关键词：化学固化复合树脂；光固化复合树脂；对比研究
中图分类号：R782文献标识码：B文章编号：1004-7484(2012)06-0019-02
复合树脂材料是一种新型齿科材料，对治疗前牙体缺损、牙釉质发育不全、四环素牙、氟斑牙、死髓牙等变色牙是一种理想的美容齿科材料[1-2]。当前复合树脂材料按固化方式分类主要有三种：①化学固化型。②光固化型。③光-化学固化型。本文回顾性分析2002年2月至2012年2月期间于我院选取复合树脂材料进行前牙美观缺陷的150患者资料，现报告如下。
1资料与方法
1.1一般资料
随机选取2002年2月至2012年2月期间于我院进行前牙美观缺陷的150患者，共有患牙300颗，年龄16岁至60岁，根据患者自愿分为两组，各75例。观察组即化学固化复合树脂组，患牙160颗；对照组即光固化复合树脂组，患牙140颗。
1.2方法
对150例患者300颗患牙牙面进行清洁、去净腐质并磨除病损周围牙体组织，使修复体和牙面形成自然和谐的衔接面，增加修复体的固位性，牙断缘或边缘磨成斜面，用倒锥钻修成几处倒凹。观察组采用化学固化复合树脂进对患牙进行美容修复；对照组采用光固化复合树脂对患牙进行美容修复[3]。
2结果
通过对患者采用不同的复合树脂材料进行前牙美容修复，并对患者术后满意度和术后1年后患牙疗效进行调查分析，详细情况如表1所示。
3结论
通过调查分析，两组患者通过采用不同的复合树脂材料对患牙进行美容修复后，其观察组患者满意度为90.6%，对照组为80.%，观察组术后1年后患牙疗效很好的为86.2%，对照组为66.7%，可以看出，观察组不论是在患者术后满意度还是术后1年后患牙疗效方面均明显高于对照组，对此化学固化复合树脂较光固化复合树脂作为前牙美容修复材料，疗效好，更受患者喜爱。
3.1两种复合树脂材料的化学性质
①化学固化复合树脂在复合材料成型时,由预浸料铺叠、纤维缠绕等根据树脂的化学结构和复合材料的性能要求选用固化剂，使固化过程可多种温度下完成。②光固化复合树脂为单糊剂组分，使用时不需调搅。颜色和透明度与天然牙相似，化学稳定和色泽稳定。
3.2化学固化复合树脂作为前牙美容修复材料的作用
任何材料用于牙齿美容修复在很大程度上取决于医生的临床经验、对材料的了解以及良好的操作技术等，化学固化复合树脂美容修复患牙也不例外。医务人员运用化学固化复合树脂做出逼真的修复体，再将天然牙体组织的光学特性运用到现代复合树脂系统中，分层树脂充填技术和全瓷修复一样能够让人们对修复的效果有所预见，并能使患者在短期内改变面部形象，所以我们认为化学固化复合树脂美容修复治疗是微创的、简便的、快捷、经济的且安全和高效的治疗方法，是部分前牙美观缺陷患者的首选治疗方案[4，5]。
综上所述：近年来，随着社会经济的不断发展，人们生活水平的不断提高，其各类牙齿问题也随之出现，于此同时，人们对自身形象要求也逐步提高。结合我院口腔科就诊患者情况分析，大多患者特别是年轻人，他们为了达到理想的效果，对换牙修补的美容效果也越来越高，对牙齿修复材料的选取也很挑剔。但是如果想让患牙修补后达到理想的美容效果，还得必须根据患牙的情况来对应选取适当的材料，这样美容和修复的效果才好。
参考文献
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关键词：热膨胀本征应变，三相胞元，Eshelby-Mori-Tanaka方法，热膨胀系数
1引言
颗粒性复合材料由于其优异的性能在工程实际中得到广泛应用[1]，但是在高温条件下工作的复合材料构件不可避免地产生热膨胀，导致结构尺寸发生变化而产生热变形，过大的热变形会导致结构破坏，这就要求材料具有很强的高温稳定性和低的热膨胀系数。而对复合材料的热膨胀系数进行预报是细观力学界研究的重要内容之一，也是对材料进行热分析的基础。当前，对于复合材料热膨胀系数预报多见于单向或长纤维复合材料[2-5]，而对于颗粒性复合材料研究较少[6]。姚占军等人利用二相胞元法预报了颗粒增强镍基合金复合涂层的热膨胀系数，但其所建立的模型中并未考虑界面因素影响[8]。
本文基于细观力学理论建立了包含脱粘界面在内的复合材料四相模型，如图1所示；将颗粒夹杂、脱粘界面和基体壳简化为椭球三相胞元；根据Eshelby-Mori-Tanaka方法推导得到颗粒夹杂和脱粘界面的热膨胀本征应变，进而求出三相胞元的热膨胀系数；考虑到三相胞元在复合材料中随机分布，应用坐标变换公式得到复合材料平均热膨胀应变，进而求得复合材料的热膨胀系数。
2热膨胀本征应变
取出一个三相胞元如图2所示，设三相胞元、颗粒夹杂以及脱粘界面体积分别为V为V1为V2，颗粒夹杂和基体的弹性常数分别为L1和L0，热膨胀系数分别为和。论文大全，三相胞元。
