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对于网络性能测量的方面,相关项目开展得较多,测量内容包括吞吐量、延迟、丢包率,并作网络可靠性、稳定性、可达性等方面的分析.这一方面是为了对一个特定网络进行维护管理,保障服务质量,;另一方面是为了预报网络性能,如NPACI’s Network Weather Service[5]每隔一定的时间间隔,周期性地监视、动态地预报(各种网络及计算资源)网络性能.收集某一时刻的数据,通过数值模型预测下一时段的TCP/IP 端到端的吞吐量、延迟,主要用于广域网上的大规模计算的调度.以下是读文网小编今天为大家精心准备的:网络性能测量技术的研究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
网络性能测量技术的研究全文如下:
摘 要:网络性能测量是网络行为分析的基础。本文对网络性能测量的相关内容以及网络性能指标的测量与分析进行了系统的介绍,并对网络性能测量的下一步发展进行了展望。
关键词:网络性能 测量技术 性能指标 分析与研究
随着Internet技术和网络业务的飞速发展,用户对网络资源的需求空前增长,网络也变得越来越复杂。不断增加的网络用户和应用,导致网络负担沉重,网络设备超负荷运转,从而引起网络性能下降。这就需要对网络的性能指标进行提取与分析,对网络性能进行改善和提高。因此网络性能测量便应运而生。发现网络瓶颈,优化网络配置,并进一步发现网络中可能存在的潜在危险,更加有效地进行网络性能管理,提供网络服务质量的验证和控制,对服务提供商的服务质量指标进行量化、比较和验证,是网络性能测量的主要目的。
2.1 网络性能的概念
网络性能可以采用以下方式定义[1]:网络性能是对一系列对于运营商有意义的,并可用于系统设计、配置、操作和维护的参数进行测量所得到的结果。可见,网络性能是与终端性能以及用户的操作无关的,是网络本身特性的体现,可以由一系列的性能参数来测量和描述。
2.2 网络性能参数的概念
对网络性能进行度量和描述的工具就是网络性能参数。IETF和ITU-T都各自定义了一套性能参数,并且还在不断的补充和修订之中。
2.2.1 性能参数的制定原则
网络性能参数的制定必须遵循如下几个原则:
1) 性能参数必须是具体的和有明确定义的;
2) 性能参数的测量方法对于同一参数必须具有可重复性,即在相同条件下多次使用该方法所获得的测量结果应该相同;
3) 性能参数必须具有公平性,即对同种网络的测量结果不应有差异而对不同网络的测量结果则应出现差异;
4) 性能参数必须有助于用户和运营商了解他们所使用或提供的IP网络性能;
5) 性能参数必须排除人为因素;
2.2.2 ITU-T定义的IP网络性能参数
ITU-T对IP网络性能参数的定义[2]包括:
1) IP包传输延迟(Packet Transfer Delay, IPTD)
2) IP包时延变化(IP Packet Delay Variation, IPDV)
3) IP包误差率(IP Packet Error Rate IPER)
4) IP包丢失率(IP Packet Lass Rate, IPLR)
5) 虚假IP包率(Spurious IP Packet Rate)
6) 流量参数(Flow related parameters)
7) 业务可用性(IP Service Availability)
2.2.3 IETF定义的IP网络性能参数
IETF 将性能参数[3]称为“度量(Metric)。由IPPM (IP Performance Metrics)工作组来负责网络性能方面的研究及性能参数的制定。IETF对IP网络性能参数的定义包括:
1) IP连接性
2) IP包传送时延
3) IP包丢失率
4) IP包时延变化
5) 流量参数
2.3 网络性能结构模型
从空间的角度来看,网络整体性能可以分为两种结构:立体结构模型和水平结构模型。
2.3.1 立体结构模型
IP网络就其协议栈来说是一个层次化的网络,因此,对IP网络性能的研究也可以按照一种自上而下的方法进行。可以以IP层的性能为基础,来研究IP层不同性能与上层不同应用性能之间的映射关系。
2.3.2 水平结构模型
对于网络的性能,用户主要关心的是端到端的性能,因此从用户的角度来看,可以利用水平结构模型来对IP网络的端到端性能进行分析。
网络性能测量涉及到许多内容,如采用主动方式还是被动方式进行测量;发送测量包的类型;发送与截取测量包的采样方式;所采用的测量体系结构是集中式还是分布式等等。
3.1 测量包
网络性能测量中,影响测量结果的一个重要因素就是测量数据包的类型。
3.1.1 P类型包
类型P是对IP包类型的一种通用的声明。只要一个性能参数的值取决于对测量中采用的包的类型,那么参数的名称一定要包含一个具体的类型声明。
3.1.2标准形式的测量包
在定义一个网络性能参数时,应默认测量中使用的是标准类型的包。比如可以定义一个IP 连通性度量为:“IP 某字段为0的标准形式的P 类型IP 连通性”。在实际测量中,很多情况下包长会影响绝大多数性能参数的测量结果,包长的变化对于不同目的的测量来说影响也会不一样。
3.2主动测量与被动测量方式
最常见的IP网络性能测量方法有两类:主动测量和被动测量。这两种方法的作用和特点不同,可以相互作为补充。
3.2.1主动测量
主动测量是在选定的测量点上利用测量工具有目的地主动产生测量流量,注入网络,并根据测量数据流的传送情况来分析网络的性能。主动测量的优点是对测量过程的可控性比较高,灵活、机动,易于进行端到端的性能测量;缺点是注入的测量流量会改变网络本身的运行情况,使得测量的结果与实际情况存在一定的偏差,而且测量流量还会增加网络负担。主动测量在性能参数的测量中应用十分广泛,目前大多数测量系统都涉及到主动测量。
要对一个网络进行主动测量,需要一个测量系统,这种主动测量系统一般包括以下四个部分:测量节点(探针)、中心服务器、中心数据库和分析服务器。有中心服务器对测量节点进行控制,由测量节点执行测量任务,测量数据由中心数据库保存,数据分析则由分析服务器完成。
3.2.2 被动测量
被动测量是指在链路或设备(如路由器,交换机等)上利用测量设备对网络进行监测,而不需要产生多余流量的测量方法。被动测量的优点在于理论上它不产生多余流量,不会增加网络负担;其缺点在于被动测量基本上是基于对单个设备的监测,很难对网络端到端的性能进行分析,并且可能实时采集的数据量过大,另外还存在用户数据泄漏等安全性和隐私问题。
被动测量非常适合用来进行流量测量。
3.2.3主动测量与被动测量的结合
主动测量与被动测量各有其优、缺点,而且对于不同的性能参数来说,主动测量和被动测量也都有其各自的用途。因此,将主动测量与被动测量相结合将会给网络性能测量带来新的发展。
3.3 测量中的抽样
3.3.1 抽样概念
抽样,也叫采样,抽样的特性是由抽样过程所服从的分布函数所决定的。研究抽样,主要就是研究其分布函数。对于主动测量,其抽样是指发送测量数据包的过程;对于被动测量来说,抽样则是指从业务流量中采集测量数据的过程。
3.3.2 抽样方法
依据抽样时间间隔所服从的分布,抽样方法可分为很多种,目前比较常用的抽样方法是周期抽样、随机附加抽样和泊松抽样[4]。周期抽样是一种最简单的抽样方式,每隔固定时间产生一次抽样。因为简单,所以应用的很多。但它存在以下一些缺点: 测量容易具有周期性、具有很强的可预测性、会使被测网络陷入一种同步状态。随机附加抽样的抽样间隔的产生是相互独立的,并服从某种分布函数,这种抽样方法的优劣取决于分布函数:当时间间隔以概率1 取某个常数,那么该抽样就退化为周期抽样。随机附加抽样的主要优点在于其抽样间隔是随机产生的,因此可以避免对网络产生同步效应,它的主要缺点是由于抽样不是以固定间隔进行,从而导致频域分析复杂化。
在RFC2330 中,推荐泊松抽样,它的时间间隔符合泊松分布,它的优点是:能够实现对测量结果的无偏估计、测量结果不可预测、不会产生同步现象。但是,由于指数函数是无界的,因此泊松抽样有可能产生很长的抽样间隔,因此,实际应用中可以限定一个最大间隔值,以加速抽样过程的收敛。
4.1 连接性
连接性[5]也称可用性、连通性或者可达性,严格说应该是网络的基本能力或属性,不能称为性能,但ITU-T建议可以用一些方法进行定量的测量。目前还提出了连通率的概念,根据连通率的分布状况建立拟合模型。
4.2 延迟
延迟的定义是[6]:IP 包穿越一个或多个网段所经历的时间。延迟由固定延迟和可变延迟两部分组成[7][8]。固定延迟基本不变,由传播延迟和传输延迟构成;可变延迟由中间路由器处理延迟和排队等待延迟两部分构成。对于单向延迟测量要求时钟严格同步,这在实际的测量中很难做到,许多测量方案都采用往返延迟,以避开时钟同步问题。
往返延迟的测量方法是:入口路由器将测量包打上时戳后,发送到出口路由器。出口路由器一接收到测量包便打上时戳,随后立即使该数据包原路返回。入口路由器接收到返回的数据包之后就可以评估路径的端到端时延。
4.3 丢包率
丢包率的定义是[9]:丢失的IP 包与所有的IP 包的比值。许多因素会导致数据包在网络上传输时被丢弃,例如数据包的大小以及数据发送时链路的拥塞状况等。
为了评估网络的丢包率,一般采用直接发送测量包来进行测量。对丢包率进行准确的评估与预测则需要一定的数学模型。目前评估网络丢包率的模型主要有贝努利模型、马尔可夫模型和隐马尔可夫模型等等[10]。贝努利模型是基于独立同分布的,即假定每个数据包在网络上传输时被丢弃的概率是不相关的,因此它比较简单但预测的准确度以及可靠性都不太理想。但是,由于先进先出的排队方式的采用,使得包丢失之间有很强的相关性,即在传输过程中,包被丢失受上一个包丢失的影响相当大。假定用随机变量Xi 代表包的丢失事件,Xi = 0 表示包丢失,而Xi = 1 表
示包未丢失。则第i 个包丢失的概率为P[Xi|Xi-1, Xi-2,…Xi-n], Xi-1, Xi-2,...Xi-n 取所有的组合情况。当N=2 时,该Markov 链退化为著名的Gilbert 模型。隐马尔可夫模型是对马尔可夫模型的改进。
Maya Yajnik等人所作的172 小时的测量试验[11]结果表明,在不同的数据采样间隔下(20ms,40ms,80ms,160ms)采用三种不同的丢包率分析模型进行分析得到的结果完全不同,在不同的估计精确度的要求下实验结果也各有不同。因此,目前需要能够精确描述丢包率的数学模型。
4.4 带宽
带宽一般分为瓶颈带宽和可用带宽。瓶颈带宽是指当一条路径(通路)中没有其它背景流量时,网络能够提供的最大的吞吐量。对瓶颈带宽的测量一般采用包对(packet pair)技术,但是由于交叉流量的存在会出现“时间压缩”或“时间延伸”现象,从而会引起瓶颈带宽的高估或低估。另外,还有包列等其它测量技术。
可用带宽是指在网络路径(通路)存在背景流量的情况下,能够提供给某个业务的最大吞吐量。因为背景流量的出现与否及其占用的带宽都是随机的,所以可用带宽的测量比较困难。一般采用根据单向延迟变化情况可用带宽进行逼近。其基本思想是:当以大于可用带宽的速率发送测量包时,单向延迟会呈现增大趋势,而以小于可用带宽的速率发送测量包时,单向延迟不会变化。所以,发送端可以根据上一次发送测量包时单向延迟的变化情况动态调整此次发送测量包的速率,直到单向延迟不再发生增大趋势为止,然后用最近两次发送测量包速率的平均值来估计可用带宽
瓶颈带宽反映了路径的静态特征,而可用带宽真正反映了在某一段时间内链路的实际通信能力,所以可用带宽的测量具有更重要的意义。
4.5 流量参数
ITU-T提出两种流量参数作为参考:一种是以一段时间间隔内在测量点上观测到的所有传输成功的IP 包数量除以时间间隔,即包吞吐量;另一种是基于字节吞吐量:用传输成功的IP 包中总字节数除以时间间隔。
Internet 业务量的高突发性以及网络的异构性,使得网络呈现复杂的非线性,建立流量模型越发变得重要。早期的网络流量模型,是经典流量模型,也即借鉴PSTN的流量模型,用poisson模型描述数据网络的流量,以及后来的分组火车模型,Markov模型等等。随着网络流量子相似性的发现,基于自相似模型的流量建模研究也取得了不少进展和得到了广泛的应用,譬如分形布朗运动模型和分形高斯噪声模型以及小波理论分析等等。高速网络技术的发展使得对巨大的网络流量进行直接测量几乎不可能,同时,大量的流量日志也使流量分析变得相当困难。为了解决这一问题,近几年,流量抽样测量研究已成为高速网络流量测量的研究重点。
网络性能测量中还有许多关键技术值得研究。例如:单向测量中的时钟同步问题;主动测量与被动测量的抽样算法研究;多种测量工具之间的协同工作;网络测量体系结构的搭建;性能指标的量化问题;性能指标的模型化分析[12]~[16];对网络未来状况进行趋势预测;对海量测量数据进行数据挖掘或者利用已有的模型(Petri 网、自相似性、排队论)研究其自相似性特征[17]~[19];测量与分析结果的可视化,以及由测量所引起的安全性问题等等都是目前和今后所要研究的重要内容。随着网络性能相关理论、测量方法、分析模型研究的逐渐深入、各种测量工具的不断出现以及大型测量项目的不断开展,人们对网络的认识会越来越深刻,从而不断地推动网络技术向前发展。
本文对目前网络性能测量技术的主要方面进行了介绍和分析并对未来网络性能测量的研究重点进行了展望。
[1] ITU-T 建议1.350
[2] ITU-T,建议Y1540
[3] IETF, RFC2330, "Framework for IP Performance Metrics" Table of Contents 6
[4] IETF, RFC2330, "Framework for IP Performance Metrics" Table of Contents11
[5] IETF, RFC2678, "IPPM Metrics Measuring Connectivity"
[5] IETF, RFC2679, "A One-way Delay Metric for IPPM"
[6] IETF, RFC2681, "A Round-trip Delay Metric for IPPM"
[7] IETF. RFC3393, "IP Packet Delay Variation Metric for IPPM"PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建
[8] IETF, RFC2680, "A One-way Packet Loss Metric for IPPM"
[9] H. Sanneck and G. Carle GMD Fokus, Kaiserin-Augusta-Allee 31, D-10589 Berlin, Germany,"A Framework
Model for Packet Loss Metrics Based on Loss Runlengths "
[10] Maya Yajnik, Sue Moon, Jim Kurose and Don Towsley ,"Measurement and Modelling of the Temporal
Dependence in Packet Loss ", Department of Computer Science University of Massachusetts Amherst, MA 01003USA
[11] Jacobson V, "Pathchar A Tool to Infer Characteristics of InternetPaths. "
[12] LO PRESTI F, DUFFIELD N G, HOROWITZ J, et al. “Multicast-based Inference of Network Internet-Delay Distributions”.University of Massachusetts, Amherst, Computer Science, Technical Report UM-CS-1999-055,1999.
[13] DUFFIELD N G, LO PRESTI F. “Multicast inference of packet delay variance at interior network links”.IEEE INFOCOM 2000[C].Tel Aviv Israel, 2000.
[14] HUANG L, SEZAKI K. “End-to-end Internet Delay Dynamics”. IEICE Technical Report of CQ WG, May2000.
[15] OHSAKI H, MURATA M, MIYAHARA H, “ Modeling end-to-end packet delay dynamics of the Internet”
using systemidentification[A]. International Teletraffic Congress 17[C]. Salvador da Bahia, Brazil, 2001.
[16]Sue B.Moon, "Measurement and Analysis of End-to-End Delay and Loss in The Internet"
[17] J.-C. Bolot. “End-to-end packet delay and loss behavior in the Internet”.In Proceedings of ACM SIGCOMM,San Francisco, August 1993.
[18] V. Paxson, “Measurements and Analysis of End-to-End Internet Dynamics”, Ph.D. dissertation, 1997.
[19]张宏莉,方滨兴,胡铭曾,姜誉,詹春艳,张树峰,“Internet测量与分析综述”,软件学报,2003年1月,Vol.14, No.
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表面处理是在基体材料表面上人工形成一层与基体的机械、物理和化学性能不同的表层的工艺方法。表面处理的目的是满足产品的耐蚀性、耐磨性、装饰或其他特种功能要求。 对于金属铸件,我们比较常用的表面处理方法是,机械打磨,化学处理,表面热处理,喷涂表面,表面处理就是对工件表面进行清洁、清扫、去毛刺、去油污、去氧化皮等。以下是读文网小编为大家精心准备的:表面处理对碳纤织物增强环氧树脂复合材料界面及性能影响研究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
金属背衬型聚合物自润滑复合材料因具有减摩、耐磨等优点,在机械设备、船舶等重载摩擦副上得到了广泛应用。碳纤织物增强环氧树脂基自润滑复合材料作为衬层型重载摩擦副用材料,以其优异的力学性能和摩擦学性能、良好的自粘接性以及成型工艺简单等特性已成为当前国内外研究的热点之一。在纤维增强树脂基复合材料中,主要承载组元为纤维,树脂基体将纤维粘接固定并将载荷传递到每根纤维,因此复合材料的界面特性对其力学性能有着重大影响。但是,由于碳纤维表面缺少活性基团呈化学惰性,且其表面光滑,导致碳纤织物与基体浸润性差,不能与基体进行有效结合。因此,要获得力学性能优良的碳纤织物增强复合材料,必须对其进行表面处理,改善其表面浸润性、粗糙程度,产生适合于聚合物粘接的表面形态,从而提高碳纤织物增强复合材料的力学性能。
目前,提高碳纤织物增强复合材料界面性能主要从以下两方面着手: 一是增加纤维表面活性官能团,二是增大纤维表面粗糙度。在对碳纤织物进行表面处理时,以上2 个因素往往同时出现并对碳纤织物增强复合材料的界面性能的改善起协同作用。为了探索提高碳纤织物增强环氧树脂复合材料的力学性能,寻求简单有效的碳纤织物表面处理工艺,在已有研究和前期大量实验基础上,本文研究比较了空气氧化处理、浓硝酸氧化处理、偶联剂涂覆处理、气液双效处理和液相双效处理等表面处理方法对碳纤织物表面及复合材料界面和性能的影响,以此来探索一种工艺简单、环境友好且可显著提高复合材料性能的碳纤织物表面处理工艺。
1. 1 实验材料
碳纤织物( 1K/T300) : 日本东丽; 环氧树脂E51( 环氧值0. 53 ) : 巴陵石化公司; 环氧丙烷丁基醚( 501) : 纯度大于等于99. 5%,广州江盛华工科技有限公司; 邻苯二甲酸二丁酯: 纯度大于99. 0%,天津市富宇精细华工有限公司; 105 缩胺环氧固化剂( 缩胺105) : 苏州光福材料厂; 偶联剂Y-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷( KH-560) : 东莞市信康有机硅材料有限公司。
1. 2 实验过程
碳纤织物在使用前,首先在丙酮溶液中浸泡48 h,再放入恒温真空干燥箱中100 ℃干燥3 h,以除去其表面的预浸胶料、污染物等,记为未处理碳纤织物; 然后分别采用空气氧化( 450 ℃ /45min) 、浓硝酸氧化( 95℃ /90min) 、偶联剂涂覆( 3% KH560 /10min) 、气液双效处理( 空气氧化450 ℃ /45min + 偶联剂涂覆3%KH560 /10min) 、液相双效处理( 浓硝酸95 ℃ /90min +偶联剂涂覆3% KH560 /10min) 对碳纤织物进行表面处理。
检测分析试样采用手糊模压法制备,将配制好的环氧树脂胶体通过手糊法涂覆于碳纤织物表面,然后放置于采用螺栓加压固定的模具中,在真空度为- 100kPa 的真空箱中常温固化24 h,获得表面平整、无气泡、裂纹、分层等缺陷的试样。
1. 3 测试与表征
利用日本日立S-3400N 型扫描电子显微镜进行断口形貌与碳纤织物表面形貌分析; 采用美国安捷伦5100 原子力显微镜对碳纤织物进行表面形貌分析并计算其表面粗糙度; 采用德国Elementar 公司VarioELIII型元素分析仪对碳纤进行元素分析,分析处理前后碳纤织物中C,O,N 元素变化; 采用美国Nicolet6700傅里叶红外光谱仪对处理前后碳纤表面进行分析; 复合材料力学性能测试在WDW3005 电液伺服万能实验机上进行,各测试试样按照国家相关标准制备; 根据GB /T 3855 - 2005《碳纤维增强塑料树脂含量试验方法》,采用称量法进行复合材料含胶量测试,称量精确至0. 1 mg。力学性能与含胶量实验过程中每个实验重复3 个试样,结果取平均值。
2. 1 碳纤表面形貌
未经表面处理和分别经过空气氧化、浓硝酸氧化、偶联剂涂覆、气液双效和液相双效处理后的碳纤表面形貌图。从Fig. 1 中可以看出,对市场上购买的经丙酮清洗并烘干后的碳纤织物,即实验中未处理的碳纤,其表面光滑平整,仅有轻微的纵向沟槽,根据原子力显微镜检测、计算结果,其表面粗糙度平均为12. 8 nm; 采用空气氧化处理后,碳纤被氧化,出现剥落、凸起现象,且表面纵向沟槽加宽加深,同时附着有少量颗粒物,其表面粗糙度平均为52. 5 nm; 浓硝酸氧化处理后,纤维表面呈现明显的沟槽状刻蚀,并伴随有颗粒状附着物,其表面粗糙度平均为39. 5 nm; 采用偶联剂涂覆处理的碳纤,在纤维表面形成一层比较均匀的偶联剂覆盖层,同时纤维本身基本未受到损伤; 而对于采用气液双效和液相双效处理的碳纤,由于碳纤在氧化处理过程中,在表面形成了较深的刻蚀,表面粗糙度增加,从而与偶联剂之间的粘着性增强,所以在又经偶联剂处理后,表面偶联剂粘附明显增加。
这表明,与未处理碳纤相比,氧化处理可增加碳纤维表面粗糙度,能增大碳纤与基体之间的接触面积,从而有效提高纤维与基体之间的粘接性能; 偶联剂处理后,在碳纤表面形成一层偶联剂粘附层,使碳纤表面活性增加,也可以增加碳纤与基体之间的粘着力。但氧化处理会对碳纤产生一定的刻蚀,从而会对碳纤本身力学性能产生不利影响,可能会降低复合材料的性能,因此,在选择碳纤表面处理方法时需综合其对复合材料性能的影响。
同时,由于采用偶联剂处理,在碳纤表面形成的偶联剂涂覆层会影响表面粗糙度的测量,因此,实验中未对偶联剂处理的碳纤进行表面粗糙度测量。
2. 2 复合材料含胶量
在纤维增强复合材料中,胶体含量的多少对材料的性能有着重要影响,也是材料制备工艺控制的目标之一。相同制备工艺条件下,未处理和经不同表面处理后碳纤织物增强环氧树脂基复合材料胶体含量。所制备的碳纤织物增强环氧树脂复合材料含胶量为30% 左右,其中碳纤织物未处理的复合材料含胶量最高,为33. 7%; 而经不同表面处理后的复合材料,含胶量略低,其中液相双效处理含胶量最低为29. 9%,较未处理的降低了11. 3%。这可能是因为,未处理的碳纤织物与胶体之间浸润性较差,胶体易于聚集,在模压成型过程中难以流动,从而导致含胶量较高; 而经表面处理后,胶体与碳纤织物之间的浸润性得到改善,胶体易于均匀填充、分布于碳纤织物之间,从而在加压过程中易于流出,所以胶体含量略低。这同时也说明,实验中所采用的复合材料材料制备工艺在胶体控制方面,具有较好的一致性和可重复性,从而也基本消除了含胶量对不同碳纤织物表面处理方法复合材料力学性能的影响。
2. 3 复合材料力学性能
未经表面处理和分别经过不同表面处理方法处理后的碳纤织物增强环氧树脂复合材料层间剪切强度。对于未经表面处理的碳纤织物,所制备复合材料层间剪切强度平均仅为21. 5 MPa; 经表面处理后,其层间剪切强度均得到显著提高,其中空气氧化处理提高幅度最低,平均为33. 1MPa; 偶联剂涂覆处理平均为43. 2 MPa; 采用气液双效处理的层间剪切强度最高,平均达44. 3 MPa,与未经表面处理的碳纤织物相比,提高1 倍多。这表明,对碳纤织物进行表面处理,无论是采用增加纤维表面活性官能团的偶联剂涂覆和双效处理,还是采用增加纤维表面粗糙度的氧化法,均可有效提高复合材料层间剪切强度。
这是因为对于纤维增强环氧树脂复合材料,层间剪切强度主要取决于基体和界面的性能,其剪切破坏主要是由基体剪切破坏、纤维断裂和复合界面脱粘引起,因此,在基体材料一定的情况下,纤维及纤维与基体之间的结合界面就对复合材料层间剪切强度产生重要影响。虽然实验中对碳纤织物进行表面处理后,纤维本身会受到损伤尤其是氧化法,导致纤维强度降低,但表面处理的复合材料层间剪切强度均得到明显提高,这也表明表面处理对碳纤织物增强环氧树脂复合材料层间剪切强度的重要有利作用。
同时,经表面处理的碳纤织物复合材料层间剪切强度值离散性小于未处理的,这表明表面处理后复合材料性能更加均匀一致,可能是因为表面处理增强了碳纤织物与聚合物之间的浸润性与粘接均匀性,这对提高复合材料性能均匀性和可靠性十分有利。
为了进一步研究不同碳纤织物表面处理方法对复合材料力学性能的影响, 给出了未经表面处理和分别经过上述不同方法表面处理后的碳纤织物增强环氧树脂复合材料的弯曲、拉伸、压缩强度和冲击韧性。从中可以看出,与未处理碳纤织物相比,经不同方法处理后,复合材料的弯曲强度、压缩强度和冲击韧性均有明显提高,尤其是弯曲强度得到大幅度提高,其中采用偶联剂处理的,其弯曲强度为1088. 9MPa,较未处理的533. 6 MPa 提高104. 1%。而拉伸强度,采用偶联剂处理的试样达538. 1 MPa,与未经处理的413. 9 MPa 相比,提高30. 3%; 而经其它方法处理后的试样,则有所降低或提高不大。
由此可知,与采用未经处理的碳纤织物制备的复合材料相比,经表面处理后的碳纤织物复合材料,其性能可得到有效提高; 综合考虑各项性能指标,以偶联剂处理效果最佳。这主要是因为偶联剂作为一种改善纤维表面活性官能团的处理方法,一方面能增大纤维表面活性,提高纤维与树脂基体之间的粘接性,另一方面,偶联剂处理不会对纤维表面产生破坏,从而不降低纤维本身力学性能。经氧化处理后,碳纤维中C 含量由未经处理的90. 9% ( 质量分数) 降低为空气氧化处理的90. 7% 和硝酸氧化处理的86. 0%,而O含量由未经处理的1. 3% 分别增加至1. 5% 和8. 4%,N含量则由7. 8% 分别变化至7. 7% 和5. 6%。这表明经过空气氧化和硝酸氧化处理后,碳纤表面O,N 元素与C 元素比例得到明显提高,即含氧官能团和含氮官能团得到了有效增加。所以双效处理后,偶联剂与碳纤表面含氧官能团和含氮官能团进行化学作用,同时偶联剂的环氧端基扩散到聚合物基体中形成化学键,从而使其一些性能指标得到进一步提高。但是由于氧化处理会不同程度的损伤碳纤,从而影响碳纤织物增强复合材料力学性能,这也是空气氧化、硝酸氧化以及气液双效和液相双效处理后复合材料一些性能指标低于单独偶联剂处理的原因。
为了进一步探索偶联剂涂覆处理对碳纤表面的影响,Fig. 4 给出了未经表面处理和经偶联剂涂覆处理后,碳纤表面傅里叶红外光谱分析结果。从图中可以看出,经偶联剂涂覆处理后,在3440 cm - 1 和1645cm - 1处结合峰显著加宽,同时在2360 cm - 1 处结合峰显著增强,这表明处理后的碳纤表面活性官能团显著增加,从而有利于增强碳纤与环氧树脂基体的粘接性,进而使复合材料的力学性能得到有效改善。
2. 4 断口分析
由以上实验结果可知,实验条件下,碳纤织物采用偶联剂涂覆表面处理,对复合材料性能提高最大。为了进一步分析表面处理对复合材料性能影响的机理,分别对未处理和偶联剂涂覆处理碳纤层间剪切强度测试单丝表面形貌进行了分析。未处理的碳纤表面光滑,层间剪切破坏后,碳纤表面仅有少量聚合物粘附物; 而偶联剂涂覆处理的碳纤表面则粘附有大量的聚合物。这表明表面处理后,碳纤与聚合物之间粘接性大大提高,从而使其层间剪切强度得到有效提高。这是因为,当碳纤织物增强环氧树脂复合材料受到外力作用时,聚合物作为传力组元,若聚合物与碳纤之间不能良好的粘接,则难以使其负荷得到有效传递,从而易于产生应力集中,导致其内部裂纹快速扩展,性能大大降低。
碳纤织物未处理和偶联剂涂覆处理后复合材料压缩断口扫描形貌。从可以看出,碳纤织物未处理的复合材料压缩断口碳纤分布散乱且长短不一,同时聚合物分布不均,存在明显的聚集; 经偶联剂涂覆处理的复合材料压缩断口平整光滑,聚合物分布比较均匀,每根碳纤周围较均匀地被聚合物包覆且结合良好。这表明偶联剂涂覆处理可有效增加碳纤织物与聚合物之间的粘附性,也有利于碳纤织物与聚合物之间良好浸润,使其组织更加均匀,从而其力学性能得到有效提高。
