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石墨烯材料范文第1篇

這個(gè)時(shí)代將來最大的顛覆，是石墨烯時(shí)代顛覆硅時(shí)代

早在2014年，華為創(chuàng)始人兼總裁任正非在少有的接受媒體采訪的時(shí)候，說了這么一句話，他說，“未來10至20年內(nèi)，會(huì)爆發(fā)一場技術(shù)革命，我認(rèn)為這個(gè)時(shí)代將來最大的顛覆，是石墨烯時(shí)代顛覆硅時(shí)代?！?/p>

石墨烯是什么？

那么兩年過去了，雖然它是現(xiàn)在最火的材料之一，社會(huì)關(guān)注度高、政策扶持力度大，還傲然躋身新材料“十三五”規(guī)劃，但是石墨烯對于普通人來說，還是一個(gè)較為生僻的詞匯，那么石墨烯到底是什么？它能帶來顛覆嗎？

石墨烯――一種只有一個(gè)原子厚的二維碳膜。它是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層院子厚度的二維晶體。雖然名字里帶有石墨二字，但它既不依賴石墨儲(chǔ)量也完全不是石墨的特性：石墨烯是只有一個(gè)碳原子厚度的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，具有非常好的導(dǎo)熱性、電導(dǎo)性、透光性，而且具有高強(qiáng)度、超輕薄、超大比表面積等特性，因而被譽(yù)為“超級(jí)材料”。如果再把它的潛在用途開個(gè)清單――保護(hù)涂層，透明可彎折電子元件，超大容量電容器，難怪任正非會(huì)如我們文章開頭那樣評論石墨烯。

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈?蓋姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫，成功從石墨中分理處石墨烯，證實(shí)了它可以單獨(dú)存在，因此，兩人也共同獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。一層一層疊起來，就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯！

同時(shí)，石墨烯具有很好的彈性，拉伸幅度能夠達(dá)到自身尺寸的20%，是目前自然界最薄、強(qiáng)度最高的材料，如果用一塊棉結(jié)1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克的石墨烯可以承受一只一千克的貓的重量。

另外，石墨烯幾乎是完全透明的，非常致密，即使是最小的氣體原子（氫原子）也無法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，如透明觸摸顯示屏、發(fā)光板、太陽能電池板。

石墨烯技術(shù)的應(yīng)用局限性

這么好的材料，從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在十多年過去了，為何應(yīng)用還是不夠廣泛呢？業(yè)界人士稱，石墨烯雖然走出了實(shí)驗(yàn)室，打通了技術(shù)關(guān)卡，但因其成本偏高，市場應(yīng)用不夠廣泛?？偨Y(jié)幾點(diǎn)原因，主要為以下：

第一，石墨烯的成本極高。

石墨烯的最高價(jià)格達(dá)到了5000元/克，在業(yè)內(nèi)有“黑金”之稱。因此，一般的企業(yè)在資金方面無法進(jìn)行研發(fā)，這也是為何石墨烯技術(shù)的玩家基本上都是三星、IBM、英特爾等巨頭的重要原因。

第二，石墨烯技術(shù)存在局限性。

石墨烯的生長是有嚴(yán)格的控制條件的，必須在絕緣襯底上定位，才能生長出所需管徑大小的半導(dǎo)體石墨烯。但是對石墨烯的生長進(jìn)行嚴(yán)格控制的條件目前尚無法實(shí)現(xiàn)。

第三，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

由于成本極高和技術(shù)上的局限性，石墨烯的生產(chǎn)仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段，并未在商業(yè)用途方面實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。與之相比，硅基材料在成本和穩(wěn)定性方面仍存在優(yōu)勢。

其實(shí)，將二者結(jié)合也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。此前，哥倫比亞大學(xué)曾研發(fā)出一款石墨烯-硅光電混合芯片。應(yīng)用物理學(xué)教授Philip Kim認(rèn)為，這兩種材料的結(jié)合具備了超快的非線性光學(xué)調(diào)制性能，這將為芯片、集成電路、高速光通信等領(lǐng)域打開新的大門。

隨著移動(dòng)端的發(fā)展，PC端逐漸沒落。如果能夠開發(fā)出速度更快的芯片，將使更快的計(jì)算能力變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。這不僅能夠推動(dòng)芯片行業(yè)的進(jìn)步，還能夠推動(dòng)人工智能和認(rèn)知計(jì)算的發(fā)展。盡管目前石墨烯技術(shù)仍存在短板，但是在未來，這項(xiàng)技術(shù)或許會(huì)為芯片及相關(guān)行業(yè)帶來一場革命性的改變。

石墨烯在我國的政策支持

當(dāng)前，我國信息通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)國產(chǎn)化替代趨勢加強(qiáng)，石墨烯的優(yōu)異性能有助于我國在信息通信產(chǎn)業(yè)不斷取得突破。不過，作為新興材料，石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展面臨諸多難題，例如前面提到的成本高、技術(shù)弱。因此，早在“十二五”期間，我國就出臺(tái)了眾多政策推動(dòng)石墨烯的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2012年工信部《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中，就首次明確提出支持石墨烯新材料的發(fā)展。

2014年11月4日，國家發(fā)改委、財(cái)政部、工信部會(huì)同科技部、中國科學(xué)院、中國工程院、國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局等部門和單位聯(lián)合制定了《關(guān)鍵材料升級(jí)換代工程實(shí)施方案》，提出將緊緊圍繞支撐我國新一代信息技術(shù)、節(jié)能環(huán)保、海洋工程、先進(jìn)軌道交通等四大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，將石墨烯等20種重點(diǎn)材料實(shí)現(xiàn)批量穩(wěn)定生產(chǎn)和規(guī)模應(yīng)用，并培育30家新材料企業(yè)。

2015年10月，《重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖》進(jìn)一步明確未來十年我國石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路徑，總體目標(biāo)是“2020年形成百億元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，2025年整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破千億元”。

2015年12月，工信部、國家發(fā)改委、科技部聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》也提出，到2020年形成完善的石墨烯產(chǎn)業(yè)體系，實(shí)現(xiàn)石墨烯材料標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和低成本化，在多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，形成若干家具有核心競爭力的石墨烯企業(yè)。

