时间：2023-05-30 10:55:36
黄伯云院士在长主持《七届会》筹备工作会议——会议筹备工作踏实前行、进展迅速、成效显著
题词与书法
历史回顾:《六届会》盛况
知名的化学工程、燃料电池专家我国燃料电池技术的奠基者和开拓者之一“十一五”节能与新能源汽车专家组成员中科院大连化物所研究员、燃料电池工程中心总工程师大连新源动力股份有限公司董事长中国工程院院士——衣宝廉
环境纳米科技研究面临的机遇和挑战
放电等离子烧结制备功能材料的最新进展
氮气雾化对含Co包纳米TiC-Al_2O_3涂层组织及冲蚀性能的影响
政策信息
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第七届中国功能材料及其应用学术会议会议通知
我国测温材料与技术领域的著名专家与企业家王魁汉教授和他领导的沈阳东大传感技术有限公司
我国高性能新材料理论与设计、材料强化与功能化等方面的知名专家中国仪表功能材料学会常务理事、新世纪学术带头人江苏省有突出贡献的中青年专家、省材料摩擦学重点实验室主任江苏大学副校长、博士生导师——程晓农教授
学习实践科学发展观,贵在落实——重材所以人为本深入学习实践科学发展观见闻点滴
密切联系合作携手共创双赢——谌立新秘书长一行专访重庆大学材料学院
王东哲教授和他领导的重材所特种合金团队
陈德茂教授和他领导的重材所测温材料研发团队
罗维凡总经理和他领导的重材所工程仪表研发团队
国家超导专家委员会首席科学家、国家超导实验室学术委员会主任国务院学位委员会物理学科组成员、北京大学固体物理研究所所长北京大学教授、博士生导师、中国科学院院士——甘子钊
科研创新十六法——中科院院士徐光宪论科研创新
中国材料科学技术现状与展望
仿生功能表面微结构的超快激光制备与应用研究
薄膜厚度对胶体晶体薄膜光学特性的影响
:投入328亿加快实施11个国家科技重大专项
路甬祥:知识产权制度是保护并激励创新的根本保障
李荣融:央企面对金融危机采取了5大有效对策
杜占元:我国将在十大产业建立技术创新战略联盟
李伟:国资委将对央企投资金融领域摸底调查
彭森:我国将围绕四大方向推进经济体制改革
胡晓炼:中国黄金储备世界排名第五
我国确定240项措施全面推进国家知识产权战略实施
国家将加快中央企业的股份制改革
新材料与可持续发展院士论坛在渝举行
谌立新秘书长专程拜访学界泰斗师昌绪院士
国机集团派员抵重材所考核行政领导班子
行业协会副理事长赵光明会见成都客人
封面人物
碳、碳化硅及氮化硅等纳米功能材料的制备
电致变色用聚合物电解质离子导体研究新进展
片式聚吡咯铝电解电容器的研究进展
李荣融：2010年央企单位增加值能耗要降20%
万钢：将从四方面推动创业投资发展
王金祥：四大举措促进西部高技术产业发展
我国将建30个国家高技术产业基地
我国提高高新技术企业认定标准
高技术产业发展的重点是尽快提升国家创新能力
我高技术产品国际市场份额全球第一
李长江：我国今年将制定1万项国家标准
2008年国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目日前公布
我国拟建设若干国家工程研究中心和实验室
国家(重点)实验室专项经费日前设立
今年我国将采取六举措推进节能减排
我国磁学与磁性材料领域著名科学家中国仪表功能材料学会副理事长《功能材料》期刊第五届编辑委员会委员南京大学物理系教授、中国科学院院士都有为
可调的透明导电膜研究进展
第六届中国功能材料及其应用学术会议暨2007国际功能材料专题论坛会议论文投稿踊跃,筹备工作进展喜人
1MS原理介绍
构成物质的原子包含原子核及核外电子，而物质的化学性质由核外电子的结构及电子-离子、电子-电子之间的相互作用决定。因此，研究电子的行为对材料研究具有重要意义。量子力学原理为描述电子的行为提供了理论依据。量子力学的模拟方法是通过求解薛定谔方程来实现的，该方法对单电子体系(如氢原子)行之有效，但对于复杂的多电子体系就无能为力了，原因在于无法求解复杂体系的薛定谔方程。但是，通过一些近似处理便可以得到薛定谔方程解。这些方法习惯上称为第一性原理。最为著名的近似方法有Hartree-Fock近似、密度泛函理论(DensityFunctionalTheory，DFT)和量子蒙特卡罗方法(QuantumMonteCarlo)。其中，应用最为广泛的是由Hohenberg，Hohn和Sham于20世纪60年代提出的DFT方法。DFT方法的优点在于通过电子密度分布来表示系统能量，将多电子问题转化为单电子问题，从而简化了求解过程。经过不断完善，DFT方法已成为计算固体物性的首选方法。此外，基于DFT原理，研究人员还发展了第一性原理分子动力学理论及含时密度泛函，拓展了第一性原理的应用范围，使其在材料、医学、生物等方面的研究中起到举足轻重的作用。
2材料原子结构建立过程
在已知晶体结构信息条件下，在MS中可采用多种方法建立原子的构型。晶体结构的信息可以通过晶体结构数据库软件查询，对于一些复杂的晶体结构，可通过日本国立材料研究中心数据库(NIMS)等查询。
MS中构建晶体结构一般需要用到的信息有：晶格常数，晶体结构所属空间群或空间群号，晶胞中的原子占位。纳米二氧化钛作为一种新型多功能材料，性质非常优良，应用十分广泛，目前国内外的许多研究选用其作为研究对象。它主要包括金红石型、锐钛矿型和版钛型三个晶型。其中锐钛矿型纳米二氧化钛在常温下是稳定的，主要应用在环保及新材料方面，工业应用前沿广阔。笔者以锐钛矿型TiO2能带计算过程为例，介绍其建立过程。锐钛矿型TiO2为四方晶系，空间群为I41/AMD。每个锐钛矿型TiO2原胞由2个钛原子和4个氧原子组成，初始原胞1×1×1为长方体，如图1a所示。首先选取锐钛矿TiO2晶体2×2×2超级原胞，然后通过计算得到体系的最小化电子能量和原子结构的稳定构型，从而对其进行结构优化。经分析，优化后计算得到的TiO2晶体的晶格参数a，b和c与文献报道实验测试值及其他理论计算值相似(见表1)。为了考查TiO2表面原子与吸附氧之间的反应过程，在完成块体优化后，我们切出了TiO2的三个主要的低指数面(100)，(001)和(101)(如图1所示)。其中(101)面为锐钛矿型TiO2的最稳定晶面，亦为锐钛矿TiO2中最主要的晶面，约占94%以上[11-13]，对该表面的研究具有重要意义。(101)面的性能，在一定程度上可反映出锐钛矿TiO2体相材料的性能。因此，我们主要考虑的锐钛矿TiO2表面模型为(101)面。
对于(101)表层，分别将具有5配位和6配位的两种钛原子表示为Ti5C和Ti6C，具有面氧和桥氧两种氧原子表示为O2C(brightoxygen)和O3C(planeoxygen)(如图1所示)。为了避免交换关联影响，选择真空层厚度为10Å。通过MS软件进行计算。基于DFT理论，采用超软赝势描述价电子的相互作用，采用广义梯度近似(GGA)修正交换关联能，对构建的(101)面进行结构松弛优化。在动能截止能量为340eV及K点值为6×6×1的条件下，进行赝势和电荷密度的自洽迭代循环。计算过程中的能量收敛精度为2×10-5eV，作用在每个原子上的力小于等于0.01eV/nm，内应力小于等于0.1GPa。
除了构建原子模型之外，我们还得到了直观能带结构图(如图2所示)。在教学过程中，运用MS软件，计算过程只需要2～5分钟，学生即可得到能带结构图。横坐标为在模型对称性计算中设定的K点，K点就是倒格空间中的几何点。按照对称性，取纵坐标为能量。因此，能带结构图表示在研究体系中，各个具有对称性位置的点的能量。各个点能量的加和就是整个体系的总能量。采用MS得到的能带结构图，简单易懂、清晰明了，可清楚地看到价带、导带及带隙等具置、形状及长度等。在Castep里，通过给scissors赋值，可增加价带和导带之间的空间，使绝缘体的价带和导带清楚地区分出来。有助于学生更深层次地了解能带结构信息，为更深入的研究提供基础和引导。
3结束语
笔者运用MS软件构建晶体结构原子模型，通过输入必要的参数进行模拟实验，得到计算结果并进行比较分析，取代课本中的简单结构示意图。三维、可视化的能带结构示意图，可以很好地帮助学生对能带理论和相关结构信息、规律的理解和掌握，大大提高了教学效果。
作者：曾文王金星陈玉安刘天模胥均耀单位：重庆大学材料科学与工程学院
关键词：纳米涂层；场发射；电子强关联；软凝聚态物质
2003年在国际和中国都发生了具有突发性的灾难事件，但中国的GDP仍以9.1％的高速度在增长，达到了人民币11.6万亿元，其中第二产业贡献4万多亿元。中国现今的第二产业主要领域是冶金、制造和信息，在世界的地位是大加工厂，也是大市场。在国际竞争中所以有优势是中国的劳动力廉价，这个优势我们能保持多久?我们还注意到与化工有关的产品中，我们的生产效率是国际发达国家的5％，能耗是3倍，环境的破坏是9倍。这就是我们所付出的代价。不论形势如何严峻，21世纪是中华民族振兴的机遇期，制造业绝对是一个极其重要的领域，是个急速发展变化的领域。2003年3月国际真空学会执委会在北京举行，会议上讨论了将原来的冶金专委会改名为“表面工程专委会”，当时也考虑了另一个名字“涂层专委会”，我想用涂层材料更合适，含有继承性和变革性。20世纪70年代曾经说成是塑料年代，此后塑料科技和工业迅速崛起，极大地改变了人类社会。继而是信息时代，通信网、计算机网、万维网、智能网，信息流，日新月异地改变着人类的生活和观念。我们这个时代是高速发展的时代，技术和观念都在与时俱进地改变着。
本世纪初兴起了纳米科技，促进其到来的是由于微电子小型化的发展趋势，推动科技发展进入纳米时代[1]，不仅电子学将进入纳电子学领域，物理学进入介观物理领域，各类科技，包括生物医学等都在探索纳米结构与特性。涂层和表面改性越来越多地增加了纳米科技的内容，这是一种低维材料的制造和加工科技，将是制造技术的主流，将迅速地改变传统制造技术的方法、理论和观念，作为现今国际上的制造大国，世界加工厂，我们更应该注意研究制造技术的发展和未来。
1 突破传统制造技术的观念
纳米科技研究的内容主要是在原子、分子尺度上构造材料和器件，测量表征其结构和特性，探索、发现新现象、新规律和应用领域。与我们熟悉传统的相比，纳米材料和器件具有显著的维数效应和尺寸效应。近几年来，在纳米材料制造方面做了大量的研究工作，在纳米粒子粉材的制造，以及材料结构和特性测量、表征上取得了显著成果[2～7]。接下来深入到纳米线、纳米管和纳米带的研究[8～14]，出现了一些成功有效的制造方法，发现了一些惊人的结构和特性。在此基础上，发展了纳米复合材料的研究，展现了非常有希望的应用前景[15～17]。近来人们在纳米科技初期成果的基础上挑战某些产品的传统加工技术，比如Al组件的快速加工。
T.B.Sercombe等人报道了快速加工铝(Al)组件的新方法[18]，这个方法的主要特征是用快速成型技术先形成树脂键合件，然后在氮气氛中分解其键和第二次渗入铝合金。在热处理过程中，铝与氮反应形成氮化铝骨架，在渗透过程中得到刚体结构。与传统制造工艺相比，这个过程是简单的快速的，可以制造任何复杂组件，包括聚合物、陶瓷、金属。图1是过程示意和原型样品，(a)是尼龙巾镶嵌铝粒子的SEM像，中心有结构细节的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是为还原氧化铝，它将不是铸件中的成分。在尼龙被烧去时，这个结构基本保持不变。(b)是氮化物骨架，围绕Al粒子的一些环状结构的光学显微镜像，再渗入Al时将形成密实结构。(c)是烧结的氮化铝和渗铝组件，小柱的厚为0.5 mm 其密度和强度都达到了传统铸造技术的水平。他们还制作了公斤重量多种结构的样品。这是一种冶金技术的探索，开辟了一种新的冶金和制造技术途径。
2 纳米材料的完美定律
描述材料结构的常用术语是原子结构和电子结构。原子结构的主要参量是晶格常数、键长、键角；电子结构的主要参量是能带、量子态、分布函数。对于我们熟悉的宏观体系，这些参量多是确定的常数，但对于纳米体系，多数参量随着原子数量的改变而变化。这是纳米材料和器件的典型特征，它决定了纳米材料的多样性。其中有个重要规律，我们称之为纳米材料的完美定律，用简单语言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了纳米晶粒的魔数规则，即含有13、55、147…等数量原子的原子团是稳定的，对于富勒烯碳60和碳70存在的几率最大，而对于碳59或碳71等结构体系根本不存在。这就是为什么斯莫利(Smmolley)他们当初能在大量的富勒烯中首先发现碳60和碳70，从而获得了诺贝尔奖。对于一维纳米结构，包括纳米管和纳米线，存在类似的规则。可以模型上认为是由壳层构成的，每个壳层中更精细的结构称为股，每一股是一条原子链，中心为1股包裹壳层为7股的表示为7-1结构，再外壳层为11股的，表示为11-7-1结构，等等，构成最稳定的结构，这是一维纳米结构的魔数规则。对二维纳米膜存在类似的缺陷熔化规则，即不容许存在很多缺陷，一旦超过临界值，缺陷自发产生，完全破坏二维晶态结构。上述这些低维结构特征是完美定律的具体表述，进步普遍表述理论是正在研究中的课题。
完美定律是我们讨论涂层材料的出发点，因为纳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。在制造过程中，方法简单、产额高、成本低是最有竞争力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市场，一定是不计成本的特殊需要，有政治背景或短期的社会需求。因此在我们探索纳米材料制造时，首先考虑的应是满足完美定律的技术，如用甲烷电弧法制备纳米金刚石粉技术[1]，电化学沉积法制备金属纳米线阵列技术[19]，以及电炉烧结法制造氧化物纳米带技术[20]等等。
3 涂层纳米材料将给我们带来什么?
