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[關鍵詞]熱電池；正極材料；合成方法；發展趨勢

中圖分類號：TM915 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）29-0066-01

一、熱電池正極材料必須具備的性能特征

熱電池主要由基片、正極、負極、電解質、加熱系統及保溫材料組成，其中熱電池的電極材料對熱電池的電化學性能影響最為關鍵。作為熱電池的正極材料，需具備以下一些特點： 能夠提供一個固定的放電平臺；較高的熱穩定性： 減少熱分解和由分解產物引起的相關的化學反應，這些分解產物可以產生額外的自放電；電子導電性：以減少陰極的電阻；在熔鹽電解質中陰極材料的溶解性低， 以減少自放電反應以及隨之產生的能量損耗；非嵌入式（多相）放電；環境友好（綠色）。原則上講，具有氧化性的物質，如硫酸鹽、氧化物、硫化物、鉻酸鹽、磷酸鹽等均可作為熱電池的正極材料，但所使用的正極材料要具有很好的性能，滿足各種不同的設計要求，真正有價值的很少。

二、熱電池的正極材料

1、氧化物正極材料

過渡族金屬的氧化物正極材料主要有V2O5、MnO2 等，作為以鈣、鎂、鋰合金為陰極的熱電池正極活性物質。它具有較高的放電電壓，但熱穩定性較差，且高溫時易脫氧，化學穩定性差，易于與鹵化物電解質發生反應，電子的導電性差，容量較小。過渡族氧化物一些單一的高價氧化物具有較高的峰值電壓，但工作壽命和比能量明顯降低，主要是因為放電電壓

下降過快。近年來鋰化V2O5 正極的研究越來越深入，研究發現鋰化的氧化釩正極材料具有更高的電壓和更好的熱穩定性，但由于鋰化的氧化釩正極材料的庫侖比容量比較低，影響熱電池的后期放電電壓。以鋰化氧化釩為主，添加一定比例的二硫化鐵制成復合的正極材料，其綜合性能優于鋰化的氧化釩和二硫化鐵兩種單一正極材料，將其應用于長壽命的熱電池中，取得了很好的效果。

2、FeS2正極材料

目前，熱電池正極材料的研究主要集中在過渡金屬的二硫化物上，并已成功應用。但是，二硫化物正極材料仍然有它的缺點。它的單體電壓偏低，空載電壓只有2 V 左右，不利于進一步提高電池比能量；正極活性物質在高溫時易分解， 導致電池不能長時間放電，比能量受限；放電初期有脈沖電壓峰存在，影響電池的電壓精度。因此，人們一直沒有間斷過對

新型熱電池正極材料的探索。FeS2是鋰系熱電池中最常用的正極材料， 它的主要特點是資源豐富， 可以直接從黃鐵礦中加工得到，價格便宜，電性能穩定。FeS2正極材料常應用于

短壽命熱電池。相對于長壽命熱電池而言，由于二硫化鐵熱穩定性較差，在熱電池的工作溫度下（500℃左右），發生嚴重的熱分解反應，造成電容量損失，所以FeS2正極材料的熱穩定性有待于提高。

2、CoS2正極材料

CoS2是針對FeS2的弱點而制備的一種新型正極材料，包含了先進正極體系所要求的很多優點，即：優良的熱穩定性（在接近650℃時，CoS2仍然保持熱穩定性，這個溫度比FeS2高大約100℃）、優良的化學穩定性（CoS2材料既不像FeS2材料在電解質中明顯溶解，也不像FeS2向負極明顯擴散；與FeS2相比較，CoS2正極所導致的自放電和熱損失可忽略不計）和近似于金屬的電導率（保證了電池的阻抗最小）。

3、氯化物正極材料

金屬氯化物（如NiCl2、FeCl3 等）是可替代二硫化鐵較為理想的正極材料之一，具有較高的開路電壓，理論容量高，放電電流密度大，電極電位較正。以它作為熱電池的正極材料，已研制出容量大，功率大，壽命長的實用熱電池，展現出了十分良好的前景。以NiCl2為例，它的穩定性好，具有優良的電化學性能，在熔鹽中的電極電位很正，700℃時，在氯化物熔鹽電解質中的電極電位為2.36V。[1]但氯化物穩態放電電壓較低，激活時間較長，電阻較高，技術仍不成熟，要同時輸出大功率密度和能量密度仍然存在困難。

4、鉻酸鹽正極材料

鉻酸鹽也應用于鈣系熱電池中。以鉻酸鈣為例，CaCrO4 為黃色晶體，屬四方晶系，在800℃以上發生分解。通常CaCrO4 與LiCl- KCl 電解質混合成正極活性物質，CaCrO4 在LiCl- KCl 熔鹽電解質中呈現出很強的氧化性，其在熱電池中的電化學反應式為：

2CaCrO4+6e=Cr2O3+2CaO+3O2-

生成的不溶性還原產物對所有的水溶液都有很強的抗腐蝕性，還能抵抗電化學的再氧化對電池性能造成不良的影響。

三、常用的合成方法

熱電池正極材料的電化學性能嚴格地受原料及制備技術的影響，為了獲得性能更優異的正極材料，人們不斷探索合成正極材料的技術。目前，正極材料的制備方法很多，通常采用固相合成法、水熱法、溶劑熱法等。

1、 固相合成法

固相合成是將固體原料按一定比例混合均勻，各原料之間處于充分接觸的狀態，在設定的溫度下，焙燒一定時間，冷卻至室溫，粉碎篩分制得陶瓷粉體的一種制備方法。根據焙燒的溫度不同，把焙燒在400℃以上者稱為高溫固相法，低于400℃焙燒者稱為低溫固相法。[2]固相法合成熱電池正極材料主要有兩個過程：配料和焙燒。以硫化物為例，基本步驟如下：將高純粉體研磨并充分混合均勻，可以增大反應物之間的接觸面積，使原子或離子的擴散運輸比較容易進行，以增大反應速度。然后將粉末放入高溫容器內進行焙燒，培燒過程的主要作用是使原料各組份間發生化學反應，形成具有一定晶格結構的基質，并且激活進入基質，焙燒的條件直接影響正極材料的電化學性能。

2、水熱法

水熱法是通過原料化合物與水在高壓釜內一定溫度和壓力下進行的反應，并合成化合物的一種粉體制備方法。它屬于濕化學方法的一種。近幾年來，水熱法在合成熱電池正極材料中取得了很大的進展。采用水熱法制備熱電池正極材料是在特制的密閉反應容器（高壓反應釜）中進行，采用水溶液作為反應介質，水作為傳遞壓力的媒介，同時在高壓下，絕大多數的反應物均能部分溶解于水，促進了反應在液相或氣相中進行。

3、溶劑熱法

將反應物按一定比例放入密封的壓力容器（高壓反應釜）中，以有機溶劑作為介質，在高溫高壓的條件下進行的化學反應制得粉體的一種方法。這種方法在合成熱電池正極材料應用非常廣泛，溶劑處在高于其臨界點的溫度和壓力下，可以溶解絕大多數物質，從而使常規條件下不能發生的反應可以進行，或加速進行。在合成正極材料時選擇溶劑需要非常注意，溶劑在反應過程中控制晶體的生長，使用不同的溶劑可以得到不同形貌的產品，因此電化學性能也不同。

三、熱電池正極材料的展望

熱電池主要應用于當今高新技術武器中，日益發展的現代化武器對熱電池也提出了更高的性能和使用的要求：一是進一步提高熱電池的性能，如比功率、比能量、激活時間、熱穩定性、化學穩定性等；二是進一步提高熱電池的使用壽命；三是減小熱電池的體積及質量；四是要求熱電池具有較短的激活時間。【3】這就對熱電池的組成材料提出了更高的要求，尤其是對熱電池的正極材料。高電壓的正極材料的開發與成功應用， 可以充分發揮鋰合金負極的潛在優勢， 提高電池單體的比功率和比能量，有利于電池的小型化，豐富熱電池系列和品種，以更好地滿足武器系統對熱電池的需求。

參考文獻

[1] 劉杰，種晉，高文明.熱電池硫化物正極材料制備研究進展[J].電源技術.？2009（02）

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關鍵詞：建筑材料；質量；檢測；技術分析

中圖分類號：TU5文獻標識碼： A

一、建筑材料檢測技術在建筑建設中的重要性

建筑材料的質量直接關系著建筑工程的質量，所以必須加強對建筑材料的檢測，提升建筑物的建筑質量和使用壽命。加強對建筑材料的檢測能夠優化建筑材料的選擇，并且通過對建筑材料本身的性能和性價的對比，選擇費用較低、性能優越的原材料，能夠實現對各種建材質量的綜合評定。通過對建筑材料的檢測選擇合格的建材對保證建筑施工進度和質量是十分關鍵的。例如可以通過檢測技術確定施工地點中所具備的填料、沙石等材料是否符合施工技術規范和標準，以實現就地取材，降低施工過程中的成本造價；通過對土場中土樣組成成分的分析確定土地是否有足夠的壓實標準以承擔生產過程中的機械力。

通過對建筑材料的檢測有利于各種新型工藝、新型材料和技術的推廣和應用，能夠推動建材行業和建筑行業向著更先進的方向發展。另外建筑材料的檢測能夠實現對建材配比的優化，為施工方提供多種選擇，方便施工方根據自己工程的實際需要選擇最為經濟的方案。例如在滿足施工設計強度的情況下，可以選擇灰劑量較小的砼、基層配比；在瀝青路面施工過程中通過檢測技術選擇用油量較小的方案。通過對建筑材料的檢測來保證建筑質量具有非常重要的應用價值，正是有了建材檢測技術世界上才出現了眾多的建筑奇跡。隨著人口的增加，對土地的利用率也逐漸提高，各種高層建筑物不斷涌現，如果沒有有效的建材檢測技術，這些高層建筑將變成泡影。

二、材料檢測標準

材料檢測是對原材料的成分分析、測量、無損傷檢測和環境模擬測試等，有些檢測還涉及分析機體的體液、組織和排泄物等材料中的環境污染及代謝產物的含量，以確定機體受環境污染的程度和受害的危險性。對于材料檢測標準方式各不相同。例如：混凝土強度應分批進行檢驗評定，一個驗收批的混凝土應由強度等級相同、齡期相同以及生產工藝條件和配合比基本相同的混凝土組成。對施工現場的現澆混凝土，應按單位工程的驗收項目劃分驗收批，每個驗收項目應按照現行國家標準《建筑安裝工程質量檢驗評定標準》確定；木材構造、性質和利用研究及木材鑒定的研究，可以從木材的物理性質、木材的力學性質、木制品及木材鑒定、室內木材裝修材料物理性能及有害物質限量等進行檢測分析。材料檢測標準是用以衡量材料質量的尺度，掌握材料的檢測標準，有利于更好地控制材料和工程的質量。

