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传闻:华测检测CRO项目正在试运营。
记者求证:记者致电公司证券部,工作人员表示该项目正在试运营,计划明年可投产
华测检测(300012)是中国第三方检测与验证服务公司。近年来,随着国内市场对环境的愈发重视,公司的环境检测业务实现了快速增长,目前环境实验室已在全国布点,为客户提供土壤、空气、水质、噪音等项目的一站式检测服务。
近日公司在在投资者关系互动平台上表示,公司CRO项目正在按计划展开,目前正在试运营,该项目需要试运营一段时间后才能申请资质,正式投产。
资料显示,2010年11月,公司募投资金5000万元投入“华测临床前CRO(合同研究组织)研究基地项目”,截至2013年末,该项目投资进度为32.85%。项目一期建设总投资为0.9亿元,建成投产后,临床前CRO研究能力将达到100-150项/年,产值1.2亿元/年的临床前CRO研究服务能力,建设期2年。预计项目年平均利润总额为1304.4万元,投资利润率为15.60%。
有券商报告指出我国临床前CRO发展状况好,产值增速达到30%以上。而近期昆山高新产业投资有限公司购置机器并授权委托苏州华测经营管理,说明该项目符合当地的发展规划,也证明了公司管理层对于未来规划的把握和项目的选择十分到位,并从侧面反映出临床前CRO行业在昆山当地竞争情况并不激烈,行业空间很大。“完工后会试运营一年,预计在明后年产生收益,此后有望每年为公司带来超过1300万净利润。”分析人士表示。
东睦股份:特斯拉汽车配套零件已在试生产
传闻:东睦股份新能源汽车配套零件已在试生产。
记者求证:记者致电公司证券部,工作人员证实该消息属实,但正式生产还要看具体进度而定。
东睦股份(600114)近日公布了半年报,公司称报告期内实现营业收入6.08亿元,同比增4.96%;实现净利润6063.59万元,同比增59.18%。公司上半年的营业收入完成了年度计划的46.69%,净利润完成年度预算计划的54.39%。
对于业绩增长,公司表示毛利率较高的粉末冶金汽车零件销量增长是公司业绩增长主要推动力。半年报显示上半年公司粉末冶金汽车零件销售额同比增长12.83%,粉末冶金制冷压缩机零件销售额增长3.14%,汽车零部件占整体收入的水平上升至51.84%。值得注意的是,公司在半年报中提示,报告期内公司为特斯拉等新能源汽车配套的用于前后两个逆变器齿轮箱壳体和前后两个马达终端壳体的粉末冶金零件已在试生产,这也意味着东睦股份成为名副其实的“特斯拉”概念股。
申银万国于研报称,东睦股份新产品投产进度符合预期,企业盈利水平显著加强,为特斯拉汽车零部件试生产展示了公司扎实先进的技术不断转化为新产品的实际行动。预计看好新品持续释放带来的业绩增长,预计公司全年销售收入将同比增长15%。
银河证券则认为,从字面理解,公司可能的下游客户应包括但不限于特斯拉,不排除公司已进入其他新能源汽车供货体系可能性。上述两家券商均给予东睦股份“买入”评级。
万华化学: MDI价格调涨提升业绩预期
传闻:万华化学聚合MDI价格调涨。
记者求证:记者致电公司证券部,工作人员表示聚合MDI挂牌结算价较7月涨500元/吨。
万华化学(600309)作为MDI世界龙头企业,有消息称8月聚合MDI挂牌结算价提至15700元/吨,较7月涨500元/吨,这也是该公司自4月以来首次调涨价格。
事实上,在此次万华化学MDI提价前,国际三巨头亦联合调涨8月MDI价格。陶氏化学上周宣布,自8月1日起上调美国地区所有细分市场以及终端领域MDI价格,幅度0.06美元/磅(折合约人民币800元/吨)。几乎同时,巴斯夫宣布8月聚合MDI挂牌价上调人民币500元至15500元/吨;拜耳的最新MDI挂牌价上调人民币300元至14800元/吨。
分析人士认为,今年中国市场的MDI价格跌跌不休,一大原因是海外误判需求形势,向中国出口了大量货源。而在美国,随着房地产市场回暖,MDI价格已连续上涨。值得注意的是,随着国内需求复苏和需求旺季的临近,6月中国MDI出口量暴增,而进口量出现了锐减局面。海关数据显示,6月份国内聚合MDI出口量为3.43万吨,环比增长高达50.49%,同比增长更是高至95.23%。
万华化学作为全球最为重要的MDI生产企业之一,截至目前已经具备了年产140万吨MDI的能力。万华化学目前主要的营业收入大部分来自于MDI,2013年万华化学销售收入为202.38亿元,其中MDI产品占比高达73.65%。分析人士认为伴随着中国市场的MDI价格止跌反弹,也提升了公司业绩改善预期。
星宇股份:LED大灯预计明年初批量供货
传闻:星宇股份LED大灯技术获突破,预计明年初批量供货。
记者求证:记者致电公司证券部,相关工作人员并不在。
星宇股份(601799)主要从事汽车灯具的研发、设计、制造和销售,日前有消息称,公司LED汽车大灯技术已获突破,目前在给东风日产一款车车型小批量供货,预计明年年初将批量生产。
关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展
Abstract:Thispaperintroducestheconcept,types,capability,preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM;composite;theAdvance
0引言
信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料,特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和经济实力,也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此,新材料的开发与研究是材料科学发展的先导,是21世纪高科技领域的基石。
近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因,一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料,这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”,“轻质化”,“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2],并且它也可广泛用于其它领域,所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。
1FGM概念的提出
当代航天飞机等高新技术的发展,对材料性能的要求越来越苛刻。例如:当航天飞机往返大气层,飞行速度超过25个马赫数,其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃,燃烧室的热流量大于5MW/m2,其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施,一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂,此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差,传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料,如金属基陶瓷涂层材料,由于各相的热胀系数和热应力的差别较大,很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象,其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足,日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1],即以连续变化的组分梯度来代替突变界面,消除物理性能的突变,使热应力降至最小[3]。
随着研究的不断深入,梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础,采用先进复合技术,使构成材料的要素(组成、结构)沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化,从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分类
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2,因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:
1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;
2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;
3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;
4)用FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。
2.2FGM的分类
根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式,FGM分为金属/陶瓷,陶瓷/陶瓷,陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1];根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型(组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料),梯度功能涂敷型(在基体材料上形成组成渐变的涂层),梯度功能连接型(连接两个基体间的界面层呈梯度变化)[1];根据不同的梯度性质变化分为密度FGM,成分FGM,光学FGM,精细FGM等[4];根据不同的应用领域有可分为耐热FGM,生物、化学工程FGM,电子工程FGM等[7]。
3FGM的应用
FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM研究的不断深入,人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化,可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM,并可望应用于许多领域。
功能
应用领域材料组合
缓和热应
力功能及
结合功能
航天飞机的超耐热材料
陶瓷引擎
耐磨耗损性机械部件
耐热性机械部件
耐蚀性机械部件
加工工具
运动用具:建材陶瓷金属
陶瓷金属
塑料金属
异种金属
异种陶瓷
金刚石金属
碳纤维金属塑料
核功能
原子炉构造材料
核融合炉内壁材料
放射性遮避材料轻元素高强度材料
耐热材料遮避材料
耐热材料遮避材料
生物相溶性
及医学功能
人工牙齿牙根
人工骨
人工关节
人工内脏器官:人工血管
补助感觉器官
生命科学磷灰石氧化铝
磷灰石金属
磷灰石塑料
异种塑料
硅芯片塑料
电磁功能
电磁功能陶瓷过滤器
超声波振动子
IC
磁盘
磁头
电磁铁
长寿命加热器
超导材料
电磁屏避材料
高密度封装基板压电陶瓷塑料
压电陶瓷塑料
硅化合物半导体
多层磁性薄膜
金属铁磁体
金属铁磁体
金属陶瓷
金属超导陶瓷
塑料导电性材料
陶瓷陶瓷
光学功能防反射膜
光纤;透镜;波选择器
多色发光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半导体
稀土类元素玻璃
能源转化功能
MHD发电
电极;池内壁
热电变换发电
燃料电池
地热发电
太阳电池陶瓷高熔点金属
金属陶瓷
金属硅化物
陶瓷固体电解质
金属陶瓷
电池硅、锗及其化合物
4FGM的研究
FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。
4.1FGM设计
FGM设计是一个逆向设计过程[7]。
首先确定材料的最终结构和应用条件,然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构,以及制备和评价方法,最后基于上述结构和材料组合选择,根据假定的组成成份分布函数,计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数,就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布,此时的组成分布函数即最佳设计参数。
FGM设计主要构成要素有三:
1)确定结构形状,热—力学边界条件和成分分布函数;
2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;
3)采用适当的数学—力学计算方法,包括有限元方法计算FGM的应力分布,采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。
FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合,借助于计算机辅助设计系统,得出最优的设计方案。
4.2FGM的制备
FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段,实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布,从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高温合成法(SHS);涂层法:如等离子喷涂法,激光熔覆法,电沉积法,气相沉积包含物理气相沉积(PVD)和化学相沉积(CVD);形变与马氏体相变[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形,然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性,可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高,适用于制造形状比较简单的FGM部件,但工艺比较复杂,制备的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点,但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis简称SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前苏联科学家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃烧反应时,发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应,此后化学反应在自身放热的支持下,自动持续地蔓延下去,利用反应热将粉末烧结成材,最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]:
SHS法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系,金属与陶瓷的发热量差异大,烧结程度不同,较难控制,因而影响材料的致密度,孔隙率较大,机械强度较低。目前利用SHS法己制备出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3喷涂法
喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺,适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常,将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内,并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上,其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等离子喷涂法(PS)
PS法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物,形成等离子体,其温度高达1500K,同时处于高度压缩状态,所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流,速度可高达1.5km/s。原料粉末送至等离子射流中,粉末颗粒被加热熔化,有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷射在基底上,快速冷却固结,形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例,调节等离子射流的温度及流速,即可调整成分与组织,获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成,沉积效率高,无需烧结,不受基体面积大小的限制,比较容易得到大面积的块材[10],但梯度涂层与基
体间的结合强度不高,并存在涂层组织不均匀,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便会产生用B合金化的A薄涂层,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比,在上述覆层熔覆的同时注入,在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程,就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度,以及熔区的深度来获得,熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能,但由于激光温度过高,涂层表面有时会出现裂纹或孔洞,并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
4.2.3.3热喷射沉积[10]
与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化,并喷涂到基底上凝固,因此,建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中,这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固态,混入金属液滴而被涂覆在基底,形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中,通过连续地改变增强颗粒的馈送速率,热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。
4.2.3.4电沉积法
电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理,将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中,通过注入另一相的悬浮液使之混合,并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度,在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃,涂层的主要材料为TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层,以改变固体材料的表面特性,提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能,该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低,精度易控制,生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5气相沉积法
