“無機材料物理性能”課程實驗教學設計

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(唐山學院環境與化學工程系，河北 唐山 063000)

學生的實踐操作能力低，創新能力差已經成為嚴重影響本科教育及人才培養質量的主要因素。因此，不斷深化實踐教學改革，提高實踐教學質量，是高校教學改革中刻不容緩的任務。實驗教學是高等院校教學體系的一部分，相對于理論教學更具有直觀性、實踐性、綜合性的特點。作為高等學校本科教育的重要實踐環節，實驗教學是培養學生科學的思維方法及基本實踐操作技能、理論聯系實際的學風和實事求是的科學態度的重要手段，在培養學生嚴謹科學態度及創新精神、提高分析和解決實際問題能力等方面都具有理論教學不可替代的地位和作用[1-2]。

唐山學院作為一所以培養應用型高級專門人才為目標的地方院校，歷來重視學生實踐能力的培養，在人才培養方案中設置了較大比例的實踐教學環節，同時鼓勵教師大力開展實踐教學研究。本文以《無機材料物理性能》課程為例，對課內實驗教學內容進行設計，意在對課程進行實踐教學改革。

1 我院無機材料物理性能課程教學現狀

《無機材料物理性能》課程是我院無機非金屬材料工程專業的一門必修學科基礎課程，主要內容包含無機材料力學、熱學、光學、電導、介電等性能的概念、定律、機理、影響因素及提高性能方法。通過本課程的學習，學生掌握無機材料本征參數的物理意義，掌握影響材料物理性能的微觀機理；掌握材料成分、結構對制品性能的影響，提高分析問題和解決問題的能力，為后續專業課程的學習和材料設計與材料改性打下堅實的基礎。當前我院無機材料物理性能課程全部為理論教學，暫未開設課內實驗內容。結合本課程教學現狀和對其它課程及實踐環節教學的需要，無機材料物理性能課程擬增設部分實驗教學內容。通過實驗環節鍛煉，學生了解實驗原理及實驗設備，掌握有關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。下面以部分實驗內容為例，對實驗教學進行設計。

2 無機材料物理性能課程實驗設計

2.1 材料導熱系數測定

導熱系數是一種物性參數，隨物質的種類和溫度而異，它表明物質的導熱能力，它的數值是單位時間內，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)。導熱系數是反映材料導熱性能的一個重要參數，在科學實驗和工程技術中都要涉及這個參數。導熱系數測定方法可歸結了兩大類：動態法和穩態法。其中穩態平板法是測量材料導熱系數的一種常見方法，該方法測試設備結構簡單，測試流程簡便，學生容易上手。材料導熱系數實驗設置主要目的是使學生了解導熱的宏觀、微觀機理及基本規律；分析熱傳導的影響因素；掌握穩態平板法測量材料導熱系數的方法。

穩態平板法測量材料導熱系數以傅里葉定律為根本原理，具體如下：傅里葉在實驗的基礎上，得出一個導熱的基本規律，即在導熱現象中，單位時間內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λ，則傅里葉定律可改寫為：q=-λdt/dx，式中λ為導熱系數，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熱系數。

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良的耐腐蝕特性，被廣泛應用于冶金、航天、耐磨、居民日常生活等諸多領域。其中硬度是陶瓷材料，特別是結構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系。結合我院無機非金屬材料工程專業陶瓷材料方向，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缺點及相關標準。

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材料，水泥強度是水泥膠結能力的體現，是混凝土強度的主要來源。因此，水泥及混凝土強度測試設計為無機非金屬材料工程專業水泥方向的無機材料物理性能課程實驗內容。通過開展水泥及混凝土強度測試實驗，學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，了解裂紋的產生途徑和原因；掌握材料裂紋擴展和產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，試件發生變形或破壞。根據材料力學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，應使杠桿成水平狀態，將試件成型側面朝上放入抗折試驗機內。試件放入后調整夾具，使杠桿在試件折斷時盡可能地接近水平位置。抗折試驗加荷速度為50 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直至抗壓試驗。抗折強度結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；應剔除后再平均，以平均值作為抗折強度試驗結果。

混凝土抗壓強度測試參照GB50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，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果無效。

3 結語

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