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中学创客实验室建设方案

创客教育课程作为一种新形态的课程，目前还缺少成熟的设计理论和开发过程模型。本文基于对创客教育的认识以及相关课程的开发经验，提出了创客教育课程的通用设计框架。该框架共包括三层，分别是指导理论层、关键要素层以及学习过程层。其中，指导理论层包括体验式学习和建造主义两大核心理论，两者均是课程要素设计以及学习过程设计的“基点”。其设计重心应体现在二方面： 1.创客教育课程要素设计创客教育课程是由一系列要素组成的完整课程。其中，学习内容、活动项目、研创环境、网络资源、展示平台以及课程评价是创客教育课程不可或缺的关键要素。（1）学习内容：内容是课程的核心，不管是知识型课程还是活动型课程，都要承载一定的知识内容，只是表现形式不同。内容同样是创客教育课程设计应当关注的第一要素。课程设计者与授课教师团队需要在分析相关课程大纲的基础上，精心、合理选编多学科知识，构成较为系统的课程内容体系。创客教育课程的内容设计绝不是脱离课程大纲，而是以一种新的形式进行学科知识交叉重组，其最终目的是要推进新课程改革。（2）活动项目：创客教育课程的组织与实施以“项目”为基本单元，将苦涩的、机械化的材料转变为有活动、有意义的项目问题，可以拉近学习者与生活的距离。]课程设计者需要围绕课程内容设计若干贴近生活、趣味化的研究项目，每个项目中再设计一系列活动，有序引导、支持学生开展全程浸入式的项目学习。项目设计的出发点不是“知识”而是“问题”，项目学习的过程便是解决问题的过程。（3）授课教师：创客教育课程的授课教师往往不是一个人，而是一个团队，既有技术老师的参与，也有学科教师的参与，还可能有教育管理者以及校外专家的参与。授课教师既要参与课程的设计，又是课程的组织者和实施者。考虑到教学实际，创客教育课程教师团队的组成建议采用“1名主持教师+几名核心教师+多名外围教师”的模式。主持教师负责统筹和团队管理，核心教师全程参与学生指导，外围教师可根据学生项目开展的需要灵活适时邀请。授课教师主要承担“教练”和“项目导师”的角色，绝不“越俎代庖”，要为学生提供必要的架手架支持和及时的指导反馈。（4）研创环境：创客教育课程具有研创性，鼓励学生像科学家一样开展研究和创造活动。创客教育课程的开展需要研创环境的支撑，如，各种创客空间、探究实验室、互动型教室等。研创环境的设计需要遵循人机工程学基本原则，给学习者提供舒适、自由、开放的创作空间；要能够方便的接入互联网，支持学习者通过网络检索资料、连接社群、在线研讨、展示分享等；要根据需要提供必备的硬件、软件、材料等资源，支持学习者通过动手操作将创意变成现实。（5）网络资源：立体化的网络学习资源可以有效促进创客教育课程的顺利开展，为学生进行随时随地学习、研究和创造活动提供重要支撑。网络资源的制作应尽可能丰富多样，以满足学习者的不同学习需求。一般来说，创客教育课程所用的网络资源包括教材、教/学案、使用指南、微视频、操作软件、优秀课程作品等。为低年级学生开设的创客教育课程，建议将网络资源的使用时机和方式明确写入项目的实施活动中。此外，还应鼓励学生在项目实践过程中自主生成个性化的创客教育课程资源，久而久之，将形成持续扩展并进化的创客教育课程资源库。（6）展示平台：创客教育非常注重成果的分享交流，分享的渠道可以是创客社区，也可以是小型的创客嘉年华，或者是课堂上的作品展示。数字土著具有强烈的自我展现欲望，他们需要多渠道的展示平台向家长、老师、同学以及社会公开自己的创意作品。通过作品展示分享，学习者一方面可以获得自我成就感和认同感，从而激发再创造的热情；另一方面还可以获得来自大众用户的反馈与建议，不断优化作品，甚至可能实现作品的产业化。（7）课程评价：如何评价学生的学习效果是创客教育课程设计的重点和难点。不同于传统课程的纸笔测验，创客教育课程更加注重学习产出的物化成果，倡导结果与过程相结合、老师与学生协同参与的评价模式。一方面，需要制定完备的、易操作的评价指标对学生的创意作品进行评量；另一方面，需要注重学习过程数据采集和阶段性成果的搜集，以客观评价学生的课程参与以及进步情况。创客教育课程不适合采用标准化评价，应考虑到不同学习者的知识基础和兴趣偏好，建议多采用增量式评价，以促进每位学习者的快乐成长。 2.学习过程设计创客教育课程的学习过程可以概括为“一条主线，两种形式”。所谓一条主线，即课程以项目活动为主脉络有序推进；而两种形式，是指采用线上与线下相结合的混合式学习方式。创客教育课程开展的主线是一系列研究项目，课程设计者将学习内容划分为一个个既相互关联又适度松散的研究项目，学习者以小组形式开展基于项目的学习。每个项目围绕一个核心问题展开，设计一系列学习活动（如，观看演示、知识学习、练习模拟、资料检索、方案设计、原型制作、同伴互评等），帮助学生步步为营、寻求破解问题之道。学习活动的数量和类型视项目难度和学习者基础水平而定，活动的设计要遵循“探究、构造、体验”的基本思想以及梅瑞尔的“首要教学原理”，避免空洞的说教和无目的的探究。