高分子材料的光學性能范文

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較詳細地評述了高分子材料的研究方向和應(yīng)用發(fā)展方向.

關(guān)鍵詞：高分子材料 應(yīng)用 現(xiàn)狀 發(fā)展

高分子材料（macromolecular material），以高分子化合物為基礎(chǔ)的材料。高分子材料是由相對分子質(zhì)量較高的化合物構(gòu)成的材料，包括橡膠、塑料、纖維、涂料、膠粘劑和高分子基復(fù)合材料，高分子是生命存在的形式。所有的生命體都可以看作是高分子的集合。

高分子材料按來源分為天然、半合成（改性天然高分子材料）和合成高分子材料。天然高分子是生命起源和進化的基礎(chǔ)。人類社會一開始就利用天然高分子材料作為生活資料和生產(chǎn)資料，并掌握了其加工技術(shù)。如利用蠶絲、棉、毛織成織物，用木材、棉、麻造紙等。19世紀30年代末期，進入天然高分子化學改性階段，出現(xiàn)半合成高分子材料。1907年出現(xiàn)合成高分子酚醛樹脂，標志著人類應(yīng)用合成高分子材料的開始。現(xiàn)代，高分子材料已與金屬材料、無機非金屬材料相同，成為科學技術(shù)、經(jīng)濟建設(shè)中的重要材料。

高分子材料的結(jié)構(gòu)決定其性能，對結(jié)構(gòu)的控制和改性，可獲得不同特性的高分子材料。高分子材料獨特的結(jié)構(gòu)和易改性、易加工特點，使其具有其他材料不可比擬、不可取代的優(yōu)異性能，從而廣泛用于科學技術(shù)、國防建設(shè)和國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域，并已成為現(xiàn)代社會生活中衣食住行用各個方面不可缺少的材料。很多天然材料通常是高分子材料組成的，如天然橡膠、棉花、人體器官等

目前，高分子材料的應(yīng)用現(xiàn)狀主要有以下幾個方面：

1.傳統(tǒng)產(chǎn)品

如纖維、橡膠、塑料等等

2.高分子分離膜

高分子分離膜是用高分子材料制成的具有選擇性透過功能的半透性薄膜。采用這樣的半透性薄膜，以壓力差、溫度梯度、濃度梯度或電位差為動力，使氣體混合物、液體混合物或有機物、無機物的溶液等分離技術(shù)相比，具有省能、高效和潔凈等特點，因而被認為是支撐新技術(shù)革命的重大技術(shù)。

3.高分子磁性材料

高分子磁性材料，是人類在不斷開拓磁與高分子聚合物(合成樹脂、橡膠)的新應(yīng)用領(lǐng)域的同時，而賦予磁與高分子的傳統(tǒng)應(yīng)用以新的涵義和內(nèi)容的材料之一。早期磁性材料源于天然磁石，以后才利用磁鐵礦(鐵氧體)燒結(jié)或鑄造成磁性體，現(xiàn)在工業(yè)常用的磁性材料有三種，即鐵氧體磁鐵、稀土類磁鐵和鋁鎳鈷合金磁鐵等。它們的缺點是既硬且脆，加工性差。為了克服這些缺陷，將磁粉混煉于塑料或橡膠中制成的高分子磁性材料便應(yīng)運而生了。這樣制成的復(fù)合型高分子磁性材料，因具有比重輕、容易加工成尺寸精度高和復(fù)雜形狀的制品，還能與其它元件一體成型等特點，而越來越受到人們的關(guān)高分子材料。

4.光功能高分子材料

所謂光功能高分子材料，是指能夠?qū)膺M行透射、吸收、儲存、轉(zhuǎn)換的一類高分子材料。目前，這一類材料已有很多，主要包括光導(dǎo)材料、光記錄材料、光加工材料、光學用塑料(如塑料透鏡、接觸眼鏡等)、光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)材料、光顯示用材料、光導(dǎo)電用材料、光合作用材料等。光功能高分子材料在整個社會材料對光的透射，可以制成品種繁多的線性光學材料，像普通的安全玻璃、各種透鏡、棱鏡等;利用高分子材料曲線傳播特性，又可以開發(fā)出非線性光學元件，此外，利用高分子材料的光化學反應(yīng)，可以開發(fā)出在電子工業(yè)和印刷工業(yè)上得到廣泛使用的感光樹脂、光固化涂料及粘合劑;利用高分子材料的能量轉(zhuǎn)換特性，可制成光導(dǎo)電材料和光致變色材料;利用某些高分子材料的折光率隨機械應(yīng)力而變化的特性，可開發(fā)出光彈材料，用于研究力結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部的應(yīng)力分布等。

5.高分子復(fù)合材料

高分子材料和另外不同組成、不同形狀、不同性質(zhì)的物質(zhì)復(fù)合粘結(jié)而成的多相材料。高分子復(fù)合材料最大優(yōu)點是博各種材料之長，如高強度、質(zhì)輕、耐溫、耐腐蝕、絕熱、絕緣等性質(zhì)高分子結(jié)構(gòu)復(fù)合材料包括兩個組分：增強劑。為具有高強度、高模量、耐溫的纖維及織物，如玻璃纖維、氮化硅晶須、硼纖維及以上纖維的織物;基體材料。主要是起粘合作用的膠粘劑，如不飽合聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酰亞胺等熱固性樹脂及苯乙烯、聚丙烯等熱塑性樹脂，這種復(fù)合材料的比強度和比模量比金屬還高，是國防、尖端技術(shù)方面不可缺少的材料。

目前，我國高分子材料應(yīng)在進一步開發(fā)通用高分子材料品種、提高技術(shù)水平、擴大生產(chǎn)以滿足市場需要的基礎(chǔ)上，重點發(fā)展以下方向：

1.工程塑料

全世界通用熱塑性樹脂約占97%，工程塑料的生產(chǎn)規(guī)模遠不如通用塑料，但因市場的需求,近年來其發(fā)展的速度則遠遠高于通用塑料,年均增長率達7%~8%。近年來工程塑料的發(fā)展方向是研究開發(fā)工程塑料高分子合金、發(fā)展超韌尼龍、超韌聚甲醛、耐應(yīng)力開裂聚碳、聚苯醚和聚礬等高性能合金研究開發(fā)特種工程塑料,如聚酞亞胺。

2.復(fù)合材料

復(fù)合材料合成一種新材料使之滿足各種高要求的綜合指標。復(fù)合材料的發(fā)展可以分為4個方面。一是以玻璃纖維增強為手段,對大品種塑料進行改性研究開發(fā)新的復(fù)合工藝；二是采用高性能增強劑如碳纖維等來增強耐高溫等高性能樹脂；三是開發(fā)新型熱塑性樹脂基體如熱塑性聚酞亞胺；四是研究開發(fā)功能復(fù)合材料,如壓電材料等。

3. 液晶高分子材料

液晶聚合物是介于固體結(jié)晶和液體之間的中間狀態(tài)的聚合物 ,其分子排列的有序性雖不如固體晶體那樣有序,但也不是液體那樣的無序 ,而是具有一定的 一維或二維 有序性 ,當加工此種聚合物 ,如紡絲或注射成型時,其分子發(fā)生取向 這種分子取向一旦冷卻即被固定下來,從而具有不尋常的物理和機械性能。

篇2

關(guān)鍵詞：高分子材料；發(fā)展；應(yīng)用

隨著高分子材料應(yīng)用范圍的不斷拓展，作為一名高中學生，還是應(yīng)該對高分子材料的發(fā)展現(xiàn)狀以及應(yīng)用趨勢有一定的了解，這樣才能夠?qū)ξ磥淼纳钆c工作起到一定的鋪墊作用。

一、高分子材料含義與發(fā)展現(xiàn)狀

（一）高分子材料

高分子材料指的是多個重復(fù)單元共價連接，分子量很大一類的分子從而組成了相關(guān)的聚合物，并且還具有一定的粘彈性。現(xiàn)階段，高分子材料正逐漸朝著高功能化、復(fù)合化、高性能化等方向不斷發(fā)展。因此，我國高分子材料需要在通用性進一步開發(fā)的基礎(chǔ)上，偏向于高分子材料品種、技術(shù)水平以及生產(chǎn)的重點發(fā)展，這樣才能夠促進市場的發(fā)展需求[1]。

（二）發(fā)展現(xiàn)狀

為了滿足汽車工業(yè)、家用電器、電子信息等多個領(lǐng)域的需求，高分子材料重點發(fā)展主要是：第一，高性能化，如耐熱性、高機械性、耐腐蝕性以及耐久性等方面。第二，高功能化，如生物學、光學、力學等多種功能。第三，復(fù)合化。如復(fù)合材料，通常是基于高性能結(jié)構(gòu)的材料作為基本的符合材料組成。第四，智能化，如材料本身擁有一定的生物功能預(yù)知性，如識別能力、修復(fù)能力、反應(yīng)能力等。

二、高分子材料應(yīng)用趨勢

（一）具有記憶的高分子材料

1.熱響應(yīng)型

室溫以上的變形，室溫形態(tài)固定，同時可以進行長期的存放，當溫度再一次提升到特定，溫度，制件也可以迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)。針對這一能力，主要是在電子通訊、科學實驗、汽車保險杠、油田封井器等領(lǐng)域之中使用，具體如醫(yī)用器械、熱縮連接緊固件、光信息、座墊、泡沫塑料等。熱響應(yīng)型形狀的記憶高分子形變溫度很容易控制，并且制作相對漸變，目前是記憶高分子研究之中開發(fā)最為活躍的一個領(lǐng)域。尤其是形狀記憶纖維的開發(fā)利用，有利于紡織業(yè)發(fā)展的推動。

2.電/磁響應(yīng)型

屬于熱響應(yīng)形狀記憶功能高分子材料同具有一定導(dǎo)電性能的金屬粉末、導(dǎo)電炭黑以及導(dǎo)電高分子等復(fù)合材料。當電流產(chǎn)生熱量之后，就會提升材料的溫度，導(dǎo)致形狀恢復(fù)，不但擁有導(dǎo)電性能，同時也具有一定的形狀記憶功能。一般來說，在電子集束管、電磁屏蔽材料等電子通訊以及儀器儀表等領(lǐng)域之中得到廣泛的應(yīng)用[2]。

3.光響應(yīng)型

指的是將某一部分光感應(yīng)變色的基團引入到高分子的主鏈以及側(cè)鏈之中，一旦有紫外光照射，PCG就會出現(xiàn)光異構(gòu)化反應(yīng)，這樣就會改變分子鏈狀態(tài)，導(dǎo)致其宏觀形態(tài)也出現(xiàn)相應(yīng)的變化；當停止光照之后，PCG光構(gòu)化反應(yīng)就可以逆行，分子鏈會恢復(fù)到原本的狀態(tài)。主要用于光記錄材料、藥物緩釋劑、印刷材料等。

4.化學感應(yīng)型

材料的周邊介質(zhì)性質(zhì)的變化就可以將材料的變形以及形狀恢復(fù)激發(fā)出來。其條件主要是PH值扁你話、相變反應(yīng)、平衡離子置換等。這一類型的物質(zhì)，還存在部分的皂化聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等。這一材料主要是在“化學發(fā)動機”、蛋白質(zhì)或者是酶的分離膜中廣泛使用。

