民航特色材料物理專業(yè)工程應(yīng)用課程的教學(xué)

丁坤英

摘要：為了突出民航特色材料物理專業(yè)工程應(yīng)用課程的“民航特色”和“科學(xué)前沿性”，精選高溫合金精密鑄造、鋁合金焊接成型、鈦合金塑性成型和復(fù)合材料熱壓成型等教學(xué)內(nèi)容并采用“案例教學(xué)法”提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：民航；材料物理；工程應(yīng)用課程；教學(xué)內(nèi)容；案例教學(xué)法

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）13-0163-02

一、民航特色材料物理專業(yè)開設(shè)工程應(yīng)用課程的意義

材料物理專業(yè)是培養(yǎng)具有較深厚物理學(xué)和材料學(xué)基本理論，同時具備材料物理知識應(yīng)用能力的復(fù)合型人才的專業(yè)。民航特色院校材料物理專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生以服務(wù)于民航行業(yè)為主，所以在人才培養(yǎng)方面更要體現(xiàn)其“理、工”兼?zhèn)涞奶厣２牧衔锢韺I(yè)課程體系中對于物理學(xué)基礎(chǔ)課程的設(shè)置相對成熟，主要是固體物理、量子力學(xué)、熱力學(xué)課程；與之銜接的材料學(xué)基礎(chǔ)課程有材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料成型理論、材料力學(xué)等；在兩大課程體系之下怎樣設(shè)置側(cè)重于工程應(yīng)用的課程是突出“理、工”兼?zhèn)渑囵B(yǎng)目標的關(guān)鍵。

民航特色院校材料物理專業(yè)設(shè)置的工程應(yīng)用課程要滿足兩點要求：一是要具備“民航特色”。開設(shè)工程應(yīng)用課程的目的是學(xué)以致用，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識和實際應(yīng)用相結(jié)合。民航特色材料物理專業(yè)的學(xué)生大多數(shù)是從事民用航空器材料設(shè)計、成型、維修相關(guān)工作，所以在設(shè)置應(yīng)用課程時要貼近民用航空材料的工程應(yīng)用，體現(xiàn)“民航特色”。二是要具備“科學(xué)前沿性”。一代材料，一代飛機。航空材料經(jīng)歷了多個階段的發(fā)展，鋼、鋁合金、高溫合金、鈦合金、先進復(fù)合材料等不斷更替，航空材料加工技術(shù)也不斷推陳出新[1]，所以在教學(xué)過程中應(yīng)緊緊抓住先進材料以及先進材料成型技術(shù)的科學(xué)前沿，讓學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)跟上時代的步伐?！熬邆涿窈教厣焙汀翱茖W(xué)前沿性”是材料物理專業(yè)材料應(yīng)用課程設(shè)置的關(guān)鍵，要實現(xiàn)以上兩點要求，需要做好兩方面的工作，一是設(shè)置適宜的教學(xué)內(nèi)容，而是采用合理的教學(xué)方法。

二、材料工程應(yīng)用課程內(nèi)容的設(shè)置

材料工程應(yīng)用課程涉及到的內(nèi)容很多，對于民航特色材料物理專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)來講，安排事宜的教學(xué)內(nèi)容非常重要。結(jié)合近年來航空材料方面的研究和應(yīng)用成果，教學(xué)內(nèi)容的安排應(yīng)該側(cè)重如下幾個方面：

1.高溫合金的精密鑄造。高溫合金在航空發(fā)動機中的應(yīng)用比較廣泛，例如渦輪機匣、級間機匣、調(diào)節(jié)葉片，尤其是渦輪空心葉片。在民航發(fā)動機，如CFM56、PW4000、RB211等機型中高溫合金的精密鑄造都是關(guān)鍵技術(shù)[2]。精密鑄件的微觀結(jié)構(gòu)、內(nèi)部缺陷與殘余應(yīng)力等會在澆注成型過程中形成，因此合金的澆注與凝固工藝對鑄件力學(xué)性能、尺寸精度和內(nèi)部質(zhì)量的影響規(guī)律是此部分內(nèi)容講解的主要內(nèi)容。

