新材料作文结构

新材料作文结构（精选8篇）

1.新材料作文结构 篇一

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材料作文结构五步法

作者：秦振峰

来源：《语文教学与研究(教研天地)》2005年第08期

古人云：“文无定法。”但我认为，对于初学材料作文写作者来说，有比没有好。经过长期的教学实践，我总结出了行之有效的材料作文结构的基本框架，即“材料作文结构五步法”，我认为这不失为材料作文的最佳构建。

一步“摘”，就是摘引原材料。在根据原材料进行构思、立意之后，就要依据材料所提供的有效信息，进行梳理、筛选、归类、理出行文思路。摘引的过程，是去粗取精的过程。“摘”要详略得宜，以能引出话题或中心论点为目的。摘是摆出论点的前提和准备。

二步“摆”，即摆出中心论点。就是在对所摘材料进行定向分析的基础上摆出中心论点。对原材料的分析可以多方面、多层次、多角度进行。既可以抓住一点生发开去立意成文；也可以从总体上分析把握而确定论点或议论话题；还可以逆向思维、出奇制胜，不落俗套。我曾给学生布置过这样一道材料作文题：

路旁有一个哑人卖菜刀。他将铁丝放在钢板上，拿起菜刀象切韭菜一样，将铁丝嚓嚓切断。然后扬起刀让顾客看，刀却完好无损。在惊叹声中，围观者你买一把，我买一把，不一会儿，刀卖完了。

仔细阅读这则材料，联系实际，自拟题目，写一篇不少于600字的议论文。大多数同学从正面立论，可也有少数同学标新立异，确立的题目是“哑人·菜刀·骗局”。显然这些同学是从虚假广告招摇撞骗的角度立意，但与正面立论相比，亦显得新颖奇特。

三步“联”，即联系实际。实质上这是选取论据论证论点的过程。学生阅历深，见识广，“联”就越自由、越丰富。例如，古今中外名人言行可以联，社会人生的轶事趣闻可以联，作者自己的生活、学习、工作中的得失感悟、经验教训也可以联。不管从何角度选取实例论证论点，都要选得典型、充分、中肯，不能重复和泛泛罗列。

四步“析”，即分析议论。这是“联”的深化。这一步非常重要，中学生议论文写不好，原因就在于缺乏深刻的入情入理的分析议论。正确的做法是，在联的过程中要挖掘，挖掘越深，分析越透，文章才越能服人。特别是大部分事实论据，其思想内蕴非常丰富，往往是多层次的，立体感的。惟有深入挖掘论据所包含的深刻含义，才能真正起到证明中心论点的作用。

五步“结”，即归结照应，收束全文。这一部分要做到水到渠成，自然贴切；最忌画蛇添足或虎头蛇尾。结尾要短促有力；或要言不烦，照应材料或题目；或提出希望感召读者；或深化论点画龙点睛。

2.新材料作文结构 篇二

兰本达教授对材料有一段论述:材料的种类和组合以及交给孩子们的次序就是材料的结构。所谓结构严密, 指的是各个材料之间、材料与教学内容和教学目标之间具有紧密联系, 因此, 具有这样功能的材料叫做具有严密结构的材料, 简称“有结构的材料”。有结构的材料有利于集中学生的注意力, 激发学习兴趣, 提高学生学习的自觉性和积极性, 激励学生主动探索、锲而不舍的求知欲望;有利于帮助学生在科学实践和探究活动过程中建构认识, 学习和掌握知识, 形成科学概念;可以有效地帮助学生学习和理解教材中的知识重点和难点, 提高学生学习效率。在小学科学教学中, 让学生参与材料的准备工作, 让材料提前介入学生的学习与生活, 是丰富学生认识、激发学生学习热情的有效方法。

摘自《科学课》/管建林文

3.走进低结构材料 篇三

小班幼儿会玩低结构材料？你可能会认为：不可能吧，他们还是以平行游戏为主呢！多年的经验告诉我，首先，小班孩子以直觉行动思维为主，他们喜欢直观、形象的材料。其次，具有情境性、趣味性的游戏材料呈现更能激发幼儿的角色意识。例如：娃娃家的基本件——锅碗瓢盆、各种蔬菜等等。其三，游戏材料以高结构为主，低结构为辅。这些经验成为我们对小班游戏的一个固化解读。

本学期，我尝试提供10种材料，解决3个问题，观察4个月份来解读小班幼儿对低结构材料的使用情况、使用能力以及潜在可能。

一、投放10种低结构材料

伸缩铝箔管、剪开成段的防撞条、粗的彩色吸管、圆形原木片、粗的扭扭棒、仿真树叶、方形镂空木盘片、塑料泡沫飞盘、超大号毛绒球、布垫子。

选择材料时遵循的原则是：

（1）喜欢捏捏摸摸抱抱的感知觉，材料多为柔软材质；

（2）色彩上要鲜亮缤纷；

（3）尺寸上不能太小太细，要略为夸张；

（4）具有多功能性，能操作、能制作、能摆弄；

（5）可以简易变形、再塑性的；

（6）原生态的自然物的。

二、解决3个疑问

1.小班幼儿是否有能力去使用低结构材料？

2.小班低结构材料在每一次游戏中使用的频率是高频还是偶发？

3.小班幼儿对低结构材料的认同是普遍性的，还是局限于小群体幼儿？

三、观察4个月份

我们于2015年3～6月份对小（一）班26名幼儿的低结构材料使用情况进行了详细的观察，报告如下：

（一）三月

1.观察要点。

材料投放快一个月的时间，教师没有做任何介绍和引导，就放在教室的一个角落，这一个月没有人去碰，偶尔有几个好奇者走近看一看就离开了；10种材料中，幼儿首次使用的是大号毛绒球。

2.解读。

小班幼儿一开始对低结构材料兴趣不大；第一次使用毛绒球是因为上学期有用毛绒球的经验；生活经验是游戏开展的必要因素。

（二）四月

1.观察要点。

游戏动物园是低结构材料正式出现的处女地，而并非是娃娃家；月初，孩子们开始使用垫子做桌子，放上飞盘做盘子，用防撞条和树叶做食物喂给小动物吃；月中才渐渐迁移到了娃娃家，开始用防撞条做意大利面。