气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度,在厚度方向上实现组分的梯度化,适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制备出大厚度的梯度膜,与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两类。
化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合,在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度,精确地控制材料的组成、结构和形态,并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化,可得到按设计要求的FGM。另外,该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM,因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括:气相反应物的形成;气相反应物传输到沉积区域;固体产物从气相中沉积与衬底[12]。
物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质,使其蒸发为气相,然后沉积于基材上,形成约100μm厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD法的特点是沉积温度低,对基体热影响小,但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形变与马氏体相变[8]
通过伴随的应变变化,马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此,在合适的温度范围内,可以通过施加应变(或等价应力)梯度,在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18-8不锈钢(Fe-18%,Cr-8%Ni)试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围,但能提供一个简单的方法,可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料,这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。
4.3FGM的特性评价
功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计,为成分设计数据库提供实验数据,目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前,对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前,日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。
5FGM的研究发展方向
5.1存在的问题
作为一种新型功能材料,梯度功能材料范围广泛,性能特殊,用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决,主要表现在以下一些方面[5、13]:
1)梯度材料设计的数据库(包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等)还需要补充、收集、归纳、整理和完善;
2)尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型,揭示出梯度材料物理性能与成分分布,微观结构以及制备条件的定量关系,为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础;
3)随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加,必须研究更多的物性模型和设计体系,为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路;
4)尚需完善连续介质理论、量子(离散)理论、渗流理论及微观结构模型,并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测,尤其需要研究材料的晶面(或界面)。
5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多的实用价值;
6)成本高。
5.2FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-
20]
1)开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术;
2)开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术;
3)开发更精确控制梯度组成的制备技术(高性能材料复合技术);
4)深入研究各种先进的制备工艺机理,特别是其中的光、电、磁特性。
5.3对FGM的性能评价进行研究[2、13]
有必要从以下5个方面进行研究:
1)热稳定性,即在温度梯度下成分分布随时间变化关系问题;
2)热绝缘性能;
3)热疲劳、热冲击和抗震性;
4)抗极端环境变化能力;
5)其他性能评价,如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等
6结束语
FGM的出现标志着现代材料的设计思想进入了高性能新型材料的开发阶段[8]。FGM的研究和开发应用已成为当前材料科学的前沿课题。目前正在向多学科交叉,多产业结合,国际化合作的方向发展。
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近些年中国经济持续高速发展,举世瞩目。但是制约中国经济发展的一些瓶颈问题日渐显现,其中颇为突出的就是能源问题。我国自然资源的基本特点是富煤、贫油、少气。我国煤炭虽然储量丰富,但是分布不均,尤其是煤炭作为能源,污染严重,致使我国能源使用排放的温室气体仅次于美国,居世界第二位,为环境外交所瞩目。核能的发现和应用,是人类在二十世纪最伟大的科学技术成就之一。与太阳能、水能、风能、地热等清洁能源相比,核能不受时间和地域的限制,尤其受控热核聚变能是公认的“资源无限”、可以“永远”解决人类未来能源需求和保护环境的重要途径之一。
氘氚聚变反应可以释放出大量能量,其所需燃料在地球上预计约能使用3000万年以上。聚变反应堆不产生硫、氮氧化物等环境污染物质,不释放温室效应气体;氘氚反应的产物没有放射性,中子对堆结构材料的活化也只产生少量较容易处理的短寿命放射性物质。上个世纪八十年代美、苏、日、欧盟设立了国际热核聚变实验反应堆(International Thermo-nuclear Experimental Reactor, 简称ITER)计划。并且在本世纪初确定了ITER的设计概要,标志了受控热核聚变技术从基础研究阶段进入到了确认设备性能的工程可行性阶段。ITER现已在法国南部马赛附近的卡达拉舍开始建设,这是工程可行性研究的第一步,第二步是研制示范聚变堆,第三步才是研制商用聚变堆。
2006年11月21日,科技部部长徐冠华代表中国政府签署了ITER计划的联合实验协定及相关文件,这是中国科学家首次和欧美等发达国家的科学家一起研究的重大科学项目,是国际上仅次于国际空间站的重大国际合作项目。中国此次加入ITER,分担研究了一部分项目。而接下来的工作有很多,国内相关领域的科学家应该提早研究,争取在我国尽早地建立起示范聚变堆和商用聚变堆。
制约核聚变堆研究的关键问题之一是面临高温等离子体的第一壁结构材料,即面向等离子体材料(Plasma FacingMaterials, PFM)。PFM指在磁约束可控热核聚变反应装置中直接面对等离子体的第一壁和偏滤器、限制器的装甲材料。核聚变装置相当于装高温等离子体的炉子,最受考验的是内壁,其表面要承受高温、极高的表面热负荷(最高约20MWm-2),并且要承受核聚变反应放出来的能量高达14MeV的中子的辐照,辐照量将为数百dpa。同时,14MeV中子的(n2p) 、(n,α)核嬗变反应所产生的大量的氢、氦对材料的性能会产生巨大影响。可以说,现在世界上已有的材料中尚没有任何一种可能胜任第一壁的工作要求。
P FM的主要功能是:有效地控制进入等离子体的杂质;有效地移走辐射到材料表面的热功率;保护非正常停堆时其它部件免受等离子体轰击而损坏。同时,面对等离子体材料应与反应堆运行寿命、可靠性和维护相一致。因此,面对等离子体材料的总体要求是耐高温、低溅射、低氢(氚)滞留及与结构材料兼容。碳基材料和钨是最有前景的PFM的候选材料。对于PFM而言必须解决两个难题,一是PFM自身性能的不断提高;二是PFM与铜基热沉材料的有效连接。目前欧盟、日本、美国等国对碳基和钨基PFM进行了较深入的研究,我国则起步较晚。单一材料或涂层材料已不能满足前沿科研领域发展的需求,例如,在航天飞行器上的,需要能承受1000摄氏度以上的高温度差的材料。但通常的涂层材料,即在金属表面涂上陶瓷涂层,由于陶瓷和金属的膨胀系数相差很大,反复多次就会开裂。
什么样的材料才能达到如此高的要求呢?1984年,日本Masayuki Niino博士等三位科学家在研究航天飞行器所需高温结构材料时提出了功能梯度材料(Functionally GradedMaterials, 简称 FGM)这一材料设计的新概念。所谓功能梯度材料是指材料成分和结构是逐步过渡的材料。由于是逐步过渡,从而大大减小了由于异种材质膨胀系数失配使材料在高温度差下产生的过大的热应力,显著提高了材料的抗热冲击性和抗热震性。后来,材料科学家们又把梯度材料这一设计概念从高温结构材料推广应用到各种功能材料上来。这是一个非常重要的研究方向,于1996年由我向有关部门提交了耐高温等离子体冲刷的功能梯度材料的科研顶层设计项目建议书,设想这种材料可以运用在三个方面,一是为受控核聚变提供耐高温等离子体冲刷的材料,
