《材料现代分析与测试技术综合训练》课程教学大纲

《材料现代分析与测试技术综合训练》课程教学大纲一、课程基本信息课程名称材料现代分析与测试技术综合训练课程编号330020069课程性质必修课课程类别集中实践环节开课单位新材料与化学工程学院授课学期第7学期学分/学时2/2周实施方式实训适用专业新能源材料与器件是否双语否先修课程材料研究与测试分析方法固体物理材料科学基础后续课程毕业实习、毕业设计（论文）二、课程简介本综合训练课程是新能源材料与器件专业的集中实践教学。通过综合性训练，使学生掌握相关材料的研究测试方法，了解各种仪器设备的结构及工作原理，掌握实验数据的处理方法，分析各种实验数据与材料的关系，从而加深对专业基础及专业课程中有关理论的理解。使学生有初步设计实验的能力及一定的科研能力，为将来从事新型材料的生产、开发及管理打下良好的基础。三、课程目标及对毕业要求指标点的支撑（一）课程目标通过本课程的学习，使学生达到以下目标：课程目标1.掌握材料分析测试过程中的基本理论知识和规律，利用测试分析的基本理论，分析、解决工程实际过程和问题。能够查阅和利用手册、文献、国家标准等资料，为材料分析测试过程中的实际问题寻求和设计可靠合理的解决方法和实施方案，指导实际生产操作。课程目标2：通过课程教学，提高学生分析问题和解决问题能力，培养学生探索精神和创新意识，努力实现学生知识、能力、素质协调发展。课程目标3：在实训过程中引导学生关注前沿动态：使学生了解材料分析领域的最新研究进展和技术发展趋势，激发创新意识。鼓励探索性实验：为学生提供充足的自主实验时间，鼓励他们尝试新方法、新技术，培养创新思维和实践能力。（二）课程目标对毕业要求指标点的支撑课程目标支撑毕业要求指标点毕业要求课程目标11-2能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于分析和解决新能源材料与器件生产和加工过程中的复杂工程问题。1.工程知识课程目标22-4能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析新能源材料与器件生产过程中的复杂工程问题，以获得有效结论。3-4能够设计针对复杂新能源材料与器件工程问题的解决方案，设计满足特定需求的生产工艺流程和主要设备，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。4-4能够基于科学原理并采用科学方法对新能源材料与器件开发过程的复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与表征、并通过信息综合得到合理有效的结论。2.问题分析3.设计/开发解决方案4.研究课程目标35-3能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。5.使用现代工具四、课程基本教学内容及对课程目标的支撑（一）课程基本教学内容实训项目一X射线衍射分析课程主要内容实验1X射线衍射仪的结构、原理与使用实验目的（1）了解X射线衍射仪的构造与操作原理；（2）了解X射线衍射仪的操作过程及步骤；（3）掌握X射线衍射样品的制备方法；（4）了解X射线的安全防护规定和措施。实验原理一、X射线衍射仪的基本构造与原理二、测角仪的构造及光路系统实验2物相分析实验目的（1）掌握X射线衍射物相定性分析的原理和实验方法；（2）熟悉PDF卡片的查找方法和物相检索方法；（3）掌握X射线衍射分析软件Jade的基本操作。实验原理一、物相定性分析原理二、PDF卡片三、PDF卡片检索方法重点和难点在材料X射线物相分析中，相的识别与鉴定是最基本但也是最关键的步骤。对于未知材料，需要通过对X射线衍射图谱的分析，正确判断出材料的物相组成。这需要对各种物相的衍射特征有深入的了解，并能准确识别和区分不同的衍射峰。对于复杂的材料体系，可能存在大量的物相，因此需要具备丰富的经验和专业知识。衍射峰的解析与标定是确定物相组成的关键环节。通过对衍射峰的位置、强度和形状进行分析，可以确定材料的晶体结构和物相组成。在进行衍射峰的解析与标定时，需要注意衍射峰的分辨率和重叠情况，避免误判和漏标。此外，对于非晶体材料的衍射峰分析也具有一定的难度。