高分子復合材料綜合實驗課啟發式教學研究

劉蓉翾, 吳 音, 關麗紅, 李 明, 李亮亮

(清華大學 材料學院, 北京 100084)

高分子復合材料綜合實驗課啟發式教學研究

劉蓉翾, 吳 音, 關麗紅, 李 明, 李亮亮

(清華大學 材料學院, 北京 100084)

為了讓學生更好地掌握課堂所學內容,并達到活學活用的目的,探討了高分子復合材料的啟發式實驗教學方法。通過在高分子復合材料實驗課中,引導學生自己摸索解決在材料的制備與性能評價以及機理分析等過程中出現的問題,學習高分子復合材料設計的基本原理、研究手段和思維方式,鼓勵學生學習與實驗互相促進,激發對材料研究的興趣。實踐表明這種教學方式一方面教會學生基本實驗技能,另一方面培養了學生勤于思考、自己解決實際問題的能力,提高了學生對復合材料專業的學習興趣。

高分子復合材料； 綜合實驗課； 啟發式教學方法

復合材料以其優良的性能讓世人矚目,并在近50多年取得了驚人的成就,在很多高新技術上得到應用。復合材料是將2種或2種以上具有不同物理、化學性質的材料結合在一起,形成一種新材料,以滿足某種特殊的要求。高分子材料具有成本低廉、高耐候性、低密度、很容易成型為復雜的形狀等特點,使其在多個領域成為替代金屬材料的最佳選擇,成為最廣泛使用的一種材料[1-2]。但高分子材料自身的強度較低并且絕緣,不能滿足某些特殊場合的強度或導電需求,因此需要加入增強材料,以提高基體的強度和剛度。為提高導電性能,通常加入石墨粉或金屬粉末[3]。

高分子復合材料綜合實驗課的特點是在給學生介紹基本的復合材料復合機理、儀器設備操作方法、安全規范的基礎上,由學生自己設計實驗過程,在實驗過程中發現問題、查閱文獻,自己提出解決問題的思路。實驗包括6個環節:采用最常使用的注塑成型工藝獲得拉伸試樣；采用聚丙烯為基體材料、玻璃短纖維為增強體,制備高強聚丙烯/玻璃纖維復合材料；采用聚丙烯為基體材料、石墨粉為導電相,制備導電聚丙烯/石墨復合材料；采用熱壓法獲得表面電阻與體積電阻測試試樣；力學及電阻率性能測試；機理分析。最后2個環節貫穿、融入其他4個環節,不是最后孤立完成。

1 具體教學過程

1.1 采用最常使用的注塑成型獲得拉伸試樣

這部分實驗的主要目的是了解注塑—擠出機的基本結構及各部分的作用,掌握它們的操作與使用方法；熟悉注塑—擠出原理；能夠制備出材料拉伸試樣。

實驗采用的原料為聚丙烯,聚丙烯為無毒、無臭、無味的乳白色高結晶的聚合物,實驗相對安全；聚丙烯可用于制作一般機械零件、耐腐蝕零件和絕緣零件。常見的酸、堿等有機溶劑對它幾乎不起作用,可用于食具[4]。因此選取最有代表性的聚丙烯作為實驗對象。

實驗前,實驗指導教師首先向學生講解注塑成型的基本結構、工作原理、操作方法以及安全規范,由學生自己查閱復習聚丙烯的物理性能,確定實驗方案。

根據聚丙烯的熔點,學生比較容易確定注塑機的加熱溫度,但獲得的樣品并不理想,出現氣孔較多、充模不完全等問題。指導教師引導學生自己分析失敗原因、調整改進方案。學生首先提出加大擠出壓力,獲得的試樣有所改進,但問題仍然存在。學生自己進一步查閱文獻,發現聚丙烯凝固收縮率很大,因此提出延長保壓時間[5],最終獲得了拉伸強度較高的聚丙烯試樣。通過教師引導、學生自己解決問題的方法,激發了學生的實驗興趣和自信心。

獲得拉伸試樣后,向學生講解拉伸試驗機的測試原理及操作方法和注意事項。由學生測試自己制備的試樣的拉伸強度。

1.2 采用聚丙烯為基體材料、玻璃短纖維作為增強體,制備高強聚丙烯/玻璃纖維復合材料

聚丙烯的結晶度高、結構規整,因而具有優良的力學性能,但在塑料材料中仍屬于偏低的品種,其拉伸強度僅可達到30 MPa或稍高的水平[6-7]。為提高聚丙烯強度,引導學生查閱增強方法,確定由纖維長度為3 mm的玻璃短纖維作為增強材料[8]。添加量分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%。

試樣做出后進行拉伸強度測試,發現強度雖有提高,但并不顯著。學生通過掃描電鏡觀察,分析原因。圖1為試樣斷口照片。可發現斷口大量玻璃纖維拔出現象。拔出的玻璃纖維表面光潔,說明玻璃纖維與基體聚丙烯結合度較差。引導學生查閱文獻，學習玻璃纖維表面改性方面的知識。推薦采用KH550對纖維改性后,再進行復合[9]。拉伸試驗發現聚丙烯/玻璃纖維復合材料的強度大幅提高。學生通過掃描電鏡對斷口觀察分析,如圖2所示,拔出的玻璃纖維表面粗糙,粗糙物為尚未完全分離的聚丙烯,說明玻璃纖維的表面改性,顯著提高了與基體聚丙烯的結合能力。

