“材料导热系数的测定”延伸的本科生创新思维培养

付萍

摘  要：在培养本科生创新思维能力和实践能力的执行过程中，从“材料导热系数的测定”实验出发，引导学生发现复合材料的导热系数低于其理论值，并引导学生结合理论知识分析其原因，在查阅相关文献的基础上，通过实验设计改善和调控材料的导热系数。在此实践过程中，培养学生形成了“发现问题-分析问题-解决问题”的科学研究逻辑，激发出学生的创新思维能力。文章阐述的引导方式，为学生创新思维能力的培养提供了系统的借鉴方法。

关键词：创新思维;实验设计;导热系数;科学研究逻辑

中图分类号：C961     文献标志码：A         文章编号：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

創新能力的竞争是当代国际竞争的一个重要组成部分。习近平总书记在中国科学院第十九次院士大会、中国工程院第十四次院士大会上的讲话强调，中国要强盛、要复兴，就一定要大力发展科学技术，努力成为世界主要科学中心和创新高地。可见，创新能力对于国家的发展起着重要的推动作用。大学生作为推动国家发展和建设的主力军，具备创新能力是对其作为新时代人才的基本要求之一。对大学生进行创新思维能力的培养，已成为国内外各高校培养学生的首要目标[1-2]。培养大学生的创新思维和创新能力，对高校教师的教学模式以及教学内容提出了更高要求。教师必须要不断地掌握新的教育理念和教学方法，并且在实际教学中去进行实践。实验课教学是将理论知识与动手实践紧密连接的重要环节，是实施全面科学教育最有效的形式，也是培养学生创新思维能力的一个重要平台[3-5]。但传统的实验课程内容相对陈旧，方案设计单一，难以调动学生的主动性和积极性。探索如何在现有资源的基础上，最大化的利用实验课程平台，将学生创新思维能力的培养贯穿其中，训练学生的科学思维逻辑，是实验教学面临的挑战。

一、实验设计背景

在材料物理专业本科生专业基础实验教学环节中，设置并安排了“材料导热系数的测定”这一物理性能测试的实验。在该实验环节中，要求学生采用稳态法测试材料的导热系数，在教师的指导下学习并掌握导热系数的测试原理，通过实践操作，学生能逐步熟练地掌握对常规材料导热系数的测定，譬如金属、陶瓷、橡胶、塑料等组分较单一的材料。学生通过导热系数的测定，能将实践内容和理论知识相联系，学习到热流传输在不同的材料体系中依赖的途径是不同的：在金属材料体系中，导热机制是通过电子的跳跃来实现热流传输的;在陶瓷、有机高分子等非电子传输体系中，热流的传输机制是依赖于晶格振动的声子实现传输的。因此，该实验能满足普通本科实验教学环节，培养学生的基本实验技能，并使学生掌握基本的理论知识。但单一材料导热系数的测定内容主要是验证和重复，无法实现创新意识和创新能力的培养。对实验内容进行重新设计，结合科研前沿，激发学生的兴趣，在实践中培养学生的创新能力。

由于复合材料的研发与应用飞速发展，为了培养和提高学生的综合素质，培养学生的创新思维，在实验设置环节中，引入了复合材料导热系数的测定。复合材料是由两种或两种以上化学和物理性质不同的材料组分组成的，各组分之间存在明显的界面。相比于单一材料，在测定复合材料的导热系数时，会产生新的科学问题。例如，制备聚氨酯/铜复合材料（其中金属铜粉的体积百分比为40vol.%），铜的导热系数为401W·m-1·k-1，测定的聚氨酯弹性体导热系数为0.182W·m-1·k-1，根据复合材料导热系数的共混法则，学生计算出聚氨酯/铜复合材料的理论导热系数应为160.5W·m-1·k-1（0.182*60%+401*40%=160.5W·m-1·k-1）。但是实测的聚氨酯/铜复合材料的导热系数为却仅为0.80W·m-1·k-1，实测值远远低于理论值。