（二）水溶性高分子化合物

主要包含了水溶性的樹脂和聚合物。屬于一種擁有較強親水性的高分子材料，在水中可以溶解成為溶液。在分子結(jié)構(gòu)之中包含了陽離子、陰離子，極性非離子等親水基團，這樣就可以讓高分子材料擁有性、分散性以及減磨性等多種性能。其主要的種類包含了：

第一，淀粉、動植物膠以及纖維素等天然性的水溶高分析。第二，人工合成水溶高分析，主要包含了離子型、非離子型以及縮合類等。

其物理性能包含了分子量、溶解度、絮凝作用、分散作用、減阻作用等。

溶解度指的是每一分溶劑之中，溶質(zhì)溶解的平均值。一般來說，溶液之中的溶解溶質(zhì)要多于平均值，這個時候就稱之為過飽和溶液。所以，水溶性就是最重要的特性之一。分子量作為水溶性高分子的一大特性，其平均值就直接決定了高分子材料本身的性能。同時分子量分布，也會對分子量產(chǎn)生一定的影響。

分散作用指的是兩相界面之中分散劑有序的排列，這樣就可以確保分散體系本身的穩(wěn)定性。水溶性高分子屬于良好的分散劑，其本身具有疏水基團和親水基團，本身也擁有一定的表面活性能。

當存在一定量的電解質(zhì)，就會降低微粒的物理穩(wěn)定性，將其聚集成為絮狀，但是在振搖之后又能夠均勻的分散，這樣的作用就可以稱之為絮凝作用。水溶性高分子本身擁有極性基團，可以吸附水中的固體離子，這樣就能夠形成絮凝團。增稠劑本身屬于流變助劑，能夠讓低稠度的水性涂料增加粘稠度。

將高分子聚合物注入到流體之中，能夠降低流動阻力，這樣使用于降低流體流動阻力的化學劑就可以將其稱之為減阻劑。

三、結(jié)束語

總而言之，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，也帶動了高分子材料加工行業(yè)的不斷發(fā)展，雖然目前國內(nèi)的高分子材料的研究與應(yīng)用還與發(fā)達國家存在一定的差距，但是相信在廣大研究人員的努力下，我國高分子技術(shù)必定會發(fā)展的越來越迅速。作為高中生的我們，從現(xiàn)在開始，能夠認識其作用，相信在未來發(fā)展中，也可以貢獻自己的一份力。

參考文獻：

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關(guān)鍵詞： 光學膠； 超彈性； 黏彈性； 動態(tài)力學行為； 本構(gòu)模型； 靜態(tài)壓縮； 落球試驗

中圖分類號： TQ433； TB115.1文獻標志碼： B

引言

隨著消費電子產(chǎn)品功能的集成化、復(fù)雜化，大量的結(jié)構(gòu)連接通過黏膠黏結(jié)實現(xiàn).在當前最熱的移動終端市場，智能手機、平板電腦等結(jié)構(gòu)中均出現(xiàn)大量的黏膠.黏膠材料的動態(tài)力學行為對結(jié)構(gòu)可靠性的影響也越來越大.因此，在結(jié)構(gòu)仿真中，黏膠材料動態(tài)力學行為定義的準確性對結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果的影響變得越來越重要.

常見的黏膠為高分子材料，一方面高分子材料均具有非線性的彈和大變形特性——超彈性特性[1]；另一方面，高分子材料的力學行為均表現(xiàn)出顯著的時間相關(guān)性，即率相關(guān)性[2].高分子材料力學行為的復(fù)雜性，導(dǎo)致當前還不存在一個物理意義明確，既可以描述高分子材料超彈性，又可以準確描述率相關(guān)性的本構(gòu)模型.當前，對高分子材料超彈性的描述應(yīng)用比較廣泛的是建立在唯象理論基礎(chǔ)上的應(yīng)變能密度函數(shù)模型[3].對材料力學行為的率相關(guān)性定義的方法通常有2種：（1）以不同應(yīng)變率下的材料變形行為為基礎(chǔ)，通過對不同應(yīng)變率的力學行為進行插值，獲得材料的率相關(guān)特性[4]；（2）以特定與時間無關(guān)力學行為為基礎(chǔ)，通過引入與時間相關(guān)的函數(shù)方法對基準力學行為進行與時間相關(guān)的縮放，從而實現(xiàn)材料力學行為的率相關(guān)性描述[5].

本文選擇一種常見的光學膠為研究對象，基于Abaqus的超彈性和黏彈性材料模型，定義光學膠的動態(tài)力學性能，通過靜態(tài)壓縮和動態(tài)落球測試的仿真與試驗對比，基于Abaqus超彈性和黏彈性理論模型，對光學膠動態(tài)力學行為定義的有效性和準確性進行探討.

1試驗方法

1.1靜態(tài)壓縮試驗參數(shù)

測試設(shè)備為島津AG50kNX萬能試驗機，壓縮速度為0.1 mm/min，樣品尺寸為10 mm×10 mm×1 mm.

1.2動態(tài)落球測試參數(shù)

動態(tài)落球測試在自制的落球測試系統(tǒng)內(nèi)完成，動態(tài)落球測試系統(tǒng)示意見圖1.

圖 1動態(tài)落球測試系統(tǒng)示意

落球測試系統(tǒng)為三明治結(jié)構(gòu).光學膠由上、下2個墊塊夾持，落球?qū)ι蠅|塊施加一個沖擊載荷，光學膠作為載體，在下墊塊處產(chǎn)生一個沖擊力，通過力傳感器采集該動態(tài)沖擊力信號.落球高度不同，則施加在光學膠上的沖擊壓縮速度不同，從而在光學膠上產(chǎn)生不同沖擊壓縮速率作用，實現(xiàn)光學膠在不同應(yīng)變率下的變形工況.本文中具體動態(tài)落球測試參數(shù)見表1.表1動態(tài)落球測試參數(shù)落球質(zhì)量/g130樣品尺寸20 mm×20 mm×1 mm落球高度/mm5， 10， 15， 20

2仿真建模

2.1材料模型

本文選用的材料模型為Abaqus提供的超彈性和黏彈性理論模型.超彈性參數(shù)描述材料在靜態(tài)變形過程中的非線性彈；黏彈性參數(shù)的引入，起到隨應(yīng)變率縮放的效應(yīng)，從而實現(xiàn)材料力學性能與時間相關(guān)的率相關(guān)性.

Abaqus中對超彈性材料模型的定義存在多種應(yīng)變能函數(shù)形式：MooneyRivlin，Odgen和多項式等.本文選擇的模型為Marlow模型，直接采用測試數(shù)據(jù)定義即可.光學膠超彈性由單軸靜態(tài)壓縮數(shù)據(jù)進行定義.

2.2仿真模型

本文中靜態(tài)壓縮和動態(tài)落球仿真均采用Abaqus/Explicit分析.由于光學膠的大變形特性，選擇的單元類型為C3D8R，用沙漏控制.

3結(jié)果與討論

3.1靜態(tài)壓縮仿真與試驗

采用Abaqus/Explicit分析進行光學膠靜態(tài)壓縮仿真，計算時間為20 ms.考慮到準靜態(tài)分析的目的，在壓縮仿真時不考慮材料力學性能率相關(guān)特性，因此，材料卡片的定義不包括黏彈性（率相關(guān)性）.靜態(tài)壓縮仿真與試驗結(jié)果對比見圖2，可知，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果幾乎完全重合，表明超彈性模型對該光學膠非線性力學行為的定義和描述非常準確.圖 2靜態(tài)壓縮仿真與試驗結(jié)果對比4.2動態(tài)落球仿真與試驗對比

為驗證光學膠動態(tài)力學行為定義的準確性，本文采用自制的動態(tài)落球系統(tǒng)進行實際測試和仿真對比驗證.通過調(diào)整落球高度，實現(xiàn)光學膠在不同應(yīng)變率下的沖擊壓縮工況.不同高度落球仿真與試驗結(jié)果對比見圖3，可知，隨著跌落高度的增加，落球系統(tǒng)的接觸反力峰值增加，沖擊振動的周期減小；同時，在應(yīng)力波的周期和峰值方面，仿真與試驗結(jié)果均吻合較好.

另外，圖3存在3個方面的小差異：（1）在落球高度較低時（5和10 mm），起始階段仿真和試驗的沖擊波重合性很高，而在15和20 mm落球時，沖擊波起始階段存在一定差異；（2）峰值存在差異，仿真結(jié)果均大于試驗結(jié)果；（3）應(yīng)力波的下降階段均存在偏差.對于第一個差異點，可能與仿真接觸定義有關(guān)，上墊塊與光學膠的剛度差異較大，而本文采用簡單的通用接觸，并未對其接觸剛度約束進行詳細的定義，接觸阻尼等也沒有考慮，因此在仿真結(jié)果中，沖擊振動起始階段存在一些微小偏差.對于第二個差異點，在整個落球試驗仿真系統(tǒng)中，除黏膠引入黏彈性特性外，落球系統(tǒng)其他組成部分的材料阻尼、結(jié)構(gòu)阻尼等沒有被考慮，導(dǎo)致仿真結(jié)果與試驗結(jié)果在峰值上存在一點差異.對于差異點三，應(yīng)力波下降階段在落球試驗的過程中反映的是光學膠壓縮中的回彈階段，這個結(jié)果表明當前光學膠參數(shù)定義中其加載階段比較準確，但是其卸載行為還存在一定的偏差，這主要是由于光學膠的非線性力學行為的復(fù)雜性引起的.在高分子材料的加載和卸載過程中，由于Mullins效應(yīng)的存在，其加載路徑和卸載路徑并不重合.在Abaqus中對高分子材料Mullins效應(yīng)的定義提供理論模型，但是由于其無法與率相關(guān)性（黏彈性）同時使用，本文沒有引入.

在仿真與試驗對比的基礎(chǔ)上，給出在準靜態(tài)壓縮和動態(tài)落球時光學膠壓縮變形的應(yīng)變率分析結(jié)果，見圖4.

圖 4不同工況下光學膠變形應(yīng)變率對比

在靜態(tài)壓縮過程中，光學膠壓縮變形的應(yīng)變率為0.001 67 s-1；在動態(tài)落球仿真分析中，隨著落球高度的增加，光學膠的最大沖擊應(yīng)變率增加.當落球高度為5 mm時，光學膠的最大壓縮應(yīng)變率為18 s-1；當?shù)涓叨葹?0 mm時，光學膠的壓縮應(yīng)變率最大值接近50 s-1，光學膠變形的應(yīng)變率在10～50 s-1量級，該結(jié)果表明本文落球系統(tǒng)有效實現(xiàn)光學膠在高應(yīng)變率下的變形.結(jié)合二者的應(yīng)變率分析和仿真與試驗對比分析，在準靜態(tài)到高應(yīng)變率變形范圍內(nèi)，基于Abaqus超彈性和黏彈性定義的光學膠力學參數(shù)，有效且準確地描述光學膠的動態(tài)力學行為，仿真與試驗結(jié)果均吻合較好，充分說明基于Abaqus的超彈性和黏彈性模型的本構(gòu)定義，可以準確地描述光學膠的動態(tài)力學行為——非線性和率相關(guān)性.

4結(jié)論

從仿真與試驗對比的角度，分析基于Abaqus超彈性和黏彈性本構(gòu)模型，對黏膠動態(tài)力學行為定義的準確性和可靠性，得到以下結(jié)論.