当温度变化ΔT时，由于基体和颗粒夹杂热膨胀系数失配而产生热应力为
（1）
式中，为颗粒与裂纹相互作用引起的扰动应变。
利用Mori-Tanaka方法和Eshelby等效夹杂理论可知颗粒中应力为：
（2）
其中，
（3）
式中，为是基体与颗粒的应变差值，是颗粒的等效本征应变，是基体和颗粒热失配应变，
（4）
此处
（5）
由于颗粒各向同性，我们知道
（6）
假设脱粘界面中存在应力，其弹性常数为，则根据式（2）得到：
（7）
（8）
其中，为脱粘界面与基体的应变差值，为脱粘界面的的Eshelby张量[7]。论文大全，三相胞元。论文大全，三相胞元。
实际上三相胞元脱粘界面处不存在应力，即，因此有
（9）
根据三相胞元内部扰动应力自平衡条件:
(10)
这里将(1)、(2)式代入(10)式得
(11)
式中，
将（3）和（11）式代入到（2）式得
（12）
上式，
其中，
将（11）和(12)式代入到（9）得到
（13）
式中
3三相胞元等效热膨胀系数
体积为V的三相胞元的平均应变可以借助总量平衡的方法得到
（14）
将（3）、（8）和（11）式代入（14）得到
（15）
将（12）和（13）式代入（15）得到
（16）
式中，
矩阵K为3×3阶对称矩阵，可写成如下形式
（17）
式中Ki由颗粒和脱粘界面的Eshelby张量以及基体和颗粒的弹性常数确定。论文大全，三相胞元。
根据（16）和（17）可知
（18）
由此可得到三相胞元的热膨胀系数为：
（19）
4复合材料的有效热膨胀系数
假设三相胞元椭球的三个主半轴长为，三相胞元椭球形颗粒为横观各向同性材料，其中为材料的对称轴，并且。论文大全，三相胞元。三相胞元颗粒在复合材料中随机分布，并设轴与x，y，z轴分别成，，角。
当无限大体内部温度改变时，单个三相胞元颗粒产生的热膨胀应变为：
(20)
再由应变换轴公式知单个三相胞元颗粒在坐标轴x，y和z方向的热膨胀应变为：
（21）
因为三相胞元颗粒在复合材料中随机分布，材料的平均热膨胀应变为所有颗粒的热膨胀应变关于随机后的均值，取分布函数为，则有
（22）
经积分得
（23）
由上式可看出复合材料为各向同性，进而求出复合材料的有效热膨胀系数为
(24)
图3给出含有脱粘界面体积分数分别为0.03%、0.05%和0.07%时，复合材料有效热膨胀系数随颗粒含量变化曲线。从中可以看出，复合材料有效热膨胀系数随着颗粒含量的增加而减小，主要因为颗粒的热膨胀系数大于基体的热膨胀系数，其含量越大，对复合陶瓷的热膨胀系数影响也越大；另外，脱粘界面含量越高，热膨胀系数也越小，因为复合材料在受热膨胀时，微裂纹存在会降低颗粒对基体的影响，满足一般规律。
图4给出含界面体积分数分别为0.03%、0.05%和0.07%时，复合材料有效热膨胀系数的尺度效应。论文大全，三相胞元。从中可以看出复合材料热膨胀系数随颗粒直径增加而减小，因为颗粒的热膨胀系数大于基体的热膨胀系数，直径越大，单个颗粒的影响也大。
5结论
1）本文基于细观力学方法建立了包含脱粘界面在内的复合材料四相模型，将颗粒夹杂、脱粘界面和基体壳简化为椭球三相胞元，并根据Eshelby-Mori-Tanaka方法得到颗粒夹杂和脱粘界面的热膨胀本征应变，推导出三相胞元的纵向和横向热膨胀系数；
2）根据三相胞元的方位随机性，结合应力应变换轴公式确定复合材料平均应变，进而求得复合材料热膨胀系数；
3）数值结果表明：随着颗粒夹杂含量增加，复合材料有效热膨胀系数会减小；另外，复合材料有效热膨胀系数具有较强的尺度效应，随着颗粒直径的增加，热膨胀系数会降低。
参考文献
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[3]孙志刚,宋迎东,高希光,高德平.细观结构对复合材料热膨胀系数的影响研究[J].应用力学学报,2004,21(2):146-151.
关键词：复合材料碳纤维混凝土结构加固疲劳寿命
Abstract:carbonfiberreinforcementconcretestructureisakindofhighefficient,hasbroadapplicationprospectsofthereinforcementtechnology,relatestomaterialscience,mechanics,structuralengineeringandotherfieldsofknowledge.ThispapercombinesBeijinghigh-speedbridgerepairandreinforcementexample,singlefromthemechanicsofcompositematerialfatiguelifeanalysismethod.