基于上述这一问题，针对材料类本科生创新能力的培养，老师在创新实验环节中，可以通过三个阶段的引导和训练来培养学生的创新能力。第一阶段：引导学生发现问题，复合材料中，导热系数的实测值低于理论值;第二个阶段：引导学生分析问题，为什么实验值会低于理论值;第三个阶段：引导学生解决问题，如何设计和改善复合材料的导热系数。通过这三个阶段的实验、测试、结果与分析，来实现学生科研实践和创新能力的培养。

二、创新能力培养的引导过程

（一）问题的发现（样品制备及导热系数测试）

将20vol.%的导热填料（碳化硅、二硼化钛、铜和碳纳米管）分别与聚氨酯基体通过溶液共混，制备出聚氨酯/碳化硅复合材料、聚氨酯/二硼化钛复合材料、聚氨酯/铜复合材料以及聚氨酯/碳纳米管复合材料。其中，铜与碳化硅为颗粒状，粒径在500nm-4μm之间，二硼化钛为片状结构、尺寸在500nm-5μm之间，碳纳米管管径为40nm，长为5μm-15μm。导热填料的导热系数由小至大依次为：碳化硅、二硼化钛、铜和碳纳米管。然后，学生采用稳态法测试各种复合材料的导热系数。实验中，导热系数的实测值与理论值如表1所示。

学生从上述导热系数的测试数据中，可以总结出以下几点规律：1.高分子基体添加导热填料，其导热性能得到改善;2.基体导热系数改善的程度与导热填料的导热系数相关：导热填料的导热系数越高，复合材料的导热系数越大;3.一维导热填料对基体的导热系数提高极为明显;4.实测值均小于理论计算值。

（二）分析问题（微结构表征）

学生结合复合材料的理论学习，可以知道，复合材料的性能与复合材料的界面有关。换言之，复合材料性能除了和组分有关之外，微结构对复合材料的性能影响是非常大的。

学生采用扫描电子显微镜观察复合材料中基体与导热填料之间的界面结合情况，如图1所示。由图1a可以观察到，碳化硅颗粒在基体中团聚在一起，颗粒与基体之间存在空隙，证实了基体与填料的界面间有缺陷，界面粘结较差（图1b）。从图1c和图1d可以观察到，碳纳米管与聚合物基体之间的界面存在空隙，界面粘结较差，同时碳纳米管在基体中团聚较为严重。

根据热流传输理论，在复合材料体系中，导热填料在基体中形成有效的导热網络，热流依靠晶格振动产生的声子沿导热通路传播进行有效传输。但是，复合材料存在界面，由于高分子基体与无机导热填料的模量不匹配，声子在界面处易产生倒逆散射，减弱了热流在界面处的传输，从而引起热流传输受阻[6]。因此，复合材料的界面是影响复合材料导热性能的关键因素。当基体与填料复合后形成复合材料，只要存在界面，热流在复合材料中的传输必定受到界面的阻碍，这是引起复合材料导热系数的实测值与理论值相差很大的原因。另外，界面上存在的孔洞以及粘结性差等问题进一步导致了实测值低于理论值。

通过积极引导，学生将理论结合实践，可以归纳出导热系数低于理论值的三大影响因素：1.导热网络路径;2.界面处声子模量失配，造成声子散射;3.界面缺陷引起的声子散射。

通过实测值与理论值的对比，引导学生发现影响复合材料导热系数实测值低于理论值的关键因素。针对导热系数的控制因素，老师需在现有基础上，从界面问题出发，进一步引导学生查阅文献、设计界面结构，降低界面的负面效应，继而改善复合材料的导热系数。培养学生解决问题的能力，是培养学生创新思维能力的关键一步。

（三）解决问题

基于导热系数实测值低于理论值主要是由界面散射引起的，引导学生了解和关注现代社会技术的发展对高导热系数材料的大量需要，鼓励学生面对问题，迎接挑战，研究和制备具有高导热系数的复合材料。