2.解读。

娃娃家的高结构材料相对丰富，幼儿可选择的品种多，而动物园相对而言自制的材料就丰富一些；小动物的食物也是用低结构材料制作的；小玩家们在经验上容易迁移和同化。

（三）五月

1.观察要点。

防撞条被大量使用：公园里做烧烤的肉、娃娃家里烧菜、甜甜屋里的油条、开车的警察叔叔拿的“薯条”等。

一天，一个小朋友用伸缩铝箔管变成了娃娃家的魔术杯后，这个材料迅速成了新宠儿，几乎每天都有人手里拿着它。

低结构材料的使用，幼儿是一样一样来摆弄的，每一种材料都是由1～2名幼儿起头，然后迅速模仿并风靡全班。

这样的模仿无需老师的游戏分享，孩子们看到就会自己跑去百宝箱如法炮制。

2.解读。

小班的强大模仿力帮助孩子之间高效快速地分享游戏新行为，特别是源自于幼儿本身的发明，很容易获得同伴的认同感。

（四）六月

1.观察要点。

材料运用进入高发期，孩子们在短短一个月里迅速出现了各种新行为，甚至有组合式的运用，具体看《材料使用情况表》，最热门的四种材料是扭扭棒、铝箔管、木盘片、仿真树叶。

2.解读。

我们常觉得是自己给予孩子游戏的可能，而事实是孩子们分分秒秒给我们带来新的惊喜。

从游戏状态来看，老师的预估与幼儿的实际使用差距太大，儿童的想象力远远高于成人的眼界。

经过一段时间的经验积累，我们不能说孩子对什么材料更喜欢，但能证明可变化的材料往往可玩性更高。

低结构材料的经验是要积累的，厚积而薄发。

教师认同式的参与无形中给了孩子支持的力量。

四、我们的思考

四个月的观察，让我们陷入了思考，最终又豁然开朗了起来。我们有如下体会：

小班自主性游戏一样具有低结构材料的使用能力。

小班与中大班的差别在于，中大班有能力对低结构材料进行再创造，而小班更多的是替代行为，通常是形状、颜色、功能的水平迁移，但他们乐此不疲。

小班的强模仿性和原发性让低结构材料高频使用，并面向全体。

往往呈现出个别幼儿先发明，然后人人效仿的模式。

玩法上，小班幼儿与成人的思维有很大的不同，例如：铝管变彩虹、木片变钢琴、游泳圈顶在头上就是在游泳等等，童趣十足。

五、我们的建议

在材料上，我们的建议是：可收缩、能变换长短、弯曲塑性强、色彩艳丽、个头较大的材料更能帮助小班幼儿产生创造性行为。

在教师的助推上，我们的建议是：

游戏推进时，老师不宜示范过早，幼儿自主探究在前，老师后续跟进、补充为宜；

参与游戏、分享游戏是帮助小班幼儿梳理思路、共享经验的重要平台，教师的认同能为幼儿自信心和原动力增色添彩。

游戏分享时，要尊重孩子自发的意愿，呵护幼儿原始摆弄材料的创造性，因为游戏是孩子的游戏，材料是孩子的材料。

总之，在自主性游戏中，材料的高低结构使用上其实是无形中转换的，但当低结构材料在小班游戏中开始大放异彩的时候，请让我们也一起跟上他们欢乐的步伐。套用时下的一句流行语就是：让我们一起玩耍！

4.功能材料与结构材料的区别 篇四

具有除力学性能以外的其他物理性能的特殊材料。

功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料

功能材料是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，还对我国相关传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用。功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用，它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。在全球新材料研究领域中，功能材料约占 85 %。我国高技术(863)计划、国家重大基础研究[973]计划、国家自然科学基金项目中均安排了许多功能材料技术项目（约占新材料领域70%比例），并取得了大量研究成果。

新型功能材料国外发展现状

当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如超导材料、微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料及材料的分子、原子设计等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。超导材料

以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体成像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；SQUID作为超导体弱电应用的典范已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用，其灵敏度是其它任何非超导的装置无法达到的。但是，由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使用，因而严重地限制了低温超导应用的发展。

高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用温度从液氦（4.2K）提高到液氮（77K）温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大的方便。另外，高温超导体都具有相当高的上临界场[H c2(4K)>50T]，能够用来产生20T以上的强磁场，这正好克服了常规低温超导材料的不足之处。正因为这些由本征特性Tc、Hc2所带来的在经济和技术上的巨大潜在能力，吸引了大量的科学工作者采用最先进的技术装备，对高Tc超导机制、材料的物理特性、化学性质、合成工艺及显微组织进行了广泛和深入的研究。高温氧化物超导体是非常复杂的多元体系，在研究过程中遇到了涉及多种领域的重要问题，这些领域包括凝聚态物理、晶体化学、工艺技术及微结构分析等。一些材料科学研究领域最新的技术和手段，如非晶技术、纳米粉技术、磁光技术、隧道显微技术及场离子显微技术等都被用来研究高温超导体，其中许多研究工作都涉及了材料科学的前沿问题。高温超导材料的研究工作已在单晶、薄膜、体材料、线材和应用等方面取得了重要进展。

生物医用材料

作为高技术重要组成部分的生物医用材料已进入一个快速发展的新阶段，其市场销售额正以每年16%的速度递增，预计20年内，生物医用材料所占的份额将赶上药物市场，成为一个支柱产业。生物活性陶瓷已成为医用生物陶瓷的主要方向；生物降解高分子材料是医用高分子材料的重要方向；医用复合生物材料的研究重点是强韧化生物复合材料和功能性生物复合材料，带有治疗功能的HA生物复合材料的研究也十分活跃。

能源材料

太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点，IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50%用于储氢技术。固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等，都是目前研究的热点。

生态环境材料

生态环境材料是20世纪90年代在国际高技术新材料研究中形成的一个新领域，其研究开发在日、美、德等发达国家十分活跃，主要研究方向是：①直接面临的与环境问题相关的材料技术，例如，生物可降解材料技术，CO 2 气体的固化技术，SOx、NOx催化转化技术、废物的再资源化技术，环境污染修复技术，材料制备加工中的洁净技术以及节省资源、节省能源的技术；②开发能使经济可持续发展的环境协调性材料，如仿生材料、环境保护材料、氟里昂、石棉等有害物质的替代材料、绿色新材料等；③材料的环境协调性评价。

智能材料

智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破，如英国宇航公司在导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间，仅为10分钟；在压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料在航空上的应用取得大量创新成果。

国内功能材料发展的现状和差距

我国非常重视功能材料的发展，在国家攻关、“ 863”、“973”、国家自然科学基金等计划中，功能材料都占有很大比例。在“九五”“十五”国防计划中还将特种功能材料列为“国防尖端”材料。这些科技行动的实施，使我国在功能材料领域取得了丰硕的成果。在“863”计划支持下，开辟了超导材料、平板显示材料、稀土功能材料、生物医用材料、储氢等新能源材料，金刚石薄膜，高性能固体推进剂材料，红外隐身材料，材料设计与性能预测等功能材料新领域，取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果，在国际上占有了一席之地。镍氢电池、锂离子电池的主要性能指标和生产工艺技术均达到了国外的先进水平，推动了镍氢电池的产业化；功能陶瓷材料的研究开发取得了显著进展，以片式电子组件为目标，我国在高性能瓷料的研究上取得了突破，并在低烧瓷料和贱金属电极上形成了自己的特色并实现了产业化，使片式电容材料及其组件进入了世界先进行列； 高档钕铁硼产品的研究开发和产业化取得显著进展，在某些成分配方和相关技术上取得了自主知识产权； 功能材料还在“两弹一星”、“四大装备四颗星”等国防工程中作出了举足轻重的贡献。目前世界各国功能材料的研究极为活跃，充满了机遇和挑战，新技术、新专利层出不穷。发达国家企图通过知识产权的形式在特种功能材料领域形成技术垄断，并试图占领中国广阔的市场，这种态势已引起我国的高度重视。近年来，我国在新型稀土永磁、生物医用、生态环境材料、催化材料与技术等领域加强了专利保护。但是，我们应该看到，我国目前功能材料的创新性研究不够，申报的专利数，尤其是具有原创性的国际专利数与我国的地位远不相称。我国功能材料在系统集成方面也存在不足，有待改进和发展。