二是可以用于激光核聚变,三是可以在航空航天上用。这项建议得到了国家有关部门的重视和核工业西南核物理研究院的合作,8 6 3新材料专家委员会在听取了论证报告、通过答辩后于1997年7月批准了这个项目。该课题组经过十年努力,较深入地研究了弹塑性有限元分析和优化设计、超高压力通电烧结、熔渗-焊接法制备模块、活性金属真空钎焊、活性金属铸造、自蔓延燃烧预热爆炸固结、分次热压等新技术,成功地制备出了多个体系的耐等离子体冲刷的功能梯度材料,包括钨和铜、碳化硅和铜、碳化硼和铜、钼和铜、碳化硅和碳、碳化硼和碳功能梯度材料等,其中碳化硅和铜、碳化硼和铜、碳化硅和碳、碳化硼和碳体系的功能梯度材料在国际上尚未见前人报道。这些体系的材料分别在中国主要的托卡马克核聚变实验装置,核工业西南物理研究院中国环流器1号HL-1上做过原位实验,或在中国科学院等离子体所的HT-7上进行过等离子体辐照实验。
十年来,课题组的研究突破了八项关键技术,申请了8项发明专利,在国际著名刊物上和国际重要学术会议上发表了近50篇论文。培养了研究生12名,有的已被输送到国内外著名的核聚变研究单位。所发展的材料体系和关键技术是:
一、采用功能梯度材料的概念连
接作为面向等离子体材料的W、B4C、SiC和作为热沉材料的Cu。发明了一种制备梯度材料的新技术:超高压力梯度烧结技术。这种技术很好的解决了对于组成熔点和烧结温度差别大的梯度材料无法一次烧结的世界性制备难题。可用于制备一大类陶瓷/金属、金属/金属梯度材料。采用这种方法制备了三个不同材料体系的耐高温等离子体冲刷的功能梯度材料,包括W/Cu(直径36mm高30mm)、B4C/Cu、SiC/Cu功能梯度材料。图3是W/Cu FGM的设计图及制备所得样品。
二、发明了熔渗-焊接法制备W/C u功能梯度材料模块(尺寸为30 m m×30 m m×30 m m),高能电子束对其热冲击性能测试表明所设计和制备的W/C u 功能梯度材料模块具有较好的抗热冲击性能,能承受6M W/m2的稳态热流冲击。
三、在国际上首次用粉末冶金技术制成S i C/C 块体功能梯度材料;课题组克服了SiC和高含量石墨不能烧结在一起的困难,用粉末冶金技术成功地制取了SiC/C FGM,在Las-2000装置上进行D+离子辐照实验,在3keV,4.6 1015D+/s.cm2的离子束辐照条件下,其在700K时总的化学溅射产额为石墨(SMF-800)化学溅射产额的22%,在能量5k e V400mA,脉冲宽度2ms的电子束热冲击下经250次不裂。并首次设计和制成了B4C/C功能梯度材料。
四、首次制备出成分分布系数按设计要求的B4C/Cu涂层梯度材料;通过设计优化了成分分布,其最高化学溅射产额为石墨的16%,其对甲烷解吸产额为石墨的30-50%,其在能量1.5keV 30mA,脉冲宽度100ms,脉冲间隔4000ms,平均功率密度6.4M W/m2电子束热冲击下,经1000次没有发现疲劳裂纹。
五、发明了一种采用超高压力下通电烧结法制备超细晶粒难熔金属的新技术。
六、发明了采用Ti基非晶焊料通过真空钎焊的方法对掺杂石墨和铜进行连接的新方法,试验结果和设计结果具有很好的吻合,通过Mo/Cu复合中间层的加入能够有效的缓解钎焊过程中产生的热应力,从而获得性能优良的掺杂石墨和铜的连接件。使用此方法成功制备了面向等离子体模块(尺寸为30 mm×30 mm×30 mm),高能电子束热冲击测试结果表明所设计和制备的掺杂石墨/铜模块具有较好的抗热冲击性能,能承受6MW/m2的稳态热流冲击。另外,还采用直接活性金属铸造的新方法对石墨和铜的连接进行了试验,该方法与国外已经报导的结果相比,具有更简单的工艺过程和更低的成本优势。
七、与北京理工大学合作设计并采用自蔓延燃烧预热,水介质缓冲双向爆炸固结的方式制备了Mo/Cu功能梯度材料(FGM)。对各层的密度、硬度、电导率等性能进行了测量和分析,从M o层的相对密度94.2%到Cu层的相对密度98.4%,试样整体的相对密度达95.5%。Mo/Cu FGM第1层与第2层的剪切强度为214.8MPa;Mo/Cu FGM第3层、第4层的热导率分别为204.76Wm-1K-1和249.71 Wm-1K-1。
对聚变材料研究目前需要的是:从堆的详细设计中得出,聚变堆对材料性能提出的要求是什么?即这种要求使得通过对材料的改进和工艺技术的进步是可以达到的,同时又能满足商用聚变堆的经济性能要求。低活性材料使聚变能更清洁,更符合环境的要求,从长远角度看,也更为经济(减少后处理费用),是材料发展的方向。聚变材料研究发展目标是:开发新材料,提高材料性能;理解材料在堆环境中的行为和行为结果;建立材料数据库,为堆工程设计提供所需数据。
【关键词】微成形技术;展望
1.引言
二十年来微型机电系统有了飞速的发展,而微成形技术是微型机电系统的灵魂,世界上各工业先进国家对微机械的研究重点都放在了微成形技术的研发上。到目前为止,涌现出了多种成熟的微成形技术,如以美国为代表的硅基表面加工及体加工技术、以德国为代表LIGA技术和以日本为代表的超精密机械加工技术,此外还有高能束加工技术、微注塑成形技术、微粉末注射成形技术及微铸造技术等一些方兴未艾的微成形技术,下面就几种常用的微成型技术进行简单介绍。
2.硅基微加工技术
硅基微加工技术由美国的科学家率先提出,是微电子技术飞速发展的延伸。硅基微加工技术目前主要有表面微机械加工和体微机械加工两种方式。
硅基微加工技术首先是在硅基表面上沉积薄膜,再用光刻技术在薄膜上显影出微结构,最后用各种腐蚀工艺(等离子腐蚀、化学腐蚀等)去除掉多余的部分,从而得到预先想要的微结构。Sandia国家实验室开发的五层多晶硅表面牺牲层工艺代表了这一方向的最高水平。
体微机械加工技术是将整块材料如单晶硅基片加工成微机械结构的生产工艺,即按照设计图形在硅片上有选择地去除一部分硅材料,形成微机械结构。通常,微机械结构的形成要经历选择掺杂和结晶湿化学腐蚀两道工序。和微电子生产中的亚微米光刻工艺比较,这些工艺尺度相对大而粗糙,线度变化在几微米到几百微米之间。体微加工技术的关键技术主要包括湿法刻蚀和干法刻蚀两种方法。湿法刻蚀主要是根据材料的性能在刻蚀溶液中进行;干法刻蚀主要是采用物理法(溅射、离子铣)和化学等离子刻蚀,适用于各向同性及各向异性刻蚀。体微机械加工的一个主要优点是它可以相对容易地制造出大质量的零部件,缺点是它很难制造精细灵敏的悬挂系统。另外,由于体微机械加工工艺无法做到零部件的平面化布局,因此它不能够和微电子线路直接兼容。
复合微机械加工技术是体微机械加工技术和表面微机械加工技术的综合。它是在体微机械加工技术和表面微机械加工技术的基础上发展起来的新兴技术,具有体微机械加工技术和表面微机械加工技术的优点,同时也避免了它们的缺点。
3.LIGA技术
起源于德国的LIGA技术被认为是微型机电系统技术中的极有发展前途的一种技术,受到各国的高度重视。LIGA是利用X射线深层光刻、电铸成型和微复制三种工艺手段有机结合的一种技术,可在二维平面内加工任意几何形状的微结构,且适用于多种材料,加工精度高,是有望实现三维加工的技术[1]。LIGA技术制造的微结构的高度可达数百微米,其深宽比可达100以上,而厚度只有2~3μm。同时在全高度内的尺寸精度可控制在亚微米级。
由于LIGA技术需要掩模,其精确度和灵活性受到了限制。不同的图形必须更换不同的掩模板,加工工艺不够灵活,同时LIGA技术需要昂贵的同步辐射光源,使得成本较高,推广困难。在此情况下,近年来发展了准LIGA技术,即在微米级分辨率前提下,将常规的近紫外光和激光扩展应用到厚层光刻胶的成形,大大降低了加工设备的投资。采用UV-LIGA和LASER-LIGA工艺不需要制作X光掩模板,紫外和激光光源的经济性和使用的广泛性又大大优于同步辐射X光光源,从而可以大大降低LIGA工艺的制作成本,有利于广泛使用。与LIGA技术相比,准LIGA技术虽然能简化操作、大大降低成本费用,但却是以牺牲高准确度、大深宽比为代价的,因此准LIGA技术只适用于对垂直度和深度要求不太高的微结构的加工。
4.超精密机械加工技术
超精密加工技术是在六十年代初美国用单刃金刚石车刀镜面切削铝合金和无氧铜开始的,而日本人最早提出将之应用到微机械加工中,其思想是用大机器造小机器,再用小机器来制造微机器,然后用微机器来制造微机械用微构件。超精密机械加工技术在多样化材料加工方面具有独特优势,成为微米和中间尺度机械制造领域的一种重要的加工技术。
超精密机械加工技术中的常用刀具为单晶金刚石,其微小尺寸如图1所示。目前,单晶金刚石超精密加工技术已成功应用于隐形眼镜、棱镜、非球面透镜、微透镜阵列、金字塔微结构表面、减反射光栅等结构的加工。图2所示即是用单晶金刚石车床加工的微结构[3]。
在近十几年内,随着计算机技术的高速发展,超精密机床的一些关键技术,如控制技术、反馈系统、伺服驱动装置等方面有了很大的进步,提高了超精密机床的加工精度,目前,超精密加工已能够直接加工出粗糙度达1nm的表面。
5.微注射成形技术
微注射成形技术按照使用材料对象可分为两类,一类是以塑料为注射材料的微注塑成形技术,一类是以金属粉末为注射材料的粉末微注射成形技术。
微注塑成形技术实际上就是传统注塑技术的微型化,最早出现在20世纪80年代,主要应用在手表和相机行业。德国注塑机制造巨头Battenfeld公司制造了第一台全电子驱动的注塑机Microsystem50,其适用于手表、微机电系统和生物机械制造业,成形塑件质量小于0.1g,注射柱塞直径只有5mm。德国亚琛理工大学的塑料加工学院)设计制造了一种新型微注塑成型概念机,注射量比Microsystem50更小,可小于0.01g[4]。微注塑成形技术方面我国与国外的还有很大的差距。
粉末微注射成形技术要求所用的材料为粉末状,这就限制了其材料的种类,因为并不是所有的金属都能获得粉末,而且对金属粉末的颗粒度也有要求,要尽可能得到细的颗粒。此外,微型模具的制造是该技术的关键,而为了获得好的填充效果,也需对铸型抽真空和预热,这些都关系到能否获得低表面粗糙度、小壁厚、形状复杂的微构件。
德国在粉末微注射成形方面进行了相关的基础性和应用性研究。美国宾夕法尼亚州立大学的N.Koseski等研究了粉末粒度对粉末微注射成形产品的性能,尤其是表面粗糙度和结构分辨度的影响。北京科技大学自行研制开发了具有自主知识产权的适用于传统注射成形机的粉末微注射成形用模具,同时以羰基铁粉和铁镍合金粉为原料,在传统注射成形机上成功实现了粉末微注射成形齿顶圆直径小于1mm的微型齿轮的制备,齿顶圆直径为400μm,齿轮中心孔为60μm,齿轮高度为200μm[5]。