涂层纳米材料是纳米科技领域具有代表的材料，或是低维纳米材料的有序堆积结构，或者是低维纳米材料填充的复合结构。两者都比传统材料有惊人的结构和特性。如新型高效光电池[21]、各向异性结构材料[19]、新型面光源材料[22]等，这里举例介绍基于热电效应的新型纳米热电变换材料。
热电效应器件的代表是热电偶，即利用不同导体接触的温差电现象进行温度测量的器件。基于热电效应可以制成两类器件：热产生电和电产生温差。前者可以用于制造焦电器件，即用热直接发电，如将焦电材料涂于内燃机缸表面，利用缸体温度高于环境几百度的温差发电，将余热变作电能回收。后者可以做成电致冷器件。这类的直接热电变换器件具有无污染，没有活动部件，长寿命，高可靠性等优点，但块体材料制成器件的效率低，限制了它的应用。纳米科技兴起以后，人们探索利用纳米晶或纳米线结构能否解决热电效应的效率问题。认为用量子点超晶格材料有希望显著提高热电器件的效率，这是由于纳米材料显著的能级分裂，有利于载流子的共振输运和降低晶格热传导，从而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]报告了量子点超晶格结构的热-电效应器件，他们制备了PbSeTe／PbTe量子点超晶格(QDSL)结构，用其制造了热电器件(Thermo-electrics，TE)，图2(a)是纳米超晶格TE致冷器件的结构和电路图，(b)电流-温度曲线。将TE超晶格材料，其宽11 mm，长5 mm，厚0.104 mm，n-型的TE片，一端置于热槽，另一端置于冷槽，为了减小冷槽热传导而形成这同结接触，用一根细金属线与热槽连接。当如图2(a)所示加电流源时，将致冷降温。对于这种纳米线超晶格结构，由于量子限制效应，发生间隔很大的能级分裂，从而得到很高的热电转换效率。图2(b)是TE器件的电流-温度曲线，实验点标明为热与冷端温差(T )与电流(I )关系，电流坐标表示相应通过器件的电流。■为热端温度Th与电流I 的关系，其温度对于流过器件的电流不敏感。为冷端温度Tc与电流I 的关系，其温度对于电流是敏感的。图中A是测得的最大温差，43.7 K，B是块体(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大温差，30.8 K。从图中可以看出，在较大电流时，冷端温度趋于饱和。采用这种致冷器件由室温降至一般冰箱的冷冻温度是可能的。
电热效应的逆过程的应用就是焦电器件，即利用热源与环境的温差发电。对于内燃机、锅炉、致冷器高温热端等设备的热壁，涂上超晶格纳米结构涂层，利用剩余热能发电，将是人们利用纳米材料和组装技术研究的重要课题。
类似面致冷、取暖，面光源，面环境监测等涂层功能材料，将给家电产业带来革命性的影响，将会极大地改变人类的生活方式和观念。
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4 含铁碳纳米管薄膜场发射
碳纳米管阵列或含碳纳米管涂层场发射被广泛研究，以其为场发射阴极做成了平板显示器。研究结果表明碳管的前端有较强的场发射能力，因此碳管涂层膜中多数碳管是平放在基底上的，场电子发射能力很差。我们制备了含有铁(Fe)纳米粒子的碳纳米管，它的侧向有更大的场发射能力，有利于用涂层法制造平板场发射阴极。图3(a)是含铁粒子碳纳米的TEM像，碳管外形发生显著改变。(b)是碳管场发射I-V特性曲线，I是CVD生长的竖直排列碳纳米管的场发射曲线，II是含铁粒子碳纳米管竖直阵列的场发射曲线，III是含粒子碳纳米管躺在基底上的场发射曲线，有最强的场发射能力。根据此结果，将含铁的碳纳米管用作涂层场发射阴极，有利于研制平板显示器。
5 电子强关联体系和软凝聚态物质
上面所讲到的涂层纳米功能材料和器件是当今国际上研究的热门课题，会很快取得重要成果，甚至有新产品进入市场。当我们在讨论这个纳米科技中的重要方向时，不能不考虑更深层的理论问题和更长远的发展前景。这就涉及到物理学的重要理论问题，即电子强关联体系(electron strong correlation system)与软凝聚态物质(soft condensation matter)。
在量子力学出现之前，金属材料电导的来源是个谜，20世纪初量子力学诞生后，解决了金属导电问题。基于Bloch假设：晶体中原子的外层电子，适应晶格周期调整它们的波长，在整个晶体中传播；电子-电子间没有相互作用。这是量子力学的简化模型，没有考虑电子间的相互作用，特别是在局域态电子的强相互作用。2003年又有人提出了金属导电问题，Phillips和他的同事以“难以琢磨的Bose金属”为题重新讨论了金属导电问题[24]。当计入电子间的相互作用时，可能产生的多体态，超导和巨磁阻就是这种状态。晶体中的缺陷破坏了完善导体，导致电子局域化。电子与核作用的等效结果表现为电子间的吸引作用，导致电荷载流子为Cooper对。但这个对的形成，不是超导的充分条件。当所有Cooper对都成为单量子态时，才能观察到超导性。这样，对于费米子由于包利(Paulii)不相容原则，不可能产生宏观上的单量子态。Cooper对的旋转半径小于通常两个电子相互作用的空间，成为Bose子。宏观上呈现单量子态，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化电子范围内，超导性可能认为是玻色-爱因斯坦凝聚，这个观点现今被很多人接受。从20世纪初至今，对于基本粒子的量子统计有两种，一是Fermi统计，遵从Paulii不相容原理，即每个能量量子态上只能容纳自旋不同的2个电子，而Bose子则不受这个限制。在凝聚态物质中有两个基态：即共有化Bose子呈现超导态，局域化Bose子呈现绝缘态。然而，在几个薄合金膜的实验中，观察到金属相，破坏了超导体和绝缘体之间直接转换。经分析认为这是玻色金属态，参与导电的是Bose子。推断这个金属相可能是涡流玻璃态，这个现象在铜氧化物超导体中得到了验证。
软凝聚态物质研究的对象是原子、分子间不仅存在短程作用力，而且存在长程作用力，表观上呈现的粘稠物质形态，称为软凝聚态。至今，人类对于晶体和原子存在强相互作用的固体已经知道得相当透彻了，但对软凝聚态的很多科学问题还没有深入研究，21世纪以来，引起了科学家的极大兴趣。软凝聚态物质包括流体、离子液体、复合流体、液晶、固体电解、离子导体、有机粘稠体、有机柔性材料、有机复合体，以及生物活体功能材料等。这其中的液晶由于在显示器件上的很大市场需求，是被研究得相当清楚的一种。其他软凝聚态结构和特性的科学问题和应用前景是目前被关注的研究课题。这其中主要有：微流体阀和泵、纳米模板、纳米阵列透镜、有机半导体、有机陶瓷、流体类导体、表面敏感材料、亲水疏水表面、有机晶体、生物材料(人造骨和牙齿)、柔性集成器件，以及他们的复合，统称为分子调控材料(materials of molecular manipulation)。其主要特征是原子结构的多变性和柔性，研究材料的设计、制造、结构和特性的测量、表征，追求特殊功能；理论上探讨原子结构的稳定体系，光、电、热、机械特性，以及载流子及其输运。关于软凝聚态物质，有些早已为人类所用，电解液、液晶等，但对其理论研究处于初期阶段。科学的发展和应用的需求促进深入的理论研究，判断体系稳定存在的依据是自由能最小，体系自由能可表示为F=E-TS，其中S是熵。对于软凝聚态物质体系，S是重要参量。其中更多的缺陷，原子、分子运动的复杂行为，更多的电子强关联，不再是单粒子统计所能描述，需要研究粒子间存在相互作用的统计理论。多样性是这个体系的突出特征，因此其理论涉及广泛、复杂问题。
物理学是探索物态结构与特性的基础学科，是认识自然和发展科技的基础，其中以原子间有较强作用的稠密物质体系为主要研究对象的凝聚态物理近些年有了迅速进展，研究范围不断扩大，从固体结构、相变、光电磁特性扩展到液晶、复杂流体、聚合物和生物体结构等。几乎每一二十年就有新物质状态被发现，促进了人类对自然的认识和对其规律把握能力，推动了科学和技术的发展。21世纪仍有一些老的科学问题需要深入研究，一些新科学问题已提到人们的面前。特别是低维量子限域体系和极端条件下的基本物理问题。20世纪80年代出现的介观物理，后来发展成为纳米科技所涉及的学科领域。与宏观体系和原子体系相比，低维量子限域体系，还有很多物理问题有待解决，人们熟悉的宏观体系得到的规则和结论有些不再有效，适用于低维量子限域体系的处理方法和理论需要探索，特别是将涉及到多层次多系统问题的描述和表征，将会有更多的新现象、新效应、新规律被发现。在纳米尺度，研究原子、分子组装、测量、表征，涉及有机材料、无机／有机复合材料和生物材料，这将大大的扩展了物理学研究的范围和深度。涉及的重大科学前沿问题和重点发展方向有①强关联和软凝聚态物质，及其他新奇特性凝聚态物质；②低维量子限域体系的结构和量子特性，包括纳米尺度功能材料和器件结构和特性；③粒子物理，描述物质微观结构和基本相互作用的粒子物理标准模型和有关问题，以及复杂系统物理；④极端条件下的物理问题，探索高能过程、核结构、等离子体、新物理现象和核物质新形态等；⑤生命活动中的物理问题，物理学的基本规律、概念、技术引入生命科学中，研究生物大分子体系特征、DNA、蛋白质结构和功能等，其研究关键将在于定量化和系统性，必然是多学科的交叉发展，成为未来科学的重要领域。