（1）Abaqus提供較完備的定義高分子材料非線性力學行為及其率相關(guān)性的方法，可以準確地描述高分子材料動態(tài)力學行為——非線性彈性和率相關(guān)性.

（2）給出一種簡單、方便地驗證黏膠材料高應(yīng)變率力學行為的方法.

（3）在動態(tài)沖擊系統(tǒng)仿真中，接觸方式、阻尼等因素對結(jié)果存在一定影響，該部分工作還需進一步的研究.

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關(guān)鍵詞：構(gòu)建原則；創(chuàng)新思維；能力培養(yǎng)；教學模式

職業(yè)學校的化學教學是為了提高學生的化學素質(zhì)，為其他專業(yè)課程的學習打好基礎(chǔ)。在教學中不能僅關(guān)心提高課程內(nèi)容的理論水平，和化學學科知識技能的傳授，更重要是培養(yǎng)學生化學的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新意識，最終達到提高綜合國力的目的。特別是目前化學與社會、化學與材料、化學與能源、化學與環(huán)境、化學與生命科學等的關(guān)系越來越密切。社會、生活、生產(chǎn)、科學技術(shù)的創(chuàng)新對化學的需要也越來越大。因此原來的職業(yè)學校的化學教學模式，已落后于化學的發(fā)展。本文對職業(yè)學校的化學教學的新模式做些粗淺的探討。

一、化學教學模式的構(gòu)建原則

在教學模式在構(gòu)建過程中應(yīng)該遵循下面的原則：

1．基礎(chǔ)性原則。

職業(yè)學校的化學課程是其他專用課程的基礎(chǔ)，決定了化學教學是一種基礎(chǔ)性的課程，從構(gòu)建教學模式上來說，主要以化學基本知識的普及為框架滲透有關(guān)化學與社會的內(nèi)容。

2．社會價值原則。

職業(yè)學校的學生畢業(yè)就是社會的高素質(zhì)的勞動者，所以在教學模式上“化學與社會”內(nèi)容十分廣泛，作為新的教學模式上應(yīng)全程體現(xiàn)教學的社會價值。

3．實踐性原則。

化學是門實踐性比較強的課程，在教學模式構(gòu)建中，要重視實驗環(huán)節(jié)，使學生既掌握化學實驗技術(shù)，又培養(yǎng)學生獨立工作能力和科學研究與創(chuàng)新能力等，達到理論與實踐的統(tǒng)一。

4．發(fā)展性原則。

由于新材料、新技術(shù)、新能源、環(huán)境等方面是知識不斷出現(xiàn)，所以在教學模式上要體現(xiàn)現(xiàn)代課程意識，要不斷將動態(tài)的具有較高價值的新成果引入教學過程。在教學模式上要不斷改革。

二、化學教學新模式的類型

遵循上述原則，我們在課改實踐中總結(jié)出以下基本教學模式

1．主題型教學模式。

“化學—人類進步的關(guān)鍵”這個是化學新課程的總主題，在整個化學教學過程中應(yīng)該盡可能體現(xiàn)這一主題。在實際教學中我們根據(jù)知識體系的結(jié)構(gòu)采取不同的分主題來實施教學。氮族元素結(jié)合生物圈中氮的循環(huán)，聯(lián)系農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的氮肥，以氮肥為主題；化學反應(yīng)與能量、原電池原理以開發(fā)新能源為主題；硅和硅酸鹽工業(yè)、金屬和合成材料以材料為主題；如糖類、蛋白質(zhì)、油脂可以人類重要的營養(yǎng)物質(zhì)為主題；烴以石油化工為主題。

主體型教學模式可以使學生認識到自己所學內(nèi)容的社會價值及其實用性，有利于學生學習興趣的激發(fā)和保持。

2．用途聯(lián)系型模式。

在元素化合物教學中應(yīng)該將現(xiàn)代最新的有價值的有關(guān)元素化合物用途納入教學之中。如在鹵素學習時，可聯(lián)系海水化學資源的開發(fā)、利用和飲水與消毒化學；在學習NO的性質(zhì)時，可聯(lián)系醫(yī)學新成就，介紹NO對人體某些疾病的治療作用，然后提出問題：為什么大量NO吸入人體有害，而少量的NO吸入?yún)s能治療某些疾病？在硅和硅酸鹽學習時，可聯(lián)系新型無機高分子材料等；在學習有機高分子材料時，可聯(lián)系智能高分子材料、導(dǎo)點高分子材料、醫(yī)用高分子材料、可降解高分子材料、高吸水性高分子材料等。

用途聯(lián)系型模式使學生理解學習化學的重要性，激發(fā)學生學好化學的社會責任感。

3．情境滲透型模式。

對某些與中學基礎(chǔ)知識有密切關(guān)系的新的應(yīng)用型成果可采取情境滲透型模式。例如，進行晶體類型與性質(zhì)學習時，可以設(shè)定情境：將晶體缺陷對晶體生長、晶體的力學性能、電學性能、磁學性能和光學性能等有重要影響，如許多過渡金屬氧化物中的價態(tài)可以變化并形成非整比化合物，從而使晶體具有特意色彩等光學性質(zhì)，甚至具有半導(dǎo)性或超導(dǎo)性。討論具有NaCl型結(jié)構(gòu)的NiO晶體發(fā)生晶體缺陷形成的非整比化合物NiXO的結(jié)構(gòu)特征等。

情境滲透型模式，增加了學生學習的親和力，促進了知識間的聯(lián)系，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

4．實驗探究式模式。

化學是以實驗探究為基本特征的，因此，化學教學也應(yīng)體現(xiàn)這一特征，并將其作為化學教學的主模式。探究的內(nèi)容有物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化規(guī)律以及物質(zhì)的實用性等。在教學中，可把一些演示實驗改為邊講邊實驗，將驗證性實驗改為探索性實驗。如：聯(lián)系生物實驗“空氣中SO2含量的測定”，可讓學生聯(lián)系化學知識設(shè)計反應(yīng)原理，根據(jù)具體操作，提出問題：為什么抽拉活塞時不能過快也不能過慢？設(shè)計“HCO3－結(jié)合H＋容易還是CO32－結(jié)合H＋容易”等探索性實驗。

實驗探究式模式，發(fā)揮學生的積極性和主動性，激發(fā)學生的求知欲，進而引導(dǎo)學生去探索化學知識的價值活動。

5．調(diào)查研究型模式。

對于某些與社會聯(lián)系緊密的、具有開放性的問題可采用“調(diào)查研究型”策略。如：調(diào)查食品添加劑的用途、種類；調(diào)查合成洗滌劑的成分、性能、種類、價格；調(diào)查各種電源的組成、性能、價格、使用壽命等；調(diào)查工業(yè)污染的現(xiàn)狀并提出合理的建議等。

調(diào)查研究型模式，通過接觸社會、接觸生活的方式，進一步使學生認識到化學在社會生活中的應(yīng)用。

6．專題探究型模式。

化學與能源、材料、環(huán)境、人體健康、軍事等社會問題領(lǐng)域有著密切的聯(lián)系，教學中，可以將上述領(lǐng)域內(nèi)容作為專題組織學生進行交流討論。教師和學生可以通過查閱圖書資料、上網(wǎng)進行充分的討論前準備。

專題探究型模式，既拓寬了學生對化學的視野，又培養(yǎng)了學生多渠道獲取信息的能力，同時也很好的體現(xiàn)了教學的民主性。

綜上所述，面對知識經(jīng)濟的挑戰(zhàn)，聯(lián)系當前社會發(fā)展的實際，是構(gòu)建化學教學模式一種科學方法。職業(yè)學校里的化學教育，無論是從理論還是從實踐的角度來看，都是一個大型的系統(tǒng)工程。在教學中應(yīng)該根據(jù)教學內(nèi)容的不同合理的選擇不同的教學模式。

參考文獻

篇5

作為開創(chuàng)了手性大分子全新領(lǐng)域的手性導(dǎo)電高分子聚合物，對科學研究者產(chǎn)生了極大的吸引力。手性導(dǎo)電高分子聚合物的優(yōu)點在于：1、導(dǎo)電性能佳；2、在溶液里，能提現(xiàn)其良好的承受PH值發(fā)生轉(zhuǎn)變的能力；3、在溶液里，具有出色的氧化還原性；4、良好的手性選擇性；5、優(yōu)秀的分子識別能力。這些能力使其將來會在電化學開關(guān)、手性色譜、手性化學傳感器、膜層析技術(shù)及表面修飾電極等領(lǐng)域得到廣泛發(fā)展。手性分子在自然界中存在廣泛，天然氨基酸、簡單糖類等很多重要的生物藥劑，都是手性分子，最引人重視的是某種旋光對映異構(gòu)體，是它們唯一存在的結(jié)構(gòu)。手型結(jié)構(gòu)廣泛存在與生物大分子中，在生命系統(tǒng)中兼具著十分重要的職能，例如普遍存在于重要生物聚合物（DNA、核苷酸、蛋白質(zhì)）等螺旋狀的手性，手性控制更是藥物試驗中一個是關(guān)鍵的要素，針對手性藥物的設(shè)計和合成，在近幾十年來都采取了大量的研究。這里重點介紹新一類手性大分子，就是手性導(dǎo)電高分子聚合物。

當作為手性基質(zhì)或手性電極材料對具備手性的導(dǎo)電有機高分子聚合物進行使用時，后者一些諸如獨特的力學、電學和電化學特性會在使用過程中被表現(xiàn)出來。利用能被聚合物骨架官能團吸附的特性，微粒、動植物體內(nèi)的薄膜與納米纖維等都可以運用它們制作，應(yīng)用這些功能，可以在特定分子的識別、提純開展上開拓更廣闊的空間。

二、手性導(dǎo)電高分子聚合物的發(fā)展

Baughman等在1985年就提出，具有單一旋光性的純?nèi)〈虿⒌骄酆衔镦溕系氖中該诫s陰離子可以誘導(dǎo)共軛導(dǎo)電聚合物的π-π*吸收帶上的光學活性。前一種路徑主要應(yīng)用在合成一系列的手性聚吡咯及手性聚噻吩上，后者對于合成手性聚苯胺有很高的成功率。隨著對手性導(dǎo)電高分子聚合物研究的進一步加深，更多的有效的手性導(dǎo)電高分子聚合物合成路徑被研究者們報道出來。這些路徑在手性導(dǎo)電高分子聚合物合成領(lǐng)域做出極大的貢獻。

1.手性聚苯胺

手性聚苯胺作為一種特殊的導(dǎo)電聚合物，在電化學不對稱合成、手性拆分和電磁功能材料等方面有著良好的應(yīng)用前景。

合成手性聚苯胺的方法中，日常應(yīng)用比較廣的有電化學聚合法及二次摻雜法。

二次摻雜法合成手性聚苯胺的原理是基于手性摻雜離子的加入來增長聚苯胺鏈或預(yù)合成聚苯胺鏈。此類方法不能夠用于合成聚吡咯及聚噻吩。

電化學聚合法的作用機理是通過電極形成的電位差作為引發(fā)和反應(yīng)聚合反應(yīng)的驅(qū)動力，在適當?shù)碾娀瘜W條件下，苯胺在陽極上發(fā)生氧化聚合反應(yīng)，聚苯胺粉末就會粘附在電極表面薄膜或者沉積在電極表面，利用這種方式，就可以獲得聚苯胺。研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)電極電位可以令手性聚苯胺的旋光性產(chǎn)生變化，調(diào)整反應(yīng)溫度還可以改變聚苯胺主鏈構(gòu)型。

