前言：中文期刊网精心挑选了能源化学工程导论范文供你参考和学习，希望我们的参考范文能激发你的文章创作灵感，欢迎阅读。
能源化学工程导论范文1
武汉科技大学化学工程与工艺专业始建于1958年,原名为“炼焦化学专业”,1985年改为“煤化工专业”。1992年,按“煤化工”“、城市燃气”和“炭素材料”三个专业分别招收新生。1996年,随着教育部大学本科专业目录的调整,“煤化工”“、城市燃气”和“炭素材料”三个专业归并为“化学工程与工艺”专业。尽管名称几经变化,但始终坚持煤化工培养方向和煤焦化的特色。其原因主要是由于武汉科技大学的前身“武汉钢铁学院”和“武汉冶金科技大学”原来隶属于冶金工业部,毕业生主要面向钢铁冶金系统;培养目标针对性、学生的工程意识和实践能力较强,受到钢铁冶金行业焦化企业、科研院所的认可。目前,武汉科技大学化学工程与工艺专业为国家级特色专业,拥有化学工程与技术一级博士点和化学工程与技术博士后科研流动站。经过几代人的辛勤努力,学校化学工程与工艺专业的教学和科学研究规模及水平均有了显着的提高。在化工专业“宽口径”培养模式下,坚持煤化工方向特色有着重要的现实意义。首先,中国是以煤为主要能源的国家,在一次能源中,煤炭占70%左右,在较长的时期内这一能源结构不会改变[4]。大力发展煤化工产业,推广洁净煤技术,保证国家的能源安全,是中国的一项基本能源政策。其次,煤焦化是煤化工中技术最成熟、应用最广泛的一种煤炭综合利用方法。至少在50年内,采用高炉,利用焦炭作为炼铁的主要燃料、还原剂和料柱支撑体的技术仍将是钢铁冶金的主流技术。再次,“节能减排”是中国的重要战略任务,也是全世界面对的主要挑战。面对以煤烟型污染为主和焦化行业普遍污染严重的现实,从煤炭利用源头减少污染是实现“节能减排”的必由之路。最后,煤化工(包括焦化)行业涉及到中国能源供应和安全、钢铁行业的生存和发展以及节能减排的实现,当前以致今后相当长的时期仍是中国国民经济的主战场。因此,武汉科技大学的“化学工程与工艺”专业坚持煤化工方向特色是非常必要的;理顺两者的关系,既具有理论意义,也具有实际价值。
二、特色专业建设的基本原则
进行具有煤化工特色的化学工程与工艺专业建设,是优化专业学科结构,推进教学改革,加强内涵建设,提高人才培养质量,提升专业竞争力的重要举措。这不但有利于促进学校教学基本建设,进一步改善办学条件,巩固办学特色,而且有利于提高办学实力,更好地适应以煤化工为主的经济社会发展的需要[5-6]。
(一)市场导向
目前,中国大学生就业已完全走向市场,学生和用人单位之间进行“双向选择”,大学毕业生的一次就业率已经成为评价一所大学教学质量和综合竞争力的主要指标之一。要提高就业率,就必须瞄准市场对人才的需求,特色专业建设也必须以市场为导向,培养市场需要的专业人才。
(二)自主创新
特色专业建设是中国高等教育教学改革的一项新内容,本身具有探索性、创新性,加之各校各专业都要根据内外部条件形成自己的特色,更无先例可循。因此,特色专业建设要在教育观念、人才培养目标、人才培养模式、课程体系改革和评价标准等方面坚持创新。
(三)错位发展
特色专业建设要在市场导向的基础上,根据现有的办学条件、科研成果和发展潜能,集中力量,凸现特色;坚持有所为有所不为,采取“人无我有,人有我优,人优我新”的差异化策略,实现“错位发展”,避免正面竞争。
(四)相对稳定
特色专业建设是一项系统工程,是一个不断建设、不断积累、不断完善的过程,其特色的形成应该具有相对的稳定性。同时,要适应内外部环境的变化,具有一定的前瞻性,能够体现现代科学技术发展的趋势和未来社会和市场的需求变化。
三、主要措施
(一)更新教育观念
办学理念和专业建设观念是特色专业建设的指导思想,决定着特色专业建设的方向、进程和绩效。特色专业建设是一项涉及专业建设多方面创新和变革的教学改革活动,必须首先在专业建设和教学理念上实现突破,更新传统的教学观念以适应时代和社会发展的需要。为此,化学工程与技术学院针对“宽口径”的教育观念进行了多次研讨,并邀请、走访用人单位,进行深入地调研,逐步树立了化学工程与工艺专业在“宽口径”培养模式下坚持煤化工特色教学的观念。
(二)加强师资队伍建设
师资队伍建设是特色专业建设的根本保证。特色专业需要配备有学科特色的师资队伍,其教学和科研方向专长必须和专业特色的培育相匹配。化学工程与工艺专业的专业课教师多数既是理论知识的传播者和研究者,又是专业工程的实践者。他们多数在武汉科技大学设计研究院从事煤焦化设计研究工作,有着丰富的实践经验。近年来,随着学校跨越式发展,新引进了一批优秀的青年教师。这些青年教师多数没有煤焦化专业的知识背景,为此,安排新教师随班学习煤焦化方面的课程,而后安排到焦化厂进行3个月现场学习,并在学校设计院教师指导下完成焦化的工程设计,经教研室组织考核合格后方可上岗。