国内外功能材料社会经济发展需求分析 功能材料的国外需求分析

根据预测，2001年新材料技术产业在世界市场的销售额将超过4000亿美元,，其中功能材料约占75～80%。某些特种功能材料就其单项而言，其市场也是巨大的。1995年信息功能陶瓷材料及其制品的世界市场销售额已达210亿美元，预期到2010年将达到800亿美元；2000年超导材料销售额已达80亿美元,预测2010年的年销售额预计将达到600亿美元，其中高温超导电力设备的全球销售额可达50-60亿美元,到2020年，全球与超导相关的产业的产值（按1995年的价格估算）可能达到1500亿到2000亿美元，其中高温超导占60%；2010年全球钕铁硼永磁材料的市场需求量将达14.6万吨,产值达80亿美元，带动相关产业产值700亿美元；生物医用材料是一个正在迅速发展的高技术领域，目前全球生物医用材料及制品的产值超过700亿美元，美国约为400亿美元，与半导体产业相当，是美国经济中最活跃、出口量最大的6个产业之一，近年来一直保持每年20%以上的速率持续增长，预计到本世纪前十年左右,生物医用材料产业将达到药物市场的份额；随着可持续发展政策被各国政府的广泛采纳，生态环境材料的市场需求也将迅速增加，估计2010年的社会需求将高于500亿美元。可见，在全球经济中，特种功能材料无论是需求的规模，还是需求的增长速度，都是相当惊人的。

功能材料的国内需求分析

中国作为一个 12亿人口的大国，正在实施宏伟的第三步发展战略，这一根本国情加之特种功能材料在经济社会发展中的重要作用和地位，决定了我国对功能材料的需求将是巨大的。功能材料不仅是发展我国信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，而且是改造与提升我国基础工业和传统产业的基础 ,直接关系到我国资源、环境及社会的可持续发展。

我国国防现代化建设一直受到以美国为首的西方国家的封锁和禁运，所以我国国防用关键特种功能材料是不可能依靠进口来解决的，必须要走独立自主、自力更生的道路。如军事通信、航空、航天、导弹、热核聚变、激光武器、激光雷达、新型战斗机、主战坦克以及军用高能量密度组件等，都离不开特种功能材料的支撑。

我国经济的快速增长和社会可持续发展，对发展新型能源及能源材料具有迫切的需求。能源材料是发展能源技术、提高能源生产和利用效率的关键因素，我国目前是世界上能源消费增长最快的国家，同时也是能源紧缺的国家。发展电动汽车、使用清洁能源、节约石油资源等政策措施使得新型能源转换及储能材料的需求不断增加。近年来，随着电子信息技术的迅猛发展，我国便携式电器如手提电话、笔记本计算机用户每年均以超过 20%的速度增加，形成了一个对小型高能量密度电池的巨大社会需求。

随着移动通信等新一代电子信息技术的迅速崛起，作为一大批基础电子元器件技术核心的信息功能陶瓷日益成为我国发展相关高技术的需求重点。按照 5%的世界市场占有率计，2010 年我国信息功能陶瓷材料及制品的年销售额将达 300亿元人民币，对信息通讯产业发展具有举足轻重的作用。

国是一个稀土大国，其工业储量占世界总储量的 70%以上，发展稀土功能材料我国有着独特的资源优势。例如，稀土永磁材料全世界的年平均增长率为23%,而我国高达60%，1995年全球的钕铁硼永磁材料的生产总量为6000吨，其中我国为2000吨，占总量的1/3，预测2010年全球钕铁硼永磁材料的产量将达14.6万吨，产值达80亿美元,其中我国的产量将达5.4万吨，产值达20多亿美元，相关器件产值达100～150亿美元。稀土在发光、催化等领域的应用也具有广阔的市场需求。

我国西部还拥有一些储量丰富的资源，如稀土、钨、钛、钼、钽、铌、钒、锂等，有的工业储量甚至占世界总储量的一半以上，这些资源均是特种功能材料的重要原材料。研究开发与上述元素相关的特种功能材料，拓宽其应用领域，取得自主知识产权，将大幅度地提高我国相关特种功能材料及制品的国际市场竞争力，这对实现西部资源的高附加值利用，将西部的资源优势转化为技术优势和经济优势具有重要意义，将有力地支持国家的西部大开发。随着我国人民生活质量的进一步改善和提高 ,我国潜在的生物医用材料市场将很快转化为充满勃勃生机的现实市场,从而创造出巨大的社会经济效益，成为国民经济的一个支柱产业。我国已确定“在发展中解决保护，在保护环境的基础上实现持续发展”的原则，签署了有关国际公约，并通过了国家有关环境保护的法律、法规，这些都为生态环境材料需求发展创造了有利条件。发展生态环境材料，除了在社会和经济方面具有巨大的需求之外，在政治上还对我国加入 WTO，融入国际社会，提升国际地位具有重要作用。此外，生态环境材料还对我国的“科技、人文、绿色”奥运工程起着特殊的作用。

总之，在未来的五到十年，我国经济、社会及国家安全对功能材料有着巨大的需求，功能材料是关系到我国能否顺利实现第三步战略目标的关键新材料。

结构材料

1.定义

结构材料(structural material)是以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料，当然，结构材料对物理或化学性能也有一定要求，如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。建筑工程中主体结构材料有钢筋水泥 沙子石子

2.分类

现代通信、计算机、信息网络技术、集成微机械智能系统、工业自动化和家电等以电子信息技术为基础的高技术产业迅速发展，推动了系列信息功能材料的研究、发展，以及广泛应用。研制与开发具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能结构材料，是新一代高性能结构材料发展的主要方向。材料细分领域庞大复杂，涉及约70家A股上市公司。我们根据主要新材料的发展方向，将其分为金属新材料、新型无机非金属材料、高分子及复合材料三大类。

一、金属类材料

金属新材料按功能和应用领域可划分为高性能金属结构材料和金属功能材料。高性能金属结构材料指与传统结构材料相比具备更高的耐高温性、抗腐蚀性、高延展性等特性的新型金属材料，主要包括钛、镁、锆及其

合金、钽铌、硬质材料等，以及高端特殊钢、铝新型材等。金属功能材料指具有辅助实现光、电、磁或其他特殊功能的材料，包括磁性材料、金属能源材料、催化净化材料、信息材料、超导材料、功能陶瓷材料等。

在众多品种中，我们建议重点关注稀土永磁材料。与其他材料相比，稀土具有优异的光、电、磁、催化等

物理特性，近年来在新兴领域的应用急速增长，其中永磁材料是稀土应用领域最重要的组成部分，2009年永磁材料占稀土新材料消费总量的57%。在国家新兴产业政策的推动下，新能源汽车、风力发电、节能家电等领域将拉动稀土永磁材料钕铁硼磁体的需求出现爆发式增长。建议重点关注钕铁硼行业龙头中科三环、宁波韵升，以及稀土资源类企业包钢稀土、厦门钨业等。钢铁材料、稀有金属新材料、高温合金、高性能合金是属于金属类工程结构材料。①、钢铁材料和稀有金属新材料

钢铁材料提高钢材的质量、性能，延长使用周期，在钢铁材料生产中，应用信息技术改造传统的生产工艺，提高生产过程的自动化和智能化程度，实现组织细化和精确控制，提高钢材洁净度和高均匀度，出现低温轧制、临界点温度轧制、铁素体轧制等新工艺。

稀有金属新材料指高强、高韧、高损伤容限钛合金，以及热强钛合金、锆合金、难熔金属合金、钽钨合金、高精度铍材等。②、高温合金和高性能合金

高温结构材料主要种类包括：高温合金、粉末合金、高温结构金属间化合物，以及高熔点金属间化合物等。

二、新型无机非金属材料

无机非金属材料指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料，主要包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料等。新型无机非金属材料指经过微观结构设计、精确化学计量、先进制备技术而达到不含有害元素且具有特定性能的材料。