2.鋁合金的焊接成型。目前民用飛機的機身結(jié)構(gòu)依然是以鋁合金材料為主，因此鋁合金結(jié)構(gòu)的連接是影響機身結(jié)構(gòu)強度的關(guān)鍵。鋁合金熔點低、易氧化，采用熔化焊接的方法連接會產(chǎn)生焊接缺陷。英國焊接研究所開發(fā)一種新型的焊接技術(shù)，稱為摩擦焊[3]。它利用表面摩擦使焊縫材料溫度升高而熱塑化，同時使接縫處的變形金屬通過相互擴散與再結(jié)晶而牢固地結(jié)合在一起，從而實現(xiàn)固態(tài)連接的過程。摩擦焊過程中的發(fā)熱量和焊接材料的塑性流動形態(tài)是影響焊縫成型質(zhì)量的主要因素，這種影響機制是此部分講解的主要內(nèi)容。

3.鈦合金的塑性成型。鈦合金在室溫條件下塑性低、變形能力差，但是在850-950℃條件下呈現(xiàn)良好的超塑性。航空發(fā)動機的空心寬弦葉片由鈦合金制成，它應(yīng)用技術(shù)主要是超塑性成型技術(shù)。與傳統(tǒng)帶凸肩窄弦實心風扇葉片相比，新技術(shù)強化了葉片的抗外物撞擊能力，大大減輕了葉片的質(zhì)量，減小了高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力，提高了流量和效率[4]。超塑性成型過程中變形工藝的選擇和優(yōu)化，組織演變與變形機制、空洞演變及斷裂機制等內(nèi)容是此部分講解的主要內(nèi)容。

4.復(fù)合材料的熱壓成型。樹脂基的碳纖維復(fù)合材料具有比金屬材料更高的比強度和比剛度，它在民用航空飛機中的應(yīng)用越來越廣泛。先進復(fù)合材料在A380飛機中應(yīng)用的比例達到30%，而在B787中的應(yīng)用的比例達到50%，可以說先進復(fù)合材料的應(yīng)用體現(xiàn)了航空器的先進性[5]。先進復(fù)合材料的成型采用的方法是熱壓罐的熱壓成型。成型過程中先將復(fù)合材料預(yù)浸料按照不同方向鋪設(shè)，再將其放置在熱壓罐中熱壓成型。在此過程中熱壓罐的壓力和溫度的控制將影響復(fù)合材料層合板的孔隙率、粘接強度、力學(xué)性能等，這種影響機制是此部分講解的主要內(nèi)容。

三、材料工程應(yīng)用課程中“案例教學(xué)方法”的應(yīng)用

材料物理專業(yè)工程應(yīng)用課程知識點較為分散，講授課時較短，在有限的課上時間內(nèi)讓學(xué)生較為深刻地掌握所學(xué)知識點，需要借助于案例教學(xué)法。案例教學(xué)法非常適合于開發(fā)分析、綜合評估能力等高級智力技能的講授。它以案例為教學(xué)基礎(chǔ)，教師于教學(xué)中扮演著設(shè)計者和激勵者的角色，鼓勵學(xué)生積極參與討論。此種教學(xué)方法的實施過程如圖1所示。應(yīng)用此方法教學(xué)，可以激發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主動性，增加學(xué)生對知識點的認知能力，同時可以培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作能力，增進師生之間的交流[6，7]。下面以一個實例說明此種教學(xué)方法在教學(xué)過程中的應(yīng)用。

首先教師精選一個案例“熔模鑄造技術(shù)在渦輪空心葉片制造中的應(yīng)用”，詳細介紹這個案例引起學(xué)生的興趣；然后將這個案例的知識點分成若干模塊：“熔模鑄造技術(shù)”、“空心葉片的應(yīng)用”、“熔模鑄造中陶瓷芯的制備”等，組織學(xué)生分成相應(yīng)的組別對模塊進行課下自學(xué)；課上拿出一定時間讓各組的學(xué)生代表對自學(xué)內(nèi)容進行交流，教師對學(xué)生發(fā)言進行評價和總結(jié)；然后教師利用相應(yīng)的模擬軟件對空心葉片的熔模鑄造過程進行全程演示，加深學(xué)生對知識點的認識；最后教師根據(jù)此案例內(nèi)容給出一定量的試題，評價學(xué)生對知識點的掌握程度。

四、總結(jié)

要實現(xiàn)民航特色院校材料物理專業(yè)“理、工”兼?zhèn)涞奶厣?，需要在物理和材料理論基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)上開設(shè)工程應(yīng)用型課程，并且此課程需要具備“民航特色”和“科學(xué)前沿性”。為了實現(xiàn)上述目標需要教師精選教學(xué)內(nèi)容并引入科學(xué)的教學(xué)方法。高溫合金、鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料的先進成型方法應(yīng)該是此類課程的主要教學(xué)內(nèi)容，在教學(xué)過程中引入“案例教學(xué)法”能夠增加學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，提升學(xué)習(xí)的效率。

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