6 结论
本文讨论了纳米线涂层的结构和特性，重点是纳米线的复合涂层和其电学特性、光电特性。其中包括制造技术新观念，纳米材料的完美定律，纳米涂层的热-电效应，碳纳米管的侧向场发射，以及电子强关联体系和软凝聚态物质，展示了涂层科学与技术的发展前景。
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功能材料课程涉及范围广、教学内容多、更新速度快，传统的教学方法难以满足本课程的教学需求。根据功能材料课程的特点，我们提出了专题教学与主题探讨相结合、学生讲授与教师总结相结合、理论教学与实验教学相结合、生活认知与教学内容相结合、基础知识与最新进展相结合等“五个结合”教学方法，以促进本课程教学质量的提高。
关键词：
功能材料；教学方法；教学探索
材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质，是人类一切生产和生活活动的物质基础。一种新材料的出现，常常引起生产力大发展，推动社会进步。材料科学是一门研究领域十分宽广的学科，涉及结构材料和功能材料两大类。功能材料是指具有特定的电、磁、声、光、热、湿、气、生物等特性的一大类材料，涉及的面宽、用途广，主要用于制造信息、能源、电工、电子、通讯、计算机、仪器、仪表、航空航天、生物医疗等领域的功能元器件，可以实现对能量和信号的吸收、存储、传感、控制、处理、转换、传送和发射等功能[1]。《功能材料》是我校金属材料工程专业发展平台重要课程。学生通过该课程的学习，开阔视野、拓展思路，同时，本课程突破了传统专业教学内容的局限。但由于该课程理论难度大、覆盖范围广、课时量有限，教学的方式方法面临挑战，本文结合教学实际，提出“五个结合”的教学方法，并进行了有益的探索与实践。
一功能材料课程的教学思路
功能材料课程是学生已经学习了《材料科学基础》等专业基础课的基础上开设的，学生已经对材料的组成、结构、制备、性能和应用及其相互之间的关系有了一定的认识，本门课程调动学生的学习积极性应该从知识活、内容新上下功夫，以此认识功能材料功能应用的机理，阐明材料组成、结构与性能之间的关系，挖掘功能材料在生产、生活中的应用，甚至反过来，从应用中的功能材料的功能性的表象进行总结，测试分析其成分、组织和结构，再对其功能性进行解释和探讨。随着时代的进步及科学技术的发展，功能材料已经被应用到各行各业中，功能材料种类繁多，且在不断完善和更新，功能材料的授课，必须关注生活、关注学术前沿，将生活中见到的新产品、科研上的新方法、研究获得的新成果扩展到教学内容中，才能激起学生的学习共鸣[2]。功能材料课程信息量大、系统性不强、更新速度快，由于学时有限，不可能面面俱到。在保证完成基础理论知识教学的情况下，开拓学生视野、扩大学生知识面，根据我校金属材料工程专业面向地方培养应用技术人才的目标及专业前期课程开设情况，我们重点选取超导材料、储氢合金、形状记忆合金、磁性材料、非晶态合金、半导体材料、微电子器件材料、光学材料、精细功能陶瓷、纳米材料、功能转换材料等专题的内容进行讲述。为改善教学效果，从功能材料的角度培养学生提出分析、分析问题和解决问题的能力，我们提出将专题教学与主题探讨相结合、学生讲授与教师总结相结合、基础理论与实验教学相结合、生活认知与教学内容相结合、基础知识与最新进展相结合。
二功能材料课程的教学探索
（一）专题教学与主题探讨相结合
功能材料课程最适合专题讲座式教学，每一类功能材料均可以做一个专题进行讲解，从该功能材料的机理、分类、结构、应用及进展等进行阐述，层次清楚、脉络清晰，学生很容易从宏观上把握该种功能材料，但是核心内容却容易忽略。由于本课程涉及的功能材料在我们的日常生活中、影视资料中或多或少都能接触到，结合教材提供的资料，基本上所有的同学都能参与到讨论中。如：在学习“超导材料”一章时，一个班42名学生，分成6组，每组7人，分别讨论了“什么样的材料是超导材料?”、“为什么这些材料具有超导电性？”“超导材料有用吗？”，同学之间、师生之间通过一节课的讨论和探究，相互启发、相互帮助、相互影响和相互补充，答案已经十分清楚，教师再加以梳理，并对学生理解不透的地方进行系统阐述，完全可以让学生对超导材料有深入的认识。
（二）学生讲授与教师总结相结合
学生通过小组组队自学学习自己感兴趣的专题或其中的小节，然后将自己所学、理解的内容讲授给其他同学，这是一种有效的学习方式。学习功能材料课程的学生为大三学生，已经具备材料科学相关基础的知识，并具有一定的自学能力，能够通过查找、阅读文献创造性地将当前研究的热点、出现的新材料或自己感兴趣的方向进行总结，在教师指导下制作成演示文稿，小组选出一人在课堂上为其他同学做报告。从而使学生达到在亲身体验中对外部信息的收集、整理、加工、反馈、调整和内化，加深学生对所学知识、理论的理解，搭建合理有效的认知结构，且学生通过自己的努力了解了该领域的最新发展动态和国际前沿，得到教师和同学的肯定了激发学生的兴趣。此外，学生参与讲授的教学方法有利于学生解开思维定势、条条框框的枷锁，能够比较自由的进行思维和表达，为学生提供了培养创新意识的环境和机会，《功能材料》这门课程涉及知识面广，学生发挥空间大，能有效的满足学生的好奇心、表现欲和成就感。最后，学生参与讲授的教学方法丰富了学生的情感、精神体验，教学过程容易形成师生共鸣的局面，通过讲授后对其他同学问题的解答、讨论及教师的补充和总结，有利于激起学习的热情，在民主、平等的氛围中学生更愿意提出自己的想法和观点，能从学习中体验到兴奋和快乐，容易使其他学生受到感染，能够增强参与意识，体会到合作的乐趣，增加师生、生生之间的友情。
（三）理论教学与实验教学相结合
《功能材料》是一门理论性与实践性都很强的课程，每一种功能材料的功能特性都基于自身的理论基础，学习功能材料的基础理论困难且不易理解。结合理论课程的学习，穿插实验教学环节，可以让学生从现象出发，逐步深入认识功能材料其功能应用的机理。我们结合现有的仪器设备，根据课程内容、学生认识的需要，有针对性的进行了实验项目的开发设计。开发的实验项目，如：储氢合金的吸释氢性能实验、新型合金材料的设计与制备实验、活性氧化铝对溶液中氟离子的选择性吸附实验、材料成型及热电材料的温度检测等实验项目。另外，对于没有条件开设的实验项目，采用观看视频的形式观看实验过程及现象。通过实验教学，学生加深了对基础理论的理解和认识。
（四）生活认知与教学内容相结合
功能材料是物理、化学、电子、生物等科学的交叉学科，涉及范围广，教学内容多。按材料成分分类，包括：金属材料、无机非金属材料、高分子材料及复合功能材料；按功能特性分类，包括：物理功能材料（如：光学材料、电子材料、磁性材料、声光材料、热电材料等）、化学功能材料（如：感光材料、催化材料、储能材料、可降解材料等）、生物材料（如：生物医药材料、仿生材料等）和核功能材料等。虽然课程内容多，但是每一种功能材料几乎都能在实际生活中找到相应的应用实例，例如：学习光学材料时，以日常生活中经常见到的日光灯、眼镜、光纤、荧光粉、液晶等学生经常看到的材料来进行讲解，而学习磁性材料时，则以硅钢片、磁盘、磁带等为突破口着手进行学习[3]。将课程中每类功能材料的“制备—结构—性能—应用”等各个方面的学习，融入到对日常生活材料的认识、解释及设计，不仅能有效提高学生的学习兴趣，同时改变学生对学习课程知识无用的观念。
（五）基础知识与最新进展相结合
到目前为止，功能材料层出不穷，已经得到了突破性的进展，而且功能材料一直材料科学与工程领域最为活跃的部分，教材更新的速度远远跟不上功能材料发展的速度。因此，在学习某类功能材料时，这就要求将这类功能材料的基础知识与目前的最新的前沿动态紧密结合起来，把最新的科研成果带到课堂中，让学生第一时间了解本课程的进展情况，提高学生的学习兴趣。例如，在储氢合金研究方面，我校教师在稀土系AB3~3.5型无镁合金、金属铝氢化物贮氢材料动力学及电化学性能方面的研究成果比较突出，相关结果成果已经发表在“JournalofRareEarths”等期刊上，将这些内容带入课堂，使学生零距离接触科研最新前沿动态。此外，功能材料的研究并非一帆风顺、一蹴而就的，这是一个逐渐被认识和完善的过程，例如，在学习储氢材料时，从对“单壁碳纳米管储氢”的提出、实验、分析、讨论、再实验、理论否认等历史事件中认识功能材料研究的历程。
三结语
功能材料课程教学过程中，需要教师自身及时补充新知识，准确把握该领域的研究前沿，提升自身素质。根据课程特点进行教学方法的改革是高等教育教学改革的重要组成部分，而提高学生的课堂参与性、互动性是教学方法改革的主要方向。充分发挥以上“五个结合”的教学方法，不仅可以顺利完成本课程规定的教学要求，而且能使学生充分的参与到课程的教学过程中，形成正确的学习态度，实现良好的教学效果。
参考文献
[1] 殷景华,王雅珍,鞠刚等.功能材料概论.哈尔滨工业大学出版社,2009.
[2] 雷艳秋,赵文芝,田福利等.功能材料课程教学探索与实践.广州化工,2013,41(22):174-175,184.