三、建筑材料檢測的相關技術以及方法

1、水泥的檢測技術

在工程項目實施過程中，水泥在使用之前必須要符合國家所規定的有關水泥的強度，安全性以及凝結度等方面的指標檢測的標準，在取得產品的合格證，產品出場的檢驗報告以及產品進場的復檢報告后該產品才能被投入使用到工程項目的實施中。水泥的檢測過程主要是在施工場地首先對水泥進行驗收，對于水泥的種類，出廠日期以及水泥的相關性能等檢測人員必須對此開展相關檢查和檢測，相關的檢測標準必須與我國對于建筑材料規定的標準一致。如果在建筑工程的施工過程中發現水泥在顏色方面呈現出異常情況，或水泥被檢查超過出廠日期的3個月以上，必須對其進行復檢。復檢結果如果仍然存在問題就必須進行及時的調整或用合格的水泥替換，如果復檢結果符合規定的相關標準的話則該水泥可以繼續被使用。

2、墻體材料的檢測技術

在我國墻體材料通常分為燒結多孔磚和蒸壓灰砂磚兩種。墻體材料檢測的最新標準。2013年的9月1號制定實施的，檢測時，一般使用隨機抽樣方法從同一批次磚中進行抽樣。對于墻體材料檢測的方法是通過砌塊和磚的生產方式對墻體的原料以及外形特征實施相關檢查。10萬塊為一個批次對蒸壓灰砂磚進行抽樣檢查，如果同一批次不足10萬塊同樣要按照標準進行一個批次的檢查，但是檢查數目不能低于2萬塊。對蒸壓灰砂磚的檢測依據隨機抽樣方法進行抽樣，抽的砂磚15塊左右，從尺寸上對檢測的樣品進行偏差分析，如果偏差在規定的相關標準范圍之內，則抽取15塊砂磚，對其中10塊進行抗壓和抗折的強度檢驗，剩余5塊以做備用。燒結多孔磚的檢查是以5萬塊的燒結多孔磚為一個批次，不足5萬塊的也按照一個批次對其進行相關的檢測。在檢驗燒結多孔磚的強度方面，首先是從尺寸偏差以及外觀方面對其進行相應的檢測，如果燒結多孔磚在尺寸和外觀方面都符合標準則抽取合格樣品15塊對其進行相關的強度檢測，其中10塊對其進行抗折荷重和抗壓強度檢測，其余5塊留做備用。

3、書面檢驗

書面檢驗，是監理工程師對施工單位提供的材料質量保證資料、試驗報告進行審核，看其有無質量問題。

4、外觀檢驗

外觀檢驗，是針對材料的外觀(規格、標志、外形尺寸)對材料進行的檢查，看其是否存在質量問題。外觀檢查主要通過目測和量測進行檢測。目測即憑借感官進行檢查，主要是根據質量要求，采用看、摸、敲、照等方法進行材料檢查。看，就是根據材料的規格標準進行外觀檢查，例如看水泥是否有大的硬塊、混凝土是否過稀等。摸，就是通過觸摸手感進行檢查，例如磚面是否平整，地板塊是否光滑等。敲，就是對材料輕輕敲打聽其聲音。照，就是用燈光對材料進行檢測。

5、理化檢驗

理化檢驗，又稱“器具檢驗”，就是借助物理、化學的方法，使用某種測量工具或儀器設備進行科學的檢驗鑒定。理化檢驗一般通過試驗的方式進行，工程中常用的理化試驗包括各種物理力學性能方面的檢驗和化學成份及含量的測定等兩個方面。材料物理狀態特征的性質一般有體積密度、密度、堆積密度、表觀密度、孔隙率、開口孔隙率、閉口孔隙率、孔隙率；材料的力學性質一般分為材料在外力作用下的變形性質和強度，變形性質又分為彈性變形塑性變形。力學性能的檢驗指標的測定抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗折強度、沖擊韌性、硬度、承載力等。各種化學方面的試驗如化學成份及含量的測定，(例如鋼筋中的碳、硫含量，混凝土粗骨料中的活性氧化硅成份測定等)，以及耐酸、耐堿、抗腐蝕等。此外，必要時還可在現場通過諸如對樁或地基的現場靜載試驗或打試樁，確定其承載力。對混凝土現場取樣，通過實驗室的抗壓強度試驗，確定混凝土達到的標號。以及通過管道壓水試驗判斷其耐壓及滲漏情況等。

6、無損檢驗

無損檢驗，一般分為超聲檢測、射線檢測和其他無損檢測方法。它們一般可以在不損傷被探測物的情況下，通過利用超聲波、x射線、表面探傷儀等了解被探測物的質量。

四、提高建材質量檢測的措施

1、嚴守三證關

對于建筑材料的質量國家制定了嚴格的質量檢測標準，故在選擇建材時要對其提供的質量合格證明文件、規格、型號和性能檢測報告進行嚴格審查，在材料或設備的驗收時要經過監理工程師的嚴格審查。有的產品還需要經過實行生產許可證和安全認證，在選購這些產品前要對其生產許可證和安全認證標志的原件進行嚴格檢查，以防止假冒偽劣產品。

2、加強對建材質量檢測系統的建設

加強對建材質量檢測系統的建設實現對檢測數據和報告的實施共享，可以為建筑工程質量的控制提供準確的數據依據。對于檢測不合格的產品要在檢測系統內部傳遞到有關部門，實現多部門數據的共享，提高對建材質量監督管理的權威性和科學性。在進行數據檢測過程中要做到數據真實可靠，并且降低對建材的檢測誤差，提供建筑工程材料的檢測質量。

結束語

目前市場上出售的建筑材料不僅種類繁多，而且性能各異。建筑材料的使用使建筑工程的施工變得更加便利，為人們的生產和生活提供了重要的保障。因此建筑材料質量的好壞直接影響著建筑質量的優劣，輕者影響建筑工程結構的剛度和承載力，嚴重的還會導致整體倒塌的重大工程質量事故，因此對建筑材料的檢測就變得非常必要。

參考文獻

[1]任萬秀.淺析建筑材料質量檢測與控制[J].民營科技，2014.

[2]蔡瑞清.建筑工程施工質量控制[J].科技致富向導，2014（05）.

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關鍵詞：新材料產業 專利分析 北京 對策建議

新材料產業作為戰略性新興產業，以新興技術為基礎是其重要特征，而技術創新能力是產業競爭優勢的一個關鍵要素。專利作為技術創新能力的具體成果，反映了企業在該領域的技術創新實力，使企業在該領域科技競爭實力的具體表現。因此，專利可以作為衡量企業或地區新材料產業發展狀況的重要依據。

一、數據來源與獲取

以SCI科學引文數據庫作為數據源，對1992―2009年出版的文獻進行檢索，以“（Advanced materials）OR（New functional*materials）OR（Advanced composite* materials）OR（Smart* Materials）”作為主題詞，并排除與新材料產業無關的學科，共檢索到相關文獻15492篇。利用Bibexcel軟件進行關鍵詞分析合并，并根據關鍵詞詞頻進行排序，從而得到新材料產業領域的關鍵詞，然后根據所獲得的關鍵詞構造新材料產業的專利檢索表達式。考慮到本文主要分析北京新材料產業專利的相關現狀，故采用國家知識產權局專利數據庫作為數據源，檢索跨度為1992―2009年。

二、基于專利的SWOT分析

檢索發現與新材料產業直接相關的專利申請中發明專利申請有15619項，其中北京地區專利數位1289項。運用PATENREX軟件以及通過國家知識產權局檢索平臺進行專利分析，這些專利申請呈現出以近十幾年來我國申請人的申請以發明專利為主、追求實際應用價值等特點，映射出我國近年來在新材料產業的發展速度加快，質量提升，產業化逐步形成競爭力等實際情況。

我國新材料產業的專利申請趨勢情況如圖1所示，1992年至2002年期間專利申請增長勢頭平穩，近幾年申請量則急劇增長。北京地區的專利申請趨勢，與我國新材料產業專利申請勢頭是基本一致的。

（一）優勢分析

新材料產業專利申請分布情況為：日本專利2434項，美國專利1519項，我國臺灣有689項居于第三位。北京以618項名列第四，與我國（除臺灣以外的）其它省市相比，發展新材料產業的最顯著優勢正是科研技術實力雄厚。北京新材料科研領域的科技創新能力一直排名全國第一，僅中央在京的材料科研單位約占全國總數的40%，相比上海和深圳，北京園區在企業數、從業人員、總收入、產值等方面比重上處于絕對優勢。

我國新材料產業排名前十的IPC專利技術構成分布情況：H01L領域有專利4131項，H01F領域有469項，H01S領域有239項，H02K領域有194項，G11B領域有191項，C23C領域有171項，G02F領域有152項，G01N領域有144項，G02B領域有143項，C04B領域有139項。可見，新材料產業研究熱點集中于H01L（半導體器件；其他類目未包含的電固體器件）、H01F（磁體；電感；變壓器；磁性材料的選擇）、H01S（利用受激發射的器件）以及C04B（建筑材料；陶瓷；耐火材料；天然石的處理）等領域。

而北京的專利技術分類構成情況：H01L的申請數量最多，有177項；其次為H01F為39項；H01S為36項；C22C為23項；G01N為21項；C23C為18項；B01J和H01M均為17項；G02B和C04B為13項。北京地區的研究熱點與我國的研究熱點基本一致，如北京航空航天大學與北京科技大學等主力科研單位在H01L（半導體器件；其他類目未包含的電固體器件）以及H01F（磁體；電感；變壓器；磁性材料的選擇）領域的研究成績顯著。隨著首都經濟的不斷發展，各行各業的發展對新材料都提出了新的需求，特別是北京的電子信息、生物新醫藥、環保、節能等產業都是新材料應用的支撐領域，為北京發展新材料產業提供了廣闊的市場。此外，依托北京戰略資源，充分利用環渤海地區的生產資源，實現戰略資源和生產資源在同一企業的集中配置，拓展了新材料產業的發展空間，帶動了新材料產業不斷優化，尤其是航空航天、交通運輸、電子電氣、建筑建材、醫療器械、國防軍工等行業的發展對材料的性能和品種提出了更高的需求。

（二）劣勢分析

企業自主研發能力不足。專利檢索分析得出北京主要專利申請人的排名情況（見表1）：中國科學院半導體研究所居于首位，清華大學次之，中國科學院微電子研究所居于第三位，北京大學第四位，中國科學院物理研究所第五位，北京工業大學第六位，中國科學院化學研究所第七位，北京科技大學第八位，北京航空航天大學第九位，北京化工大學第十位，國家納米科學中心第十一位，有研稀土新材料股份有限公司第十二位，中國科學院聲學研究所第十三位，中國人民63971部隊第十四位。經統計，排在前14名的研發申請人，科研機構有7個，高等院校有6個，只有1家企業單位。說明北京新材料產業現階段的科研主力為科研機構以及高校，而企業的研發能力十分薄弱。

