【关键词】高分子材料成型加工教学改革课程设计
【中图分类号】G642【文献标识码】A【文章编号】1674-4810（2014）14-0010-02
在高分子科学的学科构架中，形成了高分子化学、高分子物理、高分子工程三个基础性分支学科，以及功能高分子及高分子新材料两个综合性研究领域。高分子材料成型加工属于高分子工程研究的范畴，高分子工程的主要研究线索是，研究在外场（剪切力、振动力、温度、压力等）作用下，高分子的链运动、相态及结构的变化规律和控制条件，从而发展聚合物成型的新方法和新技术。
高分子材料是材料领域的后起之秀，它具有许多其他材料不可比拟的突出性能，在尖端技术、国防建设和国民经济各个领域已成为不可缺少的材料。大多数高分子材料需要经过成型加工才能形成制品，无论金属、陶瓷、玻璃还是天然材料，没有哪一种材料能像高分子材料那样，其最终结构与性能都强烈依赖于加工过程。高分子材料加工过程是控制聚合物制品结构和性能的中心环节，内容涉及高分子物理、高分子化学、聚合物流变学、机械、计算机模拟等多学科，其任务是了解高分子材料的加工特性，确定最适宜加工条件，制取最佳性能产品，为合成具有预期性能的高分子材料提供理论依据。
高分子材料成型加工是高分子材料与工程专业最重要的专业核心课程之一。高分子材料成型加工的工程本质决定了它是一门多学科交叉、科学与工程紧密结合的学科。为使学生建立起大工程的观点，理解其精髓，本课程的讲授会涉及以上诸多学科的内容，要使学生在有限的学时内掌握这门课的基本内容，并且通过对高分子材料成型加工课程的学习，具有高分子材料及其制品设计、生产和研究的科学思维以及创新研究素质，无论对授课老师还是学生而言都是一个新的挑战。笔者结合自身讲授高分子材料成型加工课程的教学实践，在课程体系、教学内容、教学方法等方面提出以下几点看法。
一加强课程的横向联系
高分子材料的生产有三大关键要素：适宜的材料组成、正确的成型加工方法、配套的成型机械及成型模具。要生产出一个有使用价值，能够利用现有成型设备进行加工的高分子材料制品，必须同时满足以上三个要素。高分子材料生产三个要素之间相互联系、相互影响，是一个不可分割的有机整体。从这个意义上来看，高分子材料成型加工与成型机械的联系应是非常密切的。
高分子材料成型加工与高分子材料成型机械是高分子材料与工程专业的两门专业基础课，这两门课程在本质上有密切的联系，高分子材料成型加工课程包括原材料树脂、助剂、配方设计、成型设备、成型模具、工艺条件及控制等方面，高分子材料成型设备课程主要讲述不同加工方法所采用的成型设备，如开炼机、密炼机、挤出机、注塑机、压延机、中空吹塑机等，从其包括的课程内容看，成型加工和成型机械相互渗透、相互联系，也有交叉重叠的内容，因此有必要对这两门课程的教学内容从整体的高度重新进行规划。
在这个原则的指导下，教师在教学中可以按照原材料、设备、工艺这三大要素组织教学内容，从而把两门课的知识点有机地融合起来，加强课程的横向联系，打破传统的教学模式，培养学生的大工程观。如在讲授聚氯乙烯（PVC）管材挤出成型工艺这部分内容时，教师首先讲授挤出所用的原材料配方（PVC树脂、各种助剂），由于PVC树脂牌号众多，不同牌号的树脂制备方法不同，树脂的性能也不同，在加工过程中所选用的工艺也会有所差异，因此，教师在开始讲授成型工艺时，有必要使学生具备原材料选择这个意识。然后介绍管材成型所需的设备（包括挤出机类型、机头口模、螺杆结构、螺杆组合、传动系统、控制系统、辅机）。如在讲解螺杆时，可分析各种螺杆结构参数对成型加工的影响，各种不同混合、混炼元件的螺杆组合所具有的加工特性，并结合PVC管材生产工艺特点，讲解生产PVC管材所用螺杆的选用原则。在讲解挤出机机头口模时，可将机头口模流道的设计、口模类型等涉及成型机械的内容引入课堂中，使学生掌握有关机头口模设计的基本原则。最后，讲授PVC管材生产的工艺条件及控制方法（螺杆转速、牵引速度、挤出机及机头温度）及其对制品性能的影响。
教学内容改革是21世纪高等教育教学改革的重点，将高分子材料成型加工与成型机械有机结合起来，重新组织课程内容既有利于教师的教学与学生的学习，增强理论教学的课堂教学效果，同时节约下来的理论教学课时可用于实践教学环节，培养学生的动手能力和创新意识，提高在社会上的竞争力，也符合高分子材料加工行业对本专业毕业生所提出来的越来越高的要求。
二按课程主线组织教学内容
本课程以“材料―成型加工―制品性能”这条高分子材料成型加工的主线组织教学内容，重点了解和掌握高分子材料、成型加工工艺、制品性能三者的关系；材料的不同与成型加工方法的关系；同样的材料用不同的加工工艺方法或加工工艺条件，所得制品的性能为何不同；制品的性能
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*基金项目：广东石油化工学院教育科学研究基金项目
与材料本身的性质有何关系等，强调了成型加工对制品性能的重要性，即高分子材料最终的结构与性能强烈依赖于加工过程这一独特之处，这是本课程的主题思想――高分子材料的工程特征，教师在教学过程中，将这一主题思想贯彻始终是本课程教学的首要目标。