圖1 未改性玻璃纖維的拔出狀況

圖2 改性后玻璃纖維的拔出狀況

學生通過實驗發現,加入30%未改性玻璃短纖維,復合材料流動性顯著變差,較難得到完美試樣。

通過實驗中出現的問題,引導學生分析原因,提出解決方案,加深了學生對課堂學習知識的掌握和解決實際問題的能力。學生對增強復合、增強材料的表面改性有了更深刻的認識。這種啟發式教學進一步激發了學生的學習興趣和自信心。

1.3 采用聚丙烯為基體材料、石墨粉為導電相,制備導電聚丙烯/石墨復合材料

通過上面2部分實驗,學生實驗的興趣和解決問題的能力都得到很大程度的提高。此時給學生提出一個新的命題,通過復合方法,如何改變聚丙烯絕緣性,成為導電材料？學生根據課堂學習知識,結合文獻調研，很快提出用片狀石墨作為添加相的實驗方案[10-11]。此時引導學生添加量選擇(質量分數)0%,2%,4%,6%,8%,10%,12%、14%。實驗測得的體積電阻率隨石墨添加量的變化關系如圖3所示。

當石墨含量(質量分數)為0%、14%時,體積電阻值超出儀器的量程范圍。從圖3可以得出,加入2%石墨的聚丙烯的體積電阻率已經有所降低,但并不特別顯著,當添加量超過6%后,體積電阻率突然大幅度降低。引導學生查閱關于復合材料滲流閾值的概念[12],結合電鏡觀察解釋出現此現象的原因。電鏡觀察可以發現,當添加量超過12%后,石墨在基體內的分布由孤立狀態變成相互導通的網絡結構，這是體積電阻率突然大幅度降低的主要原因。

圖3 聚丙烯/石墨復合材料體積電阻率隨石墨添加量的變化

2 結論

通過上面3部分教學,學生掌握了高分子材料的注塑成型工藝、纖維增強、拉伸試驗以及體積電阻率調節技術方法。特別重要的是通過實驗中出現的問題,引導學生自己分析問題、解決問題。教學實踐證明,啟發式的教學方法激發了學生的學習興趣,鞏固了課堂的學習內容,培養了學生動手和解決實際問題的能力。

References)

[1] 李明.聚合物復合材料[M].北京:清華大學出版社,2013.

[2] 黃家康.復合材料成型技術及應用[M].北京:化學工業出版社,2011.

[3] 肖漢文,王國成,劉少波.高分子材料工程實驗教程[M].北京:化學工業出版社,2007.

[4] 趙敏.改型聚丙烯新材料[M].北京:化學工業出版社,2010.

[5] 張興英.高分子科學實驗[M].北京:化學工業出版,社2007.

[6] 符若文.高分子物理[M].北京:化學工業出版社,2004.

[7] 沈觀林,胡更開,劉彬.復合材料力學[M].北京:清華大學出版社,2013.

[8] 楊紅梅.玻璃纖維增強聚丙烯復合材料的研究進展[J].合成樹脂與塑料,2002,19(3):49.

[9] 徐蓉,邢帆,林漢昭.聚丙烯/玻璃纖維的界面改性研究[J].廣州化工,2001,29(2):25-31.

[10] 應宗榮.聚丙烯/石墨復合材料的導電與阻燃性能研究[J].中國塑料,2006(11):62-65.

[11] 陳曉梅,全成子,沈經緯.聚丙烯/石墨導電復合材料的制備與表征[J].中國塑料,2001(9):40-43.

[12] 張雨.聚合物表面電阻率測試方法研究[J].工程塑料應用,2002(7):35-36.

Research on heuristic teaching methods for comprehensive experimental courses of polymer composite

Liu Rongxuan, Wu Yin, Guan Lihong, Li Ming, Li Liangliang

(School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

This article presents the heuristic teaching methods for experimental courses of polymer composite in order to make students better understand and apply what they have learned in the classroom. The above mentioned experiment courses are expected to guide students to solve the problems occurred in material preparation, performance evaluation and mechanism analysis. At the same time, the fundamental design of polymer composites, experimental technique and thought methods are known well, which could help students to know well what they have learned in the classroom by the experimental courses and stimulate their interest in materials research. Practice teaching results show that the heuristic experimental teaching methods are beneficial for students to master the experimental skills, cultivate new ideas, improve ability for solving practical problems, and increase learning interest of polymer composites.

polymer composites; comprehensive experimental courses; heuristic teaching method

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.042

2016-07-15

北京市共建項目專項資助；清華大學教學改革項目

劉蓉翾(1968—),女,遼寧海城,碩士,高級工程師,從事高分子復合材料實驗教學工作.

E-mail：rxliu@mail.tsinghua.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2017)1-0178-03