專利申請起步晚，申請人研發能力弱。根據專利數據得到北京主要申請人的研發能力詳情，排名前十的專利申請人研發能力仍不樂觀，例如，專利活動年期超過十年的僅占一半，專利平均年齡超過5年的僅有3個，這與國際水準是存在很大差距的。

科技成果轉化成效不明顯。雖然北京具有科研優勢，但是也存在著明顯的稟賦缺陷。具體而言，在產業組織和制度層面，北京高新技術產業在知識鏈、技術鏈和產業鏈間尚存在脫節，產學研合作機制不完善。科研成果轉化是限制北京新材料產業發展的關鍵環節。長期以來以新材料規模化制造為發展方向，卻忽略了新材料技術產學研合作、企業自主研發、中試孵化和產業化初期等環節，大量優勢科研資源難以轉化為北京新材料產業的競爭優勢。

（三）機會分析

根據我國新材料產業發明專利申請量排名前十的主IPC分類號的“專利數”、“復合技術專利數”以及“關聯技術數”等指標為研究對象，得到技術關聯度指數，如表2所示。

由此看出，H01F、H01S等技術領域不但關聯專利數多、范圍廣且關聯度較高，表明這些技術對新材料產業其他子技術領域具有較強的知識溢出效應，表現為在新材料產業技術領域中的重要性。與此形成對比的是，雖然H01L擁有較大的申請量，但是與其他技術領域關聯性很小，沒有形成良好的知識共享機制，既缺乏對其他相關技術的創新推動，也缺少對其他技術的知識吸取，技術創新專業化傾向明顯，創新成果涉及的技術范圍較窄，北京可以借此考慮下一步的技術研發方向由此入手。同時，如C23C、C08L、B01J等技術領域雖然目前專利申請量較小，但與其他技術存在高度關聯性，發展前景廣闊，為此北京可以根據自身特點進行專業化研發，充分利用市場方面以及政策方面的機會，整合自身能力形成特色優勢。

隨著社會科技的進步和新興產業快速發展，對新材料需求的種類和數量大大增加，以新材料為支撐的新興產業的快速發展，對新材料的種類和數量需求也將進一步擴大。據統計，磁體材料每年以15%的增長率發展，預計到2015年，僅中國市場就需要永磁鐵氧體50萬噸，軟磁鐵氧體20萬噸，釹鐵硼磁體5萬噸。由此可見，新材料產業的市場需求是非常可觀的。并且“十二五”期間，國家將實施新材料重大工程項目，將打造10個銷售收入超過150億元的新材料綜合龍頭企業，建成若干年產值超過300億元的新材料產業基地和產業集群。新材料作為發展戰略新興產業的原料，再加上市場和政策的強有力支撐，“十二五”期間必將獲得良好的發展機遇。

（四）威脅分析

如前所述，北京與國內其他省市相較，在H01L、H01F等熱點領域具備一定優勢，但是在市場無國界的時代背景下，仍然受到來自其他國家和地區的很大威脅。經專利統計分析顯示，北京與主要競爭對手的技術差距還是很大的，僅在H01L領域美國有專利792項、日本有專利1146項，而北京僅有177項；H01F領域，日本有專利178項，而北京僅為39項，由此可見一斑。日本、美國等國外新材料企業無論在基礎研究、應用研究、技術商品化、生產制造等各方面都居世界領先地位，并且擁有的專利數量驚人，專利布局很嚴密，這就在很大程度上限制了北京乃至我國的產業技術研發與進步。

三、對策建議

（一）增強核心技術研發力度

由上述專利分析結果，可以判斷出北京地區的研發熱點與我國的研究熱點是保持高度一致的，如北京航空航天大學與北京科技大學等主力科研單位在H01L以及H01F等領域的研究成績顯著。結合《北京市基礎與新材料產業年度發展報告（2010年）》來看，近年來，北京市新材料產業在單晶硅和化合物半導體材料及稀土永磁材料方面成績不俗，加之上面的專利分析，這一態勢與國際主要競爭對手的發展趨勢一致，可見今后應該加大投入力度予以追趕。

（二）完善專利保護機制，促進共性技術研發

雖然北京地區的研究熱點與新材料產業的研究熱點基本一致，但是研發廣度有待進一步拓展，比如，北京在H01L領域專利項數為177項，而上海在該領域則包含224項專利。并且，對照全國視角下的技術構成情況，北京在G11B及G02F領域與新材料產業的整體研究趨勢還是有一些參差的，鑒于外部趨勢走向，北京新材料產業接下來可以著手研究存在差距的技術領域，發揮首都科技的人才優勢，根據北京新材料產業的布局，選擇重點領域與中央在京研究單位成立集前沿研究、技術開發與工業試驗，積極引導研究單位利用現有技術、人才優勢開展北京新材料產業的共性技術研發。

（三）加速科研成果轉化

北京現階段的科研主力仍為科研機構以及高校，企業研發能力不足。前文的專利申請人分布情況就可說明這一問題，排在前14名的研發申請人，僅有1家企業單位。因此應著重打造以研發為主導的新材料產業，形成以研發、測試和孵化服務為中心的新材料科研服務產業；建立并完善直接面向科研院所、企業和市場需求提供服務的北京新材料產業發展促進中心，在重點新材料領域形成成果孵化與轉化中心，鼓勵與支持有條件的高校、研究院所、企業和其它社會力量，以新的機制，建立面向市場的新材料成果轉化與孵化中心，最終形成北京新材料高技術企業孵化平臺。

參考文獻：

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④郭婕婷，肖國華.專利分析方法研究[J].情報雜志，2008（1）

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⑦北京市經濟和信息化委員會.北京市“十二五”時期基礎和新材料產業調整發展規劃.北京：北京市經濟和信息化委員會，2011

⑧鄭世林，何維達，曾輝.北京新材料科研成果轉化狀況與政策建議[J].中國軟科學，2009（11）

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關鍵詞：功能高分子材料；研究現狀；發展前景

一、功能高分子材料的概念及開發意義

功能高分子材料，是指具有一定傳遞或存儲物質、信息及能量作用的高分子和高分子復合材料。這使得功能高分子材料不僅具有原來的力學性能，同時還兼具如光敏性、導電性、化學反應活性、生物相容性、選擇分離性、能量轉換性等一系列其他特定性能。按照其功能劃分，功能高分子材料主要可分為4類：①物理功能：具體包括超導、導電、磁化等功能；②化學功能：具體包括光的聚合、降解、分解等；③生物功能：具體來說包括生理組織及血液的適應性等；④介于化學、物理之間的功能：主要是指高吸水、吸附等功能方面。

功能高分子材料由于具備特殊的功能，受到了各個領域的廣泛重視，特別是其不可替代的諸多特性都為很多領域的技術進步提供了基礎和前提，甚至已經因此而誕生出了一批先進的、符合社會發展潮流的新產品。因此，當前各國都加大了對功能高分子材料的人力物力財力投入，面對時間各國的競爭，我國也需要盡快加大對功能高分子材料的研發力度，從而擺脫我國國防、電子、醫藥和其他尖端領域嚴重依賴國外功能高分子材料市場的困境。

二、功能高分子材料的研究現狀分析

目前針對功能高分子材料的研究和應用現狀，主要集中于功能高分子材料的光功能、電功能、生物功能以及反應型功能應用這幾個方面：

1.光功能高分子材料

目前的光功能功能高分子材料的研究和應用主要體現在光固化材料、光合作用材料、光顯示用材料以及太陽能光板這幾個方面，這些具體的應用能通過對光的吸收、儲存、傳輸、以及轉換功能，實現對光能的有效利用。例如，目前已經能夠通過光功能高分子材料的運用實現光傳導來幫助植物的光合作用。此外，運用光功能高分子材料實現手機的太陽能充電也已經成為現實。

2.電功能高分子材料

電功能高分子材料，除了具備良好的導電性能外，其電導率還能根據應用狀況的不同，在半導體、金屬態和絕緣體的范圍進行變化。此外，由于電功能高分子材料一般密度較小、易于加工，同時具備良好的耐腐蝕性，在當前的工業領域中也被廣泛的應用。

3.生物功能高分子材料

生物功能高分子材料在生物領域被廣泛的應用。如常見的有，由生物功能高分子材料所制成的人體植入物（視網膜植入物、腦積水引流裝置等）以及人體義肢等。

4.反應型功能高分子材料

這種高分子材料是一種具備很強化學活性的高分子材料，能夠有效的促進化學反應。它是通過對構建高分子骨架，并將小分子反應活性物質通過離子鍵、共價鍵、配位鍵或物理吸附作用進行骨架填充，以實現高分子功能才能的強化化學合成與化學反應的效果。

三、功能高分子材料的發展前景及趨勢分析

功能高分子材料具備很多優勢特征，這些都使得其更加符合經濟發展和社會發展的需求，這也使得功能高分子材料的研究工作在各國的競爭中日益白熱化。而去隨著投入的不斷深化，和技術的不斷完善。新型功能高分子材料必然在我們的尖端科學及日常生產生活中扮演越來越重要的角色。功能高分子材料的幾種發展趨勢。

1.復合高分子材料

目前，功能高分子材料正逐步由均質材料向著復合高分子材料的方向發展，同時其材料的功能也向著多功能材料的方面發展。復合高分子材料往往是在一種基體材料（如金屬、陶瓷、樹脂等）上，加入增強或增韌作用的高聚物，再通過將多相物復合成一體，就形成了新的復合高分子材料，這種高分子材料能夠充分發揮各相的性能優勢，因此具有廣泛的發展應用前景。在今后的發展中，航天科技、醫療衛生、生活家居、甚至汽車制造等領域，都需要各種高性能的復合高分子材料。

2.環境友好型高分子材料

經濟的粗放發展，給整個地球h境都帶來了深重的災難，而隨著人們對環保問題的日益重視，各國對各種材料的生態可降解性要求也日益突出。因此，環境友好型高分子材料的開發和深入研究工作，也引起了各國的重視。當前，生物降解技術和環境友好型高分子材料技術大多掌握在發到國家，我國目前還處于追趕階段。隨著世貿組織對環保觀念的更加重視，環境友好型高分子材料在產品中的應用優勢也將日益顯著，為了把握這一趨勢，我國要積極開發研究出有自主知識產權的生物降解技術和環境友好高分子材料。

環境友好型高分子材料，通過易水解的高分子的作用在各種生物酶的作用下，能夠加速材料的水解反應，幫助材料進行生物降解。這種高分子材料目前研究的重點方向在理化性能、生物相容性、降解速率的控制以及緩釋性等方向。

3.隱身性能高分子材料

隱身性能高分子材料的研究應用主要在軍事領域，其也是當前各國的尖端軍事技術的研究方向之一。以往的隱身材料多采用超微粒子和細微粉，實踐證實，通過吸收衰減層、激發變換層以及反射層等多層材料的微波吸收，能夠取得一定的吸波效果，達到隱身的目的。但是，由于材料制備復雜，且雷達技術的日益發展，給隱身技術提出了更高的挑戰。此后，隱身性能高分子材料必然是向著厚度更小、質量更輕、功能更多以及頻帶更寬的方向發展。