Keywords:compositematerialofcarbonfiberreinforcedconcretestructurefatiguelife
中图分类号：TU37文献标识码：A文章编号：
在对济广高速高架桥的检测中发现该桥存在较多病害，上部结构梁底出现了较多裂缝。经山东省交通规划设计院、山东高速检测咨询中心等有关部门现场查看，确定对预应力混凝土连续板、钢筋混凝土连续刚构、预应力混凝土等截面连续刚构出现的裂缝进行封闭处理并粘贴碳纤维，提高其抗弯承载力。
1碳纤维材料在桥梁加固中的应用
对于混凝土桥梁的抗弯加固，目前常用的方法有增大截面加固、粘贴钢板加固、体外预应力加固、粘贴纤维复合材料加固等。这些加固方法各有优点，同时也有不足之处。加大截面加固能有效提高结构的刚度和承载力，但施工周期长，增加结构自重，减小桥下使用空间；粘贴钢板加固对结构刚度提高明显，但钢板具有容易腐蚀耐久性差的缺点，且使用的结构胶往往因老化产生粘结破坏；体外预应力加固对刚度和承载能力提高明显，但锚固端受力很大不容易控制，且施工繁琐，加固成本较高。粘贴纤维复合材料加固，即采用粘结剂将碳纤维片材附着于结构损伤的表面，使一部分荷载透过胶层传递到碳纤维片材上，从而降低受损结构处的应力作用，进而控制裂纹扩展速率以达到制止裂缝扩展的作用，最终使结构使用周期得以延续。纤维材料由于自重轻，抗拉强度高，抗腐蚀能力强，提高最大承载力明显，但对刚度提高不大。
在粘贴钢板和粘贴碳纤维布桥梁加固中，我们通过对碳纤维复合材料和钢筋进行比较可看出两者的优劣。碳纤维复合材料初始缺陷损伤尺寸比金属材料大，例如纤维断开、基体开裂、纤维与基体脱胶、层间局部脱离等，但疲劳寿命比金属长，同时碳纤维复合材料疲劳损伤是累积的，而且有明显的征兆，金属材料损伤累积是隐蔽的，破坏有突发性。金属材料在交变载荷作用下往往出现一条疲劳主裂纹，它控制最后的疲劳破坏。而碳纤维复合材料往往在高应力区出现较大范围的损伤，疲劳破坏很少由单一的裂纹控制。总的来说，碳纤维复合材料抗疲劳破坏的性能比金属材料好很多。
2疲劳特性
2.1碳纤维布加固混凝土梁后，在疲劳荷载作用下，碳纤维布能够明显降低加固梁中的箍筋应变。对于完好加固梁，粘贴碳纤维布后，箍筋应变减少达到40%-50%；对于损伤的加固梁，箍筋应变减少达到20%-40%。
2.2随着疲劳次数的增加，碳纤维应变不断增大，且单纤维布用量越大，其应变越小。粘贴40mm碳纤维布加固梁相对于粘贴20mm碳纤维布加固梁，碳纤维应变减少10%-40%。
2.3碳纤维和箍筋应变均在疲劳前10万次增长较快，几乎达到应变的70%-90%，其后增长趋于稳定，这与疲劳损伤的一般规律是一致的。
2.4在疲劳荷载作用下，碳纤维布能够限制斜裂缝的发展，增强结构疲劳抗剪能力。
2.5碳纤维布加固钢筋混凝土梁后，在受荷过程中相互作用，各材料应力相互调整，各材料相互作用和应力的相互调整将直接影响碳纤维布在不同受荷阶段的发挥水平。
3碳纤维疲劳损伤机理
单向复合材料正铀拉伸疲劳时，基体内首先形成横向裂纹，当局部纤维断裂时形成裂纹扩展、界面脱胶、由纤维损伤引起基体裂纹增长和纤维桥联．也可形成它们的组合情况。图1和图2分别表示单向复合材料正轴拉伸疲劳基体损伤和纤维损伤的几种型式。单向复合材料正轴拉—拉疲劳纤维断裂的情况如图3所示。
图1单向复合材料正轴拉伸疲劳基体损伤
（a）分散裂纹限于基体内（b）局部纤维断裂，裂纹扩展，界面破坏
图2单向复合材料正轴拉伸疲劳纤维损伤
（a）纤维断裂引起界面脱胶（b）纤维断裂引起基体裂纹增加
（c）纤维桥联基体裂纹
图3单向复合材料正轴拉伸疲劳纤维断裂
4碳纤维疲劳寿命预测
疲劳寿命预测有三种理论模型：
4.1疲劳裂纹扩展速率线弹性断裂力学认为决定疲劳裂纹扩展的是应力强度因子的幅值，Paris由此得出下列公式
其中为疲分裂纹扩展速率，C为材料常数，n为扩展指数。
此公式是针对金属材料疲劳裂纹扩展的，它对复合材料基体(树脂等)和短纤维复合材料也适用，但是对于其它连续纤维增强复合材料．预制了裂纹的试件在疲劳过程中并不以主裂纹扩展而是以损伤区扩展而发生破坏。对于无预制裂纹的试件更是以损伤形式扩展，因此，用疲劳裂纹扩展的方法预估寿命是困难的。
4.2累积损伤理论Miner从数学上定义，材料在应力水平下的疲劳寿命为N周，当在此应力水平下受载n周时，材料损伤为D=n/N,显然时材料破坏。在变化幅值应力作用下，Miner的线性累积损伤理沦认为，当
