基于CDIO模式的復(fù)合材料實驗教學(xué)方法

郭智興， 鮮 廣， 熊 計

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院， 成都 610065)

0 引 言

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)復(fù)合而成的新型材料[1]，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、機械、船舶、建筑、電子、醫(yī)療和體育等行業(yè)[2-3]。復(fù)合材料由能承受載荷的增強體與連接增強體并傳遞力作用的基體構(gòu)成。增強體主要包括顆粒和纖維，基體可分為金屬、陶瓷和聚合物3類。對于材料類和制造類專業(yè)，掌握復(fù)合材料的成分、工藝、組織、性能之間的關(guān)系非常重要[4]。實驗教學(xué)是理論教學(xué)的重要補充，也是培養(yǎng)實踐和創(chuàng)新能力的必需環(huán)節(jié)。但是，目前復(fù)合材料實驗教學(xué)中存在著實驗內(nèi)容陳舊，脫離工程實際，實驗?zāi)Ｊ絾我?，以教師為中心等問題[5-6]。為培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神，引入新的工程教育理念和模式，進行實驗教學(xué)環(huán)節(jié)改革非常必要[7-8]。

CDIO模式是由麻省理工學(xué)院等4所大學(xué)進行聯(lián)合研究形成國際工程教育改革的新成果，CDIO 代表構(gòu)思( Conceive) 、設(shè)計( Design) 、實現(xiàn)( Implement) 和運作( Operate) ，它以產(chǎn)品研發(fā)到運行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程的理論、技術(shù)與經(jīng)驗[9-10]。CDIO理念強調(diào)“做中學(xué)”，是盡可能采用接近工程實際的綜合性設(shè)計項目進行教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，聯(lián)系課程知識并運用于工程實踐[11]。本文提出將“項目制”思路融入實驗教學(xué)中，提出基于CDIO模式的實驗教學(xué)方法。結(jié)合工程實際構(gòu)建出一個復(fù)合材料領(lǐng)域的項目庫；每個項目的實現(xiàn)都采用CDIO模式，即經(jīng)過構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行等環(huán)節(jié)來完成。

1 適用于CDIO模式的實驗項目構(gòu)建

CDIO模式下的實驗項目與傳統(tǒng)實驗項目不同，構(gòu)建時應(yīng)確保項目具有工程性、先進性、課程性、綜合性等特點?！肮こ绦浴笔琼椖繎?yīng)來源于工程實際，具有較強的應(yīng)用背景；“先進性”是項目內(nèi)容和設(shè)計理念符合工程技術(shù)發(fā)展趨勢；“課程性”是項目應(yīng)與課程教學(xué)大綱相符合；“綜合性”是項目的設(shè)計和解決需聯(lián)系多門課程，符合解決復(fù)雜工程問題能力的要求。基于復(fù)合材料課程中應(yīng)掌握的成分-工藝-組織-性能關(guān)系的“三棱錐”型核心知識，針對航空航天、汽車工程、機械制造、電子信息等領(lǐng)域提出了9個CDIO實驗項目(見表1)，這些項目只有設(shè)計要求和目標，沒有給定實驗方案。要求學(xué)生通過協(xié)作，將理論知識用于項目實現(xiàn)過程中，達到培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的目的[12]。

表1 基于CDIO模式的復(fù)合材料實驗項目

表1中的9個項目在實驗教學(xué)中都通過構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行等4個教學(xué)活動環(huán)節(jié)來完成。本文以項目8——電子封裝用高熱導(dǎo)率填充型環(huán)氧樹脂復(fù)合材料設(shè)計與制造為例，介紹基于CDIO模式的實驗教學(xué)方法。

2 基于CDIO模式的實驗教學(xué)流程

2.1 項目構(gòu)思

環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的黏結(jié)性能、熱穩(wěn)定性，是目前最常用的電子封裝材料。但是，環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱系數(shù)較低，僅為0.18 W/m·K[13]。隨著電子元器件的微型化，其散熱能力成為影響手機、平板電腦壽命和穩(wěn)定性的重要因素?；趶?fù)合材料的思想，向環(huán)氧樹脂中加入導(dǎo)熱性第二相，可改善其導(dǎo)熱性能[14]。加入異種顆粒后聚合物基復(fù)合材料的導(dǎo)熱模式如圖1所示。填料的體積分數(shù)較小，復(fù)合材料呈現(xiàn)“海-島” 結(jié)構(gòu)，填料孤立地分散在聚合物基體中，導(dǎo)熱效果不佳；隨著填料體積分數(shù)增加，“島”之間形成導(dǎo)熱通路，復(fù)合材料導(dǎo)熱性提高；填料體積分數(shù)繼續(xù)增加后導(dǎo)熱通路相互交織，導(dǎo)熱性能顯著提高并趨于穩(wěn)定[15]。熱傳遞的載體包括電子、聲子和光子，因此，構(gòu)思出添加金屬、陶瓷和碳系材料等3種類型導(dǎo)熱顆粒提高環(huán)氧樹脂熱導(dǎo)率的項目思路。

