高分子材料的基本特性范文

导语：如何才能写好一篇高分子材料的基本特性，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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中学化学中教学中的高分子材料知识点与生活密切相关，在化学选修科目中，介绍了高分子材料的在生活中起了日益重要的作用。在生活中，我们会经常碰到高分子材料，那么，高分子材料有哪些特有的现象呢？

我们先介绍下高分子材料，高分子材料，以高分子化合物为基础的材料。高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料。

天然高分子是生命起源和进化的基础。人类社会一开始就利用天然高分子材料作为生活资料和生产资料，并掌握了其加工技术。如利用蚕丝、棉、毛织成织物，用木材、棉、麻造纸等。19世纪30年代末期，进入天然高分子化学改性阶段，出现半合成高分子材料。1907年出现合成高分子酚醛树脂，标志着人类应用合成高分子材料的开始。现代社会中，高分子材料已与金属材料、无机非金属材料相同，成为科学技术、经济建设中的重要材料。常用的高分子材料按使用特性分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和功能高分子基复合材料等。

高分子材料在我们的生活中使用越来越广泛，我们可以试着用一些高分子材料的基本知识来解释生活中碰到的一些高分子材料的特有现象。

一 为什么用塑料绳绑东西会越绑越松

日常生活中，我们经常用塑料绳绑东西，可你会发现，用塑料绳绑东西，我们越想绑紧，可不久会发现，塑料绳很快好像变长了似的，变得很松垮，于是再使劲绑起，可依然会发现，过了一会又变松了，这是为什么呢？

这里就要提到一个基本概念---力学松弛，什么叫力学松弛呢？应力松弛，是指高分子材料在总应变不变的条件下，由于试样内部的粘性应变随时间不断增长，使回弹应变分量随时间逐渐降低，从而导致回弹应力随时间逐渐降低的现象。

我们生活中使用的塑料绳（有的地方叫化学绳）是由线性的聚乙烯或聚丙烯制成，这类高分子材料是典型的非交联线性高分子，在绑紧的过程中，线性的高分子链被拉长，表面看起来很紧，但随着时间的延长，线性高分子链发生了滑移，这种滑移是不可恢复的，链发生滑移后，塑料绳被拉伸的变长了，开始变得不能绑紧，假如此时再使劲绑紧，则线性链继续发生滑移。所以用塑料绳绑东西，绑的越紧最后就会变得越松，松弛发生的厉害。因此，有经验的人用塑料绳绑东西时，都不要绑的太紧，防止线性高分子链发生严重应力松弛。

那怎么样才能避免这种现象呢？要用交联的高分子材料，交联的高分子材料通过交联剂使线性高分子链变成了网状结构，高分子网络链被拉伸变形后，仍能有力的回复。如用橡胶绳绑的话会大大改善这种现象，如橡皮筋绑就会好很多，如用交联很完善的东西绑，譬如用自行车内胎的那种橡胶绑，则基本不会发生松弛现象，会绑的很紧，不信你试试？

二 早上起床刷牙挤牙膏-挤出胀大

我们早上起来刷牙挤牙膏时，发现牙膏从牙膏管口寄出时，牙膏好像突然变大了好多？ 这是因为什么原因呢？

这里就涉及到高分子的一个重要特性---蠕变性。所谓高分子的蠕变，蠕变是指材料在恒定载荷作用下，变形随时间而增大的过程。蠕变是由材料的分子和原子结构的重新调整引起的，这一过程可用延滞时间来表征。当卸去外力时，材料的变形部分地回复或完全地回复到起始状态，这就是结构重新调整的另一现象。

牙膏中含有大量的高分子化合物，如湿润剂、香料、起泡剂等等，这些高分子链在牙膏管中是都是呈自然卷曲的，在被挤出牙膏管口那狭小位置时，高分子链在管口的作用下被迫发生链的舒展成线性状态，在挤出管口后，外力小时，高分子链在无外力作用下回自然呈卷曲状态，从而使体积变大。

三 泡泡糖要咀嚼后才能吹泡泡

好多人都喜欢吹泡泡糖，刚入嘴的时候，比较硬，后来不断的咀嚼后泡泡糖就变得很软，居然能吹出泡泡来？这又是为什么呢？这里我们又要学到一个高分子材料特有的特性---玻璃化转变。

一般来说，高分子材料在不同温度下有三种力学状态，它们是玻璃态、高弹态和粘流态。在温度较低时，材料为刚性固体状，与玻璃相似，在外力作用下只会发生非常小的形变，此状态即为玻璃态：当温度继续升高到一定范围后，材料的形变明显地增加，并在随后的一定温度区间形变相对稳定，此状态即为高弹态，温度继续升高形变量又逐渐增大，材料逐渐变成粘性的流体，此时形变不可能恢复，此状态即为粘流态。

我们通常把玻璃态与高弹态之间的转变，称为玻璃化转变，它所对应的转变温度即是玻璃化转变温度，或是玻璃化温度。

泡泡糖的主要成分是聚醋酸乙烯酯，它的玻璃化温度在28度左右，一般情况下低于其玻璃化温度，其几乎没有流动性保持很好的形态，而在嘴里咀嚼后，高于其玻璃化温度，泡泡糖发生玻璃化转变，有玻璃态向高弹态转变，呈现出高弹态，所以嚼泡泡糖的时候刚开始嚼两下是吹不出泡泡的，等温度升高后，嚼软了以后才行。

四 矿泉水瓶灌入热水后，变成白色

生活中经常用到矿泉水瓶，有时候，会在矿泉水瓶灌入热水，于是会发生一个奇特的现象，透明的矿泉水瓶很快变成白色，这又是为什么呢？

判断一种材料是否透明，要看当中是否含有对光产生衍射、反射和吸收是物质，晶区的结构规整性比较好，容易有反射和散射，这些结构使光线不能透过，结晶度越低越透明，无定形区譬如玻璃是典型的无定性物质，光线就能很好的透过，透明性就很好。

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关键词： 高分子材料； 本构关系； Abaqus； UMAT； VUMAT

中图分类号： TB324； TB115.1文献标志码： B

引言

高分子材料在日常生活中有着广泛的应用，因此其不可避免地出现在仿真分析中.当前没有一种商业软件具有适合高分子材料的材料本构模型.Abaqus是一款优秀的商业软件，其提供的子程序接口UMAT/VUMAT允许用户根据使用需求自定义材料本构.[1]使用该方法，可有效解决在仿真中由于材料本构不适用而导致的仿真与实际测试差异过大的问题.

1高分子材料本构一般描述方法

业界通常使用弹塑性本构定义高分子材料的材料属性.屈服强度一般取材料曲线上第一个峰值点.弹性模量的取法有2种不同的方式：对于应力应变关系曲线有明显直线段的，以第一段直线的斜率作为材料的弹性模量（切线法）；对于曲线没有明显直线段的材料，则使用原点与屈服点连成的直线的斜率作为弹性模量（割线法）.2种方式与真实应力应变曲线的比较见图1.图 1高分子材料测试材料曲线与仿真曲线比较

由图1可知，无论使用何种方式，仿真使用的应力应变曲线都与实际材料的应力应变曲线有较大差异.将切线法获得材料数据代入到手机电池盖三点弯曲中进行仿真，见图2，其仿真与测试力位移曲线在最高点的差异约为23%，见图3.

对于手机等一些电子类产品，高分子材料的仿真非常重要.在跌落或弯折测试中，高分子材料的应力应变关系与弹塑性本构的差异造成仿真预测不准确，必须定义正确的高分子材料本构.

2Abaqus VUMAT子程序

Abaqus提供丰富的材料本构模型库，能够满足绝大多数仿真材料模型的需要；同时，还提供UMAT/VUMAT子程序接口，让用户可以用FORTRAN语言编程，自己定义需要的材料本构模型，对Abaqus材料库中没有包含的材料进行计算.几乎可以把用户材料属性赋予Abaqus中的任何单元，其中UMAT用在隐式仿真计算中，VUMAT用在显式仿真计算中.由于隐式计算与显式计算的差别，导致UMAT与VUMAT也有一定的差异，但是经过简单的改写即可完成它们之间的转换.

本文使用准静态仿真分析方法，属于显式求解，所以只介绍VUMAT.

3高分子材料VUMAT本构介绍

由图1可知，高分子材料的本构与弹塑性本构最大的差异在于弹性段是直线还是曲线.弹性段的路径也直接影响到卸载的路径.因此，对高分子材料本构的定义关键在于非线性弹性段的实现，即要根据当前的应力值实时获取下一增量步所用的弹性模量值.程序整体流程见图4.

图 4程序整体流程

3.1弹性段多段线性的实现

在弹性段，程序根据弹性模量和泊松比计算应力增量.由于弹性段为非线性，需要根据应力或应变更新用于计算的弹性模量值，直至达到屈服点，因此需要在输入文件中输入材料真实应力应变曲线，通过查表计算的函数，根据当前应力σ所在的位置，计算当前的弹性模量.应力应变曲线输入时，输入格式为：

用查表的方法，直到σn

3.2卸载路径的选择

屈服发生后，需要选择弹性模量参与相关计算，有2个作用：一是用来计算屈服后加载段的应力试探值（不对该增量步真实应力产生影响，只起对比判断的作用）；二是用来作为屈服后卸载的路径（为实现不同卸载路径，在程序中设置一个flag位，其值由用户自己输入），用户可以根据实际的需要选择卸载的路径.如图4中，共设置3种卸载路径：沿切线卸载、沿割线卸载以及沿曲线卸载等.用户也可以根据需要增加其他的卸载方式.