在政策推動(dòng)下，我國石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展在產(chǎn)業(yè)規(guī)模、技術(shù)專利與應(yīng)用方面都實(shí)現(xiàn)了良好發(fā)展。產(chǎn)業(yè)規(guī)模上，我國形成了以江蘇省（常州、無錫、南京等地）為中心，寧波、青島、重慶、德陽、河北、北京等地活躍分散發(fā)展的格局；技術(shù)專利上，我國在國際上已經(jīng)申請2200多項(xiàng)石墨烯專利技術(shù)，約為全球石墨烯專利技術(shù)的三分之一。

我國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

我國石墨烯產(chǎn)業(yè)起步較早，2011年就成立了第一家石墨烯企業(yè)。中國目前的石墨烯企業(yè)大多分布在東南沿海一帶，尤其是長三角區(qū)域，其次是四川盆地一帶和山東地區(qū)，此外，在天津、山西、內(nèi)蒙等地也略有分布。

目前，我國的石墨烯產(chǎn)業(yè)大部分是處于下游的生產(chǎn)企業(yè)，且還處于中試階段。能夠規(guī)模化量產(chǎn)的石墨烯公司只有少數(shù)幾家。如常州二維碳素材料有限公司、常州第六元素材料科技股份有限公司、寧波墨西科技有限公司、重慶墨?？萍加邢薰镜?。

作為新興產(chǎn)業(yè)，中國石墨烯下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)出欣欣向榮、蓬勃發(fā)展的勢頭，與國際發(fā)達(dá)國家基本處于同步階段?！?016-2020年中國石墨烯行業(yè)深度調(diào)研及投資前景預(yù)測報(bào)告》稱，2018年，全球石墨烯納米顆粒的市場需求將達(dá)到1520噸。然而，光是中國本身在石墨烯納米顆粒的產(chǎn)出就可以滿足全球的需求。這標(biāo)志著中國企業(yè)已經(jīng)有能力參與到全球石墨烯市場的競爭，并在石墨烯研究與制造方面取得較為領(lǐng)先的優(yōu)勢。

在國家戰(zhàn)略指引下，我國石墨烯研發(fā)和專利持有已在全球占據(jù)一席之地。國家在“十二五”規(guī)劃中明確將新材料列為重要的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)；國家自然科學(xué)基金委員會(huì)已經(jīng)陸續(xù)撥款超過3億元資助石墨烯相關(guān)項(xiàng)目；國家引導(dǎo)石墨烯產(chǎn)業(yè)成立了中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，聯(lián)盟成員已達(dá)53家，6位聯(lián)盟常務(wù)理事單位對石墨烯技術(shù)路線、標(biāo)準(zhǔn)戰(zhàn)略、專利布局、國際合作和產(chǎn)業(yè)促進(jìn)進(jìn)行支持和合理引導(dǎo)。

與此同時(shí)，民間資本向石墨烯產(chǎn)業(yè)流動(dòng)，產(chǎn)學(xué)研用構(gòu)架基本形成。在產(chǎn)業(yè)園和創(chuàng)業(yè)基金等的積極引導(dǎo)下，一些創(chuàng)業(yè)者以技術(shù)為資本成立公司，一些上市公司以資金為優(yōu)勢介入石墨烯領(lǐng)域。上市公司通過引進(jìn)石墨烯技術(shù)、與科研機(jī)構(gòu)簽訂合作協(xié)議、設(shè)立產(chǎn)業(yè)技術(shù)投資基金或從戰(zhàn)略角度構(gòu)建產(chǎn)業(yè)鏈等方式參與石墨烯研發(fā)生產(chǎn)。目前部分石墨烯公司具備生產(chǎn)石墨烯粉體、漿液、導(dǎo)熱膜、功能涂料、導(dǎo)電油墨和觸控屏的能力，但在產(chǎn)品質(zhì)量提升和下游市場開發(fā)方面仍存在巨大的提升空間。

此外，正是因?yàn)榭吹搅耸┑膽?yīng)用前景，許多國家紛紛建立石墨烯相關(guān)技術(shù)研發(fā)中心，嘗試使用石墨烯商業(yè)化，進(jìn)而在工業(yè)、技術(shù)和電子相關(guān)領(lǐng)域獲得潛在的應(yīng)用專利。歐盟委員會(huì)將石墨烯作為“未來新興旗艦技術(shù)項(xiàng)目”，設(shè)立專項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃，未來10年內(nèi)撥出10億歐元經(jīng)費(fèi)。英國政府也投資建立國家石墨烯研究所（NGI），力圖使這種材料在未來幾十年里可以從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入生產(chǎn)線和市場。

石墨烯材料范文第2篇

1 引言

自2004年曼徹斯特大學(xué)Geim等成功制備出石墨烯以來，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能如：透光率達(dá)97.7%、導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5 300W/m?K、常溫下其電子遷移率超過15 000cm2/V?s 、電阻率約10-6Ω?cm，，有可能取代硅而成為下一代半導(dǎo)體信息工業(yè)的基礎(chǔ)材料[1]。石墨烯產(chǎn)業(yè)是我國少數(shù)幾個(gè)與世界發(fā)達(dá)國家步調(diào)一致的產(chǎn)業(yè)，在某些領(lǐng)域甚至走在世界前列。石墨烯被視為工業(yè)味精，也被譽(yù)為萬能材料，在導(dǎo)電、導(dǎo)熱、防腐、電磁屏蔽與吸波、力學(xué)增強(qiáng)等領(lǐng)域都具有非常大的應(yīng)用前景[2]。

2014年9月，曼徹斯特大學(xué)建設(shè)了“石墨烯工程創(chuàng)新中心”，加速了石墨烯產(chǎn)品走向市場的進(jìn)程[3，4]。石墨烯是開啟未來的產(chǎn)業(yè)，是我國新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展契機(jī)，將促進(jìn)我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，搶占制造業(yè)新一輪競爭的制高點(diǎn)，在5年至10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破1000億元的飛躍式發(fā)展。

2 石墨烯復(fù)合材料

復(fù)合材料（Composite materials），是以一種材料為基體（Matrix），另一種材料為增強(qiáng)體（Reinforcement）組合而成的材料。石墨烯由于自身在力、電、熱、光、磁等方面的存在的優(yōu)異性能，與傳統(tǒng)材料進(jìn)行復(fù)合后產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。比如，石墨烯加入到金屬基體中可以合成質(zhì)輕、高強(qiáng)度、高模量的金屬基復(fù)合材料；加入到導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電塑料、導(dǎo)熱塑料等功能高分子復(fù)合材料，還可以顯著改善復(fù)合材料的機(jī)械性能；加入到陶瓷基中，可增強(qiáng)其韌性。隨著復(fù)合材料加工技術(shù)以及石墨烯制備方法的發(fā)展石墨烯/金屬復(fù)合材料的研究日益廣泛[5-8]。