(三)创新课程体系
特色专业建设必须目标明确,在保持专业目标的基础上突出体现特色目标;在人才培养规格上要有明显特色,同时制定科学合理的人才培养方案。课程体系是高等院校实现人才培养目标和基本规格要求的总体设计蓝图,设置合理、科学、超前、前后呼应的课程体系是特色专业建设的基础和关键。应广泛吸收国内外先进的教育理念和教学经验,整合教学改革成果,优化课程教学内容,不断丰富课程内涵,努力构建适应经济社会发展需要、反映时代特征、具有学校特色的化学工程与工艺本科专业课程体系。依据学校的学科特点,在培养“通才”的基础上,构建了“焦化特色模块”、“精细化工模块”等专业方向课程。同时,将煤化学课程列入专业基础必修课,从而保证学生具备煤化工的知识背景。新的课程体系充分体现了“提升内涵、强化特色”的教学指导思想。
(四)改革实践教学环节
特色专业建设过程中,要高度重视校内外实习、实验、实训基地建设,为培养学生创新能力、实践能力提供良好的实践教学条件。近年来,化学工程与工艺专业建立了一批相对稳定的教学实习基地。考虑到专业培养方向的要求,实习基地以武汉平煤武钢联合焦化有限公司为主体。该公司在国内具有技术力量雄厚,生产工艺先进的特点,并具有较高的管理水平。同时,该公司可以说是焦化的一部“百科全书”,建有4.3m、6m、7.63m焦炉,所采用的配套工艺也有多种,是一个相当理想的本科专业特色教学实习基地[7]。在实验教学方面,依托湖北省煤转化与新型炭材料重点实验室,通过开设本科生创新性实验与创新性研究等课外实践活动,为培养学生的动手能力、创新能力、提高人才培养质量和专业特色教学提供了保障。
(五)强化课程、教材建设
课程建设是专业培养目标实现的基本途径,专业特色必定要在课程建设中得以体现。在进行课程体系改革的同时,学校十分重视课程内涵建设,重新整理了传统课程的教学内容,加强不同学科之间的交叉和融合。如在煤化学课程的基础上,将其它一些主要能源也引进来,从而形成了能源化学课程。在化工设备及材料中融入了力学、材料等知识;化工设计基础与技术经济分析课程在原来技术经济分析的基础上,增加了化工设计内容,以加强学生动手能力的培训;根据企业用人需求,增设了化工CAD绘图与识图。教材的质量体现高等教育和科学研究的发展水平,也直接影响本科教学的质量。为提高教学效果,主要专业课程都选用省部级以上优秀教材、“面向21世纪课程教材”、“十五”、“十一五”国家重点教材和教学指导委员会推荐的教材。同时,鼓励教学经验丰富、学术水平较高的教师编写与出版具有学校化学工程与工艺专业特色的教材,以进一步优化教学内容和深化课程体系改革。目前,本专业自编公开出版的教材主要有:《煤化学》《燃气工程》《化工技术经济学》《化工设计概论》《化学工程与工艺专业实验》以及《环境工程导论》等,其中《煤化学》为国家“十一五”规划教材。
(六)建立健全质量保障和监控机制
建立健全质量保障和监控机制是创建特色、保持特色的关键。只有特色鲜明,才能优势突出;只有集中力量重点建设,才能使学校加强对某一专业重点投入,创造良好的教学、科研条件,取得预计的成果。特色专业更强调精干高效,它是学校具有标志性作用的专业。要做到这一点离不开质量监控。为进一步保证教学质量,实行课程、专业带头人负责制,并建立了科学、合理的教学质量监控体系,包括学生评教制,干部同行评议制,教学检查员听课指导制,教学信息员信息反馈制,监督电话、信箱信息收集制,等。此外,还加大了对青年教师的培养力度,为青年教师配备指导教师,制定青年教师“过教学关”计划。上述措施有力地保障了教学质量的稳步提升,为培养高质量的煤焦化特色化工专业人才提供了制度保障。
能源化学工程导论范文2
计算机工程是涉及现代计算系统、计算机控制设备的软硬件设计、制造、操作的科学与技术，建立在计算、数学、科学和工程学的基础上，主要研究计算机处理器、多处理器通讯设计、网络设计和存储器体系，着重研究硬件设计以及与软件和操作系统的交互性能，如嵌入式系统、分布式数据与大规模存储系统。绝大多数美国学校的电气工程和计算机工程是在一个系，除数学、物理等基础科学知识外，课程体系主要包括计算机科学和电气工程等学科的相关课程、设计和构建计算机系统及基于计算机系统的相关软硬件课程。培养的学生应具备从事计算机系统工作的能力，或具备基于计算机相关系统进行分析、设计、应用和集成工作的能力，具有扎实的计算机基础理论、良好的科学素质和工程实践能力，包括良好的团队合作和人际交流沟通能力[5]。下面主要介绍美国这4所大学的计算机工程课程设置情况。