要生成單一螺旋鏈構(gòu)型的導(dǎo)電聚苯胺膜必須在左（或右）旋樟腦磺酸根離子存在的環(huán)境下對映體選擇電聚合。此薄膜出現(xiàn)強烈的圓二色性，左旋、右旋偏振光的吸收系數(shù)差值在445nm時達到0.16mol/c㎡。原子空間排列的穩(wěn)定劑，可以使用聚苯乙烯磺酸來充當，同時摻雜右（或左）旋樟腦磺酸，電化學聚合法可以用于手性聚苯胺膠體的制備，而且采取恒電位法也是適用的。同時，在摻雜過程里，為了誘導(dǎo)聚苯胺主鏈對映體選擇重排，可以利用手性樟腦磺酸采取單一螺旋構(gòu)型的方式，使得聚苯胺膠體具有旋光性。

手性聚苯胺的結(jié)構(gòu)及性能對于電化學聚合過程電位的高低很敏感。聚苯胺鏈和對映體選擇摻雜劑間的靜電力和氫鍵作用使得聚合物鏈優(yōu)先采取單向螺旋構(gòu)型，因此，手性誘導(dǎo)劑樟腦磺酸的濃度是決定螺旋構(gòu)型成長速率的關(guān)鍵。

此外，不同電極上苯胺聚合的初始氧化電位不同，假如電位定于初始氧化電位低時，在電聚合前就有一個明顯的孵化期，電位越低，孵化期越長，低聚物于孵化期慢慢生成。導(dǎo)電基底不同，孵化時間亦不同。減少或消除孵化期，可以通過調(diào)整電位進行。

利用電化學聚合法合成手性聚苯胺過程中，溫度的改變也促使聚苯胺主鏈螺旋型構(gòu)型的變化，所以，電化學沉積溫度對PANI·（+）-HCSA的手性具有中有影響。

手性導(dǎo)電聚苯胺具備很多優(yōu)秀獨特的性能，除了催化性能、電性能、電致顯色性能、電磁屏蔽以及吸波等，還具有旋光性。獨特的摻雜可逆特性讓手性導(dǎo)電聚苯胺在生物傳感器、手性識別等方面具有很大的潛在應(yīng)用前景。手性導(dǎo)電聚苯胺擴展了聚苯胺的應(yīng)用，磁屏蔽及吸波性能等，讓手性導(dǎo)電聚苯胺有望在制備電磁低損耗、質(zhì)輕、寬頻的吸波材料上得到很好的應(yīng)用。

2.手性聚吡咯

手性吡咯高分子聚合物被Baughman等在1985年通過聚吡咯單體的電聚合首次將手性取代基工價結(jié)合到吡咯的氮上而誕生，在波攤點機上沉積的穩(wěn)定聚吡咯，它的循環(huán)二色譜特征很明顯。隨后運用電聚合，研究者們成功的合成了3-取代吡咯環(huán)單體。新合成的取代吡咯聚合物對比于未取代的來說，導(dǎo)電性較低。取代基體積過大，致使聚合物鏈扭曲，可能是導(dǎo)致其導(dǎo)電性的主因。

手性聚吡咯可用于生物、離子檢測、超電容及防靜電材料及光電化學電池的修飾電極、蓄電池的電極材料。此外，還可以作為電磁屏蔽材料和氣體分離膜材料，用于電解電容、電催化、導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料等，應(yīng)用范圍很廣。

3.手性聚噻吩

類似芳香環(huán)的結(jié)構(gòu)令手性聚噻吩具有很好的環(huán)境穩(wěn)定性，合成方便，摻雜后擁有很高的導(dǎo)電性和發(fā)光性，這些都使它備受人們關(guān)注。作為高分子材料，聚噻吩尺寸極小，具有豐富的潛在功能，導(dǎo)電能力調(diào)控范圍包括絕緣到接近金屬內(nèi)，而且，經(jīng)過加工后還可以讓材料獲得電學、光學和力學等特性。

單體的化學、電化學的氧化是合成具有光學活性的手性聚噻吩的最常用方法，這次單體都是噻吩環(huán)3位取代手性產(chǎn)物。噻吩不溶于水的特性，令其氧化反應(yīng)多在溶液中發(fā)生。近來手性晶體排列的聚噻吩很多都是利用在膽固醇結(jié)構(gòu)晶體排列的溶劑中非手性噻吩的電化學合成的，或者利用帶有晶體排列的側(cè)基的聚合合成。生物聚合和金屬離子作側(cè)鏈的聚噻吩的絡(luò)合也是被應(yīng)用的。

參考文獻

[1]楊豐科，曹偉麗，李金芝，手性導(dǎo)電高分子聚合物的研究進展，材料導(dǎo)報，2011（25）

篇6

我國發(fā)展支持節(jié)能減排的化工新材料，主要是發(fā)展以下3類：高性能化、功能化通用聚合物材料，節(jié)約能源提高能效的化工新材料以及利用可再生能源的新材料。1.發(fā)展高性能化和功能化通用聚合物材料發(fā)展支持節(jié)能減排的化工新材料，首先是要發(fā)展高性能化、功能化通用聚合物材料，提高通用聚合物材料的性能，實現(xiàn)材料使用減量化，延長材料使用壽命。例如有機高分子材料就是一種高能量密度材料，其中通用聚合物材料產(chǎn)量大，應(yīng)用面廣。2011年，我國僅聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、丙烯-丁二烯-苯二烯（ABS）等合成樹脂的產(chǎn)量達到4798萬t。提高材料的性能和功能化水平，對材料使用合理化、減量化、延長使用壽命有重要作用，可以明顯減少凝結(jié)在材料中的資源和能源消耗，如現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中使用地膜通過提高強度減薄一半，大棚膜壽命延長一倍，其節(jié)材節(jié)能效果就高達50%。通用聚合物材料高性能化、功能化的技術(shù)路線主要有以下4種：①增加或改變共聚單體或調(diào)整共聚單體的比例。如氣相法或溶液法聚乙烯用丁烯-1做共聚單體改變成用己烯或辛烯共聚；丙烯與丁烯共聚生產(chǎn)高透明丙-丁共聚聚丙烯；調(diào)節(jié)醋酸乙烯含量，生產(chǎn)各種比例乙烯-醋酸乙烯共聚物。②開發(fā)新催化體系或改進現(xiàn)有的催化體系。如開發(fā)新外給電子體與氫氣和共聚單體共同調(diào)節(jié)聚丙烯的分子結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)新牌號聚丙烯材料；采用茂金屬催化體系取代齊格勒-納塔催化體系，生產(chǎn)新牌號聚乙烯、聚丙烯產(chǎn)品。③開發(fā)新聚合工藝與反應(yīng)器實現(xiàn)傳統(tǒng)合成材料的高性能化。如雙反應(yīng)器或多反應(yīng)器串聯(lián)工藝，生產(chǎn)雙峰分布的性能更優(yōu)異的聚烯烴產(chǎn)品；采用氣相法帶預(yù)聚合的臥式反應(yīng)器串聯(lián)工藝以更低的能耗生產(chǎn)均聚、無規(guī)共聚、共聚聚丙烯，尤其共聚產(chǎn)品分子鏈中允許有更高的橡膠相含量，因此有更高的抗沖擊性能；開發(fā)溶液聚合工藝生產(chǎn)具有優(yōu)異耐熱性、強度、韌性的聚丁烯-1；采用溶液聚合工藝生產(chǎn)的丁苯橡膠也是一種適合生產(chǎn)節(jié)能環(huán)保輪胎的新膠種。④共混或接枝改性提升通用聚合物合成材料的性能。如2種或多種聚合物共混改性；納米材料共混改性；聚合物接枝改性。2.發(fā)展節(jié)約能源提高能效的化工新材料我國單位GDP的能源消耗與國外先進水平有明顯差距（見表3）。這與我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中第三產(chǎn)業(yè)比例低有關(guān)，更和我國能源使用效率低有關(guān)。為此，發(fā)展節(jié)約能源提高能效的化工材料應(yīng)該受到重視，主要包括：提高汽車能效的化工新材料、建筑物節(jié)能材料和低能耗照明燈具材料。（1）提高汽車能效的化工新材料提高汽車能效的化工新材料有：汽車輕量化的化工新材料、高性能用材料和綠色輪胎用合成橡膠材料。①汽車輕量化的化工新材料包括低成本碳纖維及其熱固性和熱塑性復(fù)合材料，塑料油箱專用的聚乙烯、EVOH（乙烯/乙烯醇共聚物），替代擋風玻璃的高透光、高強、高韌聚合物，汽車專用聚丙烯等各種合成樹脂材料。②高性能用材料包括聚-烯烴類、茂金屬聚-烯烴、烷基萘等基礎(chǔ)油，以及改進油粘度指數(shù)、耐磨性、氧化安定性等性能的各類添加劑。③綠色輪胎用合成橡膠材料包括可降低輪胎滾動阻力、提高耐磨性和抗?jié)窕缘木G色輪胎用合成橡膠材料，包括溶聚丁苯橡膠、稀土異戊橡膠、丁二烯、異戊二烯、苯乙烯共聚的集成橡膠等。（2）建筑物節(jié)能材料建筑物節(jié)能材料包括：適合建筑物隔熱保溫的聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等基材；無公害阻燃技術(shù)生產(chǎn)的聚合物發(fā)泡墻體材料；長壽命隔熱隔音建筑物門窗結(jié)構(gòu)材料、密封材料。（3）低能耗照明燈具材料低能耗照明燈具材料包括：白色發(fā)光二極管（LED）材料、有機光半導(dǎo)體（OLED）材料。①白光LED材料在LED材料中，與太陽光一致的白光LED用途最廣泛。白光LED用熒光粉用綠、藍、紅三色熒光粉混配而成。要求開發(fā)具備高輝度、高演色性、溫度消光特性和良好的色彩再現(xiàn)性的三色熒光粉。②OLED材料OLED材料主要包括：OLED照明用耐老化底襯薄膜、有機發(fā)光材料、高透光耐老化面層薄膜。3.發(fā)展利用可再生能源的新材料利用可再生能源的新材料主要包括：太陽能熱發(fā)電用材料、太陽能光伏電池材料、風力發(fā)電用材料和儲能材料。（1）太陽能熱發(fā)電用材料太陽能熱發(fā)電用材料包括：可替代玻璃的耐老化、高強度、高韌性聚合物基材，涂敷用反射層材料。（2）太陽能光伏電池材料太陽能光伏電池材料包括：電池效率更高（＞20%）的晶硅材料；長壽命的組件材料，如可以替代玻璃或金屬的更低成本的輕量化、耐老化聚合物材料；有機薄膜太陽能材料，如耐光熱老化的背板薄膜材料，有機光電轉(zhuǎn)換材料，耐老化光學薄膜和封裝材料等。（3）風力發(fā)電用材料目前，風力發(fā)電呈現(xiàn)出了發(fā)電機功率越來越大、海上風電場快速發(fā)展、葉片長度不斷增加（已達120m）以及材料從玻璃纖維向碳纖維轉(zhuǎn)化等特點。適應(yīng)風電發(fā)展，要開發(fā)以下化工新材料：復(fù)合材料用新型樹脂材料，如環(huán)氧樹脂聚雙環(huán)戊二烯樹脂；風力發(fā)電機用高性能絕緣材料、材料、密封材料；海上風電機組防腐涂層材料。（4）儲能材料由于太陽能發(fā)電和風力發(fā)電的突出問題——電力輸出不穩(wěn)定，對電網(wǎng)的安全可靠運行影響大，所以發(fā)展分散式電能儲存裝備是一項可行措施。鈉硫電池、全釩電池、鋰電池是適合不穩(wěn)定電能儲存的3種主要的分散式儲能裝置，電池材料包括電解液、負極材料、正極材料、隔膜材料。為了適合儲能或動力性要求，電池要不斷提升能量密度、縮短充放電時間、提高循環(huán)壽命、改善安全性，因此必須不斷改善材料性能，開發(fā)新材料和新體系電池，如鋰硫電池、鋰空電池等。

