巨介电陶瓷材料虚拟仿真实验在材料化学实验教学中的应用_黄玲.pdf

2023 年 第 6 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 488 期 229 巨介电陶瓷材料虚拟仿真实验在巨介电陶瓷材料虚拟仿真实验在 材料化学实验教学中的应用材料化学实验教学中的应用 黄玲*，刘展晴(渭南师范学院 化学与材料学院，陕西 渭南 714099)摘 要本虚拟实验项目依托专业软件和仿真技术设计开发巨介电陶瓷材料的制备及性能的实验项目，真实的模拟仿真了实验设备、仪器、药品、场景以及精密贵重仪器设备的操作过程，解决了实际实验中的高危操作、超长实验周期、高温实验环境等问题。结合线上线下、翻转课堂、虚实融合等教学方式，大大提高了学生对学习的兴趣与积极性，优化了实验教学效果。此外，在虚拟仿真实验中，增加设计了相关实验知识点的交互性操作以及以任务为导向的探究式问题讨论，增加学生的参与感和创新研究能力，使学生的学习由被动转为主动，从而改善其学习状态。关键词巨介电陶瓷；掺杂；教学方法；虚拟仿真 中图分类号TQ 文献标识码A 文章编号1007-1865(2023)06-0229-03 Application of Virtual Simulation Experiment of Giant Dielectric Ceramic Materials in Material Chemistry Experiment Teaching Huang Ling*,Liu Zhanqing(College of Chemistry and Materials,Weinan Normal University,Weinan 714099,China)Abstract:This virtual experiment projects relying on the professional software and simulation technology to design and develop the giant dielectric ceramic materials,preparation and properties of the experimental project,real simulation experiment equipment,instruments,medicines,scene and precision instruments and equipment operation process,solves the actual experiment of high-risk operation,long cycle,high temperature experimental environment,etc.The combination of online and offline teaching methods,flipped classroom,virtual-real integration and other teaching methods has greatly improved students interest and enthusiasm in learning,and optimized the experimental teaching effect.In addition,in the virtual simulation experiment,interactive operation of relevant experimental knowledge points and task-oriented inquiry discussion were designed to increase students sense of participation and innovative research ability,so that students learning changed from passive to active,so as to improve their learning state.Keywords:the giant dielectric ceramic；doped；teaching method；virtual simulation 多层陶瓷电容器(MLCC)作为目前一种基础电子元器件，广泛的应用于民用，航空航天，军用移动通讯和军事信号监控等方面1-2。随着电子信息技术的飞速发展，MLCC 逐渐向大容量化、集成化、小型化的方向发展。MLCC 存储能力的核心是介质材料的介电性能和工作稳定性2。因此，研究开发具有良好温度稳定性、高介电、低损耗的陶瓷材料已成为现代信息领域一个重要的研究课题之一。在介电陶瓷综合实验的实践教学上，许多高校取得了良好的教学效果。然而，由于巨介电陶瓷制备实验操作繁杂、制备周期超长，表征仪器昂贵等问题，导致在材料类本科教学中的相关实验无法顺利开展3-4。有些地方高校由于资源和教学时间的限制问题，学生只能分组进行，无法做到人人参与，大型仪器的测试往往只能以简单的演示进行实验教学。在这个过程中，学生按照教师讲解按部就班的完成实验，无法自主思考在实践过程中可能会遇到的问题，久而久之学生会缺乏解决问题、分析问题的能力，导致许多毕业生进入相关电子企业和研究生学习时无法很好的胜任工作。这违背了培养创新意识和高素质人才的教育理念。虚拟仿真实验是将实际实验以高度仿真的模式呈现出来，具有不受时间、空间等限制，并且具有不计成本、反复演练等优点5-6。因此，巨介电陶瓷制备虚拟仿真实验项目的建设在实践教学中就显得尤为重要。本项目结合作者团队的科研工作，以巨介电陶瓷材料La2/3Cu3Ti4O12(LCTO)为研究对象，依托专业软件和虚拟仿真技术设计开发虚拟仿真实验项目，将实际实验中的高危操作、超长实验周期、高温实验环境以及精密贵重仪器设备的操作过程仿真呈现。