综上所述,碳纤织物表面处理可有效提高复合材料的力学性能。空气氧化法和硝酸氧化法以及由二者与偶联剂涂覆结合的双效处理法,虽然可使复合材料一些性能指标得到提高,但在氧化过程中,会使碳纤受到损伤,从而对复合材料一些性能产生不利影响; 而偶联剂涂覆处理作为一种增加碳纤表面活性官能团的处理方法,既不降低碳纤力学性能又可提高碳纤与聚合物之间的粘接强度,综合考虑其对复合材料各项性能指标的影响,实验条件下,偶联剂涂覆处理是一种比较理想的碳纤织物表面处理方法,同时还具有工艺简单易行的优点。
( 1) 未处理的碳纤表面光滑平整,其表面粗糙度平均为12. 8 nm,经氧化法处理碳纤表面被明显刻蚀,表面粗糙度增加; 偶联剂处理的碳纤在其表面形成一层均匀的偶联剂覆盖层。
( 2) 与未处理的碳纤织物相比,气液双效处理表面处理后碳纤织物增强环氧树脂复合材料层间剪切强度得到明显提高,由未处理的21. 5 MPa 增大到44. 3MPa。
( 3) 经偶联剂涂覆处理的碳纤织物,其复合材料具有较佳的综合力学性能,其弯曲强度为1088. 9MPa,拉伸强度为538. 1 MPa,压缩强度为551. 3 MPa,冲击韧性为72. 2 kJ /m2,而未处理则分别仅为533. 6MPa,413. 9 MPa,417. 8 MPa 和47. 9 kJ /m2。
( 4) 断口形貌分析表明,碳纤未处理的复合材料断口碳纤杂乱,胶体分布不均; 偶联剂涂覆处理的复合材料断口光滑平齐,胶体均匀包覆于碳纤周围。
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网络环境下的教学是以网络为教学支撑环境,形成教师与学生 之间的稳定关系和活动进程的结构形式。网络教学模式突出网络在师生教学活动中的重要地位和作用,结构合理的网络教学模式不仅可以充分发挥网络的优势,还可以有效提高学生的学习效果,网络教学模式体现出自身的特征,这主要表现在:教师角色、学生地位、教学过程、媒体作用等几个方面。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:材料科学基础实验课程的网络化教学模式与实践研究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
随着多媒体技术和网络技术的快速发展,网络化教育已经发展为现代化教育的主要模式。无论是哪一层次的教育者都能够利用网络技术对各种教学资源进行很好的设计、组织和传播。通过网络来传授知识的教学手段更为学习者提供了非常有弹性而且很具创造性的学习环境。这样就能够实现以学习者为主体,通过他们对网络知识的感知和认知以及和教育者的及时互动的这种全新的教育手段得以实现。使得学习者在很好的获取知识的同时锻炼自己的交流能力和分析能力。因此探讨网络化教学方式具有非常重要的意义。
许多高等学校的教师已经非常重视运用网络技术,无论是在教学中还是科研都取得了良好的效果。但是不可避免地带来一些问题,也就是如何很好的把现代化教学手段与传统的教学手段结合起来,扬长避短,相互结合和补充。因而众多高校在教学改革中面临的全新问题是网络技术条件下的教学模式如何很好的搭建。
金属材料工程专业材料科学基础实验课程长期以来主要采用教学模式是教师讲授为主,但随着近几年高等学校招生规模的不断扩大, 发现这种传统的教学模式仍然存在一些弊端。导致本门课程最终实验教学效果不理想,学生收获不大。总体上来说主要存在以下问题:
1.1 部分演示实验效果不好
在材料科学基础实验中有些实验设备是大型仪器而且有的很娇贵,不可能让每一个学生去动手操作。在这种情况下有些实验主要以教师演示为主,学生大多数是机械性的重复这些实验的内容。甚至有的学生只是看而不动手。所以就不可能真正起到对学生的动手能力和实验技能的培养。况且有些演示实验的直观性较差。在演示时不能很好的激发学生的求知欲。
1.2 理论与实践脱节
材料科学基础实验学时数较多,要求学生掌握的内容也就比较大。光凭借单纯的理论授课学生不容易接受,使得很多学生在实验完成后往往收获不大,不能很好的解决实际中遇到的问题。大多数学生在许多专业课程结束以后的综合实验和毕业论文中,就不能够联系书本知识,把所学内容和实践有机联系在一起。甚至相互间发生严重抄袭。分析这一现象的主要原因是实验课程学时的压缩以及实验场地和条件的限制,使得学生不能很好的分析所遇到的问题,最终导致理论与实践相脱节。
1.3 实验教学方法组织的不恰当
随着招生规模扩大, 金属材料专业专业学生人数教多,再加上由于受到实验室场地以及实验仪器数量的限制,通常需要将每个班学生进行分组实验。也就是说将一个班级的学生分批到相应的实验室做相应的实验内容。即使分组也不可能做到每人使用一套仪器设备,通常要多人使用一套仪器设备。因此就有一些学生浑水摸鱼,甚至有学生就不动手实验。实验教师为了保证学生实验的成功率,通常会再三地强调实验的注意事项和实验步骤等,这样就会占去一部分实验时间。从而使得学生真正动手实验和分析问题的时间相应的就变得少了。就会使得学生在实验过程中的一些问题没有足够的时间去思考讨论,和老师的交流也就相应的少了。也就说学生只能勉强按时完成有关实验项目。就谈不上学生实验操作技能的提高了。
传统的材料科学基础实验课程由于以上问题使得该课程的实验教学效果不如人意,这在在很大程度上影响了学生的学习实验课程的兴趣。学生对实验课程的学习兴趣的减少和实验效果的不理想,使得教师的教学积极性也受到很大的影响。材料科学基础实验教学平台的构建能够很好的提高学生学习实验课程的兴趣,是对现场实验的补充,最终能达到很好的实验效果。
(1)在网络化教学模式中,教师通过情境设置、实验模拟以及动画演示,对学生学习起到外部刺激的作用。这样就能激发学生的学习兴趣,使得他们能够能积极主动地同这些外部环境发生交互作用。学生可以在实验课前利用网络学习的平台进行预习,这样现场实验时就能够熟练操作,不至于在有限的时间内被动的完成有关实验项目。
(2)在网络化模式中还提供各种各样的学习资源库,方便学生利用这些资源库进行自主学习, 及时解决自己所遇到的问题。同时学生还可以利用资源库进行小组和作活动,在资源库中找到相关资料,最终得出解决问题的方案。
(3)与面授实验教学互为补充。可以弥补教师在有限实验时间传授知识不全面的缺点。对于不能面授的远程学生来说可以利用网络课程进行学习。他们可以自身的特点选择性的进行学习。
(4)网络化教学方式不受时间和空间的限制。学生可以在任何时间、任何地点进行学习。所以凭借网上教学模式,一方面使得学生可以直接进行课堂教学,另一方面又可以对课堂教学进行补充。
总之,材料科学多媒体网络模式的建立为学习者提供了良好的学习环境,而且学习者能随时随地的进行调控。所以该模式的建立改变了传统实验教学中教师满堂灌传授知识的教学方法。通过材料科学基础网络教学模式的实践,我校金属材料工程专业的学生在实验课程方面的积极性有了很大提高,并能够做到课前提前上网预习,课后有问题及时反馈给教师。使得这门课程实验的学习效果有了明显的提高。
网络化教学模式的实践弥补了传统实验教学手段的缺陷,给学生提供了非常丰富且极具创意的学习的平台。由传统的老师单方面的教学方式变成学生积极主动参与的多方面的互动式的教学方法。但其中仍然存在一些问题:首先,要求学生必须具备一定的学习主动性和积极性,能够利用现有的网络平台进行自主学习。其次,要求实验教师要及时上网关注学生的学习动态,及时和学生进行交流。最后,进一步优化现有网络资源,做好网络平台的安全防护, 使得实验教学网络平台更加贴近实际,能很好的被学习者所使用,同时安全性也大大提高。
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随着先进复合材料成型工艺的不断进步,研究其过程中的质量控制显现出了重要的现实意义。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:浅谈先进复合材料成型工艺过程中的质量控制相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
【摘要】:介绍了先进复合材料的性能和工艺特点,着重从原材料质量控制、工艺过程质量控制和成品检验等方面阐述了研究先进复合材料成型工艺过程中的质量控制的意义。实践表明,加强先进复合材料成型工艺过程中的质量控制,对先进复合材料内部的质量进行全面监测控制,可有效地提高航天器复合材料的产品质量和可靠性。
【关键词】:先进复合材料 原材料 工艺过程 成品检验 质量控制
作为一项具有较强特殊性的工作,先进复合材料成型工艺得到了长足的发展和进步。研究该项工作过程中的质量控制,能够更好地提升先进复合材料成型的最终效果。
当前复合材料整体成型技术在航空航天等技术领域都得到了广泛的应用,在实际操作中这种工艺技术能够有效的降低制作费用,减轻机械的总体重量,在经济以及环保方面都能够发挥良好的优势作用,因此,在航天器领域中人们可以通过其复合材料的使用情况来对它的先进性进行评断。
飞机结构上符合材料的加入,能够有效的增强飞机的轻质化、模块化等特点,随着先进工艺的发展,复合材料在飞机上得到了更加广泛的使用,已经成为继铝、钢、钛之后的第四大航空领域结构材料类型,复合材料整体成型工艺在不断的发展进步中,从原来的次要承力件变为了主要承力件,复合材料成型工艺已经成为了主要民机行业竞相争抢的主要技术之一,无疑,复合材料的应用以及技术的先进性也已经成为了其先进性、专业性的对比内容项目之一。因此,在专利的申请方面也成为了航空企业互相竞争的内容之一,复合材料研发以及专利的申请竞争日益激烈,,波音公司在专利的申请上凭借它一直以来在复合材料应用领域的强大基础,拥有了大量的具有技术价值的基础性质的专利。而空客公司则主要凭借欧洲航空工业在符合材料行业的强大基础,进行了大胆的创新制造,也成功的获得了许多权威的、有价值的专利,成为了行业内的后起之秀,从这些实际竞争情况来看先进复合材料的研发已经成为了大势所趋。
在先进复合材料的成型过程中必须始终保持均匀稳定原料补充,这样才能更好的使之定型,形成复合材料的原材料中的天然纤维的结构以及特性对成品有着关键性的影响,如果天然纤维中的水分含量在8% 以上,则会对材料的成型造成一定的影响,因此,在生产过程中需要特别注意含水比例尽量控制在8% 以下。
3.1天然纤维粉粒进料以及粒料供给方式分析
在进料之前需要将天然纤维粉进行造粒处理,提高其自身的体积比重,然后混合合成树脂、添加剂等材料分别装入挤出机中。比例少的合成树脂在这种锥形双螺杆挤出机中能够做到快速熔融,最后分散在天然纤维之中,这种操作手段能够比较简便的实现混合比率的改变,该方式辅助设施简单容易操作。
粒料的供给是通过使用单螺杆或双螺杆挤出机等方式来实现的,具体的操作内容就是将天然纤维、合成树脂、添加剂三种材料进行造粒处理,然后加入挤出机进行成型。这种生产方式的优势在于现有设备比较齐全,但是,天然纤维需要干燥之后才能进入造粒挤出机。
3.2积聚( 集成体) 进料方式与冷搅拌方式
积聚进料的方式是通过使用高速搅拌器来工作的,天然纤维、合成树脂以及添加剂需要进行预处理,形成豆粒大块状体,然后将其加入挤出机中进行成型处理,这种方式能够在一定程度上脱除水分、气体。冷搅拌方式是将木粉中存有的粉状树脂、添加剂等进行集中搅拌,而天然纤维则通过喂料器向挤出机中提供原料。这一过程天然纤维、合成树脂、添加剂等材料不用单独制作,但是必须保持粉状形态,而且需要保持天然纤维的充分干燥。
目前,世界各国已经形成了原材料、成型工艺、机械设备、产品种类及性能检验等一系列较完整的工业体系,与其他工业相比,发展速度比较快。树脂基复合材料的成型工艺也从最初的手工操作工艺逐步向技术密集、高度自动化、高生产率、高稳定性的成型工艺上发展,并随着应用领域的广泛开拓,出现了多种成型工艺并存的现象,而且还在不断衍生出新的工艺类型。
4.1手糊成型工艺
手糊成型工艺又称低压接触成型工艺,是树脂基复合材料工业中使用最早的一种工艺方法,操作方法简单,几乎可适用于所有的复合材料制品的生产,且投入小,但对操作人员技术熟练程度的依赖性较大,生产出的制品单面光洁,产品质量不够稳定。随着各种新工艺形式的不断涌现,手糊成型工艺所占比例逐渐降低,但手糊工艺因具有独特的其他工艺不可替代的尤其是在生产大型制品方面特点,所以仍然在行业内占据着重要的地位。
主要应用领域:建筑雕塑领域如采光顶、活动房屋等;交通设施领域如游艇、汽车壳体、发动机罩等;环境与能源领域如风力发电机用机舱罩、叶片、沼气池等;体育游乐设备领域如游乐车、水滑梯等。
4.2喷射成型工艺
喷射成型工艺是利用喷射设备将树脂雾化,并与切断的纤维在空间混合后落在模具上面,然后压实排出气泡固化,它是在手糊工艺基础上发展而来的,是将手糊操作中的纤维铺覆和浸胶工作转变为了机械化来完成,是一种相对效率较高的工艺,其生产效率是手糊工艺的2 ~ 4 倍。喷射工艺同样对操作人员的技术水平依赖较大,且由于增强纤维以断切的形式存在,树脂含量高,制品的强度较低,同时由于喷射设备的原因,其采用阳模成型方便,而采用阴模成型困难较大,且大型制品比小型制品更适合于喷射成型工艺。
主要应用领域:喷射成型工艺主要应用于大型产品的制作及建筑物补强等,代表性的产品有玻璃钢浴缸、整体卫生间、卡车导流罩、净化槽、船身等。
通过对先进复合材料成型工艺过程中质量控制的相关研究,我们可以发现,该项工作的良好开展有赖于对多方面技术的有效利用,有关人员应该从先进复合材料成型的客观实际出发,研究制定最为可行的质量控制方法。
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金属/电介质颗粒复合体系的光学性质,因其丰富的物理内涵有着重要的学术价值和广泛的应用前景,而成为理论和实验研究的热点,备受学术界的关注。金属/电介质复合体系既能保持各组分材料性能的优点,又具有了单一组分材料所不具备的性能,是一种优良的人工调制功能材料。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:论述新型绝缘纳米电介质材料的工程应用相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
【摘要】:本文通过纳米科技与新型纳米材料在电网建设、精细化工、医药方面的应用总结,综述了纳米技术在不同科技领域带来的创新与技术突破。展望了纳米技术以及高性能复合绝缘材料的工程应用进展。
【关键词】:纳米技术 高性能 特高压电网 工程应用
近年来,建设特高压输电网络能够大幅度提升我国电网的输送能力、降低长距离电力输送损耗,对于国家能源战略实施、电网系统运行及国家安全具有重大意义。目前,我国在直流特高压绝缘材料研发和制造方面与区域联网的格局已初步实现。随着电压等级不断提高,网络规模逐步扩大,各大区域电发展直流特高压对绝缘材料性能要求极高。
目前电网公司推进的“一特四大”电网发展战略是以关键设备的绝缘水平为依托。由于特高压电网中核心设备主要是环氧树脂基材料,建设由1000kV交流和±800kV直流构成的电网绝缘与防护难以满足当前要求。绝缘子伞裙材料与环氧树脂基芯棒界面黏接力差,效率大大提高,而且穿墙套管同样也面临绝缘等级不足的问题。此外,外部环境也会导致普通绝缘材料的开胶破坏并导致芯棒的老化脆断,也即所谓的“薄绝缘”。目前,采用的新型复合材料除了具有普通复合材料的特点外,还具有如下优势:(1)显著的协同效应:可综合发挥各部分绝缘部件的协同效能,这是其中任何一种材料都不具备的; (2)性能可设计性强,可针对纳米复合材料的性能需求进行设计和制造。
根据固体电介质的碰撞理论,在强电场作用下,固体导带中的电子会在运动时与晶格发生碰撞,电子的动能不断增大进而因碰撞电离出更多的自由电子,导致电子定向移动加剧,电阻率下降。纳米颗粒具有库仑阻塞效应,能够构造能垒限制电荷在环氧树脂中的传输。同时,纳米颗粒独有的界面作用会分散自由电子流,增大电荷迁移的途径,电荷的耗散促使环氧树脂电导率下降,相应电阻率得到改善。纳米颗粒与环氧树脂分子链的交联不是分子间键桥,因此能够提高绝缘材料的击穿强度。
精细化工产品具有用途广泛,数量繁多的特点,并且对人类生活的各个方面产生影响,是一个巨大的工业领域。具有一定优越性的纳米材料为精细化工的发展创造了重大机遇。纳米材料在塑料、橡胶、涂料等精细化工领域,都能发挥着举足轻重的作用。例如,将纳米SiO2加入橡胶中,可以提高橡胶的红外反射和抗紫外辐射能力;在塑料中添加一定量的新型纳米材料,可以提高塑料的强度、韧性、防水性和致密性。纳米Al2O3和SiO2纳米颗粒加入到橡胶中,可以使橡胶的介电特性和耐磨性有所提高,而其弹性也比用白炭黑作填料的橡胶有明显的提升。国外为使粘合剂和密封胶的粘合性和密封性大幅度提高,已将纳米SiO2作为添加剂加入其中。将A12O3加入到有机玻璃中,不仅还会提高玻璃的高温冲击韧性,而且不影响玻璃的透明度;由于可以使有机玻璃抗紫外线辐射,加入经过表面修饰处理的SiO2,可达到抗老化的目的。一定粒度的锐钛矿型TiO2质地细腻,无毒无臭,而且具有优良的紫外线屏蔽性能,在化妆品中添加TiO2,可以提高化妆品的使用效果。塑料、涂料、人造纤维等行业中也可以应用到超细TiO2。
纳米TiO2具有适用性广泛,除净度高,无二次污染等优点,能够产生很强的光化学活性,大量吸收太阳光中的紫外线,可以用光催化降解工业废水中的有机污染物,在环保水处理中有着很好的应用前景。最近又开发了高档汽车面漆用的珠光钛白及用于食品包装的TiO2。在环境科学领域,除了在处理工业生产过程中排放的废料中作为催化剂的纳米材料外,还将出现一种具有独特功能的纳米膜。这种纳米膜能够消除污染。其原理是探测到会造成污染的生物制剂和化学制剂后,对这些制剂进行过滤以达到消除污染的目的。
进入21世纪后,人们对药物的需求越来越高,健康科学将以出入意料的速度向前发展。控制药物释放、发展药物定向治疗、提高药效、减少副作用,已提到研究日程上来。纳米粒子将给药物在人体内的传输提供了诸多的便利。凭借纳米粒子的尺寸小,可在血管中进行自由流动的特点,其可以用来检查和治疗身体各个部位的病变。只需要检测少量血液样品,通过血样中的蛋白质和DNA,新型纳米技术诊断仪器就能诊断出人体的各种疾病;用多层构架的纳米粒子包裹的智能药物,在进入人体后可主动进行搜索“任务”,并攻击癌细胞,同时具有修补人体内的损伤组织的重要功能。
美国麻省理工学院(MIT)已制备出靶定向药物,该药物是以纳米磁性材料作为药物载体,在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物,注射到人体血管中,通过磁场导航输送到病变部位,然后释放药物,该项技术也被称为“定向导弹”。与此同时,科学家们对纳米微粒在临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也进行了大量的研究。据《人民日报》报道,我国在纳米技术应用于医学领域上获得了突破性成功。长效广谱抗菌棉,就是南京希科集团利用纳米银技术研制生产出的医用敷料。通过纳米技术将银制成尺寸在纳米级的超细小微粒,然后使之附着在棉织物上这一原理,使得抗菌棉的生产成为了现实。通过纳米技术处理后的银表面结构发生变化,表面急剧增大,加之银具有加速伤口愈合和预防溃烂的作用,对临床常见的外科感染细菌都有较好的抑制作用,其杀菌能力可提高200倍左右。
21世纪将是纳米技术的时代。纳米科学主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等,是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学。各个领域均涉及纳米材料的应用,纳米材料在电气工程、机械、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。人类面临的许多问题,特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题将有可能由于纳米技术的诞生而得到彻底的解决,将对人类社会产生深远的影响。通过在传统产品中应用纳米材料技术的改性,发展纳米结构的新型产品,增加其高科技含量,目前已获得一定的成效,具备了形成21世纪新的经济增长点的基础。
21世纪初期,科学家们的主要任务是根据纳米材料各种独特的物理、化学特性,设计出各种新型的纳米材料和纳米器件。可见,纳米材料将发挥举足轻重的作用,作为材料科学领域一个大放异彩的新星出现在能源与信息等各个领域。
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由于纳米颗粒具有大的比表面积和强的界面相互作用力,较传统的微米颗粒增强铝基复合材料,纳米颗粒增强铝基复合材料的比强度、比模量、耐蚀性、导电及导热性能等均有大幅度的提高,使其在航空航天、汽车工业以及其它领域具有更广阔的应用前景。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:制备工艺对Al基复合材料的结构和性能影响的分析相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
【摘要】:研究了不同烧结温度对Al-20%Si C复合材料显微组织、致密化和摩擦磨损性能的影响。随着烧结温度的提高,烧结体组织晶粒不断粗化,孔隙减少、尺寸降低;烧结体的相对密度提高。随着烧结温度的升高,烧结试样的摩擦系数与磨损量逐渐降低,材料的耐磨性能越来越好。最佳烧结温度为550℃。
【关键词】: Al基复合材料 烧结温度 力学性能
Al 基粉末冶金摩擦材料由于其具有良好的导热、耐磨及摩擦因数高等特性而广泛应用于飞机、汽车、船舶和工程机械等刹车装置及离合器上。由于纯Al 强度不高,故采取在Al 基体中添加Cu、Mg、Fe 合金元素来提高材料的强度和硬度,通过改变它们的百分含量来研究基体的摩擦磨损性能。材料中加入SiC 粉末用以提高摩擦因数,以石墨C 作为润滑组元。本文采用用粉末冶金方法制备Al 基复合材料,研究制备工艺对Al 基复合材料的组织及性能的影响。
实验原料采用粒度< 100μm 铝粉( 纯度≥99. 0%) 和粒度<200μmSiC 粉( 纯度≥99. 0%) 。按照质量百分比Al + 20% SiC 配比称取粉末,以无水乙醇为混料介质,在行星式球磨机中混料。将混合后粉末在100MPa 下单向轴向压制成形,压制后的坯体样品在真空炉中分别在500℃、550℃、600 ℃、650 ℃烧结,保温2h,之后随炉冷却。采用排水法测量合金烧结体的体积密度,采用显洛氏硬度计测试样品的硬度。合金样品经砂纸打磨,机械抛光后,用JSM - 6510LA 扫描电镜分析样品组织形貌。摩擦磨损试验在M - 2000 型摩擦磨损试验机上进行。
2结果与讨论
由图1 可以看出,烧结温度为550°C,样品密度和硬度值最大。在烧结的过程中,分为固相烧结和液相烧结两个过程,固相烧结过程中,坯体的烧结主要依靠不同组分颗粒之间的互扩散与坯体的合金均匀化过程来完成,由于颗粒不能发生相对运动,所以坯体烧结的致密化程度较低,坯体内部存在大量的孔隙。当液相生成后,在不平衡的毛细管力作用下,固体颗粒进行位置的调整与重新分布以达到最紧密的排布,这时烧结体的致密化程度和密度迅速增大。因此当烧结温度达到550°C 以后,随着烧结温度的继续升高,烧结过程中逐渐出现大量的液相,坯体孔隙率明显下降,致密化程度与密度急剧减少。
由粘着磨损和磨粒磨损表达式知道磨损量与硬度成反比所以选择这两组试样做磨损实验,从上图可以看出硬度最大的时候磨损量最小,球磨时间相同时温度越高,磨损量先减少后增加。综上所述,烧结温度为550 °C时磨损量最少,耐磨性最好。
样品表面有适量的陶瓷颗粒,分布比较比较均匀,这些陶瓷颗粒就是增强Al 基材料性能的颗粒。当低温烧结时,由于烧结不充分,材料中含有大量的孔隙,基体中各组元结合不够紧密,增强相颗粒与基体组元间的结合被消弱。当烧结温度为550 °C 时,孔隙度较小,组织结构分布较均匀,故其致密化程度较高,其耐磨性较高。图3 烧结温度为550 °C 样品的SEM 图片
采用粉末冶金法制备出Al 基复合材料,研究了不同烧结温度对材料的组织和力学性能的影响。随着烧结温度的升高,组织结构分布较均匀,烧结体的致密化程度和耐磨性得到提高。最佳烧结温度为550 °C 时,样品具有较高的密度和较好的耐磨性。
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超材料是一类具有自然界中材料所不具备的超常物理性质的等效均匀人工复合结构或复合材料。超材料的出现极大地扩展了可实现的媒质空间,其独特的电磁特性令其在民用领域和军事领域拥有巨大的应用潜力。超材料的制备方法包括精细加工法和自组装法,由于精细加工法具有设备昂贵、工艺复杂的缺点,不利于其推广应用。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:浅谈一种更快获取超材料的方法相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
【摘要】:正能够以特殊方式与光进行互动的纳米结构材料可制备一系列新型光学器件,如纳米涂层太阳能电池、光学计算机、隐身斗篷等。一种新的制备方法能够更加容易地设计、制造大尺寸的片状超材料。为挖掘在利用可见光或红外线的成像和通信领域的潜在应用,研究人员利用金属和半导体材料制备了具有致密、错综复杂的纳米图案的超材料。该类材料的制备通常利用过程缓慢且价格昂贵的电子束光刻或离子束光刻等技术。
【关键词】: 超材料;离子束光刻;纳米结构材料;电子束光刻;光学计算机;纳米涂层;材料制备;光刻技术;光学器件;纳米球;
能够以特殊方式与光进行互动的纳米结构材料可制备一系列新型光学器件,如纳米涂层太阳能电池、光学计算机、隐身斗篷等。一种新的制备方法能够更加容易地设计、制造大尺寸的片状超材料。
为挖掘在利用可见光或红外线的成像和通信领域的潜在应用,研究人员利用金属和半导体材料制备了具有致密、错综复杂的纳米图案的超材料。该类材料的制备通常利用过程缓慢且价格昂贵的电子束光刻或离子束光刻等技术。据哈佛大学George M. Whitesides 实验室的研究员Alex Nemiroski 介绍,光刻技术能够更快速地制备超材料,但是其分辨率较低且不能形成高密度、有序的图案。为了加快创新的步伐,研究人员需要具备快速制备光刻样机并测试超材料的设计的能力,企业需要拥有快速制备大尺寸材料的工艺。
Nemirosk 通过调整现有技术中的阴影投射光刻技术,研发出了一种更快、更通用的超材料制备方法——利用一个简单的模板( 通常由致密的纳米球制成) 来阻碍物理气相沉积( PVD) 腔室中的原子沉积,他认为,在沉积过程中多次改变原子源的位置可以创建更复杂的图案。
这种新的方法被称为阴影纳米球光刻技术。研究人员先向水中滴入直径为1 μm 的聚苯乙烯微球,利用静电作用使其团聚,然后将团聚的微球置于硅片的表面并干燥。如有需要,可对硅片上的微球进行蚀刻以获得更小尺寸的聚苯乙烯微球。接下来,研究人员将硅片放入PVD 腔室中, 对所选择的材料进行沉积。在原子沉积到硅片表面的过程中,聚苯乙烯微球阻碍了部分原子的沉积路径。为获得特定的纳米尺度结构,可以通过改变沉积源角度的方法,从一个阴影图案开始,重复沉积不同的图案。利用该技术,哈佛大学的研究团队利用铜、钛和其他金属制备了一系列图案化超材料。这些样板材料的曲率半径低至10 nm。
Nemiroski认为半导体材料和电解质材料均可用来制备该类超材料。Nemiroski 开发设计了控制沉积过程的软件,它不仅能够自动生成沉积源的移动序列,并根据所要求的图案限定微球的尺寸,还能够预测最终所得材料的光学性质。
伊利诺伊大学香槟分校从事利用新型光刻技术制备超材料研究的材料学家Paul V. Braun 表示:“ 我从来没有想到, 可以利用这些自组装胶体来创建复杂的结构。”据他介绍,超材料所检测到的光学性能与哈佛大学软件预测的一致,表明该制备方法切实可行。
此外,Braun 还指出聚苯乙烯微球具有一定的缺陷,它们不能完美地堆积,导致最终所得材料也存在缺陷。Nemiroski 表示哈佛大学的研究团队目前正在研究这一问题。
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采用表面修饰技术和原位还原碳化技术制备了纳米碳化钨(WC)/碳纳米管(CNT)纳米复合材料,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和热重-差热分析(TG-DTA)等手段对WC/CNT纳米复合材料的晶相组成、形态结构和热稳定性进行了表征,结果显示样品是由WC和CNT两相构成,纳米WC颗粒均匀地分散在碳纳米管上,粒径细小;在空气气氛中,WC/CNT纳米复合材料在470℃以下保持稳定。采用循环伏安法研究了WC/CNT纳米复合材料对硝基苯的电催化活性和电化学稳定性。结果表明,WC/CNT纳米复合材料对硝基苯的电催化活性优于纳米WC和CNT,且WC/CNT纳米复合材料在硝基苯电还原过程中保持良好的化学稳定性。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:碳化钨与蒙脱石纳米复合材料的制备与电催化活性研究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
【摘要】:具有类铂催化性能的碳化钨(WC)催化材料是当前研究的热点与难点.本文以六氯化钨为钨源,用剥离后的蒙脱石片层为载体,将化学浸渍法与原位还原碳化法技术相结合制备了碳化钨与蒙脱石纳米复合材料;复合材料由碳化钨、碳化二钨(W2C)和蒙脱石(MMT)组成,碳化钨呈颗粒状分散或呈层状负载于MMT外表面;样品的晶相组成与其还原碳化时间有关;样品的微结构特征与前驱体中钨与蒙脱石的比例有关.采用三电极体系和循环伏安法测试了样品在酸性溶液中对甲醇的电催化氧化性能,结果表明,碳化钨与蒙脱石复合之后对甲醇的电催化性能明显提升,并具有类铂电催化活性;当钨与蒙脱石质量比为4的前驱体经5 h还原碳化后,样品中WC占绝对主导,WC和W2C的质量分数分别为82%和18%,两者的比值为4.556,且在MMT外表面形成均匀的负载层.此时样品的电催化活性最高.这为制备具有类铂催化活性的高性能碳化钨催化材料奠定了坚实基础.
