張 勇，賈洪聲，劉惠蓮，鄂元龍

(1.吉林師范大學(xué) 物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，吉林 四平 136000；2.吉林師范大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 四平 136000)

高壓物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)作為一種極端條件產(chǎn)生技術(shù)，基于多對(duì)頂砧裝置可在3～10GPa壓力下合成新材料，是目前超硬材料合成的主要手段之一，推動(dòng)了以超硬材料為基礎(chǔ)的新一代機(jī)械加工刀具的發(fā)展，對(duì)于機(jī)械加工與制造業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要[1-3]。該技術(shù)的學(xué)習(xí)與實(shí)踐對(duì)于應(yīng)用物理學(xué)、材料物理等專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)作用顯著。但是，超硬材料合成中常用的多對(duì)頂砧高壓物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備占地空間大、價(jià)值昂貴，無(wú)法布置教學(xué)需求的臺(tái)套數(shù)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本消耗高。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)從“做實(shí)驗(yàn)”變成了“講實(shí)驗(yàn)”，學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力不能得到充分提升。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)與教育領(lǐng)域的融合不斷深化，虛擬仿真技術(shù)被越來(lái)越多地應(yīng)用于各學(xué)科專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐中，有效解決了設(shè)備昂貴和臺(tái)套數(shù)受限問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中表現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)[4-9]。

本文以高壓物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)合成立方氮化硼超硬材料為主線，構(gòu)建三維虛擬空間，還原再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，對(duì)主要實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行高仿真度的建模、仿真，設(shè)計(jì)開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超高壓物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)與線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，提高高壓物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和質(zhì)量。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示。超高壓物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)依托開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)運(yùn)行。平臺(tái)運(yùn)算數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)加載運(yùn)行軟件的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，并提供了一整套供其他應(yīng)用程序訪問(wèn)的數(shù)據(jù)交互接口。應(yīng)用管理程序如DCS控制系統(tǒng)、智能評(píng)分系統(tǒng)、Unity3D仿真程序、工況管理和事故控制等程序?qū)Ω黝愃惴K和工藝設(shè)備的圖形表示進(jìn)行設(shè)計(jì)和組合，設(shè)置仿真軟件的初始狀態(tài)，設(shè)置仿真軟件中的考核點(diǎn)并賦予相應(yīng)的分值。最終利用運(yùn)算數(shù)據(jù)庫(kù)提供的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口相互協(xié)同工作，完成整個(gè)仿真工藝的模擬和練習(xí)。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

教師和學(xué)生在B/S運(yùn)行架構(gòu)下，根據(jù)分配的賬號(hào)登錄到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。教師帳號(hào)具有權(quán)限對(duì)機(jī)構(gòu)中的學(xué)員進(jìn)行統(tǒng)一管理，并能夠創(chuàng)建仿真考試教室、查看優(yōu)秀學(xué)員、學(xué)習(xí)日志以及各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表。學(xué)生賬號(hào)能夠?qū)W習(xí)仿真軟件、查看自己的學(xué)習(xí)記錄、考試記錄、實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及學(xué)習(xí)問(wèn)題答疑等。

1.2 核心要素仿真原則

(1)實(shí)驗(yàn)涉及使用的電子天平、真空熱壓爐、四柱壓機(jī)、六面頂壓機(jī)、維氏硬度計(jì)、X射線衍射儀、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等儀器設(shè)備需高精度3D建模，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件可分解呈現(xiàn)，便于學(xué)生理解儀器結(jié)構(gòu)及工作原理。

(2)利用交互技術(shù)對(duì)儀器的操作流程進(jìn)行高度還原，包括正確使用的操作規(guī)范和錯(cuò)誤使用時(shí)的危害警示(如六面頂壓機(jī)設(shè)備的壓強(qiáng)、溫度標(biāo)定，壓機(jī)缸體活塞的空進(jìn)、壓縮、施壓、泄壓等過(guò)程，XRD物相測(cè)試分析、硬度測(cè)量、力學(xué)性能測(cè)試表征等操作規(guī)程)，使學(xué)生能夠在虛擬的環(huán)境中，學(xué)習(xí)掌握真實(shí)儀器的操作及注意事項(xiàng)。