在教学过程中，任课教师应将高分子科学基础理论与实际生产和日常用品的例子相结合，与学生进行分析和讨论，启发学生在学习过程中牢牢抓住本课程的主题思想。对于聚合物来说，具体结构决定了它的性能，同一种链结构的聚合物，由于成型加工条件的不同，分子链的排列与堆砌方式会有所不同，从而形成不同的聚集态结构，聚集态结构不同，制品性能也大不相同。如生产聚丙烯注塑件时，聚丙烯注塑制品最终的物理性能不仅与本身分子量和结晶性等有关，而且与注射工艺条件的控制有关。不同的工艺条件导致聚丙烯具有不同的微观结构，而微观结构又直接影响聚丙烯注塑制品的强度、韧性、硬度以及成型加工等性能。如聚丙烯注塑件的光学性能会受到注射成型条件的影响，聚丙烯注塑件在冷却过程中，由于塑件不同部位的温度场、应力场的分布不同，从而会造成注塑件内不均匀的体积收缩和密度分布，因此严重影响了塑件的光学性能和力学性能。这些例子很好地体现了“高分子材料―成型加工―制品性能”这条高分子材料成型加工的主线。
三对教学方法进行改革
1.多媒体教学
高分子材料成型加工属于专业技术课，教学内容具有很强的理论性和实践性，许多内容涉及成型机械的结构以及具体的操作过程，在学生大多缺少实际感性认识的情况下，单纯依靠文字的板书进行课堂教学，学生难以理解，教学效果不理想。因此，课堂讲授可借鉴国内一些院校的聚合物成型加工精品课程网站的教学资源来制作多媒体课件，通过结合所用的教材，有选择性地将多媒体动画仿真和图片资料补充到电子课件中，不断修改完善课件内容，增加课堂信息量，提高教学效果，激发学生的学习兴趣。为了加深学生对实际生产过程各种机械设备、操作工艺的认识，教师可通过收集各种高分子材料成型加工厂的生产视频，然后在课堂上进行播放讲解，可增加学生对高分子材料成型加工工艺的感性认识。如在讲薄膜的中空吹塑时，大多数学生对旋转机头的工作方式比较陌生，笔者通过给学生播放带有旋转机头口模的中空吹塑生产过程，学生在录像中可以很直观地看到旋转机头在工作中的运行情况，以及旋转机头如何调整薄膜厚度的工作原理，这些都使学生感受到课本的理论知识并不是枯燥的，它来源于生产实际，并对生产实际起到指导作用。
除了在课堂上引入多媒体课件外，教师还可向学生推荐一些著名的专业网站，包括美国塑料工程师学会（SPE）、美国塑料工业协会（SPI）、中国注塑技术论坛、聚合物技术网等，鼓励学生了解加工工程的前沿发展，从而提高学生的学习兴趣。
2.案例教学
为了提高学生分析问题和解决问题的能力，经常以日常生活中常用高分子材料制品进行案例教学，帮助学生认知高分子材料成型加工的整个过程，如日常用到的笔记本外壳、空调外壳、排水管、薄膜、泡沫塑料、汽车轮胎等，启发学生去思考，然后进行讨论，针对常用制品分析所用的原材料、成型方法和工艺，使学生在看得见、摸得着的实例中体会所学知识，这样的教学方法提升了学生学习效率和学习效果。在实际教学中，教师可给学生提供一些案例，如某个工厂某批次的注射件出现了应力开裂现象，试让学生讨论分析其中的原因，并提出解决方案。通过课堂讨论，学生从这一案例中可学到包括原材料、成型方法、成型工艺条件（温度、压力）、制品性能（应力开裂）在内的许多知识点，很好地将高分子材料基础理论与生产实际相结合，学生可以充分理解“高分子材料―成型加工―制品性能”这一课程的主题思想。
3.课程设计
作为大工程观教育理念的一部分，培养具有敏锐工程师意识的学生是工科教学的一个重要目标，高分子材料成型加工课程作为一门实践性很强的学科，可为学生将来走进企业站稳脚跟打下良好的基础，因此，在教学中引入项目教学的理念，让学生利用各种校内外的资源及自身的经验，通过完成给定的工作任务来获得知识与技能。本专业的课程设计是以高分子材料生产流程为主线，实现项目教学，以培养学生的创新能力。
设计内容可以典型的通用高分子材料（如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等）的生产任务为依托建构、设计出一个高分子材料产品生产项目（包括厂址的选择、原料选择、配方设计、高分子材料加工方法、设备的选型以及生产成本的核算等）。它有效地解决了传统教学中理论与实践相脱离的弊端，使理论教学内容与实践教学内容通过课程设计紧密地结合在一起。在设计的过程中，学生通过互联网查找大量的资料、数据，通过到企业调查，掌握了许多第一手资料，在这个过程学生可以概括性地知道所学专业的主要工作内容及其在整个生产过程中所起的作用。
四结束语
高分子材料成型加工是一门实践性很强的专业技术课程。结合该门课程自身的特点，通过采取加强课程间的联系，抓住课程主线教学、改革教学方法等措施，力图改变该课程课堂讲授效果不高、学生学习积极性普遍较低等现象。
在不断深化教学改革的过程中，要想使学生学有所得、融会贯通，首先应提高学生在高分子材料产品的设计、生产和研究等方面的综合应用能力，从而培养具有卓越工程师意识的高分子材料专业技术人才。
参考文献
[1]申长雨、关绍康、张锐.加强课程建设培养创新人才――“高分子材料成型加工”课程建设随想[J].中国大学教学，2008（3）：52～54
[2]胡杰、袁新华、曹顺生.《高分子材料成型加工》课程教学中的几点思考[J].科技创新导报，2010（4）
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【关键词】智能材料；土木工程；特点；发展趋势
引言
目前，随着光钎、压磁、压电和形状记忆合金等材料的发展，智能材料已经被广泛应用于土木工程的各个领域。最基本的智能材料一般被称为感知材料，其可以感知内外部刺激的材料。通过感知内外部条件变化，并做出适应环境调整的材料被称作驱动材料。现在的智能材料，一般需要多种材料复合组装来实现环境变化情况下材料结构的诊断、修复、调整。