二、發(fā)展服務(wù)環(huán)境保護的化工新材料

我國發(fā)展服務(wù)環(huán)境保護的化工新材料，主要是要發(fā)展用于廢氣處理的新材料，發(fā)展用于污水深度處理實現(xiàn)污水回用的膜材料和脫除污水中難降解有機物和重金屬的材料，以及發(fā)展生物基可降解的高分子材料。1.發(fā)展用于廢氣處理的新材料我國在治理大氣污染的過程中，必須高度重視工業(yè)過程排放氣中煙塵、SO2、NOx、微量有機物的深度脫除。2012年我國消費煤炭35.15億t，其中發(fā)電用煤占49%，其余大部分用于工業(yè)窯爐。目前，全國500多萬臺工業(yè)窯爐中95%使用煤炭做燃料，煤炭燃燒產(chǎn)生的煙氣中有一定量顆粒污染物、SO2、NOx，因此，煙氣深度除塵、脫硫、脫硝是治理大氣污染的最重要措施。此外，一些工業(yè)過程也會產(chǎn)生含塵尾氣，必須進行除塵處理；一些工業(yè)過程還會有含有微量有機物的尾氣排放。汽車尾氣中會有微量沒有充分燃燒的烴類和一氧化碳。（1）重視開發(fā)過濾除塵材料為了滿足工業(yè)過程排放氣體除塵的要求，必須要重視開發(fā)和發(fā)展適合不同溫度環(huán)境的過濾除塵材料，如芳綸、芳砜綸、聚酰亞胺纖維，以及與纖維織物復(fù)合的多孔聚四氟乙烯薄膜。（2）重視開發(fā)新型脫硝催化材料為了實現(xiàn)工業(yè)過程尾氣的深度脫硝，要重視新型脫硝催化材料的開發(fā)與生產(chǎn)，包括適合不同溫度尤其是低溫條件下具有高活性的脫NOx催化劑、高效脫NOx催化劑的低阻力降載體。（3）重視開發(fā)工業(yè)過程排放氣及汽車尾氣凈化材料工業(yè)過程排放氣中有機污染物及汽車尾氣凈化材料，包括：催化燃燒法脫除工業(yè)排放氣中微量有機物的高活性催化劑，尤其在低溫下具有良好活性的催化劑；能滿足第5階段、第6階段汽車尾氣排放要求和低貴金屬含量的汽車尾氣高效轉(zhuǎn)化催化劑及載體。2.發(fā)展污水處理材料我國淡水資源總量為28000億m3，僅占全球6%，人均占有2200m3，為世界平均水平的1/4，美國的1/5，列世界第109位。我國水資源的時間空間分布又很不均勻，北方地區(qū)淡水資源只有南方的1/4，全國有45%的國土面積年降水量小于400mm，且降水集中在6～9月，屬干旱缺水地區(qū)，全國669個大中城市有400多個城市常年淡水不足，嚴重缺水城市有108個，北京人均占有水資源量僅為世界人均的1/13，還不如一些干旱的阿拉伯國家。我國不僅水資源十分貧乏，而且還有大量的工業(yè)污水、養(yǎng)殖業(yè)污水和生活污水。為此，我國要針對自身水體污染的現(xiàn)狀、實現(xiàn)污水深度處理回用的要求，發(fā)展用于水處理化工新材料。諸如，我國要開發(fā)用于污水深度處理、實現(xiàn)污水回用的膜材料，發(fā)展脫除污水中難降解有機物和重金屬的材料。（1）水處理膜材料水處理膜材料，包括提高污水處理效率的膜生物反應(yīng)器用膜材料、污水深度處理用膜材料。在污水的深度處理方面，超濾與反滲透結(jié)合可以對污水深度處理，實現(xiàn)污水回用；另外，要發(fā)展高通量、高選擇性的超濾膜、反滲透膜，包括膜用材料（如醋酸纖維素、芳香族聚酰胺）和膜的骨架織物材料、膜組件材料。（2）脫除污水中難降解有機物和重金屬的材料脫除污水中難降解有機物和重金屬的材料，包括可見光條件下催化分解廢水中有機物的石墨烯基催化材料（石墨烯-ZnFe2O4）、可脫除水中重金屬和有機小分子的納米纖維親和膜。3.發(fā)展可降解生物基材料通用塑料的使用帶來了白色污染，而開發(fā)生物基可降解高分子材料是消除白色污染的重要途徑。生物基可降解高分子材料主要有以下3類：（1）聚乳酸聚乳酸是利用生物質(zhì)生產(chǎn)的可降解聚合物中生物碳利用率最高的高分子材料，被稱為21世紀最有發(fā)展前景的高分子材料。但是，聚乳酸存在玻璃化溫度低、加工過程容易降解、熱性能差等缺點。近年的研究已發(fā)現(xiàn)，在聚L-乳酸中摻入少量聚D-乳酸可以解決熱性能差的缺陷，提高聚乳酸的使用性能。（2）聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚丁二酸對苯二甲酸丁二酯(PBTS)利用生物質(zhì)生產(chǎn)丁二酸，丁二酸加氫生成丁二醇，利用丁二酸、丁二醇和PTA作為單體生產(chǎn)的PBS、PBTS，是使用性能較好的生物基高分子材料。（3）其他除了以上2類可降解生物基材料，還有利用生物質(zhì)或部分利用生物質(zhì)資源的新型可降解高分子材料，如聚羥基脂肪酸酯（PHA），CO2和環(huán)氧丙烷、環(huán)氧乙烷共聚得到的脂肪族聚碳酸酯、聚-己內(nèi)酯（PCL），PCL改性聚合物。

三、我國化工新材料發(fā)展中存在的問題與對策

篇7

摘要：

采用自制的特種炸藥利用爆轟法合成粒徑為50nm的納米CeO2。將納米CeO2以一定比例與環(huán)氧樹脂(EP)混合，采用澆鑄的方法制備納米CeO2改性的EP薄膜。利用設(shè)計的紫外老化試驗箱對制備的薄膜進行了21d加速老化試驗，對比測試純EP和改性EP老化前后薄膜的質(zhì)量和力學性能變化規(guī)律。結(jié)果表明：納米CeO2對紫外線表現(xiàn)出較強的屏蔽作用。當納米CeO2在EP中的質(zhì)量分數(shù)為0.8%時，改性EP薄膜對波長為254nm的紫外吸光度最大，EP薄膜的力學性能有所提高。相比純EP薄膜，添加納米CeO2后在紫外線條件下的使用壽命增加62%，對抗拉強度的保持率提高35%。

關(guān)鍵詞：

納米氧化鈰；紫外屏蔽；環(huán)氧樹脂；改性；老化

紫外輻射不僅對人類自身有傷害，還使一些高分子材料在使用過程中發(fā)生老化，導(dǎo)致其失去本來的利用價值，所帶來的危害越來越受到人們的重視。國內(nèi)外研究表明[12]，在高分子材料中添加紫外吸收劑可有效抵御紫外線對它的破壞作用，提高抗老化性能。傳統(tǒng)的紫外吸收劑通常為有機類化合物，如水楊酸酯類、苯酮類和受阻胺類等[3]。但傳統(tǒng)類紫外線吸收劑存在的缺點是本身為有機物，容易受紫外線破壞，影響其使用的持久性[4]。而且對紫外線的吸收具有選擇性，并對人體有一定毒害作用。納米CeO2是一種新型的無機紫外吸收劑，不僅對紫外線具有較好的屏蔽作用，而且對可見光具有較好的透過性，是一種寬波長的紫外屏蔽材料[5]。而且本身是無機物，在紫外線下的生存周期長，不易受侵害。本文作者采用炸藥爆轟合成的納米CeO2，通過改性環(huán)氧樹脂(EP)，以EP的質(zhì)量和力學性能(拉伸強度)的改變情況來表征納米CeO2對紫外線的屏蔽作用。

1實驗

1.1納米CeO2的爆轟法合成以Ce(NO3)3•6H2O、NH3NO3和蠟為原料制備得到具有雷管感度的炸藥。將該炸藥置于密閉爆炸容器中起爆，收集爆轟產(chǎn)物。將產(chǎn)物進行提純，利用馬弗爐600℃高溫煅燒60min。采用布魯克D8Advance型X射線衍射儀(XRD)分析爆灰的晶型，結(jié)果譜圖如圖1所示。利用軟件MDIJade對圖譜進行處理分析，按衍射曲線上4個最強峰所對應(yīng)的2θ角查PDF卡片，確定產(chǎn)物成分是CeO2。利用Scherrer公式：D=Kλ/(βcosθ)，計算納米CeO2粒徑。式中：D為平均顆粒粒徑；K為形狀因子，為0.89；λ為銅靶波長，為1.54060Å；β為半高寬，為0.157°；θ為衍射峰對應(yīng)的半衍射角度。取圖1中2θ=28.592º處特征峰(111)半高寬代入公式中，計算納米CeO2的晶體粒徑，為51.7nm。利用JEM2100型透射電子顯微鏡(TEM)觀察納米CeO2的尺寸，如圖2所示。顆粒粒徑在50nm左右，這與Scherrer公式計算結(jié)果一致。

1.2納米CeO2紫外屏蔽性能試驗將0.04%(質(zhì)量分數(shù))納米CeO2分散在去離子水中，加適量分散劑，超聲分散20min。利用Evolution220型紫外可見分光光度計(UV-Vis)，測試其在波長為190~400nm對紫外線的屏蔽作用。

1.3改性環(huán)氧樹脂抗老化試驗

1.3.1薄膜制備按照GB/T25672008[6]的規(guī)定，樣品采用澆鑄的方法制備。首先將CeO2分散在適量無水乙醇中，采用PS20A型桌面型超聲波清洗機超聲分散30min。在環(huán)氧樹脂中添加適量無水乙醇使其充分溶解，每100gEP中添加0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0和1.2gCeO2，攪拌15min后添加EP固化劑。在50℃條件下，高速攪拌加熱蒸發(fā)多余無水乙醇。超聲消泡后澆鑄到180mm×180mm見方，深度為1mm的模具中，室溫固化48h后脫模，在40℃加熱條件下放置72h。利用UV-Vis測試薄膜對紫外線的屏蔽作用，挑選紫外線波長為254nm吸光度A最大的做抗老化試驗。

1.3.2抗老化試驗參照GB/T164222006[7]，設(shè)計一個紫外老化試驗箱。老化條件為溫度60℃、254nm紫外線照射下加速老化21d。在溫度和紫外線的作用下，薄膜的性能發(fā)生變化：質(zhì)量減少和力學性能(拉伸強度)降低。質(zhì)量減少用質(zhì)量損失率ηm表示。按照GB/T25672008在CMT4254型微機控制電子萬能(拉力)試驗機進行拉伸試驗。研究CeO2對EP薄膜抗紫外老化的影響，影響結(jié)果以拉伸強度(TS)隨斷裂伸張率的變化來評定。