【关键词】:碳化钨 蒙脱石 纳米复合材料 电催化活性 类铂催化性能
碳化钨(WC)的核外电子排布因与铂类似而具有类铂催化性能,1 可用作电化学领域的催化剂,2,3 且由于具有优越的抗H2S和CO中毒能力等特点4而成为当今研究的热点, 但是其电催化活性远不如铂等贵金属催化剂.5,6 因此, 提高活性是WC替代或部分替代铂等贵金属催化剂的关键和面临的技术难题.研究表明, 结构和形貌调控,7,8 碳包覆9-15及与其它载体复合16是提高WC活性的有效技术手段. 本课题组在这方面也开展一些有针对性的研究工作,如制备WC/CNT、17 WC/TiO218和WC/天然沸石纳米复合材料,19 以及WC/Fe3W3C 核壳结构复合材料20等. 以上方法虽然在一定程度提高了WC的催化活性, 但均未能制备出具有类铂催化活性的碳化钨基催化剂.
选择蒙脱石(MMT)为碳化钨的载体, 制备碳化钨与蒙脱石复合催化材料, 并研究其性能, 是因为MMT具有2:1 型层状结构, 是一种天然的硅酸盐层状结构材料, 具有表面电负性强、比表面积大、吸附性强及阳离子交换性能好等特点;21 研究还表明, 将Pt2+引入到MMT的层间, 再利用NaBH4还原可得到Pt-MMT催化剂, 它对对硝基苯酚具有很好的催化活性与稳定性;22 将Ru、23 Au、24 CdTe25和Fe26等多种纳米微粒负载在MMT上, 不仅体现出良好的分散性, 还具有很好的催化性能. 这是由于MMT的纳米片层表面带有永久性负电荷, 电荷的相斥作用导致复合催化剂具有很好的分散性; Aihara 等27进一步认为, 为了降低表面能, 纳米颗粒吸附于MMT的片层上, 致使MMT片层对纳米颗粒具有很好的分散作用; Kawabata 等28 也认为MMT作为催化剂的载体, 对纳米微粒具有很好的分散与稳定作用, 并可保持复合催化剂的稳定性. 因此, 将具有类铂催化活性的碳化钨负载于MMT纳米片层之上必可得到性能良好的催化剂.
基于上述因素, 本文以蒙脱石为载体, 采用离子交换法将W6+引入到MMT表面及层间, 再利用原位还原碳化技术获得了碳化钨与蒙脱石纳米复合材料, 研究了其对甲醇的电催化性能, 报道了具有类铂电催化活性的碳化钨基催化材料, 揭示了复合材料的电催化性能与其物相组成和微结构之间的关系, 为制备具有类铂催化活性的碳化钨基电催化材料探索了一条新的途径.
2.1 前驱体制备
三氧化钨(WO3) 与蒙脱石复合前驱体(WO3/MMT)的制备分为两步完成: (1) MMT 剥离; (2)WO3/MMT制备.
(1) MMT剥离: 将一定量的MMT加入到浓度为8 mol∙L-1的LiCl 溶液中, 搅拌和超声分散10 min后转入水热反应釜中, 在140 °C下水热反应24 h, 过滤后再用50%的乙醇溶水液洗涤滤饼, 经离心和干燥后获得剥离MMT (E-MMT).
(2) WO3/MMT 制备: 分别称取1.836 g WCl6 和1.000 g E-MMT, 先将WCl6溶于50 mL无水乙醇中,再将E-MMT加入上述溶液中, 超声分散10 min, 将体系置于30 °C的水浴中恒温搅拌24 h, 然后静置、过滤、洗涤、干燥和研磨后获得WO3/MMT前驱体.
2.2 样品制备
将适量的WO3/MMT前驱体装于石英舟内并置于管式电炉中, 通氮气(N2) 30 min 后, 改通CH4和H2混合气体(CH4:H2的体积比为1:4), 同时将管式炉的温度升高至400 °C保持30 min, 再升高至800 °C保温一段时间, 然后在N2保护下冷却至室温, 即获得碳化钨与MMT纳米复合材料.
2.3 样品表征
采用荷兰的PANalytical 公司生产的X'PertPRO型X射线衍射(XRD)仪对样品的结构及物相组成进行表征. 实验采用Cu Kα靶, λ=0.154056 nm, 管电流40 mA, 管电压45 kV, 步长0.04°, 2θ的扫描速率为2.4 (°)∙min-1, 扫描范围为5°-80°; 采用配备有X射线能量散射谱(EDS)仪的HitachiS-4700Ⅱ型场发射扫描电镜来观察样品的表面形貌; 采用荷兰Philips-FEI 公司的300 kV 高分辨透射电子显微镜(TecnaiG2 F30 S-Twin)对样品的形貌特征和显微结构进行表征.
2.4 电催化性能测试
样品的电催化性能测试采用CHI620B 型电化学工作站(上海辰华仪器公司), 测试在298 K下采用循环伏安法和三电极体系进行. 其中, 工作电极为粉末微电极, 辅助电极为1 cm×1 cm 的99.99% Pt片, 参比电极为饱和甘汞电极(SCE), 工作电极与辅助电极之间用多孔陶瓷隔膜隔开.
样品电催化性能对比用碳载铂(Pt/C)电催化材料从浙江省冶金研究院有限公司购买, 其铂含量为5% (w), 标记为Pt/C(5%).
3.1 XRD分析
EMMT与WO3/MMT 在2θ小于10°的范围内均具有较强的衍射峰, 可归属于MMT(001)晶面的特征峰(PDF: 13-0259). 与E-MMT相比, WO3/MMT中(001)晶面的2θ值向左偏移,这说明负载WO3 后MMT 的(001)晶面间距扩大了. 这可能与WO3/MMT制备过程中少量钨离子插入蒙脱石层间有关. WO3/MMT经还原碳化后, 样品的物相组成主要是WC (PDF: 51- 0939)、W2C(PDF: 35- 0776) 和MM. 比较上述四个样品的XRD 衍射结果可发现, 随着还原碳化时间的增加,MMT(001)晶面的衍射峰逐渐减弱, 当还原碳化时间超过5 h, MMT(001) 晶面的衍射峰基本消失,MMT的其他衍射峰也逐渐减弱. 这说明随着还原碳化时间的增加, MMT片层结构的有序度降低, 甚至被破坏或向非晶态转变.
当还原碳化时间为3 和4 h 时, WC的各主要晶面(001)、(100)和(101), 以及W2C的(101)晶面的衍射峰较弱. 这说明此时WC及W2C的结晶度不高; 当还原碳化时间增加到5 h 后,样品的物相主要是WC, 且其衍射峰明显增强; 当还原碳化时间增加到6 h 时, WC 的衍射峰变弱, 而W2C的衍射峰增强. 上述结果表明, WC的结晶程度随着还原碳化时间的增加由弱到强, 再由强到弱,而W2C 的结晶程度由强到弱, 再由弱到强, 即两者的结晶程度呈互补关系. 这反映还原碳化过程中WC与W2C 是一种动态平衡关系, 即W2C→WC⇌W2C.为进一步验证上述关系, 基于XRD 分析结果,应用X'PertPRO 型X射线衍射仪自带的专业软件对样品中WC和W2C 的质量分数及其晶粒度进行了计算. 表中WC和W2C的晶粒度分别对应各自最强衍射峰的晶面, 即分别为(100)和(101)晶面.当还原碳化时间为3 h时, 样品中WC和W2C的含量分别为39%和61%, 两者的比值为0.641, 即W2C的含量约为WC的1.5 倍;
当还原碳化时间为4 h 时, WC和W2C的含量分别为34%和66%, 两者的比值为0.515, 即W2C 的含量约为WC的2.0 倍. 这说明还原碳化3 和4 h 时,样品的物相以W2C为主. 当还原碳化时间为3 h 时, 两者的晶粒度有一定的差异; 当还原碳化时间为4 h 时, 两者的晶粒度基本一致. 当还原碳化时间为5 h 时, 样品中WC与W2C的含量分别为82%和18%, 两者的比值明显变大, 由0.515(4 h)增大至4.556(5 h), 晶粒度变化不明显. 此时样品的物相以WC为主, 粒径没有明显变化. 当还原碳化时间为6 h 时, 样品中WC与W2C的含量分别为48%和52%, 两者的比值又变小, 由4.556(5 h)变小至0.923(6 h), 此时样品的物相以W2C 为主, 粒径略有增加. 这说明还原碳化时间由5 到6 h, 样品的物相由以WC为主, 转变为WC与W2C 的含量基本相当, 且W2C 的含量略高. 比较不同还原碳化时间样品的XRD分析结果可发现, 随着还原碳化时间的增加, WC与W2C之间可发生转变,先是部分W2C 转变成WC, 然后是部分WC转化为W2C, 且还原碳化5 和6 h 样品中WC和W2C的结晶度明显优于还原碳化3 和4 h 时样品中的WC 和W2C.
3.2 SEM分析
剥离前MMT片层状结构不明显, 剥离后片层状结构明显, 其长度达到了几微米, 厚度仅为十几纳米, 片层边缘呈现卷曲状. 这说明经剥离后, MMT形成了分散性良好的片层状结构, 其表面积明显增大. 这为后续氧化钨的吸附与分散, 即前驱体的制备奠定了良好的基础.
3.3 TEM及STEM
为了解E-MMT与碳化钨的晶粒大小, 选择还原碳化时间为5 h 的样品进行了高分辨透射电子显微镜(TEM)和扫描透射电镜(STEM)分析.
样品片层状结构明显, 片层厚度较薄, 结合SEM 结果, 片层状颗粒为E-MMT,黑色颗粒均匀地分散于E-MMT的表面.样品局部放大及晶格像. 黑色细小颗粒经放大后用Digital Micrograph 软件精确测量其晶面间距约为0.2455 nm. 这与WC(100) 的晶面间距0.2517 nm(PDF: 51-0939)接近.黑色颗粒经放大后,其晶面间距约为0.2489 与0.2506 nm, 均与WC(100)的晶面间距接近. 这说明照片中的黑色颗粒为WC.晶面间距实测值与标准卡片值的差异可能是由于晶面拍摄角度以及系统误差所致.灰黑色颗粒表面分布灰白色亮点. 由于碳化钨比蒙脱石具有更强的电子衍射,灰白色亮点是碳化钨颗粒, 灰黑色区域为E-MMT片层, 并采用X射线能谱仪对上述结论进行了验证. WC颗粒均匀分布于E-MMT片层的表面, 分散性较好, 团聚现象不明显, 颗粒大小大约在10 nm 左右. 这与XRD的计算结果吻合.
3.4 EDX分析
C、O、Mg、Al、W、Si 元素的谱峰. 其中, O、Mg、Al、Si 和Ca 为MMT中的元素所致, W 和C 谱峰的存在说明样品中存在碳化钨物相. 这与XRD 的分析结果相符. 这在一定程度上说明所制备的样品为WC/MMT复合材料.
3.5 电催化性能
样品在酸性甲醇溶液(0.1 mol ∙ L-1CH3OH+0.5 mol∙L-1 H2SO4)中的循环伏安曲线. 样品3 在0.5 mol∙L-1 H2SO4溶液中出现了一组对称的氧化还原峰, 其氧化和还原峰峰电位分别为0.531 和0.426 V; 在正扫过程中, 四个样品均在0.7 V左右出现第一个氧化峰; 在负扫过程中,四个样品均在0.508-0.535 V范围内出现第二个氧化峰. 样品3 在硫酸溶液中并未出现双氧化峰, 而是一个氧化峰和一个还原峰. 这说明上述双氧化峰是样品对甲醇的电催化氧化, 也充分说明WC/MMT系列样品对甲醇的电催化氧化性能与贵金属催化剂铂的特征相似.为便于对比.
在正扫描过程中, 样品1、2、3 和4 的峰电位分别为0.702、0.707、0.707 和0.696 V, 峰电流密度分别为8.05、6.09、16.40 和6.64μA∙cm-2. 即4 个样品的峰电位非常接近, 峰电流有明显的差异, 以样品3 的峰电流密度最大; 负扫描过程中, 样品1、2、3 和4 的峰电位分别为0.532、0.535、0.508 和0.515 V, 峰电流密度分别为5.42、4.24、10.20和3.95 μA∙cm-2. 即4 个样品的峰电位比较接近, 以样品3 的峰电位最负, 峰电流也有明显的差异, 以样品3 的峰电流密度最大. 由于氧化峰的峰电位越负,其电催化氧化活性越高. 因此可认为样品3 的电催化活性相对较好, 即还原碳化时间为5 h 所制备样品的电催化活性最好. 4 个样品的正扫峰电位与负扫描峰电位的比值存在一定的差异, 且样品4 的比值明显大于其它三个样品的比值.
正扫描时, 样品3 在硫酸溶液中的循环伏安曲线在电势为0.1 V左右均出现一个宽泛的氧化峰. 这应该是氢的脱附峰.3 氢脱附峰的形成是因为酸性溶液中含有大量的H+离子, 样品中MMT表面具有永久性负电荷, 这必然导致H+离子大量吸附于MMT表面, 随电位正移, H+离子从MMT表面脱附, 在循环伏安曲线上显示阳极电流和相应的电流峰.
甲醇在样品的电催化过程中能够出现双氧化峰是因为甲醇的电催化氧化总反应方程式:
2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O (1)
在酸性条件下, 其正极反应:
3O2+12e-+12H+→6H2O (2)
负极反应:
2CH3OH-12e-+2H2O→12H++2CO2 (3)
而在实际反应过程中, 甲醇的电催化氧化是分步进行的.30 即在电位正向扫描过程中, 甲醇发生电催化氧化, 但随着电流的正移, 催化剂表面产生的氧化物或溶液中硫酸根离子吸附抑制了甲醇的进一步吸附和氧化, 所以会产生第一个氧化峰; 当电位负向扫描时, 在正向扫描产生的氧化物被还原,且吸附的硫酸根离子也发生脱附, 此两个过程使得催化剂表面恢复活性, 所以甲醇可以进一步发生氧化, 从而形成第二个氧化峰. 这就是形成双氧化峰的根本原因.
不同钨与蒙脱石比的前驱体经5 h 还原碳化所制备的样品在酸性溶液(0.1 mol∙L-1 CH3OH+0.5 mol∙L-1 H2SO4)中循环伏安曲线. 从图7 中可看出, 所有样品在酸性甲醇溶液中均出现了双氧化峰, 一个是在正扫过程中, 且峰电位均在0.7 V左右,另一个在负扫过程中, 峰电位为0.5 V. 上述结果说明, 四个样品均对甲醇具有良好的电催化活性, 且其循环伏安曲线的双氧化峰特征与贵金属Pt 的电催化特征相类似.29 这充分说明碳化钨与蒙脱石纳米复合材料具有类Pt 的催化活性. 为了更好地对比样品的电催化活性.
正扫描过程中, 4 个样品的峰电位高低顺序为: 样品8>样品7>样品6>样品5. 由于氧化电位越低, 其电催化氧化活性越好, 越容易发生电催化氧化反应. 因此, 正扫描过程中, 样品5 的电催化活性最高. 正扫描过程中, 4 个样品的峰电流密度大小顺序为: 样品8>样品6>样品5>样品7. 其中, 样品8 的电流密度值明显大于其它样品的电流密度值; 样品7 的电流密度值明显小于其它样品的电流密度值. 负扫描过程中, 4 个样品的峰电位高低顺序为: 样品7>样品6>样品5>样品8, 样品8 的电催化活性最高. 4 个样品的峰电流密度大小顺序和特征与正扫一致. 从表3 中还可看出, 4 个样品的正扫峰电位与负扫峰电位的比值随着负载量的增大而减小, 即两个氧化峰的电位比值大小与负载量之间存在一定的相关性.
样品3 与碳载铂[Pt/C(5%)]在酸性甲醇溶液中的循环伏安曲线对比图.样品3 与Pt/C(5%)在酸性溶液中对甲醇的电催化均出现了双氧化峰. 为便于对比, 在相同的测试条件下, 与Pt/C(5%)的第一个和第二个氧化峰电位相比, 样品3 的第一个和第二个氧化峰电位明显负移. 由于氧化峰的峰电位越负, 其电催化氧化活性越高. 这说明碳化钨与蒙脱石构成复合材料后, 在高电流密度下其电催化活性高于Pt/C(5%), 即其电催化活性得到了明显的提升.
从表4 中还可看出, 与文献报道的WC与W2C复合材料31 和碳载铂(Pt/Vulcan XC-72R)电催化材料32的第一个和第二个氧化峰电位相比, 样品3 的第一个和第二个氧化峰电位明显负移; 与文献报道的碳载铂(Pt/Vulcan XC-72R)电催化材料32相比, 正扫时, 样品3 对甲醇电催化氧化第一个峰的峰电位明显正移, 第二个峰的峰电位相同. 这也从侧面说明将碳化钨复合于蒙脱石上之后, 其对甲醇的电催化活性得到显著的提高.
综合分析, 不同钨与蒙脱石比值的前驱体经5 h还原碳化所制备的样品中, 样品3, 即当前驱体的钨与蒙脱石比值为4 时, 样品在酸性溶液中对甲醇电催化氧化活性最好. 结合样品的XRD表征结果, 样品3 中的碳化钨物相组成为WC与W2C, 且WC与W2C 的比值达4.649, 即样品中以WC为主导, 而其它3 个样品的物相虽然也由WC与W2C组成, 但WC与W2C的比值均小于1, 即样品中碳化钨的物相以W2C为主. 这充分说明WC与W2C对甲醇的电催化氧化均具有一定的活性,31 但构成复合材料后两者的比例对样品的性能有较大影响, 即以WC为主的样品对甲醇的电催化性能好于以W2C 为主的样品的性能.
从TEM照片中可看出, 样品3 中碳化钨颗粒均匀地分布于MMT外表面, 并形成了较为完整的负载层; 虽然样品2 中碳化钨也较均匀地分布于MMT外表面, 但没有形成完整的负载层; 样品1 和4则是碳化钨颗粒均匀地分布于MMT 外表面, 在MMT外表面的碳化钨没有形成连续的层状结构.这充分说明样品的微结构特征对其电催化活性具有较大影响. 基于上述结果和分析可得出结论: 碳化钨与蒙脱石纳米复合材料对甲醇的电催化活性不仅与其物相组成和相对含量有关, 还与其微结构特征有关.
以六氯化钨为钨源, 以剥离后的蒙脱石片层为载体, 将化学浸渍法与原位还原碳化技术结合可制备出碳化钨与蒙脱石纳米复合材料; 复合材料中碳化钨由WC与W2C组成, 调节还原碳化时间可获得具有不同物相组成的复合材料, 即可控制WC 与W2C 的比值; 调节前驱体中的钨与蒙脱石比例, 可获得具有不同结构特征的碳化钨与蒙脱石的纳米复合材料; 当前驱体中钨与蒙脱石的比例适中时,碳化钨均匀地负载于蒙脱石片层的外表面, 形成良好的负载层; 当前驱体中钨与蒙脱石的比值过低或过高时, 碳化钨以微粒形式复合于蒙脱石片层的外表面. 其中, 当比值低时, 碳化钨纳米颗粒均匀地分散于蒙脱石的外表面, 晶粒的尺寸在10 nm左右, 当比值过高时, 碳化钨纳米颗粒在蒙脱石的表面分布不均匀, 颗粒明显增大(60-100 nm), 团聚明显.
碳化钨与蒙脱石纳米复合材料在酸性体系中对甲醇具有良好的电催化活性, 并具有类铂催化性能, 其电催化活性不仅与复合材料的物相组成有关, 还与复合材料的微结构特征有关. 当复合材料中碳化钨的物相由WC和W2C构成, 并以WC占绝对多数, 且两者在蒙脱石片层外表面形成均匀的负载层时, 复合材料对甲醇的电催化活性最好, 且类铂电催化性能最强.
上述充分说明, 蒙脱石片层是碳化钨良好的载体, 不仅可很好地分散碳化钨纳米颗粒, 也可构成负载层状结构, 两者复合后还可获得具有类铂催化性能的碳化钨基电催化材料. 这为制备具有类铂电催化性能的碳化钨基催化材料奠定了坚实的基础,为碳化钨基催化材料的制备与应用研究, 尤其是碳化钨替代铂等贵金属催化剂指明了方向.
