高吉成，魏藝涵，馮思清，李大玉，靳惠明

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

2015 年10 月，國務(wù)院頒布了《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》，提出了“雙一流”建設(shè)（即世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)），明確高校要深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革，培養(yǎng)一批具有國際視野的創(chuàng)新型人才［1］。2021 年3 月，“雙一流”建設(shè)成效評價(jià)辦法（試行）》指出“雙一流”建設(shè)要突出培養(yǎng)一流人才，產(chǎn)出一流成果［2］。2022 年2 月，《關(guān)于深入推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)的若干意見》的頒布實(shí)施再一次對高校人才培養(yǎng)質(zhì)量提出了新的要求［3］。“雙一流”建設(shè)在人才培養(yǎng)中重視“培養(yǎng)過程質(zhì)量”，突出科學(xué)研究對人才培養(yǎng)的支撐作用，強(qiáng)調(diào)了學(xué)生科研能力與學(xué)術(shù)素養(yǎng)的重要性?！翱平倘诤稀奔婢呖萍紕?chuàng)新與人才培養(yǎng)的雙重任務(wù)，對“雙一流”建設(shè)具有極大的促進(jìn)作用［4］。

基于此，本文以揚(yáng)州大學(xué)材料成型及控制工程國家一流本科專業(yè)建設(shè)為契機(jī)，以Ni-Co-GO 復(fù)合鍍層的制備、結(jié)構(gòu)表征與硬度測試為例，將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)踐教學(xué)，加深學(xué)生對材料學(xué)科知識的理解和運(yùn)用，強(qiáng)化學(xué)生對電化學(xué)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識，提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供借鑒。

1 Ni-Co-GO復(fù)合鍍層電鍍實(shí)驗(yàn)背景

鎳鍍層由于其優(yōu)異的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性而在航空航天、汽車電子、國防建設(shè)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用［5］。為了進(jìn)一步提升鎳鍍層的性能，通常需要在鍍液中添加第二相粒子制備復(fù)合鍍層來提升鍍層的硬度、耐磨性與耐腐蝕性等［6-7］。電鍍屬于《現(xiàn)代表面技術(shù)》課程內(nèi)容的一部分，教學(xué)過程中僅僅向?qū)W生講授了電鍍的基本原理、預(yù)處理、單金屬電鍍鎳等，尚未涉及鎳復(fù)合鍍層的制備與研究。為此，設(shè)計(jì)了Ni-Co-GO 復(fù)合鍍層的制備與表征，通過研究硫酸鈷與氧化石墨烯含量對復(fù)合鍍層微觀組織與顯微硬度的影響，在研究中使學(xué)生體會各實(shí)驗(yàn)間的關(guān)系，提高學(xué)生綜合利用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力。

2 電鍍Ni-Co-GO復(fù)合鍍層實(shí)踐教學(xué)組織

本研究結(jié)合教師日?？蒲泄ぷ?，以問題導(dǎo)入式提出鎳復(fù)合鍍層的制備與表征，讓學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)了解目前鎳復(fù)合鍍層的研究進(jìn)展及面臨的問題，在教師的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，探尋鎳復(fù)合鍍層制備的相關(guān)技術(shù)。

電鍍Ni-Co-GO 復(fù)合鍍層實(shí)踐教學(xué)組織工作主要包括發(fā)布任務(wù)、查閱文獻(xiàn)、文獻(xiàn)綜述、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、教學(xué)考核評價(jià)等。首先，教師結(jié)合課堂理論教學(xué)的基本原理發(fā)布實(shí)踐教學(xué)任務(wù)并提出問題，學(xué)生根據(jù)任務(wù)自由組合為2-5 人的小組查閱文獻(xiàn)并完成文獻(xiàn)綜述，在查閱文獻(xiàn)的過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)Co 添加可以提升鍍層的耐蝕性與耐磨性等，從而擴(kuò)大鍍層的應(yīng)用領(lǐng)域［8-9］；同時(shí)通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯（graphene oxide， GO）具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)性能，是一種優(yōu)良的增強(qiáng)體［10］。其次，學(xué)生在前期資料整理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并與指導(dǎo)教師對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性與可行性進(jìn)行分析討論，最終確定實(shí)驗(yàn)方案。再次，學(xué)生在指導(dǎo)教師的監(jiān)督下搭建實(shí)驗(yàn)平臺，完成實(shí)驗(yàn)樣品的前處理、試樣制備及性能測試，完成實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化。最后，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并進(jìn)行匯報(bào)總結(jié)，教師對學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行考核與評價(jià)，并注重學(xué)生的綜合素質(zhì)培養(yǎng)。