2結(jié)果與分析

2.1納米CeO2紫外屏蔽性能分析圖3所示為納米CeO2懸浮液的紫外吸收光譜圖。從圖3中可以看到，納米CeO2在濃度很低的情況下，在紫外線波長220~350nm范圍內(nèi)依舊存在較強的屏蔽作用，其最高吸收峰的吸光度A為0.69，而對大于400nm的可見光表現(xiàn)出較好的透過性。有研究表明[8]，CeO2電子結(jié)構(gòu)由充滿電子的價電子帶(O2p)和無電子空軌道形成的導(dǎo)帶(Ce4f)構(gòu)成，存在禁帶寬度Eg=3.1eV[9]。當一定能量的光線入射到CeO2粒子上時，比禁帶寬度能量大的光子被吸收，價電子帶的電子躍遷至導(dǎo)帶[10]，使CeO2具有吸收紫外線的能力。根據(jù)公式λg(nm)=1240/Eg(eV)，計算得出電子躍遷的臨界波長λg=400nm。所以，當入射光波長λ＜400nm時，CeO2電子結(jié)構(gòu)發(fā)生電子能級躍遷，使CeO2在190~400nm波段表現(xiàn)出強烈吸收紫外線的能力。且由于納米CeO2顆粒小，比表面積大，對紫外線具有較強的光散射和反射作用。

2.2納米CeO2改性環(huán)氧樹脂對紫外線的屏蔽特性老化試驗采用的紫外線波長為254nm，光能量為470kJ/mol，大于C—C的離鍵能(413kJ/mol)和C—H的離鍵能(347kJ/mol)[11]。當EP薄膜暴露在紫外線下，紫外線的能量使材料中的C—C和C—H等共價鍵斷裂，引起薄膜中成膜物質(zhì)分子鏈發(fā)生斷裂，形成活性游離基[12]。游離基能進一步加速起成膜作用的分子鏈發(fā)生降解，且材料處在60℃較高溫條件下使聚合物發(fā)生熱降解，最終導(dǎo)致薄膜老化[13]。為防止紫外線對EP薄膜的上述裂解破壞產(chǎn)生，在薄膜中添加納米CeO2來提高EP的抗紫外線性能，將紫外線通過物理轉(zhuǎn)化為熱能或其他波長光的形式來分散大部分能量，降低紫外線對材料的老化程度。以改性EP薄膜在紫外線波長為254nm的吸光度A與添加納米CeO2含量之間的關(guān)系作圖(見圖4)。由圖4可知，吸光度A隨著納米CeO2含量的增加而增大，當納米氧化鈰的含量為0.8%時，吸光度A達到最大值。當CeO2繼續(xù)增加時，A反而減小。這是由于納米CeO2顆粒的紫外吸收效果受顆粒本身分散效果的影響，分散性越好，紫外吸收越強。CeO2的量不斷增加，加劇了納米顆粒的團聚作用，導(dǎo)致在EP中分散效果下降。過多的顆粒發(fā)生團聚，CeO2對紫外線的接觸面減少，導(dǎo)致A下降。

2.3抗老化試驗

2.3.1EP質(zhì)量減少分析根據(jù)試驗結(jié)果，取多次試驗平均值，得到薄膜在60℃加熱、254nm紫外線條件下不同老化時間的質(zhì)量損失率ηm。將質(zhì)量損失率ηm與老化時間t作圖，并線性擬合，其結(jié)果如圖5所示。式(2)和(3)分別為兩者的擬合曲線方程，純EP擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為0.9971，EP-CeO2擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為0.9928。通過圖5可以直觀的看到，純EP和EP-CeO2兩個樣品在老化過程中質(zhì)量減少。純EP擬合曲線的增長趨勢明顯大于EP-CeO2擬合曲線的。為了更加清楚地比較兩者之間的差別，利用理論壽命來分析。根據(jù)GB/T110262012電氣絕緣材料試驗判斷標準的選擇[14]中規(guī)定，當ηm=3.0時，EP材料失效。將ηm=3.0代入式(2)和(3)中，分別求得t2=1291h，t3=2102h。這表明，EP經(jīng)納米CeO2改性處理后，在設(shè)定的紫外老化環(huán)境中，抗老化能力得到了提高，理論推測壽命增加了62.82%。

2.3.2EP力學性能改變分析純EP薄膜以及EP-CeO2的老化前后拉伸強度隨斷裂伸張率的變化情況如圖6所示。圖6(a)為老化前EP-CeO2和純EP的曲線圖。從圖6(a)中可以看到，添加納米CeO2后，EP的拉伸強度和斷裂伸長率均有所提高。圖6(b)為老化后EP-CeO2和純EP的曲線圖。與圖6(a)中曲線1和2相比，經(jīng)過老化之后，兩者的拉伸性能和斷裂伸長率均有所下降。為了更好地體現(xiàn)兩者老化前后的差距，利用式(4)計算拉伸強度保持率。老化前后相比得出，EP-CeO2的保持率E=67.17%，純EP的E=31.92%。可知，添加CeO2后，EP對于抗拉強度的保持率提高了35.25%。從中可以得出結(jié)論，在EP薄膜中添加納米CeO2后，提高了EP的抗紫外老化性能。納米顆粒由于表面配位不足，存在大量的懸空鍵，表現(xiàn)出強烈的表面效應(yīng)，易與高分子樹脂中的氧起鍵合作用[15]。納米粒子與高分子通過表面作用力提高彼此間的鍵力，構(gòu)成一個由共價鍵連接而成的界面層，實現(xiàn)無機納米粒子同有機高分子材料間的有效連接[16]。納米CeO2與EP基體形成結(jié)合良好的柔性過渡層，當環(huán)氧樹脂基體受外力拉伸時，可以轉(zhuǎn)移和分散應(yīng)力，使分子間不易分離，起到強化作用[17]。同時，由于納米氧化鈰的粒徑小，超大的比表面積使氧化鈰在樹脂體系中具有很大的接觸面積。當材料受外力作用時會產(chǎn)生比一般填料存在時更多的微裂紋，耗散更多的力，可以阻止和鈍化裂紋的進一步擴展，達到增韌的目的。

3結(jié)論

1)利用炸藥爆轟合成粒徑為50nm的納米CeO2，此納米CeO2在220~350nm波段表現(xiàn)出較強的紫外屏蔽作用。EP薄膜中添加0.8%的納米CeO2，薄膜對254nm的紫外線吸光度達到最大值，拉伸強度和斷裂伸長率均有所提高。2)在溫度為60℃、254nm紫外線的條件下老化21d。對比發(fā)現(xiàn)，添加納米CeO2后EP薄膜的使用壽命增加62%，對抗拉強度的保持率提高35%。由此得出，納米CeO2具有較強的紫外屏蔽作用，提高了EP對紫外線的抗老化能力。

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篇8

關(guān)鍵詞：納米 陶瓷膜

一、前言

陶瓷材料作為全球材料業(yè)的三大支柱之一，在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。但是由于存在脆性（裂紋）、均勻性差、可靠性低、韌性、強度較差等的缺陷，因而使其應(yīng)用受到了一定的限制。隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用，納米陶瓷隨之產(chǎn)生，它克服了陶瓷材料的許多不足，并對材料的力學、電學、熱學、磁光學等性能產(chǎn)生重要影響，為陶瓷材料的應(yīng)用開拓了新領(lǐng)域使陶瓷材料跨入了一個新的歷史時期。

納米陶瓷膜便是納米陶瓷材料的大家庭中的一種，其產(chǎn)生于21世紀初，具有分離效率高、效果穩(wěn)定、化學穩(wěn)定性好、耐酸堿、耐有機溶劑、耐菌、耐高溫、抗污染、機械強度高、膜再生性能好、分離過程簡單、能耗低、操作維護簡便、膜使用壽命長等眾多優(yōu)勢，并且對GPS信號無任何屏蔽作用。納米陶瓷隔熱膜是21世紀的航天領(lǐng)域高科技產(chǎn)品，該產(chǎn)品起先應(yīng)用于美國軍事、航空、航天領(lǐng)域。

二、正文

1.納米陶瓷膜簡介及研發(fā)歷史

陶瓷膜技術(shù)是膜技術(shù)中的翹楚，但20世紀80年達國家已在廣泛應(yīng)用時，中國在此領(lǐng)域卻還是一片空白。十幾年過去了，依靠自主創(chuàng)新，中國陶瓷膜技術(shù)從無到有，不僅打破了國外的封鎖與壟斷，還達到了國際領(lǐng)先水平。膜是一種高分子化學材料，它有無數(shù)個只能用微米甚至納米計算的小孔，既有分離、濃縮、凈化和脫鹽功能，又有高效、節(jié)能、環(huán)保、分子級過濾等特征。膜技術(shù)發(fā)明之后便廣泛運用于食品加工、水質(zhì)凈化、環(huán)境治理、制藥工業(yè)、化工與石油化工等領(lǐng)域，用來實現(xiàn)產(chǎn)品的凈化分離。陶瓷膜就是由經(jīng)過高溫燒結(jié)的陶瓷材料制成的分離膜。由于具有獨特的耐性，其一進入市場便成為膜領(lǐng)域發(fā)展最為迅速、也最有發(fā)展前景的品種之一。

到1989年底，南京工業(yè)大學徐南平院士才開始了在陶瓷膜領(lǐng)域的艱難探索。經(jīng)過二十多年的不懈奮斗與努力，中國在陶瓷膜領(lǐng)域不僅打破了西方的封鎖與壟斷，而且依靠自主創(chuàng)新達到了國際先進水平。

2.納米陶瓷膜特征與原理

相較于傳統(tǒng)聚合物分離膜材料，陶瓷膜具有化學穩(wěn)定性好，能耐酸、耐堿、耐有機溶劑；機械強度大，可反向沖洗；抗微生物能力強；耐高溫；孔徑分布窄、分離效率高等優(yōu)點，在食品工業(yè)、生物工程、環(huán)境工程、化學工業(yè)、石油化工、冶金工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其市場銷售額以30%的年增長率發(fā)展著。陶瓷膜的不足之處在于造價較高、無機材料脆性大、彈性小、給膜的成型加工及組件裝備帶來一定的困難。

陶瓷膜分離工藝是一種“錯流過濾”形式的流體分離過程：原料液在膜管內(nèi)高速流動，在壓力驅(qū)動下含小分子組分的澄清滲透液沿與之垂直方向向外透過膜，含大分子組分的混濁濃縮液被膜截留，從而使流體達到分離、濃縮、純化的目的。

陶瓷膜是由孔隙率30%～50%、孔徑50nm～15μm的陶瓷載體，采用溶膠-凝膠法或其它工藝制作而成的非對稱復(fù)合膜。用于分離的陶瓷膜的結(jié)構(gòu)通常為三明治式的：支撐層（又稱載體層）、過渡層（又稱中間層）、膜層（又稱分離層）。其中支撐層的孔徑一般為1～20μm，孔隙率為30%～65%，其作用是增加膜的機械強度；中間層的孔徑比支撐層的孔徑小，其作用是防止膜層制備過程中顆粒向多孔支撐層的滲透，厚度約為20～60μm，孔隙率為30%～40%；膜層具有分離功能，孔徑從0.8nm～1μm不等，厚度約為3～10μm，孔隙率為40%～55%。整個膜的孔徑分布由支撐層到膜層逐漸減小，形成不對稱的結(jié)構(gòu)分布。