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[關鍵詞]材料分析技術 教學方法 實踐

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2013）21-0108-02

一、引言

《材料現代分析技術》課程是材料科學與工程類專業的一門專業特色課，是該專業的主干課程，在整個培養計劃的專業課程架構中起著至關重要的作用。眾所周知，材料是人類進化史的里程碑、現代文明的重要支柱、發展高新技術的基礎和先導。現代材料的發展在很大程度上依賴于對材料性能與其成分及顯微組織關系的理解。材料現代分析技術和儀器的發展，加深了對材料結構和性質的認識，促進了對材料本質的了解，使得對材料的組分構成、制備方法和工藝、組織結構與性能，以及它們之間的相互關系的研究愈來愈深入，為材料科學理論體系的形成打下堅實的基礎。國內的清華大學、哈爾濱工業大學的材料（金屬材料、無機非金屬材料及有機高分子材料）及熱加工（熱處理、鑄造、鍛壓、焊接）專業均開設了《材料現代分析技術》這門課，國外的如麻省理工學院的材料科學與工程專業也開設了《衍射與結構》、《材料的成像（微觀分析）》等類似的課程。由此可見，該課程在材料科學與工程類專業中的重要性。由于不同學校的專業傾向性不同，課程整體設置不同，講授內容和側重點也不同，因此根據自身的情況開設一門符合本專業特點的《材料現代分析技術》課程是非常有必要的。

二、我校開設該課程的基本情況

我校自2008年成立材料科學與工程專業以來，所在的材料科學系就根據國家本科生培養計劃，結合學校優勢專業和重點發展方向設置了《材料現代分析技術》這門專業特色課。我們選用獲全國普通高等學校優秀教材一等獎，哈爾濱工業大學周玉院士主編的“十五”國家規劃教材《材料分析測試技術》為主講教材。課程主要講授的內容包括X射線衍射、電子衍射原理、電子光學基礎、衍襯運動學基礎等基本理論和X射線衍射儀、電子顯微鏡等現代儀器的基本原理和結構，重點講授材料結構、晶體缺陷以及微區成分、微區形貌的基本方法，使學生掌握現代材料的分析測試方法和手段，提高研究和解決材料理論和工程實際問題的能力。

三、《材料現代分析技術》課程教學研究與實踐

該課程涉及大量材料科學和物理等領域的基礎知識，也涉及理論知識的工程實踐應用，還包含較多抽象的概念和晦澀難懂的公式推導，學生普遍反映該課程較難學。如何提高學生的學習原動力和興趣，讓學生能夠由被動變為主動學習；如何提升學生的創新思維能力，讓學生能夠把理論知識和工程實踐應用有機聯系起來，是擺在授課老師面前的兩道難題。因此，通過不斷改進教學方法、教學手段來提升教學效果是非常有必要的。筆者自該專業成立以來就一直擔任該課程的主講老師，積累了一定的教學實踐經驗。

（一）加強背景資料的收集和介紹，提升學生的學習情趣

該課程涉及的主要內容多是抽象的知識，如果直接進入主題，沒有預先做一些鋪墊，學生往往會感到困惑，直接影響其繼續聽課的興趣和對知識的深入理解。針對這個問題，可以通過預先介紹相關的背景資料來解決。例如在講授X射線性質的章節時，我首先介紹X射線發現者倫琴的生平，然后講述倫琴通過偶然現象發現X射線的過程，并給學生觀看倫琴夫人在X射線作用下與底片上留下的完整手骨影子，并提及我國的李鴻章在X射線被發現后僅7個月就體驗了此種新技術，成為拍X光片檢查槍傷的第一個中國人。通過這些背景的介紹，極大地調動了學生的積極性，學生迫切需要知道X射線的本質是什么，X射線和其他電磁波的本質區別是什么，X射線的具體用途有哪些。這樣再講授以上內容就變得順理成章。在講授X射線在晶體中的衍射章節時，我先介紹X射線衍射用于晶體結構分析的背景，也就是19世紀末20世紀初國際上困擾人們的兩個難題。第一個難題就是1895年倫琴發現X射線后，認為是一種電磁波，但無法證明。要證明X射線是一種電磁波，只需證明它可以通過光柵產生衍射，衍射產生的子波干涉后可以在記錄板上留下衍射花樣。然后提出X射線無法得到衍射花樣的兩個原因：1.X射線根本不是一種電磁波；2.X射線是一種電磁波，但由于波長極短，通過人工的方法無法制造出可以滿足衍射條件的具有足夠小狹縫的光柵。第二個難題就是同一時期晶體學家根據晶體的一些特性推測其由周期排列的原子、分子或離子組成，但無法證明。這兩個看似風馬牛不相及的難題被德國物理學家勞埃巧妙聯系在一起，他以單晶體作為天然光柵、原子之間的間距作為狹縫。狹縫尺寸如此小的光柵是人工無法制造出來的。他讓X射線照射到單晶體，然后觀察是否會產生衍射現象。結果他得到了世界上第一幅晶體的衍射花樣，震驚世界。勞埃不僅證實了X射線是一種電磁波，還同時證明了晶體的周期性。然后我又介紹了迄今為止和X射線及晶體衍射研究相關的諾貝爾獲得者以及他們的獲獎成果，從1901年X射線的發現者倫琴，1914年X射線衍射現象的發現者勞埃，1915年布拉格方程的推導者布拉格父子，到1962年脫氧核糖核酸DNA雙螺旋結構的發現者威爾金斯、沃森和克里克，再到1994年在中子衍射領域作出突出貢獻的布羅克豪斯和沙爾。通過以上背景的介紹，明顯提升了學生的興趣，學生很渴望了解X射線在晶體中產生衍射需要滿足什么條件，不同晶體是否會得到不同的衍射花樣，衍射花樣是否能夠反映晶體結構等等。接下來再講授這些內容，學生就很容易帶著問題來聽課，課堂紀律明顯提高，學生積極性也得到了提高。

由此可知，主講內容相關背景資料的介紹是否充分、是否到位會直接影響教學效果。

（二）強化和內容相關案例的收集和介紹，增強學生對知識的歸屬感

該教材正文中介紹了大量的基礎知識，包括概念、現象的理論解釋和原理、公式的推導等等，但針對某一概念或某一原理的案例很少，很容易讓學生對所學知識沒有歸屬感，即不明白學這些內容的用途是什么，使用的前提是什么，應用的條件是什么，結果形式是什么，如何具體問題具體分析。這些疑問，可以通過講解一些和內容密切相關的案例或者自己的研究成果來解決。在X射線物相分析章節，主要內容就是介紹單相分析的程序和注意的事項，相對簡單，很容易讓學生誤以為物相分析就是一件很簡單的比對工作。事實并非如此，實際中物相的鑒別是非常復雜的一件事。我以我的科研成果為例，介紹激光熔覆層的物相分析過程。1.試樣制備：熔覆層表面通常為火山口或山峰狀，要通過電火花切割法對其表面平整化；2.衍射花樣的標定：由于熔覆材料組分通常較為復雜，含有多種元素，在熔覆過程中會產生較為復雜的多種物相，且激光熔覆快速加熱、快速冷卻的特點也易產生亞穩定過飽和固溶體或中間相，晶格也會發生畸變。這使得其物相分析較為棘手。通常要分為以下幾個步驟：1.根據熔覆材料組分，結合相圖及熱力學計算來預測可能生成的物相種類，以及生成傾向性的排序；2.通過Jade軟件來進一步鑒別，初步標定主要物相組成；3.通過電子探針進行不同形態物相的成分分析，最終確定熔覆層的主要物相組成。在掃描電鏡和能譜分析章節，主要內容就是介紹其在微觀組織的應用，原理相對簡單，但在實際中較復雜。我也以我的科研成果為例介紹不同材料顯微組織分析過程。1.針對不同的材料，如何來選擇合適的腐蝕劑？腐蝕到什么程度較為適宜？2.如樣品導電性不好，需要通過噴金來提高像的襯度；3.在觀察時，如何選擇是用二次電子掃描還是背散射電子掃描？如何根據形貌襯度和原子序數襯度對增強相形態、大小、分布以及原子序數的相對高低進行合理分析？在進行微區成分分析時，如何合理選擇點分析、線掃描和面掃描這三種操作模式？如何對得到的成分信息進行合理分析？

通過大量案例和自身科研成果的介紹，學生加深了對基礎知識的理解，并提高了他們將知識和實踐相結合的能力，教學效果非常明顯。

四、體會和總結

《材料現代分析技術》理論性很強，通過上述介紹的兩種方法可以有效提升教學效果，激發學生進一步學習的興趣，變被動為主動，也增強了學生申報和參加大學生創新項目的積極性，有效提高了學生的創新思維能力和將理論用于解決工程問題的能力。在大學最后一個學期的畢業設計環節，這門課所學的知識得到了充分發揮，畢業設計的效率得到了提高，論文質量也有了較大的改善。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 鐘世云.麻省理工學院材料科學與工程專業本科培養計劃的分析[J].中國大學教學，2013（3）.

[2] 楊新亞.《材料研究與測試方法》的教學改革實踐[J].理工高教研究，2006（2）.