时材料发生破坏，式中表示在第i个应力水平作用的应力循环周数，为该应力水平下疲劳寿命周数，表示对整个过程中所有水平对应的周数求和。如已经测得材料的S-N曲线以及载荷谱，则可预测何时发生破坏。某些实验表明复合材料不完全遵守这一规律，当应力由低变到高时，往往小于1；而应力由高变低时，常在大于1时发生破坏，因此有人提出非线性累积损伤理论，等加以修正。
4.3剩余强度理论由式可知，材料损伤随疲劳周数增加而发展，材料内在缺陷发展而破坏，它取决于载荷和环境等外因。此外，结构破坏的临界荷载随裂纹长度和损伤D增大而降低。剩余强度理论认为:在外在交变载荷作用下由于损伤D增大,材料强度由其静强度R(0)下降到剩余强度R(n),一旦外加载荷峰值达到R(n)，材料便发生破坏。利用此理论预测疲劳寿命，还需了解损伤D的演变规律及剩余强度与损伤的关系，目前这一理论尚在进—步研究中。
总之由于复合材料的复杂性和性能的分散性，其疲劳问题受多种因素影响也非常复杂，本文列出的计算分析方法还有待实践修正，需继续总结研究。
参考：1、《混凝土加固设计规范》GB50367-2006
2、《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》【S】CECS146：2003
复合材料结构与性能是针对复合材料与工程专业大四学生开设的一门专业必修课，其内容涉及树脂基体、增强材料、增强材料的铺层和复合材料的夹层结构等多个方面，是一门理论联系实践应用、基础知识和科学发展前沿并行的课程。我们从充分利用信息技术、理论联系实际、启发式教学和考试方式多元化等多方面进行了课程改革和实践，以提高学生的学习兴趣和创新能力。
［关键词］
课程改革；课程实践；启发式；教育
复合材料结构与性能是本校针对复合材料与工程专业大四学生开设的一门专业必修课程。本课程是在学生学完了材料学概论、树脂基复合材料、复合材料工程实验等专业课程之后，为进一步拓宽学生的专业知识面、培养学生综合知识的运用能力而开设的，目的是培养其在复合材料原材料的选择、改性、结构设计方面综合运用知识解决实际问题的能力。复合材料结构与性能的教学内容包括复合材料概述、树脂基体材料结构与性能、高性能增强材料、增强材料铺层结构与性能及复合材料夹层结构等。复合材料概述部分重点介绍复合材料结构所包含的三个结构层次和复合材料的发展及应用近况；树脂基体材料部分主要介绍聚合物分子结构对性能的影响及基体材料的最新研究进展，让同学们通过学习掌握分子结构设计原理，初步具备从性能角度出发筛选合成原料的能力；增强材料铺层结构与性能和复合材料夹层结构部分突出复合材料结构的可设计性，根据复合材料结构件的受力情况，介绍增强材料铺设方式设计和夹芯材料选择的理论依据。不同于大学基础理论课，大学专业课的课堂教学内容必须紧跟本学科技术的发展。课堂教学中，教师在介绍完基础理论知识后，一定要配合实际的生产应用案例对其进行应用说明，这样有利于学生理解和掌握此知识点，并能通过实际的应用案例理解单纯追求某一性能指标是没有意义的，实际应用过程中应考虑工艺性能、应用性能、节能环保等综合因素。该课程为新开课，在教学内容、教学素材、教学方法等方面还需要进一步完善和改革，以适应复合材料现代科学技术的飞速发展。
一、充分利用信息化资源，丰富教学内容
在教学过程中，我们充分利用信息化资源、信息化技术来辅助教学，丰富教学内容，利用多媒体技术进行高密度的知识传授，增大教学信息量，并借助图片、动画、视频等媒介，增强学生的理解力，加深他们的记忆。［1］我们在传统的PPT中加入实物图片、工艺图片、三维设计动画、复合材料生产视频等，以丰富教学内容，把学生关心的一些复合材料应用领域的相关知识（复合材料原料、工艺及应用等）直接向学生演示出来，从而与文字讲义相呼应，给相对枯燥的教学注入兴趣和活力。多媒体教学（如制作动画、录像、图片和三维模型等）将原本抽象的、不易理解的复合材料多相结构生动、形象地展现出现，便于学生理解和记忆，加深对复合材料结构的理解，深层次理解复合材料结构对性能的影响。我们在查阅大量国内外文献的基础上，编写了适合本课程教学特点的电子课件，并根据需要采用大量生动、形象的工艺流程图介绍复合材料的生产工艺，以实物图片介绍复合材料的应用领域，采用动画、视频的形式介绍复合材料不同层次的结构及结构设计对性能的影响。对于较难理解的章节，采用模型或模拟辅助教学可以提高教学效果。为了让学生较好地了解复合材料领域的发展，教师需要密切关注该行业国内外的发展动向，及时查阅相关的文献资料，获取与国际接轨的最新知识、先进教材和信息。教师需要适时地参加国内外复合材料展览会，对国内外参展公司的展品、设备和技术图片进行拍照、录像并整理，将其融入课程内容；还可以参加复合材料相关的学术研讨会，密切关注复合材料领域的新技术、新工艺的发展和应用，及时更新本课程的教学内容。
