材料物理性能

材料物理性能（共12篇）

材料物理性能 篇1

一、引言

《材料物理》是材料科学与工程专业大学生必修的专业基础课, 包括理论教学与实验两部分, 系统地介绍了材料的力学、热学、电学、磁学、声学、光学以及功能转换等方面的性能及其应用。通过本课程的学习, 学生能理解材料物理学的基本概念和基本理论, 掌握研究与处理材料结构与性能关系的主要方法, 并能综合运用所学的知识分析和解决材料研究中的实际问题, 为后续课程的学习以及将来从事有关新型材料的研制、开发和应用奠定理论基础, 是一门起到承上启下作用的专业基础课。

随着现代科学技术的高速发展, 近年来, 以电子、生物、航天和能源为应用对象的材料科学呈现出以功能材料、复合材料、纳米材料等高性能、多功能为主的发展趋势, 对材料科学人才也提出了新的、更高的要求[1]。我校材料物理专业依托自身的学科优势和人才优势, 重点培养在光电信息材料、新能源材料、环境材料等方面具有扎实的基础理论知识和实践能力的应用型创新人才。要求学生掌握相关材料领域的基本物理理论, 并与工程理论及实践相结合, 能综合运用所学的知识定性地或半定量地分析和解决材料研究中的实际问题。结合本专业的培养目标, 我校材料物理专业以《材料物理》为理论基础的应用型专业课程设置了《功能材料》、《磁性材料》、《电子材料》等, 通过近几年的教学实践, 对材料物理性能与应用系列课程的教学进行了一定的探索, 取得了一些经验, 但仍存在有待改进的方面:首先, 材料物理性能与应用系列课程的教材, 主要包括《材料物理》、《电子材料》、《磁性材料》、《功能材料》的教材内容, 由于知识的相互交叉不可避免地存在重复, 而任课教师由于授课过程中疏于沟通, 必然会导致实际教学过程中学时数的增加, 无法提高学生学习的积极性和主动性, 严重影响教学质量和教学效果。其次, 上述课程单独开设实验教学, 多为验证性实验, 实验内容简单, 无法调动学生的积极性, 提高学生的动手能力, 更无法达到学生创新意识的培养。因此, 为了更好地开展材料物理理论及应用系列课程的教学, 结合我校的人才培养目标———应用型创新性人才的培养, 有必要建立材料物理性能与应用课程模块, 进行材料类专业“材料物理性能与应用”课程体系、教学内容的研究和改革, 充分体现材料物理基本理论与工程应用实践之间的密切联系。

二、材料物理性能与应用课程模块的构建

课程模块, 是一组相互关联的课程, 围绕某一特定知识范畴或领域而结构起来的课程群。课程是课程模块的构成要素。课程模块具有独立性、抽象性、互换性和灵活性特征, 是构建现代高等教育课程体系的有效途径和方法2]。结合材料物理专业的自身特色, 以材料性能与应用为总体目标, 以《材料物理》、《功能材料》、《电子材料》、《磁性材料》课程为对象, 构建课程模块。通过调研, 对原有各课程的教学内容进行整合, 将材料物理、电子材料、磁性材料和功能材料的基础理论融会贯通, 强调基本理论、基本概念以及学科之间的交叉。制订相应课程的教学大纲, 以突出材料的性能与应用间的密切联系为目标, 形成从材料的基本结构→基本物理性能→用途→具体材料→材料应用为主线的较为完整的知识体系。合理分配知识点, 杜绝课程之间衔接、交叉处理欠妥的现象, 克服教学内容重复等弊端, 从而形成课程环环相扣, 基础知识、专业知识层层推进的格局, 使专业课程设置更适合应用型创新性人才的培养。材料物理性能与应用课程模块的构建将使教学体系整体化, 不仅有利于减少教学时数, 提高课程的教学效率, 而且有利于学生学会如何寻找事物的内在联系, 掌握课程的精华, 更充分地理解和认识材料各种物理性能及其应用之间的本质联系, 从而使理论与实际联系得更为密切。学生在模块课程中获得的不再是一个个孤立的知识点, 而是在材料物理性能与应用主题统摄之下的结构化的知识框架。

三、模块内实验体系的构建

材料物理性能与应用系列课程单独开设实验, 实验内容基本是对材料某种物理性能进行测定, 如力学、电学、磁学等性能的测定, 实验内容简单, 多为验证性实验, 影响了学生创造性和发散性思维的培养。为调动学生的积极性, 提高学生的动手实践能力, 在材料物理性能与应用课程模块内, 进行新的实验体系的构建, 对原有课程的相关实验进行整合, 减少验证性实验, 利用实验室资源, 适度开设综合性、设计性实验, 在实验内容上充分体现材料性能与应用之间的联系, 使实验项目能充分发挥培养学生动手操作和实践能力培养方面的作用。如材料物理课程中的四探针法测量半导体材料电阻的实验原为简单的验证实验, 只需对半导体样品的电阻及电阻率进行测量。通过实验体系整合, 可将该实验改为半导体氧化物陶瓷的制备及电性能测定, 同时兼顾了材料的组成、制备及性能。综合性、设计性实验的开设, 有利于提高学生的动手能力和实践能力, 更适合应用型创新性人才的培养目标。其次, 可结合材料物理专业教师的科研课题, 引导学生利用课余时间积极参与, 不仅仅能提高学生的动手能力, 更重要的是可以开阔他们的视野并提高创造力。

四、改革教学方法与教学手段, 培养学生的学习积极性和创新意识

“填鸭式”的传统的教学方法很难调动学生的积极性和创新意识的培养。因此在传统教学的基础上, 探索新的教学方法势在必行。在理论教学的过程中充分调动学生的积极性。例如, 针对模块内课程的特点, 精心设计一些相关的研究性课题, 有针对性地组织学生查阅资料、撰写小论文或进行课堂PPT介绍和讨论, 引导学生独立思考和培养他们良好的思维习惯。这既有利于知识的传授, 更有利于提高学生的学习兴趣, 让他们真正成为知识的主动获取者, 而不是被动的接受者。并且在相关教学内容开展的过程中, 一方面培养了学生从事科学研究的能力, 同时也给学生提供了一个展示的平台, 例如在PPT介绍的过程中学生可以结合自己的兴趣开展相关内容的研究, 锻炼自己的语言表达能力。在教学过程中, 充分运用现代多媒体教学手段, 制作多媒体课件, 将材料的各种物理现象重现, 比如半导体能带结构、电子的跃迁、空位的复合、磁光克尔效应、形状记忆效应等一些物理效应、现象, 学生可以很直观、感性地认识所学内容, 从而更易接受, 加深了对物理现象及本质的理解与掌握, 同时还增加了教学信息量, 减少了授课学时。

五、结语

现有的材料物理性能与应用系列课程的教学不利于提高学生的学习主动性及创新性, 通过材料物理性能与应用课程模块的构建, 从理论教学和实验操作两方面对模块进行整体设计, 改革现有的教学方法和教学手段, 一方面培养学生扎实的材料物理理论基础, 另一方面提高学生的动手实践能力以及运用基础理论解决实际问题的能力, 培养学生科学的思维方法和创新能力, 使专业课程设置更适合应用型创新性人才的培养。

参考文献

[1]万红, 白书欣.材料物理课程建设的思考[J].高等教育研究学报, 2009, (6) :21-23.

[2]何凤昇.课程模块构建与模块组合[J].职教论坛, 2009, (6) :155-156.

材料物理性能 篇2

浅谈金属材料的物理性能

金属的物理性能主要考虑：

⑴密度（比重）：ρ=P/V单位克/立方厘米或吨/立方米，式中P为重量，V为体积。在实际应用中，除了根据密度计算金属零件的重量外，很重要的一点是考虑金属的比强度（强度σb与密度ρ之比）来帮助选材，以及与无损检测相关的声学检测中的声阻抗（密度ρ与声速C的乘积）和射线检测中密度不同的物质对射线能量有不同的吸收能力等等。

⑵熔点：金属由固态转变成液态时的温度，对金属材料的熔炼、热加工有直接影响，并与材料的高温性能有很大关系。

⑶热膨胀性随着温度变化，材料的体积也发生变化（膨胀或收缩）的现象称为热膨胀，多用线膨胀系数衡量，亦即温度变化1℃时，材料长度的增减量与其0℃时的长度之比。热膨胀性与材料的比热有关。在实际应用中还要考虑比容（材料受温度等外界影响时，单位重量的材料其容积的增减，即容积与质量之比），特别是对于在高温环境下工作，或者在冷、热交替环境中工作的金属零件，必须考虑其膨胀性能的影响。

⑷磁性能吸引铁磁性物体的性质即为磁性，它反映在导磁率、磁滞损耗、剩余磁感应强度、矫顽磁力等参数上，从而可以把金属材料分成顺磁与逆磁、软磁与硬磁材料。

古琴的琴弦物理性能测量 篇3

【关键词】古琴；琴弦；测量；物理性能

文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2014.09.012

【Abstract】According to national standard test methods and common materials in domestic market， we made the physical measurement on tensile strength， elongation， diameter uniformity among wire wrapped strings synthetic fiber strings and silk strings， those three materials and 16 sets of strings， to compare the different physical properties of Guqin with different brands and types.

【Key Words】Guqin； strings； measurement； physical properties

“直径远小于其长度、柔性远大于其刚度的线状固体物称为‘弦’。……弦乐器的声学特征主要来自于弦，弦对弦乐器的声学性征具有主控作用”。[1]乐器琴弦由弹拨、弓擦、击奏等多种激发方式产生振动，其振动状态取决于弦长、拉力、刚度、工艺等物理特性及演奏激发方式等多个因素。

古琴琴弦品质对乐器整体声学表现有着重要影响。《古琴征访录》中记载：“初予琴师卓群亲往榆次，就琴所在地试上新苏弦弹之，音韵不佳，拒绝而返。正与卓群同餐，忽桌上月明沧海琴四弦不弹而断，即易前弦，音忽不佳，始悟乃苏弦之过也。”[2]从中可以看出，前人在征集传世古琴时，对琴弦品质差异在乐器整体音响特性中重要作用的认识。

目前，由于中国还没有对古琴琴弦物理特性进行统一测量与比较，尚不清楚各材质不同型号古琴琴弦的品质差异。

1 古琴琴弦的材质分类

轻工业行业标准QB/T 1817-2010《琴弦通用技术条件》中，将不同乐器琴弦依主要制作材质分为金属弦、尼龙弦、丝弦3种。在此分类基础上，当前古琴琴弦按主要制作材质的不同可分为钢丝弦、合成纤维弦和蚕丝弦3种。虽然3种材质的琴弦均为缠弦，但在制作工艺上仍有很大区别。

钢丝缠弦是以钢丝作为内芯，并包裹有其他材质缠材的琴弦。国内生产的古琴钢丝弦外部多用尼龙丝或蚕丝缠绕。依琴弦品质的不同，内芯钢丝分别有采用国产钢丝与进口钢丝两种。钢丝缠弦的制作工艺始于20世纪60年代，当时，为解决制弦用蚕丝的品质下降、数量不足的问题，也为拓展古琴更大的辐射声压级，开始尝试使用这种制作工艺。目前，钢丝缠弦已成为琴人使用的最普遍的一个品种。