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關鍵詞：FRP 力學性能 研究進展

如何提高鋼筋混凝十結構的耐久性、增強使用壽命是土木工程中迫在眉睫的問題。鑒于上述方面的需要，由于纖維增強聚合物(FRP)具有輕質、高強、耐久性好等優點，日本、美國、歐洲等發達國家很早就開始對其研究，探索其替代預應力高強鋼筋(鋼絞線)的可行性。現在FRP材料在混凝土結構中的應用受到越來越多的國家學者的關注，已成為國際混凝土領域的一大熱點。

1、FRP的組成

根據FRP纖維種類的不同，FRP可分為碳纖維CFRP、玻璃纖維GFRP、芳綸纖維AFRP以及近來國外新開發的PBO-FRP復合材料和DFRP等復合材料，還有國內最近投入生產的連續玄武巖纖維CBF等。

FRP筋是以纖維為增強材料，以合成樹脂為基本結合材料，并摻入適量的輔

助劑，采用擠拉成型技術形成的一種新型復合材料。FRP復合材料的物理力學特性與纖維種類、纖維含量、粘結基體、表面處理以及成型工藝等因素有關，不同成分的FRP筋性能差別很大。

2、FRP筋的特點及力學性能

FRP復合材料具有抗拉強度高、質量輕、不銹蝕、熱膨脹系數低、無磁性以及抗疲勞性能好等特性。如CFRP的抗拉強度可達到3000MPa以上，比強度高(比鋼材高lO～15倍)；CFRP和AFRP的抗疲勞性能較好，大大優于鋼材，其疲勞極限可達靜荷載強度的70％～80％，但GFRP的疲勞性能低于鋼材。

與鋼筋不同，FRP筋是各向異性材料，FRP筋的應力-應變關系呈線性關系，

與鋼材應力-應變關系比較如圖1所示。FRP在達到極限抗拉強度之前無塑形，且FRP筋的極限應變比鋼筋小。

FRP材料與普通鋼材的性能比較見表1。新型FRP產品PBO-FRP除具有與高強CFRP有相近的力學性能外，還表現出更好的物理性能，如良好的柔韌性等；DFRP沖也具有優異的物理力學性能，抗拉極限應變可達3.5％，延性良好[1]。

三種材料雖然同屬于復合材料有很多共性，但在具體量值上也存在著很多差異：

(1)在抗拉強度方面，CFRP筋最高，達到甚至超過高強鋼筋；AFRP筋居中，與高強鋼筋強度相近；GFRP筋強度最低，總體上略低于高強鋼筋。

(2)在彈性模量上，由高到低分別為CFRP、AFRP、GFRP，各自彈性模量大致相當于高強鋼筋彈性模量的75％、40％、20％。

(3)與高強鋼筋相比，FRP筋還存在徐變斷裂問題。GFRP筋最容易發生徐變斷裂，CFRP筋不易斷裂，AFRP筋介于其間。

(4)FRP筋的溫度膨脹系數與混凝土有些差異，GFRP筋與混凝土相差不大，設計計算中可以忽略不計，而CFRP筋和AFRP筋與混凝土差別較大，計算中要予以考慮。

3、FRP材料在土木工程中的研究和應用現狀

美國是首先研發FRP材料的國家。但由于GFRP用于混凝土中效果并不理想而一度中斷。而后，隨著FRP筋在日本的成功運用，得到世界各國的普遍重視，紛紛加入到FRP筋應用的研究領域，并相繼取得了一些可喜的成果。在最近5年內，美國己建成近百座FRP橋梁。

近幾年來，FRP筋混凝土結構和預應力混凝土結構在國外發達國家相繼取得成功，極大地調動了我國技術人員的研究熱情，多家科研單位和高校紛紛開展了對FRP筋的研究。我國在FRP筋應用方面尚未頒布相關的指導意見和規范，采用FRP筋建成的混凝土結構還很少。近期，國內第一座CFRP斜拉橋和CFRP體外預應力簡支粱橋將分別于江蘇鎮江和淮安建成，兩座橋梁均由東南大學設計完成。

4、結語

在借鑒國外研究成果的基礎上，結合國內實際工程的使用特點，FRP材料的應用研究將步人一個嶄新的階段，其使用面也將得到全面的擴大。通過相關規范與規程的制定，以及纖維復合材料國產化的加速，FRP在改善結構體系，加固修復混凝土結構技術方面將比以往傳統的技術更加優越，更有效率，具有重大的經濟和社會效益。

參考文獻:

[1]羅益鋒.高科技合成纖維新進展．高科技纖維與應用，2000，25(4)：1.8

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【關鍵詞】CDIO；材料分析與檢驗；教學改革；教學效果

Curriculum reform and research of material analysis and inspection based on CDIO concept

Zhang Xinjian Niu Li Duan Xianyong

（Department of Mechanical Engineering， Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering， Wuhu 241002）

【Abstract】By analyzing the shortcomings of material analysis and test course under the concept of traditional teaching， ideas on teaching reform of CDIO course based on the practice of teaching， teaching content， teaching methods， redesign. Reform practice shows that the teaching mode based on CDIO concept has obvious advantages， students generally reflect the teaching effect than ever before.

【Key words】CDIO； Material analysis and inspection； Teaching reform； Teaching effect

0 引言

CDIO工程教育模式是近年砉際工程教育改革的最新成果，該模式以產品的構思、設計、實施及運行全過程為載體，強調主動的、實踐的、課程之間有機聯系的工程學習方式，注重培養學生專業知識運用、主動學習、團隊交流及工程系統應用等方面的工程能力[1-2]。材料分析與檢驗課程是我國理工科院校中焊接技術及自動化、材料成形及控制工程、模具設計與制造等專業一門綜合性的專業課，其內容主要包括化學成分檢驗、顯微組織分析、宏觀檢驗與斷口分析、力學分析、無損檢測等五部分內容，將CDIO理念引入到材料分析與檢驗課程教學中，對培養學生的學習興趣、實踐能力、系統觀念、工程意識和創新能力，更好地適應市場需求，對后續專業的建設及相關學科的教育教學改革，具有重要的現實意義和參考價值。

1 傳統理念下材料分析與檢驗課程教學中存在的不足

1.1 教學內容

由于材料分析與檢驗課程理論教學內容學生前期普遍缺乏工程背景，實踐教學內容同時缺乏系統性的工程實踐性項目，工程教育中融入的素質教育內容更少，造成了學生學習目的不明確，遇到工程問題不知從何分析、如何解決，缺乏團隊精神及責任感等，不利于學生素質教育的培養。

1.2 教學方法

灌輸式單向傳輸教育造成學生缺乏獨立思考、創新探索及解決工程實踐問題的能力，無法培養出信息時代具備創新精神與合作意識的學生。

1.3 實踐教學

材料分析與檢驗課程實踐性較強，社會對該方面人才的需求偏重于實踐能力，然而現在多數高校中在實驗教學方面還存在著實驗儀器設備相對落后、儀器設備數量及利用效率相對不足、所開設實驗內容涉及的知識面較窄、綜合性創新性實驗較少等問題，這些問題抑制了學生主動參與實驗學習和創新實踐的積極性，制約了應用型創新型工程技術人才實踐能力的培養提高[3]。

2 基于CDIO理念的材料分析與檢驗課程教學改革

2.1 教學內容

2.1.1 教學內容新穎化

在教學內容中增加反映本專業的最新技術和成果，授課過程中教師將本學科相關的最近學術發展動態教授給學生，并提出當前存在的主要問題，提出參考的思路或可供選擇的方案，學生根據自己的想法重新設計，不僅可以提高學生學習的積極性，又能培養他們獨立思考問題的能力[4]。

2.1.2 教學內容實際化

按照CDIO工程教育理念，采用經典案例引入式教學方式，激發學生學習興趣，采用結合工程實際及知識要點提出問題、組織學生進行分組討論，通過問題解答的方式進行互動教學，提高學生發現問題、分析問題及解決問題的能力[5]。

2.1.3 教學內容綜合化

在傳授知識的基礎上，通過加強綜合工程設計教學和培訓，提高學生綜合素質和綜合能力，增強學生的綜合運用知識的能力。

2.2 教學方法

課程在維持總的課時基本維持不變的基礎上，增加了學生的實驗時間，因此必須壓縮授課學時，采取了靈活多樣的教學方法，提高了學生學習效率。

2.2.1 開展研究型教學

通過大量的自學知識和討論課程，學生就某一主題進行資料收集、發言討論、相互交流、互相點評，達到擴大學生知識面、調動學生積極性、培養學生的獨立思考問題的目的。

2.2.2 增加工程案例教學

通過工程講座和案例分析，組織學生到工廠參觀、進行工程實例講解、工程事故分析，指導學生綜合應用知識，啟發創新思維，學會現場調查，加強學生對材料失效問題分析及判斷能力的訓練。

2.2.3 開展學術報告講座

通過邀請材料檢驗相關單位的高級工程師、研究技術人員、高校教師，開展學術講座，使學生加深對原理和概念的認識、加強學術交流、獲得最新前沿知識、了解新材料發展過程中存在問題及解決方法。

2.3 優化課程實踐體系

采用基于現代化教學方法、基于CDIO工程項目理念的創新性的教學方式指導學生學習實踐。比如傳統教學的金相顯微實驗只是驗證性實驗，學生對驗在將來生產實踐中的作用理解不深。在基于CDIO理念下的工程實驗中，學生通過金相顯微鏡對斷裂零件進行各方面的分析，進而確定材料種類及斷裂的原因，并形成書面報告。這就需要學生綜合設計實驗流程，進行斷口分析、金相打磨、金相觀察，這樣的實驗不僅能讓學生通過主動學習把零散的知識有機結合起來，而且能夠綜合運用，有效地提升了學生解決問題、分析問題的能力。

2.3.1 改革實驗教學方式

任課教師在授課前首先明確提出實驗目標和實驗內容，學生針對實驗目標及內容進行分組，由學生項目小組查閱資料，確定實驗原理（Conceive），收集實驗資料，制定實驗方案（Design），落實實驗耗材，設計實驗過程，安排實驗操作（Implement），對實驗結果做出預測和評價，經過進一步修改后進行重新設計和執行（Operate）。讓學生有目的性的去做實驗，實驗效果將明顯改善，使學生對整個實驗流程有充分的理解，實驗的方法和步驟能夠在學生頭腦中的留下深刻印象。

2.3.2 構建開放式材料分析CDIO創新實驗室

以CDIO創新項目為載體，努力構建開放式材料分析CDIO創新實驗室，增加綜合性和設計性實驗平臺，學生進行一些驗證、工程模擬和探索創新試驗，同時在教師引導下，開展科研訓練，鼓勵學生結合工程實際進行探索性研究，自主設計創新性試驗。學生項目小組通過調研，自行搜集資料，自行構思設計內容（Conceive），設計實驗方案（Design），在操作過程符合規范的前提下進行實驗（Implement）和驗證（Operate），培養學生的創新能力和實驗能力，加強學生的動手能力，提高理論聯系實際的水平[6]。

2.3.3 推行課程設計改革

針對材料分析及檢驗課程模塊，以項目小組為單位進行課程設計，為學生進行工程模擬、理論探索和實踐創新提供良好的條件，提高學生理論聯系實際及解決實際問題的能力。

3 結語

將CDIO理念運用到材料分析與檢驗課程教學中，以實踐性和探索性項目為設計載體，將CDIO理念始終貫穿于理論教學和實踐教學，促進深入掌握各門核心課程知識、有利于學生將知識融會貫通應用于工程實踐領域，并且符合高素質應用型人才培養目標，對促進學生學習積極性和主動性、探索先進教育教學模式、提高教育教學質量和辦學水平、增強教師教學科研意識、培養高技能型創新性人才、實現特色辦學，具有重要的現實意義和創新意義。

【參考文獻】

[1]唐純翼，陽艷. CDIO模式在土木工程材料教學中的實踐構思[J]. 科技信息，2013，02：4.

[2]趙竹，CDIO模式下交通安全與智能控制專業課程教學與改革實踐[J].科學與財富，2015，05：32.

[3]龍諾春，余麗紅，于偉.基于CDIO理念的大學生課外實踐項目體系構建研究[J].電腦與電信，2013，Z1：65-66+68.

[4]周宇，王文仲.土木工程專業課程教學方法與教學手段的改革研究[J].科學咨詢（決策管理），2009，02：83.