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复合材料是指有连续的基体与分散的增强材料组合的多相材料,其中呈连续分布的相称结合相,而间断分布的相称增强相。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:铝水反应的新型制氢复合材料探究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
【摘要】:研究了铝基复合材料在铝水反应过程中的制氢性能,所用的铝基复合材料由高能机械球磨法制备。发现在Al-Bi-Na Cl体系中添加少量的碱金属(锂、钠、钾)或氢化物(Li Al H4、Li BH4)后,材料在室温下纯水中的放氢量和放氢速率都有了很大提高,通过调整掺杂物的种类和添加量,得到性能相对最佳的铝基复合材料拥有高达2 016 m L/(min·g)的初始放氢速率,并且能在1 min内放出几乎全部的理论产氢量。
【关键词】: 制氢 铝基材料 球磨 铝水反应
随着化石燃料的不断消耗和对环境威胁的加剧,洁净无污染的氢能利用技术以令人惊奇的速度快速发展。直接压缩低温液氢法储氢能力较强,但储存和运输过程中的液氢气化、泄露等问题严重制约了其在民用领域的推广。其他常用的储氢方法如金属氢化物储氢、碳纳米管储氢、金属有机化合物储氢等依然存在循环稳定性和热力学性能差等缺陷,无法满足现实需求。而近年来受到关注的硼氢化钠水解制氢虽然有着储氢量高、产氢纯度高等优点,但是其价格昂贵、催化剂易中毒等缺陷却阻碍了其进一步的推广应用。与其他制氢手段相比较,金属水解制氢具有能量密度大,单位质量体积小,易保存易运输等优点,是一种很有潜力的制氢方式。
其中,金属铝原料资源丰富,价格低廉,有利于大量生产和推广。铝与水反应置换出氢气,水解过程安全稳定,氢气纯度高,无有毒气体产生,清洁无污染,同时具有很高的理论产氢量(1 245 mL/g)。虽然铝水反应在热力学意义上能够自发进行,但是新鲜的铝表面会迅速生成一层致密的氧化膜,阻止水解反应的进一步进行。所以如何破除这层氧化膜,是铝基水解制氢材料在室温下应用的关键问题。向反应系统中加入碱是一个促进反应进行的简单而有效的办法,而碱溶液的运用将对装置设备和使用人员造成潜在的危害,需要进一步的工作来改善这个问题。Soler等人报道了一种使用铝在海水中悬浮铝酸钠溶液的制氢系统。结果表明,当使用NaAlO2和Na2SnO3代替NaOH在铝水反应中的催化作用时,在同样的pH 条件下,使用Na2SnO3代替NaOH 能提高氢气的产生速率。
Dai等人将NaOH 和Na2SnO3的组合使用,有效提高了铝水反应系统的产氢速率,显著减少了NaOH 溶液的浓度,兼顾了铝水反应的动力学性能和碱腐蚀问题。另一方面,为彻底摆脱碱性溶液对系统装置的负面影响,最好的办法是使用中性的溶液或是单纯的水来直接与铝进行反应。范美强等人采用熔炼和球磨的方法向纯铝中掺杂了多种低熔点金属来提高铝基制氢材料活性。其中,使用30∶1 的球料比和5 h 球磨时间制备的Al-10%Bi-5%NaCl (质量分数) 样品,在20 min 内转化率可达到85.4%。本文在前期工作基础之上,通过改进球磨参数,细化成分比例,得到了性能更好的铝- 铋- 氯化钠复合材料。同时在此基础上,通过添加少量碱金属或氢化物得到了具有更高的能量密度和放氢速率的复合材料,适用于实时供氢等方面的应用。另外,测试了铝- 铋- 氯化钠- 碱金属复合材料水解反应的量热曲线,为以后工业化的系统设计提供参考。
1.1 样品制备
实验所用金属粉(Al、Bi 等),99.99%,天津兰德试剂有限公司生产;氯盐(氯化钠等),分析纯,沈阳试剂厂生产;碱金属(锂、钠、钾),99%,沈阳试剂厂生产;氢化物(LiAlH4、LiBH4等)98%,Alfa Aesar Company 生产;本论文中所有的水解制氢材料,均采用高能量机械球磨的方法制备。该方法是将原料按设计的组成配置混合后,在高纯氩气保护下,通过一定时间的球磨过程制备得到实验所需的复合材料。球磨制备均在QM-1SP-2CL型行星式球磨机(南京大学仪器厂制造)上进行。球磨用50 mL 的CrNi18Ti9真空密封不锈钢罐,磨球的材质与球磨罐相同,直径约1 cm。球磨机的主轴转速为450 r/min,磨球与原料的质量比为30∶1,球磨时间为12 h。
1.2 水解性能测试
称量0.07 g 的复合材料粉末加入到容量约为10 mL 的玻璃小瓶中,然后密封,7 mL 水由注射器加入。接触产生的氢气由导管引出,使用排水集气法收集在刻度精确到0.1 mL 的量筒中。复合材料水解上升氢气的体积为排出的水体积,产氢速率为单位时间内排出的水体积,氢气产量为单位质量的复合材料水解产生的氢气。
1.3 微量热测试
实验采用瑞典Thermometric AB 公司的3114/3236 TAMAir 型微量量热仪,热功率最小检测限为2.5 μW。将0.01 g 样品放入安培瓶置入量热仪中,待温度恒定后加入1 mL 的去离子水,得到铝水反应的微量热曲线。
2 .1 不同的铋和氯化钠含量对铝基复合材料性能影响
随着NaCl 含量的升高,样品的放氢量先增大后减小。这可能是因为NaCl 的加入减小了样品粒径,增加了颗粒表面的缺陷和新鲜表面。但是当Bi 的含量过小,Al-Bi 微型腐蚀电池便无法充分发挥作用,从而使放氢性能迅速下降。其中,成分比例(质量分数)为Al-8%Bi-7%NaCl(记为A#)的球磨样品拥有相对最佳的放氢性能。初始放氢速率达到了891 mL/(min·g),并且在3 min 之内放氢量便基本能达到理论容量。
2.2 不同添加量的氢化物对铝- 铋- 氯化钠复合材料性能影响
向85% Al-8% Bi-7% (质量分数)NaCl中添加不同含量LiAlH4和LiBH4后的铝基复合材料在室温下的水解放氢。随着掺杂量的升高,样品的初始放氢速率也随之升高。其中,成分比例(质量分数)为A#(Al-8%Bi-7%NaCl)-5%LiAlH4的球磨复合材料拥有相对最佳的放氢性能,初始放氢速率达到了2 016 mL/(min·g),并且在1 min 内放氢量便基本能达到全部理论容量。这可能是因为松散的氢化物的加入在球磨过程中促进了铝颗粒的分散,进一步增大了样品的缺陷和新鲜表面。另外在水解过程中,由于氢化物在与水反应时放出的热量提高了初始局部温度,从而使铝水反应的启动过程更加迅速。
2.3 不同种类的碱金属对铝- 铋- 氯化钠复合材料性能影响
向85% Al-8% Bi-7%(质量分数)NaCl 中添加1% (质量分数)的碱金属后的铝基复合材料在室温下的水解放氢曲线。在加入了少量的碱金属之后,样品的初始放氢速率有了很大提高。其中,成分比例(质量分数)为A#(Al-8%Bi-7%NaCl)-1%Na 的球磨复合材料拥有相对最佳的放氢性能,初始放氢速率达到了1 985 mL/(min·g),在1 min 内便基本能放出全部理论容量。这可能是因为碱金属在与水接触时发生剧烈的水解反应,放出大量的热量,加快了样品的水解速度。同时,碱金属的水解产物在铝与水的反应过程中能够起到催化剂的作用,也促进了水解反应的进行。
85%Al-8%Bi-7%(质量分数)NaCl 加入1%碱金属球磨样品水解放氢过程的量热曲线。从中可以看到,随着水解反应的进行,有大量的热量发出,放出热量的大小随着反应放氢性能的提高而增大。加入碱金属的样品水解放热峰更加尖锐,以更快的速度放出了大量热量。这也证明了碱金属的加入能够有效提高样品的初始放氢速率。
85%Al-8%Bi-7%NaCl 和加入1%(质量分数) 碱金属后球磨样品水解放氢过程的反应热值。85%Al-8%Bi-7%(质量分数)NaCl 球磨复合材料在水解反应过程中可放出约8.6 kJ/g 的热量,在加入1%(质量分数)的碱金属后,放出热量上升了约20%。铝水反应所产生的大量热量一方面提升了其自身的反应速度,另一方面也对系统的安全和稳定性提出了挑战。因此,在实际应用中应为反应容器设计循环冷却系统,或者设法将反应所放出的热量利用起来,进一步提高铝水反应能量的利用率。
为了破除铝表面致密的氧化膜使之能在常温下与水反应,同时降低碱溶液对设备及使用人员的潜在危害,在前人工作的基础上,实验制备了高活性的铝基球磨复合材料,在室温下便能与水发生快速反应。其中成分比例(质量分数) 为A#(Al-8%Bi-7%NaCl) -5%LiAlH4的球磨复合材料拥有的初始放氢速率达到了2 016 mL/(min·g),在1 min 内便基本放出了其全部理论容量。性能优异的复合材料为接下来的实际应用打下了坚实基础。另外,实验还测试了铝- 铋- 氯化钠和加入少量碱金属后的复合材料水解反应量热曲线,计算了铝水反应所放出的热量,为以后实际系统设计的安全性和稳定性提供参考。
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当前,社会经济快速发展,建筑工程的数量和规模逐渐增大,建筑企业之间的竞争也日益激烈,在激烈的市场经济中,建筑企业要想实现良好的发展,就需要科学的利用资金成本,实现良好的工程造价。下面是读文网小编为大家整理的材料成本控制论文,供大家参考。
摘要:随着经济的发展,人们对物质生活条件的要求在提升,房屋建筑就是其中具有代表性的要求,房屋建筑工程具有难度大、建筑周期长、投资大等特点,因此加强房屋建筑的成本控制非常重要,随着能源的发展,不可再生资源在减少,房屋建筑中的材料成本也在不断的提升,因此要优化调整房屋建筑中的材料成本,提升房屋建筑的经济效益,本文对房屋建设中的材料成本控制进行研究分析。
关键词:房屋建设;材料成本;控制
在房屋建筑成本比例构成中,材料成本是主要的部分,具有品种复杂、消耗大等特点,大约占据了房屋总成本的70%,因此对于材料的成本控制非常重要。现阶段很多建筑单位对于材料成本控制不重视,仅由企业财务人员进行管理,难以发挥有效的控制效果,本文分析了现阶段材料成本控制中存在的问题,提出了加强房屋建设中材料成本控制的建议。
1房屋建设材料成本控制中存在的问题
1.1材料采购问题
传统建筑的成本采购,建筑单位和材料供应商属于临时合作关系,往往追求自己的最大利益,建筑企业想要以最低的价格获得材料,而供应商会因为降低价格而降低材料质量,对于建筑长远利益不加以考虑,因此这种合作关系影响了材料的采购成本控制。建筑单位和材料供应商需要建立长久的合作关系,以保证材料为前提,才能过实现合作共赢。
1.2信息化管理程度低
现阶段建筑企业采用的信息化管理程度较低,很多建筑单位没有采用现代化管理系统进行信息化的管理,导致材料的库存、使用情况等难以及时的反馈处理。虽然大部分的建筑单位采用限额材料使用方法,但是真正执行的较少,施工单位对于材料的发放过于随意,使得材料的使用出现差错,存在着很多的浪费现象。
1.3材料管理制度问题
建筑单位对于材料管理意识较弱,观念落后,认为材料管理属于企业财务的职责。事实上建筑材料的管理需要建筑企业的全员参与,企业监管制度不严密、管理混乱、材料质量控制不到位等,都使得材料成本的核算和预算出现差别。建筑单位没有对材料的使用成本进行阶段性分析,对于实际成本没有很好的控制,使得成本的核算大于投入。建筑单位在建筑过程中需要进行成本考核,但是现阶段的考核过于形式化,没有落实到实处,从而造成材料管理中存在着很多的问题。
2加强房屋建设中材料成本控制的建议
2.1提升成本控制的意识
建筑材料的成本控制需要贯穿在整个建筑周期,从而全程控制材料,材料的成本控制是建筑总成本中最关键的部分,想要加强成本控制,首先要提升建筑企业的成本控制意识。对企业领导和物资采购人员进行成本控制的培训,及时的提升其成本控制意识,对于材料的成本有着更深刻的了解。企业想要提升成本控制的效果,建筑单位可以制定出具体的成本管理绩效考核、材料消耗等制度,为管理者提供管理方向,规范建筑工人的行为,从而确保材料成本控制管理的落实。
2.2材料供应管理
房屋建筑中的材料需要经过建筑施工的研究和考察,并且以充足的材料供应为基础,因此企业需要保证材料供应环节的控制。首先要明确建筑的材料预算,成本预算是成本控制的关键,在施工之前需要对建筑房屋的规模、功能等进行细致的考察分析,列出材料的需求供应单;材料采购员需要对比材料价格,对于材料的供应商进行合理的把握,收集供应商的信息进行科学化分析;其三要建立材料供应的责任制度,严格的按照采购计划执行,对于各种材料的采购指标落实到具体的责任人上,比如供应商、供应数量、供应质量等。
2.3完善材料的采购环节
建筑材料需要从市场上进行采购,因此企业成本控制的关键就在于材料的采购。建筑单位在进行材料采购的时候需要选择性价比比较高的材料,从而控制材料的成本,在保证材料质量、性能的基础上进行价格的控制,从而良好的控制采购成本。采购人员在进行材料采购的时候需要对比多家供应商的材料信息,相关的价格要充分的了解。建筑单位需要与供应商保持长期合作关系,采用厂家直销的方法进行材料采购,这样才能够保证材料的质量和价格。制定采购合同制度,确定最佳的供应商后要签订采购合同,保证材料的稳定供应,防止材料受市场价格波动出现成本变化,避免市场价格对于成本预算的影响。在合同中要详细的规定供应商、材料价格和供货方式等方面,从而更好的进行材料成本控制。
2.4加强建筑材料保护
建筑材料采购进入施工工地后,不会被马上使用,因此需要制定严格的材料管理制度进行材料存放保护,保证材料的使用质量,供应稳定。建筑单位在材料保存中需要根据以下几点建议进行管理。首先要制定完善的材料保存方案,施工现场中能够存放的建筑材料非常有限,并且施工现场环境复杂,难以对材料进行完善的保护,因此为了保证材料的不必要浪费和存储成本消耗,企业需要结合施工进度来制定材料的存储计划,保证施工正常生产,节约保存成本。材料保存可以依据当地的天气情况、交通运输情况等调整材料的存储量。材料的存放仓库要安置在施工附近,从而方便建筑材料的调用,如果材料仓库与建筑工地较远,不仅会影响施工进程,还会增加材料的运输成本,间接的增加材料成本。材料的保存要分类进行,不同的建筑材料要根据材料的特点选择合适的方式,充分的利用现场管理条件,选择最佳的存放方式,避免材料在存放过程中出现受潮、生锈等情况,从而提升材料的保存效果。
2.5加强材料使用过程的控制
减少材料在使用中存在的浪费、保存损坏等情况,在施工中结合现场施工的的进度制定材料限领制度,因此要加强对建筑施工进度的了解。企业要制定定额材料管理制度,避免材料的浪费,提升材料的使用效率。领取材料需要进行建筑批准,并且结合材料的使用情况进行合理领取,采用领取责任人制度,从而将材料使用过程中的成本控制到最佳。
3结语
随着建筑行业的发展,房屋建筑占据了建筑工程中的重点,鉴于房屋建筑工程的特点,为了保证房屋建筑的成本效益,需要对建筑材料进行成本控制。建筑企业要提升成本控制的意识,制定完善的管理措施,从而提升建筑工程的经济效益。
参考文献:
[1]罗善明.房屋建设中的材料成本控制[J].科技与企业,2014(02).
[2]胡雅静.房屋建设中的材料成本控制分析[J].中华民居(下旬刊),2014(07).
[3]盖健.浅析建设项目中对建筑材料成本的控制[J].中国资源综合利用,2013(12).
0引言近年来,我国洪涝灾害频繁发生,且面临水资源短缺、水污染和水土流失等一系列水问题。为有效解决这些问题,我国大力开展水利水电工程。水利水电工程的建设不仅直接关系到我国国民经济的快速可持续发展,而且关系到人民群众的生命财产安全。只有不断提高水利水电工程的施工质量、优化其施工成本,才能确保水利水电工程最大化发挥效用。混凝土材料在水利水电工程建设中扮演着重要的角色,对其各方面进行分析可以有效促进水利水电工程成本的优化。
1常见典型混凝土的特点
1.1硅粉混凝土
相比于普通混凝土,硅粉混凝土具有较高的强度和耐久性,但其水泥用量较大、水胶比小且不易泌水,容易发生塑性收缩,具有早期干缩率大,体积易变形等缺点。硅粉混凝土在施工中常常会发生早期开裂问题。为弥补硅粉混凝土存在的缺陷,可以考虑在配合比设计阶段,用粉煤灰和高效减水剂等活性矿物料来代替部分水泥,在满足各项要求的前提下,尽可能减少水泥的用量。此外,还可以通过降低混凝土绝热升温,以减轻温度控制的负担,降低混凝土开裂的几率。粉煤灰和高效减水剂的加入,可以显著提高硅粉混凝土的流动性和和易性,从而使其达到施工标准要求。
1.2聚丙烯纤维混凝土
聚丙烯纤维混凝土不仅可以有效防止混凝土浇筑后期的硬化,而且可以有效减少由于水分散失会泌水等而引起的混凝土开裂和塑性收缩问题,还可以减少混凝土硬化后期极易产生的裂缝与由温度变化所造成的微裂纹,具有改善混凝土抗冻、防渗和耐久性等性能的特点。另外,在聚丙烯纤维混凝土中,大量纤维随机分布于混凝土结构中,使得混凝土结构的韧性、强度和抗变形能力等都得到了显著的提高。同时,其还具有较高的粘稠性,可有效改善喷射混凝土的性能。聚丙烯纤维混凝土所具有的良好性价比使得其得到了广泛的应用。
1.3钢纤维混凝土
钢纤维混凝土近年来在水利水电工程领域得到了广泛的应用。它具有较高的初裂强度和极限强度。在混凝土中加入适量的钢纤维,可以有效改善钢筋混凝土结构的性能,也可以改变混凝土的破坏形态。钢纤维混凝土的掺量及质量具有明确的规定,在生产过程中,必须严格按照规定进行设计与生产。
2混凝土材料在水利水电工程施工中存在的问题
2.1拌合问题
混凝土在拌合阶段,混合料的质量对混凝土的质量具有巨大的影响。其中水泥和骨料是影响混凝土质量的两个关键原料。在实际施工当中,很多施工单位为追求利益最大化,而购买价格相对低廉的混凝土混合料。这些价格相对低廉的混合料往往在质量方面具有很大的不确定性,质量难以得到有效的保证,且强度通常也难以满足施工要求。同时,在水泥等混合料缺乏有效的防水措施情况下,混凝土的质量就会降低。此外,一些施工单位对骨料颗粒的大小没有进行严格的控制,也没有按照有关标准将其分级,从而严重影响了混凝土的强度和质量。
2.2施工问题
混凝土在施工过程中,主要包含浇筑、拆模和养护等过程,其各个施工环节之间的关联性程度,对混凝土施工的总体质量具有重要的影响。水利水电工程的建设依据不同的施工地点和施工要求而存在多种类型的构造,且不同的构造具有不同的功能,混凝土的施工质量和施工工艺等都决定着水利水电工程的最终质量。由于水利水电工程包括很多分工程,且很多分工程必须同时施工,这就造成了混凝土作业面的狭窄性,加之混凝土机械化水平不高等因素影响,使得混凝土施工质量存在严重的波动性。
3水利水电工程混凝土材料施工特点
根据水利水电工程的施工特点,在要求混凝土结构必须具备一定强度的同时,还应充分考虑其所处的位置,以对其防渗水、抗震、防冻和耐久性等进行合理的设计。一般情况下,水利水电工程施工规模都比较大、工期长,并且在其施工过程中,针对不同位置的混凝土结构也具有不同的要求,所以应特别重视大规模混凝土施工过程中产生的各种问题。裂缝和冻害作为混凝土施工中最常出现的两种问题,施工单位应对其给予高度的重视,并采取有效措施防止其在大规模混凝土施工中出现。混凝土结构的施工会贯穿整个工程的始终。在某些情况下,为赶施工进度,常会发生混凝土施工与其他工程交叉施工的现象,但仍需要花费较长的时间。在水利水电工程实际施工中,由于受诸多因素影响而导致工程间断是经常发生的现象,这就要求混凝土必须具有相应的强度,并进行科学的耐久性设计。
4水利水电工程混凝土材料施工技术
在水利水电工程建设当中,混凝土的拌合、运输和养护等都属于混凝土施工技术的范畴。混凝土在施工之前,必须要进行充分、均匀的搅拌,这是保证其质量的一个重要步骤。在科技日益发达的今天,混凝土的拌合已由传统的人工搅拌转变为机械搅拌。这不仅大大提高了混凝土搅拌的均匀性和充分性,提高了混凝土的品质和拌合效率,而且大幅减少了劳动力的投入。混凝土在运输过程中,要求运输工具必须具有良好的密实性,且不能同时装入多种混凝土原料,以避免运输过程中造成材料浪费。当拌合好的混凝土运输到施工现场以后,应马上进行施工,以避免混凝土出现硬化现象或是长期不施工现象,从而保证混凝土的施工质量。混凝土在施工过程中,要求施工人员必须明确混凝土的浇筑位置,并且在浇筑前还要确保浇筑位置既没有障碍物又是平整的。浇筑混凝土时必须要使用专业的压实设备,以确保混凝土的压实效果可以达到施工要求,浇筑作业完成后需对混凝土进行一段时期的养护,养护必须达到相关规范规定的期限。在保证养护时间的同时,确保养护充分到位,以为混凝土的施工质量提供可靠的保障。
5水利水电工程混凝土材料成本优化方法
混凝土材料具有明显的地方性特点,其经济性与当地、当时材料价格和经济水平具有极为紧密的联系,会随着当地经济和材料的市场价格变化而变化。这说明了混凝土材料没有通用的优化配合比,即对混凝土材料成本优化的分析应是针对当地、当时混凝土材料的市场价格而进行的。
5.1构建成本优化数学模型
混凝土材料成本优化隶属于数学的范畴内,因此构建成本优化的数学模型可以帮助水利水电工程混凝土材料的成本得到有效的优化。混凝土的自密实性是衡量混凝土质量的一个重要指标。自密实混凝土可以提高拌合物的工作性能,具有诸多优点,如显著提高混凝土的质量,包括混凝土的耐久性、密实性和力学性能等;充分利用工业废料,有利于节约资源、保护环境;大幅降低人工劳动力强度,节省人力资源投入;有效节约电能;减少环境噪音,改善工作环境,提高建筑安全性等。自密实混凝土不仅本身具有许多优点,而且在经济性方面也占有诸多优势,主要体现在以下几方面。其一,节约劳动力,节省电力和机械消耗。其二,高自动化水平,缩短工期,加快施工进度,产生巨大的经济效益。其三,在特殊条件下,可以解决现浇混凝土的施工难题,提高混凝土的耐久性和结构可靠度,从而提高混凝土的施工质量,减少后期维修费用。水利水电工程中混凝土材料的成本优化数学模型为min(fx),s.t.g(jx)≤0(j=1,2,……)其中,(fx)为目的函数,即混凝土的成本,g(jx)为各种约束条件,即满足混凝土材料工作性、力学性能及其他方面要求。利用这一函数可以在水利水电工程施工中得出混凝土材料优化后的成本。为了验证上述方法的可行性,本文以长沙市混凝土2013年市场价格与当前湖南省水利水电工程造价计算方法为例,采用上述通用成本优化算法计算自密实混凝土材料成本以及施工工程的最终成本,并与没有采用这种方法的材料成本和最终成本进行对比分析。计算结果如下:采用通用成本优化方法得出的自密实混凝土材料成本为30.68万元,较之正常预算节约5.25万元;采用通用成本优化算法得出的工程最终预算成本为416.3万元,与正常成本预算462.6万元,减少了46.3万元。这一实例说明,本文提出的通用成本优化程序具有可行性。
5.2采用成本优化通用程序
除了构建数学模型之外,还可以利用数学工具和现代化信息技术,如计算机技术。网络技术等来编制成本优化通用程序。在成本优化通用程序编制过程中,应确保混凝土材料的价格、基本物理性质可以随着市场的变化而进行及时更改,以使优化具有良好的通用性。为了提高成本优化通用程序的性能,需要对其进行多次的试验,并采用有关方法对混凝土材料参数合理范围和强度影响公式进行确定,从而将混凝土材料参数设置到成本优化通用程序当中。对水利水电工程混凝土材料使用成本优化通用程序,可以有效优化其成本。
5.3提高混凝土材料施工技术
在水利水电工程施工过程中,混凝土材料的施工技术对其成本具有一定的影响。因此,提高水利水电工程混凝土材料的施工技术可以有效降低成本,对成本优化起到一定的促进作用。施工单位应借鉴国外先进成功经验,积极引进先进施工技术和施工设备,并将现代化的信息技术融入其中。同时,积极引进专业的、技能型人才对现有施工技术进行改革与创新。
6总结
本文主要介绍了混凝土原料特性及常见典型混凝土特点,分析了水利水电工程混凝土材料施工特点与技术,以及在施工中存在的问题,提出了水利水电工程混凝土材料成本优化的方法,并通过有关实例来说明成本优化方法的可行性。通过文章的论述可知,混凝土材料的选择、施工特点和技术等各方面都会影响到水利水电工程的施工成本。因此,要想水利水电工程施工成本得到有效的优化,对混凝土材料的研究是必不可少的一项内容。根据水利水电工程施工情况,合理选择混凝土材料,提高混凝土施工技术,最终达到优化成本的目的。
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材料成型是现代制造业的重要支柱,对经济社会的发展和综合国力的提升有着十分重要的意义。下面是读文网小编为大家整理的材料成型毕业论文,供大家参考。
摘要:本文以金属材料为例,对材料成型与控制工程中的加工技术进行细化分析,首先,理论概述了金属材料的选材原则,然后具体分析了铸造成型、挤压与锻模塑性成型、粉末冶金以及机械加工四种加工方法,旨在为相关工作人员提供有借鉴性的参考资料,进一步提高我国制造业的加工水平与整体质量。
关键词:材料成型;控制工程;金属材料;加工工艺
0引言
对于我国制造业而言,材料成型与控制工程是其实现长期健康发展的根本保障,不仅如此,材料成型与控制工程也是我国机械制造业的关键环境,因此,相关企业必须对其给予高度重视。无论是电力机械制造,还是船只等交通工具制造,均离不开材料成型与控制工程,材料成型与控制技术的水平与质量将会直接决定机械制造水平与质量。因此,对材料成型与控制工程中的金属材料加工技术进行细化分析,具有非常重要的现实意义。
1金属材料选材原则
在金属复合材料成型加工过程中,将适量的增强物添加于金属复合材料中,可以在很大程度上高材料的强度,优化材料的耐磨性,但与此同时,也会在一定程度上扩大材料二次加工的难度系数,正因此,不同种类的金属复合材料,拥有不同的加工工艺以及加工方法。例如,连续纤维增强金属基复合材料构件等金属复合材料便可以通过复合成型;而部分金属复合材料却需要经过多重技术手段,才能成型,这些成型技术的实践,需要相关工作人员长期不断加以科研以及探究,才能正式投入使用,促使金属复合材料成型加工技术水平与质量实现不断发展与完善。由于成型加工过程中,如果技术手段存在细小纰漏,或是个别细节存在问题,均会给金属基复合材料结构造成一定的影响,导致其与实际需求出现差异,最终为实际工程预埋巨大的风险隐患,诱发难以估量的后果。所以,相关工作人员在对金属复合材料进行选材过程中,必须准确把握金属材料的本质以及复合材料可塑性,只有这样,才能保证其可以顺利成型,并保证使用安全。
2金属材料加工方法
2.1机械加工成型
当前,金属材料成型与控制工程中,应用最为广泛的金属切割刀具便是金刚石刀具,以金刚石刀具对铝基复合材料进行精加工,与其他金属基复合材料,例如,钻、铣以及车等,均是现代社会中广而易见的。铝基复合材料的金刚石刀具加工形式可以细化为三种:其一,车削形式;其二,铣削形式;其三,钻削形式。其中,钻削即通过镶片麻花钻头对铝基复合材料进行加工,常见的有B4C以及SiC颗粒钻削,然后添加适量的外切削液,可以有效强化铝基复合材料。铣削即通过1.5%-2.0%(W+C)粘结剂,8.0%-8.5%PCD的端面铣刀对铝基复合材料进行加工,常见的有SiC颗粒铣削增强铝基复合材料,然后添加适量的切削液进行冷却。车削以硬合金刀具为主要的切割工具,例如,A1/SiC车削符合材料,并添加适量的乳化液对其进行冷却处理。
2.2挤压与锻模塑性成型
金属材料实际成型加工过程中,相关工作人员可以通过模具表面涂层以及添加润滑剂等技术手段,对实践操作过程中的压力进行有效改善,降低加工操作过程中的摩擦阻力,据相关数据统计,这样可以促使加工过程中的挤压力缩减25%-35%左右,甚至更多。降低加工挤压力,可以有效弱化增强颗粒给模具造成的损伤程度,削弱金属材料塑性,有利于降低金属材料的变形阻力,提高其成型的成功率。除此之外,相关工作人员还可以增加挤压温度,以此促使金属基材料更具可塑性。在金属基材料中添加适量的增强颗粒,可以促使金属基材料的可塑性得到弱化,进而变形抗力得以大幅度提升,此时提高挤压温度,可以加快增强颗粒与金属基材料的溶合速率,优化二者的溶合效果。普遍来说,增强颗粒含量会直接影响挤压速度,由此可见,只有金属基复合材料中的增强物含量较低,才能提高挤压速度,如果金属基复合材料中的增强物含量较高,相关人员必须严格控制挤压速度。不过,挤压速度超高的话,也会导致金属材料成型后,便面出现横向裂纹。综上,相关人员在应用挤压与锻模塑性成型加工技术时,不仅要在金属复合材料表面进行涂层或是润滑剂处理,还要对挤压温度进行严格控制,并结合实际,对挤压速度进行有效调控,只有这样,才能保证成品质量符合要求。
2.3铸造成型
复合材料生产过程中,应用最广泛的加工技术便是铸造成型技术,实际铸造过程中,金属基复合材料中添加增强颗粒后,熔体的粘度以及流动性均会显著提升,加之增强颗粒与熔体在高温下的化学反应作用,便会改变基础材料本质,此时相关工作人员必须在熔化金属基复合材料的过程中,对其熔化温度以及保温时间进行严格管控。高温时,添加的增强颗粒,尤其是碳化硅颗粒,极易产生界面反应,例如,3SiCA1-A14C3+3Si等。进而导致熔体粘度过大,难以浇筑,影响材料本质。此时相关工作热暖可以采取精炼方法,然后添加适量变质剂造渣。但这种操作方法并不适用于颗粒增强铝基复合材料。
2.4粉末冶金成型
粉末冶金成型技术是最早期的制造晶须以及颗粒符合材料零部件、金数基复合材料的手段,具有非常丰厚的实践检验,不仅如此,该技术手段还适用于尺寸较小、形状简单但是具有较高精密性要求的零部件。粉末冶金成型技术具有组织细密、增强相分布均匀、增强相可调节以及界面反应较少等特点,DWA公司现阶段,应经将粉末冶金成型技术延展到多种产品的制造工程中,例如,SiCp增强铝合金基体、管材、自行车零件、自行车支撑设备架以及自行车架等。由于粉末冶金成型技术加工的产品具有非常显著的耐磨性、比模量以及比强度,因此,也受到了航天器材、飞机以及汽车的广泛推崇。
3结语
金属材料在材料成型与控制工程中,属于加工难点,而且极具重要性,发展前景非常广阔,随着科学技术的快速发展,其将受到更多行业领域的青睐以及注重,我国必须给予高度重视,通过不断科研,促使自身的技术水平实现突破与创新,这对提高我国的国际竞争力至关重要。
参考文献:
[1]张文华.材料成型与控制工程模具制造技术分析初探[J].黑龙江科技信息,2015(15).
[2]张健.基于动力学控制的钛加工材料成型优化技术[J].世界有色金属,2015(10).