从材料种类看，新型陶瓷具有强度高、耐高温、耐磨损等特点，主要应用于汽车、火车、飞机、机械等制造业，个股可关注生产陶瓷轴承的轴研科技和生产陶瓷刹车片的博云新材；陶瓷纤维具有重量轻、热稳定性好、导热率低的特性，广泛应用于节能环保、机械、冶金化工等领域，个股可关注北京利尔、鲁阳股份；新型玻璃中，玻璃基板是构成液晶显示器件的一个重要基本部件，目前全世界仅4家企业能够制造玻璃基板，国内企业彩虹股份已取得玻璃基板的技术突破，有望在年底前实现量产，可保持关注。

高温结构陶瓷材料是先进陶瓷材料发展的重点，其主要应用目标是燃气轮机和重载卡车用低散热柴油机。采用陶瓷发动机可以提高热效率，降低燃料消耗。

三、高分子合成材料

高分子及复合材料是新材料领域的重要组成部分，具有优良的物理、化学性能和优异的加工特性，被广泛应用于信息产业、航空航天、生物医药、交通运输、机械仪表、建筑和能源等国民经济重要领域，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料。在细分品种中，建议重点关注改性塑料中的龙头企业金发科技，新型橡胶中的时代新材，纤维类别中生产覆膜滤材的中材科技和生产耐热聚酰亚胺纤维的深圳惠程，以及生产新型胶粘剂的回天胶业。

5.优质结构汇报材料 篇五

省优质结构工程DVD解说词

周村区和平社区王家庄片区旧村改造项目6#住宅楼工程，地处周村区和平路与滏河路交叉口东北角，原和平毛巾厂内。该工程由淄博恒瑞地质勘测有限公司勘察，山东汇智工程设计有限公司设计，淄博周发工程监理有限公司监理，山东新城建工股份有限公司总承包施工。

该工程地下二层，地上十一层，建筑高度32.95米，框剪结构，筏板基础，建筑面积6848.28平方米。本工程建筑结构安全等级为二级，基础设计为乙级；设计使用年限为50年；建筑抗震设防类别为丙类，剪力墙抗震等级为三级，抗震烈度为7度。

基础筏板及地下一、二层混凝土强度等级为C35，抗渗等级为P6，主体混凝土强度等级为C30。

填充墙砌体为A3.5加气混凝土砌块，砂浆为M5.0混合砂浆。工程于2012年8月15日开工，计划于2013年10月31日竣工。现工程施工至填充墙砌体阶段。

该工程合同工期为442天，工期短，住宅工程南北设置阳台、造型和外挑构建多，短肢剪力墙结构，模板制作安装，混凝土浇筑难度大。

本工程施工积极推广应用建筑业“十项新技术”中六大项10小项内容。强化过程质量控制，实施三检制、样板制、岗位责任制和奖罚制度。对主要材料进场严格执行“四验”、“三把关”制度。对涉及工程安全、功能的有关材料，进行了有见证抽样复验。加气混凝土砌块砌体拍砖合理，表面洁净，灰缝饱满，大小一致。该工程钢筋总用量367.5吨，函盖9种规格，对已进场钢筋见证取样试验9组，试验结果全部合格，钢筋强屈比和屈强比符合规范要求。

钢筋连接采用闪光对焊和电渣压力焊连接，接头数量5835个，现已取样23组，经检验全部合格。

混凝土总用量1963立方米，现已留置标养试块31组，同条件试块 42组，经见证检验和评定均符合设计及规范要求。

基础混凝土460立方米，通过优化混凝土配合比、斜面分层浇筑，混凝土振捣密实，表面平整、无裂纹。

钢筋下料尺寸精确，绑扎间距均匀，位置准确。顶板及剪力墙采用预制砂浆马镫等限位措施保证钢筋安装位置准确，经过程检验，钢筋保护层合格点率达到96%。

现浇混凝土结构尺寸准确，振捣密实，上下层剪力墙混凝土无错位现象。

该工程主体模板全部采用强度高，吸水率底，12mm厚竹胶板，剪力墙采用Φ48双钢管柱箍和对拉螺栓加固成型，结构节点方正，棱角清晰。顶板支撑系统采用数字化刚性模板支架系统，该系统刚度、安全性高，施工效率高，同时提高了工程的技术含量。本工程采用支模逆作法工艺整体浇筑技术，减少结构施工缝，观感效果好。

地下室底板底部及外墙合成高分子卷材防水粘贴密实，无空鼓。工程资料齐全、完整、真实、有效，编目清晰。

6.高结构材料与 篇六

材料实录1在沙堆“可爱的幼儿园”的活动中第一组幼儿在堆幼儿园大门时用木制的拱形积木拼放在沙子上面作为大门的门料。四分钟后周仲逸和严海兵已经完成了他们就无所事事了。

实录2第二组活动时冯佳逸和徐子伊被分工堆幼儿园的大门。冯说大门上面是拱行的有点歪歪的用什么来做呢她们俩到沙池旁的材料盒里去找找到了几根粗粗的的树枝“就用这树枝吧”徐说。于是她俩把树枝二端插在沙子里有点像拱形门了可旁边堆“海盗船”的张赵霏说这大门也太小了吧。冯说那找根长树枝吧。可翻遍了材料盒也没找到只找到了几根与第一根差不多长短的树枝。冯建议在园内找长树枝徐说不行幼儿园里的树枝都是活的不能折下来的。她们俩来求助我。我建议她们再到材料盒去找找吧在这之前我已在材料盒里放了绳子与剪刀无意间冯发现了一根绳子说我们把连根短树枝绑起来。于是她俩在交接处绑住了在绑时冯说妈妈给我扎辫子时斜着绕线的。她学着绕了起来一会儿就接住了看上去很好看绕线很有规律。整个过程为18分钟。

分析在活动中第一组幼儿能力较差为他们提供了“高结构”的木枝拱形积木。第二组幼儿能力较强。我就把木制积木换成树枝、绳子、剪刀等满足了他们探索欲望在运用零碎的低结构材料时我根据幼儿探索进程补充必要的材料。

“高结构”材料与“低结构”材料有不同的特点因此导致了它们在探索型主题活动中所起的作用也各自不同。

“高结构”材料有自己固有的形状、结构操作时有一定的规律可循。幼儿一旦掌握了材料的使用规则就能较快地按自己的构思完成作品容易获得成功感。但是由于“高结构”材料的定性结构使幼儿的随意想象和创造力受到一定的限制所以往往无法满足幼儿探索想象的需求。

“低结构”材料是一些无规定玩法、无具体形象特征的材料。幼儿可以根据自己的兴趣和当时想法随意组合并可以一物多用从而为幼儿的想象提供了广阔的空间。如类似于枯枝绳子等这些原始的废旧的材料其可塑性大可让幼儿在活动的过程中通过一次次的摆弄不断探索、不断发现新问题调整操作。如树枝太短把两根绑起来绑绳时很有规律幼儿通过对低结构材料的运用有一段较长时间的探索过程并在此过程中满足了自己的探索欲望。

7.新材料作文结构 篇七

天然生物材料大都具有微观复合和宏观完美的结构。人类社会文明的发展和材料科学技术的发展紧密相关。用于社会生产的材料每一次重大革新和进步都使人类社会文明向前发展一步。生命科学与材料科学相融合,启迪人们从生命科学的柔性和广阔视角思考材料科学与工程问题。材料科学与生命科学融合,涵盖了许多核心科学问题,主要包括:材料系统的开放;能量、物质和信息的传输与交换;材料与生物体的相容性;材料与生物体复合体系的阶层结构与功能构建;生物大分子相互作用对细胞行为控制介导、材料设计以及转基因植物与材料制备等。这些科学问题的研究进展将为材料科学的发展提供新机遇,并且孕育着新理论、新材料与新技术的诞生[1,2,3]。天然生物材料具有的精妙结构和形态吸引了众多的工程结构设计者和材料科学家们的兴趣[4]。人们也已开展了天然生物材料的结构仿生以及模仿生物体形成中形成材料的过程仿生、模拟生物材料和系统的功能仿生研究,其成果在航空材料、生物医用材料和纺织材料等方面得到了广泛应用。