1.1UIUC计算机工程专业本科课程设置
UIUC计算机工程专业学生需要修满128个学分，这些课程分为如下7大类：1)科学基础与数学课程(31学分)，包括数学、物理、化学在内的10门课程。2)计算机工程核心课程(34学分)，这些课程重点介绍计算机工程领域的基本概念、基本原理、基本实验方法和技术，共有10门课程。3)专业基础数学课程(6学分)，包括离散数学和概率、工程应用两门数学课程。4)写作课程(4学分)，1门写作原理课程，主要讲授研究报告的写作方法。5)专业技术选修课(23学分)，其中1门必须选自计算机工程和计算机科学专业技术选修课程之外的课程，其他必须均选自计算机工程和计算机科学专业技术选修课程。这些课程强调计算机工程实践中用到的主要分析方法和设计原则。6)社会科学与人文科学课程(18学分)，这些课程被工学院认可并满足学校对学生社会科学与人文科学课程通识教育的要求。7)自由选修课程(12学分)，这些几乎没有限制的选修课可以让学生学习任何领域的知识。学生可以在计算机工程专业深入学习课程，也可以学习生物工程、技术管理或语言等课程。
1.2普度大学计算机工程专业本科课程设置
普度大学计算机工程专业学生需要修满125个学分，这些课程分为如下6大类：1)通识教育课程(24～25学分)，包括6～7学分的两门交流技巧课程和18个学分的社会与人文学科选修课程。2)数学课程(21～22学分)，数学课程有两种套餐，各6门课，学生可以根据自己的情况任选一种。3)科学基础课程(18～1分)，包括物理、化学、生物及面向对象编程等5门课程。4)工程基础课程(7学分)，包括工程导论两门课程及计算机工程和计算机科学以外学科的工程学科选修课1门。5)计算机工程专业课程(4分)，包括32～33学分的13门计算机工程专业核心课程；两门共计1学分的研讨课程；2门3～4学分的高级设计课程；2门8学分的研究生课程；1～2门计算机专业选修课程，使计算机工程专业课程总学分达到4分。6)任选课程(4～6学分)，根据辅修要求或个人兴趣，任选课程可以从理学院或文理学院中适合工科学生的数学、科学课程中选择，目的是使总学分达到125学分。
1.3伊利诺伊理工学院计算机工程专业本科课程设置
IIT计算机工程专业学生需要修满130～134个学分，这些课程分为如下3大类：1)限选课程(10分)，学分分配如下：计算机工程专业限选课程47学分，包括计算机工程和计算机科学两类课程；数学限选课程24学分；物理限选课程11学分；化学限选课程3学分；工程科学限选课程3学分；社会科学与人文学科限选课程21学分。2)选修课程(15～1分)，包括专业选修课程9～12学分，其中含1门硬件设计选修课；科学选修课程3学分。3)跨专业实践项目课程(6学分)，包括IPROI跨专业实践项目I和IPROII跨专业实践项目II两门课程。
1.4西北大学计算机工程专业本科课程设置
西北大学计算机工程专业学生需要修48门课程，这些课程分为如下7类：1)通用工程方法、数学、科学基础课程(15门)，必修计算方法与线性代数GenEng205-1、线性代数与力学GenEng205-2、动态系统建模GenEng205-3和微分方程GenEng205-4等4门通用工程方法课程；必修微积分(I)MATH220，微积分(II)MATH224，微积分(III)MATH230及多元积分与矢量微积分MATH234四门数学课程；必修普通物理(I)Physics135-2和普通物理(II)Physics135-3两门科学基础课程；从McCormick工学院科学基础课程中任选其他2门课程；另外必修IDEA106-1工程设计与交流(I)、IIDEA106-2工程设计与交流(II)两门工程设计和交流课程。2)工程基础课程(5门)，必修4门，包括EECS202电气工程导论、EECS203计算机工程导论、EECS211编程基础(C++)、EECS302概率系统与随机信号，并从McCormick工学院工程基础课程热电力学、系统工程与分析、材料科学和流体与固体中任选1门。3)交流与社科人文学科课程(8门)，选修GenCmn102演讲或GenCmn103课程的其中1门，另外选修7门满足McCormick工学院要求的社科人文学科课程。