(3)通過(guò)模擬仿真技術(shù)，模擬高溫、高壓條件對(duì)固相材料的影響，包括設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)，對(duì)不同燒結(jié)原料進(jìn)行配比設(shè)計(jì)，完成不同燒結(jié)性能樣品的合成和分析，使學(xué)生能夠掌握超硬材料燒結(jié)體的合成工藝流程。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景構(gòu)建

(1)儀器設(shè)備模型開發(fā)

圖2 六面頂壓機(jī)三維模型示例

(2)三維虛擬實(shí)驗(yàn)室的搭建

本實(shí)驗(yàn)以Unity3D為引擎開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和環(huán)境。將開發(fā)完成的三維模型及其材質(zhì)導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中，參考實(shí)際實(shí)驗(yàn)室的空間布置情況及實(shí)驗(yàn)操作要求，分布在樣品制備實(shí)驗(yàn)室、高溫高壓實(shí)驗(yàn)室和分析實(shí)驗(yàn)室3個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室中，如圖3所示。

圖3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景分布

2.2 教學(xué)內(nèi)容模塊設(shè)計(jì)

超高壓物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)由粉體原料稱量及預(yù)處理、超硬材料高溫高壓合成和合成樣品性能測(cè)試分析3個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K以及17個(gè)交互實(shí)驗(yàn)步驟組成。

(1)原料稱量及預(yù)處理模塊

在原料稱量及預(yù)處理模塊中，學(xué)生通過(guò)稱量藥品(圖4)、混合研磨、真空爐熱處理、組裝預(yù)壓模具等互動(dòng)操作，掌握高溫高壓實(shí)驗(yàn)前對(duì)粉體材料的預(yù)處理過(guò)程，熟悉電子天平、真空管式爐等設(shè)備的規(guī)范操作流程。具體操作步驟包括：根據(jù)組分設(shè)計(jì)稱量立方氮化硼顆粒(CBN)和碳化硼(B4C)；充分混合研磨后，置于真空管式爐內(nèi)；啟動(dòng)真空泵抽真空，隨后根據(jù)提示設(shè)置熱處理程序(圖5)；完成熱處理后將粉體導(dǎo)入模具中，準(zhǔn)備制作預(yù)壓塊。

圖4 原料稱量過(guò)程

圖5 設(shè)置熱處理參數(shù)

(4)超硬材料高溫高壓合成

在超硬材料高溫高壓合成模塊中，學(xué)生將通過(guò)制作預(yù)壓塊、組裝葉臘石合成塊、操控六面頂壓機(jī)等互動(dòng)操作，掌握高壓腔體組裝、六面頂壓機(jī)參數(shù)設(shè)定及設(shè)備運(yùn)行的規(guī)范流程和高溫高壓合成工作原理。具體操作步驟包括：在四柱壓機(jī)上將預(yù)處理粉體壓制成樣品塊(圖6)；將樣品快、石墨管、絕緣堵頭、石墨片、銅片、白云石環(huán)、鋼帽和葉臘石復(fù)合塊等傳壓保溫材料按提示順序組裝成葉臘石合成塊腔體；啟動(dòng)六面頂壓機(jī)，根據(jù)提示設(shè)置合成工藝曲線(圖7)；通過(guò)“壓機(jī)手動(dòng)操作器”對(duì)壓機(jī)缸體進(jìn)行手動(dòng)控制，裝載合成塊腔體(圖8)；按下“合成”鍵，液壓機(jī)高壓充液，按預(yù)設(shè)工藝參數(shù)運(yùn)行；待完成合成后操控機(jī)器“卸壓”、“回程”，取出高溫高壓合成樣品(圖9)。

