“材料表面與界面”特色課程建設(shè)及思考

吳楨干* 楊學(xué)禹 潘友康 張 騁

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 上海 201418）

0 前言

“材料表面與界面”課程是為復(fù)合材料與工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，目的是使學(xué)生在掌握已有物理化學(xué)及材料熱力學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步學(xué)習(xí)和掌握表界面的基本概念和基本理論以及相關(guān)定理，并應(yīng)用這些理論分析解決各種材料體系的表界面問(wèn)題，特別是復(fù)合材料的表界面問(wèn)題，熟悉材料表面與界面所涉及的主要分析測(cè)試方法和它們?cè)趶?fù)合材料研究領(lǐng)域中的具體應(yīng)用，以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)復(fù)合材料復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行初步研究的能力。

本課程的主要內(nèi)容有：表界面的概念，液體、固體及固-液的表界面理論，表面化學(xué)的四大定理，液體表面張力與接觸角的測(cè)定方法與應(yīng)用，高分子材料表面張力的影響因素，復(fù)合材料的界面理論及其應(yīng)用，復(fù)合材料界面力學(xué)性能的表征等。同時(shí)在課程中強(qiáng)調(diào)本課程涉及的課程思政內(nèi)容，如材料表面與界面的設(shè)計(jì)與改性，是當(dāng)前隱身飛機(jī)、傳感器、催化劑領(lǐng)域新材料研發(fā)的核心問(wèn)題，關(guān)系到實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的戰(zhàn)略目標(biāo)。

1 課程目標(biāo)

通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生了解表面化學(xué)的基本理論及其具體應(yīng)用，掌握彎曲液體表面承受的附加壓力、彎曲液面的蒸氣壓或細(xì)小顆粒的溶解度、表面吸附量等的計(jì)算。熟悉液-固界面潤(rùn)濕性的評(píng)定、高分子材料表面張力的影響因素，液體表面張力和接觸角的測(cè)定方法，多孔和粉末固體材料比表面積的測(cè)定方法。掌握復(fù)合材料界面基礎(chǔ)、增強(qiáng)纖維表面處理及偶聯(lián)劑、復(fù)合材料界面力學(xué)性能的表征、復(fù)合材料界面理論。為復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、界面結(jié)合的改進(jìn)、制備工藝的優(yōu)化提供理論支撐。培養(yǎng)學(xué)生識(shí)別、表達(dá)和分析復(fù)合材料與工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

課程目標(biāo)與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)矩陣見表1。

2 課程內(nèi)容及教學(xué)要求

2.1 液體界面

主要內(nèi)容：表面張力的熱力學(xué)定義、Laplace方程、Kelvin方程、吉布斯（Gibbs）吸附等溫式、液體表面張力的測(cè)定方法；要求能夠運(yùn)用表面化學(xué)的三大基本定律計(jì)算毛細(xì)管中液體的表面張力、微小水滴的過(guò)飽和度、微小顆粒的溶解度、溶液的表面吸附量及其分子的橫截面積等實(shí)際問(wèn)題。

表1：課程目標(biāo)與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)矩陣

2.2 固體表面

主要內(nèi)容：固體的表面特性、固體表面的自由能、Langmuir吸附等溫式、Freundlish吸附等溫式、BET吸附等溫式；要求能夠解釋固體表面物理吸附和化學(xué)吸附的差別，運(yùn)用Langmuir吸附等溫式進(jìn)行固體對(duì)氣體平衡吸附量的計(jì)算，應(yīng)用BET模型測(cè)定固體比表面積的方法和計(jì)算。

2.3 固-液界面

主要內(nèi)容：Young方程和接觸角、黏附功和內(nèi)聚能、Young-Dupre公式、接觸角的測(cè)定方法和滯后現(xiàn)象、潤(rùn)濕過(guò)程的三種類型；要求能夠運(yùn)用Young方程計(jì)算液-固界面的接觸角，判斷液-固潤(rùn)濕的類型，應(yīng)用潤(rùn)濕理論通過(guò)改變固體表面張力和表面粗糙度來(lái)調(diào)控潤(rùn)濕性。