二、授课内容注重理论与实践相结合
复合材料结构与性能是一门实用性较强的课程，单纯以文字的形式介绍复合材料结构与性能，特别是复合材料的夹层结构，很难介绍清楚，学生也很难想象，难以理解。因此，教学中一定要理论联系实践，以案例的形式讲授知识，如以风力发电机叶片、雷达罩、飞机机翼的结构为例，分别介绍其选材、结构，并解释原材料选择原因、结构设计的原理、性能特点、国内外的技术差距等。作为教师，将自己科研工作的实际应用案例加入课程讲授，理论联系实际，丰富课程内容的实用性，是非常必要的。不同高校复合材料专业的研究领域、研究特色不同，有的高校侧重于增强材料的研究与开发（如东华大学），有的高校重点研究复合材料结构件的设计制造（如武汉理工大学），而本校复合材料专业侧重于高性能树脂基体材料的研究与开发。在本课程的讲授过程中，我们将本校树脂基体方面取得的研究成果按相应类别穿插在课程内容中，如将耐腐蚀的乙烯基酯树脂、高残炭酚醛、脂环族环氧树脂、高性能芳炔树脂、高性能透波树脂等内容加入课程，分析其结构与性能特点。我校在复合材料增强材料、增强材料的铺设方式、复合材料结构的设计方面开展的研究工作较少，如果要想在这几章内容的教学中联系实践，教师需要做很多资料收集工作，特别是针对增强材料铺设方式和夹层结构部分，需要到相应的研究单位、生产单位进行调研，制作相应图片、三维模型、动画及视频，以丰富教学内容，便于学生理解。［2］
三、改进授课方式，采用启发式教学，让学生根据自己的兴趣点进行自主学习
复合材料结构与性能是复合材料专业大四学生的专业必修课，他们在此之前已经学完了大部分的专业课程，已基本掌握了复合材料的专业知识。本课程的目的是进一步拓宽学生的知识面，培养学生的创新思维，实现与毕业课题研究、社会工作的衔接。因此，教学中应该改变以往的老师讲、学生记”的方式，鼓励学生运用前面学过的专业知识去思考，激发创新思维，从中获得运用知识解决问题的成就感。教师可以提出现在行业中的难题，让同学们通过查找资料寻找解决方法，发挥大学生精力旺盛、创新性强的特点。［3－4］这也对教师提出了要求：要紧跟本学科的发展，与复合材料相关企业建立密切联系，了解本专业新型的原材料、成型技术、成型设备及新型制品结构。在复合材料概述中介绍新型的复合材料时，同学们对自修复复合材料”非常感兴趣，但课上仅仅介绍了自修复复合材料”的设计原理和性能特点及其在航天领域中的应用前景，教学中若能够以实物图片展示此材料的使用案例，以录像展示生产工艺过程，并提出应用过程中有待解决的问题，则可以更生动、具体地体现该材料的结构与性能的关系。我们采用了启发式教学方法，建立教师和学生间双向互动的课堂气氛。教师采用提问的方式启发和调动学生的主观能动性，让学生对问题进行思考；当堂课不能解决的问题，则要求学生课后查找资料，以小论文的形式提交解决方案；鼓励学生探索科学前沿，激发学生对科学研究的兴趣。比如我们给学生留的课后作业为你认为最有发展前景的复合材料是哪种类型？解释其原因”和热固性树脂复合材料和热塑性树脂基复合材料的优缺点及其发展趋势”。课余时间，学生们根据自己的兴趣爱好去查找相关的资料，了解该类复合材料的结构、性能、应用及发展情况。这样不仅能够拓展学生的知识面，还能够激发其对复合材料科研的兴趣。［5－6］
四、考核方式多元化，培养学生思考问题、解决问题的能力
复合材料专业课程大多采用闭卷考试的方式进行考核，考试形式重于内容，考试分数重于能力，平时认真听课、认真思考的同学考试的分数倒不一定比背讲义、背课后题的同学高，这样打击了应用能力较强的同学的学习积极性，也与本课程的培养方案相悖。复合材料结构与性能是大四上半学期的专业必修课，是理论与实践相结合的一门课，旨在引导学生运用所学知识发现实际生产中的问题并解决问题，传统的靠知识点记忆的考核方式显然已不适用于本课程，课程改革也应在考核方法上有所体现。根据知识点的不同，本课程宜采用多元化的方式对学生进行考核。重要的概念、原理、工艺、聚合物结构及性能等要求学生掌握的知识点可采用闭卷考试，而不同类型复合材料的性能特点、发展及应用方面的知识是动态发展的，可以采用开卷考试的方式。这样学生可以在课下查阅大量的文献资料，详细了解复合材料的发展趋势，激发学习兴趣，拓展专业知识面。对于综合知识的运用，即从选择原材料、成型工艺选择、增强材料的铺设方式、夹层结构设计等方面设计某复合材料结构件，则采用小论文的形式考核，如设计轻质高强的工字梁结构。多元化的考核方式可以使学生成为学习的主体，有利于调动学生的积极性，并培养学生综合运用知识的能力。我们通过教学题材的更新、教学内容的多样化、教学方法和考核方式的改革，力争从教师讲授向学生在老师的启发下自主学习的模式转变，从而达到提高学生学习主动性、激发学生创新性的目的。课程改革和创新需要在实际教学过程中摸索，我们将结合复合材料新技术的发展，继续探索复合材料结构与性能教学新模式。