为了综合检验课程学习效果，每门创客教育课程都提供一个综合性研究项目，让学生协同设计创意解决方案，利用各种资源制作出最终的综合课程作品。创客教育课程采用混合式的学习模式，通过将线上线下活动以及线上线下资源有机整合，为学习者创设一体化的研创环境。线上活动以自学、交流、展示、分享为主，线下活动以考察、操作、咨询、面授为主。学生利用在线社区或网络学习平台自主观看教师录制的微视频，与同伴在线讨论项目问题，自主分享项目开展过程中搜集的相关材料，同时，将项目作品发布到创客社区等展示平台。学生还可以利用在线平台开展项目管理（如，分配任务、监督进展、制定计划等），教师利用平台实时掌握每个小组的项目进展，并及时给予反馈指导。教师还可以根据项目学习需求，进行集中面授指导，也可以每周提供固定的指导时间，有需要的小组可以当面请教老师。遇到一些专业性很强的问题或者项目开展遇到瓶颈时，可以通过教师联系相关的学科专家，进行当面咨询。学生还可以在教师的帮助下，到相关企业、科研机构、社会场所等进行实地考察，搜集资料，激发灵感。创客空间、探究实验室、互动型教室等是创客教育课程开展的主阵地，学生可以充分利用这些空间提供的软硬件资源以及专业指导力量，动手制作“独一无二”的创意作品。创客空间需要配备的基本仪器设备在创客空间中，学生必须学会的技能有三类：功能实现类，模型制作以及加工工具，这三项技能是学生通往创客之路上必须先掌握的基本技能。创客空间建设的内容包括手工与机械制作，引导参与者自己动手参与创新创作的过程；机器人组装与控制，针对学生的机器人制作和编程控制，由兴趣引导科技创新，启发参与者灵活运用力学、结构、材料、电子、软件、艺术等知识；3D建模与制作，充分发挥创造者的空间想象能力，实现逻辑思维训练和实践操作训练；开源软硬件，创作者通过对嵌入式开发、电子电路、运动学和工程理论等知识的理解和运用，践行知行合一；多元沟通，通过创客空间的制作坊，分享会等活动，提高公开演讲、集体项目合作、沟通以及辩论的能力。序号产品名称规格,探究课题单位数量一、基础设备 1 设计工作台规格1400×1200×780mm，钢木结构。个 10 2 学生凳钢塑结构。个 48 3 存列柜 1200×500×2000，板木结构。个 2 4 计算机台式机电脑内存容量: 4GB 内存类型: DDR3 硬盘容量: 500GB 硬盘接口: SATA3 硬盘转速: 7200转显卡接口: PCI-E 显卡类型: 独立显卡显卡型号: 其他/other 显存容量: 2GB 屏幕尺寸: 23英寸显示器类型: 平板显示器光驱类型: DVD-RW 声卡类型: 5.1 操作系统: Windows 7 Home Basic或以上台 10 二、3D造型设计 1 3d打印机规格：打印精度: 0.011mm 成型方法: 熔融沉积成型打印尺寸: 300×200×200mm 喷嘴直径: 0.4mm 层厚: 0.1-0.4mm 喷头流速: 30cc/h，定位精度: 0.011mm 加热板温度: 50 喷头温度: 220 运动速度: 0-150，实际功率: 300W 输入电压: 110~220 产品外型尺寸: 430×505×380mm，产品重量: 12KG 台 10 2 PLA耗材材料直径：1.75mm 卷 20 三、智能模型创意设计与搭建 1 数字住宅智能家居模型搭建制模块功能：通过手机app进行智能家居的蓝牙控制；控制对象：智能电视模型，窗户，排气扇等能进行模拟互动操作。展示内容：展示服务机器人模型与智能家居模型，主要构成部分有客厅、厨房、卧室中高新科技的应用。游客可以通过APP控制系统对家庭里灯、电视、空调、门磁安防警报、窗帘、可燃气体检测、排风扇等设备进行远程控制，体验智能家居生活。操作方式：观众通过手机对电灯、电视等进行远程控制，体验服务机器人与智能家居生活。套 1 2 棚室温度控制模型该模型可以模拟棚室控制工作原理，模型装有温度传感器，采集模型内温度，在一定范围内，模型会做模拟开窗散热、关窗保温动作。套 10 四、电子创意模型设计与搭建 1 Mbot Ranger 1、工作电压：9v~12v 2、控制方式：蓝牙手机控制 3、编程方式：兼容Arduino编程和mBlock图形化编程 4、模型种类：a)四轮履带车 b)三轮车 c) 自平衡鸟 5、特点：可以在各个复杂的环境运行 6、材料：主要结构件材料使用高强度2mm航空铝板冲压成型，结合CNC精密加工，结构坚固，配合紧密；耐高温度达到500摄氏度。抗拉强度大于250MPa；耐力大于172MPa；延伸率小余1.7%；硬度大于70HB；套 10 2 mBot 1.1 1、工作电压：3.7v~6v 2、控制方式：红外控制和2.4G控制 3、编程方式：兼容Arduino编程和mBlock图形化编程 4、教程：配有教材书一本和入门视频教程 5、充电方式：电脑USB可充电，2~3个小时可以充电完毕 6、锂电池电量：1800mAh 7、可以结合各个扩展包进行扩展套 10 3 音乐套件 1、可用3种不同方式来操作该音乐机器人。a)通过手势控制（使用超音速模块检测位置）b)可以播放预先设定好的乐曲（或编程播放）c)通过PC软件控制 2、材料：主要结构件材料使用高强度2mm航空铝板冲压成型，结合CNC精密加工，结构坚固，配合紧密；耐高温度达到500摄氏度。