合成纤维缠弦是近些年开发的新品种，它以人造纤维为内芯，外部包裹尼龙丝制成，其声学特性也得到了国内部分知名琴家的认可。

采用蚕丝制作琴弦在我国有着悠久的历史。《风俗通义》中有云：“神农削桐为琴，绳丝为弦”。在不同的历史时期，均有大量文献详细记载了古琴蚕丝缠弦的制作工艺。古琴蚕丝缠弦制作主要包括选丝、打捻、煮弦、加缠、晒弦等多道工艺，制弦工序细致而复杂。查阜西先生在《传统的造弦法》一文中，将北宋《琴书》、南宋《太古遗音》、明代及清代文献中传述的古琴琴弦制作工艺作了详细整理，并对不同历史时期缠制琴弦采用的蚕丝数量进行了计算与比较，合为《历代古琴弦缠合规格演变一览表》附于文后。陈长林先生在《古琴弦直径（密度）概算》中，根据声学原理计算了蚕丝缠弦直径与拉力的比例关系，指出在琴弦拉力相同时，琴弦的振动频率与琴弦直径的平方根呈反比关系，并由此发现清代之后以三分损益的方法确定琴弦缠用丝数的方法，理论阐述与实践应用自相矛盾。

本文所涉及的研究，与国内外多家古琴蚕丝弦制作厂家取得了联系，虽然大多数制作者对生产中的具体细节秘而不宣，但是制作工艺基本沿用于古法，只在缠丝数量、制作中配料的选取方面具有一些差异。

该项研究还收集了目前国内市场上较为常见的古琴琴弦，对它们进行拉力、延伸率、直径均匀度等方面的测量。所选择的琴弦包括以下：钢丝缠弦型号有星海钢弦（普通）、星海钢弦（专业）、上音钢弦、敦煌钢弦、戴氏丝弦（钢丝）、龙人钢弦（标准）、龙人钢弦（加粗）；合成纤维缠弦型号有戴氏丝弦（纤维）、龙人冰弦；蚕丝缠弦有虎丘丝弦、今虞白芨丝弦（细）、今虞白芨丝弦（中）、今虞白芨丝弦（加粗）、吴声优质丝弦（标准）、吴声优质丝弦（加重）、日本鸟羽屋丝弦。所选琴弦共计16种，基本涵盖了国内市场占有率较高的品牌及型号。

2 空弦拉力测量

古琴琴弦振动时，先由外力拽离静止位置一段距离，外力释放后，在内部固有张力的作用下，琴弦在以静止位置为中心的两侧不断做往复运动，并随着振动能量的耗损最终回到静止位置。琴弦振动可分为横振动、纵振动和扭转振动等三种类型。[3]在参与振动的有效弦长保持不变的前提下，就琴弦自身振动特性而言，材质、拉力、线密度与制作工艺是决定琴弦声学特性的重要参数。

琴弦拉力是指使琴弦达到指定音高度所需外部牵引力的大小。对于乐器琴弦而言，琴弦振动频率同时受材质、拉力、直径、有效弦长的共同作用。在一定变化范围内，若古琴琴弦具有较高的琴弦拉力，则有助于琴弦获得更高的振动频率、更大的振动能量和更加明亮的音色，而较小的琴弦拉力，除了带来暗淡柔美的音色表现，当在靠近岳山附近的低次徽位处演奏按音时，还可以得到更好的音高稳定性。因此，合适的琴弦拉力是获得琴弦良好振动状态的必要条件，在古琴声学特性与演奏两方面都具有重要意义。由于弹拨乐器琴弦振动类型普遍以横振动为主，因此，古琴琴弦振动频率的计算与琴弦横振动计算方法相同：

nlc202309041322

（公式1）

式中，f为频率（Hz），为有效弦长（m），T为拉力（N），为线密度（kg/m）。

可以看到，当琴弦材质、直径、有效弦长等参量相同时，琴弦振动频率与有效弦长、琴弦密度呈反比，与琴弦拉力呈正比关系。因此，改变琴弦拉力是自古以来用于调整琴弦自身音高的最常用的手段。琴弦拉力除了对琴弦振动频率有显著作用外，由于其对琴弦振动状态的直接影响，不同的拉力还会使琴弦在辐射声压级、振动持续时间、乐器音色等声学特性上产生差异。

文中涉及的测量均依据轻工行业标准QB/T 1817-2010《琴弦通用技术条件》的要求进行。测量中，在逐渐加大琴弦拉力的同时，不时在压弦点位置按下琴弦，通过拨奏弦枕与弦马间的有效弦长测试音高，在达到定弦音高后，由拉力计读出对应的拉力值。采用的测试仪器有STARRETT 3732MEXFL-25数显千分尺、SUNDOO SH-300N数显式推拉力计、KORG OT-120数字式校音仪、自制的卧式古琴琴弦检测器等，所有测试仪器均能满足实验精度要求。

与绝大多数弦乐器不同，由于古琴琴头一侧的琴弦通过岳山后打结为蝇头，改由绒扣牵引，穿过弦眼后系于琴体下方的琴轸。因此，古琴琴弦的断裂绝大多数出现在蝇头与绒扣的接触位置。为真实模拟古琴琴弦的受力状态，本次测量在制作卧式琴弦检测器时，既遵循了《琴弦通用技术文件》制作要求又有所改良——琴弦在弦枕一侧没有采取普通琴弦测试中水平拉拽的牵引方式，而是模拟了古琴真实的系弦方法，蝇头在弦枕部位仍由绒扣拉紧，穿过测试台面后向下方牵引。示意图如图1所示。

为保证测量结果的客观性与非倾向性，测量数据略去了不同琴弦的品牌型号，改用编号来表示。其中，A代表钢丝缠弦，B代表合成纤维缠弦，C代表蚕丝缠弦，钢丝缠弦标注为A1～A7共7套，合成纤维缠弦标注为B1、B2共2套，蚕丝缠弦标注为C1～C7共7套。不同材质的琴弦拉力值如图2～图4所示。

从测试数据来看，钢丝缠弦A1～A7的拉力变化较有规律，各型号琴弦的拉力最大值均出现于第2弦；弦拉力变化折线较为接近，不同型号琴弦拉力产生较大差异的为6弦，其中以A7琴弦最高，为74.3 N，以A5琴弦最低，为54.5 N，拉力差值为19.8 N；钢丝缠弦同套琴弦7根弦间，2弦与3弦的拉力值差均在25 N左右，差异较大。由于琴弦拉力值会对音长、音强、音色等其他声学特性产生影响，在钢丝缠弦2弦、3弦调至定音高度后，较大的差值会对同套琴弦2弦与3弦声学特性的统一度产生较大影响。

两种合成纤维缠弦各弦拉力值相似度较高，拉力值折线大致保持平行，两套琴弦仅在4弦时形成了11.1 N的最大差值，其余6根琴弦拉力值差均保持在10 N以内。

虽然蚕丝缠弦C1～C7整体呈逐渐升高的趋势，但不同型号琴弦之间存在着较大差异；各型号琴弦中的1弦，以C6琴弦拉力值最高，为76.3 N，以C1琴弦拉力值最低，为28.9 N，差值为47.4 N，远大于其他两种材质琴弦；在同套琴弦7根弦内部也存在较大差异，如C1琴弦6弦拉力值为67.3 N，1弦拉力值为28.9 N，拉力差达到38.4 N。

由公式1可以得知，不同材质的琴弦在振动有效弦长、振动频率大致相同的情况下，若琴弦拉力出现较大差异，主要是因琴弦线密度差异较大所致。

A组钢丝缠弦琴弦总拉力平均约为499.33 N，最大值与最小值间差值为36.2 N。B组合成纤维缠弦琴弦总拉力平均为496.95 N，最大值与最小值间差值为30.9 N。在C组蚕丝缠弦中，琴弦总拉力平均为411.9 N，最大值与最小值间差值为58.4 N。可以看出，在本次测量的古琴琴弦中，各套琴弦在调至定弦音高后，由于制作材质的不同，琴弦拉力值具有很大差异。

张力是指琴弦达到定弦音高后自身收缩力的大小。各弦在达到定弦音高后，在保持相对静止的状态下，处于同一直线上的拉力与张力达到平衡，因此，力的大小相同。在琴弦自身张力作用下，琴弦会在古琴岳山及龙龈两个部件上产生向琴面的压力。因此，不同材质琴弦拉力值的差异不仅决定着琴弦自身的振动表现，而且因其施加于古琴琴面的压力不同，会对古琴共鸣体的振动状态产生影响。

3 琴弦延伸率测量

延伸率是指当琴弦达到定音高度后弦线出现的拉伸变形程度。琴弦的延伸会带来直径及拉力同步发生变化，较大的琴弦延伸率会对乐器音高稳定性形成较大影响，在定音及演奏过程中使琴弦拉力、张力、音高逐渐降低。同时，由于琴弦延伸率还会影响到琴弦振动状态，也会在乐器音强、音色等声学特性上带来变化。因此，只有具有合适延伸率的琴弦，才能在振动中产生较为丰富的谐音，利于乐器获得丰满、松弛的主观听感。

按琴弦标准测量要求，测量中首先使用4.9 N的拉力将弦拉直，在压弦点位置按下琴弦并在琴弦上标记出与弦枕、弦马两个部件的接触点，当达到测试弦音高时，测量琴弦上两个标记点之间的伸长量。琴弦延伸率按下式计算：

（公式2）

式中，δ为琴弦延伸率（%），为琴弦伸长量（mm），为有效弦长（mm）。

不同材质琴弦的延伸率计算结果如图5～图7所示。

综合分析以上图表，不同材质各套琴弦的延伸率均呈现随琴弦直径减小而逐渐增大的趋势。3种材质琴弦中，以蚕丝缠弦延伸率最大，特别是C6型号的7弦达到了8%的延伸率，意味着琴弦在达到标准音高D3时，以有效弦长110 cm为标准，琴弦被拉伸了8.8 cm之多，声学稳定性较差；钢丝缠弦琴弦延伸率不大，均在1%以内；在不同型号琴弦中，7弦延伸率最高；在各套钢丝缠弦中，2～7弦延伸率存在一定的规律，如A4～A7共4套琴弦中的5、6弦均能保持一致变化，表现出钢丝缠弦制作材质与机械生产方式在保证琴弦物理特性统一方面的优势；合成纤维弦琴弦延伸率介于蚕丝缠弦与钢丝缠弦之间。

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4 琴弦直径均匀度测量

改变琴弦振动频率可以通过调整有效弦长、琴弦直径、材质密度与增减拉力等多种途径来实现。在有效弦长、拉力、弦线密度均相同的条件下，琴弦振动频率与琴弦直径呈反比关系。琴弦具有良好的直径均匀度可以使其产生良好的振动，从而可以获得稳定的声学特性。此外，由于不同弦段的直径均匀度还会影响琴弦某一弦段的振动频率，因此，琴弦的分段振动也与音高的准确与否有关。为了获得较低的琴弦振动频率，乐器低音弦往往需要较大的直径，同时，为降低琴弦刚性、增加琴弦柔顺性，以便于振动，乐器低音弦多采用缠弦的方式来增加琴弦的直径。古琴的3种材质琴弦均为缠弦，其直径均匀度主要受制作工艺影响。

测量琴弦的直径均匀度，是通过使用千分尺在琴弦有效弦长内取3个测量点上的琴弦直径，以两个极限直径数据的差值来表征琴弦直径均匀度的差异。3种不同材质缠弦的直径均匀度如图8～图10所示。

综合以上3个图表可以看出：不同材质古琴琴弦直径均匀度各有特点，以钢丝缠弦A5、A6及蚕丝缠弦C7最好，这3套琴弦直径差均能保持在0.05 mm以内；以蚕丝缠弦C1最差，最大直径差为0.33 mm；如以琴弦制作材质来区分，总体来看合成纤维缠弦最大直径差在0.1 mm以内，总体最好。因此，钢丝缠弦与蚕丝缠弦直径均匀度视生产厂家与具体型号的不同，琴弦质量参差不齐，与制作材质关系不大，未来在优化产品质量管控后，仍有较大提升空间。