作者：宋宁侯锐钢周权陈麒王帆方俊倪礼忠单位：华东理工大学材料科学与工程学院特种功能高分子材料及相关技术教育部重点实验室
参考文献：
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关键词：道路工程；沥青混合料；混杂纤维；增强机理
中图分类号：U414文献标识码：A文章编号：
Abstract：Withtheincreaseofthetrafficandaxleload,thetraditionalasphaltpavementissubjectedtotheseveretestfortheearlydisease.Extensiveresearchhavebeenundertakentosolvetheproblemathomeandabroad.Mixingreinforcingfibersintheasphaltmixtureisanewandeffectiveapproachattractingwidespreadconcern,whichpromotestheapplicationofhybridfiebrsmadeupoftwoandmorekindsofsinglefiber.Undoubtedly,itisofgreatsignificancetomakecertainthereinforcementmechanismofhybridfiber-reinforcedasphaltmixturetoenhancetheperformanceofasphaltmixtureandconductthepavementstructuredesignofhybridfiberasphaltpavement.Basedonthepreviousresearchachievements,furtherresearchideasareproposedinviewofexistingproblems.
Keywords:roadengineering;asphaltmixture;hybridfiber;reinforcementmechanism
1引言
沥青路面是我国目前高等级路面最主要的结构形式，但随着交通量及轴载的增大，出现了高温车辙、低温开裂、水损坏及疲劳损伤等早期病害[1、2]。为有效解决这一问题并提高沥青路面的使用品质，在沥青混合料中掺加新型增强纤维成为一种新途径。纤维沥青混合料是典型的复合材料，其力学性能和损伤破坏的规律不仅取决于各组分材料的性能，还取决于细观结构特征，如纤维的体积率、分布规律、形状及界面性质等[3]。目前研究最多、应用最广的仍是单一尺度和单一品种的纤维增强[4]，而通过掺入混杂纤维以改善沥青混合料整体性能及其增强机理的研究鲜有报道。混杂纤维是由两种或两种以上的单种纤维层相间形成的复合材料，在掺配合理的情况下可在不同尺度和性能层次上相互激发，取长补短，弥补单一纤维增强作用有限的不足，对改善和提高具有多组分、多相、多尺度层次结构特性的沥青混合料的性能具有重要作用。
然而，目前针对混杂纤维增强沥青混合料性能的研究较少，部分进行的也往往偏重于宏观角度的唯象研究，忽略了其复杂的细观结构，所得到的试验成果又往往囿于材料本身和混合料结构的复杂性，难以量化混杂纤维沥青混合料细观增强机理与宏观力学行为间的联系。因此，研究混杂纤维对沥青及沥青混合料的增强作用机理，合理选用各种纤维材料、提高混杂纤维沥青混合料的性能及进行混杂纤维沥青路面的结构设计具有重要的现实意义。
2概述
国内外许多关于纤维沥青混合料性能的研究表明掺入纤维后可改善混合料的使用性能[5-9]，而且由于施工工艺简单，无需增加额外设备，具有广阔的应用前景。这促使一些研究者为进一步研究纤维沥青混合料的作用机理而进行了探讨[10-14]，认为纤维的作用主要表现为：①纤维的吸附作用，使纤维与沥青接触形成巨大的浸润界面，起着连接两相并传递、缓冲两相间的应力，乃至影响整个纤维沥青材料物理和力学性能的关键；②纤维的稳定、增粘作用，一方面增大了结构沥青的比例，使沥青膜处于比较稳定的状态，另一方面提高了沥青胶浆的粘结力，保证沥青混合料的整体性；③数以万计的单丝纤维在沥青混合料中呈三维网状分布，约束了混合料内部缺陷或裂纹的进一步发展，增加了材料的破坏强度，起到“加筋”作用；④纤维的增韧、阻裂作用，不仅增加了沥青混合料的抗变形能力，而且对裂纹的扩展起到阻滞作用，维持沥青混合料多相体系的稳定性。