6.微铸造成形
微精密铸造工艺依托于传统铸造工艺,可加工复杂三维形状,有效的弥补了现有微成形工艺的缺陷。韩国LG研发中心用微铸造工艺制备的螺旋微齿轮,其最大的外径为1mm,整个齿高约为600μm。国内哈工大李邦盛率先成功研发了微加压铸造工艺,成功制造了外径只有580μm的三维复杂微齿轮,其齿轮轴直径仅为300μm[6]。有关微铸造成形工艺的研究,国外尚属起步阶段,国内除哈工大外,尚属空白,因此,深入研究微铸造成形工艺及相关理论具有重要的学术价值和创新性。
7.展望
上述微成型技术外,还有微挤压成形、激光微冲击成形等新型微成形技术。随着微成形技术的发展,某些微型零部件因材质的限制,在成形过程中往往需要几种微成形技术,微成形技术的综合应用应当是今后微成形技术应用的发展趋势。
参考文献
[1]张永华,丁桂甫,彭军等.LIGA相关技术及应用[J].传感器应用,2003,22(3):60-64.
[2]郭丽丽,森田升.机械加工的超精密化和加工机械的微型化[J].现代制造工程,2006(11):66-68.
[3]杨元华,陈时锦,程凯等.超精密机械加工技术在微光学元件制造中的应用[J].航空精密制造技术,2005(4):10-12.
[4]宋满仓,王敏杰.微成形技术的现状与发展[J].中国机械工程,2003,14(15):1345-1346.
关键词:实践教学;创新;工程训练
工程实践与实验教学是高等教育改革的一个重要环节,通过实践与实验教学环节来加强素质教育,提高学生实践能力和综合素质,已形成广泛共识。在新一轮的实践教学改革当中,为了培养符合社会需要的,具有较强动手能力、创新能力的高素质人才,必须对原有的人才培养模式进行改革。对于工学类本科生,特别要更新实践教学理念,改革传统的实践教学模式、教学内容与课程体系,把提高学生动手能力和创新能力培养放在重耍位置。太原理工大学结合新一轮人才培养计划的改革,创新实践教学理念,利用工程训练中心这一校内最重要的工科实践教学基地,改革教学内容与体系,培养学生实践能力与综合素质,收到了良好效果,2005年被评为山西高校惟一的省级工程训练中心,2006年被评为国家级实验教学示范中心。
一、创新实践教学理念,修订人才培养计划,不断优化育人环境
太原理工大学是一所具有百余年办学历史的国家“211工程”重点建设大学,是以理工为主的综合性大学,以教学工作为中心,以本科教学为本,2003年在新一轮的本科教学工作水平评估中被评为“优秀”。目前有61个本科专业,其中46个为工学类。多年来,学校一直致力于培养宽口径、厚基础、强能力、高素质的应用型工科高级专门人才,总的培养目标定位在“体现地方经济特色最明显,结合地方经济建设最密切,服务地方经济发展最直接,适应地方经济建设最主动”。基于此,学校十分重视本科生的实践能力培养,特别是工程训练对学生实践能力的培养。工程实践教学的理念是:以学生为主体,以能力培养为核心,促进学生知识、能力、素质协调发展,树立创新意识。在新修订的2006版人才培养方案中,对实践教学提出了更高的要求,规定工科类各专业要安排一定数量的设计性、综合性、创新性实验,鼓励单独设置综合性实验课,以达到综合训练提高学生实践能力的目的。主要关注如下几个方面:统一的实验内容与实验结果的不确定性,以培养学生分析问题的能力;实验内容的原理明确而实现方法的不确定性,培养学生的工程设计能力:实验目标明确而实验进程的不确定性,培养学生的创新意识和创新思维能力。
实施工科学生工程实践教学的单位――工程训练中心,其前身是学校的实习工厂,经过建设,已经把过去单纯从事金工实习的工厂改造成为门类齐全、结构合理、具有较高教学科研水平的实践教学基地。目前,每年有20多个工学类专业的4 000余名理工科学生在此实习,完成约32万人时数的课内学时,实行全天候开放,设备利用率高达95%以上。
围绕人才培养中心任务,以学生为本,突出学生教育活动中的主体地位是现代教育的根本观念,而长期以来形成的实验教学体系表现为:重理论、重知识,轻实践,轻工程,没有树立以学生为本的思想。实践教学特别是工程训练,不同于课堂教学,一直没有公认的质量标准和教学体系,容易流于形式。在实践教学中,我们注重优化育人环境,以学生为本,适当安排理论教学,着重培养学生动手能力、鼓励和支持学生创新,做到理论与实践有机结合,动手和创新协调发展,主要体现在“四个转化和一个结合”上:由常规的金工实习和电子工艺实习向现代工程实践教学的方向转化,由单机技能培训向部分实现局域网条件下的技术集成的培训方向转化,由操作技能培训向技能与管理相结合的方向转化,由操作技能培训向技能与全新实践相结合的方向转化,工程训练的教学过程与面向市场的产品相结合,提高学生的综合素质。如:针对机械工程及其自动化专业前期大类培养,后期分专业模块的特点,设置了针对不同专业模块的实践内容如塑性成型、柔性制造等供学生选择,有效地补充了课内实验学时和内容的不足,实现了课内实践环节与课外实践训练的有效互补。
二、全面整合教学资源,更新实践教学手段,探索新的教学方法
教育资源的缺乏是长期困扰实践教学质量提高的难题,也是实践教学改革深入发展的瓶颈。随着高等学校招生人数的扩大,教学资源紧张已经成为困扰各校的普遍问题。工程训练是以培养学生工程实践能力和创新意识为主要目的,但仅有工程训练中心还远远不能满足全校每年4 000多学生的教学任务,为此,我们不断探索建立“双师型”教师的有效途径。学校整合院系优质教学资源,合理安排教学各环节的任务分配,中心与我校机械工程学院、材料科学与工程学院、信息工程学院、电气与动力工程学院的相关教研室组成的教学研究室负责制定训练目标和计划,完成工程实训阶段的理论授课时数;工程训练中心的教学科负责教学计划的组织、安排、实施;教学车间及示范生产线承担工程训练任务,教学班组负责落实教学计划。在教学方法与手段上,改变过去单纯的师傅带徒弟式的教学方法,采用启发式、自学式、讨论式等新的教学方法,鼓励学生自行设计作品零件、编制加工工艺并完成制造过程。工程训练中心所有的教学车间都配备有教学挂图、实物展示柜、触摸屏,学生在获得直观、形象、生动的知识之外,可以通过触摸屏查阅相关资料。还建设并开通了自己的网站(gcxl.tyut.省略),提供了工程训练各科目从教学大纲、安全教育、多媒体课件到各车间实训相关情况的文字、图片和多媒体信息。中心还与相关学院联手分步骤开发和完善了基于Web的工程训练网络管理信息系统和分布式产品设计与制造控制的CAD/CAM系统。网络管理信息系统包括实习自动通知、考勤管理、在线考试和成绩管理等功能,管理完成了全面的网络数字化。小型的分布式CAD/CAM系统为高年级和研究生参与产品创新设计和制造提供了平台,基于此平台,创新者可以在教师指导下独自或以自由组合的形式完成从产品构想、模型设计到加工工艺确定和数控加工的大工程训练。这些举措有效地整合了师资和实践场地资源,提高了办学效益。
在实验教材编写和选用上,组织高水平任课教师编写《金属工艺学》、《机械制造基础》、《电子工艺学》等教材,还自编了车工、铣工、刨工、磨工、热处理、数控加工及电工电子等十多种教学指导书。在考核方式上,结合各工种的特点,以实践考核为主,包括安全纪律、识图能力、工具使用、操作能力、作品质量、创新思路、实习报告等内容,理论考试在计算机上进行,最后进行综合评定,成绩由专人负责整理、汇总及管理。
三、构建实践教学新体系,拓展实践教学内容,提高学生动手能力
按照新的人才培养计划,对学生实践能力的培养应
该体现到探索有专业特色的实践课程体系,不断更新实践教学内容,提高学科之间的渗透,增强应用型较强的综合性、设计性内容。规定工学类专业实验之外的其他实践教学所占学分比例不低于课内总学时的18%。建立了理论与教学有机结合,以培养学生素质为核心,涵盖基础型实训、综合设计型实训、研究创新型实训的工程实践教学体系,在实训的课程和项目设置方面,注重先进性、开放性、创新性,形成适应专业特点的完整课程体系,并结合工程和社会应用实践,将主要生产煤矿机电产品的五条教学示范生产线贯穿于实践教学的全过程,形成具有特色的实践教学体系与模式。
整个实践教学体系分为三个层次:基础工程训练,通过中心设置的八个教学车间的实训,强化学生工程实践内容的基础知识,讲授基本的操作技能及工程专业理念,逐步建立加工工艺过程的概念;综合实践训练,在学生完成基本教学课程的基础上,根据不同专业,参与中心五条示范生产线的生产实践,培养学生的工程意识,提高学生的综合实践能力;研究创新训练,对学有余力,具有创新意识的学生,鼓励他们自选课题,在教师指导下,利用创新室和网络系统及先进的仪器设备,完成科技作品制作和科研创新活动。
在教学内容方面,将工程训练实践教学内容整合为五大模块:热加工工程训练,包括铸造、段压、焊接、热处理、熔模铸造示范生产、粉末冶金工艺示范生产和特种焊条示范生产;机械加工工程基础训练,包括车工、铣工、刨工、磨工、齿轮加工、钳工、单体支柱示范生产;先进制造技术与方法训练,包括数控车削、数控铣削、数控加工中心、数据线切割、柔性制造系统、数控机床编程、模具设计与制造;电工与电子工程训练,包括电子产品的设计制作及电工电子产品示范生产;创新设计与制作,包括命题或自选课题和项目等。
以上这些工程训练内容中,综合性、设计性项目达到35%以上,在教学内容的编排上,也按照层次从简单到复杂,从传统到现代,从学生被动接受到主动创新的认识规律,形成了连续完整的教学过程,不仅使学生打下扎实的基础,同时也让学生了解到新材料、新工艺、新技术的产生和发展,树立“大工程”意识,激发学习和创新的主动性。
四、加强教学科研的有机结合,架设校企合作桥梁,服务地方经济建设