结合线下实操，进而进行深入的研究性、探索性实验，符合教育部“能实不虚，虚实结合”的虚拟仿真项目建设理念7-8。一方面可以解决材料专业本科生在陶瓷领域的核心技术和研究方法等方面能力缺失问题，另一方面学生可以24 小时采用手机等客户端进行远程学习和演练，不仅可以提高学生的学习兴趣和激发创造性思维，还可以增强学生的科学素养。1 虚拟仿真实验的设计虚拟仿真实验的设计 1.1 实验目的 材料专业课程体系主要包括“材料性能测试与表征”“材料合成与制备技术”“材料化学基础实验”和“材料化学综合实验”等课程，基本构成一个完整的材料科学与工程四面体。巨介电陶瓷材料的制备及性能实验是“材料化学综合实验”课程的核心内容，也是其中的重难点。本虚拟仿真实验的目的是：通过实验使学生掌握陶瓷材料的制备方法，以及结构和性能表征的原理和操作流程，并能独立自主分析陶瓷晶体结构和介电性能的关系。1.2 实验原理 本项目是基于巨介电陶瓷材料 LCTO 的制备及性能的基本流程，如图 1 所示。本实验针对三个方面的关键影响因素进行重点仿真，如打破传统的固相方法制备陶瓷。图图 1 巨介电陶瓷材料的制备实验流程图巨介电陶瓷材料的制备实验流程图 Fig.1 Experimental flow chart of preparation of giant dielectric ceramic materials (1)溶胶-凝胶法(Sol-gel)。与传统的固相法相比，Sol-gel法的化学反应更容易进行，可以在较低的温度下合成纳米尺度收稿日期 2022-09-14 基金项目 陕西省教育厅专项科学研究计划(19JK0908)；渭南师范学院博士科研启动基金(2020RC06)作者简介 黄玲(1985-)，女，湖北荆州人，博士，主要研究方向为材料物理与化学。*为通讯作者。广 东 化 工 2023 年 第 6 期 230 第 50 卷 总第 488 期 的粉体，从而获得更致密的陶瓷材料。Sol-gel 法是以金属醇盐的水解和聚合反应为基础的，其反应过程通常用下列方程式表示1：水解反应：M(OR)n+xH2O=M(OR)n-xOHx+xROH 缩合-聚合反应：失水缩合：-M-OH+OH-M-M-O-M-+H2O 失醇缩合：-M-OR+OH-M-M-O-M-+ROH 在 Sol-gel 法中，溶液的 pH 值、溶度和水含量都会对溶胶有影响，从而影响材料的结构和性能。将 Sol-gel 法制得粉体进行研磨，在一定压力下造粒即压制成型，然后煅烧，使坯体在高温的特定条件下发生物理化学反应，最终成为体积固定并具有特定性能的陶瓷片。(2)烧结。陶瓷烧结是坯体在高温下致密化过程和现象的总称2。随着温度升高，陶瓷坯体中具有比表面大，表面能较高的粉粒，力图向降低表面能的方向变化，不断进行物质迁移，晶界随之移动，气孔逐步排除，产生收缩，使坯体成为具有一定强度的致密的瓷体2。因此烧结温度的选择是影响材料的致密性、晶粒度、结晶度的重要因素。(3)A 位掺杂原理。掺杂是改善介电材料电性能最常用的技术之一。通过 A 位离子掺杂，改变晶粒，晶界电阻的大小，可以有效提高陶瓷的介电常数，降低其介电损耗，有利于陶瓷材料的实际应用2。1.3 实验内容 本虚拟仿真实验由三个模块组成，从巨介电陶瓷材料的制备和表征，到比较不同方法制备和不同 A 位碱金属离子掺杂，系统的涵盖了巨介电陶瓷大部分内容，构成一个虚拟与现实相互融合的有机整体，如图 2 所示。第一个模块采用 Sol-gel 法制备巨介电 LCTO 陶瓷，考查原料中 Ti4+浓度、溶液 PH 值和水含量等工艺参数对其结构和电性能的影响，从而筛选出最优的制备条件；第二个模块考虑到制备方法不同也会影响其结构和电性能，对比 Sol-gel 法和固相法从而获得最优的制备方法；第三个模块在上述 LCTO 陶瓷的基础上进行改性，通过 A 位碱金属如 Li+、Na+、K+等离子掺杂对 LCTO 陶瓷的结构和介电性能的测试分析，获得 A 为碱金属离子掺杂规律。图图 2 巨介电陶瓷实验虚拟仿真设计思路图巨介电陶瓷实验虚拟仿真设计思路图 Fig.2 Design idea of virtual simulation of giant dielectric ceramic experiment 1.4 实验虚拟仿真度 巨介电陶瓷材料虚拟仿真实验依照“实物”高精准建立相关模型，模拟真实的实验设备、仪器、药品、场景等，如图 3所示，其中 a 图为行星球磨机的实物图，b 图为虚拟仿真模型图。让学生身临其境，可以直观的了解实验设备、实验对象，同时虚拟仿真实验配合动画技术，附加文字说明和图例展示等多样化形式表现实验内容，极大地调动了学生学习兴趣，激发了学生的求知欲，提高了教师的教学效率，强化了课堂教学效果。图图 3 行星球磨机图行星球磨机图(a)实物图，实物图，(b)虚拟模型虚拟模型 Fig.3 Diagram of planet ball mill(a)real picture,(b)virtual model 2 实验方法与实验步骤实验方法与实验步骤 2.1 实验方法 本项目依托移动虚拟实验，模拟巨介电陶瓷材料的制备及性能实验，打破了时间和空间的限制，相关专业的学生可以随时随地通过手机、电脑等移动终端登录平台进行学习和体验，完成巨介电陶瓷 LCTO 材料的制备和性能测试相关实验任务。针对本科生的学习基础，本虚拟仿真实验设置了两种模式，即学习模式和考核模式。学习模式中针对重点步骤设置有演示视频、图文讲解、信息链接、提示等，从而正确的引导学生学习实验内容。考核模式是学生在已了解的基础上选择，实验步骤设置与学习模式相同，但没有操作提示和说明，学生必须自行完成。此外，如果学生操作时发生错误，必须进行正确的操作才能进行下一步，后台会扣分并记录以及错误次数，以便教师课后进行分析和整理。2.2 实验步骤 虚拟实验中，巨介电陶瓷材料的制备主要包括有实验前预习、陶瓷粉体制备、预烧、压制成型、高温烧结、涂银、结构测试、介电性能测试等实验步骤。且实验步骤中设计相关的交互性操作，考核各步骤的关键知