5 结语

本文所涉及的研究仅是对琴弦物理性能的标准测量，所得出的测量结果不能代表各套琴弦的实际音质表现。从此次测量结果来看，总体上3种材质的琴弦在拉力、延伸率、直径均匀度等方面存在着很大差异，这些物理特性上的差异必将形成它们在声学特性上的不同表现。仅就琴弦抗拉强度而言，此次测试的所有琴弦1～7弦均能分别达到C2（65.41 Hz）、D2（73.42 Hz）、

F2（87.31 Hz）、G2（98.0 Hz）、A2（110.0 Hz）、C3（130.81 Hz）、

D3（146.83 Hz）的音高标准，无一断弦。其中，两套蚕丝缠弦在调高纯四度后仍能勉强弹奏，这表明现有蚕丝缠弦虽然在产品性能统一性、持久性方面仍有提升空间，但其备受琴人争议的琴弦抗拉强度已可满足正常使用需求。

测量结果显示，因受到制作材质与加工工艺两方面的影响，由钢丝及合成纤维为主要材质的古琴琴弦，其物理特性稳定性要优于蚕丝缠弦，有利于形成统一的声学特性。另一方面，测试结束后，大多数钢丝缠弦中的4弦～7弦，在缠绕于乐器卷轴的位置都出现了外部尼龙丝脱落和断裂现象，不利于钢丝缠弦长时间保持统一的振动特性，制作工艺有待进一步改良。

大量古代琴书在论及琴弦制法中，常常以大琴弦、中琴弦、小琴弦、袖琴弦等不同的琴弦规格对不同直径的蚕丝缠弦分类。南朝《谢希逸造弦法》中也称，“如琴重厚，宜用细弦。若琴薄怯，即用粗弦。”即依据古琴琴体物理特性与音乐表现需求，选择与之相适应琴弦的传统。因此，当前市场上的多种具有不同物理特性及声学表现的琴弦型号，为满足当今琴人多样化的个性需求提供了丰富选择。

注：本文为新疆维吾尔自治区社会科学基金项目（XJEDU060113B02）的阶段性研究成果。

参考文献：

[1]田泽林. 弦乐器的声学原理（一）[J]. 演艺设备与科技，2006（3）.

[2]今虞琴社. 今虞琴刊[M]. 上海：上海社会科学院出版社，2009年：279.

[3]韩宝强. 音的历程——现代音乐声学导论[M]. 北京：中国文联出版社，2003：177-179.

材料物理性能 篇4

1 金属材料物理性能检测的作用

对于材料来说, 其物理性能都是基本性能, 它虽然不是结构材料主要的技术标准, 但是确实材料的其他性能的立足点。对于功能性的材料, 其物理性能就是它的主要性能, 对于磁性材料其主要性能是磁性, 热电材料的导电性是其主要使用性能, 热工材料的热工材料是主要性能, 弹性材料的主要性能是弹性。

2 影响金属材料的高温热物理性能的主要因素

2.1 冶铁工艺的影响

金属材料要想取得良好的高温物理性能, 应该严格控制好气体含量以及杂质元素, 因此在金属冶炼过程对工艺的要求很高, 要确保合金中的杂质量降到最低, 克服冶金的缺陷。一般情况下, 高温金属在使用的过程中在与应力相垂直的横向截面容易出现裂纹。所以为了增加金属的使用寿命, 在金属冶炼过程中应使柱状晶沿着受力的方向生长, 减少横向的晶界面。

2.2 热处理相关工艺的影响

通常情况下, 采用正火加高温回火来处理珠光体耐热钢;采用固溶强化或者时效的方法来处理奥氏耐热热刚, 使之得到合适的晶粒度, 并能起到改善强化相的效果。

2.3 金属材料化学成分的影响

在一定的温度下, 金属的自扩散激活能会随着熔点的增加而增加, 这就导致自扩散很慢。假如两晶体的结构相同, 但是熔点不同的话, 那么自扩散慢的自扩散激活能大。堆垛层错能越低越容易出现扩散位移, 这就会出现位错不易产生交滑移、攀移以及割阶的现象。所以, 对于合金和耐热刚而言, 想保证高温下能有良好的物理性能, 就应该选用那些自扩散激活能大、熔点高、层错低的金属作为主要的制备材料。

3 试验原理和方法

3.1 ελ的测定:

3.2 试件电阻率的的ρ测定:

3.3 试样膨胀系数的测定:

3.4

3.5 试样导热率K的测定:

4 试验装置与试验

实验的装置使用的改造之后的高温热物理性能综合测试仪, 这种仪器的特别之处就是采用了可动电极, 并能实现在真空密闭环境中采取不同的试样来调节电极之间的距离。测温的窗口是由8块石英玻璃片组合而成, 假如有一块玻璃不慎被金属挥发污染, 能够在不破坏真空环境的条件下换另一块继续测量。试验中需要测量的物理量有:试样被测均温区段的电压降V;试样中的电流强度I;试样上的温度T, 在温度为T时被测温段的长度LT。

试验结果与讨论

根据试验的数据, 采用数据拟合的方式得到

由试验知与对于光谱发射率的影响是相反的, 多以试验在受到两者同时作用时会相互抵消一部分, 由此可知, 对于导热性能比较好的金属材料, 可以采用使用实心棒打小孔, 取代Worthing.A.G提出的薄壁管法测量光谱发射率, 差别不大。

结语

总结上述的试验结果以及相关的数据, 可以知道要想提高金属材料在高温下的相关物理性能, 不单单要考虑影响金属材料高温物理特性的每种可能的因素, 还需要全面进行的研究分析, 取代相关的实验数据, 并利用相关的试验数据就行修正, 充分利用各种手段保证金属的良好的热物理性能。

摘要：研究金属材料的高温物理性能主要是通过分析实验得到的数据, 拟合出相关的经验公式, 并进行适当的推广, 这种方法在金属材料的应力、温度以及化学成分对物理性能影响方面取得了很好的效果。本文主要是通过对一台高温物理性能测试进行改造, 达到进行单次试验就能获得多项的金属物理性能。

关键词：金属材料,高温,性能测试,探析

参考文献

门窗物理性能检测相关规定 篇5

一、样品选取

1、取样原则：

建筑门窗应区分不同品种（如铝合金门窗、塑料门窗、彩钢门窗等）、不同开启型式分别取样，一般按门窗设计计算的最大（最不利）规格选取，并按照工程设计具体要求分别进行各项物理性能检测。

要求一组样品应至少包括三樘试件（同品种同规格）。

2、取样方式：

一般由工程监理单位按有关规定见证取样，以保证样品的检测报告能符合工程验收的相关规定。

样品的安装、镶嵌应符合图纸要求。样品所用材料和安装节点构造应与工程实际保持一致,不得加设任何特殊附件或采取其它特殊措施。

二、送样与收样

委托方送样时应随带样品的技术图纸及检测委托书并明确试件各项性能的具体设计指标值。试验样品的技术图纸应包括立面分格图、横（竖）剖典型节点图、主要型材截面图，统一用A4纸打印。样品技术资料应明确各主要材料的特征描述及生产厂商全称。

有工程设计要求的的门窗请参照相关设计文件填写。

见证人应在图纸和委托书上签字确认。

检测单位需认真检查送检图纸是否符合要求，核对送来的样品与图纸是否一致，核对委托书的填写内容是否齐全并与图纸相符。发现问题应及时提出，要求委托方更正。

送检样品及资料经检测单位检查无误后，即可受理登记，并安排检测日期。

委托方送样时应办理缴费手续，并保存好缴费凭证，以备领取检测报告。

三、检测项目

材料物理性能 篇6

关键词 热改性 ；橡胶木 ；压力蒸汽

中图分类号 S781.7 文献标志码 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2016.11.022

Abstract In order to determine the effects of steam pressure in wood heat-treated process， thermally modified rubber wood in pressurized steam at 155℃/0.4 MPa， 170℃/0.4 MPa and 170℃/0.8 MPa was investigated in the present study. The physical and mechanical properties of heat-treated rubber wood such as color， mass loss， modulus of rupture and modulus of elasticity were conducted. The results show that rubber wood treated in pressurized steam performed similar properties as that in atmospheric steam while the treated temperature was relatively lower than that. As the steam pressure increased to 0.8 MPa， the mechanical properties decreased sharply and mass losses increased significantly， which suggested that a much more severe degradation occurred inside rubber wood in the condition. The research findings indicated that the properties of heat-treated wood were dramatically affected by treating pressure and thermal modification process could be undertaken at lower temperature when the pressure was accordingly increased.

Keywords thermal modification ； rubber wood ； pressurized steam

高温热改性可有效提高炭化处理材的尺寸稳定性，耐腐性，使木材颜色加深，赋予其热带硬木的外观色泽。高温热改性采用物理手段对木材进行处理，与化学改性相比，处理过程更为环保，处理成本不高，便于大规模工业化生产。

根据炭化过程中介质压力状况，木材炭化生产主要有常压工艺和压力工艺2种，常压工艺生产炭化木研究报道较多[1-3]。近年来，有学者开展了压力条件下木材热改性炭化工艺。顾炼百等[4]研究表明，采用0.35 MPa压力条件，分别于185和205℃炭化柞木和樟子松1.5 h，可以更显著改善木材的耐腐性。Ding Tao等[5]采用0.32 MPa压力于200℃热改性马尾松锯材2 h，与常压工艺相比，木材的抗吸湿性和尺寸稳定性更好，处理材的颜色更深，虽然抗弯强度略有减小，但不具有统计学意义上的显著差异。涂登云等[6]研究了常压设备与罐式压力设备炭化水曲柳板材性能变化。结果表明，在180和190℃炭化水曲柳木材2～3 h，当压力由0.1增加到0.2 MPa，木材的干缩系数降低，在相同处理温度和时间条件下，压力增大，木材稳定性提高。杨洁等[7]报道了温度150～200℃的过热蒸汽，压力0.1～0.6 MPa条件下，橡胶木的抽提物可以减少51%。王晓旭[8]发现，压力高温热改性与常压热改性条件相比，马尾松木材内部的升温速率比常压处理快7%～50%，可提高处理效率及炭化木材的整体均匀性。而采用氮气提高设备内部压力热改性欧洲云杉及研发高温高压热处理装置的发明专利也有报道[9-11]。

结合文献报道和前期预实验结果，本文选择了适当的温度、压力开展实验，对压力条件处理的橡胶木热改性材性能进行研究，探讨蒸汽压力条件与蒸汽常压条件的热改性工艺差异及其对热改性材性能的影响，为进一步优化橡胶木热改性工艺提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试材为人工林橡胶树（Hevea brasiliensis），树龄35年，采自中国热带农业科学院试验场5队，品系‘PR107’。取树杆通直、无风害断头的橡胶树1株作为试样，取其离地1.3～2 m的一段原木，径锯法下锯，厚度2.5 cm，低温窑干至含水率12%，窑干工艺为阶段式干燥基准，初期干球温度55℃，末期干球温度80℃。选无黑线、节子的试材，备用。

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1.2 方法

1.2.1 压力热改性

将试材堆垛置入不锈钢热处理罐中，待测试件放置在处理罐中间一层，规格为65 cm×10 cm×2.5 cm，数量5块；并放入橡胶木商品材，规格100 cm×14 cm×2.5 cm，数量5块，每次处理共放入板材10块。设备为2组热源：（1）电加热导热油热源；（2）电加热蒸汽热源。处理开始阶段通入蒸汽0.5 h，排出罐内空气，然后启动导热油炉，升温，通过调节蒸汽发生器蒸汽压力，导热油温度和设备压力控制阀达到试验设定的压力。