3 電鍍Ni-Co-GO復(fù)合鍍層實(shí)驗(yàn)實(shí)施

3.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

電鍍液成分如表1 所示，所用試劑均為分析純。采用蘇州碳豐石墨烯科技有限公司提供的厚度1.00 nm～1.77 nm 的單層氧化石墨烯，用去離子水超聲分散后添加至鍍液中。電鍍過程中采用空氣攪拌，陰極為黃銅板，陽極為純鎳板。電鍍溫度為25 ℃，電流密度為0.2 A/dm2，pH 值為4.0～4.5，電鍍時(shí)間為90 min。

表1 Ni-Co-GO鍍液配方Tab.1 Composition of electroplating solution for Ni-Co-GO coatings

采用VEGA3MLU 掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope， SEM）及能譜分析儀（Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy， EDS）分析鍍層的微觀組織，采用布魯克D8 ADVANCE型多晶X射線衍射儀（X-ray diffraction， XRD）分析復(fù)合鍍層的相結(jié)構(gòu)，采用HV-1000B 維氏硬度計(jì)測量鍍層的顯微硬度。

3.2 電鍍Ni-Co-GO復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)

圖1 為鍍層的XRD 圖，從圖中可以看出，純鎳鍍層在衍射角2θ為44 °與52 °附近出現(xiàn)了（111）與（200）晶面，擇優(yōu)生長取向?yàn)椋?11）。添加硫酸鈷或氧化石墨烯后，鍍層的擇優(yōu)生長取向沒有發(fā)生變化，但是在76 °附近出現(xiàn)了鎳的（220）峰，說明硫酸鈷和氧化石墨烯的添加對鍍層的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的影響［11-12］。

圖1 不同成分鍍層的XRD圖Fig.1 XRD patterns of the coatings with different composition

3.3 電鍍Ni-Co-GO復(fù)合鍍層微觀組織

圖2 與圖3 分別為不同成分鍍層的表面形貌及元素分析，對比圖2（a）與圖2（b）可以發(fā)現(xiàn)，與純Ni鍍層相比，添加10 g/L硫酸鈷后，鍍層表面更加平整致密，分析認(rèn)為是Ni2+與Co2+的析出電位接近，在電鍍時(shí)以共沉積的形式沉積到基體表面，Co的加入可以細(xì)化晶粒，改善鍍層的平整度［13］。對比圖2（a）與圖2（c）可以發(fā)現(xiàn)，添加0.10 g/L 氧化石墨烯后，鍍層表面存在大量凸起，粗糙度增加，這主要是因?yàn)樵诔练e過程中，大部分氧化石墨烯未與Ni 發(fā)生共沉積，最終沉積到鍍層表面，從而導(dǎo)致鍍層表面粗糙。圖2（d）為同時(shí)添加硫酸鈷與氧化石墨烯鍍層的表面形貌，可以看出，鍍層相對單一添加硫酸鈷表面粗糙，但相對于單獨(dú)添加氧化石墨烯分布更加均勻。

圖3 不同種類鍍層的EDS分析結(jié)果Fig.3 EDS results of different kinds of coatings

圖4 為不同氧化石墨烯含量鍍層的表面形貌，結(jié)合圖4 與圖2（d）可以看出，隨著氧化石墨烯濃度的增加，復(fù)合鍍層表面的凸起數(shù)量不斷增加，分析認(rèn)為氧化石墨烯具有很強(qiáng)的混溶性與傳質(zhì)性，電鍍過程中，Ni 離子優(yōu)先沉積在氧化石墨烯上，形成苞狀結(jié)構(gòu)［14］。當(dāng)濃度達(dá)到0.20 g/L 時(shí)，鍍層表面幾乎全被氧化石墨烯覆蓋，且由于氧化石墨烯的團(tuán)聚出現(xiàn)大量的團(tuán)簇，形成凸起。

圖4 不同氧化石墨烯含量鍍層的表面形貌Fig.4 Surface morphologies of the coatings prepared at different GO concentrations

