“材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定”延伸的本科生創(chuàng)新思維培養(yǎng)

付萍

摘? 要：在培養(yǎng)本科生創(chuàng)新思維能力和實(shí)踐能力的執(zhí)行過程中，從“材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)低于其理論值，并引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合理論知識(shí)分析其原因，在查閱相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)改善和調(diào)控材料的導(dǎo)熱系數(shù)。在此實(shí)踐過程中，培養(yǎng)學(xué)生形成了“發(fā)現(xiàn)問題-分析問題-解決問題”的科學(xué)研究邏輯，激發(fā)出學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。文章闡述的引導(dǎo)方式，為學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)提供了系統(tǒng)的借鑒方法。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新思維;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);導(dǎo)熱系數(shù);科學(xué)研究邏輯

中圖分類號(hào)：C961?? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2020）30-0046-05

Abstract： During the process of cultivating the innovative thinking and practice ability of undergraduates， through thermal conductivity measurement experiment of material， the students are guided to find the thermal conductivity of composite materials is lower than its theoretical value. Teachers inspire students to combine the theoretical knowledge to analyze the reasons for this phenomenon. And then students try to improve and tune the thermal conductivity of composite materials by the experiment design on the basis of literature review. The process helps students to form the logic of scientific research including discovering， analyzing and solving problems， which stimulate students' innovation ability. The guiding mode elaborated in this paper provides a systematic reference method for the cultivation of students' innovative thinking ability.

Keywords： innovative thinking; experimental design; thermal conductivity; logic of scientific research

創(chuàng)新能力的競爭是當(dāng)代國際競爭的一個(gè)重要組成部分。習(xí)近平總書記在中國科學(xué)院第十九次院士大會(huì)、中國工程院第十四次院士大會(huì)上的講話強(qiáng)調(diào)，中國要強(qiáng)盛、要復(fù)興，就一定要大力發(fā)展科學(xué)技術(shù)，努力成為世界主要科學(xué)中心和創(chuàng)新高地?？梢?，創(chuàng)新能力對(duì)于國家的發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用。大學(xué)生作為推動(dòng)國家發(fā)展和建設(shè)的主力軍，具備創(chuàng)新能力是對(duì)其作為新時(shí)代人才的基本要求之一。對(duì)大學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)，已成為國內(nèi)外各高校培養(yǎng)學(xué)生的首要目標(biāo)[1-2]。培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，對(duì)高校教師的教學(xué)模式以及教學(xué)內(nèi)容提出了更高要求。教師必須要不斷地掌握新的教育理念和教學(xué)方法，并且在實(shí)際教學(xué)中去進(jìn)行實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)課教學(xué)是將理論知識(shí)與動(dòng)手實(shí)踐緊密連接的重要環(huán)節(jié)，是實(shí)施全面科學(xué)教育最有效的形式，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力的一個(gè)重要平臺(tái)[3-5]。但傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容相對(duì)陳舊，方案設(shè)計(jì)單一，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性。探索如何在現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上，最大化的利用實(shí)驗(yàn)課程平臺(tái)，將學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)貫穿其中，訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維邏輯，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)背景

在材料物理專業(yè)本科生專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，設(shè)置并安排了“材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定”這一物理性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)。在該實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，要求學(xué)生采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)試材料的導(dǎo)熱系數(shù)，在教師的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)并掌握導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試原理，通過實(shí)踐操作，學(xué)生能逐步熟練地掌握對(duì)常規(guī)材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定，譬如金屬、陶瓷、橡膠、塑料等組分較單一的材料。學(xué)生通過導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定，能將實(shí)踐內(nèi)容和理論知識(shí)相聯(lián)系，學(xué)習(xí)到熱流傳輸在不同的材料體系中依賴的途徑是不同的：在金屬材料體系中，導(dǎo)熱機(jī)制是通過電子的跳躍來實(shí)現(xiàn)熱流傳輸?shù)?在陶瓷、有機(jī)高分子等非電子傳輸體系中，熱流的傳輸機(jī)制是依賴于晶格振動(dòng)的聲子實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)?。因此，該?shí)驗(yàn)?zāi)軡M足普通本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能，并使學(xué)生掌握基本的理論知識(shí)。但單一材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定內(nèi)容主要是驗(yàn)證和重復(fù)，無法實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，結(jié)合科研前沿，激發(fā)學(xué)生的興趣，在實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

由于復(fù)合材料的研發(fā)與應(yīng)用飛速發(fā)展，為了培養(yǎng)和提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，在實(shí)驗(yàn)設(shè)置環(huán)節(jié)中，引入了復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定。復(fù)合材料是由兩種或兩種以上化學(xué)和物理性質(zhì)不同的材料組分組成的，各組分之間存在明顯的界面。相比于單一材料，在測(cè)定復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生新的科學(xué)問題。例如，制備聚氨酯/銅復(fù)合材料（其中金屬銅粉的體積百分比為40vol.%），銅的導(dǎo)熱系數(shù)為401W·m-1·k-1，測(cè)定的聚氨酯彈性體導(dǎo)熱系數(shù)為0.182W·m-1·k-1，根據(jù)復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的共混法則，學(xué)生計(jì)算出聚氨酯/銅復(fù)合材料的理論導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)為160.5W·m-1·k-1（0.182*60%+401*40%=160.5W·m-1·k-1）。但是實(shí)測(cè)的聚氨酯/銅復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為卻僅為0.80W·m-1·k-1，實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論值。