試验分3次：（1）155℃、0.4 MPa处理2 h；（2）170℃、0.4 MPa处理2 h；（3）170℃、0.8 MPa处理2 h。木材初含水率、升温速度、降温过程等其它工艺均相同，每次试验周期为5～6 h。

1.2.2 性能检测

（1）质量损失率测定：每个处理条件取5个试件，尺寸为50 mm×50 mm×22 mm（L×T×R），分别测得热改性前后试件的绝干质量，计算其质量损失率。

（2）颜色变化测定：用精密色差仪分别测得不同工艺热改性试件的色度指标，主要分析明度指数L*的变化。

（3）参考国家标准“GB 1936.1-1991木材抗弯强度试验方法”和“GB 1936.2-91木材抗弯弹性模量测定方法”，将热改性材置于室内8个月自然平衡后，制备力学性能试件，试件尺寸为300 mm×20 mm×20 mm（L×T×R），取自树木的边材部分，位于树木年轮大致相同的位置，每组试件10个重复，分别测得对照组与不同工艺热改性材的抗弯强度（modulus of rupture， MOR）和抗弯弹性模量（modulus of elasticity， MOE）。

2 结果与分析

表1为不同压力条件热改性橡胶木的质量损失率和颜色变化。从表1数据可知，与常压热改性处理材的结果类似，经过压力条件热改性后，热改性材的质量减小。在0.4 MPa压强下，170℃处理的质量损失率较155℃处理的试材略有升高，而当压强增加到0.8 MPa时，同样170℃处理2 h，热改性材的质量损失率急剧增加到12.22%，超过同等温度0.4 MPa热改性材的1倍，说明其改性程度大大增加。分析其颜色变化可以发现相似的规律，不同条件处理的热改性材颜色明度值较素材均有所降低，说明其材色均不同程度加深；170℃/0.4 MPa处理的试材与155℃/0.4 MPa处理的试材L*值比较相近；而170℃/0.8 MPa处理的试材L*值显著降低。分析治理损失率和明度数据，3个条件处理的试材之间均存在显著差异，同等压力条件，温度越高，质量损失率越大，颜色越深；同等温度条件，压力越大，质量损失率也越大，颜色也越深。 表2为不同压力条件热改性橡胶木的力学性能。分析其中MOE数据可以看出，0.4 MPa压强下，随着处理温度的升高，热改性材的MOE有所增加，但显著性分析显示，155℃处理的试材与素材间的差异不显著；而170℃/0.8 MPa条件下处理的试材MOE有较为显著的下降。橡胶木热改性材的MOR较素材均出现显著下降，其中0.8 MPa压强下170℃处理的热改性材MOR下降幅度最大，0.4 MPa压强下155和170℃处理的试材MOR下降幅度相对较小，二者间差异不显著。从力学性能分析，0.4 MPa压强下，不同温度处理的试材力学性能不存在显著差异；而保持温度为170℃不变，压强增加到0.8 MPa时，力学强度出现显著降低。

随着压强的增加，热改性橡胶木的质量损失率、颜色变化、抗弯强度损失均增大，说明压强越大，热改性程度越剧烈。其机理可能是由于压强增加，介质的传热效率提高；也可能是由于随着压强增加，木材含水率升高、或介质中有机酸等热降解产物浓度增加，从而加剧催化木材的热降解，最有可能是多种因素共同影响的结果，有待于将来进一步研究验证。

表3为蒸汽压力条件下炭化与蒸汽常压条件炭化橡胶木部分性能比较。芬兰国家技术研究中心（VTT）将热改性木材分为2个等级，以提高木材尺寸稳定性为目的的稳定级别（ThermoWood-S级）和以提高木材耐腐朽性及稳定性的耐久级别（ThermoWood-D级），其中阔叶材S级处理温度推荐185℃，阔叶材D级处理温度推荐200℃，最高温度阶段保持2～3 h，S级推荐用于室内，木材颜色浅，抗弯强度损失小，D级更适合户外不接地场合，木材颜色深，耐久性好，但抗弯强度损失较大。前期研究表明，采用VTT推荐的2个经典温度常压工艺热改性橡胶木，其处理材的质量损失率和颜色的变化是反映橡胶木材炭化程度的重要指标。本实验研究结果表明，采用0.4 MPa，0.8 MPa的压力于155和170℃炭化橡胶木，其木材的颜色、质量损失率、抗弯强度损失与185～215℃处理接近。如155℃/0.4 MPa/2 h炭化橡胶木性能与185℃/常压/3 h处理接近，170℃/0.4 MPa/2 h炭化橡胶木性能与200℃/常压/3 h处理相当，170℃/0.8 MPa/2 h炭化橡胶木性能与215℃/常压/3 h处理接近，即在该压力范围，采用低于VTT推荐的经典处理温度，可达到常压高温度的炭化程度，同时处理时间相应减少。

3 结论与讨论

采用压力蒸汽为传热介质，于155℃/0.4 MPa，170℃/0.4 MPa，170℃/0.8 MPa处理条件热改性橡胶木2 h，测试其各项物理力学性能，结果表明，介质压强对于橡胶木热改性材的性能有着显著影响。在压力条件下，较低温度处理的试材，其性能可以达到或接近常压条件下更高温度热处理材的性能。提高蒸汽压力可以在较低的环境温度下加快橡胶木的热改性过程，实现橡胶木材的高效热改性处理。本实验选择有代表性的温度、压强等处理条件开展研究，对未来制定橡胶木压力热改性工艺有一定借鉴意义。

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顾炼百[4，14]指出，木材压力蒸汽介质热改性，在高温压力蒸汽炭化过程中，木材的终含水率会显著提高。程万里[4]在其专著中建立了高温高压环境木材平衡含水率与相对湿度的关系，根据其回归方程推算，常压185～215℃条件下炭化，木材的平衡含水率要低于1%，可视为接近绝干，则木材要经历含水率从窑干材到绝干再经过调湿到4%～6%过程。压力条件下炭化，温度170℃，压力0.8 MPa时，其木材的平衡含水率超过6%[15]，由此表明，蒸汽压力条件下于155～170℃炭化，可在较高的平衡含水率条件下热改性木材，木材横断面上含水率梯度平缓，减少木材因为干燥失水引起的变形和开裂，同时温度较低时炭化，高效节能，生产成本低。

另外，高压密闭罐体内炭化，木材释放的有机酸和水蒸气得到积累，可能使其作为催化剂加速炭化进程，这亦可能是170℃/0.8 MPa/2 h炭化橡胶木其质量损失超过215℃/常压/3 h处理的原因。谢延军[9]研究表明：在0.2～0.8 MPa条件下，随着介质氮气与水蒸气压强增加，欧洲云杉木材的质量损失率增大；在相同处理温度下，木材本身的含水率越高，达到相同处理效果（相同的失重率）所需要的时间就越短，能节约时间，提高生产效率，但木材的强度也降低较多。虽然压力设备制造成本较高，且安装及生产运行要求高于常压设备，但高压高湿环境热处理，具有木材平衡含水率高，传热快，保护气体不排放而散热少、能耗小，炭化温度可以低于VTT推荐的经典温度范围等特点。蒸汽压力介质炭化是否对易变形和开裂的小叶桉、柳桉等硬杂木和厚方材炭化有一定优势，有待进一步试验研究。

参考文献

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[7] 杨 洁，伊松林. 压力式高温处理对橡胶木苯/醇抽提物含量的影响[C]//第十三届全国木材干燥学术研讨会，2012：339-344.

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材料物理性能 篇7

一、《材料物理性能》课程的特点

该课程的最大特点是内容多, 涉及面广, 不但包括热、光、电、磁、声, 通常也包括力学和功能与转换。将这两部分包括进来是更合理的, 因为力学性能本身就是材料的重要物理性能之一, 只不过因为涉及范围太广, 应用也很广, 发展也比较成熟, 因此通常独立出来, 单独设课, 至于功能与转换则充分体现了热、光、电、磁等的相互联系, 体现了当代学科的交叉发展特性。如果通过采取一定的方法和措施将学生学到的知识融会贯通, 也有助于提高学生将来从事各种材料研究和工作能力, 为学生毕业后的工作和实践打下扎实的理论基础, 并有助于培养学生创造性思维和解决问题的能力, 以满足社会对材料类人才的要求。关于《材料物理性能》的教改文章较多, 但基本都限于讲述该课程的重要性, 强调授课以学生为中心, 强调实验的重要性等[2,3,4,5], 也有一些老师提出了一些独特的教学方法, 如用中文讲课, 用英语做总结[6], 前提是学生必须足够良好的英语水平。但都很少涉及到该门课程的本质, 很少真正地提出“培养学生将该门课程融会贯通”的理念。在国内, 文献[7]采用“基于Venn流程图式的课堂教学模式”探讨了大学课堂授课方式的理念, 提出的横向联系, 融会贯通教学理念, 旨在真正地培养学生学习的主动性及创新性。

二、知识融会贯通的重要性

笔者认为, 学科交叉发展, 融会贯通才是材料物理学教学的真谛, 客观世界事物都具有多面性, 不像课堂上教授的知识, 可以独立来学习。以焊接手机的焊锡为例, 众所周知, 焊锡的导电性能是最基本的性能, 将不同器件焊在一起的目的就是让它们相互导通, 实现信息输送。除了良好的导电性能, 足够的力学性能也是焊锡必须的;另外, 导热性能也是必须考虑的因素, 如果没有良好的导热性能, 则焊点温度容易升高, 减少使用寿命。因此在研发和生产焊锡材料时, 电学、热学和力学性能都必须同时考虑, 缺一不可。在油田建设中, 同样也不仅仅考虑力学问题。如利用套管来固井, 通常采用水泥等材料将套管分段与井壁连接, 通常套管强度越高, 则会导致问题越多。因为材料的强度越高, 延伸率越小, 硬化指数越小, 在相同的温度变化范围内更容易发生缩颈被拉断。因此选择固井材料时, 必须考虑到温度的变化。由以上两例即可知, 专业基础课《材料物理性能》教学中, 不能再像高中物理和大学物理教学那样, 热、光、电、磁、声等独立教学, 必须相互联系起来, 融会贯通, 才能真正培养出具有主动性和创新性的人才。

三、不同物理性能之间的相互联系

事实上, 材料的各种性能, 本身就不是相互独立的。不同的物理性能只不过是同一材料在不同激励下做出的不同反应而已。例如, 施加了拉力, 材料则呈现出力学性能, 通电后则呈现出电学性能, 施加光激励, 则呈现出光学性能。许多科学家已经建立了不同性能之间的定量关系, 如魏德曼-弗兰兹定律, 建立了热学和电学之间的关系:式中:L为常数, 2.443×10-8W·'Ω/K2;λ为热导率, W·m-1/K;σ为电导率, 'Ω-1·m-1;T为温度, K。尽管随着科技的高速发展, 材料越来越复杂, 对于个别材料也许例外, 但对于绝大多数材料来说, 都是满足以上关系式的。另外一些人则建立了力学和热学之间的关系如下式所示:式中:E为弹性模量;Tm为熔点 (K) ;V为比容;k, a, b为常数, 一般a约为1, b约为2。有人甚至将光学性能也与电学和热学联系起来如下式所示:式中:n为介质的折射率;εr为相对介电常数;μr为相对磁导率。可见, 材料各种性能关系很紧密, 甚至存在定量关系, 因此, 在研究材料的过程中, 改善材料的一种性能, 必须考虑到是否影响到其他性能, 是否其他性能超出了应用的最低要求。同时, 也只有掌握各种性能之间的关系, 才有可能将各种性能联系起来, 才可能将知识融会贯通。