4)专业核心课程(5门)，必修EECS205计算机系统软件基础、EECS303高级数字逻辑设计、EECS361计算机体系结构、EECS311数据结构与数据管理和EECS343电路基础这5门课程。5)技术选修课程(10门)，西北大学计算机工程专业分高性能计算、VLSI与CAD、嵌入式系统和算法设计与软件系统4个方向，每个方向开设若干门技术课程，每个学生必须在这4个方向中选修5门课；从专业基础课程EECS213计算机系统导论、EECS222信号与系统基础、EECS223固态工程基础、EECS224电磁场与光学基础、EECS225电子学基础5门课中根据学习方向选修2门；剩下3门从计算机科学、计算机工程、数学、科学基础等课程中选修，如可以是生物学BIOL210-1,2,3和化学原理CHEM210-1,2,3课程，也可以经申请同意选修相关计算机工程研究生课程。6)自由选修课程(5门)，共修5门，学生可以根据自身情况和兴趣爱好自由选修。若从未学习过任何计算机编程语言，建议其中1门选修编程入门(Python)EECS110课程。7)高级项目课程(1门)，至少在微处理器系统项目EECS347-1、计算机体系结构项目EECS362和VLSI设计项目EECS3923门课中选修1门。
24所大学计算机工程课程设置特色
4所大学计算机工程本科专业的课程设置都通过美国工程教育认证机构ABET的EC2000指标体系认证，有如下特点：
1)注重基础知识的学习，在贯彻通识教育中培养学生的各种能力。基础知识直接决定学生未来的发展潜力[7-8]，而基础知识的掌握通常是通过通识教育实现的。与我国高校通识教育不同的是，这4所美国大学按照各种完整的项目组织基础知识，让学生在基于项目的学习中形成各种能力。他们还特别重视人际沟通能力的培养和学生对广泛深入的人文社科知识的理解，使所有工科学生在数学、物理、信息、物质、生命、技术和能源科学方面及人文社科方面打下广泛的基础。这种比知识更重要的能力是学生取之不尽、用之不竭的资源。普度大学第一年的工程基础培养及UIUC第一年的计算机工程训练从一开始就围绕能力培养，使学生能更好地理解和应用所学的基础科学和数学知识。
2)注重相关学科的交叉和融合，培养学生跨学科处理问题的本领。现代工程是一个复杂系统，不是狭隘的技术知识背景所能胜任的。解决现代工程问题要求工程师能够打破学科壁垒，把被学科割裂开来的工程再还原为一个整体。这要求学校在课程设置上必须充分考虑学科的交叉和融合，为学生提供综合的知识背景，以利于复杂工程问题的解决[6,8]。UIUC、普度大学、西北大学和IIT在课程设上均体现了学科交叉、学科融合的思想。UIUC规定学生在技术选修课中必须选1门计算机工程和计算机科学系以外的课程，例如宇航工程、农业与生物工程、土木工程、化学工程、生理学、生物工程、生物物理学、生物化学、大气科学、天文学、材料科学与工程、机械工程等。普度大学的计算机工程专业学生也必须选修1门电气工程和计算机工程领域以外的课程，以满足工程拓宽要求，可以是航空力学、化学工程计算、噪音控制、核工程导论、材料结构与特性、环境工程中的物理化学原理、环境可持续工程以及运筹学-优化、运筹学-随机模型中的任何1门。西北大学的计算机工程本身就是该校电气工程和计算机科学交叉和融合的结果，学生除必须选修科学基础选修课中的普通物理-电磁学、普通物理-波现象和现代物理外，还必须在遗传和进化生物学、工程分子和细胞生物学中任选1门。IIT规定科学选修课必须选1门生物学、材料科学、化学原理，工程选修课必须选1门机械学导论或热动力学。
3)强调工程实践能力培养，培养学生“以解决问题为中心”的工程设计能力。工程本身就意味着实践，意味着更加重视工程实际和工程的系统性和完整性。这4所大学都十分强调学生工程实践能力的培养，在课程设置上不仅有丰富的实验课程，而且通过更为灵活多样的基于项目学习(Project-basedLearning)课程培养学生的实践能力。如IIT有IPRO跨专业实践项目，西北大学要求学生在微处理器系统项目(EECS347)、计算机体系结构项目(EECS362)、VLSI设计项目(EECS392)等项目课程中必须至少选修1门。普度大学要求学生选修电气工程设计导论(ECE402)、计算机设计与样机(ECE437)、操作系统工程(ECE469)、编译器与翻译器工程(ECE495S)和数字系统高级项目(ECE495C)等项目课程。UIUC则有计算机组成与设计(ECE411)、高级数字系统项目(ECE395)、微处理器项目(ECE412)、数字信号处理项目(ECE410)等项目课程供学生选择。