3 分類

目前按照基體的不同，復(fù)合材料主要分為以下幾類：樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等。石墨烯由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，在改善聚合物的熱性能、力學(xué)性能和電性能等方面具有相當(dāng)大的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)用領(lǐng)域包括但不局限于導(dǎo)電導(dǎo)熱、防腐、吸波、力學(xué)增強(qiáng)等方面。

（1）石墨烯導(dǎo)電復(fù)合材料

石墨烯最顯著的特點(diǎn)之一就是其優(yōu)異的導(dǎo)電性能，其電導(dǎo)率可達(dá)106 S/m，遠(yuǎn)超過目前己知載流子遷移率最大的半導(dǎo)體材料銻化銦，但面電阻僅為30 Ω/m2左右，性能超過已知最好的導(dǎo)體銀或銅（如圖1、圖2所示）。同其他類型的導(dǎo)電填料相比，獨(dú)特的二維片層結(jié)構(gòu)使石墨烯具有更大的接觸面積，因此在復(fù)合材料中更容易形成導(dǎo)電通路，能大幅度降低導(dǎo)電填料的添加量[9]。

自2006年，Ruoff教授的課題組首次報(bào)道了聚苯乙烯/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合物的制備，便開啟了石墨烯導(dǎo)電復(fù)合材料研發(fā)的序幕。而石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)電性使其能夠增強(qiáng)復(fù)合材料的電學(xué)性能，主要應(yīng)用領(lǐng)域涉及導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電油墨、防腐涂料、石墨烯透明導(dǎo)電薄膜等方面。

（a）石墨烯導(dǎo)電橡膠復(fù)合材料

橡膠類可拉伸導(dǎo)體是制備柔性電子器件的重要材料之一，而石墨烯由于具有較高的電導(dǎo)率、徑厚比以及較大的表面積，使得石墨烯/橡膠復(fù)合材料達(dá)到相同電導(dǎo)率所需的填料濃度比其他碳填料低。

（b）石墨烯導(dǎo)電塑料復(fù)合材料

導(dǎo)電塑料的應(yīng)用十分廣泛，涉及電子、集成電路包裝、電磁波屏蔽等領(lǐng)域。而石墨烯由于具有較高的電導(dǎo)率、徑厚比以及較大的表面積，使得石墨烯/導(dǎo)電塑料復(fù)合材料能夠擁有更高的導(dǎo)電率及更少的填料添加量。這對提高導(dǎo)電塑料綜合性能及降低行業(yè)成本提供了無可比擬的優(yōu)勢。

（c）石墨烯導(dǎo)電油墨

石墨烯導(dǎo)電油墨可以應(yīng)用于印刷線路板、射頻識(shí)別、顯示設(shè)備、電極傳感器等方面，在有機(jī)太陽能電池、印刷電池和超級(jí)電容器等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。因此石墨烯油墨有望在射頻標(biāo)簽、智能包裝、薄膜開關(guān)、導(dǎo)電線路以及傳感器等下一代輕薄、柔性電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，市場前景巨大。與現(xiàn)有的納米金屬、（如納米銀粉、納米銅粉等）導(dǎo)電油墨相比，石墨烯油墨還具有巨大的成本優(yōu)勢。

（2）石墨烯導(dǎo)熱復(fù)合材料

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新型碳納米材料，厚度僅為0.35 nm。石墨烯自身導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到5300W/mK，是室溫下導(dǎo)熱最好的材料，不僅比過去常用導(dǎo)熱材料銀、銅高出不少，甚至超過碳納米管、石墨碳素材料（如圖3所示）。而且它是由sp雜化碳原子緊密排列形成，具有獨(dú)特的二維周期蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)單元中所存在的穩(wěn)定碳六元環(huán)賦予其優(yōu)異的熱性能，被認(rèn)為是優(yōu)秀的熱控材料有望成為劃時(shí)代的散熱材料[10]。

（3）石墨烯防腐涂料

石墨烯材料除了在防腐涂料方面有著可觀的應(yīng)用前景，其在導(dǎo)電涂料、防污涂料、智能自修復(fù)涂料、抑菌涂料、風(fēng)電涂料等領(lǐng)域也同樣有著巨大的研究價(jià)值，研究工作正如火如荼地進(jìn)行著，未來石墨烯材料勢必會(huì)在涂料行業(yè)發(fā)揮極大作用，推動(dòng)高性能多功能涂料快速健康發(fā)展。

（4）石墨烯電磁屏蔽與吸波材料

在碳系材料中，對碳黑、石墨、碳纖維、碳納米管等的電磁屏蔽與吸收已有相當(dāng)廣泛的研究與應(yīng)用。作為一種新型碳材料，石墨烯比碳納米管更有可能成為一種新型有效的電磁屏蔽或微波吸收材料[11]。

納米吸波材料是指由納米材料組成的吸波材料。材料的成分尺寸在1～100nm之間的吸波材料，主要由“顆粒組元”和“界面組元”組成。在微波輻射下，納米粒子通過高速運(yùn)動(dòng)使電磁能轉(zhuǎn)化為熱能從而吸收衰減電磁波[12]。

目前石墨烯在電磁屏蔽及吸波材料中的應(yīng)用研究可以分為兩大類：一是石墨烯/金屬復(fù)合材料、二是石墨烯/聚合物復(fù)合材料。

（a）石墨烯/金屬復(fù)合材料

石墨烯/金屬復(fù)合材料是石墨烯研究的熱點(diǎn)之一，主要包括水/溶劑熱法和共沉淀法2種制備方法。

Zong等通過水熱法制備了RGO/CoFe2O4復(fù)合材料，避免了化學(xué)還原劑的使用，制備工藝和性能檢測，在12.4GHz、2.3mm厚度處最大反射損失-47.9dB，有效頻寬（低于-10dB）為5GH（z 從12.4 ～17.4GHz），同時(shí)具有磁損耗和電損耗，吸波性能得到了良好的提升[13]。

（b）石墨烯/聚合物復(fù)合材料

由于石墨烯具有優(yōu)異的物理性能，且制備成本比富勒烯（C60）及碳納米管低很多，向聚合物基體中引入石墨烯制備納米復(fù)合材料可顯著改善材料的綜合性能，因此，這種新型納米材料已成為當(dāng)今電磁屏蔽研究的熱點(diǎn)。