基于上述這一問題，針對(duì)材料類本科生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，老師在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，可以通過三個(gè)階段的引導(dǎo)和訓(xùn)練來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。第一階段：引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，復(fù)合材料中，導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)測(cè)值低于理論值;第二個(gè)階段：引導(dǎo)學(xué)生分析問題，為什么實(shí)驗(yàn)值會(huì)低于理論值;第三個(gè)階段：引導(dǎo)學(xué)生解決問題，如何設(shè)計(jì)和改善復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。通過這三個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)、測(cè)試、結(jié)果與分析，來實(shí)現(xiàn)學(xué)生科研實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

二、創(chuàng)新能力培養(yǎng)的引導(dǎo)過程

（一）問題的發(fā)現(xiàn)（樣品制備及導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試）

將20vol.%的導(dǎo)熱填料（碳化硅、二硼化鈦、銅和碳納米管）分別與聚氨酯基體通過溶液共混，制備出聚氨酯/碳化硅復(fù)合材料、聚氨酯/二硼化鈦復(fù)合材料、聚氨酯/銅復(fù)合材料以及聚氨酯/碳納米管復(fù)合材料。其中，銅與碳化硅為顆粒狀，粒徑在500nm-4μm之間，二硼化鈦為片狀結(jié)構(gòu)、尺寸在500nm-5μm之間，碳納米管管徑為40nm，長為5μm-15μm。導(dǎo)熱填料的導(dǎo)熱系數(shù)由小至大依次為：碳化硅、二硼化鈦、銅和碳納米管。然后，學(xué)生采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)試各種復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)中，導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)測(cè)值與理論值如表1所示。

學(xué)生從上述導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試數(shù)據(jù)中，可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)規(guī)律：1.高分子基體添加導(dǎo)熱填料，其導(dǎo)熱性能得到改善;2.基體導(dǎo)熱系數(shù)改善的程度與導(dǎo)熱填料的導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)：導(dǎo)熱填料的導(dǎo)熱系數(shù)越高，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大;3.一維導(dǎo)熱填料對(duì)基體的導(dǎo)熱系數(shù)提高極為明顯;4.實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值。

（二）分析問題（微結(jié)構(gòu)表征）

學(xué)生結(jié)合復(fù)合材料的理論學(xué)習(xí)，可以知道，復(fù)合材料的性能與復(fù)合材料的界面有關(guān)。換言之，復(fù)合材料性能除了和組分有關(guān)之外，微結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料的性能影響是非常大的。

學(xué)生采用掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合材料中基體與導(dǎo)熱填料之間的界面結(jié)合情況，如圖1所示。由圖1a可以觀察到，碳化硅顆粒在基體中團(tuán)聚在一起，顆粒與基體之間存在空隙，證實(shí)了基體與填料的界面間有缺陷，界面粘結(jié)較差（圖1b）。從圖1c和圖1d可以觀察到，碳納米管與聚合物基體之間的界面存在空隙，界面粘結(jié)較差，同時(shí)碳納米管在基體中團(tuán)聚較為嚴(yán)重。

根據(jù)熱流傳輸理論，在復(fù)合材料體系中，導(dǎo)熱填料在基體中形成有效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，熱流依靠晶格振動(dòng)產(chǎn)生的聲子沿導(dǎo)熱通路傳播進(jìn)行有效傳輸。但是，復(fù)合材料存在界面，由于高分子基體與無機(jī)導(dǎo)熱填料的模量不匹配，聲子在界面處易產(chǎn)生倒逆散射，減弱了熱流在界面處的傳輸，從而引起熱流傳輸受阻[6]。因此，復(fù)合材料的界面是影響復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵因素。當(dāng)基體與填料復(fù)合后形成復(fù)合材料，只要存在界面，熱流在復(fù)合材料中的傳輸必定受到界面的阻礙，這是引起復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)測(cè)值與理論值相差很大的原因。另外，界面上存在的孔洞以及粘結(jié)性差等問題進(jìn)一步導(dǎo)致了實(shí)測(cè)值低于理論值。

通過積極引導(dǎo)，學(xué)生將理論結(jié)合實(shí)踐，可以歸納出導(dǎo)熱系數(shù)低于理論值的三大影響因素：1.導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)路徑;2.界面處聲子模量失配，造成聲子散射;3.界面缺陷引起的聲子散射。