4)发挥和保护学生的个性及兴趣，激发学生的自主性和创造性。工程教育应该在最大程度上发挥学生的个性并促进其创新能力的发展。在专业学习中，学生可以根据自己的水平、学习兴趣、个性特长选择不同的课程，从而促进个性和创造性的发展。为学生提供不同的培养计划是这4所大学的共同特点。西北大学为计算机工程学生提供了高性能计算、VLSI与CAD、嵌入式系统和算法设计及软件系统4个不同的学习路径。UIUC、IIT及普度大学则采用庞大的选修课程及明确的课程分类，使学生可以依据兴趣爱好自行组织课程和学习内容，以发展个性，提高创新能力。
5)坚持课程设置机构的开放性，改变只按学科知识、由教师单方面设置的做法。在课程设置机构方面，这4所大学均根据产业界对计算机工程师的能力、素质、技能和知识等要求，学生求职的需求，毕业校友学习和工作的经验反馈及ABET2000指标体系，成立由有工程背景的教师、产业界、教育认证机构、学生及毕业生等利益相关者组成的专门委员会，讨论、确认、不断改进计算机工程专业的课程体系及教学大纲。这与我国由高等院校计算机科学与技术专业教学指导委员会主导、以学科为导向，追求知识完备性为基础，由缺乏产业经验和工程背景的教师确定的课程设置和教学计划相比，在满足学生求职和产业界需要等方面有明显优势[8]。
3改进我国计算机科学与技术本科专业实践教学的思考
截至2006年，我国高校工科专业在校生为600万人，其中计算机相关专业在校生近45万人，在规模上基本适应我国经济社会发展的需求。问题是我国计算机工程教育与计算机工业界脱节较严重，不同类型、层次学校的培养目标趋同[8]。通过深入研究、分析和比较美国高等学校计算机工程专业的培养目标及课程设置特色，我们深刻认识到我国工科院校计算机专业本科教育存在的诸多弊端。比如工程实践环节薄弱；工科教师队伍的非工化趋向严重；评价体系错位；课程体系落后，学科交叉欠缺，导致创新与实践双向不足，计算机毕业生得不到产业界的认同，普通工科院校计算机专业毕业生就业率低下。以下是我们对工科院校计算机科学与技术本科专业实践教学改革的一些思考：
1)计算机科学与技术本科专业实践教学的改革应从培养目标、课程体系、师资建设和评价体系、产学合作等方面综合考虑。
2)从培养目标上，工科计算机人才培养应从学科导向转为求职导向，也就是以产业需求为导向。这使学生能形成胜任今后工作的能力，成为合格的公民和称职的产业人员，而不仅仅是只掌握系统、完备的学科知识。
3)课程体系要符合大工程观的要求，注重学科的交叉和融合，强调基础知识的同时强化对学生实践能力的培养。实践教学应加强实验课程、项目课程和企业实习项目的建设，强调做中学、用中学，提倡学生的主动学习和实践是实践教学改革的重点内容。
4)评价体系涉及如何评价学生的学习效果，是关系到教学是否能达到培养目标的重要因素。如果要培养符合计算机产业界需要的具有各种能力和素质的工程师，以理论考试为主评价学生能力的评价体系就尤显片面。如何制定科学有效的评价指标，对学生的各种能力进行综合评价，特别是在基于项目的实践学习中对学生的团队合作能力、交流沟通能力、解决工程实际问题的能力进行科学评价，是一个有待探索的问题。
能源化学工程导论范文3
关键词:梯度功能材料，复合材料，研究进展
Abstract :This paper introduces the concept ，types，capability，preparation methods of functionally graded materials. Based upon analysis of the present application situations and prospect of this kind of materials some problems existed are presented. The current status of the research of FGM are discussed and an anticipation of its future development is also present.
Key words :FGM；composite；the Advance
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。
