張 勇，賈洪聲，劉惠蓮，鄂元龍

(1.吉林師范大學 物理國家級實驗教學示范中心，吉林 四平 136000；2.吉林師范大學 物理學院，吉林 四平 136000)

高壓物理實驗技術(shù)作為一種極端條件產(chǎn)生技術(shù)，基于多對頂砧裝置可在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，推動了以超硬材料為基礎(chǔ)的新一代機械加工刀具的發(fā)展，對于機械加工與制造業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要[1-3]。該技術(shù)的學習與實踐對于應(yīng)用物理學、材料物理等專業(yè)學生的實踐能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)作用顯著。但是，超硬材料合成中常用的多對頂砧高壓物理實驗設(shè)備占地空間大、價值昂貴，無法布置教學需求的臺套數(shù)。同時，實驗周期長、成本消耗高。因此，實驗教學從“做實驗”變成了“講實驗”，學生的實踐創(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)被越來越多地應(yīng)用于各學科專業(yè)的教學實踐中，有效解決了設(shè)備昂貴和臺套數(shù)受限問題，在實驗教學中表現(xiàn)出巨大優(yōu)勢[4-9]。

本文以高壓物理實驗技術(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)實驗場景，對主要實驗儀器進行高仿真度的建模、仿真，設(shè)計開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超高壓物理實驗技術(shù)虛擬仿真實驗，通過與線下實驗教學相結(jié)合，提高高壓物理實驗教學的效率和質(zhì)量。

1 總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示。超高壓物理實驗技術(shù)虛擬仿真實驗依托開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺運行。平臺運算數(shù)據(jù)庫負責加載運行軟件的數(shù)學計算模型，并提供了一整套供其他應(yīng)用程序訪問的數(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)備的圖形表示進行設(shè)計和組合，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并賦予相應(yīng)的分值。最終利用運算數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)訪問接口相互協(xié)同工作，完成整個仿真工藝的模擬和練習。

圖1 虛擬仿真實驗教學管理平臺系統(tǒng)架構(gòu)

教師和學生在B/S運行架構(gòu)下，根據(jù)分配的賬號登錄到網(wǎng)絡(luò)平臺。教師帳號具有權(quán)限對機構(gòu)中的學員進行統(tǒng)一管理，并能夠創(chuàng)建仿真考試教室、查看優(yōu)秀學員、學習日志以及各類統(tǒng)計報表。學生賬號能夠?qū)W習仿真軟件、查看自己的學習記錄、考試記錄、實驗報告以及學習問題答疑等。

1.2 核心要素仿真原則

(1)實驗涉及使用的電子天平、真空熱壓爐、四柱壓機、六面頂壓機、維氏硬度計、X射線衍射儀、萬能試驗機等儀器設(shè)備需高精度3D建模，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件可分解呈現(xiàn)，便于學生理解儀器結(jié)構(gòu)及工作原理。

(2)利用交互技術(shù)對儀器的操作流程進行高度還原，包括正確使用的操作規(guī)范和錯誤使用時的危害警示(如六面頂壓機設(shè)備的壓強、溫度標定，壓機缸體活塞的空進、壓縮、施壓、泄壓等過程，XRD物相測試分析、硬度測量、力學性能測試表征等操作規(guī)程)，使學生能夠在虛擬的環(huán)境中，學習掌握真實儀器的操作及注意事項。

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

2 虛擬仿真實驗內(nèi)容設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 三維虛擬仿真實驗場景構(gòu)建

(1)儀器設(shè)備模型開發(fā)

圖2 六面頂壓機三維模型示例

(2)三維虛擬實驗室的搭建

本實驗以Unity3D為引擎開發(fā)虛擬實驗場景和環(huán)境。將開發(fā)完成的三維模型及其材質(zhì)導入Unity3D中，參考實際實驗室的空間布置情況及實驗操作要求，分布在樣品制備實驗室、高溫高壓實驗室和分析實驗室3個虛擬實驗室中，如圖3所示。