4子程序的验证

为验证子程序是否能实现设计的功能，取一个1/8的网格模型进行单轴拉伸仿真，单元类型为C3D8R.输出其应力应变曲线，与材料真实应力应变曲线比较，见图5.

图 5使用VUMAT后加载应力应变曲线与材料曲线对比

使用VUMAT后，加载的应力应变曲线与材料测试得到的真实应力应变曲线完全重合，说明VUMAT可以完全反映材料在加载过程中的力学行为.在卸载过程中，分别实现沿弹性段的切线、割线以及曲线卸载.

为进一步验证，将VUMAT用于图2所示的手机电池盖三点弯模型中进行仿真与试验对比.在使用弹塑性本构模型时，仿真与测试力位移曲线的最大差异约为23%，而引入使用VUMAT编写的高分子材料本构后，其仿真与测试的差异减少到4.5%，见图6.从实际项目的验证结果看，使用VUMAT后电池盖测试的力位移曲线与仿真的力位移曲线基本重合，仿真与测试的差异也明显减小.将该本构应用于其他高分子材料和实际案例，其仿真精度均明显改善，也说明该子程序在实际工程中的适用性.

图 6使用VUMAT后电池盖力位移曲线对比

5结束语

使用VUMAT子程序后，高分子材料在加载段的力学特性与测试的真实应力应变曲线一致，同时将其应用在工程实际问题上，也与测试曲线基本一致，验证该程序的适用性.由于高分子材料的卸载特性较为复杂，还需进一步研究，所以程序只给出3种方式供用户按照实际需求进行选择.

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关键词：流变学；人才培养；教学；方法

一、《高分子材料流变学》课程发展

高分子材料流变学是一门伴随着高分子科学和行业发展而逐步建立起来的重要学科，针对高分子材料特殊的流动变形行为及其机理展开研究，起到连接高分子结构性能和高分子工程的桥梁作用。

现在，高分子科学理论研究及工艺、设备的设计优化的发展进步离不开高分子材料流变学知识的辅助，整体发展趋势要求高分子专业人才必须具备基本的高分子材料流变学知识。

青岛科技大学自1986年起开始设立《高分子材料流变学》课程，是国内最早开设该课程的高校之一，迄今已有20多年的教学历史，同时跟踪学科的发展，教学团队亦针对学科的前沿问题开展科研工作，在国际上形成了一定的学术影响力。在长期的教学、科研实践积累和和对高分子流变学教学理解逐步深化的基础上，教学团队按照比较科学完整的体系，编写出版了《高分子材料流变学》教材，并得到国内院校的认可；另一方面，《高分子材料流变学》教学也凸现了专业特色，使学生质量有所提高。通过引导学生开展理论联系实际、针对性强的流变理论研究与工程设计实践，所培养的学生学科专业知识全面，了解学科发展前沿，在以后的科研和工作实践中展现出较强的解决问题能力。

二、《高分子材料流变学》的特点及教学原则

高分子材料流变学是随着高分子的合成、加工工程和实际应用的需要，于20世纪50年代逐步发展起来的新学科。一方面，深入其核心需要较多的数学、物理和力学基础；另一方面，其知识体系与高分子化学、高分子物理、高分子的加工工程等有机联系。《高分子材料流变学》完整的知识框架至少涵盖如下三方面的内容：①高分子结构流变学，其从分子运动角度出发，构筑分子结构模型，关联材料宏观力学响应行为和微观的分子运动过程，说明二者的联系。②高分子工程流变学，其从宏观唯象的角度出发，进行应力－应变或应变速率分析，研究与高分子材料加工工程有关的理论与技术问题。③流变测量学，运用流变学基本原理设计仪器设备，表征高分子材料的流变行为。

《高分子材料流变学》理论深奥、内容繁杂、学科交叉性强，其比较科学完整的教学体系，一方面要保证流变学理论的完备性，系统介绍复杂应力、应变描述、材料流变本构方程理论等，另一方面要适应高分子材料专业的要求，加强高分子熔体溶液奇异的非线性黏弹性等内容的教学，并解释说明在高分子加工和流变测量中出现的种种现象与规律。较之其他课程，《高分子材料流变学》对学生的数学物理素养和高分子背景知识有相当的要求，所以教学过程中存在“教师教学难，学生学习难”的两难通病。在长期的教学实践中，我们总结出了讲授《高分子材料流变学》应贯彻两个重要的教学原则：①首先要注意照顾学生的专业背景，对复杂的数学、力学公式和简单明确的基本概念采用不同的处理方法；强调逻辑清晰和语言简明，避开数学基础上的难点，详细诠释流变学抽象概念和基本物理量确切的物理意义，帮助学生尽快领会高分子流变学要点。②再者，注重流变学知识的实际应用，强调理论与实践结合。在保持课程应有的理论体系、系统性、严谨性的同时侧重介绍其在高分子合成的分子设计、高分子工程、高分子材料性能控制等方面的应用实例。

笔者在教学实践中，结合自己的科研实践，将自己从事的国家自然科学基金研究课题成果作为实例，介绍高分子流变的发展及其在高分子学科中的应用。实践证明，教师本身学以致用的实例示范可以引导学生能够尽快领会流变学知识，在科学与工程实践中发挥了良好作用。

三、具体教学方法

笔者从事《高分子材料流变学》的教学实践以来，深刻体会到这是一个不断加深对课程特点的认识，不断改进教学方法的过程。不仅要求授课教师对课程内容有深刻理解，同时在知识传授上亦需要“善巧方便”。下面几点，是笔者对教学方法的简单总结。

1.教师引导。在开始教授新的知识要点前，若能提供一个科研或工程应用中的实例引发学生的兴趣，则往往可获得较好的课堂教学效果。在课堂上，要注意鼓励学生主动学习，形成师生互动的氛围。若学生在课堂上有所疑问，可以暂停教学，增加学生讨论环节。结束时，简要介绍课程后续内容提要，利于学生自学。

2.理论结合实际。《高分子材料流变》是一门理论性和应用性都很强的交叉学科，其理论知识部分比较晦涩，必须与实际结合才能使学得的知识深化和牢固，也才能引起学生的兴趣。教学中会出现学生感觉内容艰深，兴趣不大的现象，在理论基础的学习过程中尤为明显。而当理论知识与实际背景结合时，学生往往饶有兴致。因此将理论知识寓于合适的实际背景中进行讲授，效果明显。当然这也需要教师本人有自己的科研实践作基础，能够跟踪高分子流变的发展前沿。

3.采用多媒体教学。教师无法强迫学生学习，其角色只是教学过程中的引导者。随着教学设备的完善，多媒体教学在授课中所占比重逐步增大。在教学实践中，我们发现多媒体丰富的信息传递模式可以有效抓取学生的注意力，激发好奇心；另外，多媒体教学中重点内容突出，有利于学生掌握知识点，还可以加大信息量，减少板书量，在有限的课时内讲授更多知识。

4.教师传授与学生自学相结合。在教学时数有限的条件下，为使学生学到更多知识，除教师摒弃传统板书，采用多媒体对基础理论等重要内容进行课堂授课外，可以采用的途径是发挥学生主观能动性。在研究生教学中，我们在相关书籍和文献中摘取一些流变学应用和发展前沿方面的内容供学生自学使用，以作为课堂教学内容的补充。另外，要求学生结合自己的研究课题，从中提炼出高分子材料流变学的科学问题，既加深理解学生对所学知识的理解，又帮助其较好地完成课题研究任务。

5.加强实验教学的促进作用。流变参数的测定是高分子材料流变学的重要方面，其本身就是流变学理论的实际应用之一，同时测量结果也反映了材料本身的结构特征。在“毛细管流变仪测量熔体流动行为”的相关实验中，我们训练学生表征所测样品的黏性、弹性特征，分析样品黏弹特性与其分子结构之间的关系。

通过实验教学，可以让学生了解如何在实际工作上应用流变学知识，对课堂教学起到良好的补充和促进作用。

四、结束语

通过《高分子材料流变学》教学内容的合理设置，教学方法的改进，为高分子材料行业培养出合格的有用人才，促进高分子材料行业繁荣发展，是教师的职责所在。在高分子材料行业发展迅速，新材料层出不穷，已有材料的加工改性也相当活跃的今天，材料表征、分子剪裁设计、加工工艺控制等方面都需大批高层次的掌握流变学的科研和技术人员。这既是对高分子材料专业的毕业生提出的新要求，也是《高分子材料流变学》学科发展的动力。在青岛科技大学的关心和资助下，《高分子材料流变学》课程正在进行教学改革以适应发展要求。因此笔者不避粗陋，将自己的粗浅的教学经验体会总结如上，同时也希望得到流变学教学工作上的诸位同仁的指导。

参考文献：

[1]吴其晔.聚合物流变学[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]徐青.更新观念推进课堂教学改革.中国高等教育[J].2008，（5）：37-38.