作為新型吸波劑的石墨烯材料會(huì)成為未來應(yīng)用研究的重點(diǎn)，為我國新型的軍事隱形材料起到推動(dòng)作用，同時(shí)一也會(huì)在人體及醫(yī)療設(shè)備的電磁輻射防護(hù)等民用方面發(fā)揮更大作用。

（5）石墨烯/金屬增強(qiáng)復(fù)合材料

在金屬基體中引入均勻彌散的納米級(jí)增強(qiáng)體粒子，所得到的金屬基復(fù)合材料往往可以具有更理想的力學(xué)性能及導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化性能。石墨烯具備優(yōu)異的力學(xué)性能、熱學(xué)性能和電學(xué)性能，是制備金屬基納米復(fù)合材料最為理想的增強(qiáng)體之一。

（a）石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料

鋁合金具有低密度、高強(qiáng)度和良好的延展性，在航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。作為結(jié)構(gòu)材料，其強(qiáng)度的提高一直是一項(xiàng)重點(diǎn)課題。而石墨烯納米片具有高的強(qiáng)度、大的比表面積，將其添加到鋁合金中形成石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是提高鋁合金強(qiáng)度難題的很有前途的解決方法。

（b）石墨烯增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料

鎳基復(fù)合材料的增強(qiáng)體主要包括SiC、Al2O3、C、B等的長纖維、短纖維、晶須和顆粒，增強(qiáng)相能夠起到彌補(bǔ)基體材料缺陷的作用，比如提高鎳基復(fù)合材料的耐磨性、蠕變穩(wěn)定性、高溫性能等。將石墨烯的高強(qiáng)度、高比模量等特性和鎳的耐高溫、高強(qiáng)度結(jié)合有望制備得到性能優(yōu)異的新材料。

（c）石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料

目前顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料中研究最多的增強(qiáng)體是氧化鋁、碳化硅和碳納米管，而石墨烯作為增強(qiáng)相的研究相對較少，如何實(shí)現(xiàn)石墨烯在銅基體中的均勻分散和兩相界面的良好結(jié)合是研究的重點(diǎn)。

石墨烯材料范文第3篇

摘 要： 石墨烯基超級(jí)電容器電極材料，其廣闊的應(yīng)用前景已經(jīng)引起國內(nèi)外極大的關(guān)注。為了更全面的把握石墨烯基電極材料專利申請態(tài)勢，本文綜述了石墨烯基電極材料專利發(fā)明的技術(shù)演進(jìn)，重要申請人的研究熱點(diǎn)，作者試圖對電極材料進(jìn)行分類，分析不同種類電極材料的優(yōu)缺點(diǎn)，從不同角度歸納電極材料性能的影響因素。

關(guān)鍵詞： 超級(jí)電容器；電極材料；石墨烯

1 超級(jí)電容器基本原理

超級(jí)電容器，介于常規(guī)電容器與二次電池之間的一種新型儲(chǔ)能器件，其比容量為傳統(tǒng)電容器的20-200倍，比功率一般大于1000 W/kg，電極循環(huán)壽命大于105次，同時(shí)兼有常規(guī)電容器功率密度大和二次電池能量密度高的優(yōu)點(diǎn)。

超級(jí)電容器的構(gòu)成主要包括電極材料（活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘合劑）、集流體、隔膜、電解液。

根據(jù)儲(chǔ)能形式的不同，超級(jí)電容器可分為雙電層電容器和贗電容電容器（法拉第準(zhǔn)電容器）。雙電層電容器基于雙電層理論。贗電容電容器則基于法拉第過程。影響超級(jí)電容器的電化學(xué)性能的主要因素為超級(jí)電容器的電極材料，超級(jí)電容器電極材料主要包括：碳材料、導(dǎo)電聚合物材料及金屬氧化物材料，以及上述材料的復(fù)合材料。石墨烯 （Graphene）是一種碳原子緊密堆積成的單層蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新型碳材料，被稱為單層石墨，其厚度為0.34 nm，被認(rèn)為是零維富勒烯、一維碳納米管和三維石墨的基本結(jié)構(gòu)單元。

2 專利申請情況分析

檢索中，中文數(shù)據(jù)庫選擇CNABS，外文數(shù)據(jù)庫選擇VEN。采用以關(guān)鍵詞為主、分類號(hào)為輔的檢索方式。檢索關(guān)鍵詞包括：石墨烯、石墨、超級(jí)電容器、電極材料、graphe#e+、graphite+、super 1w capactor+、electrode material+。檢索涉及的分類號(hào)集中在H01B、H01M以及H01G@幾個(gè)小類中。

3 技術(shù)主題分析

3.1 全球石墨烯基超級(jí)電容器電極材料專利申請趨勢

全球近10年的專利申請量如圖1所示，可以看出2006-2007年的申請量偏少，2008-2011年出現(xiàn)了申請量的急劇增加，2012年出現(xiàn)了申請量的最大值，2013-2014年申請量有減少的趨勢，這種現(xiàn)象可能是由于近兩年申請的專利還未完全公開，中國的申請量隨時(shí)間的變化同全球申請量變化趨勢一致。

3.2 全球主要國家及地區(qū)專利申請量分布

申請量最多的是中國，占這一領(lǐng)域申請的59.48%，可以看出中國在儲(chǔ)能材料領(lǐng)域占有絕對優(yōu)勢；其次是美國，而WO及其他國家對石墨烯基超級(jí)電容器電極材料這一領(lǐng)域的研究力量投入尚不多，研發(fā)實(shí)力較薄弱。

3.3 全球重要申請人分析

國內(nèi)的海洋王照明科技股份有限公司、中國科學(xué)院金屬研究所、美國的JANG B Z個(gè)人、三星電子有限公司、浙江大學(xué)的申請量排名比較靠前。

海洋王照明科技股份有限公司在石墨烯基超級(jí)電容器電極材料領(lǐng)域投入了較多的研究力量，該公司在石墨烯基超級(jí)電容器電極材料的研究方向根據(jù)電極材料的種類主要分為：特殊原子摻雜的石墨烯或石墨烯材料、石墨烯-碳材料、石墨烯-聚合物、石墨烯-金屬材料等。（JANG-I） JANG B Z作為美國具有代表性的個(gè)人申請，其在石墨烯的制備，石墨烯、氧化石墨烯作為超級(jí)電容器電極材料以及超級(jí)電容器的成品組裝方面進(jìn)行了一系列研究。三星電子有限公司其研究重點(diǎn)在于石墨烯材料的微觀調(diào)控、超級(jí)電容器的組裝以及工業(yè)化應(yīng)用方面，可以看出國外公司的研究更注重石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