1材料经过加工直接成型技术
材料的一次性成型技术在实际的操作中是非常繁琐的,但是经常使用的主流技术主要有以下几种,一个是冲击压力作用下材料的相互挤压,模具当中防止金属材质的材料,胚料在使用的过程中主要是在高压的作用下实现反复的积压,这样就使得材料的物理性质和外观形态出现了很大的变化,这样就可以制作出和模具的尺寸完全一致的形状,这种方法在使用的过程中有非常强的可塑性,同时在这一过程中也可以非常有效的防止模具出现严重的变形或者是损坏的情况。拉拔技术也是一种非常重要的技术。模具内金属坯料的边缘位置上会有一地那几个的拉力,这样就使得材料的形状和外观都出现了明显的变化,其在应力的作用下被迫的使其形状和模具的形状保持高度的一致。使用这种方法会在拉伸的过程中受到多个方面的作用力。此外,轧制也是机械成型加工技术中非常关键的一种方法,这种方法就是让材料收到轧辊的作用,在轧辊的转动下使得材料在这一过程中出现非常明显的形状变化。
2加工材料技术成型的前景
当前,我国的市场经济有了非常显著的发展,同时同行业之间的竞争也越来越激烈,在这样的情况下,传统的理论和实践成果也受到了非常大的冲击,各大生产厂商在经营和发展的过程中对材料加工越来越重视,正是因为这种趋势才使得这项技术的发展水平得到了显著的提升,在世界范围内,材料加工行业在发展的过程中都朝着更加精确的方向发展,很多对国民经济增长有重要作用的产业要想更好的发展也必须要一来这项技术,甚至是其在发展的过程中广泛的应用在了生活中的方方面面,在当前这样一个经济全球化的时代,每个企业都在想办法跟上行业发展的步伐,同时在企业发展的过程中也将企业的研发工作当做是非常重要的一个能力,之所以这样说是因为很多企业都在努力的发展和完善材料加工技术,此外还有很多企业将自身的关注点放在了具有自由成型功能的技术上。加工技术是否能够符合当今时代的发展需求是非常好的一个检验标准,如果所有的研发成果不能真正的应用于实践,就如空中楼阁一样,发挥不了其自身的作用。所以当今的科学研究中更加重视的是缩小生产制作环境和真实环境之间的差别,只有在现实需求的基础上去进行技术的改进和创新,才能更好的将其应用在企业的发展中,从而也更好的推动企业的建设和发展。
3非金属材料的初步制作和控制工程模具再次加工工艺
首先,非金属材料的制作和控制是一个比较复杂的工作,同时它也有非常强的系统性,对这种技术进行分类的话就会发现其类别是非常多的,一类是注射成型的技术,在实际的操作中就是使用专门的注射器,之后对其进行加热,使其达到一定的温度,这样就可以使得结构内部的材料在物理形态上发生了非常明显的转变,最终使其呈现出液态的状态,之后要选取一种具有高温高压性质的材料当做一种重要的辅料,在助力融化之后的坯料要注入到模具的型腔之内,静置一段时间之后,观察其状态,等到材料彻底冷却之后,从模具当中取出器件,就可以得到预想的元件。这种方法看起来很麻烦的方法在使用的过程中能够体现出非常大的优势,它产量高,同时在这一过程中也体现出了非常高的效率。在低能耗的自动化操作中能够体现出非常大的优势,它也会可以生产和制作结构复杂性比较强的器件,基于上述特点,这种方法非常适合使用在大型工厂当中进行流水线生产。其次,还有一种方法是通过物理方式的挤出成型。旋塞和螺杆在此起到了至关重要的作用,旋塞的挤压效用以及螺杆的切割效用,它们一起作用在形态固定的坯料上,并对其经行融化和再次融合的过程,施加相应压力穿过模具,等待其冷却凝固以后,就能够获取所需元件。这种方式可以简称为挤出成型,而它与众不同的是可以连续不断地提供生产动力,生产的效率也高于普通技术,更为难得的一点在于在“量”的满足上还可以保证“质”,可以说是一种保质保量的方法,其使用的覆盖面也不单一,对设备器材没有太多严苛的限制。如果企业从事相关产业,这种技艺是一种投资相对较少,而成效立竿见影的选择,“性价比”不俗。再次,还有一种不同于以上两种技术的方式,是把需要的材料放置在密封关闭的模型器具环境里,在压强的增加过程中,再辅以固体化的技术,遂材料完整成型。这种方法可以一个工作流程下完成制作若干数量的元器件,生产出来的成品形态较为固定,有效地克服了收缩性这个元件顽疾,还攻克了以往元器件变形的通病,性能较为优良,即使有如此不可取代的优势,缺陷也十分明显,生产制作的相对周期较之同类型技术而言同期拉长了许多,生产的效率自然而言地有所降低。
4结束语
在时代发展日新月异的今天,科学技术正不断发展,科学生产力在人类社会竞争激烈的背景下,成为一个不得不让人重视的因素。科学技术在生活中体现得淋漓尽致,促使社会稳步向前,人们生活水平提高,选择广泛的同时带来市场竞争加剧,高度重视科学技术的研发是企业适应社会发展的不二法门。材料成形技术在度过一个蜕变的过程,如何有效地提升生产效率,改良升级加工工艺不仅是企业发展的动力,更是社会前进的需要。
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随着机械热加工的不断普及,我国对具有机械热加工专业知识的人才的需求量和人才质量要求都不断提高,这要求我国对材料成型及控制专业的人才进行培养时要改革旧的培养方法。下面是读文网小编为大家整理的材料成型及控制论文,供大家参考。
1现阶段我国材料成型及控制工程专业教育中存在的问题
自从1998年教育局规定新增材料成型及控制工程专业以来,我国各大高校中开设此项专业课程的高校多达30%,经过这十几年的教育推广,材料成型及控制工程专业为社会培养出了许多技术过硬的优秀的专业人才。但是尽管如此,这项学科教育中仍然存在着诸多的问题需要引起高校的高度注意。具体的问题包括以下几个方面:
1.1对学生的培养方案不一致
材料成型及控制工程专业是将铸造、锻造、焊接等众多专业融合在一起的一个新型的专业,它所涵盖的知识领域极广,因此学生们的学习压力也就随之增多。如果只是将所包含的知识点进行合并,那么在学生们的四年学习中使很难完成这么多的学习量的,因此学校必须对知识点进行取舍,但是由于取舍后每个学校所保留的知识点都不相同,因此很难对学生有一个统一的培养方案,也很难对学生的专业技能有一个合理的考量。
1.2材料成型及控制工程专业基础老旧落后,需要及时进行更新
材料成型及控制工程专业是在铸造、锻造、焊接等众多老专业的基础之上形成的,这些老专业的学术质量高低直接影响着材料成型及控制工程专业的学科质量。然而由于时代科学技术的飞速发展,导致铸造、锻造、焊接等技术的更新换代十分频繁,然而高校中这些老专业的教学内容却仍然是对过去落后的专业技术的讲解,而且课程设置狭窄、教学方法单一,对学生专业技能的培养已经跟不上时代发展的潮流。因此基于此种老专业而建立起的材料成型及控制工程专业,如果不及时的跟进相关各项技术的发展进步,为学科教育注入新鲜的科技内容,将大大降低对专业人才的培养力度,而且即使教育培养出了成绩优秀的学生,他们也难以适应新技术环境中的市场要求。
2如何在高校中开展有效的材料成型及控制工程专业建设工作
2.1开展材料成型及控制工程专业教育应该遵循的原则
2.1.1实用性原则
高校开设材料成型及控制工程专业的目的在于为社会输送满足社会需求的专业性技术人才,因此在具体的专业建设中,首先需要遵循的就是实用性原则,注重学科的实用性和实践性,杜绝为学生开设过多的理论讲解课程,要将理论与实践相结合,多为学生开设一些有针对性的实践课程,让学生在实践中理解理论的内涵并对其的掌握应用能力得到锻炼。
2.1.2创新性原则
培养学生的创新意识,提高学生的创新能力是所有学科的教育目标,材料成型及控制工程专业也不例外。如今我国的发展急需被注入创新性元素,只有一个懂创新会创新的民族才能在激烈的竞争中站稳脚跟,以谋取更长远的发展。对于材料成型及控制工程这样一个注重专业性的学科,必须在平时的教学之中注重对学生创新能力的培养,摒弃以往的“学科本位型”教学模式,建立创新型的课程模式,鼓励并引导学生大胆创新,在教学中逐渐提高学生的创新能力以满足当今社会的发展需要。
2.1.3专业核心能力需求原则
材料成型及控制工程专业是强调专业技能的专业,对它的课程设置与安排必须强调凸现性和核心性,以便让学生的接受教育时对学科知识有鲜明的认识,从而进行更好的理解与运用。
2.2为材料成型及控制工程专业建设的顺利进行,建设一支高水平的教师队伍
老师的讲解是学生们获取新知最直接有效的途径,老师教学水平的高低直接影响着学生对知识的理解与掌握,因此提高老师们的教学质量,教学一支高水平的教师队伍对材料成型及控制工程专业的建设起着关键性的作用。建设一支高水平的教师队伍需从以下几方面入手,第一,建立人才引进和培训提高机制。提高对专业老师的技能要求,在招聘老师时需要选择那些既有坚实的理论基础,实践能力也过硬的秀秀人才。对在职的老师,学校也要定期对其进行专业培训,可以派遣一部分老师去到相关产业的一线进行实地学习。也可以请一些有关领域的工程师等技术人员来学校做兼职讲师。第二,要强化老师们的科研作业,要求全部老师都要参加科研项目,并亲身指导学生参与生产实践,通过科研与实践提升老师们的综合素质。
2.3为材料成型及控制工程专业建设的顺利进行,需注重素质培养的课程群建设
高校需要时刻谨记开展材料成型及控制工程专业的人才培养目标,并依据目标来设置专业课程体系。专业课程安排需要侧重于实现学生机械科学与材料科学等基础学科理论知识的掌握,需要实现对学生的科学思维方法以及动手实际操作能力的培养以满足社会主义现代建设的需求,需要加强对学生模型设计制造、材料成型、数控加工等课程的教学力度,培养能够从事技术开发、宽口径的高素质工程、工艺设计以及学科研究等事业的应用型专业人才。
3小结
材料成型及控制工程专业是我国设立时间不算久的新型的学科专业,但是却对于培养我国工矿企业所需的专业性技术人才发挥着重要的作用。我国高校需要立足于社会市场对相关人才的需求,积极开发和推进高校材料成型及控制工程专业的建设工作,秉承为社会输送专业人才的教育目标,采取积极措施以应对当前我国材料成型及控制工程专业教育中存在的问题,为学生未来的就业与发展提供切实有力的教育帮助。
一、设计性实验选题的“五个原则”
此外,设计性实验选题时,在把握综合性、创造性、应用性、自主性和灵活性这五个原则外,还要合理掌控学生专业知识结构、专业知识掌握程度及学生自主实验的可操作性等方面。
二、设计性实验选题的“四个方向”
材料成型与控制工程专业设计性实验选题在把握“五个原则”的前提下,通常可通过“四个方向”来进行选题设立,即验证性实验转化为设计性实验、科研项目转化为设计性实验、生产项目转化为设计性实验和学生兴趣转化为设计性实验。
(一)验证性实验转化为设计性实验
验证性实验是为促使学生掌握并加深对专业基本理论、知识的理解,而按照实验教材的要求,由学生进行实验操作,并从实验结果验证所学的理论知识。由于实验结果在理论授课时已经涉及,因此学生实验的兴趣不浓,热情不高。但不要因为这些就抹杀验证性实验验证理论知识,加深学生对基本理论知识理解的独特作用。完全可以通过合理安排,将一些验证性实验转换为设计性实验。这样就可以激发学生的实验兴趣,提高学生的实验学习主动性、自主性。例如,对长杆型坯料进行局部镦粗是模锻生产中经常采用的变形工序之一。因此,在《锻压工艺及模具设计》专业实验课中设立了“局部镦粗规则的验证”这项验证性实验。该实验通过对不同长度试件,使用局部镦粗模进行镦粗,验证局部镦粗规则的正确性,观察和分析由于局部镦粗长度与直径比值的影响而出现的正常和不正常现象。由于是验证性实验,学生兴趣不高,往往抱着看热闹的心态参加实验,不能达到良好的教学效果,但该实验涉及内容是比较典型且在生产中常用到的。怎样保留并将其转换为学生感兴趣的设计性实验呢?这就需要转换思路,可将该实验内容转换为首先要求学生根据给定尺寸的不同试件,进行局部镦粗积聚工步计算,并绘制镦粗模模具图。当然,由于实验经费及加工时间的限制,学生设计的镦粗模并不需要制作出来,因为给定尺寸的试件,其局部镦粗模主要模具尺寸及工步是唯一的,可以采用原有的局部镦粗模进行实验和鉴定学生设计结果的准确性,这些需要教师在实验过程中灵活掌握。这样,通过对原有实验内容转换为设计性实验,可使学生根据给定的实验目的,自行设计实验方案并予以实施,对实验结果进行分析论证,一方面有力地提升学生的实验热情,巩固所学理论知识,提高解决本专业有关加工工艺问题的能力;另一方面增加的镦粗模设计又锻炼了学生的工程制图能力。验证性实验转换为设计性实验,不但可以保留一些经过长期教学积淀总结的经典、原理性强的验证性实验内容,而且节约实验经费,还能提高学生的实验热情,达到良好的实验教学效果,有着“一举三得”的益处。当然,并不是所有验证性实验都能转换为设计性实验,对于这类实验项目,如果确实是经典、原理性强的验证实验项目,只要集思广益,通过合理安排,完全可以将验证性实验穿插在设计性实验项目中,以增加学生的学习主动性。这些都需要在设计性实验选题中拓宽思路,灵活安排。
(二)科研项目转化为设计性实验
科研项目转化为设计性实验,就是将专业教师的科研课题或科研成果转化为设计性实验。随着科学技术的快速发展,新材料、新技术和新知识不断出现,而且高校材料成型与控制工程的教师学历较高,多为博士毕业,且积累了具有一定水平的科研成果。把科研课题或科研成果涉及的新技术和新知识转化为设计性实验,是培养学生创新意识、创新精神和创新能力的最佳途径。根据调查,学生大多数对专业课老师所从事的科研项目及内容具有极大的兴趣和关注,此举能够有力地提高学生实验学习的积极性和兴趣,利于实现加强学生专业素质与实践应用能力培养的教学目的。例如,教师科研项目涉及到的过共晶Al-Mg2Si合金在航空航天、军工、汽车等领域中应用前景广阔,已成为国内外十分重视研究开发的先进复合材料,但铸态过共晶Al-Mg2Si合金的力学性能较差。因此,可将该科研项目涉及内容转化为“原位自生Al-Mg2Si复合材料力学性能的改善”设计性实验,要求学生针对铸态原位自生过共晶Al-Mg2Si复合材料力学性能差的特点,设计并实施改善力学性能的方法,并撰写分析报告。该设计性实验所涉及的Al-Mg2Si在专业课中虽未能涉及,但铝硅合金熔炼等相关知识在理论课和实验课上已涉及并掌握,因此学生进行该项实验有一定的理论和实践基础。学生首先要查找相关资料,理解并掌握“原位自生过共晶Al-Mg2Si复合材料”的相关知识,在保证合金成分为过共晶Mg2Si的条件下,自主选择、计算合金成分配比。然后根据计算结果进行配料、熔炼、除气,并根据前期选择的不同方法对合金熔液或浇注试件进行处理,最后进行拉伸测试及金相观察,检验设计方案的正确性,并对结果进行理论分析。该设计性实验虽然由科研课题转化,但涉及材料成型与控制工程专业知识中应掌握的合金设计、合金配料、合金熔炼、合金处理及热处理工艺等,较好地将专业知识系统、综合地链接在一起,使学生能够接受系统的工程实训,不仅能够培养学生的创新能力,而且加深其对所学专业的认识和提高解决所学专业涉及工艺问题的能力,树立正确的思维方法及严谨的科学态度和工作方法等。科研项目转化为设计性实验时,不可盲目地将科研内容或部分内容一成不变地照搬过来,必须要考虑学生的所学专业知识和专业能力,如果研究内容过于狭窄、难度较大或实验内容过于生僻,不仅达不到提高学生实验兴趣和教学效果的目的,反而会使学生产生抵触情绪,这就从根本上违背了开展设计性实验的初衷。因此,采用科研项目转化为设计性实验时,一定要密切结合学生专业知识、实验能力等方面,保证学生能够以饱满的热情投入到设计性实验的工作中。
(三)生产项目转化为设计性实验
材料成型与控制工程是实践性较强的专业,因此在设计性实验选题时要力求接近、结合实际生产项目,将其合理转化为设计性实验内容。通过这种设计性实验的训练,能够有针对性地促使学生在解决实际生产问题时应用、加强、拓展所学的专业理论知识。这种实际生产项目转化的设计性实验,不但能培养学生的工程设计意识和实践能力,而且能显著提高学生的专业综合能力。例如,以W18Cr4V为代表的高速钢广泛应用于实际生产中的切削工具和冷变形模具中,其内部的合金元素与碳形成复杂的碳化物,分布在基体金属上,降低了材料的机械性能。而锻造是实际生产中改变高速钢中碳化物分布状态的重要方法。因此,可将该生产项目转化为设计性实验“改善高速钢铸件中碳化物分布的锻造工艺设计与实施”。该实验内容包括铸造和锻造两大部分,铸造部分要求学生自主选择、设计高速钢铸件成分,并根据设计成分采用中频炉进行熔炼、浇注小型铸件,然后对铸件进行碳化物偏析分析,根据偏析分析结果,合理设计锻造工艺并利用自由锻机实施,最后再进行偏析检测,以检验设计的锻造方案是否正确。这个设计性实验有机地将铸造和锻压两个专业方向结合,符合实际生产流程,使学生能够系统地学习、实践和掌握企业所需要的知识,有利于应用型人才的培养。
(四)学生兴趣转化为设计性实验
学生的兴趣是实验教学达到预期目标和效果的动力,因此,如将学生普遍感兴趣的问题转化为设计性实验,就能激发学生对设计性实验的关注和探索,从而促使学生在实验中运用已学的知识、技术去自主发现、探索和总结规律,达到培养学生熟练运用所学专业知识,提高专业素质、创新意识和实践能力的目的。例如,精密铸造是用精密造型方法获得精确铸件的工艺,是铸造行业在高新领域的代表,很多铸造企业对精密铸造工艺的应用需求很大。如果开设精密铸造相关的设计性实验,要求学生采用精密铸造法制备小型零件,学生并不是普遍感兴趣,达不到预期的教学效果。怎样才能使学生都感兴趣呢?这里可以将精密铸造制备小型零件变为艺术铸造,因为艺术铸造采用的熔模铸造、陶瓷型铸造、消失模铸造等的工艺与工厂生产的精密铸造零件工艺及原理是相通的,而要求学生采用精密铸造技术设计并制作小型铸造工艺品,会极大地调动学生的兴趣和参与实验的热情,学生会在实验过程中潜移默化地掌握、提高精密铸造相关知识及工艺。
三、结语
随着教学改革的深入,材料成型与控制工程专业的设计性实验越来越受到重视。实际教学中,我们本着“五个原则,四个方向”来制定设计性实验项目的选题,同时力求使实验内容、实验形式不断更新、完善,充分调动了学生的实验学习积极性,为培养学生科技、工程能力的应用与创新创造良好的前提条件,取得了良好的教学效果。在以“五个原则,四个方向”制定的设计性实验项目中,学生能够真正地综合运用多门学科的知识、方法和技能来设计实验方案,并在实验过程中运用所掌握的知识去发现、分析和解决问题,提高了专业技术水平,积累了在企事业单位和生产一线解决实际问题的知识、素质和能力。
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在项目建设中,材料的选择直接影响着工程造价,尤其是新型建筑材料的投入往往会使工程造价大幅度增减。下面是读文网小编为大家整理的材料工程毕业论文,供大家参考。
摘要:通过对实践教学在新形势下的重要性及意义进行阐述,结合沈阳化工大学的发展定位,以化工行业为依托,对金属材料工程专业实践教学模式进行改革,优化专业课程的实践教学,加强校企合作,强化实践教学的管理,构建了完善的金属材料工程专业实践教学体系,努力培养学生创新能力,使其成为高素质应用型人才。
关键词:金属材料工程;实践教学;教学改革;人才培养
沈阳化工大学金属材料工程专业是应社会经济发展需求,尤其是化工行业建设的需求,在原金工教研室师资力量和实验设备条件的基础上,经过充分的论证、申请,于2006年国家教委批准,开始面向全国招生,同年获批材料学硕士学位授予权。在专业建设中,充分发挥化工大学化工行业特色优势及高素质专业教师队伍的优势,不断改革完善培养方案、培养模式,逐步形成了立足行业、与辽宁工业产业紧密衔接、全方位实践创新能力培养的专业特色,专业定位符合本校办学定位和发展方向,已纳入本校专业建设规划并进行重点建设,成效显著。在2013年辽宁省普通高等学校本科专业综合评价中,全省九所学校金属材料工程专业参评,沈阳化工大学的金属材料工程专业排名第二。实践教学是培养本科生理论联系实际,也是培养本科生创新意识和创新能力的主要途径[1]。但近年来,在市场经济的影响下,许多生产企业以影响生产和安全为由不愿接待本科生实习,同时,本科生实习的积极性也不高,导致实习效果不尽如人意。
1金属材料工程专业实践教学的现状
当前我国普通院校本科生教育普遍存在的一个突出问题是本科生创新意识差和创新能力不足,动手能力较很弱,难以适应激烈的市场竞争和知识经济的快速发展的需要[2]。而实践教学是培养本科生综合素质,提高本科生解决实际问题的能力,以及促使本科生将所学的理论知识向实际技能转化的环节。通过实践教学可以巩固、加深本科生对所学的理论知识的理解,并能够培养本科生严肃认真的科学态度[3]。高等学校中的传统的金属材料工程专业实践教学通常具有如下特点:首先,本科生实验教学内容主要以演示性、验证性实验居多,综合性实验和设计性实验相对较少,实验教学多以模仿为主,创新内容涉及较少。其次,部分本科生的课程设计和毕业设计与实际生产相脱节,影响本科生的就业竞争力。最后,由于受到现实条件的限制,目前的本科生生产实习和毕业实习主要采取到相关企业生产现场进行观摩教学的方式,大多数本科生很难彻底认识企业生产的组织和实施过程。实践教学环节存在的这些问题制约着本科生创新能力的提高[4],为培养二十一世纪合格的金属材料专业人才,沈阳化工大学金属材料工程专业近年来对金属材料工程专业实践教学体系进行了一系列改革,形成了稳定而有效的实践性教学体系。
2专业课程实验的优化
为培养二十一世纪化工行业合格的金属材料工程专业人才,自2006年以来,沈阳化工大学金属材料工程专业对实验教学内容统筹规划、整体安排。经过几年的改革和实践,建立了具有化工行业特点及金属材料工程专业特色、科学合理的实验教学内容,结合沈阳化工大学的化工特色,针对化工单元设备的主要加工方法,如压力加工、焊接、机械加工及化工单元设备的腐蚀问题。强化金属塑性加工原理、焊接冶金学、焊接工艺与设备、金属腐蚀与防护、金属热处理和材料无损检测等主要专业课程。这些主要专业课程均设置有实验内容,同时优化了验证性实验,增加了综合性和设计性实验的数量,使本科生动手能力得到提高。巩固科研教学资源化的成果,进一步完善校内实践实训基地的建设,创造学生动手操作的条件,培养学生的工程实践能力。此外,金属材料工程专业每年投入一定的资金对现有实验设备进行改造,更新部分专业实验,增加创新性实验硬件条件,增加开放实验室公用设备的种类及台套数。进一步开放实验室,一周至少两天全天开放实验室,保证本科生根据需要自主进行实验。
3加强校企合作,强化实习管理
原有认识实习、生产实习、毕业实习的企业很多设备比较陈旧,几乎没有先进的设备和技术,实习效果大打折扣,为此,近年来金属材料工程专业增加个性化实习,采用校企合作,结合学生的兴趣爱好、就业方向、教师的科研课题以及就业单位的培训等等,分别送学生到企业去学习实践,为方便学生到企业实习,金属材料工程专业先后建立了与沈阳铸锻工业有限公司、富奥辽宁汽车弹簧有限公司、抚顺机械设备制造有限公司等十余家企业的实习基地。通过实习基地,加强了与相关企事业单位的合作,利用其设备开展金属材料工程专业的实践教学,结合企业实际进行企业课程教学、现场教学和案例教学,这样也促使本科生了解金属材料及其相关材料最新的科技发展动态,使本科生具有分析和解决生产中的实际问题的能力。对于本科生毕业论文和设计结合企业实际项目或在实践教育基地、企业开展,校内校外指导教师共同指导,以强化学生综合运用所学知识进行独立分析问题和解决问题的能力。为保证实习效果,加强本科生对实习的重视,金属材料工程专业主任及全体实习指导教师参加实习动员,强调实习过程安全问题,明确每次实习的集合时间、地点、着装和注意事项等。在实习期间,每到一个车间,先请车间主任介绍该车间的典型设备和工艺流程,使本科生在参观前对参观内容有大概了解。实习成绩评定主要依据实习期间的出勤、纪律、实习笔记、实习报告等。通过各方的努力,大大增强了本科生实习的主动性。
4开展创新活动,推进实践教学
鼓励本科生积极开展多样化的科技创新活动[4-5],例如参加教师的科研项目以及各类大学生竞赛等。通过组织各种类型、各种形式和不同层次的课外活动,将各类工程实践活动、创新实践训练、学科竞赛活动、学术前沿讲座、社会实践、公益活动等课外活动作为第二课堂课程模块纳入到课程体系中统一实施和管理。近年来,金属材料工程专业参赛学生项目获第三届全国机械创新设计大赛国家二等奖一项;“第十一届挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛国家三等奖一项;2011年、2013年分别获全国大学生英语竞赛三等奖、二等奖各一项;省级奖项几十多项。通过创新竞赛的开展,培养了学生的创新能力,同时也提高了教师指导学生创新的积极性,活跃了创新教育的氛围,为金属材料工程专业学生的个性发展提供平台,为学生毕业后从事科学研究活动奠定了一定的基础。
5结论
当今,素质教育快速发展[6-7],金属材料在化工行业中占有举足轻重的地位,为培养二十一世纪化工行业合格的金属材料专业人才的需要,我们将继续优化实践课程建设,建设具有化工行业特点及金属材料工程专业特色、科学合理的实践教学内容,努力培养学生创新能力,使其毕业后能在化工企业、高等学校或科研院所从事金属材料及金属基复合材料的研究、成分-工艺及设备设计、组织和性能检验、生产制造、技术开发和经营管理等方面工作的高素质应用型人才。
参考文献
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[2]甄睿,蔡璐.应用型本科院校金属材料工程专业人才培养和教学改革的思考[J].南京工程学院学报:社会科学版,2009,9(4):65-68.
[3]胡宗智,邹隽,孙小华,等.金属材料工程专业创新型人才培养实践教学体系研究[J].中国电力教育,2013(26):98-99.
[4]王荣,杨爱民,张骁勇,等.关于我校金属材料工程专业建设的思考[J].人力资源管理,2010(1):46.
[5]王生朝,蔡素莉,高泽平,等.金属材料工程专业实践性教学改革研究[J].湖南工业大学学报,2011(5)98-101.
[6]孙建春,陈登明.金属材料工程专业实习教学的改革实践[J].中国冶金教育,2009(4)55-57,60.
[7]孙小华,胡宗智,黄才华,等.金属材料专业综合实验教学改革与实践[J].中国电力教育,2013(14)118-119.