圖3 虛擬仿真實驗室場景分布

2.2 教學內(nèi)容模塊設(shè)計

超高壓物理實驗技術(shù)虛擬仿真實驗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試分析3個實驗?zāi)K以及17個交互實驗步驟組成。

(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，學生通過稱量藥品(圖4)、混合研磨、真空爐熱處理、組裝預(yù)壓模具等互動操作，掌握高溫高壓實驗前對粉體材料的預(yù)處理過程，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入模具中，準備制作預(yù)壓塊。

圖4 原料稱量過程

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，學生將通過制作預(yù)壓塊、組裝葉臘石合成塊、操控六面頂壓機等互動操作，掌握高壓腔體組裝、六面頂壓機參數(shù)設(shè)定及設(shè)備運行的規(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；啟動六面頂壓機，根據(jù)提示設(shè)置合成工藝曲線(圖7)；通過“壓機手動操作器”對壓機缸體進行手動控制，裝載合成塊腔體(圖8)；按下“合成”鍵，液壓機高壓充液，按預(yù)設(shè)工藝參數(shù)運行；待完成合成后操控機器“卸壓”、“回程”，取出高溫高壓合成樣品(圖9)。

圖6 四柱液壓機制作樣品塊

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)合成樣品性能測試分析

在樣品性能測試分析模塊中，學生通過X射線衍射儀、硬度計、萬能試驗機等互動操作，學會對樣品的物相結(jié)構(gòu)分析、硬度分析和斷裂韌性分析，掌握X射線衍射儀、硬度計和萬能試驗機的規(guī)范操作流程。

具體操作步驟包括：

首先，啟動X射線衍射儀的循環(huán)水和主機進行預(yù)熱；打開控制軟件，根據(jù)提示設(shè)置儀器參數(shù)；將待測樣品置于衍射儀載物臺上；操作軟件開始測量，進行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，啟動硬度測試軟件；建立連接后，將樣品放置于載物臺上，轉(zhuǎn)動升降裝置調(diào)整清晰度；點擊“加載返回”得到方形壓痕，測量樣品的硬度數(shù)據(jù)(圖11)。

圖11 立方氮化硼樣品的硬度表征

最后，前往萬能試驗機，啟動萬能試驗機測試軟件并聯(lián)機；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；啟動并記錄測試結(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)評價與反饋

通過上述實驗內(nèi)容的操作與學習，讓學生學會立方氮化硼超硬材料的組分設(shè)計、掌握基于六面頂壓機高壓物理實驗技術(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試和評價方法。在操作過程中，系統(tǒng)后臺實時記錄學生操作，并通過提示、反饋等功能監(jiān)督和引導實驗進程，以各步實驗?zāi)康倪_成作為評價依據(jù)，給出實驗操作成績。

3 教學效果與推廣應(yīng)用

目前，該虛擬仿真實驗已在本校物理學、應(yīng)用物理學等專業(yè)的學生中進行了教學應(yīng)用。實踐表明，學生通過完成立方氮化硼超硬材料的模擬合成、模擬表征，深入了解了實驗儀器的結(jié)構(gòu)、使用流程及注意事項等，增強了對超高壓物理實驗技術(shù)及表征技術(shù)的整體性、全方位認識，減少了誤操作導致的損耗和危險，激發(fā)了學生對高壓物理實驗的興趣。此外，該虛擬仿真實驗通過國家虛擬仿真實驗平臺——“實驗空間”面向社會開放。自上線以來，瀏覽量達到1萬多人次，其中1 700多人完成了實驗操作，700多人給予5分好評。該虛擬仿真實驗解決了實體實驗教學所面臨的人數(shù)多、設(shè)備少、空間小、危險高、能耗大的教學問題，起到良好的共享和示范作用，2020年被認定為國家虛擬仿真實驗教學示范項目。