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[關鍵詞] 知識圖譜;共詞分析法;焊接學;材料學

[中圖分類號] G434 [文獻標識碼] A 文章編號：1671-0037（2015）08-80-6

Analysis of the Hot Spot and Research Trend of the Material Engineering Discipline based on the Common Word Knowledge Map

Zhang Xuezhao1，2

（1.Library of Henan University of Science and Technology， Luoyang Henan 471023; 2. Libraryof Zhoukou science and technology Career Academy， Zhoukou Henan 466000）

Abstract：In this paper， the latest scientific metrology technology―knowledge map is applied to the material engineeringdiscipline in our country. Through taking the two disciplines （Materials Science and Welding） as the research objects， a total common word knowledge mapsof thetwo disciplines were constructed， tohighlight the research hotspot， research trends and development of thetwo disciplines.

Keywords：knowledge map; commonword analysis; welding; Materials Science

1 研究內容

將材料學和焊接學兩門學科作為研究對象，以CSCD國內權威數據庫的作為數據源，采用計量學中的共詞分析方法，對1989～2013年材料學、焊接學等學科文獻的關鍵詞進行統計，并利用聚類分析、因子分析、多維尺度分析以及社會網絡分析等方法和相關軟件，構建這兩門學科的關鍵詞詞頻分布表、類團關系圖等，通過對所構建的兩個學科的共詞知識圖譜進行詳細比較對比，分析兩門學科的當前研究熱點、研究趨勢及前景。

2 研究方法及過程

2.1 數據來源

本文采用的數據來源于《中文社會科學引文索引》檢索系統。本文選取CSSCI1989～2013年收錄的期刊----鋼鐵研究學報和復合材料學報、電焊機和焊接技術做樣本，套錄該期刊文獻的所有題錄信息。具體方法：打開CSSCI檢索界面，收錄年限選定為1989～2013，在[來源文獻]檢索界面的[期刊名稱]中分別輸入“鋼鐵研究學報、復合材料學報和電焊機、焊接技術”期刊刊名，[匹配]限定為“精確”，同時[每屏顯示]設定為50條，套錄這些期刊在這一時期內文獻的題錄信息，然后將得到的數據分別整理后，分別得出在這一時期內材料學和焊接學題錄數據庫。然后通過利用C#自編的計算機程序，按照頻次由高到低排列，得到一個材料學和焊接學的關鍵詞排名，頻次總數分別是16 057個和21 622個。

2.2 數據處理說明

從兩個學科關鍵詞排序中分別截取一定頻次的關鍵詞，其中材料學關鍵詞截取詞頻大于22次、焊接學關鍵詞截取詞頻大于50次，由此，得出了兩個學科的99個和102個高頻關鍵詞。再將這些類似性質的關鍵詞進行歸整，從而分別確定了兩個學科的80個和63個高頻關鍵詞表，將這兩個關鍵詞表（見表1-1、表1-2）作為共詞分析我國材料工程學科的基礎。

2.3 構造關鍵詞共詞矩陣

2.3.1 構造原始共詞矩陣

由于以上兩個學科選定的關鍵詞是材料工程學科論文中出現頻率最高的詞，它們代表了當前我國材料工程學科的研究熱點。為了能進一步更好地反映這些關鍵詞之間的關系，本論文對這些高頻關鍵詞作如下處理：在已建立的題錄數據庫中，利用自編的計算機程序分別對兩個學科確定的80個和63個高頻關鍵詞兩兩進行共詞檢索，經過統計分析，得到了一個80×80的共詞矩陣（部分數據見表1-3）和一個63×63的共詞矩陣（部分數據見表1-4）。

以上兩個表格中的共詞矩陣是一個相關、對稱矩陣，對角線上的數據為該詞出現的頻次，主對角線單元格的數據為兩個關鍵詞共同出現的頻次。

2.3.2 構造相關矩陣

本文在對兩個學科的原始矩陣進行包容處理時采取Salton指數法，處理數據部分結果見表1-5和表1-6，Salton指數法的計算公式為[3]：S=Nij/（Ni×Nj）1/2（3-1）。其中，Ni，Nj分別表示關鍵詞i和j的頻次，Nij表示關鍵詞i和j共現的頻次。

以上兩個表格相關矩陣中的數字為相似數據，數字的大小表明了相應兩個關鍵詞之間的距離遠近，數值越大則表明關鍵詞之間的距離越近，相似度越好;反之，數值越小則表明關鍵詞之間的距離越遠，相似度越差。

2.3.3 構造相異矩陣

由于相關矩陣中的‘0’值過多，統計時容易造成誤差過大，為了方便進一步處理，兩個學科相異矩陣的部分數據詳見表1-7和表1-8。

以上兩個表格相異矩陣中的數據，正好與相關矩陣相反，數值越大則表明關鍵詞之間的距越遠，相似度越差;反之，數值越小則表明關鍵詞之間的距離越近，相似度越好。

2.4 聚類方法與聚類圖

具體方法：在SPSS17.0軟件界面中輸入要分析的相異矩陣，然后選擇[分析]――[分類]――[系統聚類]進行聚類分析。聚類方法選擇組間距離法;度量標準--區間選擇共詞聚類分析中最常用的歐氏距離（Euclideandistance）。

3.5 構建類團關系圖

類團關系圖主要用連線的粗細來明確類團間的關系強弱，類團間的關系強弱以連線的粗細來表示，兩個類團之間的連接線就越粗，說明他們之間的關系的關系越強，反之則亦然[4]。具體方法是首先計算出各個類團的內部聯系強度與其外部聯系強度，然后利用先進的社會網絡分析軟件pajek繪制出兩個學科的類團關系圖。通過對兩學科類團的形成、演化、新增及消失的過程研究，動態地揭示我國材料工程學科的研究的現狀、熱點及發展。

3 研究結果與分析

3.1總體狀況描述

材料學科（以鋼鐵研究學報和復合材料學報為代表）從1983年到2013年共有9 302篇論文，每種期刊年均155.03篇，平均每篇論文的關鍵詞數為1.73個。經過規整、縮減后，這一階段頻次不小于22次的高頻詞共80個，其中，復合材料、力學性能、顯微組織、有限元分析、層合板、數值模擬等出現200次以上，說明網絡環境下以復合材料為核心的材料性能分析是這一階段的研究熱點，具體分析內容主要體現在材料的力學性能分析、有限元分析、數值模擬分析等方面。

焊接學科（以電焊機和焊接技術為代表）從1984年到2013年共有11 778篇論文，每種期刊年均196.3篇，平均每篇論文的關鍵詞為1.84個。這一學科（焊接學科）論文總數與材料學科相比基本持平，但是篇均關鍵詞數卻略有上升。經過規整、縮減后，這一階段頻次不小于50次的高頻詞共63個，與材料學科相比，焊接工藝以2 368次居于首位，焊機、焊縫、焊接電源、焊接控制、焊接質量、焊接電流、電焊、埋弧焊、焊條等是出現200次上的高頻詞，可見，在該學科目前的主要研究熱點是焊接設備、焊接工藝、焊接工業參數等方面。這些方面的研究直接決定或影響到焊接質量和焊接效果，這也與生產實際緊密結合，充分體現了這一學科的實踐性。

3.2 研究主題的異同

從材料學科形成的聚類圖可以看出，我國材料學科的主要熱點研究領域、研究主題、研究熱點可以總結為以下幾個方面：

3.1.1 材料工藝、參數研究

這方面的研究是我國材料學科研究領域研究成果最豐碩的部分之一。該類團群主要包括“材料熱處理類團”“材料工藝性能研究類團”兩個類團。在該階段，從關鍵詞聚類分析結果來看，隨著有計算機技術、數據/值模擬仿真技術及材料熱處理技術的發展。材料學科研究動態主要表現在以下兩個方面：第一，材料分析、材料加工更加精準化。第二，材料熱處理參數、方法始終是材料學科發展的重點。

3.1.2 工程材料研究

工程材料研究始終是材料學科研究的主要方向。工程材料類團群主要包括金屬材料類團、非金屬材料類團、復合材料類團。金屬材料類團一直是材料學科發展的主流，各種有色金屬它們是現代各種機器零部件的生力軍，它們為材料學科的發展奠定了基礎。復合材料類團的研究是材料學科發展的延續和補充。在現當代化生產中，隨著對材料性能需求的日益提高，單純的金屬材料性能已經不能滿足各類機器零部件的使用要求，為此復合材料的研究被材料學家們納入了研究領域，并且自從復合材料進入研究領域開始，到現在，乃至未來，復合材料的研究都將經久不衰，這一點從關鍵詞詞頻分布都可以看出：復合材料出現的頻次排列第一、層合板、金屬基復合材料、高溫合金、陶瓷基復合材料、復合材料結構等關鍵詞的都屬于這一類團，并且頻次分布也很靠前。

3.1.3 材料性能缺陷研究

材料性能缺陷研究也是我國材料學科乃至全世界材料學科研究的主題。這一研究類團群主要包括材料加工方法類團和材料缺陷類團。材料缺陷類團包含的關鍵詞主要有：疲勞、裂紋、磨損、斷裂、夾雜物等，這些關鍵詞頻次的分布在本研究統計中占有相當的比重，由此可以看出怎樣預防材料的各種缺陷，提高材料的加工及使用性能，至關重要。緊接著引出了材料學家們所關注的材料的加工類團（轉爐、電弧爐、熱軋、冷軋、軋制等）。雖然這一類團群的關注度不如工程材料研究，也不如材料工藝參數的研究。但是無論從各種工程材料來說，還是從各種材料的工藝參數研究來說其目的都是怎樣去避免材料的各種缺陷，從而提高和改善材料的加工性能、使用性能，達到人們生產加工的目的。

從焊接學科的聚類圖可以看出，我國焊接學科的主要熱點研究領域、研究主題、研究熱點可以總結為以下幾個研究方向：

3.1.3.1 焊接工藝參數研究。同材料學科一樣，焊接學科的焊接接工藝參數研究是本學科的研究主題和重點。在這一類團群中焊接工藝這一關鍵詞在頻次表中出現的次數達到了2 368次，可見在焊接學科中，工藝參數研究所站的比重和地位。焊接工藝規范、焊接工藝參數、焊接手法等方面是這一類團研究的主題，而這一研究主題隨著焊接設備和焊接方法的不同焊接工藝亦有不同。

3.1.3.2 焊接類型方法研究。這一類團是一個大面類團，焊接類型和方法直接決定或影響焊接工藝、決定了焊接設備、焊接工具的選擇。這一類團的關鍵詞主要有：手工電弧焊、堆焊、焊接方法、激光焊接、攪拌摩擦焊、點焊、埋弧焊、釬焊、氬弧焊、氣體保護焊等。隨著焊接技術的發展及焊接質量要求的提高，該類團正朝著自動焊接、機器人焊接等自動化方向發展。