地方高校在人才培养的主要任务就是培养为地方经济建设服务的有作为的应用型人才。我校工程训练中心不仅是学生接受实践训练的基地,更为校企合作架设了一座桥梁,成为科研成果转化的基地和学生的创新基地。中心坚持将工程训练与产品和市场对接,以教学实训促进产品开发,以产品丰富教学实训内容,靠产品支撑教学实训运行和中心建设的主要经费。工程训练中心生产的27种产品年产值可达1500万元左右,并依靠世行贷款等经费,设计制作了包括熔模铸造机械化制壳流水线、全自动压蜡机、熔铝炉、加热炉等设备,建成了熔模制造、粉末冶金、单体支柱、特种焊条、电工电子产品等五条直接为经济建设服务的教学示范生产线和一个新材料研发创新基地。学生在实践教学过程中直接参与到产品的生产中,提高了面向社会服务的能力。中心还主动进行合作的科研成果转化,与学校材料学科的镁合金冶炼、微波炉特种钢冶炼和激光焊接技术等三个重点科研项目紧密联系,成为科研成果转化的基地。近几年,中心承担的科研项目在成果转化方面取得了众多专利和科技奖励,如:奥氏体不锈钢焊条研究2001年获国家科技进步二等奖;PDZ-A型炮采单体液压支柱研究获省级科技进步二等奖;单体机械支柱研究获国家发明专利,并实现成果转化,2005年通过省级科技成果和新产品鉴定,达到国内领先水平。
良好的实践训练条件和优秀的指导教师队伍,满足了不同层次学生独立学习和动手实践的需求,科技创新活动不断开展,参加发明创造活动的学生涌现出一大批创新能手和创新成果,大量的作品获奖。仅在2003年“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛上,我校就获得特等奖一项,二等奖二项,三等奖三项。以工程训练中心为基地的学生志愿者组织“螺丝钉之家”被团中央、中国青年志愿者协会联合授予“中国优秀青年志愿者服务集体”称号。
(青岛工学院机电工程系 山东胶州 266300)
【摘要】针对现在企业对应用型人才的需求出发, 考虑到“工程材料及成形技术”现在教学情况, 提出了改进教学方法、加强实践环节, 从而激发学生的学习潜能, 提高教学质量, 为应用型本科进一步深化实践教学提供参考。
关键词 应用型;工程材料;实践教学;教学改革
一、引言
随着高等教育教学改革的不断深入,对普通本科的应用技术型的人才需求呼声越来越高涨,工厂、企业、公司也对应用型人才的需求也不断增加。
当下进行的普通本科教学评估对高校的应用技术型人才培养上也存在诸多的要求,所以要办出特色并能服务于区域行业经济,地方经济建设,办学定位也要突出应用技术型人才培养,学生应面向管理服务一线人才方向进行培养。
许多普通本科学校在应用型人才培养模式上存在着一些问题:一是培养类型层次不清,与传统本科、高职高专的区分度不高,死搬硬套传统本科、简单改造专科的现象普遍存在,培养结果与社会对应用型本科人才的期望不相适应。二是课程体系较为陈旧,理论课程未能摆脱学科导向的约束,实践教学尚未形成确有实效的训练体系,教材建设尚不满足教学改革需要,教学内容与与业界技术发展水平不相适应。三是培养模式依然传统。以教室、教材、教师为中心的“三中心”教学过程尚未改变,课堂讲授仍是主流,课程载体亟待创新,产学合作深度不够,学习评价形式单一,培养模式与应用型人才成长规律不相适应。四是教师队伍亟待转型。师资结构很不合理,专业经历整体欠缺,教学角色尚未转变,师资建设追求高学历、高学位,能讲的多,会用过少,与应用型人才培养“强实践”的要求不相适应。这些问题在我校也有类似的问题存在,多年来一直没有找到合适的办法,也向其他同类型学校进行学习取经,但是,真正去实践起来难度却很大。
所以应用型本科教学的课程体系的设置和教学方法应该有别于研究型高等学校,要有自己的特色,符合培养应用型人才需要[1]。
本文从工程材料及成形技术课程入手来探讨应用型人才培养模式在专业课程上的改革,减少理论,增加实践环节,为应用型人才培养的模式提供一定的参考。
二、工程材料及成形技术现在教学情况分析
工程材料及成形技术是工科院校的一门专业技术基础课程,是机械设计制造及其自动化“专业必修的核心课程之一。学生通过学习要掌握材料成分、组织、性能及加工工艺之间的关系及其用途,合理选择材料、热处理及成形工艺方法。
(一)理论教学
该门课程概念和术语较多,教材中大量使用了材料学和工程术语,如,马氏体、淬火、时效、相图等。与学生前面学习的其它课程的知识关系很小,学生感到抽象和乏味。而这些名词概念是需要迅速理解和记住的,这就增加了学习的难度。教学中又多以讲授为主,所以学生的积极性不高也是必然的。
(二)实践教学
该门课程主要的实验有四个:碳钢的热处理实验、金相显微组织实验、金属材料的硬度实验、金相实验制备。实验都是验证性实验,目的是让学生了解材料组织、性能。也属于多年来传统实验项目,几乎没有更新创新内容,学生很多也是被动地接受这些知识内容。
三、教学改革措施与实践
(一)改善课堂教学方法,提高课堂教学效果。
1. 类比教学
由于课时不断被压缩,课堂教学时间只有48 课时,实验8 课时,如何在有限的学时里让学生深刻理解和掌握材料成形知识,这一直是困扰材料专业教师多年来的问题。如何克服理论概念抽象的问题,摆在任课教师面前。所以正确的比喻经常会起到事半功倍的效果。例如,淬火时应力过大会导致变形和开裂,学生不易理解,如何解决这个问题呢?我们除了放录像观看这个T8 钢零件淬火降温过快导致的开裂过程外,还采用了比喻的方法,以冬天向冰冷的玻璃杯中倒开水为倒来说明这个问题,学生们一下就理解应力的现象。讲到相、组织的概念时,教师以鸡蛋为倒来说明:蛋黄是一相、蛋清是一相,虽然他们都是由C、H、O、N 等元素构成的,但里面的含量是不一样的,有的可能N 的成分多,有的可能是S 成分多,但是他们是有一个界面分开的,他们的硬度、强度是不一样的。再以钢筋混凝土为倒来说明,钢筋、沙子在混凝土中的长短及分布状态对组织的影响来说明相、组织的概念及分布对强度的影响。这样就把复杂、抽象的概念问题简化了。
2. 案例教学
着眼于学生的创新能力以及解决实际问题能力,学生通过具体的情景来进行讨论的一种方法。在讲到材料性能及热处理进时,以大型摩擦压力机的拉杆为例,教师给出了拉杆零件图片、及工作环境、条件真实场景图片资料,让学生们来讨论该零件的材料成形及热处理过程,尤其是预备热处理和最终热处理。通过学生的设计讨论拿出几种方案来,然后进行讲评,通过这样的例子使学生们自觉主动地参与进来,主动思考并与实践情况结合在一起,学生印象深刻,记得扎实。
(二)现代教学手段的使用
工程材料的成形技术经常是要说明成形过程及原理,用文字及图片来说明即费时也难讲清楚,采用视频及录像就轻而易举地解决了,所以对部分内容采用了这种方式。
采用视频的内容有:金属的结晶过程、退火、回火、正火、淬火、渗碳、渗氮、挤压成形、轧制成形、超塑成形、液态模锻、爆炸焊接、钎焊、电渣焊接、扩散焊接、轮胎成形等。
采用录像的内容有:双液淬火、表面淬火、渗金属,熔模铸造、金属型铸造,压力铸造、低压铸造,离心铸造、陶瓷型铸造、模锻、板料(拉伸、弯曲胀形、翻边、压筋)、拉拔成形、旋压成形、粉末冶金、埋弧焊、氩焊、二保焊、电阻焊、缝焊、摩擦焊、激光焊接成形,塑料(注射、挤出、压制、吹塑)成形及陶瓷成形方法等。
视频、动画及录像将生产中的真实场景直接反映到学生面前来,给学生们留下了深刻的实践场景印象,对实际生产过程和工艺过程有了进一步的了解,这是到工厂实践、实习所无法看全的各种材料的成形工艺过程,补充了学生生产实践的不足,生动形象,看过后印象深刻,不容易忘记。
(三)实践教学
应用型本科介于本科于高职之间,要求学生的动手能力强,有一定的理论知识,能快速适应于工矿企事业的需要,能将成熟的理论应用于实践的能力强。教育部也对这类本科学校重新进行定位和要求,实践性也就要求高于普通本科学校。
1. 在实验课上
基于项目的教育和学习方式,让学生在“作中学,在学中作”,这样记忆深刻[2]。在金相实验中,给学生们提出了钛镍记忆合金金相与性能的关系问题,让学生们通过实验及查找资料来回来这个问题。学生们围绕这个问题展开讨论,并自己设计实验过程,动手制作试样,在教师的指导下完成实验,查阅相关资料后,回答这个问题。在强度与硬度的实验中,学生们通过某种材料的拉伸、压缩实验来比较强度的大小,再通过硬度计测量比较硬度的大小,从几种材料的实验数据来进行比较,这样就形成直观的印象,主动参与,兴趣极高,认真思考,学得扎实。同样的教学思想也应用于其他实验,如热处理等过程。
2. 将所学知识应用于实践
(1)与企业合作开发产品解决生产实际问题
当地一家大型铸造公司生产各种大型铸件,生产小到几吨,大到几百吨的铸铁、铸钢件。在生产一直有一个裂纹问题无法解决,公司人员也想了一些办法,但最终效果甚微。当铸件出炉后要切去浇冒口,大型铸件浇冒口很大,不能采用锯割,只能采用气割的形式,由于切割时间长,切后经常在铸件切割处出现裂纹,造成整个几十吨的铸件报废的情况经常出现。经过老师与同学们共同研究,查阅相关资料,分析原因找出问题,找到裂纹是由于热应用造成的,所以就共同设计了一台“大型铸件火焰切割机械手”,用于切割浇冒口就不再出现这样的问题了。学生通过参与分析设计,了解了工厂的实际生产情况,也增长了实践应用的能力。
(2)组织学生参与大赛能提高学生的综合应用能力
组织学生参加“山东省机电产品创新大赛”,这两年,学生参赛成绩都很显著,其中学生设计的“NiTi 记忆合金驱动机器人”和“桌面便携式3D 打印机”,分别获得了本科组的的2012 年和2013 年的一等奖,都是应用材料及成形知识设计出来的产品,学生获奖的同时也学到了综合运用材料成形知识及机械产品的设计制造能力,使学生从中受益匪浅,得到了材料及设计的综合能力的提高,增强了工程实践的信心为后面的学习和将来工作奠定了坚实的基础。
(3)将实践应用于教学
企业中的产品过程中积累的技术图片与资料,补充了教书上的内容,具有工业的直观性和应用性,把这些资料用于教学,可使学生增加工业常识[3]。学生过去的大赛及生产实践设计的产品成果是课堂上生动的例子,对后来学生的启发是不言而喻的,补充了教科书内容陈旧的不足,和实践结合紧密,使学生的知识不落后与当代的技术,学生们了解知识的同时也丰富了实践意识和创新思想。
四、结语
针对现在工业企业对应用型人才的要求,也依据“工程材料及成形技术”的课程特点及现状,从理论教学到实践教学,都进行了大胆的尝试,改进了教学方法、加强实践环节,从而激发学生的学习积极性和创造性,改善教学质量,并提高了教师的专业教学水平,为机械设计制造及其自动化专业应用型人才培养,打下一定的基础,同时为进一步深化应用型人才实践教学培养提供了理论支持。
参考文献
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[3] 赵佳峰. 独立学院《工程材料及成形技术》教学改革与实践[J]. 常州信息职业技术学院学报,2010,9(2):34-36.