四、性能联系的物理本质

材料的物理性能存在联系, 源于材料的微观结构。材料的微观结构决定了宏观物理性能之间存在着必然联系, 通过对其微观结构的理解, 也更容易理解材料物理性能之间联系的本质规律。物质是由原子和分子构成的, 分子和原子的种类及结构不但决定不同材料的性能, 还决定了不同性能之间的关系。如物质原子间的距离通常能够决定材料的力学性能高低, 通常材料的原子间距越大, 材料的弹性模量越小, 理论断裂强度也越小如下式所示:式中:k、m是常数 (m>1) ;E为弹性模量;a为原子间距;σth为理论断裂强度;γ为表面能。材料的原子间距除了受本身属性决定, 还要受到温度的影响。因为温度使得原子运动加剧, 会导致原子间距增加。原子间距的增加, 通常会导致力学性能参数弹性模量下降, 同时也导致材料发生膨胀, 涉及到热学问题。当然, 更大原子间距, 也会影响到的电学性能, 如电阻增加, 同时, 光学性能也受到影响。当然, 材料的性能除了受到本身的原子种类和结构的影响, 还受到缺陷和杂质等的影响, 因此, 在研究材料的性能过程中, 不但必须具有丰富的理论知识, 还要求具有丰富的实践经验。

五、基于Venn流程图式的课堂教学模式在《材料物理性能》教学中应用

基于Venn流程图式的课堂教学模式是一种有效加强纵横联系, 融会贯通的教学方法, 该教学改革团队的老师采用基于Venn流程图式的课堂教学模式, 取得了良好的教学效果[7], 采用Venn流程图式的授课方式, 针对目前大学教育的现状, 让授课教师对知识体系和知识结构具有更高程度的凝练和总结, 以一种更富逻辑性的方式将知识内容展现出来。众所周知, 在当前高等教育模式之下, 大学教师的授课科目数量较少, 一至两门课往往讲授很多年。在这种教学相长的授课方式下, 教师对学科、专业和教材等方面的知识体系非常熟稔, 对与课程相关的基础知识、知识体系和授课内容的讲授把握较好。在这种背景之下, 加强对知识体系和知识结构的纵横联系和融会贯通, 就变得非常有必要。《材料物理性能》是一门对数理及应用知识综合要求较高的课程, 在授课过程中, 教师往往涉及较多的知识体系和内容, 涉及热、光、电、磁等。可借鉴的一种方法是, 授课教师采用Venn流程图为主线, 穿针引线, 以一种富有逻辑关系的方式, 将授课中的重点与难点关联起来, 实现知识体系的纵横联系和融会贯通, 增强学生对知识的理解和掌握能力同时, 这种授课方式还可以进一步激发学生的学习兴趣, 让师生间的互动变得轻松有趣, 利于知识的发散性拓展。

六、结束语

学生只有将所学到知识融会贯通, 才可能具有自主学习能力和创新能力, 才能将他们培养成为具有理论联系实际, 具有分析问题和解决问题能力的当代大学生, 才有利于培养学生的创新思维, 培养学生的创新意识。从而激发学生的创新意识和独立思考能力, 从根本上提高课程课堂的教学效果。需要说明的是, 笔者能够在教学中实现该理念, 且取得了良好的教学效果, 可能与学生在学习该门课程之前, 已经学习了《量子力学》和《固体物理》两门课程。对于没有预先学习过该两本课程的学校, 必须为该课程设置更多的课时, 否则纵横联系, 融会贯通这一教学新理念教学效果会大打折扣。

摘要：材料物理性能是以物理理论基础与材料性能相结合为主的一门课程, 目的是培养学生既具备扎实的材料物理学基础知识, 又能熟练掌握物理性能的研究和实验技能。本文提出的纵横联系, 融会贯通教学新理念, 基于材料学、物理学以及结晶学等方面的内容, 采用层层推进及Venn流程图的方式, 将材料的力、热、光、电、磁等知识相互联系起来, 旨在真正的培养学生学习的主动性及创新性。

关键词：材料物理性能,教学新理念,主动性,创新性

参考文献

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材料物理性能 篇8

关键词：项目驱动,材料物理性能,课程改革,实践,探索

目前,高等教育课程结构和理论体系的强调重点是实践教学,它对理论教学成果的巩固以及对学生开拓、创新能力的培养方面都起到决定性的作用。《材料物理性能》课程是材料系功能材料专业的核心课程之一,对实践环节的教学要求很高。目前,材料系各个专业在人才培养方案中设置了多门与材料物理性能相关的课程和实践环节,目标是培养基础扎实、工程实践能力强、具有较强的竞争力和可持续发展能力的应用型高级工程技术专门人才。

一、目前教学中存在的问题

(一)教师是教学的主体

在教学中,教师依然处于传统教学主导、主体地位,以语言、教具和板书等向学生讲解知识,学生依然处于被动的地位,他们只能被动地去学习知识。

(二)教学缺乏实践性

教学内容偏向理论,实验比例很少,忽略了以实践为背景的知识讲授。在这种情况下,学生缺乏对实际项目的主动学习和真正理解,也导致学生在将来面对实际项目时茫然不知所措。

(三)实验课程安排不够

实验课的学时比较少,学生人数多,学生只能分批进行实验,因此每个学生真正做实验的时间不到半天,学生仅能完成一些相关知识的验证,使得学生缺乏对项目真正的理解和掌握。

(四)考核体系不完善

实践考核和理论考核组成了课程考核,虽然以试卷测试展开的理论考核较为公平,但对于实践考核的测试却很难进行,只能给出印象分数,而且只要到场不管实验做的好坏一般都能通过,因此就使得学生重理论而轻实践。

(五)学生实践能力薄弱

由于学生实践能力薄弱,因而在材料改性和工艺设计中会存在诸多问题。一些对仪器要求较高的性能测试只能以PPT的形式对学生进行讲解,学生只能了解一些基本原理,缺乏动手操作过程。课程结束之后,很多学生连仪器的基本构造、功能都不清楚。

二、项目驱动法的提出

项目驱动教学法,也被称为项目驱动法或项目教学法,是指教师和学生共同参与实施一个完整的课题或者项目工作而开展的教学活动。具体来说,应满足以下条件:(1)这个项目工作具有应用价值,在这个项目工作过程中学生可以用来学习一定的理论知识。(2)可以将实际技能与某个课题的相关理论知识结合起来。(3)学生可以单独制定计划,单独进行学习,他们可以在一定的时间内独自安排自己的学习。(4)项目工作本身就具有难度,它要求学生结合新的理论知识和技能,来对实际遇到的新问题进行解决。在项目实践过程中,每个学生都能够参与到实践中去,在此过程中对完成项目的过程更为关注。学生在此过程中,不仅收获了新的知识、技能,还体会了学习的乐趣和艰辛,同时也提高了学生解决和分析问题的能力。

三、教学模式的设计

项目的设计、评估、选取和开展四个方面组成了项目驱动法教学模式的设计。首先,要根据教学内容来选取合适的项目,并结合用人单位对人才各方面素质的需求,让现实对象作为材料,其中既要注重学生自身的特点,也要包含所学教学内容的知识点,尽量将项目教学设计成趣味十足且实用的教学,充分调动起学生学习的兴趣,让学生乐于学习且爱上学习;其次,项目的设计要有明确的目标,要求教师在学习总体目标的框架上,将学习内容细化成一个个较为容易掌握的知识点,让这些知识点来体现总的学习目标。不仅如此,要掌握学生的身心发展特点及学习情况,有针对性地组织教学。此外,对知识点的含量、项目大小等因素的考虑是在项目设计时所要考虑的问题,以项目展开的形式引入教学知识点,从而进行项目教学;再次,由项目分析说明、分组实践操作、组织教学、结合项目讲授相关理论知识、课后独立完成任务五个方面组成了项目开展;最后,项目的评估对学生在活动中的能力发展过程较为关注,其中评估的内容由学生在活动中的作业质量和在各个环节中的表现组成。作为教师,要根据评估标准要求,公正、客观地对学生的学习效果进行评价。同时,对于学生在评估考核中出现的问题予以指出并给出解决方案,让学生的能力得到有效提升。

四、项目驱动法的研究内容

(一)项目的选取

结合《材料物理性能》课程的教学内容、任务、教学要求,结合用人单位对人才各方面素质的需求来选择项目。例如,在教学内容中关于“材料的电学性能”部分,我们可以选取“铁酸铋薄膜的电性能研究”作为研究项目。通过对项目驱动内容的学习,我们的学生不仅对教材中材料电学性能的知识进行了学习,还掌握一些从没接触过的新技术、新知识,例如铁酸铋薄膜的制备、电性能的测量、形貌的表征等。对于项目的选取可以让学生和教师共同参与。同时,教师要注重对学生周边素材的启发,选择的工程项目要难度适中。

(二)项目的设计

以“铁酸铋薄膜的电性能研究”项目为例,在设计时,把项目的内容细化为:a.溶胶凝胶法制备铁酸铋薄膜;b.厚度对薄膜性能的影响;c.温度对性能的影响;d.杂质浓度对性能的影响。通过这些小的项目来体现总的学习目标,以布置项目的方式引入有关概念,例如薄膜的概念、杂质的概念、薄膜制备方法等,以此展开教学内容。以“布置项目→介绍完成项目的方法→归纳结论”的顺序引入与之相关的概念,对教学内容展开教学、学习。这样,学生不但掌握了影响材料电学性能的因素、材料的一些基本制备方法,也掌握了其他相关概念和测试方法。

(三)项目的实施

在课前要将学生分成若干小组,结合组内各成员和每个项目的特点选出组长。项目分析说明阶段主要对课题各个分项目的意义和项目的难点、重点、内容进行说明,对学生的兴趣予以激发。要结合项目讲授相关知识,然后教师可以成功演示一次分项目的实施过程,对学习优秀的学生教师可以不演示,以培养他们的自学能力,增强他们的自信心。例如在制备阶段,可以将学生分为:a.溶胶凝胶法制备铁酸铋薄膜;b.溶胶凝胶法制备铁酸铋陶瓷;c.磁控溅射法制备铁酸铋薄膜;d.溶胶凝胶法制备铁酸铋粉末。在薄膜电性能的测量阶段,可以将学生分为:a.铁电性能的测量;b.导电性能的测量;c压电性的测量;d.热电性的测量。在学生完成分项目后,教师要从项目驱动的角度着手总结,在小组实践环节,学生在教师指导下,教师与学生之间、学生与学生之间通力合作,以优生带学困生的方式提高学生整体的实践能力,对学生的学习兴趣进行有效激发。这样,学生不但掌握了薄膜制备的各种方法,掌握了影响电性能的因素,也了解了多种“电性能”的概念。在项目实施过程中,要以学生为主体来开展工作,充分发挥学生的主动性和积极性,要将在实施过程中遇到的问题进行分析、解决,积极培养学生的创新和实践能力。同时,以严谨的科学态度和以实践为基础的实践精神来对项目实施过程中团结协作、自主学习和组织实施能力进行提高。