抗拉强度大于250MPa；耐力大于172MPa；延伸率小余1.7%；硬度大于70HB； 3、电子模块：使用国标RJ25通信接口进行通讯，在行业中，驱动模块体积小，驱动能力大，稳定性强 4、编程平台：基于Arduino开源平台开发，★兼容mBlock(Scratch)软件，兼容Arduino IDE软件套 10 4 创客空间套装（高级版）组成：双孔梁结构件（6件）单孔梁结构件（6件）连接件（6件）基本传动部件（7件）轴类传动部件（7件）电子模块（ 6件）电机模块（7件）运动部件（5件）高级传动部件（6件）大型零件扩展包（6件）五金（6件）参数性能: 1、精密金属结构件（投标公司须提供符合该技术参数的演示产品，否则视为无效投标人）（1）材质：使用高强度铝型材材料，结合CNC精密加工，结构坚固，配合紧密；（2）兼容性：兼容大量工业标准件，完美实现工业应用场景；（3）连接方式：螺纹槽设计须让连接多样化，在不需要螺母的情况下也可以实现固定和连接。 2、电子模块（投标公司须提供符合该技术参数的演示产品，否则视为无效投标人）（1）通讯接口：主控制板与配套电子模块须使用国标RJ25通信接口进行通讯；（2）电子模块：包含各类传感器和驱动器模块，演示的传感器至少包含以下模块中的两种：超声测距、光线和灰度、人体红外、音量、温度、电机驱动、电机模块、蓝牙模块、红外接收模块、彩色LED模块、数码管模块、舵机、限位器等；（3）主控制板：兼容Arduino开源硬件开发平台，可使用Arduino IDE软件进行编程，兼容mBlock(Scratch)图形化编程软件，配套封装库。（4）兼容性：动力部分，兼容大量市面上常见的直流电机，舵机，步进电机，在动力装置方面选择范围广 3、电子模块编程平台：支持Arduino IDE、mBlock(Scratch)、ArduBlock等图形化编程环境。套 10 5 电路搭建盒 31个组件，可以建构串联、关联、导电性、摩斯密码等7种实验模型。盒 10 6 液压机械创意实验箱提供330个电子控制搭建部件，搭建液压挖土机，液压机械手，液压起重机，液压推土机等5种机械。套 10 8 自动导航车规格：210个组件，模型制作完成后,自动导航系统将根据即时的交通状况调整路径;使用最新的蓝牙搖控技术，搭配iPad或iPhone做为智能控制中心，只要简单的动动手指，就能使车朝任意方向前进. 套 10 9 常见电子元件应用试验套件该套件提供一套电子控制搭建平台，通过搭建电子电路，了解晶体管三极管、二极管，电阻、电容、电位器、发光二极管、直流继电器/电磁继电器、磁敏传感器、温度计、晶闸管、逻辑门芯片、555芯片、小型集成芯片等常用电子元器件的使用方法。套 10 10 常见电子电路应用试验套件该套件提供一套电子控制搭建平台，结合套件中提供的电子元器件，可以搭建出三极管开关、放大、电平转换，恒温控制，继电器控制，智力抢答，三人表决，单稳延时，光敏报警，可控硅控制等常见电子电路，并了解这些电路的应用。套 10 11 太阳能实验套件 194件，可组装成17种模型：太阳能风帆车、水陆两用船、赛车、摩托车、重型机车、压路机、水泥搅拌车、油罐车、挖土机、街道清扫车、工程车、直升机、起重机、电梯、缆车、铲车、大卡车。套 10 12 技术与设计1试验套件通过该套件可搭建出一些模型，在搭建过程中让学生了解什么是设计，设计有哪些特点，在套件提供的零件器材基础上搭建一些结构模型，在设计搭建的过程中了解设计的基本原则，对设计进行实践，并了解设计怎样进行优化。套 10 13 悬崖避障模型该模型在动作的过程中，能避开前方障碍物或悬空的地方，有智能识别功能。套 10 14 循轨迹模型该模型在动作过程中，能沿着设定的路线前进，在前进方向偏离时，能自动更改方向。套 10 15 力的转化演示器规格：126件，将水的压力转化为动力能源，带动挖斗来模拟挖土机工作的全过程。套 10 16 结构蠕动模型该模型利用主板控制与结构传动实现蠕动动作。套 10 17 结构步行模型该模型利用结构传动实现步行动作，在步行过程中能播放音乐。套 10 18 控制牵引模型该模型可以在光束的控制下实现前进、左转、右转动作。套 10 19 前后联动模型该模型利用结构传动实现前后联动动作，在动作过程中可以识别障碍物。套 10 20 遥控模型该模型可以利用一个小的遥控模块控制该模型的动作。套 10 21 简易分拣机模型该模型可以识别黑白两种颜色的物体，对物体进行快速的分拣。套 10 22 交通灯模型该模型可以模拟实体交通灯，可以对交通灯进行预设，设置交通灯控制模式，交通灯点亮延长时间。套 10 23 气动系统控制模型该模型可以模拟气压传动装置，整套模型中有气压泵、储压罐、减压阀、换向阀、气缸等部件组成，通过了解各部件的原理，就可以了解气动的基本原理。套 10 24 奇妙的无线电实验箱规格：400×200×100，铝合金箱包装。探究问题：1、什么是电磁波，无线电，调制，解调。 2、电磁波产生，发射，接收的过程。 