1 结构特征及相应的仿生材料

仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材料、竹纤维仿生材料、植物根部的网状结构和纳米仿生材料等。它们具有各自特殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、智能化、能动化和环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。

1.1 贝壳仿生材料

贝壳结构中的珍珠层属天然复合材料,其中95%(体积分数)是片状文石,其余5%是蛋白质—多糖基体。这些文石片交错排列成层,文石间填充着有机基体。单个文石晶片是微米级的单晶,其间嵌合有孪晶和非晶区。珍珠层中的文石晶体C轴取向一致,与珍珠层垂直。根据珍珠层中文石板片的排列方式,通常将其分为砌砖型(brick wall)和堆垛型(columnar-stack) 两类。砌砖型结构主要存在于双壳类中,其生长呈现叠瓦状排列,微层以类似阶梯的方式重叠。新生晶体沉积在步阶的边缘,通过横向延伸与微层聚合,在纵断而上,文石板片的轴心呈无规则排列状态。堆垛型结构主要存在于腹足类中,在生长处呈现均匀排列的堆垛状结构,新生晶体沉积在堆垛的顶端。由于不同微层的晶体在横向的生长速度近似相等,使得堆垛保持了锥形形貌。在同一堆垛中,纵向相邻的文石板片中心位置基本一致,仅在水平方向有20~100 nm的偏置与有机基质层中微孔的偏移相对应[3,5]。

珍珠层文石晶体与有机基质的交替叠层排列方式是其高韧性的关键所在。根据这一原理把SiC薄片涂以石墨胶体,沉积烧结成复合叠层材料。该材料的破裂韧性有了极大提高,破裂功提高了约100倍。采用叠层热压成型制备的SiC/Al增韧复合材料,其断裂韧性比无机SiC提高了2~5倍。制备的Si3N4 /BN叠层复合材料,其破裂韧性达28MPa·m1/2,破裂功超过4kJ/m2。Jackson等在研究TiN/Pt叠层微组装材料时发现:合成材料的硬度和韧性取决于TiN和Pt层的厚度,一定的TiN和Pt层厚度会使材料的硬度和韧性得到最佳结合。这样的材料不仅具有陶瓷材料的强度和化学稳定性,而且具有金属材料的抗冲击能力。当一层膜厚度达到纳米级时,有可能发生特殊的尺寸效应,这是一个非常值得深入追踪的领域。利用这一特点,可以开发出新型的超硬材料,在减摩和耐磨等方面加以应用。目前,在纳米多层膜的研究中,一方面是更广泛地探索不同材料间的纳米组合,以寻求稳定的、具有超硬效应的材料系统;另一方面开展相应的理论研究,以增进对超硬现象的物理本质的认识。

1.2 蜘蛛丝仿生材料

从20世纪90年代开始,美国投入很大力量从事这项研究工作,并已取得许多重要成果。蜘蛛丝是庞大天然生物材料中的一员。天然蜘蛛丝是世界上最结实、坚韧的纤维之一,具有极好的机械强度,其强度远高于蚕丝和涤纶等,刚性和强度低于KFVIAR和钢材,但其断裂能位于各纤维之首,高于KFVIAR和钢材。因此,它比高强度钢或用来制作防弹服的KFVIAR纤维更坚韧,且更具有弹性,质量又轻。据科学家计算,一根铅笔粗细的蜘蛛丝束,能够使一架正在飞行的波音747飞机停下来。

与人造纤维相比,蜘蛛产生纤维的过程和纤维本身对人类与环境都是友好的。蜘蛛丝还具有高弹性、高柔韧性和较高的干湿模量,是人们已知的世界上性能最优良的纤维。此外,蜘蛛丝还具有信息传导和反射紫外线等功能。蜘蛛丝的组成单元均为甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸。与蚕丝相比.蜘蛛丝中含有较多的谷氨酸和脯氨酸等。在蜘蛛丝中含结晶区和非结晶区,结晶度为蚕丝的55%~60%。结晶区主要有聚丙氨酸链段,为β折叠链;非结晶区由甘氨酸和丙氨酸以外的氨基酸组成,大多呈双螺旋结构。

1997年,Dupont(Canada)公司已分别在大肠杆菌和酵母中发现了蜘蛛丝蛋白质。同年取出蜘蛛的产丝腺体,查看所制造蜘蛛丝的蛋白质代码,测得蜘蛛丝完整的基因,并将这种人造基因移植至大肠杆菌或酵母菌发酵罐生产,达到每吨培养液产出数千克蜘蛛丝蛋白,将这种蛋白质溶解在一种溶剂中,利用类似于蜘蛛吐丝的纺织技术制成纤维[6]。

加拿大魁北克的科学家将人工合成的蜘蛛蛋白质基因植入山羊的乳腺细胞中。不久,基因被改变的山羊产出的奶中就含有了蜘蛛丝的蛋白质[7]。加拿大Nexia生物技术公司总裁杰夫·特纳说,这种蛋白质能够制造出轻得令人难以置信的织物,其强度可挡住子弹,还可降解,这种材料被称之为“生物钢”。生物化学家们认为,“生物钢”有广阔的应用前景,它在任何方面都优于石油化工产品。

1.3 骨骼仿生材料

脊椎动物的骨是天然有机-无机复合材料。骨主要由水、有机物和无机盐组成。有机物中约90%是胶原蛋白,还有少量的非胶原蛋白、多糖和酯类等。无机盐中磷酸钙类矿物占骨质量的60%~70%,最主要的是羟基磷灰石(HA),此外还存在非晶磷酸钙(ACP)、磷酸八钙(OCP)和二水磷酸氢钙(DCPD)等,它们被认为是磷灰石的前体相而存在。骨的主体骨架是胶原纤维结构,片状的纳米无机晶体填充于其中。TEM研究表明,板状晶体的轴与胶原纤维的长轴呈平行排列,晶体a轴垂直于胶原纤维的长轴,骨中有机相与无机晶体间巧妙组装,使得骨具有普通磷酸钙无与伦比的强度和韧性。

骨仿生初期主要是成分和结构仿生。由于骨主要是以羟基磷灰石为主的磷酸钙构成,所以最早的仿生思想是制造以羟基磷灰石为主的骨修复和替代材料。因其生物相容性出众,羟基磷灰石迅速在骨修复材料领域中占了一席之地,但由于力学性能较差,脆性太大,骨诱导作用弱,人们不断地提出了改进措施。

冯庆玲和崔福斋等根据天然骨的结构特征仿生合成了纳米羟基磷灰石/胶原复合骨替代材料,并检测了其对骨的修复性能[8]。结果表明,此复合材料成分与微结构具有天然骨的某些特征。用此复合材料压制成的致密种植体植入骨髓腔后,可被骨内部吸收,并诱导骨组织再生,从而实现损伤或病变骨组织的永久修复。研究表明,完全可以通过仿生方法改变纳米级羟基磷灰石在胶原或者硫酸软骨素,尤其是胶原中的排列方向或结构,而形成真正的生物骨结构[9]。