3.1.3.3 焊接工程、工具、材料研究。焊接工程、工具、材料這一類團群涉及焊接材料、焊接環境、焊接設備工具，從而間接地決定焊接方法的選擇、焊接工藝流程。這一研究類團，從各種焊接對象材料（管道、鋁合金、不銹鋼、奧氏體不銹鋼等）說起，涉及了焊接結構、焊接工程、工程建設及焊接應用。分析了焊條、藥芯焊絲的使用環境、使用方法等。這一主題類團的研究，是該學科研究的基礎，研究主題關鍵詞雖然詞頻分布沒有排在前列，但關鍵詞詞頻分布的范圍廣。未來該主題的研究將朝著細化焊接工具方向，具體可能以焊接工具研究所形式出現。

3.1.3.4 焊接質量控制研究。這一類團的研究主題是焊接學科研究的目的所在。不管焊接工藝如何合理、焊接方法如何選擇、焊機及焊接工具的選擇的多么具有針對性，其最終目的是獲得優質的焊接質量。在這一研究主題中，分析了各種焊接缺陷（裂紋、缺陷、變形等）各作者、學者提出了如何規避焊接缺陷的各種方法、技巧。目前這一研究主題隨著焊接材料的多樣化，生產要求的提高而日益嚴峻，機器人技術、自動焊技術的發展對焊接質量的提高起著決定性的作用，但其普及應用任重而道遠。

4 類團關系分析

確定了材料學科、焊接學科類團后，就可以研究各學科類團間的相互關系，找出哪些類團是核心類團，它與其他類團之間聯系密切;哪些類團是非核心類團，它與其他類團之間聯系疏松;哪些類團與其他任何類團都沒有任何關系，屬于相對獨立類團。為此，筆者根據各類團之間的內、外相互關系，利用pajek軟件繪制出了既能反映自身類團的內部聯系強度又能反映這個類團與其他類團的外部聯系強度的類團關系圖（如圖1-1、圖1-2所示）。在圖中，類團的內部聯系強弱用節點的大小來表示，節點越大，表明該類團的內部聯系強度越小，反之，則相反;節點連線的顏色深淺和連線的粗細程度和表示兩節點間的外部聯系強度，兩節點間連線顏色越深、連線越粗，則表示兩類團之間的外部聯系強度越大，反之，則相反。

圖1-2 焊接學類團關系圖

5 結語

本部分研究采用共詞分析方法，利用聚類分析、先進的社會網絡分析方法和軟件Pajek，分別繪制出材料學科和焊接學科兩學科的聚類圖、類團關系圖，對兩個學科：材料學科和焊接學科研究主題進行了較為詳細的對比分析。通過分析對比得出兩個學科的發展變化特點：

5.1 材料學科和焊接學科都屬于工學學科，其發展研究主題存在共性

從兩個學科的研究主題來看，我國材料學科研究領域、研究熱點體現在復合材料、材料工藝參數研究、材料性能缺陷研究上，而焊接學科體現在焊接工程、工具材料、焊接工藝參數研究、焊接質量（缺陷）控制上。兩個學科之間研究主題框架基本一致，其目的都是為了滿足生產實踐，都是為了規避缺陷（材料缺陷、焊接缺陷），提升加工質量。

5.2 熱點研究領域顯現新特征

兩大學科的熱點研究領域各有新特征：材料學科的陶瓷基復合材料、鋁基復合材料、有限元分析、數值模擬等;焊接學科的自動焊技術、機器人技術等。

5.3 兩個學科研究范圍和內容具有一定的連續性、階段性、變化性

兩個學科不論是材料學科還是焊接學科都是從工程材料研究到工藝參數研究，最后再到性能缺陷研究，整個研究過程呈現出連續性、穩定性、階段性、變化性的特點。每個階段在各自基礎上由細化整體上呈現發展性。

參考文獻：

[1] 秦長江.基于共詞知識圖譜的人文學科研究熱點可視化的實證研究[J].圖書館理論與實踐，2010（12）.

篇9

引言

作為一類新型材料，軟裝飾材料已經普遍用于當前諸多室內環境藝術設計過程中，而其帶來的效益主要可以體現在兩個方面，其一，環境方面，主要體現在環保、持續發展的方面；其二，保證室內環境設計的協調與格調。而軟裝飾材料用于裝飾過程，也可以表現出一定的藝術性，所以應當針對其運用事項以及運用方向進行深化解析，進而為后期改革奠定一定的基礎。而筆者將通過本文，就室內環境設計中如何應用軟裝飾包裝材料方面，展開具體的研究與分析。

軟裝飾包裝材料的風格分類

當前的軟裝飾包裝材料不僅僅種類比較多，并且具有的風格也具有多種，而具體的風格有以下幾種：一、歐美類的軟裝飾包裝材料種類越來越多，主要是此種類的材料往往給人一種簡潔，讓人感覺比較舒適，并且具有強烈的現代感。二、西方古典風格類的軟裝飾包裝材料在當前應用也比較廣泛，而其特色主要能將室內的簡單環境給人華麗高雅的感覺，并且其具有的問了復雜卻毫不凌亂。三、日式風格的軟裝飾包裝材料也占領著當前的室內裝修的一定比例，主要是因為其榻榻米等家具具有小巧不足空間的特點，且便于打理。四、在室內裝修最受國人追捧的一種風格便是國粹風格，所以當前具有我國刺繡藝術、水墨畫等藝術的軟裝飾包裝材料也比較受歡迎。

軟裝飾設計的優點

1.提升空間的美觀性

軟裝飾材料最大的優勢就是改進室內功能與運用，特別是在室內裝飾過程中，一般會采用硬件的裝飾保證住房構造符合相應標準，然后利用軟裝飾材料的優點，提升居住的整合環境效果，讓居住者能夠感覺到房屋的美觀以及舒心。此外，軟裝飾的類別、特征差異，對室內環境的影響也存在相應的差異性，這也需要設計者注意。

2.保證空間有效區分

軟裝飾材料除了可以按照以往的裝飾規則，達到對室內進行裝飾，同時還能保證對一些隱私進行遮擋，即如屏風等裝飾材料則可以達到遮擋效果，同時能夠將室內公共空間與隱私空間區分開來，進而促進居住環境的改變，而且在現代裝飾理念下，各類裝飾軟裝材料對環境的影響也具有差異性。

3.提升空間的豐富性

除了以上作用，軟裝飾材料的作用還可以體現在修整方面，即如一些房屋結構存在設計的缺陷，而利用材料的包裝和裝飾效果則可以實現相應的裝飾修復效益，而且還能在一定程度上解決空間之間的距離差異，進而保證家具的協調性與統一性，讓室內空間體現出更多的柔軟特點，同時還能調整窗戶大小，即如在窗戶裝飾細紋，就可以強化其空間代入效果，還能調節室內光線的明暗，并且體現出更多室內空間的豐富性。

室內環境設計中應用軟裝飾包裝材料的原則

1.聯想性

時代的變遷以及生活質量的不斷提升，人們需求也由物質需求轉變為精神需求，而室內環境裝修的單一性與枯燥性已經與當前多元化的時代背景格格不入，更無法適應人們更加豐富的居住體驗。而聯想性則是讓居住環境能夠對居住者產生一種誘導效果，即誘導他們對一些相關事務進行聯想，甚至可以激發人們對過去的回憶，而且這些事物的關聯性，則可以保證生活情趣、審美感受都有所提升。即如在室內窗簾裝飾設計過程中，不同的顏色往往會給人們產生不同的感受，例如綠色會讓人聯想到森林，從而獲得賞心悅目的感受，進而達到緩解疲勞，放松身心的效果；一些暖色則會讓人聯想到溫和、光明，從而讓他們能夠形成敞亮的心情。此外，還可以配合一些室內的毛絨玩具或布偶進行裝飾，即如一些動物的布偶配合綠色的窗簾，則能讓居住者獲得更多在自然居住的遐想，進而達到豐富居住體驗的效果。

2.簡約性

以往的室內環境設計往往為了表現力，不斷運用華麗、多樣的設計思想，導致設計過于豐富、繁瑣，而部分居住者雖然會因為暫時的視覺沖擊獲得吸引，但是因為長期觀賞，容易導致居住者的審美疲勞。所以運用軟裝飾包裝材料進行室內裝飾，則需要體現出簡約大氣的特點，當然，這種風格的形成往往需要多類軟裝飾材料的配合與協調。即如可以采用一些柔和、單純的裝飾材料對室內環境格調進行界定，保證配置的協調性與邏輯性；然后在運用一些點綴類軟裝飾材料保證室內的環境氣氛，同時實現返璞歸真的目標，而且能夠讓居住者放松心情，融入到簡單的居家生活中。

3.原則性

原則性主要體現在軟裝飾材料的運用方面，并不能完全取代基本的室內裝飾材料獨立，而是與其余建筑材料進行匹配協調，進而體現出室內環境設計的豐富性與靈活性，而且有些軟裝飾材料的運用原則則可以配合家具進行結合，進而達到映襯與關聯效果，進而讓室內環境設計形成一種特定的風格。

軟裝飾材料運用于室內環境設計

1.軟裝飾材料運用于格調設計

織物材料是一種常見的軟裝飾材料，而且不同的環境設計過程中，織物材料的特點也存在差異性，而且客觀來說，織物材料與環境設計存在主次聯系。而一般而言，床罩、地毯及掛壁是織物中比較多見的一類，而影響方向主要是對環境格調的影響，雖然不能夠改變整體的格調情況，但是能夠在整體格調發揮陪襯效果，因此，在室內環境格調設計中，要運用織物材料提升整體的格調表現，則應當保證織物材料與環境格調直接的主次聯系，進而體現出兩者的對比性與層次性。

2.軟裝飾材料運用于環境設計

設計者在利用軟裝飾材料進行環境裝飾時，首先需要注意配置的科學性，即如色彩整體的濃淡程度及花紋的特點，而且色彩的差異性往往會對居住者產生不同程度的心理影響，即如一些黑色灰色的色調，主要是代指線條的軌跡，同時讓人感覺到陌生且神秘，所以軟裝飾材料運用在環境設計前，設計者需要首先研究整體環境的風格特征，同時還需要結合當時的天氣、季節特點進行整體考慮。即如在冬季較冷的天氣，則應當運用一些紅色、黃色等暖色，讓人感受到溫暖與舒適，同時也能轉移自身對寒冷的過于關注。

3.軟裝飾材料的圖案運用

各類圖案外表、花紋特點在室內環境設計中也可以體現出各類風格與特征，而且按照邏輯與思維進行排布與配合，可以體現出規律性與變化性，給居住者帶來更多的感受。而且軟裝飾材料的圖案設計主要是需要保證圖案程度表現具有一定的規則性、繁雜性與持續性，給人以神秘，同時還可以體現出獨特的美感。而且在軟裝飾材料中的圖案設計中，還需要遵從民族性與宗教性，特別是對于居住者進行有效調查，進而在傳統的圖案裝飾進行一定的革新，同時還需要調查所在地區的文化特點、人文特點以及環境特點等等。

結語

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關鍵詞：微晶纖維素；二氧化錳；原位生成； Pb2+；復合分層材料

中圖分類號：X703.1；TS101.3 文獻標志碼：A

The Preparation and Absorption Performance of Microcrystalline Cellulose-based Hierarchical Composites

Abstract： In this paper， in-situ synthesis of manganese dioxide was carried out by using KMnO4 and MnSO4 as raw materials and microcrystalline cellulose as a carrier， and then the hierarchical composites were prepared. The microstructure and chemical composition of MnO2/cellulose were characterized by SEM， EDS， FT-IR and XPS. The effects of time and the concentration of the precursor KMnO4 on the adsorption of heavy metal ions were also discussed. The results showed that the layered composites MnO2/cellulose have the highest adsorption capacity to Pb2+ when the quality of the precursor KMnO4 was 4 mmol/L and the time was 400 min. The maximum adsorption capacity to Pb2+ can reach 265.3 mg/g.