关键词:机械加工;绿色制造;概念;技术
中图分类号:F407.4 文献标识码:A 文章编号:
随着现代环境问题日益加剧,能源短缺的问题也越来越严重,对于环境的保护问题倍受各界关注,绿色理念已成为现代社会各行各业共同讨论的话题。推行绿色机械加工技术是现代制造企业今后的发展方向,是基于环境保护、提高能源利用率等问题而提出的。绿色制造要求产品在设计、制造、运输、销售以及使用的整个过程中,实现对资源的充分利用,使资源的利用率达到最高程度,将环境破坏的程度降低到最小范围。绿色制造工艺技术节约资源,使能量的损耗降到最低,从而保证产品的质量提高,产品生产的成本降低,达到提高企业产品的市场核心竞争力的目的。
1绿色制造加工工艺的概念
由于工业技术的不断发展,对全球不可再生资源的广泛使用,对人类未来的生存、发展带来了危机。为了实现社会经济的可持续发展,就需要对科学的工艺技术进行开发,用新的制造工艺技术代替传统的制造工艺技术。绿色制造工艺技术是一种以传统的工艺技术为前提,实现资源合理、高效的利用,降低产品生产成本,并降低对环境的污染,和材料使用科学化、并利用表面技术以及控制技术等先进的技术进行制造加工的技术。它的主要目标是实现资源的合理使用、成本的降低、环境的保护。依据不同的目标可以将绿色制造工艺分为三类,分别是低物耗绿色工艺技术、废弃物少的环保型工艺技术以及低能耗绿色工艺技术。
2绿色制造工艺在机械加工中的应用情况
2.1采用干式切削技术
干式切削技术是一种为保护环境、降低产品生产成本,不使用切削液,而是在无冷液条件对产品进行切削加工的切削加工的技术。干式切削加工方式有多种,比如干车削、干铣削、干钻削以及干式齿轮加工等。其中,干车削是在实际的生产过程中运用最多的一种方式,在对丝杠进行加工时,首先在较软的工件上加工出螺纹,然后将有螺纹的工件淬硬,之后再逐件进行精细打磨。
2.2采用MQL的准干式切割技术
纯粹的干切削技术对于一些加工方式、工件材料组合在实际的生产过程中无法实现,因此出现了极微量技术。MQL是一种将极少量的切削油和存在一定压力的压缩空气混合并油雾化的技术,之后将其喷洒在切削区,使得刀具和切屑与刀具、工件的接触部分光滑,从而减少摩擦并预防刀具上粘有刀屑,同时对切削区进行冷却,有助于刀具的排屑,使得切削加工的条件得到显著的提高。
在使用MQL时,应该选择对人体健康无害的脂油或是植物油,其使用量较少,通常每小时使用十几到几十毫升,机械加工之后工件、刀具以及切屑都处于干燥状态,所以使用MQL的切削工艺又叫做准干切削工艺。准干切削工艺不但能够实现加工要求,又能降低切削液的使用费用,是一种能够实现与干切削相同目标的切割方式。
2.3采用成形工艺技术
成形工艺技术中主要包含精密下料、精密铸造、精密锻造、精密轧制、冷挤压以及粉末冶金等工艺技术。其中精密剪切下料工艺,能够有效地提高产品生产的效率以及加工材料的使用率。在零件形状比较复杂时,可以采用冷挤压技术,冷挤压技术能够将材料的使用率提高到90%,并且材料的生产率和精度都比较高。
2.4采用优质清洁表面技术
优质清洁表面技术主要有两种,分别是离子束辅助镀膜技术和新型节能表面涂装技术--自泳涂装。离子束辅助镀膜技术通常是在一些耐磨性要求比较高的零件中使用,它能够使精密仪器和刀具、模具以及航空航天轴承的寿命得到提高。新型节能表面涂装技术是一种水分散体系,它具有无毒、无火灾危害以及不含有机溶剂的特点。它与传统的电泳涂装技术进行对比,这种新型技术能够节约能源与材料,涂抹比较均匀,有良好的耐蚀性,是一种无污染的生产工艺技术。该技术已经得到广泛的使用,比如在家电、仪表仪器以及汽车零部件等方面,并且获得了十分显著的经济效益。
2.5采用水喷射加工技术
水喷射加工技术又叫水刀加工技术,通过超高压水射流以及混合于其中的磨料对各类材料进行穿孔、表面去锈以及切割等方面的加工,水喷射加工技术不会产生火花、烟尘以及有毒气体,不会对空气造成污染,加工件不会发生热效应,并且水资源能够重复利用。
2.6采用风冷却切削技术
干式加工作为绿色制造工艺中的研究重点,在一定情况下,没有进行冷却处理是很难实现干式加工的,还必须对刀具进行与冷却。
风冷却切削技术是指使用除湿器将空气供给源的空气水分排出之后,并将其送入空气冷却器中进行冷却,使温度降至零下30℃,之后再通过绝热管的风嘴将冷风输入到切削的部位,并且在切削的地方喷洒少量的脂油或无害植物油,避免切割面出现生锈。在风嘴的对面有安装收集废屑和风尘的装置,通过该装置内的过滤器将切屑过滤掉。
2.7低污染与无污染的冷却技术的应用
目前,干式切削技术还不成熟,其应用范围也很有限。而传统的温式切削又有诸多不足。因此介于两者之间的最小量技术MQL有着极为广阔的应用前景。
最小量(MQL)切削(即近干切削)是一种双赢加工模式,它可以大幅度减少冷却液用量、相关设备和能源成本、散发到空气中的冷却液飞沫及刺激操作工人皮肤的可能性,同时,它还能潜在地提高生产率和工件加工质量。
最小量技术MQL的优点有:①无需废液处理;②对人体无危害;③对环境无污染;④节约资源:供给的油量可达每小时2~30mL,为传统湿式方法用量的万分之一左右;⑤大大减小了刀具—工件、刀具—切屑的摩擦,从而延长了刀具寿命,提高了加工表面质量;⑥系统简单,体积小,易布局。
3、绿色机械加工技术的发展趋势
(1)网络化
制造的网络化,特别是基于Internet/Intranet的制造已成为重要的发展趋势。作为机械制造重要基础的绿色机械加工也需要大力推进网络化。通过企业局域网将各个分散的加工中心、数控设备等联接起来,可便于机械加工控制中心对整个加工进程进行总体监控,同时还可与企业中的工程设计系统、管理信息系统等各子系统实现集成,便于优化决策。
(2)信息化
绿色机械加工的追求目标是实现整体最优化加工,即从系统的观点出发,综合分析不同的材料、零部件、设备等加工因素,优化选择最合理的加工方案,以实现加工时间少、生产效益高、环境污染小、综合成本低的目标。信息化是实施绿色机械加工的关键要素及有效手段。为实现整体最优化加工,需要建立加工设备、切削刀具、切削液、切削用量、工件材料、环境、能源等相关资料的机械加工数据库,采用有限元法、神经网络、人工智能等先进技术对各种绿色机械加工方法进行建模、仿真、虚拟加工和决策,并通过Intranet与企业的其它数据库系统互联共享,实现并行设计与生产。
4结语
在机械加工中使用绿色制造工艺已经成为世界工业发展的一种趋势,在人类的可持续发展和世界经济全球化的背景下,绿色制造工艺将显示出它的优势。由于社会经济的快速发展,人们对生活环境的要求越来越高,在制造业中实行绿色制造加工工艺符合人们对环境保护的价值观念。因此,绿色制造工艺在机械加工中的使用前景十分广阔,制造业的相关企业应该加强对绿色制造业的的重视程度,并提高绿色制造工艺技术的使用频率。
参考文献
[1]韩圣武.浅谈绿色制造工艺技术在机械加工中的应用[J].黑龙江科技信息,2008(33).