摘要:
结合国内外的工程硕士教学现状,通过分析国内工程硕士的课题研究方向和企业需要解决的问题存在脱轨现象、上理论课时间不足等问题,在借助于国外先进经验的基础上,提出了双导师制、灵活培养模式,确保创新实验能力培养的效果,为企业培养“留得住,用得上”的高分子材料工程实践实力和创新能力的应用型高级人才。通过对工程硕士创新实验能力培养模式的实践与探索,使工程硕士研究生在理论知识和动手能力及创新思维积累方面得到一定的提高。
关键词:工程硕士;创新实验能力;培养模式
研究生培养作为高校培养人才的重要一环,其培养模式的探索与研究一直都受到高度重视[1,2]。在我国经济体制转型期,高层次复合人才在传统工矿企业和工程建设部门需求非常大,国家为了弥补学术型硕士实际操作能力相对较弱的特点,1997年国务院学位委员会正式批准设置工程硕士专业学位,而工程硕士创新实验能力培养又成了该领域的重要研究课题。
1国内外研究现状分析
美国的工程类硕士教育起源,可追溯到第二次世界大战以后。二战后,新知识、新技术、新材料、新工艺层出不穷,工程活动的涉及层面迅速拓宽,复杂性与日俱增,对工程教育产生了极大的影响[3]。其工程类硕士培养的最大特点就是面向专业实践应用而非学术研究,培养目标是未来设计和开发的工程师。美国自开展工程硕士教育以来,逐步形成了独特的、多样性的培养模式[4]。在美国学校工程类硕士培养的模式主要为培养方式的不同,如本硕连读制、远程教育三年制等,但其课程标准与学位要求是统一的,都必须遵循美国工程技术鉴定委员会(ABET)和各专业学会(协会)提供的统一的专业认证标准[5]。英国的硕士学位教育分成两种类型[6]。一种是给予课程学习的硕士,称为MSC(MSCourse);另一种是基于研究工作的硕士,称为MSphil(MSphilosophy)。此外,还有一种类似我国工程硕士的研究工程师学位。英国工程教育是以让毕业生取得专业头衔(即专业资格)为主要目标。经过20多年的发展,英国的专业资格已经把学术资格和职业资格融为一体。严格的入门要求、多样化的候选资格,加上灵活的注册路线,保证了专业资格的质量。我国工程硕士教育从1984年提出,经历了从试点到奠定工程硕士人才培养模式的阶段。自从奠定了人才培养模式后,工程硕士教育从9个培养单位、10个工程领域、年招生1千多人,发展到2004年的180个培养单位、38个工程领域、年招生3万多人、在校生10万余人。从发展的势头看,工程硕士教育充满着活力。为使工程硕士专业学位规范管理、稳步发展,经中华人民共和国国务院学位委员会考核验收,已下发(1997)57号文批准全国70多所高校具有工程硕士学位授予权,如清华大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、中南大学、北京航空航天大学、华南理工大学等。总的来说,大多数高校都形成了自己的办学特色[7,8],以培养高级应用型工程技术人员为目标,经过多年发展经验[9],目前工程硕士培养模式。相比国外,现在国内开设工程硕士培养点的高校数量在大幅度增加,但在实际培养过程中很多高校对工程硕士资格认证标准重视不够[10,11]。就目前高分子材料工程工程领域来说,工程硕士研究生专业人才培养模式的主要缺点是:没有将工程硕士的课题研究方向和企业需要解决的问题有机的结合起来,存在脱轨的问题,在定课题方向时,把企业摆在可有可无的位置上,研究生研究的课题与生源单位生产技术不搭。学生在企业工作很忙,无法保证上理论课时间等问题。针对出现的这些问题,我们高分子材料加工硕士点拟逐步摸索出一种新型的双导师制、灵活培养模式。让学生充分利用学校与企业资源平台,培养出符合社会需求的创新性人才。本课题以高分子材料加工领域工程硕士人才培养模式为样本进行研究,课题完成鉴定后推广到我校其它研究生专业。
2主要研究内容
本课题拟通过课程体系改革、授课方式改革、学位论文形式改革、课题来源研究内容改革等进行研究,培养出在高分子材料工程领域创新实践能力强的应用型高级专门人才。其主要研究内容。
2.1课程设置体系研究
由于工程硕士自身特点即能够来上课的时间很少,生产实际经验丰富。本项目改革是想在时间少的情况下,使学员学到更多的东西,并发挥各自的长处。在课程设置体系设置上改革以往只注重在理论教学,必修课多的特点(至少17学分)。根据学生所在生产岗位需要多增加一些选修课(原来是11学分)。并在传授专业理论知识过程中,加强对学生创新思维的培养。
2.2授课形式及方式研究
目前的工程硕士大多都在生产岗位作领导工作,工作很忙,集中上课存在的难度很大,本项目拟采取的办法:远程网络上课(视频和师生互动交流上课),即课件点播、在线答疑、在线辅导、同步和异步讨论、在线测试、专家讲座等方式。即用时下流行的BBS进行提问和沟通。
2.3学位论文形式改革
由于目前工程硕士学位论文形式比较单一,通常采用撰写“大论文”方式。依据此问题本次改革拟采取的办法为:学位论文形式:产品研发、工程设计、应用研究、工程/项目管理、调研报告。
2.4课题来源研究内容改革研究
现在学生的课题大多源于校内导师课题,这与研究生所从事的专业严重脱节,针对这一问题本项目拟采取的办法:校企联合培养,针对企业具体问题,进行研究。校企联合培养模式是一种以培养学生的全面素质、综合能力与就业竞争能力为重点,利用学校与企业两种不同的教育环境和教育资源,采取课堂教学与学生参加实践有机结合的方式,培养适合不同用人单位需要的、具有全面素质与创新能力人才的教育模式。而校企联合培养模式与传统高校培养模式的根本区别在于,校企联合办学的人才培养目标是以应用能力培养为主线,依托行业发展,构建适应新材料发展的以生产技术为导向的“零距离”实践教学体系、与生产“零距离”接轨的教材体系、基于解决生产实际问题需求的“零距离”素质拓展培养体系,能实现学校、企业、学生三方共赢。由此,我们将努力尝教授走进企业,老板走进校园,企业员工(学生)走进实验室的目的。
2.5导师管理改革
学位论文是综合衡量工程硕士培养质量的重要标志,应在导师的指导下,由攻读工程硕士学位者本人独立完成。学位论文由学校具有工程实践经验的硕士导师与工程单位选派的责任心强的具有高级技术职称的技术人员联合指导。
3创新实验能力培养模式
工程硕士学位研究生教育的科学发展取决于其适应社会需求的程度,而如何深化高校与企业之间的互动关系则是目前症结之所在。材料学院就这一问题采取了如下措施:
(1)聚焦企业需求,创新工程硕士教育的办学理念随着工程硕士培养规模的不断扩大,我们不断更新工程硕士教育的办学理念,将以服务企业为宗旨贯穿于工程硕士培养之中,为企业培养“留得住,用得上”的高层次应用型人才。对于校企合作培养的研究生,可以自带科研课题。即工程硕士可以带自己单位的科研课题,课题的完成可以利用学校和企业的现有实验条件完成。学校具有良好的实验教学基础条件和高水平教师,实验室开放运行,资源共享。
(2)量身定做相比于一般的研究生,工程硕士生的知识背景更具多样性,在培养过程中应力争实现“量身定做、量体裁衣”,针对不同的行业和学生,学生可以选择自己从事工作领域的课题。从而更好地满足企业需要,满足各领域工程建设和发展需要。如我们2011级有名学生来自于威海碳纤维厂,他做的课题是“PAN。
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材料力学是土木工程专业的一门重要力学基础课,学习好材料力学能更进一步打好工程专业的基础。下面是读文网小编为大家整理的材料力学论文,供大家参考。
【摘要】结合土木工程专业材料力学课程教学中存在的问题,从卓越工程师的培养目标出发,把CDIO教学理念引入到材料力学教学体系中,从教学内容、教学手段和方法、考核评价等方面提出来了有效的教学改革措施,建立了基于CDIO理念的材料力学教学模式。该教学模式对于提高学生的学习热情,培养学生的综合实践和创新能力有积极意义,是解决目前土木工程专业在力学教学中遇到问题的一个很好的借鉴途径。
【关键词】CDIO教育理念;材料力学;教学改革;课程考核体系
0引言
材料力学是土木工程专业的技术基础课,是研究各类工程结构中普遍存在的受力和变形现象的学科,着重培养学生的逻辑思维、分析能力和解决实际问题能力。一直以来,我国大学中所讲授的力学课程内容大多由前苏联引进的内容,内容陈旧、枯燥、抽象、重理论轻实践。教学方法多采用灌输式教学,造成课堂气氛死板,有时甚至枯燥无味,大大降低了学生的学习热情。这些问题不但加剧了学生的学习惰性,也影响到其它课程的学习状况。针对以上问题,如何为实际工程提供合格的力学人才;如何在材料力学教学中充分调动学生的主动性和积极性;在目前有限的课时下,如何对旧有材料力学课程体系进行合并、筛选等工作已经成为教学改革工作不可回避的事实。CDIO工程教育理念提倡在实践中学习,在学习中实践,这为该问题的解决提供了一种思路。
1CDIO工程教育模式
CDIO模式以产品研发到产品运行的生命周期为载体,让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO模式强调与社会大环境相协调的综合的创新能力,同时更关注工程实践,加强培养学生的实践能力,因此CDIO工程教育模式是提高大学生的创新和动手能力、推进产学研结合、加强实践教学环节以及加强学生参与交流与合作能力的有效途径。
2基于CDIO模式的材料力学教学大纲设计
CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面,大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标。材料力学课程既包括专业知识学习,又强调应用能力的提升,根据这一教学目标设计的教学大纲如表1所示。
3改革方案设计
3.1教学内容的改革
对于传统教学中的基本概念、原理和方法,我们在教学中应该重视,可为了拓宽学生的视野和运用力学知识建模的能力,我们又应该对教学内容优化。随着科学技术的发展,新的理论、新的学科、新的计算工具和计算方法、新的试验方法不断涌现,在教学内容中适当增加这方面的介绍和练习,可以拓宽和增强学生系统解决实际工程的能力。此外,学生普遍对繁琐的理论推导缺乏热情,因此有必要在教学中加入实习环节或模型演示环节,实现教学与实践的结合,从而提高学生对力学课程的兴趣。
3.2教学方法和教学手段的改革
如何调动学生的主动思考,如何加强学生独立解决问题的能力,如何实现“在实践中学习,在学习中实践”?显然单纯的课堂教学很难实现这些目的。首先,材料力学应把课堂教学与案例教学或现场教学结合起来,并配合一定形式的课堂讨论。这样学生就能比较生动地、直观地去学习基本理论,并且可以明确学习的目的性。例如:弯曲问题可以在施工现场结合梁的配筋布设讲解;组合变形可以在实验室用模具演示教学等等。另一方面,CDIO教育理念重视个人能力及技能的同时,强调团队协作与交流,因此可以在教学过程中开展分组专项研讨。专项研讨任务以小组为单位,每组3~5人,让学生到施工现场进行调研,结合工程实际确定材料力学研讨主题,然后针对工程实际问题建立力学模型,通过小组探讨解决工程问题,从而锻炼学生收集信息、主动获取新的知识、解决问题和创新的能力。再一方面,还可以在教学过程中开展自主实验设计,推动学生自主学习能力。在教学手段上也应结合新技术、新方法的发展,在传统的板书基础上,融入PPT、Flash动画、仿真数值模拟等教学手段。一方面加强学生对传统力学知识的理解,另一方面,新的教学手段可以丰富教学内容,贴近工程实践,拓宽学生的视野。例如:PPT相对于板书,可以发挥信息量大的优点,让学生在有限时间内完成更多的课上练习;Flash动画可以在课堂上展现一些实验现象或者工程实际现象,这有助于学生对抽象力学概念的理解等等。
4课程评价体系改革
课程的考核评价体系和考核方法主导着学生的学习动力和方向,其改革必须匹配材料力学课程的CDIO教学大纲,起到引导学生有意识开展专业能力锻炼的目的。材料力学课程成绩包括三部分:书面理论考试、汇报答辩、实验报告,权重为0.4、0.4、0.2。书面理论考试主要以基本概念、基本理论、基本技能为主。汇报答辩要求学生对小组研讨专项做成PPT,图文并茂的在讲台上向老师和同学做报告,并回答老师和同学对改组项目提出的问题,考核重点在:调研的充分性、CDIO综合能力的展现性、技术和理论的结合度、团队的协作能力等方面。实验报告要体现自主实验设计的选题调研、方案设计、实物开发和交流评比等环节。
5结束语
基于CDIO的材料力学教学模式着手改革课程体系和教学模式、创新教学方法和教学手段、调整教学考核体系,从而调动学生的主动思考动力、培养学生的团队协作和交流能力、加强学生独立解决问题的能力,让学生“在实践中学习,在学习中实践”。
【参考文献】
[1]李为虎.一种工科理论力学教学模式的构思与实践[J].力学与实践,2010(3):126-127.
[2]李庚英,赵晓华,熊光晶.土木工程材料CDIO模式的设计与实现[J].高等工程教育研究,2009(5).
[3]林建.面向“卓越工程师”培养的课程体系和教学内容改革[J].高等工程教育研究,2011(5).
[4]胡志刚,任胜兵,吴斌.构建基于CDIO理念的一体化课程教学模式[J].中国高等教育,2010(22).
[5]陶勇芳,商存慧.CDIO大纲对高等工科教育创新的启示[J].中国高教研究,2006(11).
一、“工程材料力学性能”课程特点及教学现状
1“.工程材料力学性能”课程特点材料的力学性能是指材料在外加载荷作用下或外加载荷与环境因素共同作用下所表现出来的力学行为与机理,是各类材料在实际应用中必须涉及的共性问题。[1]“工程材料力学性能”课程最早是“金属材料力学性能”,后来改名为“材料力学性能”,现在部分教材又改名为“工程材料力学性能”,是许多工程类本科生重要的专业基础课,其教学效果好坏对学生能否打下一个良好的专业基础起着重要的作用。该课程内容涉及面广、工程应用背景强,在材料科学与工程、土木工程、机械工程等专业领域有着重要的应用。本课程的学习,对提高工程类专业学生整体素质及工程实践能力起着至关重要的作用,使得学生能够从各种机器零件或构件在常温、高温以及腐蚀环境的服役条件下的失效现象出发,了解失效现象的机理,从而为他们毕业后从事材料的检测和性能评定、材料的正确选用和安全应用,以及对机械零件的失效分析等工作奠定良好的基础,为企业乃至国民经济的发展提供有力的后备军。
2“.工程材料力学性能”课程教学现状安徽工业大学(以下简称“我校”)材料学院共分金属材料工程、材料成型及控制、无机非金属材料、材料物理四个本科专业,目前,四个专业使用的《工程材料力学性能》是合肥工业大学主编的同一本教材,该教材的内容包含金属材料的力学性能和新型材料的力学性能两大部分,侧重点是金属材料的力学性能部分,主要包含“高分子材料的力学性能”、“陶瓷材料的力学性能”和“复合材料的力学性能”三章的内容。[2]金属材料力学性能的研究时间较长,主要的原理、定律和结论已比较成熟,新型材料力学性能的内容相对较少,它的研究主要借鉴于金属材料力学性能的研究经验和方法。本教材比较适合金属材料工程、材料成型及控制两个专业的学生,对其他专业的学生则显得内容相对较少,不太适合。而且,本课程的内容多、涉及面广,课程学时有限,书中许多抽象的内容很难通过语言的表述来讲清楚,在课堂上教师生硬的照本宣科会使学生感到枯燥乏味,课堂的气氛很难被充分地调动起来,教学效果不佳。针对目前的教学现状,如果不对课程的教学进行改革,授课教师很难在有限的学时内保质保量地完成本课程的教学任务。笔者在“工程材料力学性能”课程的教学实践中体会到:授课教师需要根据专业特点来组织教学内容,才能在规定的学时内完成课程的教学任务。根据专业特点来组织教学内容,使得学生学习和教师授课的侧重点都突出,学生能在有限的学时内提炼出与专业学习有密切联系的知识,加以掌握和应用。[3]本课程的教学目标是使学生能运用所学的理论知识分析材料实际的使用情况,对材料的失效现象的机理进行分析。
二、依据材料物理专业特点,优化教学内容
在“工程材料力学性能”课程教学实践中,笔者结合材料物理专业特点,在保证课程基本内容和结构的前提下,对整本教材进行整合,提炼出一般了解和必须掌握的内容,使学生能在规定的学时内有效地掌握最基本的教学内容。[3]近年来,随着科学技术的发展,材料的种类越来越多,新型材料应用日新月异,纳米材料、薄膜材料和微机电材料快速发展,材料的特征尺寸越来越小,传统的材料力学性能测试手段已无法实施,微区材料的力学性能测试手段应运而生。新材料力学性能测试的标准不断颁布,已有材料的国内标准需与国际标准接轨而不断修改,迫切需要材料力学性能的教学与生产力发展水平一致。鉴于以上几个方面内容,该课程讲授内容主要从以下四个部分来展开:第一部分(第一至第四章)阐述材料在一次加载条件下的形变和断裂过程,所测定的力学性能指标用于评价零件在服役过程中抗过载失效的能力或安全性;第二部分(第五至第八章)论述疲劳、蠕变、磨损和环境效应四种常见的与时间相关的失效形式,材料对这四种形式失效的抗力将决定零件的寿命;第三部分(第九至第十一章)(纳米材料/复合纳米材料)依据材料物理专业的特点,重点讲解纳米材料的力学性能,这其中包括纳米金属材料的力学性能、纳米非金属材料的力学性能、碳纳米材料的力学性能、纳米复合材料的力学性能等;第四部分实验教学中引入国家标准的学习。
三、优化教学方法与手段,全面锻炼学生能力
任何教学过程的开展都离不开一定的方式或方法。传统的教学方法是以教师讲授为主,学生处于被动的接受地位。教学方法的优化倡导以学生为主,强调学生是学习的主人,培养他们自己查阅资料,自己释疑,自己总结,最终具备自我学习的能力。[4]在这个过程中,教师要充分发挥引导作用,充分调动学生的积极主动性。下面以“纳米材料的力学性能”为例来说明教学方法的优化,笔者采用“三步式”教学方法,取得了良好的教学效果。第一步:教师指导学生上网查阅“纳米发动机”的相关资料,并就“纳米发动机”的提出、原理及当前的发展现状写一篇综述性报告,在下一堂课让学生讲解;第二步:根据自己的备课内容及结合自身的科研经历,进一步给学生讲解“纳米发动机”相关材料的制备方法及工艺技术特点;第三步:学生根据教师授课内容和自己查阅的相关资料,完善自己的综述报告。“三步式”教学法组织实施教学,不但可以提高学生学习本门课程的积极性,使学生掌握的知识更加牢固,而且有利于拓展学生的视野,培养了学生的科研兴趣,进一步增强了学生自我获取知识的能力。教学手段是指教师用以运载知识、传递教学信息的物质媒体或物质条件,是现代的教师进行教学活动必不可少的辅助用具。随着计算机应用技术的普及,学校和教师越来越关注用计算机网络技术来提高教学效率和教学质量。[4]“工程材料力学性能”课程特点是内容多、知识点零散、概念定义多,书中许多抽象的内容很难通过语言的表述来讲清楚,理解起来相对困难。教师在教学过程中运用现代多媒体教学手段,自己动手制作多媒体课件,针对专业特点选择教学内容和教学方法;另外,通过演示一些动画图片和视频,使得原来抽象的、枯燥的知识形象化,使学生易于理解和掌握,同时还增大了教学信息量,在有限的学时内给学生尽可能多地传达了信息量。
四、优化实验教学,培养学生的创新能力
工科专业的实验教学是理论联系实际的重要环节,与课程体系、学科结构和教学改革等有着密切的关系,对培养大学生的工程意识和创新思维,以及动手能力和分析解决问题能力具有十分重要的意义。我校“工程材料力学性能”课程基本实验包括碳钢静拉伸,不同成分、热处理工艺对钢材力学性能的影响,金属的冲击韧性,金属的硬度,金属材料平面应变断裂韧性KIC的测定五个实验。这些实验比较适合金属材料、材料加工专业的学生,对于材料物理专业的学生来说,难以感受本专业特点。[2]因此,结合不同的专业特点,将“工程材料力学性能”课程的实验内容涵盖多个专业,分为必修、选修两部分。优化后的实验内容,不但可以增强学生的动手能力,还可以使不同专业的学生加深对自身专业的理解。比如,针对材料物理专业的本科生,可以开设纳米材料力学性能测试综合选修实验课。笔者结合自身的科研内容,制备一系列的纳米线及纳米薄膜材料,同时,材料科学与工程学院新引进的AgilentG200纳米压痕仪,可用来测量纳米材料的硬度、模量、应力—应变曲线等传统力学仪器不能测量的纳米材料的力学性能。该试验的开设,既使学生巩固了前期所修的“工程材料力学性能”课程,提高学生综合运用知识的能力,又拓宽了学生的视野,对纳米材料的力学性能有了更深层次的理解,为其后续的工作和科研奠定了良好的理论和实践基础。材料力学性能实验方法大都有国家标准,在实验教学过程中,教师除了传授最基本的操作方法外,还指导学生如何查找相关标准,对标准进行阅读,引导学生根据标准文件设计、实施相关实验,使实验操作真正做到有据可依,以期培养学生的工程规范意识。另外,针对教材标准滞后实际标准的现象,还介绍目前国内外最新标准,以其让学生了解最新的测试标准技术信息,同时还使学生对相关测试技术的发展有全面完整的认识,这对于他们将来的事业发展是非常有利的。[5]
五、优化考核方法,全面评价学生素质
传统的一张试卷定终身的考试形式早已不能满足现代素质教育、创新教育的需要。对此,老师采取了综合考核方法,从终结性教学评价模式向形成性教学评价方式转变。[6]综合考核方法中除了学生的期末笔试成绩外,还包括课堂提问、课后作业、实验成绩、小论文等多种评价手段。新的考核方式既锻炼了学生自主创新、知识综合运用的能力,又培养了学生查阅分析信息资料、收集分析数据和撰写科技论文的能力。此外,为了提高学生综合运用知识的能力,卷面考试有必要增加一些主观题。比如笔者在出考卷时,增加了一道综合应用题,内容是结合具体技术和方法,论述材料磨损的控制和防磨措施,从而要求学生将材料磨损的相关知识融会贯通,灵活运用。通过考核方式的改革,学生学习的积极性和主动性都大大提高。上述几个方面的改革探索,使学生能有效地掌握本门课程的知识,为后续课程和科研工作奠定良好的理论基础,同时为大学毕业生在将来实际工程中正确地选择和使用材料、改进材料性能以及分析材料失效行为等问题打下坚实的基础。
材料力学是研究固体在不同形式外载荷作用下产生的变形特征及力学性质的学科,它既是物理学、理论力学等基础课程的延伸,又是后续弹性力学、结构力学等专业课程的基础,在工科院校本科生的培养方案中有着十分重要的地位。材料力学教学在过去几十年为我国培养了大批的工程人才,但是随着知识大爆炸时代的到来以及国家对素质教育的要求不断提高,以教师为主导的传统讲授式教学难以满足新时期对学生的培养要求,对材料力学课程进行教学改革势在必行。研究性教学是指在一定的情景中,引导学生通过主动发现问题和解决问题而获得知识、形成能力、发展个性的教学方法。它的实质就是让学生在教学过程中体验科学原理的发现和应用科学原理解决实际问题等不同类型的研究过程[1]。与传统教师主导的讲授式教学相比较,研究性教学更能激发学生的学习兴趣,启发学生的创造性思维,同时锻炼协作意识。具体对于材料力学课程而言,实施研究性教学改革需要从课程体系的编排、案例教学的开展、考核方式的设置等方面进行具体设计和实施。
一、改革措施
研究性教学首先需要对课程体系进行重新编排,增加案例研讨课,也需要对课程的考核体系进行改革,从而在保证公平和区分度的前提下,激发学生的自主学习的兴趣,培养学生的创造性思维,最大程度提升整体教学效果。
1.课程体系编排。研究性教学方法则是立足于学生为主体,通过各种方法激发学生主动探索的兴趣,而不是被动的接受教师的想法,所以针对材料力学传统教学方法中存在的问题,需要对课程体系进行重新编排。具体措施如下:
(1)在绪论之后,加一部分内容,即材料力学的知识体系,如图1所示,应该让学生领悟到材料力学的知识体系是双线程的,即按照变形的方式可以分为拉压,剪切,挤压,扭转以及弯曲,而按照研究内容,每种变形则要研究构件的内力,应力,应变,变形以及应变能。学生了解了材料力学的课程体系以后,引导学生建立类似图一的表格,在弯曲章节学习之后,要求学生将每一个格子里相应的公式自己整理出来,这样既能使学生在正式学习之前对可能总体结构有个清晰的认识,又可以引导学生们自主思考,通过填表完善自己的材料力学知识体系。同时,又可以压缩课时,把更多的时间留给案例研讨课。弯曲之后还有应力应变分析、强度理论、组合变形以及压杆稳定等内容,这些课程体系无需调整。
(2)将各章节的专题内容分离出来,单独成章,或者作为案例留给讨论课。材料力学中的超静定问题、薄壁圆筒的扭转、弹簧变形等专题问题,并不属于材料力学的主线,而是主线内容的实际应用。而研究性教学倡导学生们自主学习,在实际情境中思考、解决问题,所以将这些内容从课堂教学主线中拿出来,单独成章或者作为案例供讨。
(3)重新安排实验课课时。在48课时的材料力学教学中,实验课一般占8课时,一般是在对应章节讲授之后再进行实验,有个别学校由于实验室相对紧张,有的班级更是等到学期末才能排到实验课,这样的实验课安排使学生丧失了对未知实验结果的期待,实验课变成了被动的完成任务,使教学效果大大降低。根据研究性教学的本质,为了引导同学们主动探索,建议将实验课安排在知识点与实验现象之间进行,例如在拉压一章,实验课应放到应力应变的基本规律之后,材料拉压的力学性能之前进行,这样学生们既可以掌握实验中所用到的知识点,又对未知的实验结果充满期待,有助提升学习兴趣,激发探索欲望。
2.案例教学开展。案例教学的开展是研究性教学改革的核心,它是指在教师的精心策划和指导下,以案例为基本教学材料,将学生带入特定事件的情境中,采用个人阅读分析、小组合作探究和全班交流互动等学习形式,借助案例材料提供的信息,运用所掌握的一些基本理论,去探究案例问题,提出解决方案[2]。案例教学的讨论课设置4~6课时为宜,这些多余的课时量主要来自课程体系的重新编排,而其余的文献查阅、分组讨论、PPT制作以及报告撰写留给学生课下完成。
案例教学不仅仅是简单的课上讨论,它需要课前准备、课上实施以及课后验收三个阶段:①课前准备。案例教学要求教师充分熟悉教学大纲及教材内容,提前拟定教学行动计划,明确每次案例教学的目的、重点、难点,选择典型案例,列出问题讨论提纲,提前发给学生。要在布置案例之前将学生分组,分组可以根据实际情况由学生自由组合或者由教师指定。案例的设计应该满足三结合原则,即尽量与专业背景相结合、与工程实际相结合、与社会热点相结合。例如土木工程专业的学生,可以选择桁架、桩基结构等作为案例;石油工程的学生可选钻杆、集输管线作为案例;等等。②课上实施。案例由每组学生完成之后,需要在讨论课上进行汇报。讨论课由教师组织和引导,但是学生应该是讨论的主体,每组学生都要求在课前准备好案例汇报的PPT,建议以8分钟为宜。每组学生需确定1名项目汇报人,同时每组要出1名评委,各组派出的评委组成评委团,负责对每个汇报进行点评和打分。
最后由教师集中点评,对讨论的结果进行总结。评委团主要应从以下几个方面对汇报进行评价和打分:选题的意义和难易程度(20分),力学模型建立是否合理(30分),分析计算的准确性(30分),PPT制作和讲解(20分)[3]。建议对讨论课全程进行录像,录像结果上传到视频网站供同学们观看和总结,评委团的打分表由教师收回,作为最终成绩的一部分。③课后验收。学生们根据评委团以及教师的点评,需要在课后修改自己案例内容并整理成报告,报告需按照科技论文的一般形式整理,即要求有摘要、引言、求解过程、结果分析、讨论、结论和参考文献。每组将报告提交上来以后,由教师打分,作为最终成绩的一部分。 3.考核方式设置。材料力学课程的最终成绩由三部分构成,建议知识点的集中考察占40%,实验占10%,案例成绩占50%。其中知识点的考察按照传统的考试形式集中进行;实验成绩主要依据实验报告给出;案例成绩主要依据讨论课的表现和最终报告给出。教师们对最终案例的质量不要过多苛求,而更要关注学生们在完成案例过程中分析问题、查阅文献的、应用所学知识解决问题的能力和意识,以及在案例讨论以及最终报告完成过程中体现的协作精神以及综合能力。
二、教改反馈及思考
笔者通过对近两年66名学生进行不记名问卷,发现对教学手段完全满意的占83.3%,认为基本满意的占10.6%,不满意的仅占6.1%。不满意的同学多认为案例部分占用时间过多,负荷过重,还有个别同学提到,给每组同学相同的案例分数并不公平,因为同学的贡献差距很大,给相同的分数会降低同学们的积极性。以上确实是在教学改革中存在的问题,案例任务的轻重应该因学生素质而异,如果学生反映任务过重,可以适当减少案例的个数,延长案例的完成时间,或者增加组员的数量。对于每组同学同分不公平的反馈,确实要引起重视,笔者建议在最终的报告上让组长标注每个同学负责的具体工作,最终的成绩依此来体现区分度。总之,材料力学的研究性教学改革不会一蹴而就,需要与时俱进,不断完善。
研究性教学是对传统教学模式的一次革命,它可以引导学生通过主动发现问题和解决问题而获得知识、形成能力、发展个性,让学生在教学过程中体验科学原理的发现,并应用发现的科学原理解决实际问题。对材料力学实施研究性教学需要从三方面入手,一是要对课程体系重新梳理,让压缩课时的同时让学生抓住材料力学的知识主线;二是引入案例式教学,通过案例的完成和讨论激发学生们的求知欲望,提升学生们发现问题和解决问题的能力,以及团队协作精神和报告写作能力;三是需要对课程的考核方法做出针对性的改革,保证公平的前提下体现一定的区分度。材料力学的研究性教改开展时间尚短,学生们的反馈肯定了研究性教改的同时也为我们纠正了一些问题。尽管未来还会遇到很多未知的困难,但相信只要教学管理部门、教师和学生共同努力,材料力学的研究性教改一定会越来越完善,为我国新时代创新型人才培养做出重要的贡献。
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土木工程材料是土木工程专业一门主要的专业课程,其目的就是为学生毕业后从事相关工程设计、施工和监理等工作打下必要的理论基础和实践经验。下面是读文网小编为大家整理的材料与土木论文,供大家参考。
摘要:土木工程材料课程改革是适应建筑产业现代化需要的必然选择。以特色土木工程专业为基础,分析土木工程材料课程的特点和存在的问题,探讨土木工程材料课程的教学改革内容,以提高教学质量,提高学生的综合素质和实际工程应用能力。
关键词:特色土木工程专业;土木工程材料;教学改革
福建江夏学院是一所以经、管、法等学科为主的大学,工科类专业较少。转型之际,学校立足发展特色工科,将土木工程专业作为新建本科专业及重点建设专业,以培养复合型创新型应用型人才为目标,创新学科专业建设,开展特色土木工程专业教育,以适应建筑产业现代化需求。土木工程材料是土木工程专业必修的基础课,也是土木工程建设的物质基础与质量保证,对土木工程建设的经济性有重要影响,并决定着工程的结构形式和施工方法[1]。开设该课程的目的是使学生学习土木工程材料的基础知识、基本理论与应用方法,为学习后续课程奠定基础,并为今后从事专业技术工作时合理选择与应用土木工程材料知识打下基础。课程改革是教学改革的落脚点,课程建设与教育质量的提升有密切关联[2]。本文以土木工程材料课程为例,探讨基于应用型的土木工程材料课程改革。
一、土木工程材料课程的特点
土木工程材料课程的主要特点是知识面广、知识点分散、系统性较差,且理论性及专业性较强。土木工程材料按不同角度可进行不同的分类,而课程教材往往按材料类别分章节,各个章节自成体系,章节间缺乏横向的联系。因此,教师授课常以叙述式为主,主要是各种材料在工程和实验上的经验总结,缺乏内容逻辑的串联及理论分析、计算[3];学生学习片面化,难成系统,往往仅处于识记层面而缺乏对知识点的对比联系。土木工程材料课程不同于一般基础课程,除了理论课程外,还有实验课程。实验演示、现场参观可加深学生的理解和感性认识;通过动手实验验证材料的基本性能,可学习试验方法,锻炼学生的实践能力。此外,实验课程还可增加设计类、综合类实验,培养学生的科学研究能力。
二、土木工程材料课程存在的问题
(一)认识不足,学习方法不当
学生对专业基础课程的重要性认识不足,认为力学类课程和专业类课程更重要而忽视基础课程的学习,对土木工程材料课程的重视程度较低。学生平时缺乏对课程的学习兴趣,且学习方法不当,考试仅依赖死记硬背,理解不足,知识掌握不牢固。
(二)知识体系欠缺,课程之间联系较少
以力学类课程为例,经过多个学期对理论力学、材料力学、结构力学的系统学习,学生可较好地建立知识体系、融会贯通知识点。而土木工程材料课程与土木工程专业其他课程之间的联系较少,该课程一般安排在第一或第二学年,学生在此前对该课程的认识较少,学过之后又没有直接应用的机会。同时,后续也少有课程复习到相应知识点,致使该课程“自成一派”,知识不成体系,导致学生对该课程的知识遗忘快。
(三)教材更新慢,图表符号难理解
新型土木工程材料层出不穷,而原有的教材往往只介绍基本材料,较少涉及新型材料,使教学明显滞后于应用。教材中涉及的材料种类繁多,不同材料之间的联系少、针对性差,使学生缺乏学习重点。教材中常以表格的形式介绍材料,材料代号较多却少有明文解释,表格中出现的指标多、杂,指标含义不明确,致使所涉及的专业知识枯燥且难以理解。
(四)教学手段少,教学场所单一
土木工程材料课程的教学主要以讲授为主,传授前人经验,因而学生学习兴趣不足。教学场所主要以课堂为主,学生对各种不同材料缺乏直观、感性的认识。教学与实际工程应用结合少,教学效果不佳。
三、土木工程材料课程教学改革内容
首先,在课堂教学之初,为学生介绍现代工程对材料的需求及材料在工程建设中的重要意义;介绍土木工程材料课程的教学目的、意义,以及课程在人才培养方案中的地位与在工程应用中的作用;介绍工程案例及工程全寿命概念,帮助学生正确认识土木工程材料的重要性,树立正确的学习态度。收集往届优秀学生的学习方法,结合自身备课感悟,帮助学生找到合适的学习方法,提高学习兴趣与效率。加强课后与学生之间的互动,建立良好的师生关系。运用互联网技术,建立网上联系,及时帮助学生解决课堂疑难。
其次,针对福建江夏学院土木工程专业人才培养目标“专结构、懂施工、长材料”,调整人才培养方案,在通用土木工程材料的基础上,加入更深层次的水泥基材料课程和高性能混凝土课程,建立土木工程材料—水泥基材料—高性能混凝土的连贯课程体系,三门课程由浅及深,由通用至高新,由经验至理论,系统介绍土木工程材料的工程应用,特别是常用的水泥、混凝土材料,加深学生的认识及对知识的融会贯通。
第三,优化教学内容,突出教学重点。引入工程案例,使课程内容更丰满,同时帮助学生理清知识点,构建知识框架,降低吸收知识的难度,使教材“由厚变薄”[4]。教学时,针对各种材料的图表符号展开说明,引入材料的相应技术标准,结合材料的基本性能和特点阐述各材料的适用性。建立网络课程,共享土木工程材料相关资料,提供前沿材料的资讯,帮助学生课后自主学习。开展学术讲座,邀请业界人士为学生介绍土木工程材料的应用现状及前沿高新材料,使教学内容与实际应用相结合,拓宽学生的知识面。
第四,增加课堂微课环节,由学生自由分组选定某一材料作为选题,课后分工收集资料,制作PPT,并于课上10分钟内与同学交流。经实践,该环节效果显著,可调动学生的积极性,培养学生的自主学习能力,使学生发挥主观能动性,活跃课堂气氛。调整课程考核方法,提高平时成绩的比例,提高学生对实验课程的参与度和重视度,加强课程的过程性考核。组织学生参加“大学生混凝土配合比设计大赛”,提高学生学习兴趣,培养学生的动手能力,同时为学生提供外出学习的机会,扩大学生的眼界[5]。鼓励学生申请、参与大学生创新创业项目,结合导师制活动,吸纳优秀学生参与教师的科研项目,深入材料的试验研究当中,培养学生的深入学习兴趣及科研创新能力。
最后,开放实验室,鼓励学生开展设计性、综合性实验,培养学生发现问题和解决问题的能力。实验教师给予实验指导,培养学生的创新能力和动手能力。在实验室内设置材料展示柜,增加学生对各种土木工程材料的感性认识。通过实习,多带学生走出课堂,如在建材市场参观学习,增加学生的直观感受。利用已有产学研基地,强化学生的实践应用能力,提高学生的综合素质,使学生了解当前企业对人才的需求,提高学生自主学习的意愿,为后续的学习、工作奠定基础。
四、结语
为适应建筑产业现代化需要,培养特色土木工程专业人才,需要对土木工程材料课程传统教学模式进行改革。由此,笔者提出针对该课程的特点和存在的问题进行课程体系、教学内容、教学方法、教学方式、实验教学等方面的改革调整,提高教学效果,激发学生的学习兴趣,提高学生自主学习的意愿,加强学生的工程应用意识,提升学生的工程应用能力和综合素质。
参考文献:
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[5]余自若,江辉,安明喆.土木工程实践型人才培养路径探索:以结构设计竞赛为例[J].高等建筑教育,2011(6):110-112.
