（1）专业与年级要求

本实验开设专业为材料科学与工程等材料类相关专业三、四年级学生。

（2）基本知识和能力要求

为提高材料类专业学生的综合实践能力和研发创新能力，进行金属层状复合材料构件的制备与性能虚拟仿真实验。通过该项综合实验，使学生能够综合运用所学知识，在教师的指导下，学习完成Ti/Al₃Ti蜂窝状复合夹层板的制备、加工全过程，并进行性能测试表征验证。学生应具备以下能力：

掌握材料科学、材料加工、材料物理化学及复合材料等方面的基础理论和基本知识，掌握热处理工艺设计与材料成形加工方法。

熟悉并掌握部分现代材料测试分析方法和相关仪器设备的基本原理与使用知识，并具备自主进行材料性能分析的专业知识和能力。

应具备一定程度的自主创新研发和独立解决问题的能力。

能综合运用材料科学基础、热处理和复合材料的相关知识设计复合箔材层厚比、扩散复合工艺、模压成形工艺、扩散反应工艺等，完成蜂窝夹芯板的制备加工流程设计与性能测试。

初步掌握模压成形力学知识，能根据模压变形过程的应力分布特性以及扩散反应处理后构件的微观截面形貌等表征信息进行热处理和成形过程力学分析。

 能根据SEM微观形貌分析、EDS能谱元素分布及XRD物相谱线图进行扩散结果分析，并解决加工和处理过程中遇到的实际问题。

南京航空航天大学金属层状复合材料构件的制备与性能虚拟仿真实验已为两届本科生共400余人提供虚拟仿真实验服务。帮助同学们理解材料科学基础课程内容，锻炼学生解决实际复杂工程问题的能力。

南京航空航天大学是国家“双一流”学科建设高校，材料科学与工程专业入选2019年国家级一流本科专业建设点，2017年通过教育部工程专业认证，2012年被列为江苏省重点专业、品牌专业。作为材料科学与工程专业的核心主干课程，基于国家“十二五”普通高等教育本科规划教材，《材料科学基础》切实遵循“两性一度”的金课标准，以学生为中心，建立材料科学基本知识框架，开启学生内在潜力与学习动力，使学生全面了解材料科学基础中的重要概念和基本理论，包括晶体缺陷、扩散理论、晶体材料强化方法与机制、回复与再结晶机理等，建立从原子尺度、微观尺度到宏观尺度的材料成分-微观组织-性能的知识体系。

围绕着科研促进教学、教学服务科研的思路，本项目拟开展金属层状复合材料构件的制备与性能虚拟仿真实验平台的建设。其技术基础是基于所主持的国家自然科学基金“Ti/Al及Ti/Al₃Ti层状复合材料协同变形机制与界面组织演化”取得的研究成果。

我国航空航天部门的基础研究指南以及“十三五”国家科技计划明确指出，为实现我国未来武器装备自主创新与跨越发展，突破先进武器装备制造瓶颈，开展Ti/Al₃Ti等金属层状复合材料的制备与关键性能研究具有十分重要的意义。面向下一代高性能空天飞行器结构部件隔热、承载的双重要求，Ti/Al₃Ti层状复合材料综合了金属间化合物Al₃Ti低密度、高比强度、优异的高温抗氧化性能和金属Ti较高的冲击功吸收能力，成为航空航天领域最具有潜力的高温结构材料。基于Al₃Ti的性能特点，制备Ti/Al₃Ti复合层板的技术途径是先采用真空热压法制备Ti/Al复合材料，然后通过塑性成形的方法加工出Ti/Al复合材料瓦楞板，随后经高温加压扩散反应制备出Ti/Al₃Ti瓦楞板；将该瓦楞板钎焊组装制成蜂窝芯材，随后与高强耐热面板复合制备出蜂窝夹芯隔热层板。该层状材料综合了面层和芯层的优良性能，在降低构件重量的同时，实现了承载和隔热一体化的功能。

（1）实验方案设计思路

①形成蜂窝夹芯板设计与实验的开放性、研究性特点

初始实验参数开放性——将铝层厚比设计为可变的，由学生自主选择生成；实验过程中参数优化设计具有开放性——通过仿真操作者设计若干组制备参数条件，获得性能不尽相同的样品样件及测试表征结果，通过比较性能测试数据，优化蜂窝板材制备工艺，即扩散复合工艺和扩散反应中的温度、时间、压力等可变参数；整个过程由学生自主选择设计，最终得到蜂窝夹芯板的制备参数最优方案。

②强调设计参数的实时验证，实现蜂窝夹芯板的全过程优化设计

在实验中设计微观表征、拉伸测试、压缩性能测试，在环节中均设置结果分析与性能验证，并在扩散反应制备环节中，加入动画显示反应过程，确保各阶段参数设计的合理性。

（2）教学方法

本项目遵循“能实不虚、虚实结合”的原则，以开放性的自主设计（层厚比选择、模压条件、模具选择等）、参数化的表征结果显示（微观、力学性能）、样品性能与优化设计的链式反馈、交互式的人机界面为教学方式方法，再现实际层状复合材料构件制备与测试的虚拟环境，使学生能够实时开展层状复合材料构件制备工艺和性能的线上仿真探究。

关注材料类学生的综合性、实践性学习需求，实行基于实际问题的互动式、研讨式教学，体现自主式和探究式学习的特点，通过书本图文学习、课堂实时讲授、软件虚拟仿真等多种媒介促进教学准备、线上实验学习、线下交流讨论，同时与线下实体实验相结合，培养学生实践能力、综合分析能力和创新能力，显著提升实验教学效果。

（3）评价体系创新

实验评价：制定了详尽的实验考核要求和评分标准，包括实验操作过程考核与实验目标达成度考核。并从实验报告中体现学生操作流程、各操作步骤中关键参数的设定与计算、关键装置或动力的选型，及实验操作总体得分。

基本知识点习题考核：在实验前预习阶段和实验后总结阶段均设置了过关习题，且紧扣实验涉及的关键知识点。

金属层状复合材料构件的制备与性能实验具有较强的综合性，可以深化学生对课程知识的理解程度，培养学生利用所学知识解决实际工程问题的能力，具有重要的实践意义。具体如下：

（1）学生对《材料科学基础》课程中相关知识理解更加透彻并实现灵活运用。包括金属的晶体结构、固相扩散、固态相变、金属的塑性变形及材料表界面工程等内容。

（2）学生深入理解《现代测试分析技术》、《材料力学性能》中相关测试的基本原理，提升对测试技能的实际运用能力：具体包括扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射（XRD）分析技术和《材料工程实验》中金属材料的拉伸性能测试、压缩性能测试技术等。

（3）学生熟悉实验思路设计、工艺参数调控、测试结果分析等实验流程：包括选择合适的材料种类、材料尺寸形状、材料预处理方法及设计多个相配套的成形工艺参数等。