1.4 竹纤维材料仿生

竹子的整体结构是由基部向上逐渐递减的圆锥形空心结构,每隔几厘米至几十厘米有一个竹节,由节的横隔壁组成纵横关联的整体,这对中空细长的竹竿的刚度和稳定性起着重要作用。带节的竹竿与不带节的竹筒相比,其抗劈开强度和横纹抗拉强度分别提高128.3%和49.1%。节子处由于维管束方向不与纵轴平行,抗拉强度有所下降,但此处组织膨胀使抗拉截面加大,而保证在外力作用下不在节子处破坏。

竹杆是典型的长纤维增强复合材料,其增强体—维管束的分布是不均匀的,外层(竹青部分或表层系统)致密,体内(中部或基体系统)逐步散开,而其内层(竹黄部分或髓环)变成另一种细密结构。竹材的拉伸强度和密度曲线、杨氏模量、弯曲强度和压缩强度曲线的变化趋势与拉伸强度类似。这些性能都是在竹干的竹青部分有最高值,然后沿着厚度方向逐渐降低。对竹材的进一步研究发现,竹材的表层(竹青)的高强度和高韧性主要是竹纤维结构的优越性所致。竹纤维的精细结构包含多层厚薄相同的层,每层中的微纤丝以不同升角分布,与纤维的交角通常厚层为3°~10°,薄层为30°~45°。不同层面的界面内的升角逐渐变化,意味着可以避免几何和物理的突变,因而相邻层面的结合可以大为改善。同时,外层厚度的增加使得竹材正向刚度有少量降低,但切向刚度会大幅度增加。

根据毛竹外密内疏的结构特性,孙守金[10]等用连续电镀法在碳纤维上镀Fe和Ni,制备了镀Cu-Fe或Cu-Ni的双层碳纤维,用它们分别制备了CF/Cu-Fe和CF/Cu Ni复合材料。与Vf相近的CF/Cu复合材料相比,这种新型的复合材料的弯曲强度和导电性能都有显著的提高。刘文川等制备了SiC包裹碳纤维的梯度基复合材料,发现这种材料密度低,力学性能优良和抗氧化功能突出[11]。杜金红则在气相生长纳米碳纤维表面化学镀镍,并对它的微观结构进行了研究。同时,清华大学的学者依据竹材中微纤维别具特色的层次结构,提出仿生的纤维双螺旋模型。实验表明,其压缩变形比普通纤维的提高3倍。

1.5 植物根部的网状结构和仿生材料

人们研究植物根部的网状结构,提出了分形树纤维结构模型。在验证试验模型中发现,纤维拔出的力与能量随分叉级数增多和分叉角变大而增大,突破了传统材料的提高强度要以降低韧性为代价的概念,并在试验中证实了通过改变纤维的结构可以同时增加复合材料的强度和韧性。

周本廉等进行了仿根状结构复合材料的研制。结果表明,具有分叉结构的纤维拔出力和拔出能随分叉角的增加而增加,且大于无分叉纤维试样。纤维对断裂功的贡献为纤维拔出的平均值,于是纤维拔出能越大,纤维对复合材料断裂韧性的贡献越大。因此,分形树结构的纤维可以提高复合材料的断裂韧性。如今仿根部网络结构已广泛在堤坝和建筑业等工程领域应用,并显示了优越的性能。同时,这个纤维模型可对材料的设计提供可贵的思路[12]。

1.6 纳米仿生材料

纳米材料(颗粒直径为1~100nm)以其体积效应和表面效应显著区别于一般的颗粒与传统的块体材料。核酸与蛋白质是执行生命功能的重要纳米成分,是最好的天然生物纳米材料。这些成分相互作用,编织了一个复杂与完美的生物世界。

生物纳米材料可分为4类,即天然纳米材料、生物仿生与人工合成的纳米材料、智能纳米复合材料、合成的纳米材料与活细胞形成的复合材料或组织工程纳米材料。纳米材料问世以后,仿生材料研究的热点已开始转向纳米仿生材料,这是因为自然界动物的筋、牙齿、软肾、皮、肾骼和昆虫表皮等都是纳米复合材料。

2 仿生材料的研究方法和发展趋势

2.1 仿生材料的定义

仿生材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料[13]。因此,仿生材料学的研究内容就是以阐明生物体的材料构造与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。从材料学的角度可以把材料仿生分为几大方面,即成分和结构仿生、过程和加工制备仿生、功能和性能仿生。仿生材料学是生命科学和材料科学的交叉前沿领域。实际上,它与化学和医学也有密切的关系。仿生材料学是涉及生物材料的组成结构、性能与制备相互关系和规律的科学,其主要目的是在分析天然生物材料微组装、生物功能及形成机理基础上,发展新型医用材料,以用于人体组织器官修复与替代,发展仿生高性能工程材料。

图1表示了生物材料学与相关学科的联系。图1中:材料科学与生物学的两个圆交叉部分表示生物材料学;仿生材料学与医学的交叉部分表示仿生生物医学材料;生物材料学与工程学交叉部分表示仿生工程材料、智能材料或灵巧材料。生物材料通常有两种定义:一是指天然生物材料,也就是生物过程形成的材料,如纳构蛋白(胶原纤维或蚕丝等)和生物矿物(骨、牙或贝壳等),这种定义的内涵相当明确而固定;二是指生物医用材料,其定义随着医用材料的快速发展而演变。20世纪80年代末曾被美国Clemson大学生物材料顾问委员会定义为“与活体接合的人工非生命材料”。这是这种生物材料狭义定义的代表[5]。可以预见,随着组织工程的发展,这种生物材料的定义将逐渐增大生物过程形成材料的成分。这样,两种定义就会有越来越多的重叠。

目前,仿生材料的研究无论在结构材料方面,还是功能材料方面,都取得了一定的成果。但由于工程实施的复杂性,许多内容还处在摸索阶段。在生物力学和工程力学的衔接点上,还需要进一步的研究。从材料学的角度认识天然生物材料的结构和性能,进而抽象出更多的材料模型,这方面的工作还有待进一步的深入,而仿生材料的制备方法则是摆在面前的一个关键性的课题[14]。

2.2 材料仿生的新途径

2.2.1 功能结构一体化仿生

多功能和功能结构一体化是当今材料发展的重要特征,这在生物材料上体现的近乎完美。对其进行分析效仿要比人们凭空想象或从头试起更为合理。功能结构一体化发展到一定阶段,就是机敏材料或智能材料。

2.2.2 仿生温和制备

生物体能在常温常压下,通过分子组装和模板成型等途径,一边承载一边组装而实现所谓的温和条件下的制备。这不仅节省资源,而且不污染环境。国内外已有一些初步成功的实例,值得人们进一步尝试。

2.2.3 计算机模拟和智能化制备仿生

计算机模拟和智能制备已在材料界兴起,但大多从物理、化学、化工、机械和自动化等角度着眼,很少从生物学汲取营养。其实,生物材料的遗传基因和新陈代谢过程中蕴藏着大量值得人们效法的规律,可供人们在进行材料的计算机模拟和智能化制备中参考。

2.3 仿生材料的发展趋势

2.3.1 仿生复合材料的仿生研究

基于不同观点,通常可将复合材料划分为不同类型,如金属基、陶瓷基和高分子基复合材料,或分为连续纤维、非连续纤维、晶须、颗粒和晶片增强复合材料。当前,在结构型复合材料研究中的一些疑难问题可归纳为:连续纤维的脆性和界面设计的困难;短纤维易从基体拔出,导致增强失效;晶须长径比不易选择;寻求陶瓷基复合材料增韧方法时遇到的困难;如何找到复合材料内部损伤的愈合方法是复合材料的发展方向:由宏观复合形式向微观复合形式发展;从双元混杂复合向多元混杂和超混杂方向扩展;由结构复合材料为主向与功能复合材料和多功能复合材料并重的局面发展;由复合材料的常规设计向仿生设计和电子计算机辅助设计发展。