[摘要]文章在总结了“土木工程材料”课程具有内容多、实践课程缺乏、教材内容及教学大纲滞后等特点的基础上,提出本课程在教学方法及内容、实践教学、考核方式等方面的一些改进措施,提高学生的综合素质和实践能力。
[关键词]土木工程材料;教学;方法;实践
土木工程材料是我校材料科学与工程专业的一门专业选修课,该课程主要内容包括土木工程材料的性质、用途、制备和使用方法以及检测和质量控制方法。通过对该课程的学习,学生能更深入地理解材料组分、结构与材料性质的关系、外界环境和施工工艺对材料性能的影响,以及材料性能改善的途径,为以后毕业设计、进行科研以及从事专业技术工作提供必要的基础理论和技能训练。
1课程现状
1.1课程内容多、范围广、与工程应用密切相关
土木工程材料种类繁多。根据材料的来源,有天然材料及人造材料;根据材料的功能,有结构材料及功能材料;根据材料的成分,有无机材料、有机材料及复合材料,这就使得“土木工程材料”课程的内容十分广泛[1]。另外,课程的理论性、概念性及经验性的内容比较多,以文字叙述为主,而计算推理的内容相对较少。土木工程材料与工程应用紧密相连,每种土木工程材料(原材料或产品)都有相关的技术指标,有些技术指标还在不断修改和完善。在实际工程应用中,各种材料往往构成混合材料或产品,各种材料的性能以及它们之间的相互作用对整个混合材料或产品的性能都有重要影响。另外,工程应用环境对于材料的耐久性也有重要影响。因此,土木工程材料课程既要体现各类型材料的基本特性,又要在工程应用上形成统一体系。这些因素使教和学都有一定的难度。
1.2实践课程缺乏,经费不足
实践教学是我国高等教育特别是高等工程教育的一个薄弱点。传统的三大实践教学环节(实验、实习和毕业设计),被越来越弱化[2]。“土木工程材料”作为我校材料科学与工程专业的一门专业选修课,同样存在实验设备老化、实验经费短缺、缺乏实习基地等问题。另外,该课程的理论性、概念性及经验性的内容比较多,且以文字叙述为主,容易使学生感到枯燥。作为在校学生,平时也无法接触工程实践,缺乏感性认识,如果实验配套缺乏,更加无法调动学生的学习积极性。并且单纯的理论学习,会使学生学到很多的知识“碎片”,缺乏整体性的概念。例如,只有通过实践,才能更好地理解混凝土的耐久性是与组成材料、配合比设计、养护条件、结构和构件设计紧密相关的整体论,而不是由单一因素决定的。
1.3教材内容及教学大纲滞后
近年来,科学技术的飞速发展,以“三新”(新材料、新技术、新方法)技术为标志的工程建设新时代已经到来[3]。工程应用的实际需要也促进了新材料的发展。例如普通砖的砖块体积小,施工效率低,而且砖块烧制需要毁田取土,破坏生态环境,同时消耗大量能源,而加气混凝土砌块不但体积大、施工效率高,而且使矿渣、粉煤灰等工业废物得到再利用,减少了环境污染。因此这种传统的烧结砖正越来越多地被加气混凝土所替代。但教材内容的更新速度总是较新材料的发展速度慢,而教学大纲是根据教材内容而制定的。我校的教学大纲修订年限较长,进一步导致授课内容跟不上新材料的发展速度,学生毕业后不能很好地满足工作的需要。
2教改方法
2.1结合工程案例,加强多媒体技术
在教学过程中采用工程案例教学法代替传统的理论讲授法能获得较好的效果。因为土木工程材料中叙述性的内容较多,如采用平铺直叙的教学方法,很难引起学生的学习兴趣[4]。工程案例教学法就是利用多媒体展示实际工程中常出现的现象,然后分析问题,解决问题,使学生从感性认识上升到理性认识。这一认知过程也符合人类对事物的认知规律,因此学生容易理解和接受。例如通过多媒体展示工地上出现的石灰墙面鼓包、开裂现象,北方地区出现的路面、桥梁用水泥或混凝土剥落现象、沿海地区大坝的钢筋裸露、锈蚀现象,以及近几年出现的整栋房屋突然垮塌现象,激发学生的学习兴趣,结合各种材料特点及施工技术分析出现这些现象的原因,提高分析、解决问题的能力,增强学生的责任心。另外,由于课程中教学内容较多,通过制作多媒体课件,将文字、图片、动画、实例演示等教学信息通过屏幕呈现给学生,提高教学的形象性和生动性。例如对于钢材的拉伸性能,混凝土抗压强度的测试,以及时间长、操作难的实验等,通过播放录像的方式,让学生更加直观地了解实验过程和操作方法,增强了学生的感性认识,从而提高了教学质量。
2.2加强实践教学
实验教学对于学生基本原理的掌握和工程实践的培养,具有举足轻重的作用,是学生能力和素质提高的重要环节。然而由于实验学时有限,而涉及的内容较多,并且有些实验周期很长,无法在课堂内把所有实验都完成,因此应采用多种方式进行。首先,在实验课上完成基础实验,例如完成水泥细度、标准稠度用水量的测定,胶砂强度试件的制作,水泥凝结时间的检测,水泥水化产物的分析,石膏制品的制作,沥青的粘度测试等实验。其次可以利用开放实验室,以教师指导及研究生助教的形式,在课余时间完成设计性或综合性实验。例如各种矿物外加剂和化学外加剂对混凝土流动性、保水性、凝结时间、水化热、水化产物、强度等性能的影响。教师可以提供题目,学生确定选题,然后分组完成。最后每组同学递交实验结果及分析报告。为进一步提高学生的实践能力,采用校企联合培养模式,学生利用假期到企业实习,积累实践经验,鼓励部分有能力的学生直接参与企业的材料性能检测实验、新材料的开发研究或者实际工程项目,提高学生分析和解决实际工程问题的能力。
2.3关注学科发展前沿
教材是教学的依据和根本[1],但教材内容的更新速度总是较新材料的发展速度慢,因此,教师应密切关注土木工程材料研究和工程应用的最新进展以及相关技术指标的更新,引导学生及时了解学科发展动态,拓宽专业视野,培养创新意识,以适应时代发展的需要。在关注学科前沿和培养创新意识上,特别注意要根据我国国情和工程实际情况,研发符合我国工程特点的新材料。例如,在国内外,聚氨酯外墙保温材料得到了广泛应用,但聚氨酯的防火性较差。许多事故表明,火灾造成的巨大伤害都是由于所用材料的防火性差,并且燃烧释放出大量的毒气而造成的。由于我国的特点是人口密度大,建筑物密集且高大,聚氨酯作为外墙保温材料必然存在重大安全隐患。因此,要引导学生这些事故中吸取教训,并且研发符合我国国情特点的新材料。另外,应缩短教学大纲的修订年限,同时应把教学内容的主动权交到教师手中,紧跟时代发展步伐,固有体制会制约教学的发展和提高。
2.4改变考核方式
闭卷考试是应试教学方式中的传统评价方法,对培养提高学生的综合业务素质存在着一定的弊端[5]。对于考核方式,本课程采取平时成绩、实验报告与开卷考试相结合的方式。平时成绩的评定主要根据课堂出勤、上课听讲、平时作业完成情况等作为依据。平时作业紧扣教学重点,例如石灰的成分与性能的关系,骨料细度模数的计算,普通混凝土配合比设计,砂浆的配合比设计等,主要考察学生对基本知识掌握情况。实验报告反应了学生的实践动手能力,以及分析和解决问题的能力。本课程教材包含了大量关于材料的技术指标以及混凝土和砂浆配合比设计公式。随着新材料和技术的发展,很多技术指标也会不断地被修订和完善。在信息时代,电脑能够为人类提供海量数据,并可及时查询,因此很多内容无需特别记忆。因此,开卷考试能够回避很多需要记忆的内容,更多地考察学生对基础知识的应用能力,以及分析和解决问题的能力。以上三种考核方式的结合,更能全面地考察学生的综合素质。
3总结
“土木工程材料”课程教学改革紧密联系工程实例,激发学生的学习兴趣,开拓学生视野;通过实验和实践认识促进对课堂理论知识的理解和掌握,并且注重培养学生的创新意识;通过改革考核方式,全面考察学生的综合素质。
参考文献
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装饰艺术作为艺术领域中的一大门类,有着其独特而迷人的色彩。而装饰画便是这庞大门类中一支亘古不变、源远流长的领域分支。装饰画是一种通过抽象的符号来表达作者内心情感的艺术语言。伴随着社会的出现,传统的材料装饰画一直点缀着人类的生活。下面是读文网小编为大家整理的材料装饰画论文,供大家参考。
摘要:装饰画作为一种艺术形式具有独具匠心的表现手法,在现代环境中不仅起到了美化空间的作用,而且更能够平复我们现代人浮躁的心灵,缓和现代人的生活节奏。因此,装饰画已经成为生活中不可或缺的部分,不论是在公共环境中还是日常的家居生活中,我们都可以看到装饰画的身影。现代装饰画根据装饰环境的不同,充分挖掘材料的特征与新用途,从而使其在每一个特定的空间里都能够起到一种独特的装饰效果。
关键词:材料;装饰画;环境设计
装饰画以一种艺术形式出现,它具有独具匠心的表现手法,在民间艺术的土壤中茁壮成长,并伴随着时代的发展而不断创新。在原始时期人们就学会了提取动物、植物等纹样来装饰生活中的器皿。而今随着科技的进步,时代的发展,现代的人们能够运用各种材料来装饰生活,不论是在公共环境还是日常的家居生活中,我们都可以看到装饰画的身影,它不仅是我们生活的一部分,而且更是我们不可缺少的精神食粮。现代装饰画的表现形式虽然是在传统绘画的基础上发展而来的,但它区别于一般的传统绘画,不论是在色彩上还是造型上,它都具有一种装饰美。装饰画不仅要用装饰的手法来进行手绘,还要与其他的材料进行重新组合,重新创造,但它并不是把材料简单的拼接而是根据装饰环境的面积大小,以及不同的用途来重新“定格”,从而挖掘出材料新的用途与特征,使之更具有趣味性,进而能够在每一个特定的空间里起到一种独特的装饰效果。现代的装饰画材料多种多样,因此也使得装饰画具有平面、立体、半立体等多种多样的表现形式。对于不同的表现形式,现代的装饰画在材质、色彩、肌理效果等方面都要求整体协调。因此,艺术家会根据材料本身的不同特性来发挥其独特的美感,使其功能性能够充分地、多方位地显现出来。装饰画材料从属性上主要分为硬质材料和软质材料,如石头、金属、玻璃钢等是硬质材料,棉、麻、线、纸等是软质材料。也可以从材质的特性上对装饰画材料进行分类,例如石材—稳重、有光泽;不锈钢—明亮、轻快;金银—高贵、华丽;塑料—轻便、现代;木材—自然、原生态;玻璃—清凉、透明;粗布—朴实、亲和等等。把材料本身的特征融入装饰画的创作之中,可以最大限度地使装饰画与环境空间相匹配,从而使我们的空间更加舒适,为我们的生活增添一抹亮色。现代生活中装饰画随处可见,不仅美化了生活环境,提高了生活的品味,更让我们从内心深处感受到一种“美”。不论是小到生活中的日常物品,还是大到建筑物上的装饰,我们都可以感受到装饰画已经逐渐渗透到我们生活的“骨髓”里。在运用装饰画时要结合环境的空间、人们的需求,只有这样才能发挥出装饰画特定的作用与意义,而不能根据创作者的主观意见随意来安排。因为在现代生活中,装饰画不仅仅是一种绘画,而是和特定的环境组成了一个有机整体。
一、装饰画在室内环境设计中的应用
装饰画在室内主要是运用在墙面,隔断,天花三大部分。装饰画与材料的组合及大小的分配随空间环境和用处的不同而不同,给人的视觉冲击和精神享受也不同。室内客厅墙面的装饰画主要应用于背景墙的设计中,因为它关系到室内整体的氛围,体现主人的品位与格调,因此装饰画要想达到理想的装饰效果,就要在色彩、内容与材质上和谐一致。例如,客厅内地板或墙面是木质肌理的话一般就要选择用蜡染棉麻材料的装饰画,从而使整个空间更加的古朴自然,充满亲合力,内容上可以是原始风格或民族风格的人与植物题材;若客厅是粗糙的砖地面建材肌理的空间就最好配上比较光滑的牛皮肌理的装饰画,这样装饰画会弱化粗糙的砖地面建材;若是大理石门窗等建材的肌理的房间,一般可选择喷砂玻璃的装饰画,这样室内的空间就不会显得很生硬;在墙面贴有壁纸的建材肌理空间内配置铜制的装饰画,这样整个空间就会显得更加的有古典味道。室内装饰画的材质、色彩、肌理与其他部分的建材是一种互为呼应、对比、调和的关系,这种关系能够让室内有一种肌理美的感觉。尽管有的装饰画的尺寸并不是很大,但是它是根据室内的空间大小以及主人的品味来设定的,会起到画龙点睛的作用,让整个空间格外的有内涵。当然,装饰画的色彩还要与室内环境相融合,比如,卧室的装饰画不论是在色彩还是在肌理方面,不论是抽象的还是具象的,它们一般都给人一种平和的感觉。要是在酒吧或是KTV,所用的装饰画一般都是采用抽象装饰画,因为这样更加能体现音乐的律动,色彩一般都是强烈的,这样在整个变换的灯光环境中使装饰画更加千变万化。在室内,隔断起到很重要的作用。隔断的用途就是将室内空间分割出来,一般在家庭里常见的隔断就是玄关了,大多数的玄关都是采用铝合金、实木、玻璃等材料,这就会让整个空间看起来很生硬,给人一种突兀的感觉。而装饰画就可解决这些问题,装饰画的色彩、肌理与空间相互渗透,可以让空间更加有流动的感觉,起到调节整体氛围的作用,并且增加了视觉上的趣味感,充分发挥了装饰画的作用。天花这一部分在国内的家庭生活中很少有人来进行装饰,但是这也并不意味着天花这个地方不能或者不好装饰,恰恰相反,只要恰到好处地装饰,它对整个空间的影响会远远超出地面。在国外,我们在一些教堂或者皇宫里,都不难发现天花的装饰画给整个空间带来某种神秘的感觉。在以前,天花的装饰画都是皇宫贵族以及宗教独有的特权,而今这种“特权”也慢慢“平民”化,逐渐地走进了我们的生活环境和一些公共建筑物里。现代天花装饰画也与以往不一样,它更加看重建筑物内部空间结构的走向,会根据某些特定的设施来做出错落有致、层次分明的变化,目的是将整个空间变得更加的有“内容”,能够衬托出顶部空间的气氛。在酒吧、电影院、宾馆、地铁或者是大型的音乐厅里,装饰画的材料不仅能够起到美化的作用,而且更多的是能够起到吸音的作用,使整个环境的档次提高了。在生活中,不论我们使用什么样的材料,什么样的工艺,我们的目的都是为了使装饰风格更好地显现出来,使我们的生活更加丰富。
二、装饰画在公共环境设计中的应用
装饰画除了运用到教堂之外,也可以运用到其他的公共空间。比如,我们日常的办公地方就随处可以看到装饰画的身影。但这里装饰画与家庭里的装饰画有所不同,家庭里的装饰画主要是体现个人的一种品位,公共空间的装饰画则要考虑到公众的想法,所以不论是在形式上还是内容上都会适合大众的“口味”,并且大多选择的是自然的题材和天然的材质。麦当劳的墙面装饰画大多是采用绿色的植物或者雨林风光,清澈的河水,自由自在的动物,让消费者不论是视觉上还是身心上都会有一种放松的感觉,似乎身在其中。芝加哥的一个广场用彩色玻璃以及一些碎石头就组合出一幅春夏秋冬四季美景的装饰壁画,并且还用了故事来展现出春夏秋冬四季的不同风景和人生在季节里的变化。这个装饰画的色彩、内容和材质通过美妙的组合,吸引着人们的眼球,给人带来了心灵的冲刷。在繁华的商业中心有这样的一幅艺术景观会扫除人们的视觉疲劳,同时也将整个空间变得“灵动”了。俄罗斯是一个崇尚艺术的国家,在地铁通道处我们就可以真切地感受到这个国家的艺术气息。满眼望去形态不一的装饰画充斥着我们的眼球,这些作品有细腻的,有具象写实的,有抽象写意的,有粗狂的,有细腻的。这些装饰画不论是在形式还是在色彩上都让地铁充满了活力,不再是大都市冷冰冰的一种交通工具,给人们提供了一个好的乘车环境,让我们在快节奏的步伐中也能有时间感受艺术的熏陶。在公共环境设计中运用装饰画最多的应该就是教堂了。在教堂里,两边的侧窗大多是采用彩色玻璃,当光线照进教堂时,整个空间会显得幽暗和神秘,为教堂增添一种敬畏感。在教堂里面的装饰画也会与其他地方的不同。这里的装饰画所选的题材一般都与宗教有关。例如,圣母、天使、圣子等,或者还选择一些能够表现出人民虔诚信仰之类的装饰画。这些装饰画能够更加让我们感受到教堂里的神圣感,使我们更加虔诚。所以,不难看出装饰画不仅“滋润”着我们的生活环境,还调节着我们的生活节奏。不论是在室内环境还是公共场所中,装饰画都是不可缺少的部分。近几年来,随着城市里的高楼林立,各大广场犹如雨后春笋般地快速建立,各式各样的别墅也层出不穷。因此,随着时代的不断进步,我们需要更多有创意的作品出现,但是不论是以何种形式出现都应该做到与环境相融合。装饰画与时代是相辅相成的,时代对装饰画提出新的要求,现代的装饰画也以不同的手段、不同的形式、不同材质的组合改变着我们的生活,为我们的生活增添更多的色彩。
装饰画在世界各地的应用很多,它不只是现代的,在几千年前就有很多画的出现,而那些画就是用来装饰室内的,到了现在装饰画的变化多种多样了。它的表现的方法法更是不一样,比较程式化,也强调了节奏,看重规律和动感。装饰画从生产到成品是一个规律在那,画与画之间和空间之间也有互相制约,这样才能碰撞出火花。中国有句老话:无规则不成方圆。正是这种互相约束才使装饰画在它的特色基础上飞奔前进发展,植根在我们的脑海中,逐渐形成民族特色的审美观念。
一、装饰画与空间功能和光线的具体体现
1、装饰画于室内空间功能的关系
室内空间的布置需要根据居住人的生活习惯进行设计,内部的装饰以其职责而进行分工,如装饰画在室内各空间的关系:卧室里的装饰画,采用平和的造型,颜色上以清单素雅或热情流动为宜,这样有助于在空间里人的睡眠和情感交流,例如一些公共空间如人多密集区的休闲娱乐场所我们采用v抽象的装饰画相配合,更可以凸显出现代节奏感与韵律。所以说在娱乐场所搭配装饰画的时候色彩要对比强烈,抽象的图案要选择变化感强的流行要素。装饰画的选择与空间功能相匹配的,这样可以更好的体现其功能价值。
2、装饰画于室内光线照明的关系
室内灯光与装饰画在视觉和空间中属于互补的关系,灯光对于装饰画从空间气氛上和光杆照射上都会产生不同的影响,如黑白两种光对于人的情感会起到积极和消极的作用,明亮度高的光打到装饰画上会显得画面色彩度更高,使人感到兴奋、喜悦,暗色的光打到装饰画上显得画面昏暗、低沉、使人感到沮丧、恐惧等不同的精神感觉,因其光线的明亮、冷暖、强弱、方向都有设计者决定。所以室内装饰画与光线有直接的关系。
3、装饰画对室内空间形态和室内色调的影响
一般情况下室内空间的装饰画布置要随着空间结构的大小来进行整体规划,空间环境宽阔的一般采用装饰的尺寸也要选择相对应大小的,如空间较小根据室内的形态需要进行不同的比例更改,装饰画的形态不一定是常规的要随着室内的空间变化而变化具体形态。当代建筑的复杂多样性使得室内空间不再千篇一律化,而是充满个性与张扬,装饰画在选择上要与室内空间环境相一致,充分发挥室内整体气氛的烘托,以装饰画为基点进行空间增强方式。室内空间一般为墙体、地面、顶棚,一般在绝对空间中我们把装饰画的摆放空间放置在墙体一侧或顶棚侧位置,画面与墙体在选色和艺术处理上要需要针对性。
二、装饰画与室内空间环境运用的原则
以三种不同的规律分别对卧室、客厅、餐厅、卫生间等几处重要的空间位置进行分析研究。
1、室内空间与装饰画色彩的统一规律
室内装饰中色彩的和谐与空间环境的组合统一具有一定的色彩关系。装饰画的色彩与环境色以何种方式进行搭配,并统一于整体的问题,这是色彩空间应用上需要重视的设计规律。室内空间里各种颜色相互制约相互统一,装饰画的色一般采用贴近整体的风格或以背景墙为i要配色标准。采用构成学里色彩空间混合方式,以色彩三要素的,明度、纯度、色相为依据,一般装饰画在卧室里采用低度对比和谐颜色,以较低的纯度柔和的色彩,以抽象画的或是风景画为佳,装饰画的色彩以配合整体卧室的气氛为主。餐厅里简洁的环境高雅的情调,如配上一张欧美墙壁装饰画使得餐厅里别有一番情调,装饰画的色彩上以简洁明快为主,重在装饰图形意境的形式上使得餐厅一角颇具性格的风格。客厅为室内的重点装饰空间,一般装饰画的颜色选择上以整体风格为点缀,增加客厅的文艺性表现为客厅的美学艺术观赏性。
2、装饰画在室内空间中色彩的感情规律
色彩里不同的颜色给人的视觉感受各不相同,装饰画作为室内装饰的重要表现形式,在于室内空间配合的时候,首先要考虑人的视觉感受及色彩情感。如卧室里装饰一张红色的壁画,会使得整个卧室有热情、爱情、激情等等浪漫主义情调,儿童卧室装饰色彩尽可能的选择纯度较高的浅蓝色、淡粉色、暖绿色的,而装饰画也是统一的色彩选择。老年人的卧室装饰画选择墨色较高古香古色的颜色以传统的装饰画为主。颜色上也是稳重深沉之色,更显老年人的成熟稳健,卫生间里挂上一张白色或蓝色的壁画,使得整个空间里都有简洁干净之意,其蓝色的清冷感觉也与空间功能相融合。
3、空间构图需要
装饰画在空间构图上以环境的空间形态为主,如“方圆结合”在圆润的室内空间里我们可以采用方形菱角的装饰画来打破空间的平衡杆,使空间组形成新的空间位置,因其不同的空间装饰画的位置也不尽相同,如在室内转角楼梯边我们装饰方形或圆形的壁画,组建一个空间错位视觉效果在半圆形转角处,需要挂至方形装饰画,通过方形带入人的错视觉死角。又如在房体框架为正方体或长方体时装饰画可以作为一种空间的延伸,合理应用装饰画的置制能达到视觉空间紧缩远至的心里感受,室内的装饰画因其空间构图的不同,同样可以改变室内空间的功能,力求与装饰与空间的和谐统一求变化,强化空间大小、方圆、比例、长短的综合运用。
三、结论
本文通过研究室内装饰画在现代室设计流行元素中是不可缺少的地位,其使用技术也是非常严格的,分析设计师们在选装饰画的时候要注意到装饰画与室内空间形态、色调、风格、肌理、功能以及主人的喜好,得到装饰画完美的体现了文化素养以及时代的发展。室内是人们生活最为重要的室内活动场所,当代室内艺术家对于装饰画在室内的应用和装饰越来越重要。并朝着多极化的方向发展。
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从整体来看,材料成型及控制工程专业涉及面较广,涵盖了冶金、机械以及控制等不同学科,具有很强的理论性,同时有着浓厚的工程应用色彩。下面是读文网小编为大家整理的材料成型论文,供大家参考。
一、设计性实验选题的“五个原则”
此外,设计性实验选题时,在把握综合性、创造性、应用性、自主性和灵活性这五个原则外,还要合理掌控学生专业知识结构、专业知识掌握程度及学生自主实验的可操作性等方面。
二、设计性实验选题的“四个方向”
材料成型与控制工程专业设计性实验选题在把握“五个原则”的前提下,通常可通过“四个方向”来进行选题设立,即验证性实验转化为设计性实验、科研项目转化为设计性实验、生产项目转化为设计性实验和学生兴趣转化为设计性实验。
(一)验证性实验转化为设计性实验
验证性实验是为促使学生掌握并加深对专业基本理论、知识的理解,而按照实验教材的要求,由学生进行实验操作,并从实验结果验证所学的理论知识。由于实验结果在理论授课时已经涉及,因此学生实验的兴趣不浓,热情不高。但不要因为这些就抹杀验证性实验验证理论知识,加深学生对基本理论知识理解的独特作用。完全可以通过合理安排,将一些验证性实验转换为设计性实验。这样就可以激发学生的实验兴趣,提高学生的实验学习主动性、自主性。例如,对长杆型坯料进行局部镦粗是模锻生产中经常采用的变形工序之一。因此,在《锻压工艺及模具设计》专业实验课中设立了“局部镦粗规则的验证”这项验证性实验。该实验通过对不同长度试件,使用局部镦粗模进行镦粗,验证局部镦粗规则的正确性,观察和分析由于局部镦粗长度与直径比值的影响而出现的正常和不正常现象。由于是验证性实验,学生兴趣不高,往往抱着看热闹的心态参加实验,不能达到良好的教学效果,但该实验涉及内容是比较典型且在生产中常用到的。怎样保留并将其转换为学生感兴趣的设计性实验呢?这就需要转换思路,可将该实验内容转换为首先要求学生根据给定尺寸的不同试件,进行局部镦粗积聚工步计算,并绘制镦粗模模具图。当然,由于实验经费及加工时间的限制,学生设计的镦粗模并不需要制作出来,因为给定尺寸的试件,其局部镦粗模主要模具尺寸及工步是唯一的,可以采用原有的局部镦粗模进行实验和鉴定学生设计结果的准确性,这些需要教师在实验过程中灵活掌握。这样,通过对原有实验内容转换为设计性实验,可使学生根据给定的实验目的,自行设计实验方案并予以实施,对实验结果进行分析论证,一方面有力地提升学生的实验热情,巩固所学理论知识,提高解决本专业有关加工工艺问题的能力;另一方面增加的镦粗模设计又锻炼了学生的工程制图能力。验证性实验转换为设计性实验,不但可以保留一些经过长期教学积淀总结的经典、原理性强的验证性实验内容,而且节约实验经费,还能提高学生的实验热情,达到良好的实验教学效果,有着“一举三得”的益处。当然,并不是所有验证性实验都能转换为设计性实验,对于这类实验项目,如果确实是经典、原理性强的验证实验项目,只要集思广益,通过合理安排,完全可以将验证性实验穿插在设计性实验项目中,以增加学生的学习主动性。这些都需要在设计性实验选题中拓宽思路,灵活安排。
(二)科研项目转化为设计性实验