【关键词】 战略性新兴产业 新材料 功能材料 高新技术
1 引言
材料工业是国民经济的基础和支柱产业，新材料是材料工业发展的前提与条件，新材料的核心是功能材料。可以毫不夸张的说，功能材料是21世纪具有决定意义的高新技术的集中体现；它不仅是国家战略性新兴产业的基础与先导，而且反过来对高新技术的发展起着极为重要的支撑与推动作用。功能材料不仅是发展我国信息技术、生物技术、能源技术等高技术和国防建设的重要基础材料，而且是改造与提升我国基础工业和传统产业的基石、先导与依托，其研发与产业化水平，直接影响着我国资源、环境及社会的可持续发展。正由于功能材料的极其重要性，我国各地区、各部门、各领域都在制定相关规划、计划，并加大投入，狠抓创新，以及新品研发与成果产业化。
2 规划与方向：国家《新材料产业“十二五”发展规划》的出台，为新材料与功能材料科技与产业的发展指明了方向
工信部于2012年2月了《新材料产业“十二五”发展规划》。《规划》提出的预期发展目标是：研发投入明显增加，重点新材料企业研发投入占销售收入的比重达到5%；建成一批新材料工程技术研发和公共服务平台；打造10个创新能力强、具有核心竞争力、新材料销售收入超过150亿元的综合性龙头企业，培育20个新材料销售收入超过50亿元的专业性骨干企业，建成若干主业突出、产业配套齐全、年产值超过300亿元的新材料产业基地和产业集群；新材料产品综合保障能力提高到70%，关键新材料保障能力达到50%，并实现碳纤维、钛合金、耐蚀钢、先进储能材料、半导体材料、膜材料、丁基橡胶、聚碳酸酯等关键品种的产业化、规模化。
3 研发态势：百花齐放，千帆竞发，万马驰骋，发展迅猛
我国新材料与功能材料产业在政府的大力支持下发展迅猛，其产业集群亦随之逐步形成。从总体来说，该产业集群呈现两大特色，即：“自上而下”模式与“自下而上”模式。具体的说就是：“在政府主导下的新材料特色产业基地内形成产业集群”的模式与“企业由于资源、市场等原因自发形成的区域内的产业集群”的模式。其中，新材料特色产业基地内形成的产业集群之发展更为成熟。这类产业集群围绕着信息、生物、航空航天、新能源和重大装备等产业的发展需求，以电子信息材料、航空航天材料、新能源材料、环保节能材料等为重点，有计划、有步骤、脚踏实地建设出了一批批布局合理、发展均衡的部级的新材料与功能材料高新技术产业化基地。
我国新材料与功能材料产业的目前态势可概括为成“百、千、万、猛”，即：百花齐放，千帆竞发，万马驰骋，发展迅猛。
下面特就目前在该领域的建设与发展深具影响力、扩张力和代表性的十个城市（或地区）的相关情况作一简介：
3.1 北京：在发展新材料方面具有独特优势，其特点是起步早、实力最强
北京集中了中央各部委的30%-40%的主要材料科研机构和基础设施；在京的中国工程院院士和中国科学院院士的数量约占全国的50%。在稀土永磁材料、新型半导体材料、新能源与环保材料、高温超导材料、纳米材料、生物医用材料等领域已达到国内领先或国际水平，形成了一批具有自主知识产权的技术。在1999年，北京就拥有新材料生产企业400多家，实现销售收入90亿元。产品主要包括电子信息材料、生物医用材料、环境和新能源材料、新型建筑材料等。中关村科技园区的建设和科技体制的改革已成为推进北京新材料产业实现跨越式发展的主导力量；上市公司均成为北京新材料产业的龙头企业，科技创业空前活跃；继有研硅股上市后，中科三环、安泰科技、星新材料相继上市，一度成为资本市场关注的热点。
3.2 镇江、常州、连云港：功能材料产业企业遍地开花、数量甚大、规模可观
镇江市在新型功能材料和交通载用等领域设立了多项重大科技专项，并取得了丰硕的科研与产业化成果。具体地说，该市组织实施了“千吨级PAN基高性能碳纤维开发及产业化”、“高性能显示用液晶材料技术开发及产业化”等新型功能材料重大科技专项5项；还组织实施了“大型飞机用喷射成形7500铝合金轮毂及机体构件研制与产业化”等交通载用重大科技专项6项；共安排市科技成果转化资金1310万元，带动企业研发及产业化投入83475万元，产后将实现年新增销售收入23亿元。常州市湖滨科技园建立了常州聚合物改性与应用技术研究院、省级阻燃材料技术研究中心、江苏省高性能分子材料重点实验室等多个公共技术平台。并呈“一园两区”结构，其中，一区以新众精密合金等企业为核心；二区以阻燃材料、天常玻纤、湖滨科技园为核心。该市的新材料产业具有门类广、产业链短的特点。连云港市新材料产业持续向高端攀升。至2009年底，该市拥有规模以上新材料企业109家，实现产值占全市高新技术产业产值的40%。已形成以硅资源深加工为主，复合材料、电子封装材料等相关配套产业共同发展的特色产业。2008年，连云港市硅产业被国家发改委批准为“国家高新技术产业基地”。目前，该市拥有硅材料加工企业近400家，产品有石英玻璃管、硅微粉、晶体切片、碳化硅等十几个系列百余个品种。其中，硅微粉、石英玻璃管、石英玻璃原料的产量已占到全国的80%以上；压电石英晶体的产量占全国的60%以上。该市硅资源深加工产品市场已覆盖全国市场，并出口德、韩、日、美、巴西、荷兰、东南亚等国家和地区。
3.3 山东：山东是材料大省。该省资源广，加工能力强，新材料产业基础良好，优势明显
2008年全省新材料产业的产值高达6700多亿元，占全省材料产业总产值的30.8%。该省新材料领域的高新技术企业共871个，占全省高新技术企业总数的27.7%。该省涉及材料与新材料研发的高校、科研单位近30家，形成了一批具有较强实力的研发平台和产业化基地。截至2008年底，全省国家新材料产业基地5家，成果转化基地2家，国家重点实验室3家，国家企业技术中心11家。在高技术陶瓷、特种纤维、高分子材料等领域居国内优势地位，形成了具有山东特色的新材料产业；培育出了烟台万华、烟台氨纶、同大海岛新材料、山东东岳、山东工陶、威海光威、泰山玻纤等一批龙头企业，以及中材高新、莱芜爱地、威海拓展纤维等一批新兴新材料企业。
3.4 武汉：该市新材料产业发展的重点是复合绝缘子、光学玻璃、粘胶剂等，这些产品目前在国内外已拥有较高的认可度和知名度
在光学玻璃方面，新华光学占据国内光学玻璃近30%的市场，已成为国内第二大光学玻璃生产商；回天胶业是我国工程胶黏剂行业中最大的内资企业，它占有全国市场的15%左右；国网绝缘子占全国市场的27%左右，是国内挂网数量最大、涉及范围最广、出口产品最多的企业。粘胶剂、绝缘子、光学玻璃等，是该市重点发展的领域。“十二五”期间，高新区将利用回天胶业的研发优势，同时开拓新能源汽车胶黏剂市场；并以国网绝缘子为核心，引入绝缘子原材料生产厂商，同时拓展有机硅新材料海外市场。到2015年，武汉市高新区将吸引1至两家全球知名的光电子巨头入驻，新材料产业将实现工业总产值50亿元；工业增加值20亿元，并培育出5家以上的行业知名企业。
3.5 洛阳：该市矿产资源非常丰富，其中已探明的有钼、铝、金、银、钨等甲类矿产资源50余种，且其储量大、品位高。这为该市新材料产业的发展提供了坚实基础
洛阳市2010年重点发展的五大新材料产业：一是晶体硅半导体材料及太阳能光电产业；二是钼钨钛、新型耐火材料、铝镁板带、电子铜基材料等新型功能材料产业；三是电子玻璃、等离子玻璃基板等新型显示材料产业；四是聚氨酯等新型化工材料产业；五是超硬材料及其制品产业。根据规划，2015年该市新材料产业的总产值将达到1000亿元。届时，洛阳将成为全国重要的新材料产业技术辐射中心之一。
3.6 大连：该市在新材料产业各领域分别涌现出一批在国内具有影响、地位和规模的企业。这些企业在新能源材料、半导体材料、高分子材料等领域的若干产品和技术已处于国内领先地位
该市已完成了由原来的以精细化工材料为主的较单一的产业结构，向以新能源材料、半导体材料、高分子材料、金属复合材料、纳米材料和膜材料为主的多元产业结构的扩展。目前，该市共有规模以上新材料企业约100家，形成了以路明集团、新源动力、东北特钢、裕祥科技、宝力摩、兴科碳纤维、天邦膜技术国家工程研究中心等主要企业为代表的新材料产业群。尚需指出，大连在燃料电池开发方面具有明显的科技优势。目前，全国仅有4家企业具备生产数十千瓦燃料电池组的能力，大连新源动力股份有限公司就是其中之一，该公司还承担并完成了燃料电池国家工程研究中心的建设。此外，大连路明是世界上仅有的几家能够同时拥有发光材料和发光芯片两大半导体照明产业核心技术的企业之一。
大连市在新材料的研发方面，拥有得天独厚、引人注目的科技资源优势。坐落在该市的中科院大连化物所、光明化工研究设计院、大连合成纤维研究设计院股份有限公司、大连理工大学、大连海事大学、大连交通大学等研究院所、高等院校，由于它们在新材料领域有雄厚的科研开发实力和完善的材料创新体系，因此已成为了该市培植新材料产业的孵化器。这些单位使得该市在发光材料、涂料、膜材料、有机高分子材料等领域形成了明显的产业技术优势。
3.7 金昌：目前正在全力打造新材料产业“航母”
金昌是我国最大的镍钴金属等有色金属原材料工业基地，其镍钴、铂及钯、铑等贵金属产量分别占全国总产量的88%、90%、92%以上，被喻为中国的“镍都”。此外，金昌及周边还蕴藏着丰富的铜、铁、煤、萤石等矿产资源，可为金昌发展以有色金属为主的新材料产业和新型化工材料产业提供极为丰富的原料。对于金昌来说，发展新材料，尤其是在发展镍钴新材料、高档铜加工材料、铂族贵金属、新型钢铁材料、钛材产业、新能源材料等方面具有资源优势和产业基础。目前，在市区东部占地15平方公里的金昌新材料工业园区内， 5000吨镍及镍合金板材、1万吨羰基镍、1.5万吨海绵钛、6万吨精密铜镍合金等一大批重点项目正有序推进，部分已竣工试产。同时，经过“十一五”期间的快速发展，金昌市已具备年产15万吨镍、40万吨铜、1万吨钴、3500公斤铂族金属、200万吨水泥、200万吨硫酸和18万吨合成氨的生产能力。
3.8 宝鸡：在新材料产业的引领下，宝鸡的经济获得了快速的发展
宝鸡高新区着力培育和壮大新材料产业，特别是以稀有金属新材料、黑色金属压延加工材料等高性能结构材料、建筑新材料、新型包装材料等为主的新材料产业，使其在不长的时间内获得了迅猛的崛起，并呈现出发展速度快、经济效益好、辐射带动作用强的特点。
应该特别提及的是宝钛集团，它作为稀有金属新材料产业的龙头骨干企业，目前已集聚了200多家从事钛材及其它稀有金属深加工的企业，产品涉及航天航空、特种容器、钛粉、钛自行车、钛礼品等领域。集团内各企业的产品均已远销北美、欧洲等发达国家，并形成了以稀有金属材料深加工及前端关联产品开发为主线的企业集群；随着产业链条的不断延伸，该企业集群还正在逐步向以稀有金属材料深加工为主的纵向产业集群过渡。
另外，以黑色金属加工为主的高性能结构材料亦是宝鸡高新区新材料产业的重要部分。以宝鸡石油钢管有限公司、中铁宝桥股份有限公司为代表的高性能结构材料企业，先后承担了国家多项重点工程。其中，宝鸡石油钢管有限公司曾为我国“西气东输”重点项目提品支持，还曾中标印度东气西输项目。
3.9 浙江：浙江省新材料产业特色明显，优势突出。该省在磁性材料、电子用铜合金材料、单晶材料、有机硅材料、电子陶瓷、新型建筑材料和工程塑料等多个领域，具有较高的产业集中度和较大的产业规模