一、智能材料类型及特点
智能材料概念在20世纪80年代初被系统地提出，并于80年代末得到前所未有发展空间。随着光纤、压磁、形状记忆合金等智能材料的发展，使其在土木工程领域得到较为广泛地应用。智能材料以其具有的不同功能特点通常可分为两大类，一类为可感知外界或内部刺激强度作用的材料，称为感知材料。另一类为可响应或驱动因外界环境条件或内部状态发生变化的材料，也称为智能驱动材料。智能材料结构具有控制、传感与驱动三个要素，可利用自身感知处理信息，发出指令并执行动作，进而实现结构自我监控、诊断、检测、修复、校正与适应等各种功能。一般情况下，单一功能材料难以具有上述多种功能，这需要组元复合或组装多种材料而构成新的智能材料才能实现。
二、土木工程中智能材料的应用
1.形状记忆合金的应用
形状记忆合金是具有形状记忆效应的一种智能合金材料，作为新型功能性材料，最主要的优点就是在激发材料的形状记忆效应过程中，材料可以产生高于700兆帕的回复应力及8%左右的回复应变，同时具有较强的能量传输储存能力。该特性的应用能够将材料置于各种结构中，实现结构的自我诊断、增韧、增强与适应控制的应用研究，而且还可以将材料研制为智能型驱动器，在结构变形、损伤、裂缝及振动等方面开展应用研究工作。相变伪弹性与相变滞后性能是形状记忆合金的另一个优点，在加卸载过程中其应力-应变曲线构成环状，表明材料在此过程中能够吸收耗散较多的能量。形状记忆合金具有高达400兆帕的相变回复力，结合该特性能够研制开展形状记忆合金被动耗能控制系统，该系统可实现相变伪弹性性能，可在土木工程结构中用于耗能抗震的被动控制。通常在结构层间或底部安置形状记忆合金被动耗能控制系统，用于实现耗能系统对结构的层间变形的感知，进而起到消耗地震能量的作用。有关研究结果显示，耗能器安装形状记忆合金结构后，耗能器可吸收约为三分之二的地震能量，并显著抑制结构的位移。
2.压电材料的应用
压电材料一般是指在收到压力后，材料两端会出现电压的晶体材料。压电材料在土木工程中的应用主要包括对于结构的静变形控制、噪声控制和抗震抗风等领域。传统的压电材料使用方法是通过压电传感元件对结构的震动进行感知，利用传感器输出结果，从而实现对于震动的感知和预警。在此基础上，采取合适的控制算法对压电体的输入进行控制和定量，从而实现对于结构震动的控制，这是目前压电类智能材料的研究前沿。随着研究的深入和技术的进步，压电类的智能结构土木工程中的应该越来越广泛。
3.光导纤维的应用
光导纤维由外包层与内芯构成，是一种纤维状光通信介质材料，该材料采用先进的信息传输技术起初用于通信传输系统，由于作为信息载体的光子在速度与容量上高于电子，因此得到较为迅速的发展。光子所具有的高并行处理能力与高信息率，潜力在信息容量与处理速度得到充分发挥。光纤材料在监测、传感及信息远距离传输等方面得到应用，将光纤作为传感元件埋入传统混凝土结构中针对结构方面各项指标实现自动监测、诊断、控制、预报及评价等功能，而且将形状记忆合金等驱动元件埋入，有机结合信息处理系统与控制元件，使混凝土结构具有智能功能，进而实现混凝土结构自我诊断与修复。在土木工程结构诊断及主动控制地震响应中，光纤材料一直作为设计传感器的一种比较理想的材料，我国目前也已将其用于检测评定三峡大坝。
4.压磁材料的应用
压磁材料在土木工程中的应用主要包括磁流变材料和磁致伸缩材料。基于磁流变材料的原理，当磁场的强度高于临界强度时，磁流变在极短时间内从液态向固态转化。在介于固液体之间可根据磁流变液特点具有的快速、可控及可逆性质，控制流体特性实施时需要较低的能量，因此在智能结构中通常将磁流变液作为动器件的主要材料。基于这点，磁流变材料可用于高层建筑的结构中，实现对地震的半主动控制。因为潜在应用前景的广阔，使得磁致伸缩材料近年来得到很大关注。磁致伸缩材料具有强烈的磁致伸缩效应，这种材料可以在电磁和机械之间进行可逆转换，这种特性使其可以用于大功率超声器件、声纳系统、精密定位控制等很多领域。
三、智能材料的发展趋势
在土木工程领域，智能材料的发展趋势集中体现在以下三方面。一是实时监控检测结构状态，在土木结构中集成传感与驱动元件，利用其网络实时监控结构状态，以保证土木工程结构与基础设施的安全，有效降低维修成本。二是形状自适应材料与结构，该结构不仅可承载传递运动，还能检测并改变结构特性，具有较为广阔的应用前景。三是自适应控制减振抗震抗风降噪的结构，在土木工程设计中结构动力响应一直是比较重要的一个问题，尤其是针对桥梁与高层建筑等土木工程结构的抗震抗风问题，研发应用智能材料能够为其提供重要的途径，实现结构的自适应控制。尽管当前的智能材料还存在不同程度的不足之处，但随着有关研究的不断深入，智能材料的性能将得到明显改善。在众多领域中，智能材料都将发挥其潜力，体现出广阔的应用前景，开展的研究包括力学、计算机控制、材料、微电子、人工智能等多个学科技术。
四、结语
综上所述，随着智能材料的广泛应用，同时元件逐渐向小型化、多功能化及高功率化方向发展，在建筑结构中复合控制、传感、驱动系统及耦合/连接元件，建筑结构将发展成为主动式智能建筑结构，对于有效利用太阳能、抵御地震、风振等严重自然灾害影响具有重要作用，为人们工作生活提供更为舒适安全的环境，对于提高土木工程结构建设质量具有十分重要的意义。
参考文献：
[1]张亚东.智能材料在土木工程中的应用研究[J].科技资讯，2011（30）：49.