3.4 石墨烯基電極材料的研究發(fā)展趨勢

石墨烯基超級(jí)電容器電極材料的研究起初，最核心技術(shù)在于石墨烯的制備。石墨烯基超級(jí)電容器電極材料的研究第二階段為一元石墨烯基超級(jí)電容器電極材料，是指直接將石墨烯或者改性后的石墨烯作為超級(jí)電容器電極材料。石墨烯基超級(jí)電容器電極材料的研究第三階段為二元石墨烯復(fù)合電極材料，是將石墨烯與導(dǎo)電聚合物、金屬、碳材料等進(jìn)行復(fù)合之后形成電極材料。石墨烯基超級(jí)電容器電極材料最近的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)在三元石墨烯電極材料的制備和性能研究。

早期的石墨烯的制備研究階段，美國發(fā)揮著主導(dǎo)作用。中國在隨后也開始了不同微觀形狀的石墨烯的制備，包括球狀、三維多孔狀、單層以及多層石墨烯材料。一元石墨烯電極材料的研究中，美國依然是先驅(qū)者。隨后，美國、韓國、日本的研究熱點(diǎn)從材料轉(zhuǎn)向超級(jí)電容器、電池的組裝以及商業(yè)化應(yīng)用。中國的研究熱點(diǎn)依然停留在材料性能的改進(jìn)方向，在二元、三元復(fù)合材料研究中，大部分為中國申請。

4總結(jié)和展望

石墨烯基電極材料是一種新興儲(chǔ)能材料，根據(jù)我國的形勢，石墨烯基儲(chǔ)能材料必然得到更廣泛的用途。石墨烯基儲(chǔ)能領(lǐng)域的發(fā)展，應(yīng)該基于電極材料的性能提升和工業(yè)化兩方面著手。通過合理的改性和拓展新用途，達(dá)到一定有益效果，并且能夠投入工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)該是現(xiàn)在超級(jí)電容器電極材料的主流發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

石墨烯材料范文第4篇

Abstract：A polyaniline fibers （PANIF）/ reduced graphene oxide （rGO） composite was synthesized by using selfassembly of PANIF and GO followed by hydrothermal reaction. The morphology and structure of samples were characterized with scanning electron microscopy （SEM）， Fourier transform infrared spectrometer （FTIR）and Xray diffraction （XRD）.The electrochemical properties were characterized with cyclic voltammetry （CV）， galvanostatic charge/discharge（GCD） and electrochemical impedance spectrum（EIS）. It showed that the rGO was homogeneously coated on the surfaces of PANIF， and a high specific capacitance of 517 F/g （based on PAGO10 composite） was obtained at a current density of 1 A/g， compared with 378 F/g for PANIF. Most of all， a high specific capacitance of 356 F/g was obtained at a current density of 10 A/g， compared with 107 F/g for PANIF.

Key words：selfassembly process； polyaniline fiber； graphene oxide； hydrothermal reaction； supercapacitors

石墨烯是一種二維單原子層碳原子SP2雜化形成的新型碳材料，因其非凡的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性[1-2]、極好的機(jī)械強(qiáng)度、較大的比表面積[3]等特性，引起了國內(nèi)外研究者極大的關(guān)注.石墨烯已經(jīng)被探索應(yīng)用在電子和能源儲(chǔ)存器件[4]、傳感器[5]、透明導(dǎo)電電極[6]、超分子組裝[7]以及納米復(fù)合物[8]等領(lǐng)域中.而rGO因易聚集或堆疊而導(dǎo)致電容量較低（101 F/g）[9]，這限制了其在超級(jí)電容器電極材料領(lǐng)域的應(yīng)用.

另一方面，PANI作為典型的導(dǎo)電高分子之一，由于合成容易，環(huán)境穩(wěn)定性好和導(dǎo)電性能可調(diào)等特性備受關(guān)注.具有納米結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電材料，由于納米效應(yīng)不但能提高材料固有性能，并開創(chuàng)新的應(yīng)用領(lǐng)域.PANI納米結(jié)構(gòu)的合成取得了許多的成果.PANI作為超級(jí)電容器電極材料因具有高的贗電容，其電容量甚至可高達(dá)3 407 F/g[10]；然而，當(dāng)經(jīng)過多次充放電時(shí)PANI鏈因多次膨脹和收縮而降解導(dǎo)致其電容損失較大.碳材料具有高的導(dǎo)電性能和穩(wěn)定的電化學(xué)性能，為了提高碳材料的電化學(xué)電容和PANI電化學(xué)性能的穩(wěn)定性，人們把納米結(jié)構(gòu)的PANI與碳材料復(fù)合以期獲得電容較高且穩(wěn)定的超級(jí)電容器電極材料[11].

作為新型碳材料的石墨烯和PANI的復(fù)合引起了極大的關(guān)注[12].但是用Hummers法合成的GO直接與PANI復(fù)合構(gòu)建PANI/GO復(fù)合電極因?qū)щ娐实投仨氝€原GO，化學(xué)還原劑的加入雖然還原了部分GO而提高了導(dǎo)電性能，但也在一定程度上鈍化了PANI [13]，另外排除還原劑又對環(huán)境造成一定程度的污染.因而開拓一條簡單且環(huán)境友好的制備PANI/rGO復(fù)合材料作為超級(jí)電容器的電極路線仍然是一個(gè)難題.

基于以上分析，首先使PANI和GO相互分散和組裝，借助水熱反應(yīng)這一綠色環(huán)境友好的還原方法制備PANI/rGO復(fù)合材料，以期獲得高性能的超級(jí)電容器電極材料.

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1原材料

苯胺（AR， 國藥集團(tuán)），經(jīng)減壓蒸餾后使用；氧化石墨烯（自制）；過硫酸銨（APS， AR， 湖南匯虹試劑）；草酸（OX， AR， 天津市永大化學(xué)試劑）；十六烷基三甲基溴化銨（CTAB， AR， 天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所）.