以上研究虽一定程度上阐述了纤维对沥青混合料性能的改善作用，但无法量化纤维沥青混合料细观增强机理与宏观力学行为间的联系。目前，针对纤维增强沥青混合料作用机理主要有如下几种观点：
2.1界面理论
界面理论认为在复合材料中，纤维与基体通过界面粘接在一起。它区别于传统材料的一个重要特点是依靠不同的组分材料分散和承受载荷，组分材料之间的相互作用和兼容性对复合材料的性能有十分重要的影响[3]。纤维沥青混合料中各相材料是通过各相间的界面结合(固-固界面、固-液界面等)而成为整体的,界面结合作用的强弱与各相形成的界面自由能的大小关系密切,纤维的加入便改善了传统沥青混合料中各相界面的作用效果[12]。
2.2复合材料理论[12、15、16]
复合材料理论认为纤维沥青混合料是一种多相体系,组成纤维沥青混合料的各种材料均为一相,其性能就取决于各相的相互作用行为和各相的体积率以及各相的几何特征(尤指其界面特性)与各相自身特性。其多相复合材料可由不同的相相复合得到。该观点不仅便于采用各复合材料模型来分析研究材料的组成、结构与其性能之间的关系;还可以直接使用复合材料的混合率规律或其修正式对材料性能进行预测。
2.3断裂力学理论
断裂力学承认材料或结构本身总是存在裂纹或类裂纹缺陷，是专门研究材料或结构体系传布或扩展规律的一门新兴学科。细观结构上，脆性材料的开裂破坏与内部裂纹的形成、扩展等内在过程相关。一些学者将现代断裂力学理论应用于复合材料增强机理分析，提出了相关断裂模型[17-19]：①应力强度因子模型；②能量模型；③增韧力学模型；④纤维间距增强理论。
2.4结构层次理论
[关键词]聚合物基复合材料航空航天创新型人才教学实践考核方式
中图分类号：G642.0；TB332文献标识码：B
先进聚合物基复合材料由于质量轻、强度高，已成为航空航天等领域具有战略性的关键材料之一，近年来其应用、科学与技术呈现出突飞猛进的发展态势[1，2]。2006年1月国家提出了在2022年建成创新型国家，实现科技发展成为经济社会发展有力支撑的建设目标，其中培养和造就创新型人才，特别是创新型工程科技人才是重中之重[3，4]。
以往的教学方式，注重基本概念、基本理论和基本技能的讲授，考核也主要是闭卷答题，对学生关于知识结构的系统性和在实践中自觉运用知识的积极能动性引导不足，不利于培养学生的独立性、实践性和创新性意识。针对这一问题，笔者所在的北京航空航天大学复合材料团队结合50多年的教学科研经验和体会，就如何适应创新型国家战略发展需求，培养高素质的复合材料创新人才问题，开展了《聚合物基复合材料及其成型工艺》课程改革。其中课程考核是教学活动的重要环节，对引导和促进学生潜能、个性和创造性等的培养具有重要作用。
考核方式的改革
聚合物基复合材料是一门诞生于上世纪50年代的新兴工程学科方向课程，相对于传统材料，它的理论、方法及技术处于不断更新与发展阶段，同时该材料涉及的学科知识很广，包括高分子物理、高分子化学、物理化学、有机化学、材料测试方法、材料力学等，具有多学科交叉融合、知识更新快、应用性强等特点。因此，在教学大纲的指导原则下，结合复合材料学科方向的以上特点，首先确定了《聚合物基复合材料及其成型工艺》课程考核方式改革的核心内容。选取先进聚合物基复合材料在航空航天应用中的四种典型案例，引导学生依据所选对象的结构、使用等设计要求[5]，综合分析其原材料选择、工艺制订和性能分析各环节，强化学生对专业知识和技术的融会贯通理解能力，提升运用所学知识分析、解决实际问题的能力。
1.改革内容
在原有教学内容基本讲授完毕后，对应于课堂讲授的重要知识点，以复合材料在飞行器结构上的典型应用为实例，对其应用情况和结构特征进行综合评述，然后让学生自由选择一个实例，通过课外自学、资料调研、小组讨论等途径，对原材料选择、制备工艺设计、性能测试评价三个方面进行细致分析。在此基础上，应结合工程实际考虑结构应用的可靠性、材料质量的稳定性、表征分析的有效性和完备性，以及成本效率等因素，对所选材料、工艺和性能指标等进行可行性论证和评价。
首先让学生形成2～3人的小组，利用课余时间根据所选择的实例进行文献调研，每个人调研的内容应各有侧重点，然后进行讨论和汇总，撰写可行性论证报告，该环节在一周内完成。然后教师对报告进行评阅，总结报告存在的问题。最后教师在课堂上对所涉及的应用案例进行点评和讲解，对比较集中的问题进行分析，并挑选报告撰写的比较优秀的小组在课堂上阐述撰写的思路和过程。