[2]黄浦时.关于智能材料在土木工程建设中的研究[J].数字化用户，2013（11）：27.
[关键词]飞机结构件材料特点加工方案快速生成技术
中图分类号：U674.93文献标识码：U文章编号：1009914X（2013）34060501
引言
随着技术的不断进步，飞机研制技术也得到了很大的发展。目前使用的飞机大部分采用的性能优越的结构，这类结构件的结构比较复杂，加工上的难度也比较大，数据程序编制的效率会影响到生产的效率，加工方案快速生成技术的使用大大的提高了生产效率。
1飞机结构件及其材料特点
1.1飞机结构件
如果想要制成飞机机体的骨架以及飞机的气动外形，飞机结构件是不可缺少的。飞机结构件的品种非常多而且形状比较复杂，所用的材料也不相同，它比一般的机械零件加工的难度会增大，对制造水平的要求也比较高。在飞机的各种产品之中，零件加工的很大部分是结构件的数控加工。以新一代的战斗机为例，在战斗机中有多于75%的数控加工件。这些数控加工件都涉及到了几个主要的零件，它们分别是框，梁，肋，壁板，接头等等，与此同时这5个零件也是飞机结构件中最典型的，它们的加工周期比较长，而且需要的数量比较多，技术的难度也比较大。
1.2材料特点
制造航空产品是缺少不了材料的，它是航空产品制造必不可少的物质基础，人们都希望航空产品达到三维技术性能，并且可靠性较高，而要达到这些都需要材料作为技术基础，飞机结构件的材料有几大特点，分别是轻质，高强以及高可靠。飞机结构件材料自然要与飞机结构件相适应，飞机结构件有几大特点比如系统庞大而且复杂使用条件不仅恶劣而且多变，可靠性比较高等等。正因为有了这些特点，构成飞机结构件材料也就有了一些相应的特点。比如这些材料的种类比较多而且规格也比较多，新一代的飞机更多考虑的是安全以及多用途这两方面，使用的材料自然也就越来越多样化，飞机结构件材料一定要具备高的比强度以及高的比刚度，从而使得结构的质量减轻，飞机的运载能力也得到了提高，机动性大大提高，配程增大，航空工业上使用的比较多的是高强度的铝合金，钛合金等。飞机结构件材料还有一个非常重要的组成部分，那就是高温合金，这对于发动机材料尤其重要。随着技术的发展，发动机的推重比不断地提高进而造成涡轮前温度升高，这就对材料的耐温程度提出了更高的要求。飞机是需要载人反复运动的，所以对机结构件的品质要求是比较高的，尤其是它的可靠性以及安全性。飞机结构件材料还有一个比较突出的特点，那就是抗疲劳性能，飞机失效事件时有发生，但这些失效事件中绝大部分跟疲劳损伤有关。
2加工方案快速生成技术
2.1方案规范化定义
快速数据编程系统进行加工操作的创建，以及数据程序的生成等都是以加工方案为依据的，这其中还包含许多的内容比如零件的基本信息，制造设备以及工序等。加工方案S的结构被简称为数据模型，S是根据规则构建而成的形成了一种多叉树结构，从顶上向下数有7层结构，这7层节点分别属于不同的类型，分别是零件节点，机床节点，加工测向节点，工序节点，工步节点，程序节点以及刀具节点等。S的最大层次数就被称为方案的深度，用字母D来表示。S的构建需要遵循一定的规则，其中包括它只能有一个根节点，是零件节点，还有就是当D小于等于7时，节点类型要严格对应层级，父节点与子节点是有关系的，父节点等于子节点减1。
2.2方案快速生成
（1）初始方案生成
相似度函数的引入提高了方案检索的准确性以及效率。相似度函数是与检索关键词相关的一个多元函数，它的结果相似度可以表明零件的相似度，它是一个百分比数值。初始方案生成必须参照零件信息以及特征识别结果，对方案库进行检索，从而计算出相似度。初始加工方案一般是从库中选取相似度最大的方案，如果零件相似，那么它们的加工方案也是相似的，这一点可由相似性原理得到，由此看来初始方案就相似于零件最终的加工方案，对于工艺人员而言，他们只需要做一些修改就可以完成方案的编制了。此外，方案库的扩充将会提高初始方案的准确性，快速生成技术给方案库提供了方案管理模块加快了方案库的扩充。
（2）方案快速编制
修改以及新建方案的便捷性从方案快速编制可以体现出来，方案快速编制保证了编制的效率，主要是从操作与逻辑两方面。操作可以给工艺人员提供方案编制的方法，而逻辑保证了操作的正确性，这两者是相互配合的，从而使得失误大大地减少了，方案编制的效率也得到了很大的提高。操作可以分为两类，分别是节点操作与整体控制。节点操作提供的功能是面向节点的，比如节点的新建，插入以及编辑等，整体控制是要从宏观上规划工艺规程，比如节点的移动，合并以及对整体控制策略进行调整等等。节点的移动指的是把已经选定的节点还有它的子节点都移动到指定的位置上，并且在移动之前还要做好逻辑检查。节点的移动不仅能够调整节点的位置还能够调整工艺流程。节点的合并是指从选定节点组中选择一个节点把这个节点作为父节点，然后把选定数组中其他的节点的子节点都添加到父节点下面的子节点的后面，最后将父节点保留，将其他选定的节点删除。