圖6 四柱液壓機(jī)制作樣品塊

圖7 設(shè)置高溫高壓合成工藝曲線

圖8 裝載合成腔體

圖9 取出高溫高壓合成樣品

(5)合成樣品性能測(cè)試分析

在樣品性能測(cè)試分析模塊中，學(xué)生通過(guò)X射線衍射儀、硬度計(jì)、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等互動(dòng)操作，學(xué)會(huì)對(duì)樣品的物相結(jié)構(gòu)分析、硬度分析和斷裂韌性分析，掌握X射線衍射儀、硬度計(jì)和萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的規(guī)范操作流程。

具體操作步驟包括：

首先，啟動(dòng)X射線衍射儀的循環(huán)水和主機(jī)進(jìn)行預(yù)熱；打開控制軟件，根據(jù)提示設(shè)置儀器參數(shù)；將待測(cè)樣品置于衍射儀載物臺(tái)上；操作軟件開始測(cè)量，進(jìn)行X射線衍射譜圖采集，處理數(shù)據(jù)(圖10)。

圖10 立方氮化硼樣品的XRD表征

隨后，前往硬度計(jì)，啟動(dòng)硬度測(cè)試軟件；建立連接后，將樣品放置于載物臺(tái)上，轉(zhuǎn)動(dòng)升降裝置調(diào)整清晰度；點(diǎn)擊“加載返回”得到方形壓痕，測(cè)量樣品的硬度數(shù)據(jù)(圖11)。

圖11 立方氮化硼樣品的硬度表征

最后，前往萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，啟動(dòng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試軟件并聯(lián)機(jī)；將樣品置于壓具上，操作儀器控制面板使壓頭置于樣品塊上方2～3 mm處；在電腦端，根據(jù)操作指引設(shè)置樣品信息和方案設(shè)定；啟動(dòng)并記錄測(cè)試結(jié)果(圖12)。

圖12 立方氮化硼樣品的斷裂韌性表征

2.3 系統(tǒng)評(píng)價(jià)與反饋

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的操作與學(xué)習(xí)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)立方氮化硼超硬材料的組分設(shè)計(jì)、掌握基于六面頂壓機(jī)高壓物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)合成超硬材料的生產(chǎn)工藝流程，熟悉超硬材料的性能測(cè)試和評(píng)價(jià)方法。在操作過(guò)程中，系統(tǒng)后臺(tái)實(shí)時(shí)記錄學(xué)生操作，并通過(guò)提示、反饋等功能監(jiān)督和引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，以各步實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪_(dá)成作為評(píng)價(jià)依據(jù)，給出實(shí)驗(yàn)操作成績(jī)。

3 教學(xué)效果與推廣應(yīng)用

目前，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已在本校物理學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)等專業(yè)的學(xué)生中進(jìn)行了教學(xué)應(yīng)用。實(shí)踐表明，學(xué)生通過(guò)完成立方氮化硼超硬材料的模擬合成、模擬表征，深入了解了實(shí)驗(yàn)儀器的結(jié)構(gòu)、使用流程及注意事項(xiàng)等，增強(qiáng)了對(duì)超高壓物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)及表征技術(shù)的整體性、全方位認(rèn)識(shí)，減少了誤操作導(dǎo)致的損耗和危險(xiǎn)，激發(fā)了學(xué)生對(duì)高壓物理實(shí)驗(yàn)的興趣。此外，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過(guò)國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)——“實(shí)驗(yàn)空間”面向社會(huì)開放。自上線以來(lái)，瀏覽量達(dá)到1萬(wàn)多人次，其中1 700多人完成了實(shí)驗(yàn)操作，700多人給予5分好評(píng)。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)解決了實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面臨的人數(shù)多、設(shè)備少、空間小、危險(xiǎn)高、能耗大的教學(xué)問(wèn)題，起到良好的共享和示范作用，2020年被認(rèn)定為國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范項(xiàng)目。