科研项目转化为设计性实验,就是将专业教师的科研课题或科研成果转化为设计性实验。随着科学技术的快速发展,新材料、新技术和新知识不断出现,而且高校材料成型与控制工程的教师学历较高,多为博士毕业,且积累了具有一定水平的科研成果。把科研课题或科研成果涉及的新技术和新知识转化为设计性实验,是培养学生创新意识、创新精神和创新能力的最佳途径。根据调查,学生大多数对专业课老师所从事的科研项目及内容具有极大的兴趣和关注,此举能够有力地提高学生实验学习的积极性和兴趣,利于实现加强学生专业素质与实践应用能力培养的教学目的。例如,教师科研项目涉及到的过共晶Al-Mg2Si合金在航空航天、军工、汽车等领域中应用前景广阔,已成为国内外十分重视研究开发的先进复合材料,但铸态过共晶Al-Mg2Si合金的力学性能较差。因此,可将该科研项目涉及内容转化为“原位自生Al-Mg2Si复合材料力学性能的改善”设计性实验,要求学生针对铸态原位自生过共晶Al-Mg2Si复合材料力学性能差的特点,设计并实施改善力学性能的方法,并撰写分析报告。该设计性实验所涉及的Al-Mg2Si在专业课中虽未能涉及,但铝硅合金熔炼等相关知识在理论课和实验课上已涉及并掌握,因此学生进行该项实验有一定的理论和实践基础。学生首先要查找相关资料,理解并掌握“原位自生过共晶Al-Mg2Si复合材料”的相关知识,在保证合金成分为过共晶Mg2Si的条件下,自主选择、计算合金成分配比。然后根据计算结果进行配料、熔炼、除气,并根据前期选择的不同方法对合金熔液或浇注试件进行处理,最后进行拉伸测试及金相观察,检验设计方案的正确性,并对结果进行理论分析。该设计性实验虽然由科研课题转化,但涉及材料成型与控制工程专业知识中应掌握的合金设计、合金配料、合金熔炼、合金处理及热处理工艺等,较好地将专业知识系统、综合地链接在一起,使学生能够接受系统的工程实训,不仅能够培养学生的创新能力,而且加深其对所学专业的认识和提高解决所学专业涉及工艺问题的能力,树立正确的思维方法及严谨的科学态度和工作方法等。科研项目转化为设计性实验时,不可盲目地将科研内容或部分内容一成不变地照搬过来,必须要考虑学生的所学专业知识和专业能力,如果研究内容过于狭窄、难度较大或实验内容过于生僻,不仅达不到提高学生实验兴趣和教学效果的目的,反而会使学生产生抵触情绪,这就从根本上违背了开展设计性实验的初衷。因此,采用科研项目转化为设计性实验时,一定要密切结合学生专业知识、实验能力等方面,保证学生能够以饱满的热情投入到设计性实验的工作中。
(三)生产项目转化为设计性实验
材料成型与控制工程是实践性较强的专业,因此在设计性实验选题时要力求接近、结合实际生产项目,将其合理转化为设计性实验内容。通过这种设计性实验的训练,能够有针对性地促使学生在解决实际生产问题时应用、加强、拓展所学的专业理论知识。这种实际生产项目转化的设计性实验,不但能培养学生的工程设计意识和实践能力,而且能显著提高学生的专业综合能力。例如,以W18Cr4V为代表的高速钢广泛应用于实际生产中的切削工具和冷变形模具中,其内部的合金元素与碳形成复杂的碳化物,分布在基体金属上,降低了材料的机械性能。而锻造是实际生产中改变高速钢中碳化物分布状态的重要方法。因此,可将该生产项目转化为设计性实验“改善高速钢铸件中碳化物分布的锻造工艺设计与实施”。该实验内容包括铸造和锻造两大部分,铸造部分要求学生自主选择、设计高速钢铸件成分,并根据设计成分采用中频炉进行熔炼、浇注小型铸件,然后对铸件进行碳化物偏析分析,根据偏析分析结果,合理设计锻造工艺并利用自由锻机实施,最后再进行偏析检测,以检验设计的锻造方案是否正确。这个设计性实验有机地将铸造和锻压两个专业方向结合,符合实际生产流程,使学生能够系统地学习、实践和掌握企业所需要的知识,有利于应用型人才的培养。
(四)学生兴趣转化为设计性实验
学生的兴趣是实验教学达到预期目标和效果的动力,因此,如将学生普遍感兴趣的问题转化为设计性实验,就能激发学生对设计性实验的关注和探索,从而促使学生在实验中运用已学的知识、技术去自主发现、探索和总结规律,达到培养学生熟练运用所学专业知识,提高专业素质、创新意识和实践能力的目的。例如,精密铸造是用精密造型方法获得精确铸件的工艺,是铸造行业在高新领域的代表,很多铸造企业对精密铸造工艺的应用需求很大。如果开设精密铸造相关的设计性实验,要求学生采用精密铸造法制备小型零件,学生并不是普遍感兴趣,达不到预期的教学效果。怎样才能使学生都感兴趣呢?这里可以将精密铸造制备小型零件变为艺术铸造,因为艺术铸造采用的熔模铸造、陶瓷型铸造、消失模铸造等的工艺与工厂生产的精密铸造零件工艺及原理是相通的,而要求学生采用精密铸造技术设计并制作小型铸造工艺品,会极大地调动学生的兴趣和参与实验的热情,学生会在实验过程中潜移默化地掌握、提高精密铸造相关知识及工艺。
三、结语
随着教学改革的深入,材料成型与控制工程专业的设计性实验越来越受到重视。实际教学中,我们本着“五个原则,四个方向”来制定设计性实验项目的选题,同时力求使实验内容、实验形式不断更新、完善,充分调动了学生的实验学习积极性,为培养学生科技、工程能力的应用与创新创造良好的前提条件,取得了良好的教学效果。在以“五个原则,四个方向”制定的设计性实验项目中,学生能够真正地综合运用多门学科的知识、方法和技能来设计实验方案,并在实验过程中运用所掌握的知识去发现、分析和解决问题,提高了专业技术水平,积累了在企事业单位和生产一线解决实际问题的知识、素质和能力。
1.加工材料技术成型的前景
市场竞争越来越剧烈当下,过时的理论成果正在一次又一次地经受着实践的冲击和实际情景的考验,对精益求精材料加工技术孜孜不倦的追求一直是各大生产供应者的目标,在社会和时代快速发展的同时,此类技术也正不断地在改进中成长成熟,现如今,不管是国内还是国外,在材料加工方面都被精确材料加工所取代,而广泛的应用范围内,诸如汽车制造业这种全球热门的经济产业,也离不开这种技术,甚至于说是渗透到细致入微的细节处,可以说使用到无处不在。经济高速发展的全球化经济模式广泛覆盖下,伴随的是市场竞争的与日俱增,世界各地的材料供应商正在绞尽脑汁地跟上同行业者脚步,并将产品研发视为企业安身立命之本,人们绞尽脑汁地寻求着一种更为高效完善的材料加工技术,纷纷聚焦在具有自由成型快速特点的加工技术上。是否能跟上时代的发展速度是检验企业韧性的最好标尺,实验性的理论成果如果不在实际操作中应用实践的话,无异于是纸上谈兵,因此,科研人员更注重在生产制作过程中拉近与真实环境的距离,基于现实意义的研究才能有效地启发促进企业技术的更新换代。
2.非金属材料的初步制作和控制工程模具再次加工工艺
(1)制作非金属的材料和控制技术并不是一蹴而就的
究其分门别类就有好几种,有一种是由其注射成型的,专用的注射机器升温加热,使里面预留的基础坯料发生形态变化,致使其成为液态,然后以一种具有高压性的材料做辅助,助力融化后的坯料注入模具塑形的整体型腔之内,等待片刻,直到其发凉后冷却,就可以由此得到需求的相关元器件。这样一种看似倒来倒去的技术方法,实则在产量高效率的同时,还有快速生产的突出特点,尤其适用于低人力消耗的自动化操作,可以生产制作结构内部复杂的零部件,对于大型厂房内的流水线生产再合适不过了。
(2)还有一种方法是通过物理方式的挤出成型
旋塞和螺杆在此起到了至关重要的作用,旋塞的挤压效用以及螺杆的切割效用,它们一起作用在形态固定的坯料上,并对其经行融化和再次融合的过程,施加相应压力穿过模具,等待其冷却凝固以后,就能够获取所需元件,这种方式可以简称为挤出成型,而它与众不同的是可以连续不断地提供生产动力,生产的效率也高于普通技术,更为难得的一点在于在“量”的满足上还可以保证“质”,可以说是一种保质保量的方法,其使用的覆盖面也不单一,对设备器材没有太多严苛的限制,如果企业从事相关产业,这种技艺是一种投资相对较少,而成效立竿见影的选择,“性价比”不俗。
(3)还有一种不同于以上两种技术的方式
是把需要的材料放置在密封关闭的模型器具环境里,在压强的增加过程中,再辅以固体化的技术,遂材料完整成型。这种方法可以一个工作流程下完成制作若干数量的元器件,生产出来的成品形态较为固定,有效地克服了收缩性这个元件顽疾,还攻克了以往元器件变形的通病,性能较为优良,即使有如此不可取代的优势,缺陷也十分明显,生产制作的相对周期较之同类型技术而言,周期拉长了许多,生产的效率自然而言地有所降低。
3.结语
在时代发展日新月异的今天,科学技术正不断发展,科学生产力在人类社会竞争激烈的背景下,成为一个不得不让人重视的因素。科学技术在生活中体现得淋漓尽致,促使社会稳步向前,人们生活水平提高,选择广泛的同时带来市场竞争加剧,高度重视科学技术的研发是企业适应社会发展的不二法门。材料成形技术在度过一个蜕变的过程,如何有效地提升生产效率,改良升级加工工艺不仅是企业发展的动力,更是社会前进的需要。
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土木工程材料是土木工程各专业的一门专业基础课和必修课,实践性强,与实际工程密切相关。土木工程材料课也是学习其他专业课的基础。下面是读文网小编为大家整理的土木工程材料毕业论文,供大家参考。
摘要:土木工程材料是土木工程专业的基础必修课。在其有限的教学课时内实现对大学生创新思维的培养是该课程教学改革的关键突破口。在理论教学中引入网络数据资源,将学术前沿、双语教学及创新引导集为一体,在此基础上,建立配套的实验教学设计方法及大学生创新实验基地,可以实现土木工程材料课程理论创新与实践创新的统一。
关键词:高校;土木工程材料;创新人才“土木工程材料”
作为土木工程专业的一门重要专业基础课,不仅与混凝土结构设计原理、高等建筑结构等专业课紧密相连,更与学生未来的工作或深造密不可分。该课程的主要教学任务是培养学生合理选择和正确使用土木工程材料的能力,使学生掌握常用土木工程材料的检测手段、实验原理、验收中的规定,了解材料在储运中应注意的问题以及防护的原则,了解材料的发展趋势。土木工程材料的课程特点是知识面广、内容庞杂、学科交叉大、逻辑性差、理论性强、实践性也强[1],一味地采用“填鸭式”教学,会让学生感到枯燥、乏味,验证性试验的开设更让学生收获甚少。根据国家《“十二五”科学和技术发展规划》[2],创新型人才是我国未来发展的关键,创新能力的培养是在平时的教育和学习中一点一滴积累而成,高校各专业各课程的创新能力培养是创新人才培养的基础,在课程教学中为本科生参加科研活动创造条件,突出培养各级在校学生的科学精神、创造性思维和创新能力,更是创新人才培养的关键环节。土木工程材料的课程教学包括理论教学、实验教学及实践教学三部分,理论教学仅32学时,实验教学仅8学时,实践教学为课外完成部分,已有的教学内容安排颇为紧张,在此基础上,增加额外的学习内容,只会让课程更加冗长,影响学生的学习兴趣。基于此,在内蒙古科技大学校级教改项目的支持下,笔者就如何在有限的教学课时下最大限度地引导学生创新思路的培养进行了探索。
一、土木工程材料理论教学的创新切入点
(一)数据库资源与理论教学的结合
了解学科发展前沿是创新能力培养的基础。在网络信息化社会,可利用资源丰富,但思维活跃的大学生却无法最大限度地利用网络资源。将图书馆的数据库资源、谷歌或百度的学术数据库资源与理论教学相结合,不但可提高学生的学习兴趣,引导其创新思维,更可为其深造打下基础。例如,混凝土的耐久性章节,混凝土的耐久性包括哪些内容;如何评价混凝土的耐久性;实际工程中如何提高混凝土的耐久性。可通过以下方式化解知识的乏味。第一,进入中国知网搜索首页,输入关键词“混凝土耐久性”时,搜索结果中《混凝土材料耐久性指标研究》和《混凝土耐久性的研究、应用和发展趋势》正是对课堂内容的补充和扩展,《吉林省西部地区盐渍土环境下混凝土耐久性研究》《减水剂对混凝土耐久性影响的研究进展》等论文在课堂上不用打开详细浏览,只需使学生了解题目,并进行引导,例如基于《吉林省西部地区盐渍土环境下混凝土耐久性研究》,提出内蒙古冬季冻害环境下混凝土的耐久性研究问题,让学生作为课堂作业完成;或者基于《减水剂对混凝土耐久性影响的研究进展》,引导学生思考已学的几种减水剂对混凝土耐久性的影响;或者在学生掌握基本知识的基础上,根据学生感兴趣的问题引导其参加大学生创新实践活动。第二,为打开学生的学习思维,可用互联网网页辅助学习。如百度学术、谷歌学术等。学生可根据被引量的高低明确当前的研究热点,并可根据相关搜索词扩展混凝土耐久性的相关知识点,并与课堂内容紧密相连,如钢筋锈蚀,混凝土碳化、渗透性等都是混凝土耐久性的研究内容。
(二)学术前沿与理论教学的结合
在不增加现有教学课时的基础上,将学术前沿与基础知识教学融会贯通,是提高学生学习兴趣,培养学生创新意识的有效途径。当代大学生课外知识面广,好奇心强,将课堂中提到的学术前沿与课外创造相连,更能培养其研究与创新能力。例如在功能性及绿色智能化土木工程材料章节,除传统的防水、保温隔热、吸声隔声及绿色建材外,可引入目前研究较热但未进入教材内的自修复混凝土、导电混凝土、融雪化冰混凝土等。混凝土作为使用量最大的承重结构材料,加入自修复粘结剂,可使其对损伤破坏产生自修复和再生的功能,具备机敏特性,成为智能混凝土;加入导电纤维或填料,使其具备压敏或拉敏特性,可作为功能元件,用于结构健康监测或交通探测;对该种混凝土通电后,使其具备电热特性,用于融雪化冰,可解决因撒布除冰盐导致的混凝土耐久性降低的问题,还可解决机场跑道的安全问题。这些新颖的学术前沿知识不会增加教学课时,但却能将混凝土的各项性能,如物理性能、力学性能、耐久性等紧密结合在一起,有助于学生掌握基础知识的同时,拓宽其视野。当然,此部分知识点的讲授更不适合于灌溉式教学,除采用前述中提到的中国知网数据库资源或者百度学术资源引导学生探索外,还可采用课间播放视频的方式进行,如TED演讲视频———一种自我修复的沥青,及融雪化冰混凝土试验视频等。
(三)双语教学与理论创新的结合
为使学生接触到最新的科学知识,双语教学已成为大学专业课程教学改革的趋势。但限于土木工程材料的教学课时,只能在课件中标示出专业词汇,此时,将专业词汇与百度或谷歌学术检索相结合成为启发学生创新意识的重要突破点。可将相关知识搜索结果中的一篇文章作为学生的课堂作业,让其进行翻译并思考。
二、土木工程材料实验教学的创新切入点
土木工程材料实验教学在该课程中占有举足轻重的地位,更是培养学生创新创造能力的源泉。将理论教学与实验教学合并,加强实验教学的综合性和开放性的同时[3-4],更应探索创新性实验设计方法及大学生创新实验基地的建立。
(一)探索实验设计方法
在要求学生掌握基本实验技能的同时,综合利用已有知识,创造性地进行实验是该课程实验教学改革的目的,使已经开设的验证性实验项目逐步向综合性和设计性实验项目转变。目前,内蒙古科技大学土木工程材料课程实验环节的规划已根据创新性思路进行调整,主要内容如下。第一,水泥基本性能实验。在确保学生准确掌握水泥胶砂强度、标准稠度用水量、凝结时间、体积安定性基本概念与规范操作的基础上,征集学生在试验过程中有疑义的问题如搅拌速度、养护温湿度、水泥水化进程等,让学生在完成试验报告的过程中查阅相关资料解答其中感兴趣的问题。第二,增设特种水泥的实验。此部分为开放性实验,不占用实验学时。如油井水泥,对比分析并讨论实验效果的不同,进而引导有想法的学生探讨油井水泥应用中存在的问题及其解决措施。第三,在砂石实验部分,增加标准砂细度模数的测定,并增加不同细度模数砂的设计试验。如连续级配、间断级配及单粒级设计,并将其用于配制同等级别的混凝土,对比性能指标的变化,引导学生分析现象。第四,在混凝土配合比设计部分,除普通混凝土外,鼓励学生利用实验室现有条件尝试制备特种混凝土,如泡沫混凝土、智能混凝土等。第五,在混凝土强度实验部分,不同组的学生可制作不同尺寸的试件,或同尺寸不同配合比的试件,进行对比研究。第六,加设开放试验环节。鼓励学生实践新思路、新想法。并为可行性较强的实验思路落实条件。为保证实验改革部分达到预期效果,能够真正促进学生创新思维的开发,将此部分放入作业考核环节,以作业成绩计入最终综合测评成绩。
(二)建设大学生创新实验基地
创新型人才是指能够利用所学知识解决实际工程问题,并对现场新的工程情况的解决做出有突破性、创造性贡献的人才。有目的地对其进行训练与锻炼,是大学生成长为创新型人才的必经之路。全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛、全国混凝土设计大赛等赛事的举行为学生的创新提供了练武之地,与此同时,学校还设立了大学生科技创新基金等鼓励大学生的创新。基于此,土木工程材料课程可完成由理论引导到实践参与的创新人才培养一体化设计,并已经初见成效。在不影响土木工程材料现有教学大纲的基础上,充分发挥理论教学及实验教学在创新型人才培养中的作用,是土木工程材料课程改革的要点。数据库资源的利用,可在激发学生学习兴趣的基础上,使其掌握基本的知识检索方式,更可拓宽其知识范围;开放式地引入学术前沿,可在激发大学生创造能力的同时,为其深造打下良好的基础;双语教学的引入可将大学生创新平台与世界同行发展接轨;在理论引导的同时,探索创新型实验设计方法及大学生创新实验基地的建立显得尤为重要。
参考文献:
[1]周淑春,吕恒林,吴元周.土木工程材料课程教学中学生创新能力的培养[J].安徽工业大学学报:社会科学版,2013,(1).
[2]魏太兵,陈坚.土木工程材料课程建设创新与实践[J].长春教育学院学报,2013,(8).
[3]徐松芝,刘嘉诚,林晓兰等.土木工程材料课程教学改革与实践[J].扬州大学学报:高教研究版,2014,(S1).
[4]董素芬.工程造价专业土木工程材料课程教学改革分析[J].黑龙江教育:高教研究与评估,2012,(9)
土木工程材料课程是土建类专业的一门重要的专业基础课,其教学内容包括课堂教学和实验教学。无论是课堂还是实验教学,混凝土内容的教学都是重点。因为混凝土材料是现代土木工程最重要的材料,混凝土的组成材料和其配合比的优劣直接影响土木工程结构的质量,甚至危及人民生命安全,混凝土配合比是通过实验得以实现。因此混凝土实验教学受到了高校普遍重视。随着近年来混凝土技术的发展,节能环保、高强、高性能混凝土应用越来越广泛,满足使用环境和施工要求的新型混凝土研究、实验,得到各国学者和工程技术人员的积极响应。我校第一、二期本科教育优质工程和山东省应用型人才培养特色名校建设工程实施以来,应用型本科教学理念在不断创新,学校对实验教学改革的投入也日益加大,传统的实验教学模式已越来越不能适应知识、能力、素质并重的新型工程技术人才的培养要求。为此结合工程实际背景,整合有效实验数据,对混凝土实验进行了一系列改革和实践。
一传统的混凝土实验教学分析
我校“土木工程材料”实验是14学时,对土木工程、工程管理、交通工程等专业开设,内容包括水泥、砂、石、混凝土、砂浆、沥青、沥青混合料、钢筋等。改革前的实验教学以演示性和验证性为主,即验证理论的正确性或达到理论再现性的目的。具体由教师给定统一参数和数据,学生理解实验原理、依据给定的条件进行实验操作、得出实验结果,撰写实验报告,基本上属于继承和接受前人的知识、技能。混凝土的实验内容包括:混凝土拌合物和易性实验、混凝土试块制作和混凝土抗压强度实验。实验方法是教师给定某一强度等级的混凝土初步配合比,学生按照一定量换算出各种材料的质量,分组进行混凝土拌合物制备和性能测定,后进行标准试块的制作、标准养护,最后测定28天的抗压强度。混凝土以上实验方式,导致每个小组(一般6~8人一组)的试验过程以及试验结果,甚至得出的各个环节的试验数据几乎都是一样的。实验评价主要以学生上交的实验报告为主,辅助评价学生出勤情况。可见混凝土实验用相同实验数据、相同标准、单一的评价方式来要求每一位学生,且没有以实际工程为背景进行实验教学,没有有效利用水泥、砂、石等实验数据,致使学生处于被动和消极的应付状态,不利于学生思维的扩展,不利于学生对所学知识的整合和利用,很难激发学生的学习兴趣和创新欲望,也不能提高学生分析和解决实际问题的能力。
二混凝土实验的改革设计
针对以上混凝土实验存在的问题,在借鉴兄弟院校的经验和充分了解学生兴趣,以及混凝土发展状况的基础上,提出“基于项目的混凝土综合设计实验”教学模式。并从实验内容、组织方式、成绩评价等进行了一系列的改革。混凝土的实验“基于项目”是混凝土方面实验教学以实际土木工程中的混凝土结构构件为例子,可以是梁、板、柱、基础等,设计的强度、和易性、耐久性均以现场施工图为依据,水泥、砂、石等完全在现场工地提取,让学生在实验室完成水泥、砂、石等实验数据的测定,依此数据完成混凝土配合比的设计,再进行混凝土一系列的实验。让学生通过项目熟悉混凝土配合比设计、混凝土拌合物性能和混凝土强度实验的全过程,使学生清楚工程背景和自己的工作职责。“综合设计”就是混凝土配合比实验改验证性为综合设计性实验。综合设计性实验,目的是培养学生综合运用知识和工程观念,让学生根据老师提出的要求,模拟实际工程,完成查找资料、独立设计、实验、设计编写实验报告的全过程。综合设计性实验的核心是设计、选择实验方案,并在实验中检验方案的正确性与合理性。对于培养学生理论联系实际、分析问题和解决问题的能力及创新精神和创新能力具有重要作用,是培养土建类工程应用型人才不可缺少的环节。总之,“基于项目的混凝土综合设计实验”教学模式就是以实际工程中的混凝土梁、板、柱、基础等结构为例子,按照设计图纸中对混凝土强度、和易性、耐久性等要求,将水泥、砂、石实验整合进行混凝土配合比设计和相关实验。实验中严格按实际工作的程序进行教学,试块抗压强度进行两个对比:混凝土自然养护和混凝土标准养护相互比较,混凝土7天、28天的抗压强度相互比较。学生从对比中分析混凝土强度的影响因素,从而加深对理论知识的理解和掌握,同时可以保证知识的连续性和工作的真实性。另外,混凝土实验教学应遵循因材施教的原则,在设立了必做实验项目(即以上实验)以外,还增加了选做和研究性实验项目。选做实验项目主要有水泥路面混凝土(交通工程专业学生必选,其他专业学生选做)、轻集料混凝土、粉煤灰混凝土和泵送混凝土等配合比设计等;研究性实验项目主要是学有余力的学生参与教师的科研项目。这样可以满足不同层次学生的学习需求。选做和研究性实验不占计划学时,学生利用业余时间、根据自己的兴趣爱好选择。
三混凝土实验的实施
混凝土综合设计性实验作为教学改革的一部分,为完成好应从以下几方面建设和实施。
1实验条件的准备
为了体现学生人人参与、个个动手的组织理念,将改革前的5~6人一组,改为2~3人一组,实验仪器设备、各种实验所需材料应满足分组要求。为此实验室根据学生的分组情况补足所用的各种仪器设备,增加实验用房,从硬件上满足综合设计性实验的要求。
2组织与实施
时间安排。将改革前的分散实验,改为最大限度的集中时间进行,尤其是砂石和混凝土实验尽可能集中进行,以便于实验数据的有效利用。依次递进完成各实验的学时分配为:水泥性能实验(2学时)、砂、石实验(2学时)、混凝土设计性实验(4学时)。实验组织:每个班分为4个大组,12个小组,每个小组2~3人,每个班分2批次以小组为单位进行实验。4个大组分别以实际工程中的柱、梁、板、基础为背景资料和实验条件,每一大组中的3个小组,分别制作四组试块,分别测定自然养护和标准养护下的7天、28天的抗压强度。第一次实验完成水泥、砂,石等原材料性能实验后,要求每组学生在课余时间自行查阅文献和新的标准规范,结合各组成材料的检测数据,自行设计混凝土配合比,由指导教师审核后再进行混凝土拌合料的实验,完成混凝土抗压强度实验后,要求同一大组(3各小组)的实验结果进行对比、讨论、分析,并在实验报告中充分体现。
3实验评价改革
改革之前实验成绩主要根据学生上交的实验报告评定,很难客观公正的评出学生的真实水平。改革后,加大了实验成绩占课程总成绩的比例,从10%增加到30%。成绩评定原则是以知识运用的“合理性”为主,即学生应能拿出理由说明其设计的合理性,并有适当的分析与思辨。混凝土实验成绩综合了混凝土配合比设计资料(包括水泥、砂石实验数据的真实性,实验记录等)、过程评价(包括出勤率、实验研究操作和动手能力、解决问题的能力等)、实验报告(对结果的对比分析、报告质量等)、小组互评和团队协同能力等进行评价。
四混凝土实验的改革效果
通过混凝土实验的改革为真实工程条件下的综合设计性实验以来,经过2届学生的实践发现,学生的学习主动性和实验教学效果明显提高,主要表现在以下几方面。
1学生主动获取和综合运用知识的能力进一步加强
以往学生做完水泥、砂石实验就认为实验结束,基本不会对实验过程或结果进行思考。现在,每组学生为了合理设计混凝土配合比,首先清楚应从组成混凝土的原材料实验中获取哪些实验数据和参数,其次这些数据和参数对混凝土配合比设计要求有何影响,进一步思考在满足混凝土施工要求、强度和耐久性的前提下,采取什么方法能够节约水泥和降低混凝土的成本等问题,能主动思考,把前后实验有机地结合起来,综合运用知识的能力、分析问题和解决问题的能力得到了锻炼和提高。
2培养了学生动手能力和团队协作能力
改革后,减少实验小组每组人数,在规定的时间内完成实验,要求小组成员应分工明确,相互协作,保证每个学生都能动手操作,尽量让每个学生都得到实验技能的训练。若实验结果达不到有关标准,要求学生认真分析原因,不得对试验数据进行修改,培养实事求是、严谨认真的科学工作态度与作风。
3激发了学生创新实践和参与教师科研兴趣
学生在实验设计方面的能力得到提升,对参加课外创新实践课题和参与教师科研的兴趣显著提高。土木工程材料是在大二下学期开设,据几年来的统计大二是大学生申报创新实践项目和申报成功率最多的年级,在申报的课题中材料类申报成功比例近25%。另外,有部分学生从大二开始参与了教师的科研项目,使科研能力进一步提升。总之,通过几年的教学实践,混凝土实验改革取得了良好的效果,不仅使学生加深了对知识的掌握,而且锻炼了学生的综合素质,提高了其学习的主动性和对专业的兴趣。同时,我们也认识到,近年来随着绿色环保、高性能、高强度混凝土的研制、开发和应用,混凝土设计性实验,也应进一步扩展。尤其是应把混凝土中外添加加剂和矿物掺合料的混凝土设计性实验作为主要实验内容,为学生走向工作岗位打下坚实的基础。
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