（3）方案输出
目前许多工厂都用CAPP系统对产品数据进行管理，在现有的CAPP系统的基础上，可以与快速数控编程系统相融合，从而提高数据管理的水平。快速生成技术与现有的CAPP系统之间进行数据传递靠的是TXT中间文件，保证了数据传递的准确性。工艺卡品的输出主要包括三部分，分别是工艺卡片的定制，工艺卡片的自动输出以及工艺卡片的打印等，使得工艺卡片发放的速度加快。专用文件输出是快速生成技术的最后一个方面，专用文件采用的是XML文件格式进行保存，并且它是快速生成技术以及快速数控编程系统之间的纽带，与此同时它也是加工方案库的基础。
2.3方案正确性检查
加工方案是否正确会影响到数控编程的效率。所以需要进行正确性检查，以此来保证加工方案逻辑的正确性，其中主要的依据是方案各个刀具都能参与进来并把零件体积削去一部分，这项检查需要从三个方面进行，分别是加工部位，加工阶段还有刀具节点等。
结语
将加工方案进行规范化定义并构建方案库将快速数控编程系统的知识利用了起来，将加工方案生成的效率提高了，在方案库的基础上再去确立新的方案，提高了新方案的生成效率，但是在数据管理方面需要进一步的提高。
参考文献
关键词：热致型形状记忆；高分子材料；制备技术；智能材料文献标识码：A
中图分类号：TB324文章编号：1009-2374（2015）11-0009-02DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.11.005
具备形状记忆功能的材料是新型感应型材料，是属于智能材料的范畴，因其能够感应环境变化并能对变化作出相应的响应，并且可据以调整位置、形状、应变等力学参数，可在特定条件下恢复到原先设定的状态。相当于具备一定的固定原始状态的材料经过特定形变并固定成为另外一种形状后，通过处理有条件可以恢复到原始状态的材料。热致型记忆高分子材料制备方法简便，控制形变的方法较易，应用范围非常广泛，因而成为目前研究与开发领域较活跃的形状记忆高分子。本文对热致型形状记忆高分子材料的形状记忆原理、制备方法和其中的几种重要类型进行综述和评论。
1热致型形状记忆原理
热致型形状记忆高分子的形状记忆与其玻璃化转变温度有关。在高分子材料的内部存在着不完全相容或完全不相容的两相或多相，一般称作固定相（记忆初始状态）和可逆相（可随温度变化发生固化或软化）。
当外界温度在分子的玻璃化转变温度以下时，分子的可逆相和固定相都处在冻结的状态，即其分子链被冻结，整个材料分子均处在玻璃态；对应地，当外界温度在玻璃化转变温度以上时，分子链段发生运动，材料分子处于高弹状态，此时加以外力，材料分子可发生形变。温度下降过程中，材料分子会逐渐冷却，若保持外力一直存在，材料的形状可维持不变，冷却完成后，材料分子链段冻结，相当于可逆相处在冻结的状态，在高温时被赋予的形状可保持。
温度再次达到玻璃化温度以上时，材料分子的链段会解冻并逐渐恢复运动，同时在固定相的作用下，高分子材料的形状可以恢复到初始形状。由此可知，组成可逆相的分子结构对记忆温度有影响，组成固定相的分子结构影响形变的恢复。
2热致型形状记忆高分子材料的制备技术
2.1交联
聚合物改性的一种常用方法是交联。交联目的是使聚合物的线形分子之间相互结合，从而使线形分子联结成为网状的结构，若加热升温至Tg及以上时进行伸长处理，其交联网状结构将伸展，与此同时结构的内部会产生回复力，温度降至Tg以下时，分子链冷却成为结晶态或玻璃态，从而使变形固定，回复力在分子结构内部冻结，当再次升温，分子可恢复到原始形状。其基本方法是通过外界的反应条件（如温度）提供能量，使得分子产生自由基，进而发生自由基结合反应，使聚合物交联。此种交联方法的优点是可以使聚合物性能改善，且在分子内部不存在其他化学物质的污染。但因辐射的能量过高，聚合物虽然会发生交联反应，但也有部分聚合物发生降解反应，对聚合物有一定损伤，影响聚合物的性能，产量相应的也会降低。除了辐射交联，也可以使用化学交联的方法。例如，丙烯酸与丙烯酸十八醇酯可发生交联反应，以亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，可以合成具备形状记忆功能的高分子材料。
2.2共聚
分子结构中存在着两种或多种不完全相容或完全不相容的部分，使得分子结构中不完全相容的相分离，通常情况下玻璃化温度低的相叫做软段，玻璃化温度高的相叫做硬段。共聚反应可以通过调节软段的结构组成、分子量、软段的比例来调节形状记忆材料的回复应力、软化温度等，进而改变聚合物的形状记忆功能。具体方法是用两种玻璃化温度不同的材料进行聚合反应，生成具有交联嵌段结构的共聚物。据报道，PEO-PET的共聚物包含两部分，作为硬段部分的PET具有较高的玻璃化温度，主要是形成物理交联，从而保证共聚物可以具备较高的硬挺度；PEO是聚合物的软段部分，其玻璃化温度较低，是提供弹性的部分；在此种聚合物中，如果增加PET的含量，物理交联便会提高；相应地，如果增加PEO的长度，分子链更易运动，共聚物能表现出良好的形状记忆功能。