陶瓷膜根據(jù)孔徑可分為微濾（孔徑大于50nm）、超濾（孔徑2～50nm）、納濾（孔徑小于2nm）等種類。進行分離時，在外力的作用下，小分子物質(zhì)透過膜，大分子物質(zhì)被膜截留，從而達到分離、濃縮、純化、去雜、除菌等目的。

3.納米陶瓷膜的優(yōu)勢

陶瓷隔熱膜系是由導(dǎo)電性物質(zhì)氮氧化物組成，具有獨特的分子結(jié)構(gòu)，是一種性能獨特并持久耐用的復(fù)合陶瓷膜結(jié)構(gòu)。因而其具有阻隔紅外線、分離效率高、效果穩(wěn)定、化學穩(wěn)定性好、耐酸堿、耐有機溶劑、耐菌、耐高溫、抗污染、機械強度高、膜再生性能好、分離過程簡單、能耗低、操作維護簡便、膜使用壽命長、隔熱性能好，質(zhì)量穩(wěn)定等眾多優(yōu)勢，并且對GPS信號無任何屏蔽作用。能夠保持最高的可見光透射率的同時，又能提供最高的紅外線和遠紅外線的反射。

4.納米陶瓷膜的研究現(xiàn)狀

納米陶瓷膜目前主要采用納米材料淀積技術(shù)，與PET表面涂布納米陶瓷有所不同，它是將納米陶瓷材料混合到PET基材顆粒，從而提高產(chǎn)品性能，使其達到前所未有的穩(wěn)定。在金屬膜的技術(shù)上通過納米陶瓷技術(shù)，采用先進的真空磁控濺射工藝，用精微的納米狀陶瓷物質(zhì)來制造，從而使產(chǎn)品對光進行智能濾光篩選，最大限度阻隔熱量，性能大大優(yōu)于單純金屬薄膜。此外，納米陶瓷膜的生產(chǎn)還采用了高隔熱低反光技術(shù)，一方面可以使薄膜有效隔熱率超過90%，提高室內(nèi)舒適度和節(jié)省能源；另一方面卻沒有增加薄膜的反光。通常提高隔熱能力的同時，總是要加強隔熱膜的反光，這樣會使得室內(nèi)可見光大量損失，并且使得通信信號大幅減弱；強烈的內(nèi)反光極易干擾視線，引起視覺疲勞。

5.納米陶瓷膜的應(yīng)用前景

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展和生活水平的提高，人們越來越重視節(jié)能和環(huán)。建筑物門窗玻璃、頂棚玻璃、汽車玻璃和船艦玻璃對可見光的透過性有較高的要求，但在滿足采光需要而使可見光透過的同時，太陽光的熱量也隨之傳遞。因此，對室內(nèi)溫度和空調(diào)制冷能耗產(chǎn)生一定程度的影響。在夏季這種影響特別顯著，透過玻璃窗進入室內(nèi)的太陽能量加大的了空調(diào)的載荷。通常空調(diào)的設(shè)定溫度與負荷具有如下關(guān)系：設(shè)定的制冷溫度提高2℃，制冷電力負荷將減少約20%；設(shè)定的制熱溫度調(diào)低2℃，制熱電力負荷將減少約30%。為了節(jié)約能源，人們采用了金屬鍍膜熱反射玻璃和各種熱反射貼膜，用以反射部分太陽光中的能量，從而達到隔熱降溫的目的。但是，這種做法對產(chǎn)品的應(yīng)用構(gòu)成影響，要么達不到預(yù)定的效果，要么加大了制作工藝成本。納米陶瓷膜出現(xiàn)，為透明隔熱問題的解決提供了新的途徑，具有廣闊的應(yīng)用前景及市場價值。目前在國內(nèi)，研發(fā)應(yīng)用此產(chǎn)品已經(jīng)引起了不少公司的關(guān)注。

三、結(jié)論

近幾十年來，陶瓷材料的應(yīng)用及發(fā)展是非常迅速的，陶瓷材料作為繼金屬材料、高分子材料后最有潛力的發(fā)展材料之一，它在各方面的綜合性能明顯優(yōu)于現(xiàn)在使用的金屬材料和高分子材料。陶瓷材料的應(yīng)用前景還是相當廣闊的，尤其是能源、信息、空間技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，更加拉動了具有特殊性能材料的應(yīng)用。相信在不久的將來，陶瓷材料會有更好、更快的發(fā)展，展示出其重要的應(yīng)用價值，為人類的文明發(fā)展做出重要貢獻。

參考文獻 ：

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關(guān)鍵詞：光散射；面散射；體散射；共混；共聚

光散射材料是指能夠使光通過而又能有效的散射光的材料。透光率和霧度是評定光散射材料的兩項主要指標。透光率是指透過試樣的光通量和射到試樣上的光通量之比。它是表征透明高分子材料透明程度的一個重要性能指標。霧度，又稱濁度，是透過試樣而偏離入射光方向的散射光與透射光通量之比，是材料內(nèi)部或表面上的不連續(xù)性或不規(guī)則性所造成。通常用霧度的大小來表征材料的光散射強弱。

光散射材料能將點、線光源轉(zhuǎn)化成線、面光源，可以作為面光源材料應(yīng)用指示標牌、廣告招牌、展示櫥窗、投影背墻以及壁掛式均勻照明光源等，也可以作為背光源材料應(yīng)用于液晶顯示，還可以與液晶元件復(fù)合制備高分子分散型散射元件。

1光散射產(chǎn)生的機理

如果媒質(zhì)的均勻性遭到破壞，即尺度達到波長數(shù)量級的鄰近媒質(zhì)小塊之間在光學性質(zhì)上（如折射率）有較大差異，在光波作用下，它們將成為強度差別較大的次波源，而且從它們到空間各點已有不可忽略的光程差，這些次波相干疊加的結(jié)果，光場中的強度分布將與上述均勻媒質(zhì)情形有所不同，這時，除了按幾何光學規(guī)律傳播的光線外，其他方向或多或少也有光線存在，這就是散射光，即產(chǎn)生了散射。對于不均勻形態(tài)較大的媒質(zhì)，光散射也可看作是反射和折射的綜合結(jié)果。

散射光強除了與入射光的波長、散射角有關(guān)外，還與散射體材料的折射率（N）和機體材料的折射率有關(guān)。目前，關(guān)于散射光強的計算理論，發(fā)展還不十分完善。

計算散射光強，最簡單的近似理論為Rayleigh-Gans-Debye(RGD)理論。對于半徑較大或折射率較大的粒子，要用Mie理論來計算光強。如果粒子達到Mie理論不適用時，就要用傳統(tǒng)的射線光學來處理。下面的公式可以用于聚合物光散射材料散射光強的近似計算：

Iv=KI0R3π3λ0-4(n2B-n2)［1+（8/3）2R2υ2sin2(θ/2)］-2



式中，K為常數(shù)，υ=2π/λ，λ為光在介質(zhì)中的波長，λ0為光在真空中的波長，θ為光散射角，n是介質(zhì)的平均折射率：n=nAVA+nBVB。

2光散射材料的分類



根據(jù)散射機理的不同可以將光散射材料分為：面散射材料和體散射材料。

傳統(tǒng)的光散射材料大多為面散射材料，采用面散射機理，即將透明板材或其它形狀制品的一個表面(一般為內(nèi)表面)打磨，涂層或?qū)⑵涑尚湍＞叩南鄳?yīng)面做噴砂或刻痕處理，利用它們粗糙的表面來產(chǎn)生光散射。這種材料的一個顯著缺點是：它不能較好地兼顧材料的光散射性和透明性，綜合性能較差。因而大大限制了它的應(yīng)用范圍。

體散射材料多為分散有光散射體的透明合成材料，起散射作用的散射體的尺寸等于或大于可見光波長。這種材料應(yīng)用了整體散射機理：即材料的內(nèi)部與表面均起散射作用，能夠很好地克服面散射所固有的弱點，制品具有高的光散射性，較好的透明性及優(yōu)異的綜合性能。目前，它已成為一種新型的背光源材料，逐漸在許多領(lǐng)域取代了傳統(tǒng)光散射材料，并進一步擴展了新的應(yīng)用領(lǐng)域如液晶顯示等。

另外，還有一種體-面散射材料，由產(chǎn)生體散射的基板和涂覆在基板上的能夠產(chǎn)生面散射的表面組成，即將消光顆粒與涂料共混，涂覆在基板表面，利用涂層的收縮形成表面微結(jié)構(gòu)，同時消光顆粒導(dǎo)致了涂層的光學非均一性，產(chǎn)生光散射。

3光散射材料的制備

3.1面散射材料的制備方法

通過對透明的基體材料表面進行磨砂處理，或利用特殊的成型模具或浮雕輥得到浮雕或噴砂效果的表面，利用材料表面的粗糙度得到散射效果；也有以表面凸凹起伏的高分子材料制備，巧妙設(shè)計表面的波紋實現(xiàn)材料的散射效應(yīng)。面散射材料的制備方法存在著顯著的缺點：一方面，散射光的量取決于刻痕和劃痕等的數(shù)量及分布，使散射發(fā)生的不均勻，另一方面折射率和透光率不易控制。

3.2體散射材料的制備方法

體散射材料的制備方法大致分為兩種：聚合法和共混法。

3.2.1聚合法

利用折光率有一定差異、相容性不太好的聚合物單體共聚合或采用分段聚合來制備光散射材料。具體又可分為以下幾種情況：

①將一種單體混合分散于透明的基體中，使單體聚合，生成的聚合物作為散射體，其折射率不同于透明基體的折射率，因而入射光產(chǎn)生光散射。

②將一種單體混合分散于一種透明材料中，使單體聚合，生成的聚合物作為基體，其折射率不同于透明材料，進而材料產(chǎn)生光散射。

③散射體材料是無機粒子或有機粒子，將散射體粒子分散于基體單體中，使單體聚合生成聚合物基體。

ISHIHARADAM等人以玻璃轉(zhuǎn)化溫度低于室溫的彈性體橡膠為基體材料，以折射率不同于基體的透明材料（可以是無機粒子或有機物）為散射體，通過聚合法制備了一種光散射材料，廣泛應(yīng)用于照明裝置，也可以作為燈箱廣告牌的面光源，還可以與透光管和光波導(dǎo)管聯(lián)用。由于基體的玻璃轉(zhuǎn)化溫度低于室溫，所以材料在室溫下即可操作加工。華南理工大學高峰等人，以不同分子量的聚苯乙烯作為散射材料，將其溶解在甲基丙烯酸甲酯中，通過原位聚合法制備了光散射材料，研究發(fā)現(xiàn)PS作為散射體分布在基體PMMA中能夠產(chǎn)生散射，PS的分子量要高于臨界分子量43900。當聚苯乙烯分子量大于43900，且其質(zhì)量分數(shù)為0.20%-0.3%時散射板性能最優(yōu)，透光率為73.0%，霧度為74.7%。

