“無機材料物理性能”課程實驗教學(xué)設(shè)計

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(唐山學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程系，河北 唐山 063000)

學(xué)生的實踐操作能力低，創(chuàng)新能力差已經(jīng)成為嚴重影響本科教育及人才培養(yǎng)質(zhì)量的主要因素。因此，不斷深化實踐教學(xué)改革，提高實踐教學(xué)質(zhì)量，是高校教學(xué)改革中刻不容緩的任務(wù)。實驗教學(xué)是高等院校教學(xué)體系的一部分，相對于理論教學(xué)更具有直觀性、實踐性、綜合性的特點。作為高等學(xué)校本科教育的重要實踐環(huán)節(jié)，實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法及基本實踐操作技能、理論聯(lián)系實際的學(xué)風(fēng)和實事求是的科學(xué)態(tài)度的重要手段，在培養(yǎng)學(xué)生嚴謹科學(xué)態(tài)度及創(chuàng)新精神、提高分析和解決實際問題能力等方面都具有理論教學(xué)不可替代的地位和作用[1-2]。

唐山學(xué)院作為一所以培養(yǎng)應(yīng)用型高級專門人才為目標的地方院校，歷來重視學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，在人才培養(yǎng)方案中設(shè)置了較大比例的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，同時鼓勵教師大力開展實踐教學(xué)研究。本文以《無機材料物理性能》課程為例，對課內(nèi)實驗教學(xué)內(nèi)容進行設(shè)計，意在對課程進行實踐教學(xué)改革。

1 我院無機材料物理性能課程教學(xué)現(xiàn)狀

《無機材料物理性能》課程是我院無機非金屬材料工程專業(yè)的一門必修學(xué)科基礎(chǔ)課程，主要內(nèi)容包含無機材料力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電導(dǎo)、介電等性能的概念、定律、機理、影響因素及提高性能方法。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握無機材料本征參數(shù)的物理意義，掌握影響材料物理性能的微觀機理；掌握材料成分、結(jié)構(gòu)對制品性能的影響，提高分析問題和解決問題的能力，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和材料設(shè)計與材料改性打下堅實的基礎(chǔ)。當前我院無機材料物理性能課程全部為理論教學(xué)，暫未開設(shè)課內(nèi)實驗內(nèi)容。結(jié)合本課程教學(xué)現(xiàn)狀和對其它課程及實踐環(huán)節(jié)教學(xué)的需要，無機材料物理性能課程擬增設(shè)部分實驗教學(xué)內(nèi)容。通過實驗環(huán)節(jié)鍛煉，學(xué)生了解實驗原理及實驗設(shè)備，掌握有關(guān)物理性能的測試方法，有助于提高對課堂理論的認識和掌握程度。下面以部分實驗內(nèi)容為例，對實驗教學(xué)進行設(shè)計。

2 無機材料物理性能課程實驗設(shè)計

2.1 材料導(dǎo)熱系數(shù)測定

導(dǎo)熱系數(shù)是一種物性參數(shù)，隨物質(zhì)的種類和溫度而異，它表明物質(zhì)的導(dǎo)熱能力，它的數(shù)值是單位時間內(nèi)，每單位長度溫度降低1K時，單位面積所通過的熱量，單位為W/(m·K)。導(dǎo)熱系數(shù)是反映材料導(dǎo)熱性能的一個重要參數(shù)，在科學(xué)實驗和工程技術(shù)中都要涉及這個參數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)測定方法可歸結(jié)了兩大類：動態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法。其中穩(wěn)態(tài)平板法是測量材料導(dǎo)熱系數(shù)的一種常見方法，該方法測試設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，測試流程簡便，學(xué)生容易上手。材料導(dǎo)熱系數(shù)實驗設(shè)置主要目的是使學(xué)生了解導(dǎo)熱的宏觀、微觀機理及基本規(guī)律；分析熱傳導(dǎo)的影響因素；掌握穩(wěn)態(tài)平板法測量材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法。

穩(wěn)態(tài)平板法測量材料導(dǎo)熱系數(shù)以傅里葉定律為根本原理，具體如下：傅里葉在實驗的基礎(chǔ)上，得出一個導(dǎo)熱的基本規(guī)律，即在導(dǎo)熱現(xiàn)象中，單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量與溫度梯度成正比，在一維溫度場中有：q∝-dt/dx，式中q為熱流，單位為W/m2，dt/dx為在x方向上的溫度梯度，單位為℃/m，方向為溫度升高方向，因為熱流是矢量，它與溫度梯度方向相反，所以式中需引入負號。將比例式寫成等式，引入比例系數(shù)λ，則傅里葉定律可改寫為：q=-λdt/dx，式中λ為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m·K)。

測試方法：將厚度一定的方形或圓形樣品至于兩平板之間，設(shè)置一定的溫度梯度。使用校正過的熱流傳感器測量通過樣品的熱流，傳感器在平板和樣品之間，并與樣品接觸。測量樣品厚度、溫度梯度與通過樣品的熱流便可計算材料導(dǎo)熱系數(shù)。