Key words： microcrystalline cellulose； manganese dioxide； in-situ synthesis； Pb2+； hierarchical composites

針對含重金屬離子的工業廢水，研究、開發高效經濟的處理技術，具有重大的社會和環境意義。微晶纖維素是一種新興的纖維素家族的生物質功能材料，其成本較低、來源廣、可再生且生物降解性好，能夠創造較高的經濟效益。其較大的比表面積、微觀多孔結構以及豐富的羥基基團為加工成吸附材料提供了良好的基礎和依據。納米二氧化錳（MnO2）是一種兩性過渡金屬氧化物，具有很多獨特的性能，如尺寸小、比表面積大、吸附選擇性高。隨著納米粒徑的減小，二氧化錳表面光滑程度變差，形成凹凸不平的原子臺階，增加了化學反應的接觸面。另外，其表面含有豐富的羥基，對重金屬離子具有強烈的吸引和富集能力，對環境中污染物的貯存、遷移和轉化有著極其重要的作用。

本文以微晶纖維素為基材，采用原位生成和氧化還原結合法，以高錳酸鉀（KMnO4）和硫酸錳（MnSO4）為原料，在一定的反應條件下，通過Mn2+和MnO4-離子相互撞擊，在微晶纖維素（MCC）表面原位生成二氧化錳納米粒子，制備了單層覆蓋均勻的微晶纖維素基復合分層材料MCC-MnO2，并進行了結構表征。以Pb2+溶液模擬被污染的廢水，通過單因素分析法探討吸附r間t和前驅體高錳酸鉀（KMnO4）的摩爾濃度對吸附效果的影響。

1 試驗部分

1.1 原位生成微晶纖維素基復合分層材料

以3∶2的摩爾比稱取一定量的一水合硫酸錳（MnSO4?H2O）和高錳酸鉀（KMnO4），并將其分別溶解在150 mL和100 mL的去離子水中，待攪拌均勻后，稱取3.262 5 g微晶纖維素，將其投放在上述的硫酸錳溶液中，浸漬時間30 min，再將上述配制的高錳酸鉀溶液逐滴添加到硫酸錳與微晶纖維素的反應體系中，室溫下反應 6 h。

反應方程式如下：

2KMnO4+3MnSO4+2H2O=5MnO2+2H2SO4+K2SO4

反應結束后，將所得的產品離心分離，用去離子水洗滌數次，將產品置于50 ℃的烘箱中干燥24 h，最后收集產品，并將其儲存在恒溫恒濕干燥箱中，待后續測試用。

1.2 吸附性能測試

將0.2 g MCC-MnO2投入到100 mL濃度為500 mg/L的鉛離子（Pb2+）的溶液中，水浴震蕩 0 ～ 12 h后，按式（1）測量其對該金屬離子的吸附容量Q（mg/g）。

Q =（C0-C1）/m ×V （1）

式（1）中，C0、C1分別代表初始和吸附后的金屬離子溶液濃度，mg/L；V為溶液的體積，L；m為吸附劑質量，g；Q為吸附容量，mg/g。

2 結果與討論

2.1 微晶纖維素基復合分層材料的表征

2.1.1 掃描電鏡（SEM）分析

通過SEM觀察反應前后微晶纖維素的表面形貌。圖 1為前驅體高錳酸鉀在不同濃度下所制得的微晶纖維素基復合分層材料的微觀形貌的變化。

如圖 1 所示，（a）和（b）為典型的微晶纖維素的多孔結構形貌，由（c）―（h）可以看出，隨著高錳酸鉀濃度的增加，二氧化錳納米粒子負載量不斷增加，并伴隨有團聚現象出現。分析原因，可能是以下 3 個濃度范圍引起的：（1）如圖1（c）和（d）所示，當高錳酸鉀的濃度較低時（2 mmol/L），可以看到微晶纖維素表面二氧化錳晶胞的生成，但并沒有將微晶纖維素表面完全覆蓋，且當負載量較低時，晶胞生長不充分，導致像海星狀的二氧化錳不完整晶胞的形成；（2）當高錳酸鉀的濃度增加到 4 mmol/L時（圖1（e）和（f）），二氧化錳球晶體均勻覆蓋在微晶纖維素的表面，由（f）中空白的微晶纖維素表面可以看出屬于單層覆蓋，另外，從放大區域可以看出，粒徑約為200 nm左右，此時載體微晶纖維素的面積得到了充分運用；（3）繼續增加高錳酸鉀的濃度至 6 mmol/L，二氧化錳納米粒子會發生團聚甚至自組裝成較大的微粒，由于微晶纖維素載體面積有限，過量的二氧化錳會脫離纖維素的模板，如圖 1（g）中的圓圈所示。

2.1.2 外觀對比

圖 2 為不同高錳酸鉀濃度下微晶纖維素基復合分層材料的實物對比。

從圖 2 中可以看出，微晶纖維素為白色粉末狀固體，隨著前驅體高錳酸鉀的加入，材料顏色發生變化，且高錳酸鉀濃度越高，復合分層材料的顏色越深，逐漸從褐色轉變為黑色，表明微晶纖維素上二氧化錳的生成且二氧化錳的負載量隨著高錳酸鉀濃度的變化而變化。這與掃描電鏡的結果相一致。

2.1.3 微晶纖維素基復合材料的能譜（EDS）分析

采用能譜法分析MCC-MnO2表面的元素成分以及各個元素在表面的分布狀態。圖 3 為微晶纖維素基復合分層材料表面元素的直觀圖。

如圖 3 所示，纖維素基復合材料的表面主要含有C、O、Mn等 3 種元素，且其中的錳元素在微晶纖維素表面分布均勻，進一步證明該方法的合理性以及微晶纖維素表面的二氧化錳納米球分布的均勻性。

2.1.4 紅外光譜（FTIR）分析

為驗證復合材料的成功制備，利用紅外光譜對其結構進行了分析。圖 4 為MCC（曲線a）和MCC-MnO2（曲線b）的紅外光譜圖。

比較兩者的峰值可知，MCC-MnO2在613.2 cm-1處出現了Mn―O鍵的彎曲振動峰，說明微晶纖維素表面二氧化錳晶胞的生成。1 637.32 cm-1和 3 344.89 cm-1處分別為表面羥基的伸縮振動和彎曲振動吸收。另外，位于1 421 cm-1處的CH2彎曲振動峰以及891 cm-1處的C―O―C伸縮振動峰為纖維素結晶區的特征吸收峰，該兩峰在二氧化錳負載前后并未發生變化，表明二氧化錳負載后并沒有改變微晶纖維素的原始晶體結構。

2.1.5 X射線光電子能譜（XPS）測試

用X射線光電子能譜進一步測試了MCC-MnO2的元素狀態。圖5（a）為微晶纖維素（MCC）和微晶纖維素基復合分層材料（MCC-MnO2）的XPS全譜對照圖。從中可以看出，通過原位生成法制得的MCC-MnO2中Mn和O的相對含量與MCC相比有明顯變化，推測是二氧化錳在其表面負載所致。進一步對微晶纖維素基復合分層材料中的Mn2p窄譜峰做分析，從而分析得出錳的價態以及樣品的純度。圖5（b）顯示Mn2p的強度峰分別出現在結合能641.6 eV和653.5 eV處，分屬于氧化價態不同的Mn2p3/2和Mn2p1/2，能隙差ΔE =11.9 eV，這與二氧化錳的標準XPS譜圖一致。XPS結果與紅外光譜高度吻合，進一步表明單層覆蓋均勻的MCC-MnO2吸附材料制備成功。

2.2 吸附用

將Pb2+溶液的初始濃度設定為500 mg/L，稱取0.2 g不同前驅體高錳酸鉀濃度下所制得的MCC-MnO2置于100 mL上述溶液中，溫度設定為30 ℃，保持溶液原始pH值，水浴振蕩吸附時間分別設定為50、100、200、300、400、500和600 min后取上層清液，測定上層清液中重金屬離子濃度并計算吸附量，結果如圖 6 所示。

由圖 6 可知，初始微晶纖維素模板的吸附容量很小，只有24.8 mg/g，隨著纖維素模板上二氧化錳負載量的增加，MCC-MnO2對鉛離子的吸附容量呈現先上升后下降的趨勢。在一定范圍內，隨著二氧化錳負載量的增加，MCC-MnO2上的吸附位點增加，比表面積增大，從而吸附容量逐漸增大，但是當前驅體高錳酸鉀的濃度繼續增加到 6 mmol/L時，二氧化錳負載量進一步增大，此時二氧化錳會發生團聚甚至自組裝成較大的微粒，導致過量的二氧化錳顆粒脫離纖維素的模板，如圖1（g）、（h）所示，阻礙了復合材料對金屬離子的吸附。因此當前驅體高錳酸鉀濃度為 4 mmol/L時，吸附容量達到最大。

此外，MCC-MnO2對金屬離子的吸附是一個快速的過程，吸附效率比較高，在相對較短的時間內能達到平衡。當吸附時間為400 min時，對鉛離子吸附量最大，最大吸附容量高達265.3 mg/g。在吸附初始階段，由于較大的比表面積以及較多的表面活性位點，吸附速率較高；隨著時間的延長，復合材料上的吸附位點逐漸被占據，導致吸附速率趨于穩定，最終達到平衡。

3 Y論

（1）本研究以微晶纖維素為載體，高錳酸鉀和硫酸錳為原料，在MCC表面原位生成二氧化錳，成功制得微晶纖維素基復合分層材料MCC-MnO2；

（2）選擇Pb2+作為吸附對象，通過單因素分析法探討得出：當前驅體高錳酸鉀的濃度為 4 mmol/L、吸附時間為400 min時，MCC-MnO2的吸附容量最大，且對Pb2+的最大吸附容量為265.3 mg/g，與未經改性的微晶纖維素相比，吸附容量提高了 9 ～ 10倍。

參考文獻

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