新材料产业是该省改造传统产业的重要突破口。以纳米材料与技术为代表的新材料，已成为该省产业结构调整的重要切入点。同时，在特种金属材料产品更新、塑料产品改性与精细化工产品结构优化、建材产品升级、轻纺传统工业产品提升等方面，新材料也发挥了关键性作用。 20世纪80年代以来，浙江省经济技术开发区在建设过程中，于加快制造业集聚的同时，还成功地“孕育”了一批在全国占有重要地位的新材料产业基地。目前，国家火炬计划在浙江设立的新材料特色产业基地已达9家，占全国同类基地的1/5强。“十二五”期间，全省将在三大产业带建设14个区域性和跨区域的产业发展大平台，这无疑会给浙江省新材料产业的发展开辟更加广阔的空间。
3.10 重庆：重庆是位于我国西南边陲的工业重镇。在新材料产业方面拥有广泛而坚实的基础
近年来，随着以国家仪表功能材料工程技术研究中心、重庆材料研究院为主要依托的国家功能材料高新技术产业化基地的筹划、落户（2009.9.20）、开工（2010.7.6）和落成（2011.11.18），一个崭新的、现代化、高水平与高成果转化率为特征的功能材料产业化基地已在两江新区蔡家工业园拔地而起。该基地是我国功能材料产业化基地的后起之秀。可以说，它的落成与投产，是重庆新材料产业发展进入快车道的标志与里程碑，亦是重材人数十年奋斗的必然结果。
国家仪表功能材料工程技术研究中心是我国西南地区的第一个部级的工程技术研究中心。重庆材料研究院作为依托单位和战略性新兴产业的构成单元，经过多年的培育与发展，无论在功能材料的科技创新、新品开发还是产业化方面，都具备很好的基础，积淀了丰硕的成果。并且这些研究成果已广泛应用于石化、能源、航空航天、武器装备、工业自动化等领域。
现在领跑重庆地区新材料与功能材料产业的国家功能材料高新技术产业化基地，不但涵盖了重庆材料研究院，而且还包括四联LED产业研发制造基地、川仪仪器仪表基地、勤上光电LED照明产业基地、杜克高性能密封材料及密封件出口生产示范基地等7大项目。这7大项目共占地1345亩，协议投资58.2亿元，预计年产值达105.5亿元。到2020年，该基地将成为国际先进、国内一流、西部领先、规模最大的功能材料高新技术产业化基地。
4 整体状况：持续增长，规模可观，国家重视，前程似锦
上面，本文以最具影响力与代表性的十个城市（或地区）为例，简介了我国新材料与功能材料产业的研发态势；下面，拟从全局的角度，阐述一下我国目前新材料产业的整体状况；有关资料表明，我国新材料与功能材料产业近十年来，一直保存着良好的增长态势，2006年产业规模为291.7亿元；2007年，其市场规模已成为仅次于美国的第二大市场；2008年我国市场对聚烯烃、苯乙烯和聚酯的需求增长达20-35%；2010年新材料产业规模超过823.7亿元。据不完全统计，我国从事新材料研究的科研单位有300多家，研究人员超过10万人，新材料生产已成规模的企业超过1000家，在国家所属普通高校中有200多所大学设有材料学院或材料专业，在160多个国家重点实验室中，有20个实际上是新材料研究基地。近十年来，国家发改委和科技部建设的工程技术研究中心共204个，其中与材料相关的占40%以上，换言之，这10年里，又有近100个新材料产业化基地面世。
还必须指出，国家出台的一些重大科技研发和产业化计划均把新材料列为重点支持的领域之一。与新材料研发与产业化相关的“计划”、“基金”与“专项”有：“863计划”、“973计划”、“火炬计划”、“科技攻关计划”、“中小企业创新基金”、“国家自然科学基金”“西部新材料行动计划”、“高技术产业化新材料专项”等。
5 市场需求与主要问题
据有关文献报导，全球新材料与功能材料的市场规模每年已经超过4000亿美元；而其所带动而产生的新产品、新设备和新技术市场则更为广阔，其年营业额已突破2万亿美元。据《中国新材料产业发展报告》预测，在未来一段时期，中国新材料与功能材料产业市场之年均扩张速度将保持在20%以上。为此，无疑还将引发多资本进入，从而进一步加快产业市场的扩张速度。据预测，2012年中国新材料产业的市场规模将超过1300亿元。
经过多年的发展，加之产业集群化的发展趋势日益强化，近年来，国内新材料与功能材料产业基地如雨后春笋般涌现，全国先后设立了9家国家新材料高新技术产业基地和170余家和新材料相关的特色产业基地。可以说，我国新材料与功能材料产业已经具备了一定的基础和实力。但是，务必指出，从总体而言，我国新材料与功能材料产业仍处于发展期，在创新能力、合作机制、人才等方面均存在着若干问题：一是我国在高端产品方面还未掌握“话语权”，拥有自主知识产权的产品所占比例不大；二是产业链虽基本完整，但关键链接还存在缺陷；三是具有世界水平的科学家、科技领军人才、工程师和高水平创新团队的数量还不不足以满足高速发展的产业需求。
6 目标与对策：目标是“做新做大做强，不断‘成长’”；对策可概括成“定位、前瞻、合作、引导、投资、人才与交流”
现代装备制造业是人类社会迈向现代化的基石、支撑与标志。因此，近代，特别是21世纪以来，现代装备制造业获得了越来越高速的发展。这使得人们对新材料，尤其是对其核心的新型功能材料的需求越来越大，要求越来越高。在这种背景下，功能材料产业不得不走“做新、做大、做强，不断‘成长’”之路――这亦是我国功能材料产业的发展目标。
“做新”包括两个方面：一是产业发展过程中，务必着眼于“新”，即，要着力抓好新材料、新产品、新工艺、新技术、新设备的研发及其产业化；二是务必立足于 “创新”，即要做到：观念创新、知识创新、科技创新、管理创新（包括流程创新、营销创新、服务创新和成果转化平台创新等）。同时，功能材料产业还务必“做大”、“做强”。因为，只有“做大”“做强”才能适应人类社会迈向现代化的步伐。至于要求功能材料产业不断“成长”，这是因为：只有这样，才能持续满足社会现代化进程对功能材料产业发展提出的永不停息的和与日俱增的要求。
本节标题中的“对策”有两层含义：一是针对上节指出的我国新材料与功能材料产业在目前所处的发展期中所存在的几个问题，提出若干解决方案；二是针对如何实现我国功能产业的发展目标，列出了几条可供思考与选择的几条建议。这些方案或建议是：
6.1 定位
发达国家都十分重视新材料在国民经济和国防安全中的基础地位和支撑作用，都把发展新材料作为科技发展的战略目标，在制定国家科技与产业发展计划时将新材料列为21世纪优先发展的关键技术，予以重点支持。以上所述，既是世界发达国家对新材料的认识与态度，亦是我们关于新材料的战略定位。换言之，在我国，各界已取得了高度共识，即：新材料是国民经济的基石，国防安全的支撑，务必将之作为21世纪应优先发展的战略性新兴产业，予以重点支持，使之快速发展！
6.2 前瞻
“好棋手能看三步以后”。发展新材料与功能材料材料科技与产业同样需要“能看三步以后”的非凡胆略与远见卓识。无论是科技工作者，还是创业者，都务必具有科学技术的前瞻性，都应持续不断地开展战略研究。我们应进一步凝练、提升创新成果，调整、瞄准发展方向，紧跟国外先进国家的发展步伐，并逐渐形成自己的特色，同时，不懈拓展科技与产业的发展空间，只有这样，才能永远立于不败之地。
6.3 合作
要进一步加强和优化与国内材料科技与产业领域各研发机构的分工合作，以形成优势互补、有序竞争、合作互利的格局。我们一方面要通过科技成果的转移转化，及其产业化、规模化，提高企业产品的设计、工艺、质量和性能水平，推动产业结构调整升级，促进地方经济社会发展；另一方面，还要通过上、下游产业更直接地了解市场需求，并从中提炼出科学和技术问题，有目标地开展基础和前沿研究，引领产业发展的未来。
6.4 引导
新材料与功能材料科技与产业的持续发展 ，离不开政府的关心、引导、支持、投入和及时、完善的服务。长时间以来，新材料特别是功能材料产业一直得到了政府在科研经费投入、产业规划制定、产业政策倾斜和科技成果转化等方面的大力支持。因此才实现了产业的健康、持续与阔步的发展。在此基础上，笔者建议，对于成熟度较高的行业，应建立专门的“智库”，即诚邀国内外有知名度、有经验、有话语权、有资源，有过合作的国内外企业家、科研院所专家、行业协会领导作为行业或者企业的咨询顾问，以进一步强化行业或企业的发展优势。
6.5 投资
为了实现办大事、办好事、办快事的目标，投资务必由分散支持向集中支持转变。我们要完善重大科技成果转化和产业项目统筹工作机制，要通过资金的统筹管理和使用，进一步整合资源，统筹资金投入；要实现项目来源由单点征集向广范围、多层面、多渠道征集转变，产业投入务必由分散决策向集中统筹转变，集中力量办大事，加大对重点产业的支持力度。
6.6 人才
新材料人才是指具有一定新材料专业知识或专门技能，从事新材料领域创造性劳动，并对新材料事业及经济社会发展做出贡献的人，是人力资源中能力和素质较高的劳动者。新材料人才资源是我国新材料发展的根本。新材料科技与产业的竞争，其根本是人才的竞争。抓人才，无非是要实现三个目的。一是实现新材料人才资源总量的翻升；二是提高新材料人才整体素质；三是优化新材料人才资源结构。要通过实施若干人才工程，培养一批世界水平的科学家、科技创新创业领军人才和高水平创新团队。在具体做法上，要引导广大科技人员、干部职工和研究生树立正确的人生观、世界观和科技价值观，要让广大科技骨干把主要精力用于科研，因为科学研究是老老实实的学问，需要专注和专心。要扩大科研工作者的自。要使新材料研发团队形成合理的年龄结构、知识结构、功能结构，不断提高其整体创新能力、水平和效率。
6.7 交流
交流有多种形式：一对一的交流；小组内的研讨，大范围的学术交流。这里笔者主要是想强调：要充分利用好学术交流活动的成果。在这个问题上，世界级大科学家钱学森的态度是明朗的，对我们的教导是深刻的、久远的。他曾明确提出“学术活动的成果，对科技经济发展有哪些建议，应有专门的反映。不是送一个大本本，而是要加工，要把那些有分量的建议整理好后送中央，发挥助手的作用”，由此，可以看出学术交流活动的成果之重要性。中国功能材料核心服务平台有很多久负盛名的有品牌地位的学术会议，如“中国功能材料及其应用学术会议”、“中国功能材料科技与产业高层论坛”等，还拥有许多知名的，甚至世界级的科学家、专家。我们要把这种“专家群体”的整体优势，与“学术交流活动的成果”有机结合，使已取得的学术成果能有效地转化成为工艺、技术、产品等，进而成为“做新、做大、做强”功能材料科技与产业，并使之“不断‘成长’”，持续发展的不竭之源。
关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展
abstract :this paper introduces the concept ，types，capability，preparation methods of functionally graded materials. based upon analysis of the present application situations and prospect of this kind of materials some problems existed are presented. the current status of the research of fgm are discussed and an anticipation of its future development is also present.