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关键词 阻燃特性；木质材料；高分子

中图分类号O69 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）90-0038-02

0引言

随着现今经济的发展，人们生活质量的提高和健康意识的增强，火灾灾害频频发生，材料阻燃特性研究成为当下一个热议的话题，如何高效的利用材料自身的性质，加以合理的聚合和改造，使之成为阻燃特性好，阻燃性能优异，安全系数高，低烟低毒的材料，本文将从家庭使用的木质材料阻燃特性出发和现今工业在汽车、电子电气方面广泛使用的聚丙烯高分子阻燃剂，全面而系统的分析材料的阻燃技术的发展和技术现状。

1材料阻燃技术在家居木质材料上的应用分析

人们生活水平的不断提升，家居环境的美化，人们的健康意识也不断的更强，带来一些必须考虑的问题，家居环境的密封性使得家居所用材料对材料的阻燃技术有更高的要求，材料的阻燃特性对家居的安全隐患问题起着举足轻重的作用，材料阻燃技术不断的提出新的技术，满足各类需求。现今家庭所用的木质材料大多数是采用的是密度板，密度板有诸多益处，木质板材用于家庭装饰，美观，而且质轻，结构较为规则，一般木质板材表面度经过抛光处理，其现在广泛的应用于家庭装修中。当然木质板材也有很多的缺陷，例如时间长了后，容易变形，模板容易两端翘曲等问题，但是人造板材的使用，也使得木质材料的来源更加的广泛；更重要的一点是人造板材的使用，虽然是阻燃的一种，但是其级别相当于B2级别，也就是可燃性，其燃烧也是随着时间的推移，材质激将逐渐的改变，现如今的家庭火宅情况也时有发生，一旦火灾后，该木质板材将受到破坏性的损坏。现今家居环境室内所用密度板是一种木质的人造板，该板材从阻燃技术出发，京承天然木质材料咋阻燃性能方面的优势，有着良好的阻燃特性，装修材料按其燃烧性能应划分四级，见表1。

现今的阻燃材料多为难燃性，不燃性的材料少之又少，可燃性的材料也较多的被应用在现实生活中，对于易燃性的材料多为一些露天设施，家里的电线等等。对于难燃性的材料，其阻燃特性较为良好，其质量有保障，安全系数较高，较多的被现在的家居材料的所用，开发密度板阻燃特性良好的材料，是当今的材料阻燃技术研究是根本。

3材料阻燃技术在聚合物方向应用分析

聚丙烯是我们熟知的高分子材料，而一般的聚乙烯的材料属于易燃物质，例如我们家居生活中使用的塑料用具都是采用聚乙烯加工制造的，而对于材料阻燃技术的相应你果断要求的提出，聚丙烯高分子材料被广泛的应用于当今的日常生活中，聚丙烯简称pp，广泛用于汽车电子、家庭的装饰、建筑物的防火材料等等领域，聚丙烯和聚乙烯一样，属于B3级别的材料，易燃特性，但是聚丙烯高分子材料燃烧过程中，由于其亲氧气性能较低，燃烧不易产生含碳化合物，大大的增加了其易燃的特性，要保证其阻燃的特性，只有进行诸多的测试和实验，以进一步的推广和使用，研究新型的高分子材料，改善聚丙烯材料的阻燃特性是企业和社会发展的必须，具有重要的战略意义和实际经济意义。

对于聚丙烯类高分析物质，其中对于膨胀型阻燃剂，近年来发展较快，其阻燃特性较好，被广泛的应用在生活中，其阻燃性能高，安全系数高，低烟低毒等优点。以前膨胀型阻燃剂被美国两个特学家提出来，当时没有引起社会的关注，近年来，醉着材料阻燃技术的发展，环保问题的日益凸显，人们追本溯源，开始寻找一种新型的可用于环保的一个低毒的无卤阻燃剂，基于这些问题的提出和综合权衡，给膨胀型阻燃技术提供了广阔的发展空间。其中膨胀型阻燃剂的基本成分和各组分的主要功能见表2所示。

该聚丙烯阻燃材料膨胀所形成的的碳层阻止氧气从周围介质扩散到正在讲解的塑料中，材料的阻燃特性从高分子物质到现今的夹板材料，都是从材料的燃烧特性、低毒等方面考虑，深入的分析材料的阻燃特性，如此，安全系数高、低烟低毒的材料将更加的为现今所关注，从而在很大程度满足用户阻燃特性的要求，达到阻燃的目的。

4结论

对于阻燃特性好，阻燃性能优异，安全系数高，低烟低毒的材料，本文从家庭使用的木质材料阻燃特性出发和现今工业在汽车、电子电气方面广泛使用的聚丙烯高分子阻燃剂，全面的分析了材料的阻燃技术的发展和技术现状。木质材料的合理利用在一定程度上将改善我国森林资源匮乏的现状，木质阻燃材料的研究将期待了家居原始的木质材料易变性等缺点，大量的节约木质材料的使用，而聚丙烯聚合物高分子的使用，也得电子电气、汽车应用材料方面的特性提升，而且一般具有耐用性好，耐腐蚀等优点。材料的阻燃特性的分析和技术的发展将应用在生活的各个方面。

参考文献

[1]王建祺.无卤阻燃聚合物基础与应用[M].北京：科学出版社，2005.

[2]郑美钦.我国中高密度纤维板现状和发展趋势分析.福建林业科技，2003，12：100.

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关键词:高分子材料加工与成型;课程设计;指导方法;教学改革

高分子材料加工与成型课程设计是高分子材料专业系列课程中的重要组成部分，是学生在完成高分子材料成型与加工原理理论学习和工厂认识实习后的一项实践项目，是学生对所学相关基础知识的综合运用与实践［1－2］。通过这一实践环节，使学生熟悉并了解文献检索相关知识，培养学生资料收集及运用、设计及配方计算、计算机CAD作图的能力，为毕业设计打下基础［3－4］。高分子材料加工与成型课程设计通常是在给定设计题目基础上，根据设计要求，一人一题独立完成。通常安排2～3周，需要一定的独立思考能力和团队合作精神。在指导学生完成课程设计的过程中，我们发现不少同学只会死记书本知识而不会灵活运用，在接受设计题目后茫然无措，不能有效收集资料。此外，对课程设计环节不重视，懒于思考，经常坐等其他同学接近完成后拿来机械模仿，不去思之所以然，导致设计说明书漏洞百出。因此，为了提高学生课程设计完成质量，激发学生学习兴趣和主观能动性，帮助学生熟悉工程设计流程并掌握正确的工艺计算规则，指导老师必须针对学生实际情况，探索合适的指导方法，以达到培养合格工程实践人才的目的。现就课程设计的各个环节指导方法的改革和实践总结如下。

1课程设计题目的选定及时间安排

在课程设计开始之前，首先要对学生情况进行摸底，了解学生对相关理论知识的掌握及灵活运用程度，以及对本专业领域主流产品实际生产流程、工艺参数、基本配方的熟悉程度，了解学生获取文献及生产资料的渠道和学生对课程设计的重视程度。在辅导学生时，通过启发的方式引导学生提出问题并帮助其找到解决问题的思路。通过详细的调研和辅导，了解学生的基础，并使学生知道如何进行课程设计准备工作。在拟定课程设计题目时，尽量拟定学生感兴趣且资料收集较为容易的题目。如我们在生产实习中曾经组织学生参观株洲时代新材、株洲工业园金德管业，对改性塑料生产工艺、注塑、模塑和挤出加工成型方法积累了详细的一手资料，学生对一些应用性强的产品如家电专用PP塑料、汽车内外饰件的工程塑料、给排水管等产生了浓厚兴趣，我们拟定了一系列有针对性的题目供学生选择，如“高铁用PTFE滑块产品工艺设计”“耐高温聚乙烯管工艺设计”和“高铁用尼龙扣件加工工艺设计”等。课程设计开始的时间选择也极为重要。课程设计一般需要2～3周时间，程序为指导老师下达题目，进行具体安排和讲述基本要求，确定考核方式，使学生充分了解课程设计的内容和需达到的任务指标。但是如果采用集中的2～3周时间，完成从选题到设计方案优化和完善以及设计说明书的撰写，时间上较为紧迫。因此，需要机动灵活地安排设计各个环节的时间。同时，由于目前我校的高分子材料加工成型课程设计安排在理论课程结束后、期中考试周开始前，生产实习安排在学期初，虽然理论课程的学习和课程设计环节衔接紧密，有利于学生在对理论课程尚有深刻记忆时通过课程设计进一步加深理解，但即将开始的期中考试必然会分散学生的精力，占用不少时间，使课程设计完成的效率和质量难以保证。学期初的生产实习由于只是进入车间参观，听取工程师讲解，生产实习结束后马上是多门专业课程的学习，实习期间掌握的现场知识和工艺细节会随时间流逝慢慢淡忘，对课程设计没有起到应有的辅助作用。为了把生产实习、理论课程讲授和课程设计有机地结合起来，我们改革了课程设计的教学过程，在学期初安排生产实习时，根据实习内容安排了课程设计的选题工作，使学生带着课程设计的任务进行生产实习。在实习动员会议上，指导老师引导学生关注实际生产中原料配方、原料质量指标、设备参数、车间生产制度等与设计相关的问题，做好详细记录。学生在现场实习时，由于有确定的目标，可做到“带脑”“带心”参观生产过程，与工程技术人员深入交流，有利于获得更多的生产资料。实习结束后，要求学生在实习报告中添加和设计题目有关的生产工艺现状与发展、工艺流程及控制方面的内容，使学生对将要进行的课程设计有一个总体认识。为了让学生更好地消化理论知识，提高效率，课程设计集中的时间段可安排在期中考试结束后，一来学生可释放复习迎考的压力，心态最为放松，有利于课程设计环节的开展;二来老师结束理论课程也有更多的精力全程辅导。在组织课程设计的教学模式上，为了强化学生的独立性，减少对教师和其他同学的依赖，在选题上尽量体现不同，如在产品规格、原料来源和质量指标、生产工艺选择等方面存在差异。同时，指导教师需在统一的时间检查进度，召集3次设计讨论会议，时间节点设置在工艺计算部分初步完成、设计说明书初稿完成和图纸初稿完成阶段，在集体讨论中，对相关环节出现的错误可及时更正。在学生分组上，应考虑不同学生的层次，在对学生性格、心理的充分了解上进行分组，如有的学生工作细致，追求完美，有的学生善于整理文献，有的学生公式运用熟练，计算能力强，合理的分组能达到1+1＞2的效果。

