“无机材料物理性能”课程实验教学设计

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(唐山学院环境与化学工程系，河北 唐山 063000)

学生的实践操作能力低，创新能力差已经成为严重影响本科教育及人才培养质量的主要因素。因此，不断深化实践教学改革，提高实践教学质量，是高校教学改革中刻不容缓的任务。实验教学是高等院校教学体系的一部分，相对于理论教学更具有直观性、实践性、综合性的特点。作为高等学校本科教育的重要实践环节，实验教学是培养学生科学的思维方法及基本实践操作技能、理论联系实际的学风和实事求是的科学态度的重要手段，在培养学生严谨科学态度及创新精神、提高分析和解决实际问题能力等方面都具有理论教学不可替代的地位和作用[1-2]。

唐山学院作为一所以培养应用型高级专门人才为目标的地方院校，历来重视学生实践能力的培养，在人才培养方案中设置了较大比例的实践教学环节，同时鼓励教师大力开展实践教学研究。本文以《无机材料物理性能》课程为例，对课内实验教学内容进行设计，意在对课程进行实践教学改革。

1 我院无机材料物理性能课程教学现状

《无机材料物理性能》课程是我院无机非金属材料工程专业的一门必修学科基础课程，主要内容包含无机材料力学、热学、光学、电导、介电等性能的概念、定律、机理、影响因素及提高性能方法。通过本课程的学习，学生掌握无机材料本征参数的物理意义，掌握影响材料物理性能的微观机理；掌握材料成分、结构对制品性能的影响，提高分析问题和解决问题的能力，为后续专业课程的学习和材料设计与材料改性打下坚实的基础。当前我院无机材料物理性能课程全部为理论教学，暂未开设课内实验内容。结合本课程教学现状和对其它课程及实践环节教学的需要，无机材料物理性能课程拟增设部分实验教学内容。通过实验环节锻炼，学生了解实验原理及实验设备，掌握有关物理性能的测试方法，有助于提高对课堂理论的认识和掌握程度。下面以部分实验内容为例，对实验教学进行设计。

2 无机材料物理性能课程实验设计

2.1 材料导热系数测定

导热系数是一种物性参数，随物质的种类和温度而异，它表明物质的导热能力，它的数值是单位时间内，每单位长度温度降低1K时，单位面积所通过的热量，单位为W/(m·K)。导热系数是反映材料导热性能的一个重要参数，在科学实验和工程技术中都要涉及这个参数。导热系数测定方法可归结了两大类：动态法和稳态法。其中稳态平板法是测量材料导热系数的一种常见方法，该方法测试设备结构简单，测试流程简便，学生容易上手。材料导热系数实验设置主要目的是使学生了解导热的宏观、微观机理及基本规律；分析热传导的影响因素；掌握稳态平板法测量材料导热系数的方法。

稳态平板法测量材料导热系数以傅里叶定律为根本原理，具体如下：傅里叶在实验的基础上，得出一个导热的基本规律，即在导热现象中，单位时间内通过单位面积的热量与温度梯度成正比，在一维温度场中有：q∝-dt/dx，式中q为热流，单位为W/m2，dt/dx为在x方向上的温度梯度，单位为℃/m，方向为温度升高方向，因为热流是矢量，它与温度梯度方向相反，所以式中需引入负号。将比例式写成等式，引入比例系数λ，则傅里叶定律可改写为：q=-λdt/dx，式中λ为导热系数，单位为W/(m·K)。

测试方法：将厚度一定的方形或圆形样品至于两平板之间，设置一定的温度梯度。使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流，传感器在平板和样品之间，并与样品接触。测量样品厚度、温度梯度与通过样品的热流便可计算材料导热系数。