key words :fgm；composite；the advance
0 引言
信息、能源、材料是 现代 科学 技术和 社会 发展的三大支柱。现代高 科技 的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料,特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和 经济 实力,也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此,新材料的开发与研究是材料科学发展的先导,是21世纪高科技领域的基石。
近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因,一方面是各个学科的交叉渗透引入了新 理论 、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而fgm即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。
1 fgm概念的提出
当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5mw/m2, 其空气入口的前端热通量达5mw/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000k以上的温差,传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料,如金属基陶瓷涂层材料,由于各相的热胀系数和热应力的差别较大,很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面,消除物理性能的突变,使热应力降至最小[3]。
随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。 目前 梯度功能材料(fgm)是指以 计算 机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。
2 fgm的特性和分类
2.1 fgm的特殊性能
由于fgm的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2,因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比fgm有如下优势:
1)将fgm用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;
2)将fgm用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;
3)将fgm用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;
4)用fgm代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。
2.2 fgm的分类
根据不同的分类标准fgm有多种分类方式。根据材料的组合方式，fgm分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化fgm分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度fgm，成分fgm，光学fgm，精细fgm等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热fgm，生物、化学工程fgm， 电子 工程fgm等[7]。
3 fgm的应用
fgm最初是从航天领域发展起来的。随着fgm 研究的不断深入,人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化,可制备出具有声、光、电、磁等特性的fgm,并可望应用于许多领域。
功 能
应 用 领 域 材 料 组 合
缓和热应
力功能及
结合功能
航天飞机的超耐热材料
陶瓷引擎
耐磨耗损性机械部件
耐热性机械部件
耐蚀性机械部件
加工工具
运动用具:建材 陶瓷 金属
陶瓷 金属
塑料 金属
异种金属
异种陶瓷
金刚石 金属
碳纤维 金属 塑料
核功能
原子炉构造材料
核融合炉内壁材料
放射性遮避材料 轻元素 高强度材料
耐热材料 遮避材料
耐热材料 遮避材料
生物相溶性
及医学功能
人工牙齿牙根
人工骨
人工关节
人工内脏器官:人工血管
补助感觉器官
生命科学 磷灰石 氧化铝
磷灰石 金属
磷灰石 塑料
异种塑料
硅芯片 塑料
电磁功能
电磁功能 陶瓷过滤器
超声波振动子
ic
磁盘
磁头
电磁铁
长寿命加热器
超导材料
电磁屏避材料
高密度封装基板 压电陶瓷 塑料
压电陶瓷 塑料
硅 化合物半导体
多层磁性薄膜
金属 铁磁体
金属 铁磁体
金属 陶瓷
金属 超导陶瓷
塑料 导电性材料
陶瓷 陶瓷
光学功能 防反射膜
光纤;透镜;波选择器
多色发光元件
玻璃激光 透明材料 玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半导体
稀土类元素 玻璃
能源转化功能
mhd 发电
电极;池内壁
热电变换发电
燃料电池
地热发电
太阳电池 陶瓷 高熔点金属
金属 陶瓷
金属 硅化物
陶瓷 固体电解质
金属 陶瓷
电池硅、锗及其化合物
4 fgm的研究
fgm研究 内容 包括材料设计、材料制备和材料性能评价。
4. 1 fgm设计
fgm设计是一个逆向设计过程[7]。
首先确定材料的最终结构和 应用 条件,然后从fgm设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构,以及制备和评价 方法 ,最后基于上述结构和材料组合选择,根据假定的组成成份分布函数, 计算 出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数,就有可能计算出fgm体系中最佳的温度分布和热应力分布,此时的组成分布函数即最佳设计参数。
fgm设计主要构成要素有三:
1)确定结构形状,热—力学边界条件和成分分布函数;
2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;
3)采用适当的数学—力学计算方法,包括有限元方法计算fgm的应力分布,采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。
fgm设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合,借助于计算机辅助设计系统,得出最优的设计方案。
4. 2 fgm的制备
fgm制备 研究 的主要目标是通过合适的手段,实现fgm组成成份、微观结构能够按设计分布,从而实现fgm的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(pm) ,自蔓延高温合成法(shs) ;涂层法:如等离子喷涂法,激光熔覆法,电沉积法,气相沉积包含物理气相沉积(pvd) 和化学相沉积(cvd) ;形变与马氏体相变[10、14]。
4. 2. 1 粉末冶金法(pm)
pm法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形,然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性,可获得热应力缓和的fgm。粉末冶金法可靠性高,适用于制造形状比较简单的fgm部件,但工艺比较复杂,制备的fgm有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。pm法具有设备简单、易于操作和成本低等优点,但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的fgm有:mgc/ ni 、zro2/ w、al2o3/ zro2 [8]、al2o3-w-ni-cr、wc-co、wc-ni等[7] 。
4. 2. 2 自蔓延燃烧高温合成法(self-propagating high-temperature synthesis 简称shs或combustion synthesis)
shs 法是前苏联 科学 家merzhanov 等在1967 年研究ti和b的燃烧反应时,发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应,此后化学反应在自身放热的支持下,自动持续地蔓延下去, 利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：
shs 法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的fgm。但shs法仅适合存在高放热反应的材料体系,金属与陶瓷的发热量差异大,烧结程度不同,较难控制,因而 影响 材料的致密度,孔隙率较大,机械强度较低。 目前 利用shs 法己制备出al/ tib2 , cu/ tib2 、ni/ tic[8] 、nb-n、ti-al等系功能梯度材料[7、11]。
4. 2. 3 喷涂法
喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺,适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常,将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内,并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上,其成分是部分稳定氧化锆(psz)陶瓷和nicraly合金[9]。
4. 2. 3. 1 等离子喷涂法(ps)
ps 法的原理是等离子气体被 电子 加热离解成电子和离子的平衡混合物,形成等离子体,其温度高达1 500 k,同时处于高度压缩状态,所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流,速度可高达1. 5 km/ s。原料粉末送至等离子射流中,粉末颗粒被加热熔化,有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷射在基底上,快速冷却固结,形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例,调节等离子射流的温度及流速,即可调整成分与组织,获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成,沉积效率高,无需烧结,不受基体面积大小的限制,比较容易得到大面积的块材[10],但梯度涂层与基体间的结合强度不高,并存在涂层组织不均匀,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出tib2-ni、tic-ni、tib2-cu、ti-al[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
激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末a放置在基底b上,然后以高功率的激光入射至a并使之熔化,便会产生用b合金化的a薄涂层,并焊接到b基底表面上,形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比,在上述覆层熔覆的同时注入,在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程,就可以获得任意多层的fgm。用ti-a1合金熔覆ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层a的数量和厚度,以及熔区的深度来获得,熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能,但由于激光温度过高,涂层表面有时会出现裂纹或孔洞,并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备ti - al 、wc -ni 、al - sic 系梯度功能材料[7 ] 。
4.2.3.3 热喷射沉积[10]
与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化,并喷涂到基底上凝固,因此,建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中,这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒,典型的如sic或al2o3,一般保持固态,混入金属液滴而被涂覆在基底,形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中,通过连续地改变增强颗粒的馈送速率,热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/sic复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。
4.2.3.4 电沉积法