圖1 填充型導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料的導(dǎo)熱模式示意圖

2.2 項目設(shè)計

基于上述構(gòu)思，本項目的復(fù)合材料的設(shè)計主要包括3方面。① 成分設(shè)計，采用Cu、AlN、石墨3種類型填料。② 添加量的設(shè)計，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)與導(dǎo)熱填料添加量相關(guān)，但過大添加量會導(dǎo)致黏度增大下降，無法進行混合和后續(xù)封裝操作，控制填料添加量為0%～60%(重量分數(shù))的范圍。③ 粒度設(shè)計，根據(jù):

式中:λc、λm和λf分別是復(fù)合材料、聚合物基體和填料的熱導(dǎo)率,Φ是填料的體積分數(shù)，Ki是填料與基體的等效界面系數(shù)。粒度不同導(dǎo)致界面數(shù)量的變化，項目選用1～74 μm的不同粒度填料。3組導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的設(shè)計見表2。

表2 填充型導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料設(shè)計

2.3 項目實施

根據(jù)項目設(shè)計方案制備出導(dǎo)熱復(fù)合材料，項目實施流程如下。① 稱取計算量的環(huán)氧樹脂和固化劑(按1∶1的質(zhì)量比)，并慢速混合，可根據(jù)黏度調(diào)節(jié)需要加入0%～30%的丙酮稀釋。② 按設(shè)計方案中的填料種類、質(zhì)量分數(shù)、粒度等變量稱取導(dǎo)熱填料并加入上述混合的樹脂和固化劑中, 進行攪拌混合, 得到導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂漿體。③ 將導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂漿體澆注到直徑大于45 mm、厚度大于15 mm的塑料模具中并自然固化成型。④ 采用瞬態(tài)平面熱源法(Hotdisk法)測導(dǎo)熱系數(shù)，檢測裝置和導(dǎo)熱復(fù)合材料試樣如圖2所示。

圖2 導(dǎo)熱復(fù)合材料試樣與熱學(xué)性能檢測裝置示意圖

圖3是添加不同粒度銅粉填料環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)?？梢?，在0%～60%的添加范圍內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)隨添加量增大而增加，但低于20%的添加量對導(dǎo)熱系數(shù)改善作用不顯著；添加量相同時，細顆粒填料填充的復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)比粗顆粒填料填充的更低，這是由于細顆粒比粗顆粒填料填充的復(fù)合材料中熱傳導(dǎo)時遇到更多的二相界面，聲子的散射將更嚴重。

圖3 不同粒度的Cu填料環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)

2.4 項目運行

項目的運行階段，學(xué)生應(yīng)將制備出的導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂復(fù)合材料用于電子元件封裝。復(fù)合材料固化后檢測其服役性能，包括按硬度和抗壓強度等力學(xué)性能，確保固化后內(nèi)應(yīng)力低，黏結(jié)強度高，無開裂和脫層；在-55～155 ℃的溫度區(qū)間循環(huán)10次，檢測其服役過程中的耐熱性；在25 ℃，濕度55%的環(huán)境中服役24 h，檢測其吸水率；根據(jù)實際運行的情況對導(dǎo)熱復(fù)合材料制備技術(shù)進行持續(xù)改進。

另外，項目運行時學(xué)生應(yīng)小組討論構(gòu)思，撰寫設(shè)計報告，團隊合作實施項目，最后進行項目答辯。項目的考核不以實驗報告為唯一依據(jù)，而是通過匯報、答辯、提交報告等形式對4個環(huán)節(jié)進行綜合評定；另一方面對學(xué)生進行團隊+個體相結(jié)合，自評+互評+教師評價相結(jié)合的綜合考核方式。

3 結(jié) 語

針對復(fù)合材料實驗教學(xué)中存在的問題，提出了“項目制”實驗教學(xué)和CDIO模式相融合的實驗教學(xué)方法。構(gòu)建了面向航空航天、汽車工程、機械制造、電子信息等領(lǐng)域的項目庫供學(xué)生選擇，學(xué)生按構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行的工程鏈流程完成項目工作?；贑DIO模式的實驗教學(xué)，可培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、實踐能力、創(chuàng)新思維和綜合運用知識解決復(fù)雜工程的能力。