1 FGM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]。
2 FGM的特性和分类
2.1 FGM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。
2.2 FGM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]。
3 FGM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
4 FGM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. 1 FGM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. 2 FGM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-propagating High-temperature Synthesis 简称SHS或Combustion Synthesis)
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1 500 K，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. 5 km/ 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. 3 FGM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]。
5 FGM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。
5.2 FGM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。
参考文献
[1] 杨瑞成，丁旭，陈奎等.材料科学与材料世界[M].北京：化学工业出版社，2006.
[2] 李永，宋健，张志民等.梯度功能力学[ M].北京:清华大学出版社.2003.
[3]王豫，姚凯伦.功能梯度材料研究的现状与将来发展[J].物理，2000，29(4):206-211.
[4] 曾黎明.功能复合材料及其应用[M]. 北京：化学工业出版社，2007.
[5] 高晓霞，姜晓红，田东艳等。功能梯度材料研究的进展综述[J]. 山西建筑，2006， 32(5):143-144.
[6] Erdogan， F.Fracture mechanics of functionally graded materials[J].Compos. Engng，1995(5):753-770.
[7] 李智慧，何小凤，李运刚等. 功能梯度材料的研究现状[J]. 河北理工学院学报，2007， 29(1):45-50.
[8] 李杨，雷发茂，姚敏，李庆文等.梯度功能材料的研究进展[J]. 菏泽学院学报，2007， 29(5):51-55.
[9] 林峰.梯度功能材料的研究与应用[J].广东技术师范学院学报，2006，6:1-4.
[10] 庞建超，高福宝，曹晓明.功能梯度材料的发展与制备方法的研究[J]. 金属制品，2005，31(4):4-9.
[11] 戈晓岚，赵茂程.工程材料[ M].南京:东南大学出版社，2004.
[12] 唐小真.材料化学导论[M].北京：高等教育出版社，2007.
[13] 李进，田兴华.功能梯度材料的研究现状及应用[J]. 宁夏工程技术，2007， 6(1):80-83.
[14] 戴起勋，赵玉涛.材料科学研究方法[M] .北京：国防工业出版社，2005.
[15] 邵立勤.新材料领域未来发展方向 [J]. 新材料产业， 2004，1:25-30.
[16] 自蔓延高温合成法.材料工艺及应用etsc.hnu.cn/jxzy/jlkj/data/clkxygcgl/clgy/clgy16.htm
[17] 远立贤.金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状.91th.com/articleview/2006-6-6/article_view_405.htm.
[18] 工程材料. col.njtu.edu.cn/zskj/3021/gccl/CH2/2.6.4.htm.