3、无线发射接收模块的使用。套 10 25 激光传声与光纤通讯实验箱实验箱规格：400×200×100，铝合金箱包装。探究问题：1、激光传声原理，光电转换过程。2、了解光纤通讯的特点。 3、了解警报喇叭的制作，工作原理。套 10 26 无线电台规格：无线电台，发射装置：可以发射歌曲等，接收装置：可接收发射装置发射的歌曲等，收发射有效范围：10米套 10 27 传感器应用实验箱包含光敏传感器、热敏传感器、声敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、力敏传感器、位移传感器、条形磁铁等。认识温度传感器、光传感器、声传感器、磁传感器、力传感器和湿度传感器等传感器，可开展传感器功能演示电路实验、万用表测多种传感器、温控灯实验、声控灯实验、磁控灯实验等。套 10 28 数字电路实验箱包含D触发器、JK触发器、编码器、发光二极管、七段译码器、石英晶体、数码管、译码器、与非门、非门、四输入与非门、与门、或门、整流二极管、光电二极管、TTL集成电路、COMS集成电路、EWB电子工作平台等。认识数字电路和数字电路实验器电子元器件，可开展高低电平检测实验、三极管管脚判别实验、三极管开关电路实验、三极管放大电路实验、继电器锁存器实验、开关电路模拟“与”逻辑实验、开关电路模拟“或”逻辑实验、开关电路模拟“非”逻辑实验、车门报警电路实验、简易密码锁电路实验、与门电路实验、或门电路实验、三人表决器实验、单稳延时电路实验、定时电路实验、单键双稳开关实验、定时电路实验、密码电路实验和可变调电子门铃实验套 10 29 电磁继电器包含直流继电器、交流继电器、干黄继电器、延时继电器、直流接触器、交流接触器、保险丝、热继电器、微型直流电机等。认识电磁继电器和电磁继电器实验器电子元器件，可开展电磁继电器功能演示实验、电磁继电器控制电路实验、单向可控硅特性实验、双向可控硅管脚判别实验、晶闸管控制电路实验和调光台灯实验。套 10 30 电子控制系统包含直流继电器、交流继电器、干黄继电器、延时继电器、直流接触器、交流接触器、保险丝、热继电器、微型直流电机、磁弹簧、单晶晶体管、电感、光敏二极管、热敏二极管、微型直流电机、稳压管、线圈、音乐集成、音频变压器、运放集成等。套 10 31 奔跑吧，火柴人多媒体触摸屏：32寸多点触控显示器；10个分解的人物跑步动作，拖到动画框中组成跑步过程，系统处理后播放，如果先后顺序摆错，跑步动画会显得奇怪和滑稽。套 1 32 机械组合传动方式组成：蜗轮蜗杆传动，齿轮齿条传动，链传动。展示内容：本展项通过三组传动模型的操作演示，用简单的原理向观众展现机械运动中常见的传动原理，培养勤于动手、乐于发现科学奥秘的习惯。操作方式：转动手轮，观察和感受不同的机械运动机构。套 10 南京师范大学课程资源研究所邮政编码： 210097 地　　址：南京市宁海路122号南京师范大学信息技术楼公司电话： 025-83204284 83302681 83301983 公司传真： 025-83302681转8028 手　　机：13405879778 联系人：王克芳网　　址：http://www.kczyyjs.com 电子邮件：wangkefang@163.com QQ号码：306824063

南京师范大学课程资源研究所 2021-08-23

合金化阻燃镁合金的产业化

合金化阻燃镁合金的产业化一、项目简介镁合金是目前最轻的金属结构材料，其密度大约在1.75～1.85g/cm3之间，仅相当于铝的2/3，钢的1/4。同时镁合金还具有比强度和比刚度高、导热导电性好、阻尼减震、电磁屏蔽、易于加工成形和容易回收等优点，在汽车、电子通信、航空航天和国防军事等领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景，被誉为“21世纪绿色工程材料”。但是镁合金由于自身化学活性很强，而且氧化后不能形成致密的氧化膜。镁合金在高温熔炼和加工成形过程中容易氧化燃烧，从而限制了镁合金的发展前景。因而有必要寻找一种经济、实用、无污染的镁和金熔炼保护方法以防止镁合金生产过程中的氧化燃烧问题。目前较为成熟的镁合金阻燃方法有熔剂保护法和气体保护法。然而，对于熔剂保护法而言，在熔剂的使用过程中会产生大量有刺激性气味的气体（如HCl、Cl2），给环境造成危害；且容易产生熔剂夹杂，损害合金的机械性能和耐腐蚀性能。气体保护法通常是通入一定量的SF6和CO2的混合气体，使用过程中产生SO2、SF4等有毒气体，甚至会产生剧毒气体S2F10，造成环境污染，且SF6和CO2能长期滞留在大气中，产生巨大的温室效应。另外气体保护法还需要有复杂的混气装置和密封装置，而且从熔炼到浇铸也需要复杂的输送设备，因而加大了一定的成本。针对熔剂保护法和气体保护法带来的问题，20世纪50年代人们提出了合金化阻燃的想法，其主要原理在于向镁合金中添加适量的低氧位合金元素（即其与氧的亲和力大于镁与氧的亲和力），使其在熔炼、浇注过程中自动生成致密的复合氧化膜，从而阻止镁合金的进一步氧化燃烧。