2.2 陶瓷材料表面硬度测定

陶瓷材料作为无机材料中的一个重要组成部分，因其具有较高的硬度，良好的耐磨性，较高的机械强度和优良的耐腐蚀特性，被广泛应用于冶金、航天、耐磨、居民日常生活等诸多领域。其中硬度是陶瓷材料，特别是结构陶瓷材料最重要的一项性能指标，与耐磨性、强度等其它性能有密切的关系。结合我院无机非金属材料工程专业陶瓷材料方向，陶瓷釉面硬度测试主要选取维氏硬度(HV)进行，使学生了解维氏硬度测量原理，掌握维氏硬度测试方法，了解维氏硬度测试方法的优缺点及相关标准。

维氏硬度测试采用正四棱锥形金刚石压头，相对面夹角为136°。由于金刚石硬度极高，几乎可以用于压入所有材料。将压头以一定的负荷压入被测材料表面，保持负荷一定时间后(30S)，卸除负荷，测量材料表面的方形压痕的对角线长度。对相互垂直的二个对角线长度取算术平均值，采用公式进行计算，确定材料的维氏硬度。HV=1.854P/d2。式中P为负荷，单位为kg；d为对角线算术平均值，单位为mm。该硬度测试方法具有负荷小，试样压痕小，对试样无损坏特点，但由于压痕小，需测量对角线长度，这样测量误差较大，测量精度较低，而且为了使压痕清晰，试样表面须先研磨抛光。

2.3 水泥混凝土材料抗折抗压强度测试

水泥是混凝土的重要胶结材料，水泥强度是水泥胶结能力的体现，是混凝土强度的主要来源。因此，水泥及混凝土强度测试设计为无机非金属材料工程专业水泥方向的无机材料物理性能课程实验内容。通过开展水泥及混凝土强度测试实验，学生掌握水泥胶砂抗折强度测试方法，掌握混凝土砌块抗压强度测试方法，了解裂纹的产生途径和原因；掌握材料裂纹扩展和产生脆性断裂的原因和方法等。

抗折强度一般采用简支梁法进行测量。将水泥试件放在两支点上，然后在两支点间的试件上施加集中载荷，当载荷达到临界值时，试件发生变形或破坏。根据材料力学简支梁的受力分析可得试件抗折强度计算公式：

Rf=1.5FfL/b3

式中：Rf——抗折强度，MPa；

Ff——破坏载荷，kN；

L——支撑圆柱中心距，m；

b——试件断面正方形边长，m。

在水泥胶砂试件抗折强度测试中，选取不同龄期试件，试件断面正方形边长b=0.04m，支撑圆柱中心距L=0.1m，采用杠杆式抗折试验机试验，试件放入前，应使杠杆成水平状态，将试件成型侧面朝上放入抗折试验机内。试件放入后调整夹具，使杠杆在试件折断时尽可能地接近水平位置。抗折试验加荷速度为50 N/s±10N/s，直至折断，并保持两个半截棱柱试件处于潮湿状态直至抗压试验。抗折强度结果取三个试件平均值，精确至0.1MPa。当三个强度值中有超过平均值±10%的；应剔除后再平均，以平均值作为抗折强度试验结果。

混凝土抗压强度测试参照GB50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，采用万能试验机，测定立方体(150mm×150mm×150mm)抗压强度试件，测试过程中记录破坏荷载。混凝土立方体抗压强度fcu按公式计算(精确至0.1MPa)：

fcu=F/A

式中：F——破坏荷载，N；

A——受压面积，mm2。

以3个试件测定值的算术平均值作为该组试件的抗压强度值。当3个测定值中的最大或最小值有一个与中间值的差值超出中间值的15%时，则把最大及最小值一并舍去，取中间值作为该组试件的抗压强度值。如果两个测值与中间值的差都超出中间值的15%，则该组试件的试验结果无效。

3 结语

无机材料物理性能课程实验的设计可根据教学大纲及后续课程教学需要进行及时调整，例如在热学性能部分可增加热膨胀系数和比热等性能测试，在脆性断裂与强度章节增加材料冲击和弹性模量测试，在光学性能章节增加玻璃材料透光性的测定，在电学性能章节增加材料电阻率和电导率测定等。通过增设和开展课内实验教学内容，不断提高学生对知识的掌握水平，增强学生动手实践能力。