2.3.2 生物纤维材料

所谓生物纤维材料包括两方面的含义:首先,它是生物材料,是指“用于取代和修复活组织的天然或人造材料”,这就需要这种材料具有良好的生物相容性、生物活性和可降解性,尽量接近天然材料的性能。其主要研究方法和目的是在分析天然生物材料微组装、生物功能以及形成机理基础上,发展用于人体器官修复与替代的仿生高性能工程材料。其次,它是具有特殊形态的材料-纤维材料。这种特殊的形态使得它们以特殊的功能和应用领域而成为一类。目前,对生物纤维材料的研究主要包括对天然材料的形态功能分析,利用天然材料的原料制备新型的生物纤维材料,或以其机理为指导进行仿生制备。人工的纤维结构材料在修复和替代人体组织或器官等方面都得到了广泛的研究,包括人工骨、人工韧带、人工肌腱、人工血管和人工心脏瓣膜等。因此,生物纤维材料是一类非常重要的材料,具有广泛的应用前景[15]。

2.3.3 智能材料的仿生及设计

通过对生物结构系统的研究和考察,智能材料有了可借鉴的设计及建造思想、模型和方法。从仿生学的观点出发,智能材料应具有或至少是部分具有以下一些生物智能特性:感知、反馈、信息积累和识别、学习能力和预见性、响应性、自维修、自诊断、自动动态平衡及自适应等(智能材料-材料科学的发展趋势)。

新材料的发展提供了可选择的可合成智能材料系统的组元。许多材料本身具有内禀的一些“智能”特性。例如,一些材料的性能(颜色、形态、尺寸、机械性能等)随环境或使用条件的变化而改变,具有内敛的自诊断、学习和预见能力。还有一些材料的结构或成分可随工作条件而变化,从而具有一种对环境的自适应和自调节功能。具有各种独特功能或性能,并可用于建构智能材料系统的材料正在不断丰富和完善。

利用现有的、在技术上已较为成熟的机敏材料作为组元进行复合是创构智能材料的一种技术途径。这要求采用各种最先进的材料复合技术,提出的问题都具有挑战性。要获得真正的智能材料,仅在宏观及微观尺度上的结构设计和控制是不行的,必须在纳米或分子及原子的尺度上进行人工结构组装和复合。这方面的探索具有更大的挑战性,面临的技术难题更多,但一旦有所突破,将极大地推动材料科学的发展。

正是由于智能材料的重要性,引起了各工业发达国家的重视。预计在21世纪,智能材料将引导材料科学的发展方向,其应用和发展将使人类的物质文明进入更高的阶段。智能材料的构想来源于仿生,目标是获得具有类似生物材料的结构及功能的活材料系统。智能材料应具备感知、处理和驱动等3个基本要素。它的设计、置备、加工、结构和性能表征均涉及材料科学中最前沿的领域,集中反应和代表了材料科学的最高水平与最新的发展方向。

3 结束语

破解生物之谜,研制仿生材料的路还很漫长。目前人类的研究才刚刚起步,而仿生材料的前途似锦却是毋庸置疑的。仿生材料一个重要的应用方面是生物医用材料。近10d来,生物医用材料和制品的市场一直保持20%左右的年增长率,发展态势已经可以与信息和汽车产业在世界经济中的地位相比,正成长为下一个世纪经济的一个支柱,对国民经济的发展有着不可忽视的作用。因此,采取有效的措施发展生物医用材料,已成为我国经济和社会发展的一个十分迫切的任务。仿生材料,同时也是环保性材料,对于日益恶化的生态环境来说,大力发展仿生材料是改善人类生存环境的有效措施。

摘要：自然界中一些生物体的优异结构和特性给人类在不断制造和更新新型材料的过程中带来灵感和启发。根据这些生物体的优秀特征,综述了仿生材料的主要设计思想和方法,重点分析了目前一些典型仿生材料,设计与制备研究的新进展和存在的困难,并提出一些新材料设计思想方法和制备的模型,对仿生材料的设计和研究等均具有指导意义,同时对仿生材料的发展前景进行了展望。

8.光纤陀螺结构细分及材料优选 篇八

关键词：光纤陀螺； 有限元； 结构材料； 温度性能； 动态性能

中图分类号： TP 391.9 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.01.018

Abstract：This paper introduces fiber optic gyroscope （FOG） error caused by the temperature field and stress. Through the subdivision of FOG structure， finite element models for different materials were established. Thermal stress analysis and transient temperature analysis were carried out. We select a representative of the new material beryllium aluminum alloy and invar alloy and compare them with the conventional aluminum alloy. The results show that the use of beryllium aluminum alloy can increase the frequency of the FOG， while increasing the temperature performance of FOG. Invar alloy can greatly reduce the influence of the stress change of the optical fiber coil. The subdivision of FOG structure with the optimization of materials can significantly improve the temperature performance and precision of dynamic output of FOG， which is proven in the experimental test.

Keywords：fiber optic gyroscope（FOG）； finite element； structural materials； temperature performance； dynamic output precision

引 言

随着光纤陀螺的广泛应用，光纤陀螺中各个光电器件对结构的要求不断细化，例如，光纤线圈要求其骨架要有较高的机械强度和很小的热膨胀性；光源要求其安装板有好的散热性能；陀螺基座要有较高的机械强度和好的散热性能；相位调制器（Y波导）要求绝缘；电路板要求有良好的散热，并且与光纤线圈热隔离。

传统光纤陀螺的光纤环骨架既要用于固定光纤线圈、相位调制器、光电探测器、耦合器和电路板，又要作为光纤陀螺的安装基座，所以要求光纤环骨架要有足够的机械强度，不能有太大的热膨胀性。另外，光纤环骨架要进行热设计，使电路板、光源、光电探测器等光电器件产生的热量有良好的导热通道传到光纤陀螺外，尽可能减小光纤线圈温度变化和温变速率。这种情况下，使得在光纤陀螺的结构设计和材料选择上要综合考虑，这极大地降低了这些光电器件的工作性能。

本文按照光纤陀螺中不同光电器件对工作环境的要求将光纤陀螺的结构细分成单独的零件，逐一进行结构优化和材料优选。

1 光纤陀螺基本原理和主要器件的特性

1.1 基本原理

光纤陀螺基于Sagnac效应，即沿闭合光路相向传播的光波返回到起始点干涉后，干涉信号的相位差正比于闭合光路敏感轴的输入角速度。

干涉型光纤陀螺的基本光路如图1所示，由光源、探测器、分束器、准直透镜和光纤线圈构成。从光源发出的光波被分束器分成两束，一束透射过分束器后经准直透镜耦合进光纤线圈后顺时针传播，由光纤线圈出射后经准直透镜准直后透射过分束器。另一束被分束器反射后经准直透镜耦合进光纤线圈后逆时针传播，由光纤线圈出射后经准直透镜准直后被分束器反射。两束光会合时会产生干涉信号，干涉信号的强度随光纤线圈法向的输入角速度变化而变化，通过探测器检测干涉信号的强度变化，可以获得输入的角速度变化。