本课题正是基于此思想，希望通过向镁合金中添加某些合金元素，使得镁合金获得优良的阻燃性能，同时不降低其力学性能。然而合金熔体表面氧化膜结构的改变必然同时改变了熔体表面张力的大小，因而可以通过研究表面张力大小对氧化膜结构改变的影响，进而找到合金元素含量、阻燃性能和表面张力之间的定量关系，从而使本课题所得结果能够指导实际生产。合金化阻燃法将大大降低设备及工艺的复杂程度，同时也不会对环境造成严重污染，具有较强的实用价值及巨大的发展潜力。二、项目技术成熟程度本课题组长期从事合金化阻燃镁合金材料及其相关加工工艺方面的研究，目前已经建了一系列镁合金相关的研究方法和性能检测方法。研究的基体不仅包括工业纯镁，也包括商业应用最为广泛的AZ91D，添加阻燃元素包括Ca和不同含量的Re元素。现已经取得以下研究成果：2.1 镁合金起燃温度测试系统的建立2.1.1 概述镁合金起燃温度的准确测试是研究阻燃镁合金过程中的关键一步，也是本课题的一个难点。传统的测试方法有观察法和温度记录仪法。观察法就是在敞开的炉中加热试样，当观察到试验燃烧时读取电炉温度控制器的温度并记录，作为试样的燃点温度。此方法简单易行，但是测试的结果受人为因素影响较大，误差较大。温度记录仪法就是利用热电偶作为温度传感器，使用温度记录仪记录温度时间曲线。镁及其合金燃烧时放出的热量会使温度升高的速率发生急剧变化，从而使温度-时间曲线发生拐点，此拐点处温度即为燃点温度。近年来随着计算机技术的飞速发展，出现了基于数据采集技术的燃点测试方法。这类方法也是利用了镁及其合金燃烧时释放的热量使炉内温度上升速率加快的现象。基于数据采集技术的燃点测试方法可把所采集的温度时间曲线保存起来待日后分析，燃点温度的确定可通过软件编程自动识别。本课题自行开发了基于数据采集技术的镁及镁合金燃点测试分析系统。镁合金起燃温度测试系统从功能上可分为硬件部分和软件部分，硬件部分主要完成温度的传感、信号的调理及数据采集；软件部分主要完成温度的实时显示、实验数据的存储、实验数据的回放分析等功能。2.1.2 硬件构成及功能本课题所建立的镁合金起燃温度测试系统的硬件组成主要由坩埚式电阻炉、TCW-32B型温度控制器、数据采集卡以及电脑组成，其组成结构见图1所示。该电阻炉与温度控制器具有节能、可编程控制以及加热速度可调等优点。温度传感器采用K型热电偶。由于温度采集的采样率不需要很高，因此数据采集卡采用了研华USB-4718型，该数据采集卡为8路热电偶输入，支持USB2.0，无需外部电源，与笔记本电脑可构成便携式测试系统；该卡还具有3000VDC隔离保护，支持4~20mA，能够对热电偶信号进行内部调理，无需外加调理电路，降低系统的成本及开发时间。其中一支热电偶接入温度控制器对电阻炉进行控温，然后再接入数据采集卡；另一支热电偶用来测试试验样品的温度，因而直接接入数据采集卡。数据采集卡将这两路温度信号通过USB接口传送到电脑进行记录并显示。坩埚式电阻炉的结构如图1所示，在电炉底部开有通风孔，盛放试样的物品应采用带孔的结构或者石棉网，以保证良好的供氧条件。1.坩埚式电阻炉；2.耐火砖垫；3.坩埚；4.试样；5．热电偶；6.温度控制器；7.数据采集卡；8.电脑图1 镁合金燃点测试装置示意图2.1.3 软件功能及关键技术镁合金起燃温度测试系统软件部分是利用LabVIEW8.5开发的，其界面见图2。该软件界面从功能上可大致分为三个区域：实验参数设置区、实验参数动态显示区和软件功能控制区。实验参数设置区可对实验采用的热电偶类型、数据采集卡的通道、实验名称、实验数据保存路径以及采样率等参数进行设置。实验参数动态显示区可实现对所采集的两路温度的直观动态显示以及温度—时间曲线的动态显示。软件功能控制区可完成对实验进度的控制，如数据采集的开始与结束、界面的刷新、温度曲线的回放显示以及系统的退出等功能。图2 镁合金起燃温度测试系统软件界面软件与硬件的通讯是通过调用研华提供的底层驱动函数实现的，一个通道的数据传输程序框图见图3。由于该数据采集卡不支持8路信号的并行通信，也就是说数据采集卡的8路输入信号的读取要按顺序循环读取，所以要想实现多路温度信号的传输，必须在软件上来完成。本文是通过调用顺序结构的方法来实现对两通道数据的顺序读取的。图3 数据传输程序框图为了能够对实验数据进行事后分析，软件要提供对所采集的数据的存储功能，存储的数据一定要和相应的实验名称结合起来，以防止实验数据混淆。本软件是通过对实验数据进行命名与计算机自动生成名称相结合的方法来避免数据的混淆。也就是说，对每个实验进行命名后，由于每个实验不一定只做一个实验数据，因此系统会自动生成一个以精确到秒的时间字符串做为实验名的后一部分，如“mg1.2ca-1熔体温度20100531204001.bin”。实验数据在存储时同时被存储为二进制格式和文本格式，路径及文件名生成以及数据存储的的程序框图如图4所示。图4 数据存储程序示意图由于软件在数据采集过程中显示区域显示的是动态过程，所以无法看到所采集的数据全貌，因此软件提供了对所采集的实验数据的回放显示功能，既可显示一条曲线，也可同时显示多条曲线进行对比分析，此功能是通过调用子VI（Virtual Instruments的简写，即虚拟仪器）的方式实现的。