3.实施方式讲座、视频和实操学习要求安排学生根据实验任务书要求撰写实验总结报告，每生一份必须独立完成并不少于1500字。实验报告内容主要包括：实验项目名称，实验目的意义，实验原理，实验原料与器材，实验步骤，实验数据和现象记录，数据结果处理和分析等几部分。具体实验要求如下：（1）选择一种衍射仪（市场有多种设备型号），学习该衍射仪的操作规程。（2）分别练习化合物粉体样品和金属块体样品的制备、安装和测量。（3）讨论粉体样品的粒度、湿度（是否含有水分）、装样方法、样品平整度、工作电压和电流、狭缝大小、扫描速度等各种因素对衍射强度、衍射角度位置以及峰形轮廓线的影响。（4）分别以粉末样品和加工态合金块体样品为实验对象、鉴定其物相组成。（5）描述PDF卡片所包含内容。（6）说明物相鉴定的依据、多相样品的物相定性分析存在哪些困难？5.实践要求（1）实践属性：综合训练型（2）工作流程：（3）分组要求：8人1组（4）实践准备：深入了解X射线衍射的原理以及如何利用X射线衍射进行物相分析。这包括了解每种结晶物质的结构参数，如点阵类型、晶胞大小、原子位置等，以及这些参数如何反映在X射线的衍射图谱上。选择合适的设备：根据实验需求，选择合适的X射线衍射仪。需确保其精度和稳定性满足实验要求。同时，也要准备相应的样品台、导电胶、砂纸等辅助工具。样品准备：在实验前，需要对样品进行清洗和预处理。使用酒精清洗样品以去除表面的污垢或氧化物，然后利用导电胶将样品牢固地粘到样品台上。此外，应保证样品之间的高度差不超过0.5cm。对于粉末样品，长时间的研磨是必要的，以确保样品的平均粒径在10微米左右。设定测量参数：根据实验需求，选择合适的X射线靶材、管流和管压。例如，Cu靶Ka线（λ=1.5406A）常被用于物相分析。同时，设定扫描速度和扫描角度范围，例如在20°~120°的扫描角度内以8°/min的速度进行连续扫描。数据收集与处理：在实验过程中，应记录并保存衍射图谱以及相关的实验参数。利用专业的软件（如MDIJade5）进行数据检索与处理，如进行PDF卡片索引建立，并使用软件的物相检索功能。安全防护：由于X射线具有电离效应，因此实验操作人员需要严格遵守安全规范，穿戴防护服和佩戴防护眼镜等个人防护用品。此外，应遵循实验废弃物处理的相关环保规定。避免辐射损伤：在关闭X射线衍射仪之前，确保X射线关闸已经关闭，以防止受到辐射损伤。（5）时间安排：3~4天（6）其他要求：无6.学生学习预期成果学习预期成果主要包括以下几个方面：知识理解：学生应能够理解X射线物相分析的基本原理，包括X射线的产生、X射线与物质的相互作用以及如何利用X射线衍射图谱进行物相分析等。技能掌握：学生应能够掌握X射线衍射仪的基本操作，包括样品准备、仪器设置、数据采集等。此外，学生还应掌握如何解析和解读X射线衍射图谱，能够使用相关软件进行数据处理和分析。态度培养：学生应培养严谨的科学态度，对待实验认真负责，严格遵守实验操作规程，尊重实验结果。同时，学生还应具备解决复杂问题的耐心和毅力。问题解决：学生应能够根据实验过程中遇到的问题，独立分析并寻找解决方案。此外，学生还应学会从实验数据中发现异常，并提出合理的假设。创新思维：学生应能够根据所学知识，对实验方法和结果进行批判性思考，并提出改进或创新的建议。团队合作：在实验过程中，学生应能够与团队成员有效沟通，共同完成实验任务。这包括分工合作、信息交流和汇总等。时间管理：学生应能够合理安排实验时间，确保实验的顺利进行。这包括提前准备、按时开始和结束实验、以及在遇到问题时及时调整计划。自我评估：学生应能够对自己的实验过程和结果进行反思和总结，认识到自己的不足之处，以便在未来的实验中加以改进。通过以上预期成果的达成，学生不仅能够掌握X射线物相分析的实验技能和方法，还能够培养其科学素养和实验能力，为未来的科学研究和实践工作打下坚实的基础。支撑课程目标课程目标1.掌握材料分析测试过程中的基本理论知识和规律，利用测试分析的基本理论，分析、解决工程实际过程和问题。能够查阅和利用手册、文献、国家标准等资料，为材料分析测试过程中的实际问题寻求和设计可靠合理的解决方法和实施方案，指导实际生产操作。课程目标2：通过课程教学，提高学生分析问题和解决问题能力，培养学生探索精神和创新意识，努力实现学生知识、能力、素质协调发展。