(四)项目的评价

作为教师,要依据项目形式所设置的评估标准来对学生的学习效果进行公正、客观的评价。在项目完成过程中,学生可能遇到这样或者那样的问题,这就需要教师给出相应的指导建议或解决方案,同时让学生在评估中提升各项能力。在评估方法方面,教师要对学生是否达到项目要求来予以评价。同时,也要重视学生对项目的完成程度是否取得了进步,这样对学生的创新能力、职业能力和实践能力也进行了有效培养。如,在项目的实施过程中,对同样方法制备的铁酸铋薄膜,为什么不同小组得到的电学性能不一样呢?虽然学生达到项目的目标要求,但是这时可以启发学生去思考问题所在,影响薄膜性能的因素有哪些呢?是否可以通过改变制备参数(例如改变制备时的氧气、温度、厚度、浓度、掺杂量等)对材料进行改性?让学生再次完成一个项目的综合设计,即从材料的制备、参数的设置、性能的表征测试、分析,材料改性研究。使实验训练与科学研究相结合,让学生的设计思路和多项思维得到启发,让学生的主观能动性得到充分发挥,有效地将学生的创新欲望和创造灵感激发出来。

总的来说,通过本项目的实施,学生对《材料物理性能》课程的相关概念能够很好地掌握,这不仅让学生对学习产生了浓厚的兴趣,还让学生明确了学习的目标,让学生的学习不再盲目。这样不仅对学生的学习效果进行了提高,还提高了教学质量,并且对学生发现、分析、解决问题的能力得到了有力锻炼,同时也锻炼了学生的科学研究能力和适应实际工作的能力,为学生未来的就业打下了坚实的基础。

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材料物理性能 篇9

关键词：复合材料,微观组成,物理性能

用SiC、Al 2种材料可以制备成用作结构件的复合材料, 复合的目的是要使复合材料具有优于铝基体的强度、刚度及优于SiC增强相的韧性。

SiC/Al复合材料具有介于陶瓷与金属之间的机械性能。此复合材料具有以下3个特点:1) 由SiC颗粒增强体与铝基体两种不同性能的材料组元通过宏观复合形成的一种新型材料, SiC与Al之间存在着明显的界面;2) SiC与铝保持各自的固有特性且可最大限度发挥两种组元的特性, 赋予最终复合材料优良的工程性能;3) 性能具有可设计性[1]。

本文通过观测实验制备的SiC/Al复合材料的界面微观组成和结构, 简单分析了其对复合材料物理性能的影响。

1SiC/Al复合材料的制备

实验采用无压渗透方法制备SiC/Al复合材料, 图1为其相应制备工艺流程:

1.1实验所需主要材料

1.1.1 碳化硅粉

所用的碳化硅粉属六方系a-SiC, 非常坚硬, 呈墨绿色, 有很高的强度和热导率, 它的耐磨和抗腐蚀能力强。在高温时碳化硅会受到氧化物或熔融金属的侵蚀, 且碳化硅颗粒不溶于水。将大部分SiC预制体经过1 000 ℃的高温处理将其表面预氧化处理;同时在实验前要对碳化硅粉进行酸碱清洗。

1.1.2 成型剂 (粘结剂)

采用聚乙烯醇为成型剂, 是由聚乙烯醇加定量的水在95 ℃下配置的无色透明粘状的液体。它是一种由许多链节连接成的蜷曲而不规则的线型结构的高分子化合物。它的分子在水溶液中生成水化膜, 吸附在粉体的表面因而使松散的瘠性粒子粘结在一起, 提高了生坯的强度;又由于水化膜的存在赋予它流动性, 使其具有润滑模壁的作用, 而且使坯料具有了可塑性。

1.1.3 镁铝合金

选用镁铝合金做为金属基体, 先将金属通过融化分成小块, 并将冷却后的金属表面的氧化物用细砂纸打磨, 并用酒精清洗, 防止在渗透时带入杂质。在使用前应除去氧化层。

1.1.4 润滑剂

混料时, 选用硬脂酸锌为润滑剂。

1.2混料

混料是指将2种或2种以上的不同成分的粉末混合均匀的过程。混料的方法有干混和湿混2种。本实验采用干混法来制备混料。特别注意的是混合后粉体湿度不能太大, 否则混合粉凝结成大的凝块, 不利在压制成型时的装料以及在脱模时容易掉角、破裂等;但也不能太干, 否则容易使颗粒间连接力小, 造成坯体的强度不够。

1.3SiC坯体的制备

成型是将粉末变成一定形状尺寸和强度的胚体的工艺过程。实验采用粉末压制成型的方法。该方法工艺简单、周期短、效率高。此外, 还具有胚体强度大、尺寸精确、收缩小、机械强度高等优点。压制成型的实质是在外力的作用下, 颗粒在模具内相互靠近, 并借内摩擦力及由于颗粒形状不规则而产生的机械啮合力牢固地把各颗粒联系起来, 保持一定的形状。

1.4SiC坯体的烧结

烧结是指一种或多种固体粉末在成型后, 加热到一定温度后便开始收缩, 在低于熔点温度下即变成致密的坚硬的烧结体的过程。烧结过程中 , 发生了一系列的物理化学变化, 从而获得具有所需物理机械性能的制品。烧结过程中碳化硅颗粒氧化为二氧化硅晶体进行桥连接。由于二氧化硅的熔点要低于碳化硅, 容易形成低温玻璃相, 从而促进烧结。合理选择烧结制度可以使烧结后材料具有较优的结构和性能, 满足实验或生产的需要, 并能节约能源、提高效率。

1.5SiC/Al复合材料的制备

实验是在950 ℃的温度下进行无压渗透的, 由于实验初步的选择是利用物理润湿 (物理润湿是通过镁粉和SiC粉充分的混合后在铝液中由于镁粉很易燃烧便与自己周围的空气中的氧气反应致使产生压差导致铝液的吸入这种渗透时间短渗透快) 和化学润湿 (化学润湿则在本实验中通过把镁片按一定的高度叠放在试管的口上通过镁与氧的反应进行, 反应进行了一些铝液就吸入一些这种渗透反应随化学润湿的速度快慢而进行渗透通常这种渗透反应时间长速度慢) 2种润湿原理进行反应[2], 本实验中也正是基于这种原理而进行, 所以实验中我们采用了多种方案。根据镁制品的不同 (主要是颗粒与条状) 与SiC粉进行混合。本实验采用的实验装置及其布置见图2:

图2中各装置名称及其作用:

1为N2瓶 (工业用) , 作为N2源提供氮气;

2为压力表, 测量N2流出的压力并对N2流量进行一级控制;

3为缓冲瓶, 用以缓冲N2流量;

4为控制阀, 用以对从缓冲瓶中流出的N2进行二级控制;

5为Al2O3瓷管, 作为制备发生器;

6为管式炉, 作为加热热源;

7为舟, 用以放置SiC增强体及铝合余试条, 作浸渗模具;

8为热电偶, 测量炉内温度;

9为尾气瓶, 防止空气进入Al2O3瓷管, 用以油封;

10为测温仪表, 用以指示温度;

11为导线。

2实验数据分析

2.1Si原料粉的粒度分析

由于实验所制备的复合材料为粗细双颗粒增强的铝基复合材料, 其预制型增强体中的颗粒是粗细2种颗粒混合, 那么颗粒的混合均匀情况, 对复合材料的最终制备结果将会有很大影响。合金液在不同直径的浸渗孔隙中其浸渗速度等都是不一样的, 而在预制型的制备中, 细颗粒由于大的表面能往往容易团聚, 那么按照理论分析, 在颗粒聚集处合金液将较难浸渗。颗粒分布不均匀使得材料中缺陷增多, 这些缺陷存在于细颗粒团聚处。粗细两种颗粒混合时, 合金液在粗细两种颗粒间的浸渗机理是不一样的, 细颗粒的聚集体往往是被包围着的合金液浸渗的, 颗粒分布不均匀意味着细颗粒将以较大的体积团聚, 这样细颗粒团聚体将难以被完全浸渗满, 所以说复合材料中的缺陷会明显的增多。

由图3可以看出颗粒粒度集中在8～20 μm之间, 分布均匀, 颗粒不会以较大的体积团聚, 易于被完全浸渗满, 复合材料的缺陷会比较少。

2.2SiC坯体的表征

2.2.1 XRD分析

每种晶态物质都有其特有的结构, 因而也就有其独特的X射线衍射图样。当试样中包含2种或2种以上的结晶物质时, 它们的衍射花样将同时出现, 而不会互相干涉。于是, 当我们在待分析试样的衍射花样中发现了和某种结晶物质相同的衍射花样时, 就可断定试样中包含着这种结晶物质。这就是用X射线进行物相分析的理论依据。实验中, 我们将试样在D/max-rB型x-ray型衍射仪上做X射线衍射, 得出了每个试样得X射线衍射花样, 然后在PDF卡片上查出了每个衍射花样对应物质[3]。实验中的SiC样品的X-Ray分析图谱如图4所示。

根据图4可知在高温下SiC表面会发生氧化, 在SiC的表面会生成一层SiO2, 反应方程式如下

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2.2.2 SiC粉体金相图

SiC颗粒与铝液的润湿性差, 其表面吸附的气体将与颗粒一起进入熔体, 特别是表面吸附水汽和其他氧化性气体会加剧颗粒的团聚倾向, 使SiC颗粒形成孔隙。在加入同样体积的情况下, SiC颗粒越小, 比表面积越大, 吸附的气体越多, 孔隙率越高。对SiC颗粒进行高温烧结, 可以增加表面SiO2氧化膜与含Mg铝液的界面反应, 还可以形成抑制SiC/Al间有害界面反应的阻挡层, 从而进一步缩小SiC颗粒的孔隙率。

由图5可以清晰的看到坯体中的SiC颗粒之间存在着非常明显的SiO2烧结颈, 如图5中箭头所示。烧结的时候, 相邻颗粒互相接触, 由于颗粒的表面能非常大, 为了降低体系的能量, 有减少颗粒表面积的趋势。通过扩散, 形成烧结颈。烧结颈的存在表明SiC颗粒是通过颗粒的接触扩散连接在一起, 从而使坯体具有一定的强度。图3颗粒的烧结颈处中看不到黑洞。而颗粒旁边的黑洞就是烧结过后留下的孔洞, 由于坯体不是致密体, 在压制的时候必然会存在一定的气体以及成型剂, 烧结的过程中, 气体和成型剂挥发了出去, 所以在坯体中留下了孔洞。孔洞的形态及孔洞是不是连通的, 对后期渗透具有重要的意义。如果预制件在烧结的过程中出现了大量的闭孔, 而闭孔难以被金属渗透, 那么这种烧结工艺是不可取的[4]。

2.3SiC/Al复合材料的表征

2.3.1 金相图谱

在玻璃板上把制样放在SiC粉上研磨, 然后在抛光机上进行抛光, 最后在金相显微镜下观察。无压渗透法制备的SiC/Al复合材料金相组织如图6所示。由图6可见, 复合材料SiC增强颗粒分布均匀, 复合材料组织致密, 不存在微小的孔洞和明显的缺陷。SiC颗粒为暗灰色, 形状为多边形, 带有一定的棱角, 基体铝合金为白色, 呈连续分布;SiC颗粒在铝基体中分布均匀, 无颗粒团聚现象, 渗入完全。

2.3.2 XRD分析

在SiC和镁铝合金间存在连续、致密的过渡层。过渡层厚度均匀, 约为0.3～0.5 μm。SiC/Al复合材料的X-Ray分析表明, 除了原本存在的铝基体和SiC坯体及其表面的SiO2外, 出现了Mg2Si和MgAl2O4, 没有发现有害的Al4C3相的存在。由于Mg2Si的熔点只有934 ℃, 低于熔渗温度;很可能是液态铝合金冷却过程中形成的, 其形核、长大的地点不一定在SiC-Al分界面处。而MgAl2O4是铝液中的Mg、Al和SiC表面的SiO2发生界面反应的产物, 且是热稳定的, 能很好地存在SiC粉体表面。反应产物MgAl2O4和SiC粉体原本存在的SiO2膜一起构成连续的保护屏障, 保护内部的SiC不被铝合金液所接触和浸蚀。前期研究表明, 在渗透前沿的SiC表面形成的MgAl2O4能很好地被铝液润湿, 促使铝液渗入SiC坯体的孔隙。