2课程设计应体现学生的自主性和教师辅导的有效性

在课程设计教学过程中，指导老师的辅导环节是十分重要的［5］。指导老师首先要消除学生面对选题时茫然无措、无从下手的心理，给学生详细讲解相关范例，帮助确定设计说明书框架并及时审阅相关内容。指导老师辅导可以采取在线随时辅导和线下集中组织两种方式相结合的形式。老师统一召集学生，以会议的形式对设计任务、设计说明书的内容和格式、图纸的要求和数量进行统一规定，对学生普遍存在的问题进行统一解答。引导学生查阅和使用工具书，对往届课程设计中出现的问题提前做好预警并提出解决的途径。由于学生在知识储备和接受水平上存在个体差异，开展有针对性的个别辅导十分必要。在线聊天工具是大多数学生使用频繁且得心应手的工具，在线讨论也可消除学生单独会见老师的紧张。设计组的学生和指导老师可建立讨论组，畅所欲言，开放和放松的氛围也有利于激发灵感，减少失误。学生遇到公式运用上的困难以及某些关键资料无法收集的情况，可以直接和老师进行一对一的讨论，获得及时有效的帮助。

3课程设计授课方式改革应体现科学性和学生独立性

3．1课程设计在课程体系中有承上启下的作用

课程设计是在学生已经掌握一定的基础理论知识之后和开展毕业论文(设计)之前的实践教学环节，具有承上启下的作用［3］。首先，它以某一理论课程为基础，如在学习了高分子成型加工原理这一门理论课后开始高分子成型工艺课程设计，学习了塑料成型加工设备后，相应地开始高分子设备课程设计等。根据课程所学内容对学生提出了设计任务和技术要求，又给学生动脑、动手的余地。这个环节对学生的毕业设计，乃至今后走上工作岗位后的实际工作都有着重要的影响。

3．2课程设计具有很强的综合性

为了使学生获得必要的工程设计能力，必须通过授课方式改革来体现科学性和学生的独立性。如指导老师从往届的设计中，挑选代表不同水平层次的设计，在课程设计开始前的课堂讲授环节进行详细的对比分析，帮助学生建立起一个设计质量标准。为了培养学生的独立性，在设计时，务必使每位学生有不同的设计基本数据，如产量、原料组成和配方设计，生产工艺等，减少学生对其他同学的依赖，积极参与到设计的整个过程，能够较好地提高学生的参与性、积极性，同时激发学生主动思考和创造。在课程设计过程中，工艺流程和设备类型的选择都需要根据物料的物性参数和实际工艺条件来共同决定。

3．3课程设计授课需针对不同学习层次进行合理设计

在实际指导环节，由于学生的知识基础和能力的差异，在获取基础工程数据、物性数据、方案设计、公式选用等方面都会有或多或少的困难，可对问题进行分析，采取不同的处理方法:1)针对少数同学遇到的非共性问题，单独辅导，对认识不清的问题进行答疑解惑。如注塑、挤出工艺中基本原理和工艺条件确定，对于PS，需考虑熔体温度、模具温度、平均注射速度的影响，而对于PP和PE，还需额外考虑保压时间和总循环时间的影响。2)对于大部分学生在课程设计过程中遇到的共性问题，采取集中详细讲解的方式进行，并对设计过程中所涉及的知识点在实际工程中的影响进行引导与分析。如在挤出机的设计计算中，对于挤压系统的计算，包括螺杆主要参数设计和机筒设计以及螺杆和机筒材料的选择与校核。然后根据市场上常见挤出机的型号和基本数据，结合挤出机生产能力、产量基本要求，根据物料特性、理论公式计算出螺杆加料段、塑化段和均化段长度尺寸，确定螺杆种类，并根据计算数据进行校核，选定挤出机设备。3)对于设计过程中学生遇到的因不了解设备形状和结构等造成的困难，指导教师可通过实物、多媒体图片及动画的方式向学生展示说明，让学生充分了解设计中所选用设备的结构和特点。

4考核方式应综合全面评价学生的实践能力

作为工科专业，我校材料化学专业的培养目标是培养高分子材料设计、加工改性领域的工程技术人才。仅仅通过提交设计说明书、由指导老师评定一个分数，对于评价学生的综合能力来说还较为片面。课程设计考核的是学生对理论知识的综合应用能力［6］。因此，有必要对考核方式进行改进，比如指导老师可以提出一些有针对性的问题，这些问题没有统一的答案，但可以开启学生思路。如原材料为什么要规定某些成分的最高含量值，超过规定值会有什么影响;如果在现有配方基础上进一步提高韧性或硬度应怎么改进等等。指导老师可以引导学生在专业知识基础上探索答案，使学生提高运用专业知识解决实际问题的能力。为了更好地考察学生的实践能力和综合思维能力，课程设计的考核方式可以实施弹性考核，从而更好地考察学生的实践能力和综合表现能力。考核成绩将按比例分配至课程设计的各个具体环节，即设计方案的提出和思路(20%)、课程设计方案的工程计算和工艺安排(35%)、工程图纸绘制(20%)、课程设计答辩(15%)和开放性工程实际问题回答(10%)。其中，设计方案的提出和思路主要从方案的合理性、实践性进行评价，同时考察学生思路是否清晰、文献调研是否周密以及系统总结能力等;课程设计方案的工程计算和工艺安排主要考察学生是否能充分利用所学相关知识在设计资料基础上完成正确的工艺计算，并根据平时实习环节获取的现场知识充分进行工艺安排;工程图纸绘制主要考察学生图纸绘制的正确、规范程度，课程设计答辩主要考察学生的综合表达能力;而通过对指导教师所提出的工程问题的解答可了解学生的理论知识基础是否扎实，能否活学活用。

5结语

综上所述，高分子材料加工与成型课程设计的选题需结合学生就业方向，因地制宜，难度适中;时间安排要灵活机动，适当分散，以安排在期中考试结束后为佳;教师辅导应方式灵活，统一与个别相结合，注意保护学生的学习自主性;考核方式应多样化，将设计的多个环节分开考核，综合评价，考察学生多方面的能力。应用上述指导方法，学生均感觉通过完成高分子材料加工与成型课程设计，既提高了对知识的理解和应用，又增强了动手能力和解决实际问题的能力，收获很大。

参考文献:

［1］张世杰，黄军左．关于高分子材料成型加工课程建设的思考［J］．广州化工，2014(1):148－149．

［2］龚春丽，文胜，郑根稳，等．高分子材料与工程专业课程设计的探索与建设［J］．孝感学院学报，2010(3):113－115．

［3］辛华，任庆海．加强高分子材料成型加工课程实践性教学的探讨［J］．价值工程，2014(5):292－293．

［4］张新，金志杰，王丽．高分子材料课程设计教学改革的探索［J］．潍坊教育学院学报，2012(6):88－89．

［5］张琼，胡炳仙．知识的情境性与情境化课程设计［J］．课程•教材•教法，2016(6):26－32．

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提出采购控制通用要求

笔者在多年的审核工作中发现，虽然目前在监管方面存在困难和瓶颈，但在采购控制中仍然有一定的规律可以追寻，无源医疗器械产品再复杂其采购管理还是具有一定的相似性。我们总结归纳如下：原料的技术质量标准应作为设计输出的一部分。医疗器械设计文档中涉及原材料的相关技术文件中应包括以下内容：应按照GB16886系列标准对器械的生物学评价原则中的要求考虑原料特性对其用途的适宜性，包括化学、毒理学、物理学、形态学和力学等性能；应考虑材料的潜在风险，包括生物学危害，如成分、性能及其变化，包括来源改变、接触状况和器械及其成分与人体接触的性质、程度、频次和周期；考虑生产加工工艺对原材料性能的影响以及与最终产品性能之间的关系，如灭菌方式的选择、加工过程中物理化学参数的设置等。能提供采购过程控制程序，包括供方评价、选择及再评价的准则、采购信息（拟采购物料的质量要求、人员要求、质量管理体系要求）、采购验证规定等内容。能提供物料清单，并按照物料重要等级实施分类控制，构成医疗器械结构主体、或影响产品安全性及有效性、或与人体组织密切接触的原辅材料应列为关键原料管理。能提供关键原料的合格供方清单，应包括原料名称、规格、牌号、生产制造商、供应商（如适用）等信息。能提供合格供方评价准则、评价记录及定期再评价记录。生产制造商评价应包括合法资质证明（属于医疗器械管理的原材料应提供合法有效的生产许可证和产品注册证）、评价记录（应包括原料实物质量、生产条件及能力、人员能力、质量管理能力等）；供应商评价应包括合法资质证明、销售授权书（如适用）、评价记录。原辅料有国家标准、行业标准或药典要求的，应能证明符合相关标准。按照法规要求需要注册的原材料，应能够提供有效注册证明。（例如齿科合金、注射器胶塞等）无国家标准、行业标准或药典规定的原材料应根据医疗器械产品的风险等级进行控制。植入类或与血液直接接触的高风险医疗器械，其关键原料、关键辅料及初包装材料应按照GB16886制定内控质量标准，根据接触时间、部位等确定生物安全性指标并提供第三方报告，应能显示原料供应商名称、样品批号、型号规格等信息。用于制造III类与人体组织直接接触的医疗器械产品，如涉及化学原料，应优先采用药用级或医用级，并出具相关证明。如果达不到以上级别，应在设计中提供相关验证资料。用于制造II类与人体组织直接接触的医疗器械产品，如涉及化学原料，应优先采用药用级、医用级或食品级，并出具相关证明。如果达不到以上级别，应在设计中提供相关验证资料。生物制品例如抗原、抗体、酶类、核酸类原材料等如有生物制品规程、国家局技术指导原则等技术标准规定的应参考引用，没有规定的应制定质量技术要求，并提供设计验证依据。关键原料、初包装材料应签订质量技术协议（内容应包括质量标准、包装要求、生产条件、运输要求等）。能提供采购验证相关的证实材料，包括每批次原料的合格证、质保书、送货单、检验报告等。相关材料中应注明该批次原料的批号、生产日期、有效期或其他可追溯的信息。进口物料应能提供进口报关单据等证明凭证。

针对不同种类产品提出专用控制要求

植入性器械原料生产商提供的质量检测报告中必须每批按炉号提供金属原料的各成分及含量分析报告，金相组织分析报告(含照片)，理化性能检测报告。如果企业对材料无进货检验能力，每个炉号原料应提供有资质的第三方的检测报告。提供内控质量标准及检验报告。化学材料、无机生物材料举例及说明可用于构成医疗器械产品的主要成分、缓冲溶液、应用溶液等，如体外诊断试剂、分析仪器的清洗、校准或质控溶液，还可用于制造对人体硬组织的修复、替代和再生的医疗器械，如羟基磷灰石人工骨、人工关节、人工齿根、骨折固定外部支架、全瓷牙、血液透析液浓缩物等器械。国产化学试剂分四级：优级纯（GR）为一级试剂，标签为绿色；分析纯（AR）为二级，标签为红色；化学纯（CR）为三级，标签为蓝色；实验试剂（LR）为四级试剂，标签为棕色。控制要求符合通用控制要求。质量技术协议中应规定化学原料的质量等级和技术标准（国家或行业标准）。现行国家药典有规定的应符合药典要求，并能提供符合性证据。如果化学原料为III类医疗器械的主要组分，或为形成性能指标的关键原料，则应由化学原料生产商提供每一批试剂原料的质量等级证明，质量检测报告中必须包括纯度、含量、分子量、活性（如适用）、杂质的种类及限度（不应高于国标）等技术指标。如果企业对试剂原料无进货检验能力，每批原料应提供有资质的第三方的检测报告。提供内控质量标准及检验报告。医疗器械产品设计文档中应当包括对原料等级的选择的相关验证资料，包括无机材料合成的技术文档或相关技术文献资料，包括分子结构描述、制造方式、分子结构与功能的关系描述、灭菌方式的选择验证与确认（如适用）等；还应提供生产加工主要工艺对医用无机材料性能影响的验证记录。采用分装方式生产的，原料应能提供国内或进口注册证，原料如果不能提供进口注册证，应提供所在国的上市证明文件，并提供相关设计文档（包括原材料的组分，技术要求，主要生产工艺等内容）。医用有机高分子材料举例及说明医用有机高分子材料是利用高分子聚合而成的，具有良好的生物相容性及其他性能的生物医用材料，分可降解和不可降解两大类。利用可降解性能制造成植入物，可在一定时间内帮助组织修复及恢复功能后自行降解；不可降解的医用有机高分子材料由于材料特性可制造隐形眼镜、人工晶体、一次性输（注）器具、不可吸收缝合线等。控制要求符合通用控制要求。质量技术协议中应规定原料的牌号、质量等级和技术标准（国家或行业标准）。现行国家药典有规定的应符合药典要求，并能提供符合性证据。植入性产品及与血液直接接触的医疗器械产品的原料生产商提供的质量检测报告中，必须包括每批次原料的牌号、分子结构说明、成分组成、纯度等必要的技术指标。输液器GB15593-1995《输血（液）器具用软聚氯乙烯塑料》中粒料外观、吸水量、硬度、拉伸强度、断裂伸长率、化学性能、热源应在进货时按标准要求制备试样进行检验。应能提供内控质量标准及检验报告。植入性医疗器械产品设计文档中所有组成材料（包括涂层、染料、黏合剂等）的基本信息，如:公认的材料化学名称、化学结构式/分子式、分子量、商品名/材料代号等应当明确，并提供所使用的原材料可用于生产医疗器械的支持性资料。应当包括医用有机高分子材料合成的技术文档或相关技术文献资料，包括分子结构描述、聚合方式、分子结构与功能的关系描述、灭菌方式的选择验证与确认（如适用）等；还应提供生产加工主要工艺对医用有机高分子材料性能影响的验证记录。医用天然高分子材料及其衍生物举例及说明医用天然高分子材料是自然界天然存在的物质，可分为天然多糖类材料（如壳聚糖、透明质酸、海藻酸等）和天然蛋白类材料（如纤维蛋白、胶原蛋白等），经提取、加工改性或复合后可制造植入性医疗器械产品，具有良好的生物相容性、生物可降解性、抑菌性、免疫调节等生物活性。可用于制造软组织填充物、关节液、辅助创伤愈合器械、人工皮肤、组织工程支架材料、医用敷料等医疗器械产品。医用天然衍生材料是指经特殊处理的天然生物组织所形成的一类生物医学材料，又称生物再生材料，所用生物组织取材于动物体，也有的取自人的尸体或截肢后废弃组织。特殊处理包括维持组织原有构型而进行固定、灭菌和消除抗原性。具有类似于自然组织的构型和功能，在维持人体动态过程的修复和替换中具有重要作用。异体材料易存在排异反应。可用于制造人工心脏瓣膜、血管移植物、骨移植物、皮肤覆膜等医疗器械产品。控制要求符合通用控制要求。质量技术协议中应规定原料的来源、用途、筛选标准、病毒灭活要求、保存条件、取样方法、质量等级和技术标准（国家或行业标准）。现行国家药典有规定的应符合药典要求，并能提供符合性证据。人体组织必须提供供货协议，注明用于制造医疗器械产品。植入性及与血液直接接触的医疗器械产品，其原料生产商提供的质量检测报告中必须包括每批次原料的来源、分子结构说明、成分组成、纯度等必要的指标。能提供动物种类、来源地、年龄、等级及饲养要求、取材部位的组织性质、定点饲养合作单位及其性质、定点屠宰合作单位及其性质、检疫单位及其证明、病毒/传染性病原体灭活和去除的要求、动物材料免疫原性降低或去除的要求。每一原料批次均应能提供以上第4条的所有证明性记录（应包括每批次的采购凭证、动物级别证明、委托饲养/屠宰协议、饲养/屠宰单位资质证明、相关机构出具的动物防疫检疫证明、病毒灭活处理记录及检测报告，免疫原性降低处理记录及检测报告，进口物料应能提供进口报关单据等凭证）。应注明批号或其他可追溯的编号。每一批次人体组织应能提供供体组织（人体骨或皮肤等）来源的医疗机构证明、供体捐赠人或亲属知情同意书、供体捐赠人病史和部分传染性致病病原体检测报告复印件等资料，以期查明供体来源的合法性和安全性。病毒检测结果及病毒灭活相关验证报告、取样记录和保存记录。应注明批号或其他可追溯的编号。提供内控质量标准及检验报告。植入性产品及与血液直接接触的医疗器械产品设计文档中所有组成材料（包括涂层、染料、黏合剂、助剂等）的基本信息，如:公认的材料化学名称、化学结构式/分子式、分子量、商品名/材料代号等应当明确，并提供所使用的原材料可用于生产医疗器械的支持性资料。应当提供风险分析报告，其中包括对病毒和/或传染性病原体感染以及免疫原性风险的分析、控制以及残余风险的分析。使用天然高分子材料的应当包括天然高分子材料获取、制备的技术文档或相关技术文献资料，包括分子结构描述、聚合方式、分子结构与功能的关系描述、制造过程中哪些地方将使用到活体动物组织及其提取物（如适用），提供主要生产加工工艺对医用有机高分子材料性能影响的验证记录，灭菌方式的选择验证与确认（如适用），还应当证明当医疗器械投放市场时不再包含活体动物组织（如适用）。使用天然衍生材料来源于动物的医疗器械，应能提供符合国家局食药监办械函[2009]519号《关于印发无源植入性和动物源性医疗器械注册申报资料指导原则的通知》中要求的内容，如：技术报告中需要增加涉及控制病毒和/或传染性病原体感染以及免疫原性风险方面有关的技术内容和验证报告。生物制品举例及说明生物制品系指以微生物、寄生虫、动物毒素、生物组织作为起始材料，采用生物学工艺或分离纯化技术制备，并以生物学技术和分析技术控制中间产物和成品质量的生物活性制剂，包括菌苗，疫苗、毒素、类毒素、免疫血清、血液制品、免疫球蛋白、抗原、变态反应原、细胞因子、激素、酶、发酵产品、单克隆抗体、DNA重组产品、体外免疫诊断制品等。主要用于制造体外诊断试剂用抗原、抗体、酶类、核酸类原料。控制要求符合通用控制要求。质量技术协议中应规定生物制品原料的质量等级和技术标准（国家或行业标准）。现行国家药典有规定的应符合药典要求，并能提供符合性证据。如果化学原料为III类医疗器械的主要组分，或为形成性能指标的关键原料，则应由化学原料生产商提供每一批试剂原料的质量等级证明，质量检测报告中必须包括纯度、含量、活性（如适用）、亲和力（如适用）、特异性（如适用）、序列图谱（如适用）等技术指标。如果企业对试剂原料无进货检验能力，每批原料应提供有资质的第三方的检测报告。提供内控质量标准及检验报告。医疗器械产品设计文档中应当包括生物制品原料设计和筛选的技术文档或相关技术文献资料，包括酶、抗原抗体、激素、核酸类原料选择和制备的技术路线、检测控制方式等。采用分装方式生产的，原料应能提供进口注册证，原料如果不能提供进口注册证，应提供所在国的上市证明文件，并提供相关设计文档（包括原材料的组分、技术要求、主要生产工艺等内容）。