通过按下主界面的“单曲线显示”或“多曲线显示”即可调出一个新的显示窗口。多曲线显示的曲线条数可以输入。多曲线显示的界面及程序框图见图5。为了软件使用过程中的方便，提供了界面刷新功能，按下“界面刷新”后软件界面可恢复到默认状态。考虑到每次测燃点温度时实验名称或者数据存储的路径可能会相同，所以建立了“实验名称”和“存储路径”两个全局变量，同时建立了一个配置文档。每次软件更改实验名称或存储路径时，都要修改全局变量的值，软件退出时，要把最后的实验名称和存储路径存到配置文档中，当再一次打开运行软件时，要打开配置文档读取实验名称和存储路径的信息作为软件界面的默认值。 (a) 程序框图 (b) 程序界面图5 多曲线显示为了使软件运行的更流畅、使用更方便，软件中还应用了很多容错技术。容错技术包括软件的自检和硬件自检两部分。软件自检包括检查输入的存储路径是否正确、实验名称是否为空等，以保证数据存储的可靠性。硬件自检主要是在点击“开始采集”按钮后，检测数据采集卡工作是否正常，如果数据采集卡异常，软件会报警并返回到初始状态，避免了由于数据采集卡异常导致的死机。2.1.4 系统测试及起燃温度的确定将电阻炉加热至500℃左右，再将块状镁合金放入带孔的坩埚，然后将其置入电阻炉中，并使测量镁合金温度的热电偶与块状镁合金接触，使电路按固定加热速率进行加热，并开始数据采集。数据采集过程的界面见图2，经测试，软硬件各项功能正常。所采集的温度-时间曲线如图6所示。镁合金在开始燃烧瞬间，放出大量的热量使温度急剧上升，会在温度-时间曲线上出现一个拐点。本课题中，将温度-时间上的第一个拐点所对应的温度值定义为燃点。图6 典型温度-时间采集曲线2.1.5 小结（1）本章建立了镁合金起燃温度测试硬件系统，该系统由坩埚式电阻炉、温度控制器、热电偶、研华USB-4718型数据采集卡及电脑组成，所建立的硬件系统成本低、结构简单、测试系统便携。（2）本章开发了镁合金起燃温度测试软件系统，该软件采用LabVIEW8.5开发，具有数据采集、数据动态显示、实验数据存储、数据回放分析等功能。软件界面友好，操作简单，容错性强。（3）本章对所建立的镁合金起燃温度测试系统软硬件进行了测试，测试结果表明，所建立的测试系统各项功能正常，能够很好的完成对镁合金起燃温度的测试，并给出了确定起燃温度的方法。2.2 镁合金熔体表面张力装置的建立2.2.1 概述我们通常将物体表面单位长度上作用的力称作表面张力，单位为N/m，而且通常我们所说的表面张力指的是液相与气相接触面上的表面张力。在液态金属或者合金与气体组成的体系中，与气体接触的液体表面层原子处于不平衡力场中，即与表面层原子接触的液体中的原子与表面层原子距离较小，且数目量多，因此作用力较大；而与表面层原子接触的气体中的原子与表面层原子距离较大，且数量少，因此作用力较小。这样就产生了方向垂直于液体表面，指向液体内部的力，如图7所示。该力使液体表面有如一弹性膜所包围，倾向减少其表面，因此产生了表面张力。表面张力的大小不但与液体本身的性质有关，而且与它相接触的相的性质有关。图7 熔体表面原子模型表面张力是液态合金重要的物性参数，它不仅是研究界面反应动力学的基础，而且在金属凝固过程和铸造合金参数的预测中起着重要作用，因此，研究液态合金熔体表面张力具有重要理论价值和实际意义。在阻燃镁合金的研究领域，特别是在阻燃镁合金的熔炼与制备过程中，合金液在高温下的急剧扩散与在凝固过程中晶粒的形成，尤其是晶体在长大时，稀土元素会富集在相界上，在液态下有表面聚集的趋势,元素的扩散必然会对熔体的表面张力和氧化膜结构产生影响，因而我们可以通过研究稀土阻燃镁合金熔体特性特别是在不同状态下熔体表面张力的变化对氧化膜结构改变的影响规律，进而找到表面张力与阻燃性能之间的对应关系。2.2.2 表面张力的测量方法表面张力的测量方法有很多，总体上可分为动态法和静态法两类。动态法是以测量决定某一过程特征的数值来计算表面张力，主要有毛细管波法和振荡射流法。通常在溶液表面张力随时间变化变化较快时需要用动态法测量，如用振荡射流法测定的时间变化可以小到1ms左右。在现阶段，动态法测量表面张力还不完善，测量误差较大，因而，实际应用很少。主要的方法有毛细管上升法、悬滴法、滴重法、最大气泡法、拉筒法、液滴外形法和电磁悬浮法等。常温或低于200℃下的液体表面张力测量方法较多。但是，多于液态金属、炉渣、熔盐等高温熔体，增加了测量的难度和复杂程度，应用于高温熔体表面张力的测量方法主要有最大气泡法、电磁悬浮法、拉筒法和静滴法。考虑到试验的测量精度和设备的复杂程度，本课题采用最大气泡法测量镁合金熔体表面张力。最大气泡法Simon于1851年提出，后由Canter、Jaeger分别从理论和实用角度加以发展。实验步骤是，将一毛细管插入待测液体内部，再向管中缓慢通入惰性气体，随着吹入气体压力的增大，气泡逐渐长大，当气泡恰好是半球时，气泡内的压力达到最大值，此时通过测量气泡压力，计算得到液体的表面张力值。2.2.3 表面张力的测量装置本课题采用“最大气泡压力法”测定镁合金熔体表面张力，实验装置如图8所示：图2.4 最大气泡压力法测试表面张力装置简图Fig. 