2.2 陶瓷材料表面硬度測定

陶瓷材料作為無機材料中的一個重要組成部分，因其具有較高的硬度，良好的耐磨性，較高的機械強度和優(yōu)良的耐腐蝕特性，被廣泛應(yīng)用于冶金、航天、耐磨、居民日常生活等諸多領(lǐng)域。其中硬度是陶瓷材料，特別是結(jié)構(gòu)陶瓷材料最重要的一項性能指標，與耐磨性、強度等其它性能有密切的關(guān)系。結(jié)合我院無機非金屬材料工程專業(yè)陶瓷材料方向，陶瓷釉面硬度測試主要選取維氏硬度(HV)進行，使學(xué)生了解維氏硬度測量原理，掌握維氏硬度測試方法，了解維氏硬度測試方法的優(yōu)缺點及相關(guān)標準。

維氏硬度測試采用正四棱錐形金剛石壓頭，相對面夾角為136°。由于金剛石硬度極高，幾乎可以用于壓入所有材料。將壓頭以一定的負荷壓入被測材料表面，保持負荷一定時間后(30S)，卸除負荷，測量材料表面的方形壓痕的對角線長度。對相互垂直的二個對角線長度取算術(shù)平均值，采用公式進行計算，確定材料的維氏硬度。HV=1.854P/d2。式中P為負荷，單位為kg；d為對角線算術(shù)平均值，單位為mm。該硬度測試方法具有負荷小，試樣壓痕小，對試樣無損壞特點，但由于壓痕小，需測量對角線長度，這樣測量誤差較大，測量精度較低，而且為了使壓痕清晰，試樣表面須先研磨拋光。

2.3 水泥混凝土材料抗折抗壓強度測試

水泥是混凝土的重要膠結(jié)材料，水泥強度是水泥膠結(jié)能力的體現(xiàn)，是混凝土強度的主要來源。因此，水泥及混凝土強度測試設(shè)計為無機非金屬材料工程專業(yè)水泥方向的無機材料物理性能課程實驗內(nèi)容。通過開展水泥及混凝土強度測試實驗，學(xué)生掌握水泥膠砂抗折強度測試方法，掌握混凝土砌塊抗壓強度測試方法，了解裂紋的產(chǎn)生途徑和原因；掌握材料裂紋擴展和產(chǎn)生脆性斷裂的原因和方法等。

抗折強度一般采用簡支梁法進行測量。將水泥試件放在兩支點上，然后在兩支點間的試件上施加集中載荷，當載荷達到臨界值時，試件發(fā)生變形或破壞。根據(jù)材料力學(xué)簡支梁的受力分析可得試件抗折強度計算公式：

Rf=1.5FfL/b3

式中：Rf——抗折強度，MPa；

Ff——破壞載荷，kN；

L——支撐圓柱中心距，m；

b——試件斷面正方形邊長，m。

在水泥膠砂試件抗折強度測試中，選取不同齡期試件，試件斷面正方形邊長b=0.04m，支撐圓柱中心距L=0.1m，采用杠桿式抗折試驗機試驗，試件放入前，應(yīng)使杠桿成水平狀態(tài)，將試件成型側(cè)面朝上放入抗折試驗機內(nèi)。試件放入后調(diào)整夾具，使杠桿在試件折斷時盡可能地接近水平位置?？拐墼囼灱雍伤俣葹?0 N/s±10N/s，直至折斷，并保持兩個半截棱柱試件處于潮濕狀態(tài)直至抗壓試驗?？拐蹚姸冉Y(jié)果取三個試件平均值，精確至0.1MPa。當三個強度值中有超過平均值±10%的；應(yīng)剔除后再平均，以平均值作為抗折強度試驗結(jié)果。

混凝土抗壓強度測試參照GB50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》，采用萬能試驗機，測定立方體(150mm×150mm×150mm)抗壓強度試件，測試過程中記錄破壞荷載。混凝土立方體抗壓強度fcu按公式計算(精確至0.1MPa)：

fcu=F/A

式中：F——破壞荷載，N；

A——受壓面積，mm2。

以3個試件測定值的算術(shù)平均值作為該組試件的抗壓強度值。當3個測定值中的最大或最小值有一個與中間值的差值超出中間值的15%時，則把最大及最小值一并舍去，取中間值作為該組試件的抗壓強度值。如果兩個測值與中間值的差都超出中間值的15%，則該組試件的試驗結(jié)果無效。

3 結(jié)語

無機材料物理性能課程實驗的設(shè)計可根據(jù)教學(xué)大綱及后續(xù)課程教學(xué)需要進行及時調(diào)整，例如在熱學(xué)性能部分可增加熱膨脹系數(shù)和比熱等性能測試，在脆性斷裂與強度章節(jié)增加材料沖擊和彈性模量測試，在光學(xué)性能章節(jié)增加玻璃材料透光性的測定，在電學(xué)性能章節(jié)增加材料電阻率和電導(dǎo)率測定等。通過增設(shè)和開展課內(nèi)實驗教學(xué)內(nèi)容，不斷提高學(xué)生對知識的掌握水平，增強學(xué)生動手實踐能力。