学生通过文献的查阅，了解到可以通过对导电填料进行改性，从而优化复合材料的界面结合。因此，从改善界面处热流传输的角度出发，老师设计了相关的分组实验。A组学生选择聚氨酯/碳化硅复合材料作为研究对象;B组学生选择聚氨酯/碳纳米管复合材料作为研究对象。A组学生将硅烷偶联剂KH550和填料碳化硅混合后在丙酮里搅拌24小时，然后将改性的碳化硅烘干，再与聚氨酯在溶液里共混形成均匀的溶液，经干燥后得到聚氨酯/碳化硅复合材料。B组学生根据文献将碳纳米管在混合酸中进行酸氧化，赋予碳纳米管表面一定的羟基和羧基基团。然后再将改性的碳纳米管与聚氨酯在溶液里共混，干燥后制备出聚氨酯/改性碳纳米管复合材料。将两种复合材料进行微观结构表征和导热系数的测试，并与原复合材料的结果进行对比。

图2a为聚氨酯/改性碳化硅复合材料的断面扫描电镜图，从中可以发现碳化硅填料颗粒在基体中均匀分散，且颗粒与基体之间界面结合紧密（图2b）。主要原因是碳化硅表面含有大量的羟基，能与KH550偶联剂发生反应，使颗粒表面含有大量的胺基，该含胺基的长链与聚氨酯分子链之间具有很好的相容性，一方面能使碳化硅颗粒在基体中分散良好，另一方面使碳化硅颗粒与基体界面结合紧密。图2c为聚氨酯/改性碳纳米管复合材料的断面扫描电镜图，可以看到碳纳米管在基体中分散良好，且界面粘结良好（图2d），这种良好的分散性及界面粘结性主要是由于碳纳米管经酸氧化后，其表面的羧酸基团与聚氨酯基体基团之间具有良好的相容性引起的。

表2为20vol.%的导热填料（碳化硅和碳纳米管）改性前后的复合材料的导热系数。从表中数据可以看出，当无机导热填料表面被修饰后，相对于未修饰的无机填料填充的复合材料，导热系数有较大地提高，这主要是因为无机填料表面被改性，与基体具有更好的相容性，以致在基体中具有更好的分散性，且界面粘结好;良好的分散性，是有效导热网络形成的保障;而强的界面粘结减少了界面缺陷，增强了基体与填料之间的相互作用，减弱了声子散射，有利于热流的传输（图3）。同时，还可以发现，一维填料被改性后，导热系数有了更大的增幅。这表明，一维填料被改性后，在基体中更易分散，有利于形成更好的导热网络通路。

但是，从改性后的实测值与理论值相比较来看，导热系数实测值仍然低于理论值。这说明界面的存在及其他的一些缺陷的存在，仍然是阻碍热流传输的制约因素。因此，需要进一步的界面设计和精细的制备工艺，来提高复合材料的导热系数。

三、结束语

从“材料导热系数的测定”专业基础实验出发，让学生通过实验发现复合材料导热系数的实测值远远低于理论值这一现象，引导学生分析造成这一现象的本质原因，并引导学生从材料导热的基本理论和物理本质出发，通过对复合材料的界面进行设计并进行实验，解决或改善复合材料导热性能存在的问题。通过这一系列的引导，有助于学生形成发现问题、分析问题和解决问题的科学研究逻辑，提高了学生的动手实践能力和创新思维能力，具有可操作性。在材料类本科生创新思维培养过程中，具有很强的实践意义和指导作用。

参考文献：

[1]王峰，陈雪芹，陈健，等.科研带动教学、促进学生创新能力培养的教学实践——以哈工大微纳卫星学生团队培养模式为例[J].大学教育，2020（3）：146-148.

[2]吴迎年，曹荣敏，陈雯柏.面向创新创业能力培养的学生创新实践探索[J].实验室研究与探索，2017，36（11）：179-181，205.

[3]张立春，吕弋，衣晓凤，等.在化学综合创新实验教学中引入科学研究的探索[J].实验技术与管理，2019，36（12）：191-196.

[4]刘汉兰，陈浩，马忠华，等.深化实验教学改革 培养学生创新能力[J].实验技术与管理，2006，23（5）：16-17.

[5]冯元新，叶高翔，李祖樟，等.基于创新实践能力培养的物理实验教学改革[J].实验室研究与探索，2018，37（2）：228-230.

[6]马传国，容敏智，章明秋.聚合物基复合材料导热模型及其应用[J].宇航材料工艺，2003（3）：1-4.