2.6 BMP Surface tension testing schematic图8 最大气泡法测量熔体表面张力装置1.氩气瓶2.压力表 3.大量程浮子流量计 4.稳压计 5.针型阀 6.微调针型阀 7.干燥瓶 8.小量程浮子流量计 9.U形压力计 10.温度控制仪 11.毛细石英管 12.热电偶 13.石墨坩埚 14.镁合金熔 15.坩埚电阻炉16.升降机构 17.大量程百分表氩气经过减压计，稳压计，通入装有氯化钙的干燥瓶中进行干燥，再由三通器分成两路，一路连接到U形压力计（U形管所盛液体为水），另一路经细的石英管通入镁合金熔体。由小到大缓慢调节氩气气压，并通过针型阀控制气体流量大小（将气体流量控制在18-20毫升/分以内），观察U形管内两边液注高度差H。试验采用的毛细石英管内半径r=2.86mm，符合精度要求。毛细管端口经过抛光、清洗处理，以排除杂质和端口缺陷对测量结果的影响。实验中，通过升降机构可控制毛细管的上升和下降，当毛细管插入合金液后，随着氩气的缓缓通入，管内液体被排出管外，会在管口处形成气泡并不断长大（图9）。气泡在成长过程中，其内部压力P与液体静压力及液体表面张力的合力保持动态平衡，直至这种平衡被破坏，气泡会脱离管口而浮出液面。此过程，H值也将呈现出由小到大的变化趋势，设气泡内的压力为P，则：P+PM=PH （1）其中，PM为镁合金熔体在深度为h处形成的压强，PH为U形管内两边液注差所形成的压强。图9 气泡形成过程根据表面张力的物理意义，在液体中若有一半径为r的球形气泡，液体表面张力的作用造成了指向气泡内部的压力P（图10）。图10球形气泡气泡的表面积为：S =4πr2球形气泡的体积为：V =4πr3/3若将球的体积增大dV，则必须克服阻力P对它做功：ΔW =PdV，而这一所做的功将转变为表面积增大后的表面自由能增量：ΔE =σdS（σ为表面张力）。由于ΔW =ΔE，即PdV =σdS而dV =4πr2dr，dS =8πrdr，因而可推导出：P =2σ/r （2）PM为镁合金熔体在深度为h处形成的压强，即PM =ρMgh，ρM为镁合金熔体的密度，为便于计算我们以Mg-Al合金的液态密度代替；PH为U形管内两边液注差所形成的压强，即PH =ρwgH,ρw为水的密度。所以，由式（1）、（2）可以得到，当H达到最大值Hmax时， 2σ/r +ρMgh =ρwgH （3）所以，表面张力σ为：σ=(ρwgHmax-ρMgh)•r/2 （4）用最大气泡法测量镁合金熔体表面张力的具体步骤为：1．采用电阻炉、坩埚在一定温度下对合金进行熔炼，待完全熔炼后搅拌一段时间，除去表面杂质，再保温10分钟；2．通过调整升降机构，使毛细管下降到恰好接触合金熔体表面，此时调整百分表托架，使百分表的芯端部与升降机构水平臂平面接触，将刻度盘对零，下降升降机构，使毛细管插入合金液表面之下，记录毛细管下降的精确深度h；3．固定好这一高度打开炉盖与氩气瓶压阀，并通过针型阀控制气体流量大小（将气体流量控制在18-20毫升/分以内），此时U形管两侧开始出现压差，当熔体内部能够稳定、缓慢的产生气泡时，观察U形两侧压差值将由小到大变化，到达一最大值后（即气泡成为半球形，此时半径最小等于石英管内半径r时），U形管两端压差突然减小（因为气泡破裂），记录下U形管左右两端的最大液面差值H；4．带入公式中进行计算便可得到熔体的表面张力。2.2.4 小结（1）本章建立了镁合金熔体表面张力测量装置，该装置主要由氩气瓶、压力表、浮子流量计、稳压计、针型阀、干燥瓶、U形压力计、毛细石英管、升降机构和百分表组成。（2）本课题对所建立的镁合金熔体表面张力测量装置进行了测试，测试结果表明，所建立的测量装置各项功能正常，能够很好的完成对镁合金熔体表面张力的测量，并给出了熔体表面张力的测量方法。三、技术指标通过本次研究必须到达以下要求：①研制成一种或多种阻燃镁合金可以在大气下不加任何保护措施条件下，熔炼而不发生燃烧现象；②研制成的阻燃镁合金成分通过压铸、热处理工艺过后所制成的成品，其结构的力学性能必须达到相应的要求；③通过本次研究结果，发表1项发明专利和1项实用新型专利。四、市场前景镁及镁合金既可以铸造成各种铸件或压铸件，也可以采用各种塑形加工方法加工成不同品种、规格、性能和用途的管、棒、型、线、带、箔材以及锻件等，然后经切削加工、冷冲压、接合成形和表面处理等深加工成各种零件和结构件。与其他结构材料相比，镁及其合金具有一系列的优点，如密度低、比强度和比刚度高、阻尼减振降噪能力强、电磁屏蔽性能优异、抗辐射、液态成型性能优越、切削加工和热成型性能好、易于回收等，符合“21世纪绿色结构材料”的要求，越来越受到人们的青眯。今年来，镁材在汽车、摩托车等交通工具、计算机、通信、家电、电子电器、冶金、航空航天、国防军工等部门获得了广泛的应用。随着镁合金提炼及加工技术的发展，以及成本的下降，镁材已成为工业应用的重要金属材料，在全球范围内得到快速发展。1. 镁合金材料在汽车工业上的开发与应用自1970年中东石油危机以来，为减轻汽车质量，以降低油耗和污染，提高安全性能，镁合金材料在汽车工业中的应用与日俱增。