圖5 為不同硫酸鈷含量鍍層的表面形貌，結(jié)合圖5與圖2（d）可以看出，隨著硫酸鈷含量的增加，鍍層中氧化石墨烯的分布變得均勻，且氧化石墨烯顆粒更加細(xì)小。這主要是因?yàn)镃o原子半徑較大，在沉積過程中嵌入到Ni 晶格［15］，隨著Co 含量的增加，晶粒得到細(xì)化，在沉積過程中使得鍍層表面氧化石墨烯更加細(xì)小均勻。

圖5 不同硫酸鈷含量鍍層的表面形貌Fig.5 Surface morphologies of the coatings prepared at different CoSO4 concentrations

3.4 電鍍Ni-Co-GO復(fù)合鍍層顯微硬度

圖6 為不同成分鍍層的顯微硬度，可以看出，純鎳鍍層的硬度較低，約為275.4 HV；單一添加10 g/L硫酸鈷后，鍍層的硬度為364.2 HV；添加0.10 g·L-1氧化石墨烯后，鍍層硬度為395.4 HV；同時(shí)添加10 g·L-1硫酸鈷與0.10 g/L 氧化石墨烯時(shí)，鍍層的顯微硬度為461.8 HV。相對于純鎳鍍層，添加硫酸鈷后，鈷與鎳發(fā)生共沉積形成固溶體，并使得鍍層晶粒細(xì)化，從而提升了鍍層的硬度［15］。氧化石墨烯添加至鍍層中會抑制鎳晶粒長大，同時(shí)可有效阻礙鎳基體的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而使得鍍層硬度增加［16-17］。同時(shí)添加硫酸鈷與氧化石墨烯之后，兩種物質(zhì)的協(xié)同效應(yīng)使得鍍層硬度較單一添加得到進(jìn)一步提升。

圖6 不同種類鍍層的顯微硬度Fig.6 Microhardness of different kinds of coatings

圖7 為不同氧化石墨烯含量鍍層的顯微硬度，可以看出，隨著氧化石墨烯濃度從0.05 g/L 增加到0.15 g/L，鍍層的顯微硬度呈現(xiàn)增長的趨勢，顯微硬度最大值為529.5 HV，但是當(dāng)氧化石墨烯濃度增加到0.20 g/L 時(shí)，鍍層的硬度降低為420.1 HV。復(fù)合鍍層中，氧化石墨烯本身優(yōu)異的力學(xué)性能可以承擔(dān)部分載荷，同時(shí)可以作為形核中心，促進(jìn)鍍層晶粒細(xì)化，受力時(shí)可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提升鍍層的硬度［17］。但是，當(dāng)氧化石墨烯濃度過高時(shí)，會在鍍層中出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，從而無法良好的彌散分布在鍍層中，導(dǎo)致氧化石墨烯對鍍層晶體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的抑制作用減弱，造成鍍層顯微硬度的下降。

圖7 不同氧化石墨烯含量鍍層的顯微硬度Fig.7 Microhardness of the coatings prepared at different GO concentrations

圖8 為不同硫酸鈷含量鍍層的顯微硬度，可以看出，鍍層的顯微硬度隨著硫酸鈷含量的增加而升高，硫酸鈷含量為20 g/L時(shí)，鍍層的顯微硬度達(dá)到最大值，為557.3 HV。Co 添加到鍍層中，可以與鎳形成固溶體，起到固溶強(qiáng)化的作用，且這種強(qiáng)化作用隨著Co2+含量的增加而得到增強(qiáng)。同時(shí)Co 與Ni 原子半徑不同，沉積過程中會引起晶格畸變，產(chǎn)生位錯(cuò)、空位等缺陷，位錯(cuò)增加會產(chǎn)生小角度晶界，從而使得鍍層晶粒細(xì)化，硬度提升［18］。

圖8 不同硫酸鈷含量鍍層的顯微硬度Fig.8 Microhardness of the coatings prepared at different CoSO4 concentrations

3.5 實(shí)踐教學(xué)考核評價(jià)與思考

實(shí)踐教學(xué)考核主要包括文獻(xiàn)查閱、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、結(jié)果分析與思考，考核過程中注重過程考核，將課內(nèi)與課外相結(jié)合，將科學(xué)技術(shù)與工程素養(yǎng)相結(jié)合，既注重知識與技能的掌握，又注重思想與素質(zhì)的提升，實(shí)踐教學(xué)實(shí)施中鼓勵(lì)學(xué)生在原有讀書報(bào)告、文獻(xiàn)綜述等形式的基礎(chǔ)上將實(shí)踐成果以論文或?qū)＠男问桨l(fā)表。