1.2PANIF的制備

PANIF的制備按我們先前提出的方法 [14]，制備過程如下：把250 mL去離子水加入三口燒瓶后，依次加入1.82 g CTAB，0.63 g 草酸以及0.9 mL苯胺，在12 ℃水浴上攪拌8 h；隨后，往上述溶液中一次性加入20 mL含苯胺等量的過硫酸銨水溶液，同樣條件下使反應(yīng)保持7 h.所制備的樣品用大量去離子水洗滌至濾液為中性，隨后30 ℃真空干燥24 h.

1.3GO的制備

采用Hummers法制備GO，具體過程如下：向干燥的2 000 mL三口燒瓶（冰水?。┲屑尤?0 g天然鱗片石墨（325目），加入5 g硝酸鈉固體，攪拌下加入220 mL濃硫酸，10 min后邊攪拌邊加入30 g高錳酸鉀，在冰水浴下攪拌120 min，再將三口燒瓶移至35 ℃水浴中攪拌180 min，然后向瓶中滴加460 mL去離子水，同時(shí)將水浴溫度升至95 ℃，保持95 ℃攪拌60 min，再向瓶中快速滴加720 mL去離子水，10 min后加入80 mL雙氧水，過10 min后趁熱抽濾.將抽干的濾餅轉(zhuǎn)移到燒杯中，加大約800 mL熱水及200 mL濃鹽酸，趁熱抽濾，隨后用大量去離子水洗滌直至中性.所得產(chǎn)品邊攪拌邊超聲12 h后5 000 r/min下離心10 min，得氧化石墨烯溶液.

1.4PANIF/rGO復(fù)合材料制備

按照一定比例將含一定量的PANIF液與一定量的6.8 mg/mL 的GO溶液混合，使混合液總體積為30 mL， GO在混合液中的最終濃度為0.5 mg/ mL，磁力攪拌10 min后，將混合液轉(zhuǎn)移到含50 mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱反應(yīng)，在180 ℃保溫3 h；待反應(yīng)釜自然冷卻至室溫后取出，用去離子水洗滌產(chǎn)物直至洗液無色后，于60 ℃真空干燥24 h，待用.按照上述步驟制備的PANIF與GO的質(zhì)量比分別為5，10以及15，相應(yīng)命名為PAGO5，PAGO10和PAGO15，對應(yīng)的PANIF質(zhì)量為75 mg，150 mg和225 mg.

1.5儀器與表征

用日本日立公司S4800場發(fā)射掃描電鏡（SEM）分析樣品的形貌；樣品經(jīng)與KBr混合壓片后，用Nicolet 5700傅立葉紅外光譜儀進(jìn)行紅外分析；用德國Siemens公司Xray衍射儀進(jìn)行XRD分析；電化學(xué)性能測試使用上海辰華CHI660c電化學(xué)工作站.

電極制備和電化學(xué)性能測試：將活性物質(zhì)（PANIF或PANIF/rGO）、乙炔黑以及PTFE按照質(zhì)量比85∶10∶5混合形成乳液，將其均勻地涂在不銹鋼集流體上，在10 MPa壓力下壓片，之后烘干得工作電極.在電化學(xué)性能測試過程中，使用飽和甘汞電極（SCE）作為參比電極，鉑片（Pt）作為對電極，在三電極測試體系中使用1 M H2SO4作為電解液進(jìn)行電化學(xué)測試，電勢窗為-0.2～0.8V.

比電容計(jì)算依據(jù)充放電曲線，按式（1）[15]計(jì)算：

Cs=iΔtΔVm.（1）

式中：i代表電流，A；Δt代表放電時(shí)間，s；ΔV代表電勢窗，V；m代表活性物質(zhì)質(zhì)量，g.

2結(jié)果與討論

2.1形貌表征

圖1為PANIF和PAGO10形貌的SEM圖.低倍的SEM（圖1（a））顯示所制備PANIF為大面積的納米纖維網(wǎng)絡(luò)；高倍的圖1（b）清晰地顯現(xiàn)該3D納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)含許多交聯(lián)點(diǎn).PANIF和PAGO10混合液經(jīng)過水熱反應(yīng)后，從低倍的SEM（圖1（c））可以看出，PAGO10復(fù)合物具有交聯(lián)孔狀結(jié)構(gòu)；提高觀察倍數(shù)（圖1（d）和圖1（e））后可以發(fā)現(xiàn)樣品中rGO 與PANIF共存；而高倍的圖1（d）清晰地顯示出了rGO與PANIF緊密結(jié)合，且合成的褶皺rGO因?qū)訑?shù)較少而能觀察到其遮蓋的PANIF.從圖1可知：成功合成了大面積的PANIF以及互相均勻分散的PANIF/rGO復(fù)合材料.

2.2FTIR分析

圖2為PANIF，GO以及PAGO10 3種樣品的FTIR圖.圖2中a曲線在1 581 cm-1，1 500 cm-1，1 305 cm-1，1 144 cm-1，829 cm-1等波數(shù)處展現(xiàn)的尖銳峰為PANI的特征峰，它們分別對應(yīng)醌式結(jié)構(gòu)中C=C雙鍵伸縮振動(dòng)、苯環(huán)中C=C雙鍵伸縮振動(dòng)、C-N伸縮振動(dòng)峰、共軛芳環(huán)C=N伸縮振動(dòng)、對位二取代苯的C-H面外彎曲振動(dòng).圖2中b曲線為GO的紅外譜圖，在3 390 cm-1， 1 700 cm-1的峰分別對應(yīng)-COOH中的O-H，C=O鍵振動(dòng)，1 550～1 050 cm-1范圍內(nèi)的吸收峰代表COH/ COC中的C-O振動(dòng)[16]，可以看出，GO中存在大量的含氧官能團(tuán).圖2中c曲線為PAGO10復(fù)合物紅外吸收譜圖，與GO，PANIF譜圖比較， 可以發(fā)現(xiàn)PAGO10中的GO特征峰不太明顯而PANI的特征峰全部出現(xiàn)，這個(gè)結(jié)果歸結(jié)于GO含量少以及GO經(jīng)水熱反應(yīng)后形成了rGO，另外也表明水熱反應(yīng)對PANI品質(zhì)無大的影響.

2.4電化學(xué)性能分析

圖4為樣品的CV曲線，其中圖4（a）為不同樣品在1 mV/s掃描速率下的CV圖，可以看出，4個(gè)樣品均出現(xiàn)明顯的氧化還原峰，這歸因于PANI摻雜/脫摻雜轉(zhuǎn)變，表明PANIF以及復(fù)合物顯示出優(yōu)良的法拉第贗電容特性.圖4（b）為PAGO10在不同掃描速率下的CV曲線，由圖可知PAGO10電極的比電容隨著掃描速率減小而穩(wěn)步增加，在掃描速率為1 mV/s時(shí)，PAGO10電極的比電容為521.2 F/g.