2.3分子自组装
分子自组装（self-assembly）是指在无外力参与的情况下，分子借助其内部能量发生自发的聚集、联接并形成规则结构的现象。例如，分子的结晶现象就是一种典型的自组装现象。彭宇行等人第一次利用了聚丙烯酸-co-甲基丙烯酸甲酯分子与溴化十六烷基二甲基乙铵分子间的静电引力制得了具备超分子结构的且有形状记忆功能的高分子材料。这也是首次将超分子自组装引入到智能记忆材料的领域。其制备不仅可依赖分子间的静电引力，氢键、范德华力等也可作为其反应内力。
3几种重要的热致型形状记忆聚合物
3.1聚降冰片烯
聚降冰片烯树脂是世界上第一种具有形状记忆功能的高聚物，其成品具备形状记忆功能，即其形状变化很大，但经加热，可立即恢复至原来形状。聚降冰片烯通常由乙烯与环戊二烯发生缩合反应得到，其分子量一般在300万以上，玻璃化转变温度（Tg）约为35℃，可逆相是玻璃态，固定相是分子链的联结点，具备超分子的结构。在聚降冰片烯分子的内部不存在极性结构与分子间相互联接的交联结构，故可以通过真空成型或注射等方法加工成型，但是因为分子量过高，所以在加工时较
困难。
3.2形状记忆聚氨酯
聚氨酯全称为聚氨基甲酸酯，是一种含部分结晶的线型聚合物，其制备是先由二异氰酸酯与低聚物多元醇反应生成聚氨酯预聚体，再用多元醇、氨基酸、羧酸等可进行扩链反应或交联反应生成具备联接嵌段结构的聚氨酯聚合物。聚氨酯聚合物以其柔性链段（多元醇部分）作为可逆相，刚性链段（二异氰酸酯和扩链剂）作为物理的交联点，作为其固定相。也可通过合成是选择的原料及原料的比例来调节Tg，即可得到响应温度不同的具有形状记忆功能的聚氨酯。
3.3生物降解形状记忆材料
具备形状记忆功能的生物可降解材料可用于术后处理，其最终分解产物是小分子，能随新陈代谢排出体外。可生物降解的热致型形状记忆材料基本上是两种或两种以上的聚合物通过嵌段或交联的方式得到的。主要有下面两类：
3.3.1聚乳酸类。用紫外光照射使其交联的方法可得到生物可降解形状记忆材料，如聚乳酸和聚乙二、聚乙醇酸、聚氧乙烷等聚合。混聚是为了能达到材料的玻璃化转变温度可调的目的、降解速度可调等。
3.3.2聚亚氨酯类。聚亚氨酯存在硬度比较低的缺点，纳米级的纤维素可以作为其增强相与聚亚氨酯复配。在组成的复合物中，聚亚氨酯分子链是软段，其熔点随着纳米纤维素含量的增加而增加。
4结语
热致型形状记忆高分子材料有许多明显的优点，如形变量较大、加工制成成品的性能良好、能量消耗低等，所以它在许多领域具备很高的应用价值和广泛的应用前景，经济效益极佳，社会效应显著，故成为当前形状记忆高分子材料的研究热点。
参考文献
[1]詹茂盛，方义，王瑛.形状记忆功能高分子材料的研究形状[J].合成橡胶工业，2000，23（1）.
关键词：晶体硅；薄膜；纳米结构
中图分类号：TM914文献标识码：A
太阳能是有巨大开发潜能的清洁能源。随着现代科技成果的普及，太阳能被广泛利用。晶体硅电池和薄膜电池被广泛应用。新一代纳米结构电池也在研发中。本文将介绍晶体硅、薄膜、纳米结构三种太阳电池的存在问题及技术特性。
1晶体硅电池
晶体硅电池主要分为单晶硅电池、多晶硅电池和带状硅电池，成本较高，但工艺和材料技术成熟，且硅材料对环境和人体无害、光电转换效率较高、稳定性高、寿命长，硅基（多晶硅、单晶硅）太阳电池仍是光伏市场的重要产品，占市场的80%以上。
1.1单晶硅电池
单晶硅是集成电路硅片的重要材料，同时也是重要的光伏材料。单晶硅太阳电池使用的硅原料主要为：半导体硅碎片、半导体单晶硅的头、尾料，半导体用不合格的单晶硅以及专门为生产太阳电池制备的单晶硅。单晶硅电池工艺技术成熟，转化效率高，商品单晶硅电池和组件的转化效率为14%-17%，加入新技术之后可超过20%。改进单晶硅电池的课题主要集中于如何提高转化效率；提高晶体质量。单晶硅太阳电池转化效率高，但是单晶硅材料价格较高，工艺较为繁琐，因此单晶硅太阳电池的主要问题是成本较高。
1.2多晶硅电池