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【关键词】教学内容 改革 材料物理与性能

1．引言

教学质量是高校赖以生存和发展的重要保证, 而加强课程教学改革, 则是提高教学质量的重要途径。近年来,以电子、生物、航天和能源等为应用对象的材料科学已经从过去的单一性金属材料、无机非金属材料和高分子材料转向以功能材料、复合材料、纳米材料等高性能、多功能为主的发展趋势, 对材料科学人才也提出了新的、更高的要求。1997 年国务院学位办颁发了新专业目录, 材料类的专业设置不再按传统分为金属材料、无机非金属材料和高分子材料,而是横向融合金属材料、无机非金属材料和高分子材料的基础理论于一体, 纵向充分强调理科与工科的结合。为满足社会对材料专业的需求，并与国内外“材料科学与工程”学科发展接轨, 北方民族大学制定了材料类专业的长期规划并制定了2008 本科专业培养方案。材料物理与性能学课程作为2008 培养方案中材料科学与工程本科生的专业基础课, 其教改方案已列入2009年宁夏高等教育教学改革项目。

本文从教材建设的意义与目标、课程教学内容改革、课程教学方法改进及教改初步成果等几个方面对材料物理与性能学课程建设思路进行阐述。

2．教材建设的意义与目标

《材料物理》是材料科学与工程、高分子材料与工程和材料成型与控制工程专业的专业基础课，其主要内容是利用物理学的一些基本概念、基本原理、基本定律来说明物质的微观结构、组织形貌、原子电子运动状况以及它们与材料性能和成分之间的关系。

对于材料专业的学生来讲，化学方面的基础知识学习得较多，包括有机化学、无机化学、分析化学和物理化学等，但物理方面的基础知识却较少涉及，只有普通物理课程，而物理本身所包含的基础知识比化学更多，例如光、电、磁、热、力、辐射等。因此，给材料专业的学生补充更多的物理知识，尤其是材料物理方面的知识非常必要。而当前材料物理教材的诸多版本多数偏重理论指导，要求学生对物理分支的知识掌握太多，这不能完全适应现行本科生教育的需求，对研究生来说相对更适合一些。个别相对合适的材料物理教材因为有些内容太深无法讲透，而有些内容又太浅，对本科生来说，作为参考书使用较为适合，这是一个方面的原因。另一方面，大多材料专业都开设了材料物理性能课程，此课程包含的材料物理的基本概念又都比较缺乏。编写这本《材料物理与性能学》教材的目的就是一方面给材料专业本科生增加一些有关材料物理的基础知识，另一方面将材料物理性能方面的内容合并到一起，减少学生的课程数目。

在教材的编写过程中，注意突出了以下几方面的特色。

（1）以实际应用实例讲解材料物理学的一些基本概念和物理效应，例如：位错的运动形式分为滑移和攀移，滑移的运动形式是像蚯蚓一样以局部带动全部进行运动；为什么钢铁进行淬火后会变硬？是因为加热加速了原子的运动，突然冷却使原子来不及运动到正常格点位置就停止了，使得原子排列紊乱，阻止了位错的滑移，所以会变硬。以这样的方式来介绍材料物理学的一些基本概念和物理效应，使学生便于理解、掌握和记忆。

（2）以实验的手段讲解各种材料的性能。如：通过拉伸实验，讲解金属材料、无机非金属材料、高分子材料的力学性能的异同等；通过对不同材料进行电阻测量，讲解如何利用电阻绘制材料的溶解度曲线，将此曲线应用到实际研究中。采用这样的方式设计实验，达到真正锻炼学生动手能力和创新能力的目的。

（3）加入现代新材料的内容，介绍其应用与发展。例如：复合材料、纳米材料、能源材料、生物材料等。

3．教材知识体系改革

根据材料相关行业发展需求进行教学知识体系的改革。目前材料科学发展的趋势是新型功能材料（特别是电子、光电子材料）、新能源材料、环境友好材料、生物活性材料的研究与开发，本课程针对材料发展的总体趋势和行业需求，结合我校2008本科生培养方案的指导思想，在设置材料的热学性能、力学性能和电学性能的基础上，设置了材料的介电性能、缺陷物理与性能、铁电物理与性能、磁性物理与性能、非晶态物理、高分子物理、薄膜物理。在内容的编写上，略去了大量的公式推导，注重基本概念、基本原理的讲解，同时，结合生产、生活和材料前沿科学研究中的实例对材料物理与性能进行阐释。

在每章的开始，教材以实际案例开篇来提高学生对本章内容的学习兴趣，如从材料的导热性角度解释“9.11事件”对纽约世贸中心造成毁灭性破坏的原因；从材料的导电性能与硅材料的薄膜化对太阳能发电在解决能源危机方面的重要地位与应用现状等导入案例。在每章的结尾，设置了拓展性内容，主要将章节内容相关的前沿科学发展现状、需要解决的关键科学问题呈现给学生，为学生在学完章节基本内容后进行深层次的思考和进一步利用所学内容阅读学科领域前沿知识提供了引导，如教材引入纳米材料（如碳纳米管）的热学、力学性能来拓展学生对纳米材料独特性质的认识；以超导材料的发展历史、研究现状、和应用（如磁悬浮列车）来引导学生对材料的导电性进行探求。

另一方面，针对我校2008本科生培养方案加强实践教学的指导思想，在内容设置上，教材还考虑通过学习基本内容的基础上，可以为本科生开设一些基础实验和创新性实验。结合本课程的学习，我院对本课程开设了材料的力学性能检测、硬度测定、材料热容的测定、材料热导率的测定、材料导电性能的测定、陶瓷热稳定性测定等基础实验，同时通过新建设的新能源、电磁学专业实验室，为学生提供创新性实验平台。

4．教学方法改革

教学过程是通过教师与学生之间的互动配合完成的，教学方法在教学活动中的作用至关重要，在《材料物理与性能学》的教学过程中，注重学生能力的培养，摒弃传统“填鸭式”灌输的教学方法，而采用“启发―引导―互动”式的教学方法，以此来实现传授知识、培养学习能力和创新能力的目的。在教学方法的改革中，采取了以下具体的教学方式

（1）采用板书与多媒体结合的方式进行知识讲解。对较为抽象的概念、模型，采用动画演示帮助学生理解，如对于位错的两种基本类型―螺型位错和刃型位错以及它们的运动方式―攀移和滑移，很难用易于理解的语言表达清楚，而采用动画演示的方式，学生很容易理解并在脑海中留下深刻的印象；如三极管的放大作用，采用动画演示即可让学生在较短时间内对其放大机理和对发射极、基极、集电极材料的不同要求了然于胸。

（2）学生讲授，集中讨论的方式。针对有些能引起学生兴趣的内容，采取学生讲授、课堂讨论的方式实现对知识的接受与消化吸收。比如关于铁电物理的内容，通过讲解基本理论，让学生通过查阅文献资料来挖掘铁电物理的知识在我们生活中的应用，而学生通过文献资料，利用磁性物理知识讲解了以“卡的世界”为题的关于存储卡的相关原理和技术前沿、利用材料的压电效应讲解了打火机的原理，这不仅加深了对知识的理解，还极大地调动起学生对铁电物理知识的兴趣。