2.4 高分子材料的表面張力

主要內(nèi)容：表面張力與溫度、分子量、等張比容、內(nèi)聚能密度的關(guān)系，臨界表面張力，狀態(tài)方程；要求能夠運(yùn)用高分子材料表面張力與各種參數(shù)的關(guān)系用測(cè)量外推或者估算的方法近似獲得固體高分子材料的表面張力。

2.5 復(fù)合材料的界面

主要內(nèi)容：玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面、先進(jìn)復(fù)合材料的界面、復(fù)合材料界面力學(xué)性能的表征、復(fù)合材料界面理論；要求能夠解釋復(fù)合材料界面對(duì)其性能影響的重要性、偶聯(lián)劑改善復(fù)合材料界面結(jié)合的機(jī)制、碳纖維表面改性影響復(fù)合材料界面結(jié)合的機(jī)制、并將界面理論應(yīng)用到復(fù)合材料的制備工藝中。

3 特色課程建設(shè)的思考

課程建設(shè)教師隊(duì)伍做到各個(gè)專業(yè)方向教師取長(zhǎng)補(bǔ)短，老教師和新教師相結(jié)合。教學(xué)內(nèi)容符合一流學(xué)科建設(shè)要求，符合工程教育專業(yè)認(rèn)證達(dá)成度計(jì)算要求，知識(shí)結(jié)構(gòu)合理，注意學(xué)科交叉，及時(shí)把學(xué)科最新發(fā)展成果引入教學(xué)。結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證相關(guān)要求，達(dá)成度。密切關(guān)注國(guó)內(nèi)外材料表面與界面領(lǐng)域的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，選用本課程國(guó)內(nèi)外的優(yōu)秀教材，體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性。將傳統(tǒng)教學(xué)方法與現(xiàn)代教學(xué)方法，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、有機(jī)結(jié)合，推廣應(yīng)用形象生動(dòng)的多媒體課件，提高課堂教學(xué)效果。并充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，把本課程建成在線課程為目標(biāo)。

本課程配套獨(dú)立實(shí)驗(yàn)“復(fù)合材料表面與界面實(shí)驗(yàn)”建設(shè)，充分利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，編寫相關(guān)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對(duì)所學(xué)表面與界面的理論知識(shí)有更深入的體會(huì)和理解，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力，提高對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度。通過(guò)參加全國(guó)大學(xué)生復(fù)合材料設(shè)計(jì)與制作大賽，運(yùn)用所學(xué)的復(fù)合材料界面理論，制備出高延展復(fù)合材料構(gòu)件。

在原有的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改進(jìn)和完善多媒體課件的制作，并借助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展。為了配合課堂教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)專題的形式，使學(xué)生將課本理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合。建立科學(xué)的考核體系，包括理論知識(shí)考試和實(shí)驗(yàn)操作的考核。在教學(xué)方法上注意培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。理論聯(lián)系實(shí)際，融知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)教育于一體。增加相關(guān)的配套獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，可以進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)表面界面理論的感性認(rèn)識(shí)。另外，在教學(xué)中注重應(yīng)用研究性學(xué)習(xí)、探究性學(xué)習(xí)、互動(dòng)協(xié)作學(xué)習(xí)等現(xiàn)代教育理念。充分利用互聯(lián)網(wǎng)對(duì)知識(shí)的傳播作用，培養(yǎng)學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)查找收集學(xué)習(xí)資料的能力。尤其是在新冠疫情期間，在超星網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上建設(shè)了課程網(wǎng)站，方便學(xué)生進(jìn)行課外線上自學(xué)。

4 結(jié)束語(yǔ)

材料表面與界面課程涉及材料熱力學(xué)方面的內(nèi)容，是復(fù)合材料與工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，課程涉及的界面化學(xué)基本理論應(yīng)用范圍廣。在特色課程建設(shè)中，以專業(yè)認(rèn)證為導(dǎo)向，對(duì)教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容就行了修改，各種測(cè)驗(yàn)和考試在達(dá)成度計(jì)算中都達(dá)到了要求的指標(biāo)。在教學(xué)過(guò)程中，采用新穎的案例來(lái)啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新想象力，讓學(xué)生課后積極參加高性能樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件制備項(xiàng)目，加深對(duì)界面理論的應(yīng)用體會(huì)?？傊?，通過(guò)課程建設(shè)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新必備素質(zhì)和能力的目的。