多晶硅太阳电池采用低等级的半导体多晶硅或专门为太阳能电池使用而生产的铸造多晶硅等材料。与单晶硅相比，多晶硅太阳电池存在的问题是晶粒间界和晶粒的不同取向，晶粒间界中的大量缺陷在硅的禁带中形成的界面态势光生载流子的复合中心，影响多晶硅太阳能电池的特性和效率。一种解决办法是，控制晶体凝固过程的晶粒形状和尺寸，从而降低界面态密度、提高多晶硅太阳电池性能。工艺过程中的温度分布、凝固速度、固液界面形状会影响晶锭的晶粒形状和尺寸，这些工艺参数取决于冷源散热情况、坩埚厚度和加热器的热量分布，因此铸锭的设备对生产出的多晶硅电池有重要的影响。根据研究结果显示，为了生产出高质量的多晶硅电池，需要满足如下生产设备条件：第一，石墨托侧壁的厚度在满足支撑作用的前提下要尽可能薄；第二石墨托底部越厚越有利于得到性能优良的硅锭；第三，石英坩埚的厚度和冷源半径最佳值需要结合实际参数来确定；第四，铸锭过程的首位阶段加热器降温速率需要足够小使得结晶应力不至过于集中而导致晶锭开裂。
1.3带状硅电池
带状硅制备不需要切片，可使材料利用率得到大幅提高，从而降低电池材料成本。带状硅生长的主要方法有条带法、蹼状法、定边喂膜生长法等。带状硅太阳电池转化效率约为15%，略低于单晶硅电池。
2薄膜电池
晶体硅太阳电池通常制造在厚度350-450微米的高质量硅片上，硅片从拉制或铸造的晶锭上切割而成，消耗较多硅材料，因此从1970年代开始，在廉价衬底上沉积薄膜制造成太阳电池成为新的研究热点。薄膜电池相较晶体硅电池成本更低，具有更高的竞争力和开发潜力。
碲化镉具有闪锌矿结构，是II-VI族化合物半导体材料，光吸收系数高，1微米的碲化镉能吸99%以上禁带宽度以上的辐射能，是制造太阳电池的优质材料。主要制备过程以碲化镉作为吸收体的薄膜半导体材料，与窗口层CdS形成异质结太阳电池。吸收层碲化镉薄膜室温禁带宽度为1.45eV。制备方法有生化、MOCVD、CVD、电沉积、丝网印刷、真空蒸发以及原子层外延等多种方法，各种方法的转化效率均有10%以上的记录。
3纳米结构电池的研究
太阳电池的发展历经了第一代半导体晶体片pn结太阳电池和第二代半导体薄膜pin结构太阳电池，第一代转换效率较高但是成本较高，第二代成本低但是转换效率和稳定性不够高。第三代电池应该朝着高效率、低成本、长寿命、无污染、高稳定性的方向发展，需要拓宽对太阳光谱吸收范围，选择更加优质的材料、更加合理的结构、减少自身的损耗等。下面介绍其特性。
3.1量子阱结构的带隙可调谐特性
量子阱结构是利用两种或多种具有不同禁带宽度的材料，利用分子束外延或金属有机化学气相淀积法形成的多层超薄异质结构。一维量子阱结构中，窄带隙材料是量子阱，宽带隙材料是势垒层。量子阱结构用作太阳电池的特点是：第一，可以拓宽对太阳光谱的能量吸收范围，这有利于实现宽频带和强吸收；第二，选择具有适宜晶格失配度的材料可以实现量子阱有源区的无位错生长，可显著减少界面处的载流子复合过程，从而有效提高对光生载流子的收集效率；第三，可以利用光子回收效应，即利用电池背面的分布布拉格反射镜面的反射作用，使能量地狱量子阱带隙能量的光子被反射，从而减少暗电流。
3.2纳米薄膜的良好光吸收特性
纳米半导体薄膜由纳米晶粒和界面结缔组织构成，晶粒尺寸3-6纳米，界面区宽2-4个原子层厚。纳米半导体材料已经在各种纳米电子器件和光电子器件中占据重要地位，近期也开始被应用于太阳电池。纳米薄膜的重要特点是：表面/体积比大，因此与体材料或者其他薄膜材料相比，光吸收系数更高；纳米薄膜材料具有显著的量子限制效应，通过控制晶粒尺寸和密度分布可以调节能带特性，拓宽光吸收谱范围；良好的光照稳定性，例如纳米晶薄膜无光致亚稳效应，具有较高的工作稳定性。
3.3纳米线阵列的低反射率特性
纳米线、纳米棒、纳米晶须、纳米管等式典型准一维纳米结构，它们可以作为纳米结构太洋电池的材料。纳米线结构和纳米薄膜相比优势是：第一，比纳米薄膜的比表面及更大，因此光吸收能力更强；第二，纳米线中原子定向有序生长可提高结晶质量，此外一维电子运输特性可以改善纳米结构中的载流子输运过程，从而有利于提高光电转换效率；第三，纳米线结构反射率低、抗反射特性好、载流子迁移率高，因此是高转换效率的潜力材料。
结语
本文总结了3大类太阳电池，第一类是晶体硅电池，特点是光电转换效率高，但是成本较高，制作工艺复杂。第二类是薄膜电池，特点是成本不高，但是光电转换效率不高，而且稳定度和寿命不够高，并且有的材料对环境和人体有害。第三类是纳米结构太阳电池，这类电池还处于研发阶段，但当前的科研成果认为纳米结构电池在转换效率、寿命、稳定性、无害性等方面均有巨大的研究和开发的潜力，是未来的发展方向。
参考文献
1.SnO2的晶体结构
SnO2晶体属于四方晶系点群，是一种极性半导体，具有金红石结构。金红石结构的SnO2晶胞为体心正交平行六面体。每个晶胞中包含有两个Sn原子，分别位于2a（0，0，0）和（1/2，1/2，1/2）位置；四个位于4f±（u，u，0；u+1/2，1/2？u，1/2），且u=0.30561位置的O原子。每个Sn原子是由六个组成近似的八面体O原子包围，并且组成矩形基底面的4个O原子离Sn原子的距离（2.06A°）要比位于顶点的2个O原子距离（2.05A°）稍微长些，而每个O原子是由三个构成等边三角形的Sn原子包围，形成6：3配位结构。其晶格常数为a=b=4.7374A°，c=3.1864A°且c/a=0.672。