（3）开放式作业题目。对于有些基本观点，随着科学的不断发展，可能遇到一些无法解释的现象，对此，鼓励学生通过查阅文献发现此类问题。例如，将块体材料的一些基本理论应用于纳米材料去解释其性能显然是不正确的，不同点有哪些？为什么不同？针对这些问题，让学生自己去解决，然后在作业中写出自己的观点。这样做的好处是，既启发了学生的主动性和创新思维，又防止了抄袭作业的现象发生。

5．初步成果与展望

《材料物理与性能学》课程已作为“21世纪全国高等院校材料类创新性应用人才培养规划教材”由北京大学出版社于2010年1月出版。《材料物理与性能学》课程是材料科学与工程、高分子材料与工程和材料成型与控制工程专业的专业基础课，授课学时为理论48学时，实验16学时。该教材已被东北大学、郑州轻工业学院、北方民族大学，以及江苏、湖北、浙江和山东等省的高等院校选用，受益学生3000多人，反映良好。

通过教学内容和教学方法的改革后，学生对材料专业产生了极大的兴趣，出勤率和听课率大大提高，学生对本课程的课堂听课率创历年新高接近100%，根据校教务系统所提供的学生对教师的教学评价结果表明，课堂满意度在90%以上，同时通过对材料物理与性能学课程的学习，我院学生申报创新性实验和挑战杯的数量明显增加，与往年相比，增加的项目主要来自与本课程相关的内容。

虽然，通过教改，我们在教学中取到了良好的初步成果，但对本课程的双语教学、精品课程建设的工作以及课程考核体系、质量监控等方面的创新还是今后对本课程改革的主要方面。

今后，我们通过总结《材料物理与性能学》的教学实践，搞清存在的问题，进一步明确课程定位，形成以贯彻向“宽基础、宽口径、重实践”的培养模式上转变的新课程体系。通过充实和丰富教学内容，完善和增加案例教学，制作和搜集影像资料，研究和制作优质课件，完善相关实践环节，使该课程教学做到目标明确、基础扎实、内容丰富和方法多样。

[参考文献]

[1]万红，白书欣.材料物理课程建设的思考[J].高等教育研究学报,2009,32:21-23.

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［关键词］3D打印;口腔医学;材料

1材料种类

1.1金属材料

口腔医用金属产品要求金属材料具有良好的机械性能，化学特性，生物相容性和耐腐蚀性等等。对原料的要求也很高，包括纯度高、含氧量低、粉末粒度细、可塑性好、流动性好等特点。目前主要应用于口腔医学领域的3D打印金属粉末材料包括:钛、钛合金、钴铬合金、不锈钢等。其中，钛及钛合金材料具有密度小、精确度高、强度大的优点，并且该种材料有较好的生物相容性，被口腔医学领域视为比较理想的3D打印金属材料。尤其是在口腔颌面部位的修复、牙体组织的修复以及有关种植体制造［6］等领域广泛使用。由于纯钛的一些性能的缺陷，例如纯钛的强度不如钛合金大，而且纯钛的弹性模量比骨组织的要高，很容易导致钛种植体和骨组织两者产生不相融和的机械应力。对于此，很多研究者都试图采用各种方式来改善纯钛的性能，例如在其表面增加涂层或者氧化纯钛的表面等［7］。3D打印的钴铬合金也是口腔医学领域常用的修复材料。利用3D打印技术制造出，再采用修复技术将人工牙添加上去，这样的修复体进入口腔后便具有良好的密合性。由于使用的钴铬合金义齿支架与添加的人工牙采用了不同的材料，根据现阶段的技术设施，基本上不可能一次性打印出完整修复体。Traini等［8］成型了梯度化Ti-6Al-4V钛合金多孔牙科种植体，具有更加优化的理化性能，抗拉强度、断面收缩率及延伸率均达AMs4999(美国材料协会的关于3D打印钛合金的相关标准)。Figliuzzi等［9］使用激光烧结个性化钛合金(Ti-6Al-4V)种植体，拔除患牙后即刻种植修复，随访显示个性化种植体及美观效果良好。Traini等［8］激光烧结钛合金试件，然后分别测量试件表面多孔层和内部致密层的弹性模量，前者接近骨皮质，后者接近机械加工的钛金属，表明这种方法加工钛合金种植体能减小表面应力，有利于种植体的长期稳定。Mangano等［10］将激光烧结的窄直径种植体用于患者的后牙种植修复治疗，37例种植体随访2年后存留率为100．0%，成功率为94.6%。在物理机械性能、生物抗腐蚀性及相容性等方面，需要深入研究3D打印的有关金属产品是否与传统工艺制造的产品相同，是否按照国家的标准。目前，新兴金属材料在口腔医学领域依然处在体外研究的状态，尤其作为口腔植入材料的性能仍有很大的研究空间［11］。目前，3D打印技术不断发展，不断优化的设备性能和多样的金属打印材料，金属3D打印技术也会更加广泛的运用到口腔医学的各个领域中。

1.2高分子材料

高分子材料已成为目前3D打印领域中基本的成熟的打印材料，塑料作为高分子材料的代表，具有较好的热塑性、流动性与快速冷却粘接性以及其迅速固化的性能［12-14］。另外，由于高分子材料具有良好的粘接性，可以使其能够与陶瓷、玻璃、纤维、无机粉末、金属粉末等形成新的复合材料［15，16］，在口腔医学中，聚乳酸、聚己内酯、聚富马酸二羟丙酯等属于比较常见的3D打印材料。聚乳酸(PLA)是一种具有良好的生物可降解性的环保材料，能在特定条件下被自然界中微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水，不会造成环境污染，对环境保护非常有利，是公认的环境友好材料。其还具有半透明性和光泽质感，是口腔医学领域3D打印的理想材料。聚醚醚酮(PEEK)是一种热塑性聚合物，目前用于制作3D打印卫星、3D打印汽车零件，开始在3D打印行业发挥真正的影响。PEEK材料的优点包括，①PEEK材料弹性模量和人体骨骼相近，修复后颅骨的应力完整;②X射线透过性能好，不会产生金属伪影，不影响医学影像，方便检测术后恢复情况;③使用3D打印PEKK材料制成的结构比用传统的PEEK具有更好的抗菌性能，可以高温消毒再用;④PEEK本身具有很强的惰性，对头皮刺激非常小，排斥性低，稳定性高。目前用于制造义齿零件。从3D打印技术的发展状况而言，光固化立体成形属于发展最早也是最成熟的技术，并且得到了广泛的运用。3D打印光敏树脂即光固化树脂、UV树脂，是口腔医学领域应用广泛的高分子材料。对于口腔医学领域而言，液态树脂材料需要有优良的稳定性、较低的黏度、固化迅速且程度高等［17］。有研究发现［18］，液态光敏树脂可以打印成可生物降解组织工程支架，利用光固化快速成型技术制造形成的支架与人松质骨有比较相同的机械性能，并且具有促进成纤维细胞黏附与分化的作用。迅速发展的光固化树脂材料不断促进口腔医学的进步，有利于口腔医学更加个性化和精准化。

1.3陶瓷材料

口腔医学领域的陶瓷材料要求具有良好的美观性和生物相容性，具有低密度、高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、化学稳定性好等优良的物理化学特性，其广泛应用于机械制造、航空航天、生物医疗等行业。因其优良的机械性能和美观性能，目前也用作口腔修复材料。氧化锆陶瓷用切削技术进行加工时会有很多材料被切除掉，造成浪费，导致全瓷冠的价格昂贵，而且还可能在义齿中有切削力造成的内裂。3D打印氧化锆陶瓷义齿对材料利用率可达90%以上，相对来说成本较低。3D打印氧化锆可减少材料浪费和环境污染，并可通过打印特殊内部结构来实现硬度等力学性能的仿生性。早期的氧化锆3D打印制造主要以激光烧结的方法为主，但存在制件致密度及成形效率低，表面粗糙和裂纹等问题［19，20］。光固化成形陶瓷具有良好的表面质量和结构精度可控性［21］，并迅速成为研究热点。目前，氧化锆材料3D打印过程中仍存在一些问题，如内部应力大、烧结后容易产生裂纹以及体积收缩大等，这些可能会影响其机械性能和临床适合性，陶瓷材料及其加工工艺仍需进一步研究。