1.2 光纤线圈

光纤线圈是光纤陀螺中用于敏感输入角速度引起的两相向传播光波之间Sagnac相位差的部件，因而是影响光纤陀螺性能的主要因素。光纤线圈可以分为有骨架和无骨架两种，目前得到广泛工程化应用的是有骨架的光纤线圈。对光纤陀螺有影响的光纤线圈参数主要有光纤线圈的结构参数（包括平均直径、光纤长度、光纤线圈的横截面比例）、损耗、偏振串音、应力分布及光纤线圈的对称性。其中，光纤环骨架的强度、温度变化速率、温度变化下的形变量对光纤线圈的参数影响较大。减小光纤线圈在振动和温变情况下的形变和温变速率可以大幅度提高光纤陀螺的性能。

1.3 Y波导集成光学器件

Y波导是光纤陀螺中的关键器件，它和光纤线圈形成Sagnac干涉仪，它是作为光纤陀螺的专用调制器件出现的，它要对输入的光波进行偏振滤波、对光波进行分束和合束、对光波进行偏置和反馈调制，它对偏振抑制和半波电压稳定性要求高，要防止和探测器输出信号的电子形成串扰误差，实际应用中，可对Y波导进行绝缘安装以提高其抗干扰能力。

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1.4 光 源

光源的作用是为光纤陀螺提供产生Sagnac效应所需的合适光信号，需要其有较高的、稳定的尾纤输出光功率，以提高光纤陀螺的信噪比，这就需要光源有良好的散热环境保证它有较高的温控精度，另外，由光源产生的热也是光纤陀螺主要的噪声源头，因此，在保证其散热良好的前提下，还要尽可能地减少其传到光纤线圈上的热量。

1.5 光电探测器

光电探测器将Sagnac干涉仪返回来的光信号转换为电信号，一般直接焊接在电路板上，通过实验发现，探测器在实际工作中也会产生一定的热量，影响光纤陀螺的性能[1-2] 。

1.6 Shupe效应和弹光效应

在光纤陀螺中，由于外界温度随时间变化，光纤线圈每一点的折射率都随温度变化而变化，而相向传播的两束光波经过该点的时间不同（除光纤线圈中点以外），因此，两束光波经过光纤线圈后由于温度引起的相位变化不同，这个效应最初由Shupe发现，称为Shupe效应。

应力对光纤陀螺的作用主要通过光纤线圈体现。对于常用的保偏光纤，除了内部应力区引起的保持偏振所需要的高双折射外，光纤陀螺在振动、冲击、过载和温变等环境条件下，作用在光纤上的外部机械应力会引起光纤的附加双折射，引起这种双折射的效应称为弹光效应[3-4] 。

1.7 光纤陀螺温度场模型

通过测量光纤陀螺中的各个器件在工作时的温度，得出主要发热器件的温度曲线，再利用ANSYS软件建立起光纤陀螺常温工作状态下的温度模型。SLD（超辐射发光二极管）是光纤陀螺中最主要发热器件，其底部在常温工作状态下的温度曲线如图2所示。光源驱动板用于驱动SLD，其安装面在常温工作状态下的温度曲线如图3所示。

主板上的FPGA芯片和光电探测器发热，也给光纤陀螺带来了一定的误差热源，其安装面在常温工作状态下的温度曲线如图4所示。利用得到的温度数据对光纤陀螺建立接近实际工作状态的温度场有限元模型，分别将以上温度曲线赋予光纤陀螺的光源安装面、光源驱动板安装面和主板安装面，忽略光纤陀螺中热辐射的影响，进行有限元分析。

2 光纤陀螺结构细分和材料优选

2.1 光纤陀螺结构细分

按照光纤陀螺各个光学器件（包括光纤线圈、相位调制器、耦合器、光电探测器、光源）的功能和对使用环境的要求，将光纤陀螺的主体结构细分成光纤环骨架、相位调制器支架、光源底板和基座几部分。如图5所示，为传统光纤陀螺基体和细分后的结构对比。

2.2 光纤陀螺材料优选

针对光纤陀螺各个光学器件对环境的要求，在目前广泛应用的工程材料和近几年在惯性器件行业得到应用的新型材料中进行筛选，选取了铍铝合金和因瓦合金替代原有铝合金，并在建立的温度场模型下对不同材料进行结构热力学分析和瞬态温度分析[5-7]。

铍铝合金具有质量轻、强度高、刚度高、热稳定性好、高韧性、抗腐蚀、结合了铍的低密度与铝的易加工性等许多优良特性，随着航空、航天工业、计算机制造业、汽车工业及高精度、高速度电焊机器制造工业的飞速发展，其已成为一种越来越重要的新型材料[8]。

因瓦合金，是一种镍铁合金，其成分为镍36%，铁63.8%，碳0.2%，它的热膨胀系数极低，能在很宽的温度范围内保持固定长度。绝大多数的金属合金都是在受热时体积膨胀，冷却时体积收缩，但因瓦合金由于它的铁磁性，在一定的温度范围内，具有因瓦效应的反常热膨胀，其膨胀系数极低，有时甚至为零或负值[9-10]。

表1是有限元分析所用到不同材料的主要性能参数。

3 分析结果和试验论证

3.1 分析结果

基座选用目前在航天航空领域得到一定应用的铍铝合金，这种材料的强度和导热性能均优于常用的铝合金，图6是传统铝合金材料和铍铝合金在同等条件下的模态分析对比，表2是计算模型的固有频率。

光纤环骨架选用低膨胀因瓦合金，这种材料的力学性能与铁合金相似，最大的特点是具有极低的线膨胀系数，对于光纤陀螺这种温度变化大的使用环境，可以很好的保证光纤线圈的稳定性。图7是传统铝合金和因瓦合金在相同情况下的热应力变形的分析对比。在同样状况下，因瓦合金热应力变形为1.296×10-6 m，远远小于铝合金4.564×10-5 m。

基座选用铍铝合金，光纤环骨架选用低膨胀因瓦合金，图8是铍铝合金及因瓦合金与传统铝合金材料在同等条件下的瞬态温度分析对比，发现使用铍铝合金可以使光纤线圈更快的达到热平衡，将减小光纤陀螺的启动时间，从而提高光纤陀螺的精度。

3.2 试验论证

采用细分后的新结构和优选的新型材料，加工两台样机，保证各个光电器件与现有成熟陀螺状态一致，随机选取一只现有陀螺与两台样机分别做温度定点和随机振动试验，对比陀螺输出曲线，见图9和图10。

将试验数据进行对比，看到样机的启动时间为10 s左右，零偏稳定性为0.1（°）/h，相比成熟的光纤陀螺启动时间为60 s，零偏稳定性为0.13（°）/h，都有大幅度减小，证明将光纤陀螺的结构细分和材料优选对其温度性能有一定提高。

将试验数据进行对比，看到样机的随机振动振动中与振动前后的零偏极差为0.05～0.1（°）/h，成熟光纤陀螺的随机振动振动中与振动前后的零偏极差为0.01～0.03（°）/h，证明结构细分和材料优选对光纤陀螺的振动性能也有一定改善。

4 结 论

通过对光纤陀螺结构的细分，并对光纤陀螺实际工作状态建立温度场模型，选用铍铝合金和因瓦合金代替传统的铝合金，利用ANSYS Workbench软件针对优选的材料分别进行模态分析、热应力分析和瞬态温度分析，获得了对实际研究有指导意义的结论，运用得到的结果，对陀螺结构进行结构改进，减小光纤环的温度漂移、启动时间和热应力变形，最终提高光纤陀螺精度，意义重大。

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（编辑：张 磊）