电沉积法是一种低温下制备fgm的化学方法。该法利用电镀的原理,将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中,通过注入另一相的悬浮液使之混合,并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度,在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来,最后得到fgm膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃,涂层的主要材料为tio2-ni, cu-ni ,sic-cu,cu-al2o3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层,以改变固体材料的表面特性,提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能,该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低,精度易控制,生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5 气相沉积法
气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度,在厚度方向上实现组分的梯度化,适合于制备薄膜型及平板型fgm[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制备出大厚度的梯度膜,与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出si-c、ti-c、cr-crn、si-c-tic、ti-tin、ti-tic、cr-crn系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(pvd) 和化学气相沉积(cvd) 两类。
化学气相沉积法(cvd)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合,在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度,精确地控制材料的组成、结构和形态,并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化,可得到按设计要求的fgm。另外,该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的fgm,因而受到人们的重视。主要使用的材料是c-c、c-sic、ti-c等系[8、10]。cvd的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。
物理气相沉积法(pvd)是通过加热固相源物质,使其蒸发为气相,然后沉积于基材上,形成约100μm 厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。pvd 法的特点是沉积温度低,对基体热影响小,但沉积速度慢。日本 科技 厅金属材料研究所用该法制备出ti/ tin、ti/ tic、cr/ crn 系的fgm [7~8、10~11]
4. 2. 4 形变与马氏体相变[8]
通过伴随的应变变化,马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此,在合适的温度范围内,可以通过施加应变(或等价应力) 梯度,在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18 -8 不锈钢(fe -18% ,cr -8 %ni) 试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围,但能提供一个简单的方法,可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料,这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。
4. 3 fgm的特性评价
功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计,为成分设计数据库提供实验数据,目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前,对热压力缓和型的fgm主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前,日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。
5 fgm的研究 发展 方向
5.1 存在的 问题
作为一种新型功能材料,梯度功能材料范围广泛,性能特殊,用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决,主要表现在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；
2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；
3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；
4）尚需完善连续介质 理论 、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多的实用价值;
6)成本高。
5.2 fgm制备技术总的研究趋势[13、15、19-20]
1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；
2）开发大尺寸和复杂形状的fgm制备技术；
3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；
4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。
5.3 对fgm的性能评价进行研究[2、13]
有必要从以下5个方面进行研究：
1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随 时间变化关系问题；
2）热绝缘性能；
3）热疲劳、热冲击和抗震性；
4）抗极端环境变化能力；
5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等
【关键词】建筑材料；绿色建筑；环保材料
引言：
新型节能性的环保建筑材料是我国建筑行业实现可持续发展的基本选择，将环境保护与清洁生产理念融入到建筑行业中，是我国未来建筑材料发展的必然趋势之一。介绍目前比较常见的新型节能环保材料，分析其性能，促进建筑行业更好更快的发展。
1.建筑节能环保材料类型与性能
1.1植物纤维
在目前比较常见的新型节能环保材料当中，可以二次利用的植物纤维材料是比较满足环保节能需求的一种建筑材料，因为可以再利用的植物纤维通常情况下都是被当成废弃物处理的植物秸秆以及藤条等材料，建筑材料生产厂家只需要对这些已经被定义为废弃物的材料进行二次加工，便可作成满足建筑需求的新型材料，控制了建筑材料成本，降低了整体工程建设成本。因为植物纤维的绿色环保特性比较明显，所以将其应用到房屋建筑当中，可以提升房屋使用质量，保证人们的身体健康[1]。
1.2石膏材料
石膏材料的使用时间较长，前些年石膏材料在建筑工程中仅能呗当做辅料使用，而随着相关技术的不断发展，石膏已经逐渐成为主要施工材料。通过使用石膏材料来代替传统的水泥材料，可以提升建筑施工的环保性。和传统水泥材料相互比较可发现，石膏制备条件与水泥相比更加简单，并且可以控制热能消耗。通过近年来的实际使用证明，在对相同体积建筑进行搭建时，石膏材料的实际使用量要明显小于传统的混凝土建筑材料，所以可以从侧面起到节约建筑材料的目的。而且石膏的安全性、环保性都要好于混凝土。因为石膏属于国家相关机构认证且承认的建筑材料，石膏中不含对人体有害的化学物质，并且在建筑废弃之后，石膏还可以被回收二次利用，长久价值较高[2]。
1.3泡沫玻璃
泡沫建筑材料是近年来刚刚兴起的一种新型的节能环保建筑材料，该材料的制备过程与传统的环保节能型材料相同，都是通过使用一些没有价值的废弃物，对废弃物进行二次加工，形成新型材料。泡沫玻璃材料是实际使用过程中，不仅可以起到隔音的作用，同时也可以防潮，提升建筑质量。在噪声污染日益加剧的当下，该材料的应用前景十分广泛[3]。
2.新型节能环保功能性建筑材料性能优化
2.1提升节能标准
建筑材料的基本特性就是要满足建筑的需求，所以新型建筑材料在性能上必须具有一定的优越性，满足防潮、耐热与隔音等方面的需求。因为生态环境逐渐恶化，所以人们的环保意识有了明显的提升，开始重视环保与资源节约等问题，而这些性能也成为建筑材料是否合格的判定标准。为了提升新型节能环采功能性建筑材料的实用性，在日后的工作中，相关工作人员需要加大材料质量管理力度，从保护环境的方面入手，对各种废弃物进行综合利用， 变废为宝。尽量的将废弃物通过循环生产的方式变成新型建筑材料，提升生产厂家和建筑单位的节能标准，使生产厂家在产品生产过程中选择最为节能的生产方式开展工作，对建筑材料的未来应用作出合理的规划，减少材料浪费情况的发生几率[4]。
2.2控制材料价格
虽然在科学技术的支撑下，各种新型节能环保功能型建筑材料林立，但是并没有广泛的推广到各个建筑行业中，追究这一情况产生的基本原因是因为新型节能环保功能型建筑材料的价格要明显高于普通建筑材料的价格，会提升建筑的施工成本，导致建筑施工单位的经济利益受到损害，影响其市场综合竞争力。所以在未来工作中，新型材料的科研人员需要将研究的重点转移到如何控制新型材料的生产成本以及改良生产技术上，通过各种新技术来降低生产成本，让新型节能环保功能性建筑材料价格下降到合理的区间内，保证新型材料可以更加广泛的应用到各项工程施工中[5]。
2.3因地制宜
建筑工程的空间分布比较广，而且地域性差异比较强，所以不同的施工环境需要使用不同的施工材料。在各种工程项目施工之前，相关工作人员需要到施工现场进行勘察，明确施工条件，根据场地条件与施工资金情况来选择建筑材料，保证工程建筑的正常开展。在施工中也要充分的利用各项资源，使用新型的节能环保功能性建筑材料，顺应可持续发展要求，提升工程施工质量。
2.4控制施工技术
新型节能环保功能型建筑材料和传统的建筑材料相比，施工技术有一定的差别，在实际使用中对施工技术的要求比较特殊，而且从近年来的使用情况来看，新型节能环保功能性建筑材料比较注重材料配套性与统一性，所以为了全面提升新型节能环保功能性建筑材料的实际使用质量，相关施工单位在未来一段时间的施工必须要重视材料配套设施建设，对施工技术严加管理，具有针对性的提出施工方案，提升工作人员综合技术水平，使新型节能环保功能型建筑材料的实用性更上一个台阶，满足可持续发展要求[6]。
2.5节能环保材料在建筑行业中的应用体现
围护结构体系属于建筑行业节能任务的主要表现形式，也是实现节能环保目标的关键性因素，在建筑过程中应该优先考虑使用具有理想透光率以及保温隔热性的玻璃材料，或者使用能充分利用太阳能这种有效节省能源的新型玻璃材料。比如在大型建设上程中选择使用太阳能光电板作为屋顶材料，因为建筑屋顶的采光而积比较大，容易获得理想的发电量。
施工大比例幕墙是近年来我国各大建筑工程都普遍使用到的一种节能措施，并已经发展为一种趋势。在建筑工程实际工作过程中，不应单纯的关注提升比例幕墙的应用，同时也要关注建筑物内部的门窗问题。门窗与幕墙都是建筑围护的主要组成部分，可以事先室内外的热量转换，对热传导十分敏感。大部分建筑工程门窗部件空气渗透所消耗掉的能源可以占到建筑工程的四分之一左右，门窗与幕墙二者的能耗综合起来超出建筑物整体能耗的一半多，所以在门窗与幕墙位置使用节能材料是是否能关键的。且经过最近几年的实际检验证明，选择科学化的节能环保材料，可以减少40%以上的能源消耗。
结束语：
生态环境的不断恶化，给人们敲响了警钟。新型节能环保建筑材料与可持续发展战略目标关联较大，所以如何将节能环保材料融入到建筑装饰中，已经成为相关工作人员迫切需要解决的问题。新型节能环保建筑材料使用前，设计人员必须要全面掌握各种装饰材料的特征以及这些材料可以起到的环保效果，在满足建筑基本需求的前提下，选择最合适工程建设的材料来提升人们对环保、发展的需求，促进可持续发展。
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为适应当今社会对人才能力的需求，2014年国务院做出“引导部分普通高校向应用技术型高校转型”的战略部署。应用技术型大学是以企业和产业的人才需求为培养目标，重点培养既具有一定的理论知识，又有较强的动手实践能力的专业型人才。另外，洛阳理工学院作为河南省首批应用技术型大学转型试点院校，对人才的培养目标、培养模式、课程体系等方面都进行了全面的改革。课程教学作为人才培养的最基本和最核心的单元，也必须进行全面的教学改革，以到达培养应用型人才的目的。
《功能材料》课程是材料物理专业的一门专业课程，以介绍光、电、磁、热等功能材料的组成、结构、性能、应用和发展动向以及隐身、梯度、纳米和智能等特种物理功能材料为主。在整个材料物理专业的本科教学过程中，《功能材料》起到承前启后的作用，复习加深学生对所学专业基础理论知识的理解，以及将所学理论知识运用到具体的功能材料上，对其结构和性能进行理论分析。另外，能够拓宽学生的知识面，开发学生的创新思维模式，对整个功能材料领域有一个较为全面的认识，为以后走向工作岗位和研究生学习提供方向指导。因此，本文以《功能材料》课程为研究对象，对转型高校课程教学改革的内容和方法进行初步探讨。
1教学内容改革