1.4生物组织材料

使用3D打印材料和技术生产具有良好生物性功能的人体细胞、组织以及器官等，是众多学者一直的追求。学者们不断探索3D打印技术，并且紧密结合了生物组织工程技术，制造具有生物功能性的人造细胞、组织和器官来替代需要修复的人体缺损组织。水凝胶是一种水溶性的高分子聚合物，其利用化学或物理的交联而产生，是一种3D网络结构［22，23］。水凝胶有优良的生物相容性，可以构建组织工程支架，并且可以加工形成可控型释放药物的载体［24，25］。但目前，3D绘图生物写入制造的水凝胶具有较低的硬度，可能导致结构崩溃或限制形状的复杂性，因此3D打印生物材料的最新进展将推进3D打印生物材料领域的进步和发展［26，27］。在口腔医学领域中，不论是患者个性化定制的生物组织材料，还是现有的成品，3D打印产品在牙科和口腔手术［28，29］中都发挥了重要作用。目前，3D打印技术基本上实现人牙髓细胞(humandentalpulpcells，hDPCs)的生物打印，这奠定了3D生物打印技术更广泛的应用于牙体组织的基础。再者，人工骨材料羟基磷灰石与光敏高分子相融合可以用于制造含生物活性的骨组织工程支架。在种植学方面，3D打印个性化种植体成为即刻种植的趋势，对钛种植体表面进行修饰，可促进成骨细胞的生长分化，种植体具有更优良的特性。由于3D打印技术生成的微米表面的粗糙程度更容易被特定的细胞识别出来。具有微纳复合结构的种植体促进了细胞的增殖和延展，同时更利于细胞向成骨方向分化。在微纳复合结构提供的生理三维的仿生环境中，更利于细胞的伸展，从而更好地增殖与分化。

篇9

《化学课程标准》将研究型学习列入课程计划，一个新的教学理念在逐步形成。研究性学习与学科课程是新课程体系的两大支柱，二者相互联系，将达到相互促进的目的。就化学学科而言，化学学科以其实践性、综合性、广泛性、适用性的特点，促进学生对化学学科知识的掌握，从而关注社会、关注生活，提高能力。

高二学生已经具备一定的化学基础知识，掌握一些基本的利用化学知识解决实际问题的能力，具有一定的信息占有量，以及跨学科的综合思维能力。在高二年级开展研究型学习与化学学科整合是必要的，也是可能的。

指导教师在开展研究性学习与化学学科整合过程中要充分利用和挖掘教材中的研究性、探索性因素，全方位、多渠道地引导学生进行研究性学习。

为了保证研究性学习课程的充足时间，切实减轻高二学生过重的课程负担，在高二下学期我选择第八章合成材料作为学生研究性学习的对象。因为这章教学要求层次比较低，而且全章教学又没有很多理论知识，所以本章不是教学的难点，而这一章密切联系实际和新的科学技术知识，学生非常感兴趣。若是教师按照传统的方法进行讲解，则势必会降低学生学习的兴趣，也远远满足不了学生的求知欲望、好奇心。这一章还用一定的篇幅介绍白色污染，若只是要学生看看书，肤浅地了解什么是白色污染，而并没有实际考察体验，那么这样的知识也并不丰满，学生的环保意识并没有被激发。

将这一章作为研究性学习的活动进行开展，让学生走进商城、工厂，走进生活，并将自己的研究成果带进课堂，互相交流学习，使他们进一步认识到合成材料的重要性，增强对合成材料的亲切感，使学生的学习更有兴趣、更生动活泼。

指导教师首先对将要研究的课题做一些背景知识准备，如讲加聚反应，认识高分子化合物等，当然更重要的是创设探索情境，激发学生的研究兴趣，让他们想参与、想研究。

在学生有了一定知识准备和心理准备后，提出总课题“认识合成材料”。

研究目标：认识高分子化合物的结构特点和基本性质；了解三大合成材料及新型有机高分子材料的性能、特点和用途等；了解白色污染，树立环保意识。

教学设计：高分子材料无处不在，塑料、合成纤维、合成橡胶及新型高分子材料，在教材中作了一定的介绍，根据教材的特点将学生分为四个大组（按学生的个人兴趣自由组合），分别就以上四个方面进行研究。在每个大组的基础上又将学生分成小组（一般4―5人为宜），就这一研究领域中的某一问题进行研究。

第一步骤，学生根据小组所负责的内容进行开题报告（包括可行性验证，研究计划、方法、时间等），教师进行指导。第二步骤，在图书馆或在互联网上查阅所需资料，做好资料收集。第三步骤，充分利用社区资源，去工厂、商店实地考察。第四步骤，整理报告，实验研究，做出专题小论文或制作课件、展板、实物标本等，并在课堂交流汇报，相互学习。第五步骤，学生自评，小组互评，教师评价、指导、总结。

研究成果采撷：各个小组在课堂上进行了汇报，如“塑料的昨天、今天和明天”小组的成员一边展示制作的课件，一边介绍塑料的历史、现状（包括利、弊）及对塑料未来发展方向进行展望。这其间还给学生介绍一些小常识，现场教学生利用试验方法鉴别有毒塑料和无毒塑料，学生积极响应，纷纷要求上台演示，课堂上出现预约的气氛。

“生活中的合成纤维”小组的学生以网页的方式向学生展示合成纤维的来历、纺织纤维种类、常见衣料成分及特性等，给学生介绍一些洗衣常识，鉴别化纤衣料的方法，最后将自己制作的不同纤维实物标本展示给学生看。

“白色污染”小组的组长像专家一样向学生介绍白色污染的概念、来源、危害及目前治理白色污染的技术，还给学生展示他们到白色污染严重的区域拍摄的照片。

在每一组汇报之后，其他小组都可以提问，最后进行评价和总结。

在这样的课堂上、这样的教学中，与以往的传统教学相比具有明显的优势，学生的学习兴趣得到激发，学生的能力得到锻炼和培养，学生学习的自主性得到更好的发挥。

篇10

一、项目背景

随着塑料薄膜的应用越来越广泛，单一塑料薄膜已经不能满足生产中薄膜包装材料一些特殊性能的需要（如透气、防水、保温及韧性等），需要多种性能物料共挤在一起，形成多功能的塑料薄膜，以发挥多种材料的优点，规避单种材料或者单层膜的一些缺点。在这种情况下，多层共挤吹膜机组出现了，主要是由多台挤出机分别挤出不同的物料，通过复合机头将多种物料共同挤出，并通过内外风环吹塑、上牵引及卷取等工序，将薄膜成型。复合机头是共挤吹膜机组的核心部分，它将来自多台挤出机的不同材料（或相同材料）的塑料熔体融合在一起后共同挤出，复合机头的结构影响着薄制品的质量和生产效率，是吹膜机组设计的关键环节。本研究以实际使用的三层复合吹膜挤出机螺旋机头为例，用高分子流场分析软件（POLYFLOW），对其进行了内部物料流场的模拟分析，得到三复合膜机头各流道内每一个结构部位的熔体流动的速度场、压力场、剪切速率场、粘度场以及熔体介质的流线等仿真结果，在机组试车后，检验复合机头的使用效果，如效果不好，修改流道结构。为今后研发复合机头提供方法参考和技术路线。

二、项目分析

1.分析原始数据

（1）三台挤出机采用原料。

2.分析基本假设

（1）熔体粘度对剪切速率的变化由Bird-Carreau模型给出：

4.机头流场计算

对上述四个分析，分别采用POLYFLOW求解器设置求解参数和输出选项，在HP Z800工作站上进行12核并行计算，分别得到分析结果。

5.机头流场结果分析

进入CFX-Post后处理器，对上述四个分析进行结果处理。图9a～图9h为内流道的分析结果，图10a～图10h为中流道的分析结果，图11a～图11h为外流道的分析结果，图12a～图12e为口模的分析结果。

（1）速度场分布。

对于口模（图12a1～图12a4），三个入口处中心速度较大，边界处速度很小，汇聚后向上流动，到压缩段流道变窄，熔体被压缩，速度急剧加大，到压缩段的末端达到最大速度0.01123m/s，继续向上到挤出段熔体保持稳定的速度向上流动，最后从出口挤出。出口处由于挤出涨大效应，熔体截面微微扩大，速度有所下降，但保持稳定一致的速度挤出。

（2）压力场分布。

对于内流道（图9d）、中流道（图10d）和外流道（图11d），最大压力均出现在主流道入口处，其值分别为3.717MPa、3.962MPa和4.544MPa，主流道和分流道处压力等值线是垂直于流道横截面的，螺旋分配部分下部的压力等值线是垂直于螺旋槽截面的，压力等值线与出口截面的夹角逐渐减小，到螺旋分配上部逐渐过渡到与出口截面平行，挤出段的压力等值线基本是平行于出口截面的。

对于口模流道（图12b），压力分布是基本平行于出口截面，从下向上逐渐减小的，最大压力出现在入口处，为1.698MPa。

（3）剪切速率场分布。

对于内流道（图9e）、中流道（图10e）和外流道（图11e），螺旋槽和挤出缓冲区中的剪切速率较小，尤其是螺旋槽中央剪切速率更小。出口段的剪切速率较高，楔形缝隙上部的剪切速率最高，尤其是由螺旋槽与楔形缝隙过渡的部分。楔形缝隙的下部由于缝隙过窄，流速缓慢，因此剪切速率并不高。

对于口模流道（图12c），剪切速率分布比较简单，剪切速率比较大的区域主要分布在上部狭窄流道的壁面附近，符合两平行平板间熔体的流动规律。

（4）粘度场分布。

对于内流道（图9f）、中流道（图10f）、外流道（图11f）及口模流道（图12d），对应上述剪切速率较大的地方粘度比较小，反之粘度比较大，这说明PE材料是剪切变稀的。

（5）流线分布。

对照内流道（图9g、图9h）、中流道（图10g、图10h）、外流道（图11g、图11h）及口模流道（图12e1～图12e4）的流线图及流线扩展图，可以更好地理解熔体在机头内的流动分布。

四、结语