撰写形成的典型复合材料应用可行性论证报告是考核学生综合运用知识能力的主要依据，其内容应包括：（1）复合材料结构使用要求及国内外应用情况；（2）复合材料原材料选择；（3）复合材料制造工艺设计与制造方案评估；（4）复合材料关键性能测试及评价。报告内容的安排上要求具有条理性和逻辑性，给出选定材料和方案的分析判定依据，并要求具有可操作性。在报告格式上要求符合学术规范，适当引用参考文献。
2.可行论证报告考核要求
依据先进聚合物基复合材料近年来的前沿发展和国家需求，结合笔者所在教学科研团队已有基础和优势经验，突出航空航天特色，在课程改革中选定：大型客机机翼上下壁板及中央翼盒上下壁板、超音速飞机机翼纵横加筋壁板、大型客机机头雷达罩及升降舵壁板、卫星主承力筒等作为研究对象。学生依据所选结构对象的应用要求，就原材料、工艺和性能展开可行性论证分析，形成报告。报告的具体考核要求如下：
（1）复合材料典型应用案例分析：阐述所选对象的结构形式、承载要求、功能特性、使用环境等；
（2）复合材料原材料选择：主要对增强体、树脂基体、夹芯材料等的主要类型、工艺及性能特点及其匹配关系进行对比分析，按照性能满足应用要求的原则，同时考虑工艺和成本因素，初选出几种材料体系；
（3）复合材料制备工艺设计：依据材料工艺性表征评价方法，分析所选结构对象的可制造性，主要包括工艺方法对所选对象结构形式的制造质量控制难度和制造周期两个方面，结合材料体系的物理化学行为分析，确定成型、固化方法、工艺流程，对比不同方法在制造质量稳定性、结构灵活性、实施成本、批量适用性等方面的特点，再详细分析工艺参数、工装设备、缺陷控制等因素，确定工艺优化方案；
（4）复合材料性能测试评价：结合复合材料结构服役特点和设计要求，针对所选材料体系组成和各向异性特征，确定复合材料的力学、功能、环境使用性能等的测试方法与评价指标；
（5）论证报告结论：综合分析所选材料体系、工艺方案及性能指标的科学性、关联性和工程可实施性，对于可能存在的难点或关键问题给予评述，并提出分析和解决的方法。
改革效果与体会
针对学生撰写的报告，教师依据学生对所学知识的掌握、运用能力，以及分析、阐述问题的逻辑性和科学性进行评分，占总成绩的30%，选出优秀报告作为范例，并总结学生在分析中存在的问题，在课堂上对所涉及的应用案例进行点评和讲解，使学生深入理解所学知识之间的关联性和贯通性，培养学生运用知识分析、解决问题的自觉性和主动性。
通过两年的教学改革和实践发现，这种考核方式有效激发了学生的自主学习兴趣，不仅学生的团队合作能力、发散思维、逆向思维能力、文献调研能力、沟通表达能力、随机应变能力等方面得到了培养和提高，而且学生养成了主动学习和互动学习的良好习惯。从可行性论证报告的成绩看，两年中优和良的总比例占到了70%～90%，说明了学生的认真态度和积极性。通过与学生的座谈，了解到学生对考核方式的改革反映良好，认为该环节对课堂知识的理解和运用起到了很好的促进作用。这一考核方式改革导向，使学生对复合材料基本知识的理解变得生动和深刻，提高了在实践中运用所学知识分析、解决问题的综合能力，并且利于学生掌握知识点的内在关联和约束作用，以及对知识体系的有机性理解与融会贯通，是一种创新型工程科技人才培育的考核新模式，为“两领”人才成长及其素质提升提供了有益的探索。
另外，通过学生反馈和论证报告的总结评述，教师可掌握课堂教学效果，便于改进教学方法，更新教学内容，提高素质教育的教学质量。同时可以更客观地评价学生的综合能力，判断学生的学习效果，使教和学两者得到有机结合。显著提高了学生将理论知识与工程实践相结合、专业知识与专业技能相贯通的学习意识，培养和增强学生的自主学习、综合分析，以及运用知识解决问题的创新能力。
根据已有的改革成果和体会，下一步准备结合复合材料技术和应用的最新发展趋势，丰富典型实例中涉及的内容，不局限于复合材料在航空航天领域的应用，而扩大到能源、交通、建筑等方面，如大型复合材料风电叶片、复合材料车身、复合材料船体等，从而进一步扩展学生思路，丰富教学内容。
参考文献：
[1]益小苏，杜善义，张立同.复合材料手册[M].北京：化学工业出版社，2009：424-431.
[2]陈祥宝，张宝艳，邢丽英.先进树脂基复合材料技术发展及应用现状[J].中国材料进展，2009，28（6）：2-12.
[3]中国工程院“创新人才”项目组.走向创新——创新型工程科技人才培养研究[J].高等工程教育研究，2010，（1）：1-19.
[4]潘云鹤.论研究型大学工科学生的能力培养[J].高等工程教育研究，2005，（4）：1-4.