为适应应用型人才培养目标，加强学生的创新实践能力，需要对《功能材料》课程的教学内容作出相应的调整。教学内容应突出实用性，并且能够培养学生发现问题、思考和分析问题、解决问题的能力。因此，教学内容以材料的制备，以及“结构决定性能，性能决定应用”为主线对各类功能材料进行介绍。由于相关的理论知识已经在前期基础课程学习过程中进行了重点讲授，所以在本课程中对理论知识只是进行简单的复习，重点在于理论知识与实际生产生活相结合，注重培养学生理论知识的运用能力。另外，还要注重教学内容与学科发展前沿相结合，培养学生创新能力，使授课内容的具有先进性、趣味性和实用性，提高学生学习兴趣。同时，在课程内容的设置上，结合本地企业生产发展，使学生做到学以致用。例如：在学习《功能材料》课程的半导体材料章节时，可以结合洛阳光伏企业的生产发展现状，如粗硅的制备、提纯；单晶硅的拉制；多晶硅的铸锭；单晶硅和多晶硅片的生产过程，太阳能电池组件的生产；以及影响太阳能电池片效率的因素。通过分析整个太阳能电池的生产流程，学习了太阳能电池的原理，材料的合成过程，各项性能指标的测试，以及太阳能电池应用的实现。在通过分析生产过程的影响因素，利用所学知识，启发学生提出解决问题的方法。为以后在相关企业工作打下基础。
2教学方法改革
传统的填鸭式教学采用教师讲，学生听的教学方式，学生学习比较被动，缺乏学习兴趣和学习动力，参与度也不高。长此以往，毕业后学生在工作岗位上，不能进行独立思考，缺乏分析问题和解决问题的能力，甚至缺乏动手能力和创新能力。这样的毕业生无法满足工作岗位的能力需求，不能独立开展工作和解决实际问题，与应用技术型大学的培养目标不相符。因此，必须对传统的教学方法进行改革。首先，随着科技的发展，多媒体已经成为教学过程必不可少的辅助工具。它能将抽象的知识，直观的、形象的展现在学生的面前，更有利于激发学生的学习兴趣、主动性和积极性。但是，多媒体的运用并不是简单地将书本知识搬到多媒体上。而是要针对学生的具体情况对多媒体课件、音频和视频材料进行设计，这样就对任课教师提出了更高的要求，需要投入更多的时间和精力。第二，采用课堂小型报告会的形式，让学生参与到教学过程中，提高其学习知识的积极性和主动性。根据课程教学内容安排，通过让学生选取自己感兴趣的一种功能材料进行课外资料收集、整理，在课堂上给全班同学进行一次小型的报告会，听取报告的同学们可以自由的提出问题和讨论问题。这样的教学形式可以激发学生的兴趣，拓宽学生视野，使学生能够积极地参与到课堂教学中。另外，还锻炼了学生的胆量。第三，结合任课教师的科研进行讲解，一方面使学生对教师有更深入地了解，另一方面够激发学生学习兴趣，甚至参与科学研究的兴趣。
3考核方式改革
课程考核反映了学生的学习效果，为了实现应用型人才的培养目标，需要对课程考核方式进行相应的改革。将考核贯穿于整个课程教学过程中，采用平时成绩和期末成绩相结合的考核方式。提高平时成绩在综合成绩中所占的比重，包括课堂小报告的质量，出勤，平时作业，课堂表现等。增强学生平时学习的主动性和积极性，培养分析、解决实际问题的能力。
随着学校转型应用技术型大学，人才培养目标的重新制定，对课程改革的要求更加紧迫。对功能材料课程教学内容、教学方法和考核方式进行相对调整的同时，还应加强师资队伍的建设，积极开展教学方法及教学内容的交流和研究。不断探索功能材料课程教学的新思路、新模式。
作者：李继利 赵军伟 付芳 陈建 王晓琳 单位：洛阳理工学院材料科学与工程学院
“就如同二十世纪初美国杜邦公司发明了“尼龙”纤维而改变人们的生活方式一样，一项新材料的发明会对相关领域的发展产生深刻的变革。”北京新宇阳科技公司总裁王安生博士在介绍“多功能高分子电热膜”系列产品前意味深长地做了如上表述。在这位先后创立3家高新技术企业，手中握有多项国家专利的留日博士看来，由他历经4年，通过反复实验，最终成功研制的功能性高分子电热材料具有非同寻常的意义。
北京新宇阳科技公司，这家创建于2002年、总部坐落于中关村发展大厦的高新技术企业，是由美国KAI YUAN GROUP和日本新阳株式会社共同出资、注册的外商独资企业，同时也是北京市政府认定的高新技术企业。2003年，在王安生博士的倡导下，公司在怀柔经济技术开发区建立了近万平方米的研究开发中心和生产基地，“其用意就是将新宇阳作为技术引进和再创新的孵化器，不断形成具有自主知识产权的专利和专有技术。”谈到创办新宇阳的初衷，身为学者的王安生博士道出了他的心声。
三个“任意”凸显技术优势
在新宇阳位于中关村发展大厦的办公室里，王博士向记者展示了几种高分子电热膜应用实体。他介绍说，这种在日本称为“面状发热体”的产品，是通过架桥及选择性嫁接方式合成的高分子聚合物，在聚合和嫁接过程中使其具有正・负离子基团，并有激发其他分子活性的功能。对于发热材料本身而言，通电后碳素、金属颗粒等组分中的自由电子受到激发发生电子撞击，产生“布朗运动”，而后形成摩擦撞击热，并主要以远红外辐射的方式向介质传递热量。
作为一种以建筑供暖为主要用途的复合材料，由新宇阳生产的高分子电热膜具有其他供暖方式所不具备的优势。“我们可以根据用户需求生产任意规格、任意功率、任意电压的电热膜，为客户的不同需求提供全面的解决方案。”王博士向记者表示，由于该产品具有“三个任意”的特性，因此一经推出便得到国内外同行及上下游企业广泛认可，相关技术也获得了4项国家专利。
为电热膜“正名”
事实上，与过去用于顶棚供暖的电热膜相比，新宇阳开发的高分子电热膜从材质，技术、配套施工工艺到供暖效果都有着巨大的飞跃。王安生博士介绍说，首先在结构上，新宇阳的高分子电热膜采用面状基材作为载体，功能性高分子复合材料作为发热材料，而电极则采用经过特殊处理的金属丝，以织入的方式构成材料整体的导电性；其次在物理性能上，新宇阳高分子电热膜地板采暖系统可以因发热材料、电极和绝缘保护层的不同而具有不同的形态和性能，并且在使用寿命内功率始终不衰减，几乎与建筑物本身同寿；第三，在发热效率、节能指标和舒适度上，新宇阳高分子电热膜也表现突出。经测试，新宇阳高分子电热膜自身电热转换率近100%，节能约10-15%。
多领域应用前景广阔
“新宇阳的高分子电热膜不但在技术上是领先的，而且在多领域内有着良好的应用前景。”王博士指出，“该项技术在日本及韩国广泛应用于建筑供暖、道路融雪、工业供暖保温、户外保温、农业育苗以及医疗保健等领域。”目前，新宇阳的远红外电热膜的应用领域也基本含盖了以上提及的领域，尤其在室外卫星天线融雪、理疗保健方面具有非常广阔的投资获利空间。
此外，由于这种高分子材料可以通过前期制作加工改变电磁和红外波长，因此当新宇阳远红外电热护理产品一经推出，就以其突出的功能性迅速得到了消费者的普遍认可和好评。经国家红外产品质量监督检验中心检验，新宇阳远红外电热系统发出的远红外波长为7―12微米，这与人体发出的远红外线几乎是一致的，在医疗保健方面功能显著。
以华为MateBook X，win10为例。系统设置、基础信息管理、材料计划管理、材料收发管理、材料账表管理、单据查询打印、废旧材料管理。为了使计算机系统能协调、高效和可靠地进行工作，同时也为了给用户一种方便友好地使用计算机的环境，在计算机操作系统中，通常都设有处理器管理、存储器管理、设备管理、文件管理、作业管理等功能模块，它们相互配合，共同完成操作系统既定的全部职能。
（来源：文章屋网 https://www.wzu.com）
一、以点带面，不失时机地将相关知识渗透到课堂教学中，以促进数学教学中德育的落实与加强
职校数学教师中有不少人对数学学科史、经典数学了解不多，新教材中每一章的后面设置了相应的阅读材料，使我们认识到数学课不只是传授数学知识，更重要的是挖掘教材潜在的思想性和生动性，使枯燥无味的数学变得生动有趣。特别是面对职业学校学生数学底子薄、基础差，对数学课头痛的这些特点，更需要数学教师具有广博的数学知识，风趣的数学语言，这样才能收到良好的课堂效果。
从数学史的角度来看，中国古代和现代许多伟大的科学家和他们的成就都可以结合、渗透到教学中去，如商高定理、祖冲之圆周率、刘徽割圆术、祖原理、秦九韶公式等，将其与外国同类成就对比讲授，可以增长志气，激发学生的民族自豪感。因此，我们一定要重视对课外阅读材料的点拨和补充，把广博的数学学科知识和精湛的专业基础知识恰到好处地应用到课堂中去，才能激发学生的学习兴趣。
二、及时点拨，激发学生的求知欲，使其自主参与知识发生、发展的历程，真正感到数学是生动有趣的
职业学校的学生大多数不想学数学或讨厌学数学，是因为他们从小学开始就觉得数学课是枯燥无味的，教师在教学中要在恰当的时候给予点拨，使学生主动探索数学思想的发生、发展过程。如在讲到立体几何一章中球的体积公式一节时，我没有直接给出公式，而是讲了这一公式的发展史。公元50年的“九章算术”是我国目前所知的最早的数学专著，里面记载了关于球体的计算公式：V=9/16D（D是球的直径），古人采用“周三径一”取π=3，认为立方体内切圆柱体的体积是立方体体积的3/4，圆柱体内切球的体积是圆柱体的3/4，所以立方体内切球的体积是立方体体积的9/16。
东汉时期的天文学家、数学家张衡曾对这个公式的不确切性作了论述，但未改正，到公元263年，三国时期的杰出数学家刘徽开始对《九章算术》作注，球体积的不确切性引起了他的注意，他引入第四种立体：先把立方体自左向右作内切圆柱，再自前而后作内切圆柱。这时，球被包含在两圆柱相交的公共部分中，而与圆柱相切，给它取名“牟合方盖”记为V牟。用水平截面去截这个牟合方盖中的球，球的截面是圆，牟合方盖的截面为正方形，其面积之比为π∶4，于是由截面法原则得V球∶V牟=π∶4，或V球=π/4 V牟。
但刘微终没有求得V牟，从而问题没有真正解决。又过了大约600年，南北朝时期，数学家祖冲之和他的儿子祖仍借助于“牟合方盖”，终于发现了“缘幂势即同，则积不容异”的原理，这便是中学课本中提出的祖原理，最终得出了球体体积的正确公式：V球=4/3πr3。
通过对这个公式的发生、发展历程的讲述，学生深深体会到教科书中每一个定理的来之不易，大部分学生开始对所学的公式、定理问为什么，不明白的就跑阅览室查阅资料，查不到就直接上网获取信息。从古代的《九章算法》、《张丘建算经》到现代的《从数字到星空遨游》、《数学与人类发展史》等，已在某些学生的学习资料中出现。学生由兴趣开始走向自主探讨问题的发生、发展全过程，这不正是素质教育的真正体现吗？
三、开拓创新，让学生在发现中学习，体验到学习的乐趣，养成终身学习的好习惯
2013年，我成立了“数学知识趣味小组”，通过教师指导，学生学会了查阅资料，每周的活动时间，学生把个人收集的资料都拿来进行筛选，然后分为数学发展史类、疑难问题解答类、数学家的故事类、数学日常应用类等，互相补充，互相传阅。通过这项工作，学生感受到再创造的乐趣，甚至有些学生将收集到的知识打印成册，与全班同学共享，一时间报名人数骤增，我的第二课堂开展得有声有色。
电气石功能的复合型材料，一般情况下是将电气石与有机、无机、天然材料等复合而成的材料，经过复合之后，这些材料在功能和性质方面都发生了一些变化，可以使材料的性能得到进一步的优化，同时，经过复合之后，制造的成本还能降低，提高材料在使用方面的功能，满足人们对不同物质材料的需求。
一、目前我国电气石功能复合材料研究进展
目前，电气石在应用上主要包括以下几个方面：
1.环保方面
在空气以及水的净化方面，电气石的负离子对其的改善作用是十分明显的，在改善环境、促进人身体健康发展方面有着重要的作用。
2.保健行业
电气石具有防臭、抗菌、发射远红外线、抗静电、抗电磁波等功能，这些功能在人体保健方面有着极大的好处，因此，在一些人体休闲的场所得到广泛的应用，比如在汗蒸馆，可以通过电气石的复合型材料所释放出的能量，让人在静止的情况下细胞可以处于运动的状态，促进血液的循环，加快人体的新陈代谢，达到为人体进行治疗以及保健的作用效果。
3.建筑材料方面
在建筑材料，例如水泥、石材等方面加入电气石的微粉，在消毒、净化方面有着重要的作用，还可以去除污渍等。
4.农业方面
电气石材料应用在农业方面，可以使土壤的结构得到改善，从而促进农作物的生长，达到农作物增产的目的。与此同时，在养殖业、造酒业、鲜花的培育方面，电气石材料的应用都十分广泛。
二、电气石功能材料的发展前景
在电气石功能材料的诸多的研究以及应用之中，可以发现这样的现象，在改善环境以及促进各种产品的功能特性方面，电气石有着重要的作用，对我们的生产生活有着重要的意义。但目前为止，我们在电气石功能材料方面的研究和开发仍不够深入，需要我们去进行深层次的开发。
当前，电气石在应用方面仅仅是作为矿物的填料去应用的，虽然在实际的应用方面有一定的用处，也可以发挥出一定的作用，但从整体情况以及电气石的整个功用来看，并没能将其应用在比较高端的技术领域方面，若是可以在高分子的结构制备中将电气石的功能以化学化学键合的方式规则地引入其中，将其进行研究和开发，制造出一些高端的材料，那么在我们的生活中就可以得到更大的应用价值，同时获得更多的经济效益。
目前，我们在电气石的负离子释放方面的机理、抑制细菌消灭细菌方面的机理以及对远红外的辐射性能方面的影响因素等，都需要进行深入的研究，这样才能更好地找出电气石功能材料的结构与性能方面的一些联系。同时，电气石复合的材料在电磁方面的屏蔽以及影响条件的方面还需要得到提升，必须提高电气石功能的复合材料在制备方面的技术水平，在电气石功能的复合性材料的研究和开发应用领域应花费大量的时间和精力去进行研发，提高材料的应用范围。
同时，改性剂在电气石的结构和性能方面的影响方面的研究，在未来电气石材料的发展方面也有着重要的意义。随着人们对电气石的研究的加深，电气石复合型材料在应用方面会越来越广泛，应用的实际效果也会越来越明显。
三、结束语
作为天然的非金属的矿产资源，电气石在复合材料的应用方面是十分重要的，电气石在物理化学方面的独特性，在复合材料的制造和应用中前景十分广泛，对特殊性能、综合性能材料的开发有着十分重要的意义。目前，我国在电气石的复合材料研究方面仍处于比较简单的阶段，没有进行深入的研究，在电气石资源的利用方面也不够充分。鉴于电气石的复合型材料在我们实际的生活中应用是十分有潜力的，我相信，随着人们对电气石材料的深入研究，我国在电气石复合型材料方面的发展一定会更加快速，在应用方面也会更加广泛，推动我国经济的发展。
参考文献：
[1]胡应模，陈旭波，汤明茹.电气石功能复合材料研究进展及前景展望[J].地学前缘，2014，05：331-337.