同時(shí)，在實(shí)踐教學(xué)中，除了使學(xué)生掌握電鍍理論知識和操作技能之外，還鼓勵(lì)學(xué)生從電鍍生產(chǎn)實(shí)際相關(guān)問題出發(fā)，尋求解決方案，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造潛力。如融合工程經(jīng)濟(jì)與管理的電鍍企業(yè)安全生產(chǎn)管理［19］、電鍍清潔生產(chǎn)評價(jià)及廠房布置模擬［20-21］、電鍍廢水回收與處理［22-23］等。通過對這些問題的思考，可以使學(xué)生意識到電鍍領(lǐng)域的工程實(shí)踐和工程問題的解決方案對社會、健康、安全等的影響以及這些制約因素對工程的影響，并理解應(yīng)承擔(dān)的社會責(zé)任。

4 實(shí)踐教學(xué)效果

將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，表2 為科教融合實(shí)施前后實(shí)踐教學(xué)各環(huán)節(jié)的對比。學(xué)生綜合能力的提升主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）文獻(xiàn)查閱階段，引導(dǎo)學(xué)生改變傳統(tǒng)的以教材為主的文獻(xiàn)綜述，以最新的研究成果為依托開展實(shí)踐教學(xué)，借助文獻(xiàn)研究尋求解決材料成型、控制、加工、設(shè)計(jì)等復(fù)雜工程問題的方案，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)提出問題。（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，改變傳統(tǒng)的教師主導(dǎo)的實(shí)踐教學(xué)模式，發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，學(xué)生通過前期文獻(xiàn)查閱設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，教師對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行分析，強(qiáng)化學(xué)生分析問題的能力。（3）實(shí)驗(yàn)實(shí)施階段，改變以往實(shí)踐教學(xué)教師操作、學(xué)生參觀的形式，建立以學(xué)生為中心的團(tuán)隊(duì)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識，增強(qiáng)學(xué)生解決問題的能力。（4）實(shí)驗(yàn)分析階段，將先進(jìn)的分析測試技術(shù)引入到實(shí)踐教學(xué)中，提升學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代測試分析儀器與工程工具的能力，進(jìn)而能對材料成型質(zhì)量控制、加工等復(fù)雜工程問題進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。（5）實(shí)踐成果方面，在傳統(tǒng)讀書報(bào)告、文獻(xiàn)綜述的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生深入思考問題、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、培養(yǎng)創(chuàng)新意識，提升學(xué)生的知識創(chuàng)新與應(yīng)用能力，最終形成以學(xué)生為核心的論文與專利成果。（6）工程素養(yǎng)方面，重視人文精神的培養(yǎng)，堅(jiān)持人文精神、科學(xué)素養(yǎng)與創(chuàng)新能力的統(tǒng)一，培養(yǎng)學(xué)生的現(xiàn)代工程理念。使學(xué)生意識到電鍍領(lǐng)域?qū)ι鐣?、健康、安全等的影響，國家可持續(xù)發(fā)展的重要性，理解科研工作者應(yīng)承擔(dān)的社會責(zé)任。

表2 科教融合實(shí)踐教學(xué)前后對比Tab.2 Contrast of practice teaching before and after integration of science and education

依托一流專業(yè)建設(shè)與科教融合，學(xué)生積極參與教師科研項(xiàng)目，承擔(dān)實(shí)踐課題，實(shí)踐過程中掌握了各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備與測試儀器的基本原理及使用方法，學(xué)會了Origin 等數(shù)據(jù)分析軟件的使用；掌握了材料科學(xué)的基礎(chǔ)知識，對材料成分、工藝、組織與性能之間的關(guān)系有了更加深入的理解，意識到從微觀觀測到宏觀剖析的材料方法。同時(shí)，實(shí)踐教學(xué)過程中注重課程思政的實(shí)施，結(jié)合社會、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，通過對電鍍技術(shù)在我國工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及環(huán)保電鍍發(fā)展的講解，幫助學(xué)生樹立良好的職業(yè)素養(yǎng)和價(jià)值取向。近年來，本科生發(fā)表論文20 余篇，申請專利10余項(xiàng)，學(xué)生的綜合素質(zhì)與競爭力均得到提升。