2.SnO2薄膜的材料特性
SnO2是一种宽禁带直接半导体材料，室温下禁带宽度为3.6eV，属n型氧化物半导体。当沉积温度为300-500°C时，SnO2薄膜的电阻可达35-40Ω/，可见光透过率高达90%，且薄膜的电学与光学性质与结晶情况和结构有密切的联系。膜的结晶性越高，其导电率越强，随着晶体的细化，其透过率也会显著的提高。SnO2薄膜还具有较稳定的化学特性和较强的耐腐蚀特性，只能被盐酸与锌反应生成的初态氢所腐蚀且通过化学键与玻璃或者陶瓷基底结合有很强的附着力（200kgfcm-2）。
3.SnO2薄膜的气敏传感特性
气敏传感器的工作原理是指被检测气体与传感器的表面发生物理吸附或者化学吸附，引起表面某种性质的变化（如：电阻、电导、电压、阻抗等），然后将这种变化转变为电信号，通过对电信号的分析，即可以得到有关气体浓度、组分等的信息。当某种有毒气体的浓度超过一定值时会自动报警，安全可靠。SnO2薄膜是目前应用最广泛的一种气敏材料，它具有n型半导体特征。具有如下特性：（1）物理、化学稳定性好，耐腐蚀性强；（2）可靠性较高，机械性能良好；（3）电阻随浓度变化一般呈抛物线变化趋势；（4）对气体检测是可逆的，吸附、脱附时间短，可连续长时间使用；（5）节省能耗；（6）禁带宽度虽较宽，但施主能级是适度浅能级，容易获得适宜的电学特性；（7）费用较低。因此以SnO2为主体材料制备的气体传感器，在金属氧化物半导体电阻式气体传感器中处于中心地位。
4.SnO2薄膜的发光特性
透明导电薄膜要求材料既具有较高的导电性，又具有对可见光有好的透过性和对红外光有强的反射性。透明导电薄膜材料主要分为金属膜和氧化物半导体膜两大类。由于金属膜中存在着大量的自由电子，所以当金属薄膜很薄时仍然具有很好的导电性，但是当其厚度小于20nm时，薄膜对光的透射性和反射性都比较小，常见的金属透明导电薄膜有：金、银、铝等。而氧化物半导体薄膜是近年来发展应用最多的材料，它要求半导体的禁带宽度为3ev以上，且可以通过掺杂获得高载流子浓度进而实现高导电率。目前应用最广的透明导电薄膜为SnO2薄膜材料，SnO2薄膜属于宽禁带半导体，禁带宽度为3.6eV，理论上为典型的绝缘体。但是由于存在氧空位或者间隙Sn原子，在禁带内形成ED=0.15ev的施主能级从而表现为n型半导体；此外它还具有较高的可见光透过率和红外反射率、较稳定的化学特性和优良的膜强度等优点，近年来被广泛的应用于透明电极，液晶显示器及光电子器件等领域。
SnO2的直接带隙约为3.6-4.3eV左右，大于可见光光子的能量（3.1eV），故在可见光照射下不能引起SnO2本征激发，所以它在可见光区是透明的，SnO2薄膜在可见光区的透过率高达90%以上；同时，由于其高载流子浓度，SnO2在红外光处（等离子边约为3.2μm）具有较强的反射率；因此，利用其在可见光处高透过率和红外光处高反射率的性质，可以广泛用于光伏器件、显示器器件、发光器件等领域。而对于高载流子浓度的SnO2薄膜，尤其是掺杂薄膜，其直接带隙会随载流子浓度的增大而变大，在SnO2薄膜中载流子存在Moss-Burstein移动。
Moss-Burstein移动是由泡利不相容原理引起的。在掺杂材料中，由于费米能级进入导带或价带，从而使导带底或者价带顶的能量已经被占据，最后造成薄膜光学带隙展宽。通常情况下，SnO2是一种很好的掺杂基质，有较宽的禁带宽度和较高的激子束缚能，能够激发其掺杂物质发光。
5.SnO2薄膜的电学特性
SnO2薄膜属于宽禁带n型半导体材料。价带最高点位于布里渊区г3，导带最低点位于布里渊区г点，为典型的直接带隙半导体材料。由于其带隙较宽，所以在理想情况下电子很难从价带跃迁到导带，表现为高阻材料。但是由于在制备薄膜材料过程中，SnO2薄膜不可能为完全纯的化学计量比金红石结构，其中存在一些化学计量比偏差，即在晶格内存在间隙Sn4+和O空位，而O空位在SnO2禁带中可以形成距导带底分别为0.03eV、0.15eV的两个施主能级，从而表现为n型半导体。
在SnO2晶格中，我们采用紧束缚近似确立了一系列非过渡金属金红石结构的氧化物参数，Sn原子和O原子分别属于Ⅳ、Ⅵ族元素，外层电子结构分别为5s25p2和2s22p4。导带主要由Sn5s和Sn5p态组成，并伴有少量的O2p态。-17eV能级主要是由O2s态组成，并有少量的Sn5s和Sn5p态构成；-9eV～-5eV是由于Sn5s与O2p态轨道耦合而成；而-5eV～-2eV是由O2p态和一小部分Sn5p轨道耦合而成；-2eV～0eV是由O2p态孤立电子构成，它对化学键结合的作用很小，与其他轨道耦合作用也较弱；而价带是Sn5s和Sn5p以及O2p的混合态。