近年來，納米粒子摻雜有機玻璃制備新型復(fù)合材料廣受關(guān)注。張啟衛(wèi)等人通過原位聚合和同步溶膠-凝膠過程制備了PMMA/SiO2雜化材料，研究表明該材料有機/無機兩相間的相容性好，材料的透明性好，透光率可達80%左右。清華大學錢志勇等人以納米Al2O3、SiO2和CaO顆粒,采用三種不同粒度的納米顆粒利用在位分散法制備了以PMMA為基體的復(fù)合光散射材料，成功用于平板顯示。其研究指出：由于微粒的散射和納米粒子的結(jié)構(gòu)特點，隨著納米粒子粒度的減小,復(fù)合材料樣品板亮度增加,視角變大,整體光學性能變得優(yōu)異。中國專利03127636.9提供了一種納米硅改性有機玻璃光散射材料及制備方法。該方法先將納米SiO2粉末通過高頻超聲波震蕩混入MMA單體中，使其呈乳白色半透明狀，加入引發(fā)劑及其他組分真空脫氣后在90℃預(yù)聚合，冷卻灌漿入模后在25-100℃處理24-72小時即可得到光散射材料。材料的光譜透過曲線與本體材料相近，光散射分布均勻，可用作照明顯示器件。

3.2.2共混法

共混法是通過透明的聚合物基體材料和散射體粒子的共混制備光散射材料的方法。

在共混法中，散射體粒子的制備至關(guān)重要。歐洲專利EP0634445報道了一種核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合散射粒子，這種光散射復(fù)合物以類橡膠的乙烯基聚合物為核，具有一層或多層殼，散射體粒子中含有至少15%的烷基丙烯酸或烷基甲基丙烯酸。日本專利JP04161448中介紹的光散射材料，使用一種粉末狀的TiO2，外層涂有交聯(lián)球形環(huán)己順丁烯-二酰亞胺-苯乙烯共聚物作為散射體粒子，但是成本很高。美國專利Pat.Nos.5237004和5346954中使用了一種具有橡膠核熱塑殼的散射體粒子，能夠很好的分散于基體中，而基體的抗沖性能和物理性質(zhì)不受影響，而且核內(nèi)聚合物的折射率可以調(diào)節(jié)，也保證了基體良好的透光率。目前，大多數(shù)新型光散射材料是采用共混法生產(chǎn)的。因為這種方法與一般聚合物摻混的工藝過程非常類似，特別是對于用量最大的光散射板材，它能夠連續(xù)化生產(chǎn)，生產(chǎn)率較高。但是共混法制備光散射材料經(jīng)常會遇到一些問題，例如：粒子與基體材料的相容性差，不易分散于基體材料中；分散相粒子在基體中的分散性能差導(dǎo)致基體材料的透光率下降以及物理性能老化；材料的折光率不易調(diào)節(jié)，導(dǎo)致光學性質(zhì)不易調(diào)節(jié)；分散相粒子堅硬導(dǎo)致材料的抗沖擊性能變差等。如何行之有效地克服這些問題，將是今后共混法研究的方向。

4光散射材料的發(fā)展方向

目前，光散射材料在照明領(lǐng)域和顯示領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，隨著光散射材料性能的不斷提高和完備，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M一步擴大。一些具備特殊功能的光散射材料將會不斷被開發(fā)出來，例如熱可逆記錄材料和表面具有自清潔功能的光散射材料等。由于納米技術(shù)的飛速發(fā)展，無機摻雜聚合物制備復(fù)合光散射材料也將成為研究的一個熱點。



參考文獻

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篇10

關(guān)鍵詞：通用飛機；風擋玻璃；低成本制作

引言

隨著中國低空空域不斷放開的政策引導(dǎo)下，使得中國通用飛機市場成為全世界通用航空業(yè)者最垂涎的“蛋糕”。龐巴迪、灣流、塞斯納、豪客比奇等世界知名通用飛機制造商紛紛展開在國內(nèi)合作項目。在國家及地方政策大力扶持下，各地正新建數(shù)十個航空產(chǎn)業(yè)地基。中國通航產(chǎn)業(yè)市場正在步入高速發(fā)展階段。在未來幾年中，國內(nèi)通用飛機持有量即制造數(shù)量將呈幾何級數(shù)增長。

風擋玻璃作為通用飛機的一項不可或缺的關(guān)鍵零件，因其獨特的加工工藝技術(shù)及零件薄、尺寸大、外形復(fù)雜、批產(chǎn)量大、低制造成本的產(chǎn)品特點，使國內(nèi)通用飛機風擋玻璃制造技術(shù)及制造產(chǎn)業(yè)相對空白。面對國內(nèi)通用飛機市場巨大的需求，加速完善國內(nèi)通用飛機產(chǎn)業(yè)鏈條，搶占市場先機。有必要大力發(fā)展飛機風擋玻璃低成本制作技術(shù)。

1 通用飛機風擋玻璃產(chǎn)品介紹

小型通用飛機風擋普遍采用單塊鑄造丙稀酸脂有機玻璃，其設(shè)計尺寸大，無中央隔框，平面投影面積約2m×1m，厚度約3-5mm。在保證飛機氣動性能的同時，給內(nèi)部乘員提供良好的視界，還能使飛機外觀時尚美觀。

2 風擋玻璃材料選擇

座艙蓋透明件材料要求具有良好的光學性能，透光度應(yīng)在90%以上，能為飛行員提供清晰的視界，同時又要具有一定的綜合力學性能，可以承受一定載荷作用。目前用于座艙蓋透明件的材料有兩大類，一類為丙稀酸脂材料，另一類為聚碳酸脂材料。

聚碳酸脂材料優(yōu)點是韌性好，疲勞強度和抗沖擊強度高，缺點是硬度低，使用中易磨損和劃傷，需要在表面涂一層耐磨油脂，另外透光度（88-91%）比丙稀酸脂材料（91%）略低。但由于透光度難以達到要求，聚碳酸脂材料使用并不普遍。

丙稀酸脂材料優(yōu)點是透光度高，具有一定的硬度，缺點是比較脆。目前飛機座艙蓋透明件普遍采用丙稀酸脂材料。丙稀酸脂又分為拉伸丙稀酸脂（也稱定向有機玻璃）和鑄造丙稀酸脂（也稱非定向有機玻璃）兩種，拉伸丙稀酸脂與鑄造丙稀酸脂相比，韌性好、疲勞強度和抗沖擊強度高，由于拉伸丙稀酸脂需要吹塑成形，其成形技術(shù)難度高、制造成本高。對于通用飛機風擋外形太復(fù)雜、制造成本低的原因，只能選用鑄造丙稀酸脂材料。

3 某型飛機風擋加工過程介紹

3.1 典型工藝流程圖（見圖1）

3.2 典型工藝流程

（1）原材料儲存

原材料尺寸36"×72"，室溫下儲存，濕度不高于70%，環(huán)境無大量灰塵。

（2）原材料檢驗

去除保護紙并檢驗材料厚度及表面質(zhì)量，是否存在劃傷、氣泡、雜質(zhì)、裂痕等質(zhì)量缺陷。

（3）成型前的準備

檢查成型工裝胎面是否潔凈，成型工裝胎面須在成型4-6架份后，在胎面上重新均勻撒嬰兒爽身粉（中性）。成型工裝胎面每兩年更換氈布。然后將材料懸掛至滑軌上，使用中性肥皂水對玻璃兩面進行清洗。

（4）材料加熱

將材料懸掛至烘箱滑軌，并送至烘箱內(nèi)加熱。升溫至160±5℃，并保溫14min。

（5）零件成型

零件出爐時，工人應(yīng)迅速、動作協(xié)調(diào)一致，將零件取下。材料需在5秒鐘內(nèi)放到工裝胎面上。兩名工人端起風擋材料應(yīng)同時置于工裝胎面上，不允許將零件離開胎面重新調(diào)整，并且材料兩端余量應(yīng)相當。

然后迅速將成型工裝上蓋板扣下，并進行人工壓緊。在材料冷卻10分鐘后，對材料表面按零件邊緣線進行標記，最后取下。

如果零件成型后出現(xiàn)折皺等質(zhì)量缺陷，可將玻璃回爐重新加熱成型。經(jīng)驗表明重新成型次數(shù)不能超過3次。

（6）光學檢驗

成型后的零件在暗室中對著光柵檢驗零件的光學性能。對出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷進行打磨返修或者回爐返工。

（7）零件回火

零件在70±5℃的封閉潔凈空間內(nèi)，回火12-20小時。以便消除零件成型時產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力。

（8）噴涂膠衣

為防止在儲存、周轉(zhuǎn)、裝配的過程中零件表面受到劃傷，對零件表面噴涂保護膠衣。

（9）切割零件

將零件放至銑切工裝上，按銑切工裝托架邊緣銑切零件外形，并去除銳邊及毛刺。銑切工具選擇轉(zhuǎn)速為20000轉(zhuǎn)/分鐘的高速手持銑槍。切割時應(yīng)注意銑刀與零件表面盡量成垂直狀態(tài)，避免銑到零件邊緣線內(nèi)。

（10）終檢打包

對零件進行最終檢驗，并貼零件標示后進行包裝周轉(zhuǎn)。

4 設(shè)備配備

4.1 烘箱

設(shè)備工作溫度160℃，爐溫均勻性±5℃。采用熱風循環(huán)加熱方式，循環(huán)方式采用上下流動形式，加熱空氣有過濾裝置，保證加熱空氣相對潔凈。烘箱帶有上掛式滑道。有溫度自動記錄系統(tǒng)及報警系統(tǒng)。烘箱內(nèi)腔尺寸不小于2.5m（長）×1.2m（寬）×2m（高），有效加熱面積不小于2m（長）×1.5m（高）。

4.2 回火加熱設(shè)備

可將40m2封閉區(qū)域加熱至70℃，爐溫均勻性±5℃。采用熱風循環(huán)加熱方式，加熱空氣有過濾裝置，保證加熱空氣相對潔凈。有溫度自動記錄系統(tǒng)及報警系統(tǒng)。

4.3 工具

4.4 工裝

5 常見的質(zhì)量問題

（1）霧氣：透過玻璃觀察，存在霧氣般的模糊。

產(chǎn)生原因：使用不當?shù)那鍧崉ㄈ缇凭龋?/p>

解決措施：可通過對玻璃表面進行拋光消除。

（2）細紋：玻璃內(nèi)部有裂痕，出現(xiàn)銀紋現(xiàn)象。

產(chǎn)生原因：玻璃在成型、回火、切割工序中由于內(nèi)部應(yīng)力釋放不均產(chǎn)生的。

解決措施：無

（3）劃傷：玻璃表面不同程度的凹陷。

產(chǎn)生原因：玻璃表面保護不當，在制造、周轉(zhuǎn)等工序中對零件表面產(chǎn)生的劃傷。

解決措施：測量劃傷深度及面積。對于一定程度的劃傷可通過打磨和拋光進行消除。

（4）畸變：玻璃的光學性能發(fā)生變形。

產(chǎn)生原因：由于對玻璃表面進行打磨、拋光不均勻，產(chǎn)生的視覺差異。

解決措施：通過光柵檢驗，劃定畸變區(qū)域，進行進一步的打磨、拋光，直至完全消除。

6 結(jié)束語

通用飛機風擋玻璃成型工藝及工藝參數(shù)經(jīng)過試驗應(yīng)證，不僅效率高，而且合格率高。實踐證明上述成型工藝技術(shù)可行，而且滿足產(chǎn)量大、低成本制造的要求。

參考文獻

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