圖5為PANI，PAGO5，PAGO10和PAGO15的充放電曲線以及交流阻抗圖.圖5（a）為電流密度為1 A/g時(shí)樣品的放電曲線圖，由圖可知：4種樣品均有明顯的氧化還原平臺(tái)，這與前述CV分析中的結(jié)果相吻合.根據(jù)充放電曲線，借助式（1），計(jì)算了4種樣品在不同電流密度下的比電容，結(jié)果如圖5（b）所示，很明顯，相同電流密度下PAGO10比電容最大，當(dāng)電流密度為1 A/g時(shí)，其比電容為517 F/g，這個(gè)結(jié)果表明PAGO10的電化學(xué)性能明顯優(yōu)于PANI/石墨烯微球和3D PANI/石墨烯有序納米材料（電流密度為0.5 A/g時(shí)，比電容分別為 261和495 F/g）[18-19]， 而PANIF比電容最小，僅為378 F/g；且在10 A/g電流密度下PAGO10的比電容仍保持在356 F/g 左右，這表明PAGO10電極具有優(yōu)異的倍率性能.該復(fù)合材料比電容以及倍率性能得到極大提高源于rGO與PANIF兩組分間的協(xié)同效應(yīng).在充放電過程中連接在PANIF間的rGO為電子轉(zhuǎn)移提供了高導(dǎo)電路徑；同時(shí)，緊密連接在rGO上的PANIF有效阻止水熱還原過程中石墨烯的團(tuán)聚，增加了電極/電解質(zhì)接觸面積，從而提高了PANIF的利用率而使得容量增加.

為了更清晰地了解所制備材料的電子轉(zhuǎn)移特點(diǎn)以及離子擴(kuò)散路徑，對樣品進(jìn)行了交流阻抗測試，圖5（c）為4個(gè)樣品的Nyquist圖.從圖5（c）可知：在高頻區(qū)、低頻區(qū)均分別具有阻抗弧半圓、頻響直線.在高頻區(qū)，電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct大小順序?yàn)镽PAGO5

值說明rGO的加入提高了電極材料的導(dǎo)電性.在低頻區(qū)，直線形狀反映了樣品電化學(xué)過程均受擴(kuò)散控制，并且PAGO5所展現(xiàn)的直線斜率最大，說明其電容行為最接近理想電容，即頻響特性最好，這也是源于rGO的加入提高了材料導(dǎo)電性以及復(fù)合物的獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu).

氧化還原反應(yīng)的發(fā)生，導(dǎo)致PANIF具有十分高的贗電容，但由于在大電流充放電過程中高分子鏈重復(fù)膨脹和收縮，導(dǎo)致其循環(huán)穩(wěn)定性差而限制了其實(shí)際應(yīng)用.為此，對ANIF和PAGO10進(jìn)行循環(huán)穩(wěn)定性分析.圖6顯示，PAGO10在5 A/g電流密度下經(jīng)過1 000次充放電后，電容保持率為77%，而不含rGO的PANIF電極在2 A/g電流密度下充放電1 000次電容保持率僅為54.3%，這個(gè)結(jié)果表明PANIF循環(huán)穩(wěn)定性較差；另外，rGO的加入形成的PANIF/rGO緊密的連接，降低了PANI鏈在充放電過程中的膨脹與收縮，使得鏈段不容易脫落或者斷裂，從而PAGO10具有出色的循環(huán)穩(wěn)定性.

石墨烯材料范文第5篇

關(guān)鍵詞：失效分析；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；科學(xué)技術(shù)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）01-0238-02

隨著人類文明的進(jìn)步、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用與維修上技術(shù)的改進(jìn)，使產(chǎn)品的可靠性日益提高。但產(chǎn)品的自動(dòng)化程度越高，技術(shù)愈密集，一旦出現(xiàn)失效造成的損失就愈嚴(yán)重。因此，“質(zhì)量第一”將成為工程界永恒遵循的原則。任何產(chǎn)品失效或出現(xiàn)質(zhì)量問題都可以追溯到某些零構(gòu)件或某些另構(gòu)件的失效，失效是由于構(gòu)成零件的材料的損傷和變質(zhì)引起的。也就是說材料在使用條件下性能發(fā)生了變化，不再能適應(yīng)使用的要求。為了適應(yīng)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的需要，契合學(xué)校培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型工程技術(shù)人才的宗旨，我院根據(jù)國家本科生培養(yǎng)計(jì)劃，結(jié)合我校專業(yè)發(fā)展方向于2010年新設(shè)置了《材料失效分析》這門學(xué)科基礎(chǔ)選修課。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和能力方面具有其他教學(xué)環(huán)節(jié)不可替代的作用，正確認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對人才培養(yǎng)的作用，將對提高高等學(xué)校培養(yǎng)人才的質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是依據(jù)一定的教學(xué)理論，為完成教學(xué)目標(biāo)規(guī)定的教學(xué)任務(wù)，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中的計(jì)劃、大綱、教材、教師、學(xué)生、儀器設(shè)備、場地、時(shí)間等因素進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)和組合，從而形成相對穩(wěn)定的內(nèi)在組織結(jié)構(gòu)及程序和方法的有效教學(xué)形式。以下是我院在材料失效分析實(shí)驗(yàn)課教學(xué)過程中的幾點(diǎn)建議。

一、精心設(shè)計(jì)一些綜合性強(qiáng)、有代表性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程

通過對實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書不斷修訂、完善，將內(nèi)容舊的失效實(shí)驗(yàn)刪掉，對經(jīng)典的失效實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行更新改造予以保留，使其內(nèi)容和方法具有新穎性、綜合性和應(yīng)用性，同時(shí)增設(shè)一些內(nèi)容新、綜合性強(qiáng)、反映現(xiàn)代科技發(fā)展的失效分析實(shí)際案例作為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。做到實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與其他課程教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合，使學(xué)生體會(huì)到本專業(yè)各門課程之間的相互聯(lián)系，避免學(xué)生只為了單獨(dú)的學(xué)習(xí)這門課而學(xué)習(xí)，考試后便忘了大部分所學(xué)的情況出現(xiàn)?，F(xiàn)在我院的材料失效分析課程中的實(shí)驗(yàn)課時(shí)為2學(xué)時(shí)，內(nèi)容為“金屬材料的典型斷口分析”；建議增設(shè)2個(gè)學(xué)時(shí)的“典型磨損失效分析實(shí)驗(yàn)”，包括粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損等常見的磨損形式；另外，可將鋼的腐蝕失效實(shí)驗(yàn)作為選修實(shí)驗(yàn)，有興趣的同學(xué)可以隨老師去實(shí)驗(yàn)室親自動(dòng)手自己做分析。學(xué)生可以在此過程中體會(huì)到親自參與的樂趣，也就沒有枯燥、無聊的感覺。