关键词 数字化 实践性 教学改革
中图分类号:G424 文献标识码:A DOI:10.16400/ki.kjdkz.2016.10.059
Abstract The fundamentals of materials molding technology is an important mechanical professional basic course. Combined with the main problem of this course in college teaching, the teaching content and the teaching methods were discussed how the digital and practical teaching combined with the course. It is better to cultivate practical and innovative ability and master new techniques and technologies for students based on the training center and the 3D digital lab.
Keywords digital teaching; practical teaching; teaching reform
0 引言
要实现“中国制造2025”的目标,必须推进信息技术与制造技术深度融合,推动制造技术往高端和智能方向发展,才可实现制造强国战略目标。人才是前进的动力,是力量的源泉。高等学校是培养人才的最大基地,对人才的培养和教育不能与社会脱节,不能闭门造车,否则跟不上时代的发展。课程的教学如果不改革,继续墨守成规,培养出来的学生毕业后无法尽快投入工作,企业又将花费巨大的人力和物力培养学生适应工作岗位的要求,无形中增加社会的成本。因此,我们必须要对教育课程做出相适应的改革。
文华学院机械专业以学生为本,尊重学生个体的差异性,制定因人制宜的培养方案,在培养学生过程中重视实践培养,充分发挥每个学生的潜力,打造本专业的优势,突出本专业的特色。文华学院的机械专业在重视实训、实验环节同时加强理论教学,尽可能做到理论和实践的完美结合。本专业目标培养高级应用型本科人才,利用自身的实验室大力培养学生的创新与实践能力,培养学生具有较强的实际动手能力、开拓的创新精神, 材料成型工艺基础课程结合本校数字化建设,依靠金工实训中心和三维数字化实验室,引入数字化和实践化教学,真正让学生体会材料不同成型工艺的魅力,让自己所学的知识融入实践中,在操作中强化理论知识,又使得理论知识应用于实际操作,既加强了学生的理论知识掌握,又让学生提高自身的实际动手能力。
1 课程的教学改革必要性
“材料成型工艺基础”作为本校机械专业的专业基础课,涉及到除机加工以外的各种冷、热加工工艺,包括:铸造、塑性成形(锻造和冲压)、焊接以及其他成型方法。本课程不仅让学生了解到材料成型工艺的基础知识,又要让学生知道未来成型工艺的发展趋势。为了提高本课程的教学质量,必须对本课程进行教学改革,从教学目标、教学方法、教学环境等多面进行有效的合理改革。
“材料成型工艺基础”课程随着制造业的飞速发展,工业领域内的新型材料和新技术、新工艺的不断更新,其课程的内容日益丰富。此课程信息量大,内容多庞杂,重点不突出。如何在有限的40学时内完成教学大纲的规定目标,成为一个难题。目前,课程的教学采用传统的课堂教学,即使采用多媒体和模具教学,也难以摆脱目前的尴尬境地。加上机械专业的学生对课程的学习自觉性、主动性较差,这些教学方法和手段难以调动学生的积极性。
本课程的主要考核采用开卷命题型考试,题型多采用填空题、简答题、综合题、选择题等形式,试卷题型丰富,涉及知识面广,考核学生掌握所学知识的能力。但是基于课程内容多,采用开卷考试。因此,对于那些平时不上课或上课不认真听讲的学生,只要考前突击看书,便可顺利通过。显然,这与我们设置本课程的教学初衷大相径庭,学生不能真正掌握知识,对能力的培养起不到作用。
2 课程的教学改革目标
文华学院的机械类专业以实践化教育为专业特色,校企联合培养,每年根据就业情况和社会所需人才不断修订和完善人才培养方案,优化课程设置,如对目前企业生产实践中运用的各种成型工艺展开对应的软件设计,每种教学软件都可以案例为实验项目展开软件的技能训练。本校的材料成型工艺基础课程结合了三维数字化和实践化教育这一特色,运用各种三维教学软件和实验室硬件展开不同材料成型工艺的技能训练。
机械专业的材料成型工艺基础不像材料成型专业将其作为核心课程,机械类专业学时短,只能简单介绍各类材料成型工艺,工艺设计和结构工艺性,在有限的学时内最大程度让学生全面掌握材料成型工艺。在整个教学过程中,必须认识到本学院的学生与其他高校的学生差异性,更应提高学生的积极性、参与性,充分发挥自身的优势。不仅要培养他们的理论知识学习,更要注重他们的实际动手能力。培养学生的专业综合素质,提高自身的竞争力,做一名职业性、全能型的优秀人才,才能在竞争中立于不败之地。
3 课程的教学改革实现
3.1 教学内容改革
教学内容的改革是建立在熟悉书本知识内容基础上,不是盲目毫无根据的删减,并且要结合现在材料成型工艺在实际中的应用和最新研究进展做出的正确调整。并结合文华学院的应用性定位和机械专业的就业领域,以及考虑学生的实际情况进行尝试。首先我们看看这门课程的教学任务:通过本课程的学习,学生应对金属的铸造成形、金属的塑性成形、金属焊接成形和材料的其他成形的基本过程有较深入的理解,掌握基本原理和规律。初步掌握根据工件的材质、性能和使用要求能够选择其成形方法,为后续专业课程的学习和以后的科技实践工作打下基础。
这门课的重点是培养学生掌握对中等复杂件能进行铸造工艺设计,锻压工艺设计和焊接工艺设计,了解高分子、粉末冶金、陶瓷等材料的成形工艺。根据这个最基本的要求,在教学过程中可以弱化不易理解和并不实用的理论内容。这些内容不是机械专业的研究重点,在讲解内容根据专业的特点适当调整内容,深入浅出,通俗易懂。因此,根据内容的调整要制定新的教学大纲,才能对课程体系和教学内容有较大的正确改进。课程设置如图1所示。
3.2 教学方法改革
各种材料成形工艺(铸造、焊接、锻造等)在金工实习中已经操作过,但是理论内容讲解比较滞后,学生未能真正理解体会到各种成形方法的实质。在讲解有关成形工艺有关基本概念内容时,可将课堂放在实训中心,学生身临其境会回忆自己曾经操作的成型工艺,不仅强化金工实习的内容,又可加深学生对理论知识的理解。
利用学校三维数字化实验室指导学生利用各种三维软件进行零件造型,动画仿真加工过程演绎。学生可自选三维软件,生成加工程序,进行加工模拟和后置处理。工艺加工过程在课堂讲的天花乱坠也没动态演绎来的形象、真实。如围绕铸造加工可安排零件的建模、铸造加工仿真训练,使学生熟悉掌握软件技能,有体会到铸造加工工艺的真实性。运动仿真完成,让学生在金工实训中心零件加工,在实践中得到锻炼。在三维数字化设计和实践教学中既锻炼了软件的技能,又强化了所学的专业知识,同时得到实际锻炼。
这种数字化和实践性教学,三维设计和理论知识相互融合、相互影响。既强化理论知识,又加强实际应用,在实例中锻炼了学生的三维数字化设计能力。培养学生既具有强大的理论知识基础,又有很过硬的实际应用能力。
3.3 教学考核改革
以前,评判学生主要以卷面成绩为主(70%),这种考核方式很片面,对学生的考核不够全面。这种考核变成了学生考前突击应付考试,甚至考试只带打印的复习资料连书本都不带的局面。因此,调整教学大纲,实行新的考核方式。通过新旧考核方式对比发现(如图2所示):卷面分数比重减轻,更注重对能力的考核,考核内容和形式更加全面和多样化。考核方式可在一定程度上解决目前尴尬的局面,提高学生的主动性,积极参与课程学习中,提高自身的能力。教师也更加全面认识了解学生,对学生做出更加客观的评判。总之,要从根本上解决以教师为主体的教学,使学生作为主体参与教学过程。
4 结束语
材料成型工艺基础的实践化和数字化教学,打破原来的传统课堂教学,为课程的教学注入新鲜活力。实践化和数字化教学的引入使得材料成型工艺基础的教学更加贴近实际,可使学生更加全面认识不同成型工艺,实现各种成型工艺的动画仿真与演绎,将理论与实践结合的更加紧密。考核形式多样化,提高学习的主动性,不再是应付性对待本课程,也使得老师全面地多角度认识学生,更加客观评判学生。
参考文献
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