目前，汽车工业中镁合金用量较多的地区和国家主要是北美、欧洲、日本和韩国。综合部分厂家的使用情况，目前镁合金材料主要用来制造以下汽车零部件：①车内构件：仪表盘、座椅架、座位升降器、操纵台架、气囊外罩、转向柱支架、收音机外壳、小工具箱门、车窗马达罩、刹车与离合器踏板托架、气动托架踏板等；②车体构件：门框、尾板、车顶框、车顶板、IP横梁；③发动机及传动系统：阀盖、凸轮盖、四轮驱动变速箱体、手动换挡变速器、离合器外壳活塞、进气管、机油盘、交流电机支架、变速器壳体、齿轮箱壳体、油过滤器接头、马达罩、气缸头罩、分配盘支架、油泵壳、油箱、滤油器支架、左侧半曲轴箱、空机罩、左抽气管等。④底盘：轮毂、引擎托架、前后吊杆、尾盘支架。美国福特、通用、克莱斯勒三家公司在每辆汽车上使用的镁合金铸件分别达到30个、45个和20个；瑞典推出的沃尔沃CP20C0车型全重700kg，使用50kg镁合金，包括轮毂、合器箱、转向齿箱、后悬臂、发动机架、进气歧管、气缸体等部件；本田轿车一部分零件采用镁合金材料后，重量大大减轻。最近，Magers分析了汽车市场的镁合金需求趋势，预测镁合金材料在汽车工业的应用将会不断增加。2. 镁材在轨道交通工具上的应用前景在列车和其他轨道交通工具上使用镁材，目的是减轻重量，减小噪音和震动，规整零部件和防止塑料老化，提高使用寿命等。主要应用实例：仪表盘支撑梁、发动机阀盖、密封结构件、高速器、滤器器、发动机承受台、消音器等。3. 镁材在自行车上的开发与应用自行车是人力驱动工具，因而质量的减轻带来的效果非常显著，具有更好的加速性能、爬坡性能、转弯性能，并且容易操纵，因而在国外自行车行业流传着“产品轻1g多卖1美元”的说法。与铝质自行车相比，用镁材制造自行车可减重33%；用镁材制造的折叠自行车车架重量仅1.4kg，总重量仅为4kg。目前自行车使用镁合金部件包括轮毂、车把夹、脚踏板、制动器、手把、前叉、框架等近十几个部件。4. 镁材在航空航天上的开发与应用航空航天材料减重带来的经济效益和性能改善十分显著。在质量减轻相同的情况下，商用飞机节省的燃油费是汽车的近100倍，而战斗机的燃油费用节省又是商用飞机的近10倍，更重要的是其机动性能的改善可以极大地提高战斗力和生存能力。正因为如此，早在20世纪20年代就开发出了许多镁合金部件，如发动机曲柄箱、发动机零件、气球吊篮、客机座椅、起落轮。随着镁合金生产技术的发展，材料的性能不断提高，其应用范围也不断扩大。目前的应用领域包括各种民用和军用飞机的发动机零部件、螺旋桨、齿轮箱、支架结构，以及火箭、导弹、卫星的一些零部件。5. 现代兵器零部件的镁合金化及发展趋势枪械武器、装甲车辆、导弹、火炮、弹药、光电仪器、武器用计算机及军用器材中有较大数量的铝合金零件和工程塑料件，根据镁合金材料的性能和使用特点，将这些零件改用镁合金制造在技术上是可行的。采用镁合金材料代替武器装备的中、低强度铝合金零件和部分黑色金属零件，实现武器装备轻量化：枪械武器：机匣、弹匣、枪托体、提把、前护手、弹托板、瞄具座等；装甲车辆：坦克座椅骨架、机长镜、变速箱壳体、发动机滤座、进出水管、空气分配器座、机油泵壳体、水泵壳体、机油热交换器、机油滤清器壳体、气门室罩、呼吸器等；光电产品：镜头壳体、红外成像仪壳体、底座。6. 镁合金材料在电子工业（家用电器和3C产品）上的开发与应用近10年来，电子工业发达的国家，特别是日本和欧美一些国家，在镁合金产品的开发方面开展了大量工作并取得了重要进展，一大批重要电子产品使用了镁合金，取得了理想的效果。3C工业（计算机、通讯设备、消费类电子产品）是当今全球发展速度最快的产业，数字化技术导致各种数字化产品不断涌现。镁合金3C产品最早出现于日本，1998年日本厂商开始采用镁合金制造各种可携式商品（如PDA、手机等），如今最为普遍的镁合金3C产品是笔记本电脑，是由日本SONY公司率先推出的。在3C产品朝着轻、薄、短、小方向发展趋势的推动下，今年来镁合金的应用得到了持续增长。我国虽然是世界产镁大国，但与日、美、欧相比，在镁合金材料研究、生产技术及应用领域等方面还有相当大的差距，仍处于起步阶段。五、规模与投资需求投资规模万元，厂房及设备设施需求等。六、生产设备根据研发和生产需求，镁合金在加工和性能检测方面需要用到以下装置：真空式高频感应熔炼炉；铸件的金属型模具；坩埚为石墨型坩埚；大型真空热处理炉；一整套机加工设备：加工中心、数控车床、手动工具；试样拉伸试验在Zwick/Roell Z100拉伸试验机上完成；硬度测试采用XC-ST50显微硬度测试仪，金相组织观察在VMS-2000金相图像分析系统上完成；氧化膜形貌观测等在日立S-4800扫描电镜上进行；大气条件下的氧化动力学实验在SDT-Q600差热分析仪上进行。七、效益分析按每年生产X吨计算，可获利约XXXX万，八、合作方式合作方式采用技术入股或者技术转让的形式，价格面谈。九、项目具体联系人及联系方式项目负责人：丁俭，电话：15122335148，email：djian@126.com。十、附件：成果图片图11 镁合金零件产品

河北工业大学 2021-04-11