二、實(shí)驗(yàn)課以學(xué)生為中心，調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性

以前的材料失效分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)在實(shí)施中存在諸多問題，其中一個(gè)問題就是缺乏對學(xué)習(xí)的主體——學(xué)生的實(shí)驗(yàn)心理需求的研究。也就是說，教師往往根據(jù)教學(xué)和應(yīng)試的要求，少有考慮到學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的喜好與厭惡的心理需求，來安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)。以至于在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中充斥著被動(dòng)的、機(jī)械的、乏味的、缺少探究性的教學(xué)模式。我們認(rèn)為，要有效發(fā)揮失效分析實(shí)驗(yàn)在知識(shí)與技能等方面的教學(xué)功能，實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)當(dāng)研究學(xué)生的心理需求。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)和改革中必須強(qiáng)化學(xué)生的中心地位，以學(xué)生為中心就要突出學(xué)生的獨(dú)立人格，培養(yǎng)加強(qiáng)學(xué)生的個(gè)性發(fā)展，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，采取分組實(shí)驗(yàn)形式。實(shí)驗(yàn)前，老師可以先把實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容當(dāng)作課下作業(yè)安排下去，讓學(xué)生小組先對某個(gè)或某種失效模式的分析進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后到實(shí)驗(yàn)課去具體實(shí)施。真正做到還給學(xué)生實(shí)驗(yàn)探索空間，由靜態(tài)變?yōu)閯?dòng)態(tài)，由獨(dú)立變?yōu)楹献?，由觀察者變?yōu)樘剿髡撸蓡渭儎?dòng)腦變?yōu)槭帜X并用，調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性。實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中對實(shí)驗(yàn)的具體做法、使用的儀器設(shè)備不做硬性規(guī)定，可以提出一些設(shè)備供學(xué)生進(jìn)行失效分析實(shí)驗(yàn)課選擇。當(dāng)然實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)也不限于某一個(gè)具體房間。這樣便于因地制宜開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，便于提出不同實(shí)驗(yàn)方法，有利于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使師生更注重實(shí)驗(yàn)的科學(xué)思想，而不是記憶實(shí)驗(yàn)器材、步驟等條文，不過分強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確和操作技能，而是更注重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思想更能提高學(xué)生的心智技能。

三、教師提供必要的指導(dǎo)，采取學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

實(shí)驗(yàn)雖然以學(xué)生為主體，但教師可根據(jù)學(xué)生的具體需要，提供有針對性的指導(dǎo)或建議。教師要為學(xué)生創(chuàng)設(shè)良好的學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)問題情境，激發(fā)學(xué)生提出問題，提供多樣化的信息來源，學(xué)生應(yīng)認(rèn)識(shí)到自己擁有解決問題的自，通過獨(dú)立探究、合作學(xué)習(xí)等方式，努力使自己成為知識(shí)的積極建構(gòu)者，逐步提高自控能力，學(xué)會(huì)自主學(xué)習(xí)。這無疑對該課程下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有實(shí)際的合乎實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)的指導(dǎo)意義。在此過程中學(xué)生運(yùn)用已有的知識(shí)和技能，充當(dāng)新知識(shí)的探索者和發(fā)現(xiàn)者的角色，通過自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自己摸索操作方法，自主擬定實(shí)驗(yàn)步驟，自行探究實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并通過評價(jià)與交流，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)、能力與態(tài)度的和諧發(fā)展。這是一種以自主學(xué)習(xí)為核心，以探究為主線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。探究過程中問題的提出、實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的制定、實(shí)驗(yàn)證據(jù)的獲得、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)論的確定缺一不可。但是，學(xué)生這種自主探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式并不是固定、刻板的模式，只要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中能體現(xiàn)自主性和探究性就可以。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式有很多優(yōu)點(diǎn)：充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)積極性，實(shí)驗(yàn)過程中變“要我學(xué)”為“我要學(xué)”，使學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課產(chǎn)生濃厚的興趣，從而激發(fā)學(xué)生的求知欲，等等。

四、去失效分析現(xiàn)場或?qū)嶒?yàn)室考查參觀加深對實(shí)驗(yàn)的理解

本課程是一門理論與實(shí)踐結(jié)合性較強(qiáng)的課程。講課過程可引入較多的工程實(shí)例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。采用多媒體教學(xué)，可以將工程實(shí)例中的失效現(xiàn)象通過圖片、動(dòng)畫、聲音等多媒體進(jìn)行再現(xiàn)，便于學(xué)生理解。對于在學(xué)習(xí)過程中涉及到的工程實(shí)踐方面的內(nèi)容，在時(shí)間和場地允許的情況下使學(xué)生能接觸1～2個(gè)工程失效分析案例，除了課堂上所舉的例子外，去失效分析現(xiàn)場或?qū)嶒?yàn)室考查，都將深化學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解，進(jìn)一步鞏固教學(xué)效果。現(xiàn)場調(diào)查的目的是進(jìn)一步了解與失效產(chǎn)品有關(guān)的背景資料和現(xiàn)場情況。但是背景資料和現(xiàn)場情況是極其豐富和復(fù)雜的，而用來調(diào)查的力量和時(shí)間往往是有限的。因此，必須在盡可能短的時(shí)間內(nèi)獲得分析必需的材料，這就要有重點(diǎn)、有目的地進(jìn)行調(diào)查研究，這也是去現(xiàn)場考查的局限性所在。除此之外，還要消耗一定的人力、物力和財(cái)力。所以，建議這一實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)可以和畢業(yè)實(shí)習(xí)結(jié)合起來共同進(jìn)行。

通過以上幾方面實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索，希望建立一種材料失效分析課程新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，既能體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，又符合人才培養(yǎng)的時(shí)代要求。

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