經驗的分享。該模式構建出一個開放性、研究性的學習環境，充分體現了以學生為中心、以學生的全面發展為中心的教育思想。
四、在工程教育模式下教師的角色
將工程教育模式應用到“功能材料”課程，有利于教師教學科研水平的提高。要將工程教育模式應用到課程教學，教師必須結合院校教學實際，以及本校學生的知識層次、結構能力，合理制定教學大綱，優選教學內容，加強教材建設，不斷改進教學方法、教學手段，理論結合實踐，設計工程項目，體現以能力培養為主的原則。這個過程本身就是一個學習知識、提高理論層次和教學水平的過程，也是工程教育的具體體現。這個過程有利于進行多種資源的有效整合，不僅要求教師具有良好的專業設計經驗和教學組織能力，而且利于發揮學生的主體地位和教師的主導地位，培養學生的綜合應用能力，能極大地提高教師的業務能力和教學科研水平。
五、結語
《功能材料》課程結合工程教育理念的教學模式，加強學生對課程內容本質性理解，促使學生結合課程主動考慮并構思滿足要求的設計，設計的任務緊扣《功能材料》課程的核心內容，并具有豐富的題材和多樣的結果。注重培養學生的自學能力、團隊協作能力以及系統調控能力。使學生養成主動查找書籍資料的良好習慣，讓學生學會關注科技發展，極大地提高學生的系統調控能力。
參考文獻：
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關鍵詞：全英語教學；功能材料學；教學改革
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?！秶抑虚L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?！豆δ懿牧蠈W》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。
參考文獻：