2.3.3 膨胀系数

SiC/Al复合材料是由均匀、弥散分布的增强相SiC颗粒和基体连续相Al合金组成, SiC颗粒的热膨胀系数约为基体Al合金的114倍。温度升高时, SiC颗粒和基体Al合金的热膨胀效应互相制约, 最终导致复合材料中出现内应力, 从而引起膨胀系数的变化[5]。

测得的SiC/Al复合材料热膨胀系数与温度关系如图8所示, 可以看出SiC/Al复合材料热膨胀系数与温度成正比, 它随着温度的升高而变大。在40 ℃, 80 ℃, 120 ℃, 160 ℃, 200 ℃时, SiC/Al复合材料热膨胀系数分别是5.6×10-6 K-1, 6.1×10-6 K-1, 7.5×10-6 K-1, 8.8×10-6 K-1, 9.3×10-6 K-1。因为从熔渗温度冷却的过程中, SiC与Al的热膨胀系数差异导致复合材料内部产生很大的应力, 而折中应力在进一步的升温过程中会释放, 有利于热膨胀系数的增加。

2.3.4 力学性能

通过查阅相关资料[6]了解到SiC/Al复合材料经过退火处理后, 材料的硬度、弯曲强度有所下降, 但复合材料的弹性模量变化不大。这是因为弹性模量主要取决于材料自身的性质, 热处理对它的影响较小。

由于弹性模量对材料的组织不敏感, SiC/Al复合材料的弹性模量随着SiC含量的增加而增大。随着SiC含量增加, 复合材料中有效承载体增多, 有利于材料强度的提高, 但是, 材料的脆性也增大。同时, 在较高SiC含量的复合材料中, 所用的颗粒尺寸较大, 易于在低应力下断裂, 从而影响材料的强度。

4结论

a.选取的原料颗料分布较均匀, 使得复合材料结构缺陷程度与标准件较为接近。如果颗粒分布不均匀意味着细颗粒将以较大的体积

团聚, 这样细颗粒团聚体将难以被完全浸渗满, 因此复合材料中的缺陷会明显的增多。

b.在预制件的高温氧化过程中, 颗粒表面由于氧化而生成熔融态的SiO2, 正是这些氧化层将SiC颗粒连接在了一起使坯体具有了一定的强度;同时SiC颗粒之间生成明显的SiO2烧结颈, 增加了与含Mg铝液的界面反应, 还可以形成抑制SiC/Al间有害界面反应的阻挡层, 从而进一步缩小复合材料的孔隙率。

c.颗粒均匀分布的微观组织有利于复合材料在承载时缓和应力集中, 利于载荷传递, 提高材料的力学性能;同时, 复合材料的强度受到颗粒体积分数, 大小, 缺陷含量等因素的共同制约。

d.复合材料的热膨胀系数除随增强体体积分数的改变而发生变化外, 增强体的种类、尺寸、形状等因素也将制约复合材料的热膨胀行为;测得的SiC/Al复合材料热膨胀系数与温度成正比, 它随着温度的升高而变大。

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材料物理性能 篇10

3 纤维水泥板-泡沫混凝土复合自保温墙体温度场模拟

3.1 墙体温度场计算模型

设墙体材料均匀连续,各层之间紧密连接,不存在层间热阻,且忽略墙体沿长度及高度方向的温度变化,仅模拟沿墙体厚度方向温度变化。沿墙厚方向任意点处温度满足以下关系:

式中:λ——材料导热系数;

c——比热容;

t——时间;

ρ——材料密度。

对墙体厚度方向不同时刻温度场的求解就是在一定的墙体边界条件下对上述热传导方程进行求解。外界环境对边界条件的影响有两个方面:一是空气对流换热,包括内表面与室内环境换热及外表面与室外大气换热;另一个是辐射受热,主要是外表面受到的太阳辐射。对流换热是流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递。

由于室内与墙体内表面之间、墙体各层材料之间辐射作用较弱,内表面节点处的热流量可认为就是室内空气的对流换热:

式中:Tin(t)———室内空气温度;

βin———墙体内表面与室内空气的对流换热系数;

Tl(t)———墙体内表面温度。

参照GB 501762—93《民用建筑热工设计规范》,取βin=8.7 W/(m2·℃)。相对于外界大气温度,室内温度在一天内处于一个相对恒定的状态,为了简化计算,根据四个季节的气温不同,各取一个典型室内温度,在计算过程中室温恒定不变。春、夏、秋、冬分别取室内温度为23、25、23、20℃。

与内表面节点处类似,在外表面节点处由室外空气对流引起的对流换热可表示为:

式中:Tout(t)———室内空气温度;

βout———墙体内表面与室内空气的对流换热系数;

Tn(t)———墙体外表面节点处温度。

GB 501762—93规定,βout与墙体外表面空气流动速度Ve有关,为便于比较,将春夏秋冬四个季节的βout值分别取21、19、21、23 W/(m2·℃)。而影响外界大气温度的因素较多且复杂,昼夜更替、季节变化、雨雪阴晴,都会对大气温度产生较大影响。

假设气温在一天内随时间呈正弦变化:

式中:Ta——室外气温;

Tmax、Tmin——分别为一天内的最高、最低温度,对于春夏秋冬四个季节,最高温分别取25.3、39.0、26.5、1.5℃,最低温分别取4.4、23.0、9.7、-11.5℃。

在墙体外表面,除了对流换热,太阳辐射是影响墙体温度场一项非常重要的外部因素,太阳辐射引发的热流为:

式中:qr———太阳辐射在外表面产生的热流;

αs———墙体外表面太阳辐射吸收率;

IZ——太阳总辐射照度,具体的计算方法参照GB501762—93。

建立了以上温度场计算模型,将墙体连续点进行离散化处理,利用有限差分法对式(1)进行求解[9],即可得到一个计算周期(24 h)中墙体内任意点任意时刻的温度值。根据计算结果,得到墙体内表面在24 h内随时间变化的温度值T1,t=0,T1,t=Δt,T1,t=2Δt,……,T1,t=24 h,利用式(2)可以计算得到室内环境与墙体间的热量交换值:

进而得到:

式中:Eex——24 h内在室内温度Tin恒定时,室内环境与单位面积墙体热量交换值总和,kJ/(m2·d)。当Eex为正值时,表示室内向室外散发热量;Eex为负表示室外向室内输入热量。该值可以用于评价不同外墙的节能特性。

3.2 计算参数

纤维水泥板-泡沫混凝土复合墙体中各材料的热物理参数如表3所示。为了与现有保温形式对比,另外还选取了一种实际工程中较为常用、具有良好保温特性的保温墙体———胶粉聚苯颗粒贴砌聚苯板外墙外保温墙体[10]进行对比,其各项热物理参数列于表4,总厚度为297 mm。

3.3 计算结果分析

根据文献[9]可知,建筑在不同季节、不同朝向的墙体,由于外界大气温度与太阳辐射强度、辐射入射角度不同,表面温度有非常大的差异。夏季各向墙体中,西墙表面温度的峰值最高,温度波动也最大;冬季各向墙体中,北墙受太阳辐射产热较少,表面温度峰值最低。为了对比墙体在最不利环境下的保温节能特性,选定夏季西墙、冬季北墙为计算对象,通过变化纤维水泥板-泡沫混凝土自保温复合墙体中泡沫混凝土层的厚度,得到0.5K、0.7K、1K 3个等级复合墙体Eex值随内芯层泡沫混凝土厚度变化的关系曲线,如图14所示,其中虚线为粘砌聚苯板外墙外保温墙体相对应的Eex值。

由图14可以看出:(1)随着泡沫混凝土层厚度的增加,各等级墙体节能性能的提升非常明显。当层厚从90 mm增加至360 mm后,0.5K、0.7K与1K等级的Eex值绝对值分别降低至原来的29%、31%、33%。而泡沫混凝土的密度对复合墙体的保温性能影响也很明显,并且这种影响随着内芯层厚度的增加而不断增大。当内芯层厚度同为90 mm时,0.5K与0.7K等级复合墙体的Eex值分别为1K等级的57%与81%;当内芯层增加到360 mm时,Eex分别降至51%与76%。(2)在保证相同节能性能的前提下,相比于297 mm厚度的贴聚苯板外保温涂料饰面墙体,0.5K、0.7K与1K 3个密度等级的内芯层厚度分别为220、333、450 mm(夏季)和212、320、437 mm(冬季)。(3)考虑到左右侧板的厚度,采用此种纤维水泥板-泡沫混凝土自保温形式墙体,要达到贴聚苯板外保温墙体的保温节能功效,0.5K、0.7K与1K 3个密度等级墙体总厚度应分别为240 mm、350 mm与470 mm。

使用240 mm厚0.5K等级复合墙体(内层厚220 mm)作为夏季南墙与冬季北墙进行墙体温度场计算,得到24 h内墙体各层温度随时间变化的曲线如图15所示,其中T1、T4为墙体内、外表面温度,T2、T3分别为泡沫混凝土与内外两侧纤维板材的连接界面温度。

由图15可知,由于板材厚度较小且材料导热系数较大,左右两侧的纤维增强板材对温度的传导基本没有阻碍作用,220 mm厚泡沫混凝土层承担了所有的阻热作用,其内外两侧温度基本等于墙体内外两侧温度,即T1≈T2、T3≈T4。对于夏季西墙,泡沫混凝土外侧温度在24 h内变化范围为23.2～57.3℃,内侧温度维持在25.0～26.6℃;对于冬季北墙,其外侧温度变化范围为-10.6～3.3℃,内侧维持在18.2～18.9℃。

图16为贴聚苯板外保温涂料饰面做法夏季南墙、冬季北墙24 h内的温度场计算结果,其中T1、T9为墙体内、外表面温度,T4、T5、T6、T7依次为内层保温浆料、聚苯板层、外层保温浆料3层相邻材料4个界面上的温度。

从图16可以看出,上述3层保温层承担了墙体大部分的阻热作用,即温度从T4～T7变化较大,而T1≈T4、T7≈T9。但是3个保温层温度变化规律不尽相同:对于内层保温浆料(15 mm厚),其两侧温差保持在5℃以内,且两侧界面上的温度波动均较小;对于聚苯板层(60 mm厚),内侧温度24 h内波动较小,但外侧温度变化在夏季为23.4～54.7℃,冬季为-8.5～4.4℃,两侧温差较大,可达25℃;对于外保温浆料层(10 mm厚),两侧温差保持在4℃以内,但整体温度在1天内的温差非常大,在夏季与冬季分别约为30℃、13℃。由此结果可以推测,聚苯板层和外保温浆料层将因温度剧烈变化而产生较大的自身缩胀及层间错动变形,进而可能产生表层与保温层间的脱落、开裂等现象。

图17为当夏季西墙、冬季南墙中墙体内外表面温差最大时,2种保温形式的墙体沿厚度方向的温度分布图。

从图17可以看出,在保温性能相同的情况下,贴聚苯板外保温墙体温度变化主要集中在205～290 mm的厚度范围内;与之相比,纤维板材-泡沫混凝土自保温墙体的温度变化主要在10～230 mm的厚度范围内。另外,由于纤维增强板材具有抗开裂、抗冲击破坏的良好力学特性,并且挤压脱水成型工艺使得板材表面气泡及缺陷较少、可达到青砖的装饰效果,其复合在墙体表面后,在强化表面力学性能的同时也省去了抹面、装饰等墙体表面二次施工工序。同时,该墙体还从根本上解决了现有常用聚苯板保温材料防火性差的问题。因而,纤维增强板材-泡沫混凝土复合墙体材料与现有的有机材料保温形式相比具有诸多优点,有良好的工程应用前景。