通過實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)比，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)影響復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)測(cè)值低于理論值的關(guān)鍵因素。針對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的控制因素，老師需在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，從界面問題出發(fā)，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)界面結(jié)構(gòu)，降低界面的負(fù)面效應(yīng)，繼而改善復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力的關(guān)鍵一步。

（三）解決問題

基于導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)測(cè)值低于理論值主要是由界面散射引起的，引導(dǎo)學(xué)生了解和關(guān)注現(xiàn)代社會(huì)技術(shù)的發(fā)展對(duì)高導(dǎo)熱系數(shù)材料的大量需要，鼓勵(lì)學(xué)生面對(duì)問題，迎接挑戰(zhàn)，研究和制備具有高導(dǎo)熱系數(shù)的復(fù)合材料。

學(xué)生通過文獻(xiàn)的查閱，了解到可以通過對(duì)導(dǎo)電填料進(jìn)行改性，從而優(yōu)化復(fù)合材料的界面結(jié)合。因此，從改善界面處熱流傳輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，老師設(shè)計(jì)了相關(guān)的分組實(shí)驗(yàn)。A組學(xué)生選擇聚氨酯/碳化硅復(fù)合材料作為研究對(duì)象;B組學(xué)生選擇聚氨酯/碳納米管復(fù)合材料作為研究對(duì)象。A組學(xué)生將硅烷偶聯(lián)劑KH550和填料碳化硅混合后在丙酮里攪拌24小時(shí)，然后將改性的碳化硅烘干，再與聚氨酯在溶液里共混形成均勻的溶液，經(jīng)干燥后得到聚氨酯/碳化硅復(fù)合材料。B組學(xué)生根據(jù)文獻(xiàn)將碳納米管在混合酸中進(jìn)行酸氧化，賦予碳納米管表面一定的羥基和羧基基團(tuán)。然后再將改性的碳納米管與聚氨酯在溶液里共混，干燥后制備出聚氨酯/改性碳納米管復(fù)合材料。將兩種復(fù)合材料進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征和導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試，并與原復(fù)合材料的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖2a為聚氨酯/改性碳化硅復(fù)合材料的斷面掃描電鏡圖，從中可以發(fā)現(xiàn)碳化硅填料顆粒在基體中均勻分散，且顆粒與基體之間界面結(jié)合緊密（圖2b）。主要原因是碳化硅表面含有大量的羥基，能與KH550偶聯(lián)劑發(fā)生反應(yīng)，使顆粒表面含有大量的胺基，該含胺基的長鏈與聚氨酯分子鏈之間具有很好的相容性，一方面能使碳化硅顆粒在基體中分散良好，另一方面使碳化硅顆粒與基體界面結(jié)合緊密。圖2c為聚氨酯/改性碳納米管復(fù)合材料的斷面掃描電鏡圖，可以看到碳納米管在基體中分散良好，且界面粘結(jié)良好（圖2d），這種良好的分散性及界面粘結(jié)性主要是由于碳納米管經(jīng)酸氧化后，其表面的羧酸基團(tuán)與聚氨酯基體基團(tuán)之間具有良好的相容性引起的。

表2為20vol.%的導(dǎo)熱填料（碳化硅和碳納米管）改性前后的復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。從表中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)無機(jī)導(dǎo)熱填料表面被修飾后，相對(duì)于未修飾的無機(jī)填料填充的復(fù)合材料，導(dǎo)熱系數(shù)有較大地提高，這主要是因?yàn)闊o機(jī)填料表面被改性，與基體具有更好的相容性，以致在基體中具有更好的分散性，且界面粘結(jié)好;良好的分散性，是有效導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)形成的保障;而強(qiáng)的界面粘結(jié)減少了界面缺陷，增強(qiáng)了基體與填料之間的相互作用，減弱了聲子散射，有利于熱流的傳輸（圖3）。同時(shí)，還可以發(fā)現(xiàn)，一維填料被改性后，導(dǎo)熱系數(shù)有了更大的增幅。這表明，一維填料被改性后，在基體中更易分散，有利于形成更好的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)通路。

但是，從改性后的實(shí)測(cè)值與理論值相比較來看，導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)測(cè)值仍然低于理論值。這說明界面的存在及其他的一些缺陷的存在，仍然是阻礙熱流傳輸?shù)闹萍s因素。因此，需要進(jìn)一步的界面設(shè)計(jì)和精細(xì)的制備工藝，來提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

三、結(jié)束語

從“材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定”專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)出發(fā)，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論值這一現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生分析造成這一現(xiàn)象的本質(zhì)原因，并引導(dǎo)學(xué)生從材料導(dǎo)熱的基本理論和物理本質(zhì)出發(fā)，通過對(duì)復(fù)合材料的界面進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，解決或改善復(fù)合材料導(dǎo)熱性能存在的問題。通過這一系列的引導(dǎo)，有助于學(xué)生形成發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的科學(xué)研究邏輯，提高了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力，具有可操作性。在材料類本科生創(chuàng)新思維培養(yǎng)過程中，具有很強(qiáng)的實(shí)踐意義和指導(dǎo)作用。

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