4 结论

(1)泡沫混凝土干密度是其强度的主要控制因素。1K密度等级的7 d抗压强度可以达到9 MPa,弹性模量约为1GPa;0.7K等级抗压强度降至3 MPa,弹性模量为0.6 GPa;0.5K等级抗压强度为1 MPa,弹性模量为0.2 GPa;

(2)纤维的掺入对泡沫混凝土抗压性能有明显影响,纤维的掺入可提高抗压峰值荷载之后的承载能力,但对抗压强度值影响不大;

(3)纤维的掺入对泡沫混凝土抗弯性能的改善效果显著。掺加纤维后,3个等级泡沫混凝土的抗弯强度分别提高了87.50%、180%和300%;

(4)PP纤维和PVA纤维对泡沫混凝土抗弯性能的改善效果类似;

(5)1K、0.7K、0.5K 3个等级纤维水泥板-泡沫混凝土复合块体28 d抗压强度可分别达到26、17和11 MPa,相对于泡沫混凝土材料,抗压强度分别提高了2倍、5倍、10倍;

(6)在养护28 d后,1K、0.7K、0.5K等级复合块体抗弯强度分别为5.5 MPa、3.5 MPa和2.3 MPa,分别是相应等级纤维增强泡沫混凝土材料的3.9倍、5.0倍、5.8倍;

(7)以室内环境与墙体换热能量总值作为指标评判,要达到本文举例参比的297 mm厚粘贴聚苯板外保温涂料饰面墙体的保温节能功效,1K、0.7K与0.5K 3个等级复合墙体总厚度应分别为470、350和240 mm。

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PC钢棒材料成分与性能 篇11

试验

PC钢棒不同成分含量方案。

方案1：Si和Mn方案。代表钢种30MnSi、30Si2Mn、35Si2Mn

我们选择30MnSi、35Si2Mn、35Si2Cr三种材质进行热处理性能对比。淬火温度选择区间920～960℃，回火温度选择450～520℃，感应淬火加热方式，高压水冷工艺。

结果与讨论

碳在钢铁中呈化合状态和液离状态，碳含量直接影响钢的性能，高时硬度和强度增加，但其熔点塑性和延展性降低。硅在钢中是有益元素，能增加钢的抗张力、弹性、耐酸性和耐热性，耐腐蚀性，主要以硅化铁形式存在。含Si量控制在1.50～1.90%之间，Si的耐热性强，热处理后组织较细。回火温度可以提高，随着回火温度的提高，氢导致的延迟断裂的敏感度减小。当回火温度高于500度，基本不产生氢导致的延迟断裂。锰在钢中通常以固液体化合态形态存在是良好的脱氧剂和脱硫剂，能降低钢中硫所引起的热脆性，以改善钢的热加工性能，提高钢的可锻性，增加锰的含量，可提高钢的强度和硬度，但若含锰量大于0.90%，淬火时组织（晶粒）易粗化倾向。因此含Mn量控制在0.60～0.90%之间，可以改善钢的热加工性能，降低钢材加热的热滞后现象。硫在通常情况下也是有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。因此在中低碳合金钢中含硫量小于0.020%。在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，在冷拔过程会脆断，引起钢棒的延迟断裂，因此通常要求钢中含磷量小于0.015%。添加Cr、Mo、V等合金化元素，促使钢棒淬火时奥氏体化完全，组织均匀。

目前国内大多PC钢棒生产厂家选择材质30MnSi。

材料特点：生产成本低、焊接性能好，致命的缺点是抗延迟断裂能力弱。

材料缺陷：Mn含量高，淬火时，组织（晶粒）易粗化、容易产生回火二次脆性。

30Si2Mn降低了Mn的含量，消除淬火脆性，但淬透性不足，需要提高淬火温度，造成二次加工浪费。

35Si2Mn提高了碳的含量补足30Si2Mn热加工缺陷，这是国际通用做法。国际上PC钢棒大多选用此材质。

35Si2Cr进一步降低Mn含量，降低淬火时组织（晶粒）易粗化倾向，添加Cr提高热强性，细化组织，提高材质致密度。

由上表可见，选择相同的淬火温度和回火温度，材质为30MnSi的PC钢棒由于Mn含量过高等缺陷力学性能最差；材质为35Si2Mn的PC钢棒提高了C含量，补足Mn含量过高的缺陷，力学性能居中；材质为35Si2Cr的PC钢棒进一步降低了Mn的含量，添加Cr提高了热强性并细化了组织，力学性能最好，更容易满足生产要求。

提高Si的含量，不仅提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，还提高回火温度，使回火工艺达到500℃左右索氏体转变最佳温度。降低S、P的含量，减少S、P夹杂物沿奥氏体晶界的偏析。添加Cr、Mo、V等合金化元素，促使钢棒淬火时奥氏体化完全，组织均匀。在炼钢时，可以添加V、Nb等元素，细化晶粒，提高钢材强度，含量控制在0.05～0.15%。

水泥物理性能常规检测要点分析 篇12

一、水泥细度

1.负压筛析法

负压筛析法是检测水泥细度的一种较为常用的方法, 对于工作压力有着较为严格的要求, 否则会引起测试结果的不准确, 压力标准为4000Pa~6000Pa, 工作压力过高或不足都会导致检测结果失真, 从而对测试结果判定造成不良影响。在对水泥进行检测时, 还要考虑气候的影响, 南方地区空气较为潮湿。在集尘袋中的水泥如果存在过多的粉煤灰, 就会给负压筛的正常工作带来影响, 其原因是粉煤灰与潮湿空气中的水分发生部分水化反应。因此, 为了避免负压筛析仪的工作压力不足, 应定期对集尘袋进行清理。

⒉手工筛析法

(1) 手工干筛法操作应按照标准规定的要求, 控制拍打速度约120次/min, 每40次向同一方向转动60度, 使试样均匀分布在筛网上, 直至通过的试样量不超过0.03g/min为止。 (2) 试验筛必须经常洁净, 保持筛孔通畅, 使用10次后要进行清洗。金属框筛、铜丝网筛清洗时应用专门的清洗剂, 禁止用弱酸浸泡。

二、凝结时间

(1) 标准稠度用水量的检测是影响水泥凝结时间的测试结果的决定性因素, 因此, 必须加强对于标准稠度用水量的检测, 在试验的过程中应严格按照要求进行测定, 以此作为凝结时间测试的参考。 (2) 水泥净浆装模所采用的工具是直边刀, 需要插捣振动数次, 然后再进行刮平。需要注意的是, 应确保抹平面的水平度, 不能出现高低不平的现象, 同时, 控制好刮平的次数, 避免对水泥净浆的稠度造成影响, 刮平次数过多将导致水分泌出。 (3) 应使用最小刻度为0.5ml的量水器, 从而确保调整用水量法的水量准确, 对量筒、量杯的精度严格把关, 禁止随意估读水量。 (4) 对于初凝时间的测定, 也应该特别注意, 为避免对测试结果造成影响, 需控制好试针下落的位置, 应保持在距试模内壁10mm以外的圆模中心。同时, 针孔之间的位置不能过于密集, 且避免让试针重复落入原有的针孔。在测定结束后, 应做好清洁工作, 将试针擦拭干净, 试模则应立刻放回到湿气养护箱中。还应该注意的是, 为防止对试模造成影响, 在测试中应避免使其受到震动。 (5) 检验设备也是影响检测结果的关键要素, 因此, 应定期进行检查或校正, 重视检验设备的维护和保养工作。净浆的拌和程度及均匀性受到搅拌机的影响, 如果搅拌叶或者搅拌锅上的泥浆没有清理干净, 就会导致搅拌锅和搅拌叶片的间隙变小, 同样, 如果搅拌锅壁出现了磨损, 两者的间隙就会相应的变大, 从而对净浆造成影响。为确保凝结时间测试的准确性, 应做好稠度仪的保养和维护, 使稠度仪润滑良好, 防止因润滑的原因而导致的测试结果偏小的现象。稠度仪试针如果长时间使用, 会出现不同程度的弯曲, 应及时加以更换或调整, 确保测试结果不受影响。

三、胶砂强度

1.成型过程

(1) 定期检查搅拌叶和搅拌锅之间的间隙, 搅拌叶和搅拌锅间隙过大或过小时, 不能保证水泥砂浆的充分搅拌, 也就不能保证水泥砂浆制备过程符合规范的规定。 (2) 播料应按规定分两层先后播平振实, 第一次在每个槽中约放300g胶砂, 用播料器播平后振实60次。播第二层料前须将搅拌锅内壁附着的胶砂刮入锅内, 再分成三份放入试模播平振实。

⒉养护过程

水泥胶砂试体拆模不能采用水雾养护, 而应采用水养护, 对于养护箱的温度应采取定时监控的方式, 还要做好详细的记录。

⒊试块脱模

水泥胶砂在三联试模成型后不能立即进行脱模操作, 必须放置在养护箱中养护, 时间为24小时, 然后才可以取出。脱模过程是非常关键的过程, 在这一过程中, 如果操作不当, 将会对测试结果造成很大影响, 所获得的抗折强度和抗压强度也将不准确。为防止试体受到意外损伤, 脱模应轻缓, 以免试块内部产生裂纹, 影响试块的强度, 使测试结果不准确。

⒋水泥胶砂流动度测定对水泥胶砂强度的影响

水泥砂浆的可塑性是水泥品质的一项重要指标, 而水泥胶砂流动度则可以对其进行较为真实的反映。为确保检测结果的可比性和准确性, 对于水泥胶砂流动度进行控制不失为一个好的办法。此外, 胶砂试验设备具有复演性好、操作简单、方便的特点, 因此, 在减水剂减水率试验中获得了广泛的应用。

四、试验环境要求

水泥的强度还与实验室内的湿度和温度有关。水泥水化作用能否顺利进行, 在很大程度上取决于室内的湿度。如果湿度较低, 则水泥无法正常进行水化作用, 同时, 对水泥强度的形成也造成影响。水泥水化作用的速度取决于温度的影响, 如果温度较低, 则水泥水化速度缓慢, 水泥早期的强度不高, 后期强度较高, 这是由于后期水化产物相对均匀和致密。如果温度较高, 水泥早期水化速度快, 因此, 水泥在早期具有较高的强度, 到了后期其强度的增长率将下降。

五、水泥强度试验误差分析

(1) 误差是不可避免的, 然而却可以通过严格规范操作, 优化检测方法来尽量减少误差。作为检测人员, 必须从思想和意识上树立质量标准观念, 主动学习和尽快掌握检验所需的仪器和设备的性能, 并进行正确熟练的操作。作为检测机构, 应注重检测人员素质的培养, 加强检测人员的培训, 严格考核制度, 优化各项检测管理制度。 (2) 提高试模的质量和精度, 严格控制和校验成型模具的各种参数, 如尺寸、装配精度等, 防止因试模质量不过关而对实验结果造成直接的影响。 (3) 仪器设备与其操作对水泥强度试验影响很大, 因此, 要定期对其进行保养与故障维修, 以保证仪器、设备检测结果的准确性。 (4) 对试验室、试样、养护过程中的温、湿度应进行严格控制, 每天都要进行准确的记录, 操作人员要及时发现温、湿度的异常现象, 并且及时进行调整。 (5) 严格试验管理制度和操作流程, 特别是在检测结果的记录与统计中, 一定要进行反复校验, 以尽量减小检测结果的误差率。