课程目标3：在实训过程中引导学生关注前沿动态：使学生了解材料分析领域的最新研究进展和技术发展趋势，激发创新意识。鼓励探索性实验：为学生提供充足的自主实验时间，鼓励他们尝试新方法、新技术，培养创新思维和实践能力。实训项目二电子显微分析1.课程主要内容实验1扫描电镜的结构、工作原理及使用实验目的（1）了解扫描电镜的构造及工作原理;（2）初步学习F7900场发射扫描电镜的操作方法。实验2扫描电镜的二次电子像及断口形貌分析实验目的（1）了解扫描电镜在断口形貌分析中的作用;（2）通过对不同断口形貌的分析，掌握扫描电镜分析断口形貌的方法。实验原理一、形貌衬度--二次电子(SE)像及其衬度原理二、典型断口形貌观察.实验3扫描电镜的背散射电子像及高倍组织观察实验目的（1）掌握扫描电镜成分衬度像-背散射电子像(BSE)的原理、特点及其在材料研究中的应用；（2）利用F7900场发射扫描电镜，观察分析样品经过深腐蚀后的形貌。实验原理一、背散射电子的成像二、背散射电子像的衬度三、背散射电子像的分辨率2.重点和难点重点：了解并熟悉扫描电镜的结构和功能。掌握如何调整和使用扫描电镜，以获得最佳的观察效果。了解二次电子、背散射电子等信号的特点及其与样品的关系。二次电子像的特点和形成原理。二次电子像在材料、器件结构分析中的应用。断口形貌分析的方法和要点。背散射电子像的特点和形成原理。背散射电子像在材料成分和晶体结构分析中的应用。高倍组织观察的方法和要点。难点：聚光镜和扫描线圈的调整，以保证电子束的稳定和扫描的均匀性。对不同样品和观察目标选择合适的加速电压和工作距离。对各种信号的识别和选择，以及它们在图像中的表现。理解并掌握背散射电子像及高倍组织观察的原理和应用。二次电子像的解读和解析，特别是涉及复杂结构和多层膜的情况。断口形貌的观察和分析，如何准确地识别和判断断裂的性质和机制。背散射电子像的解读和解析。高倍组织观察中的细节识别和分析，如何准确地判断组织结构和相组成。3.实施方式讲座、视频和实操4.学习要求具体实验要求如下：（1）简要说明电子显微分析的基本原理及扫描电镜各部分的作用。（2）根据自己的了解，举例说明不同类型扫描电镜的异同。（3）给出某个断口形貌从低倍到高倍的系列图像。（4）给出不同断裂机理断口形貌的图像，并对它们进行适当的比较分析。（5）分析不同断口形貌所对应的断裂机理。（6）简述扫描电镜分析中背散射电子像的原理。（7）说明扫描电镜成分衬度像背散射电子像的特点，与二次电子像的异同。（8）说明扫描电镜在金相组织分析中的特点及应用。附：可根据文献或是老师所给数据5.实践要求（1）实践属性：综合训练型（2）工作流程：样品准备：选择合适的样品，确保样品具有代表性，满足实验要求；对样品进行预处理，如清洗、干燥等；根据实验需求，对样品进行适当的切割或打磨，以暴露观察面。镀膜处理：对样品进行镀膜处理，以提高样品的导电性；镀膜材料可根据样品性质选择，如金属、碳等；镀膜后应确保样品表面光滑、无杂质。样品安装：将处理好的样品安装到扫描电镜的样品台上；确保样品固定牢固，不会在电镜工作时发生位移或晃动。调整焦距：打开扫描电镜，对样品进行初步观察；调整电镜的焦距，使样品清晰成像在屏幕上；确认焦距调整合适后，开始形貌观察。形貌观察：在扫描电镜下观察样品的形貌特征；注意观察样品的表面粗糙度、颗粒大小及分布情况等；观察过程中可根据需要调整放大倍数和扫描速度。图像采集：在观察过程中，使用电镜的图像采集系统将观察到的形貌图像记录下来；根据需要选择合适的图像分辨率和采集方式；对于重要的形貌特征，可进行多角度、多倍率观察和采集。分析处理：对采集到的形貌图像进行初步处理，如对比度、亮度调整等；使用专业软件对图像进行进一步分析，如测量颗粒大小、表面粗糙度等；将分析结果进行整理和归纳。结果输出：将分析处理后的结果以图表或报告的形式输出；根据实验要求，选择合适的图表形式展示结果；在报告中详细描述实验过程、观察到的形貌特征以及分析结果。（3）分组要求：8人1组（4）实践准备：在准备进行扫描电镜做形貌分析的实验时，需要认真学习相关知识，掌握基本原理和方法，为实验的顺利进行打下基础。同时，还需要注意遵守实验室安全规范，确保实验过程的安全性。（5）时间安排：3~4天（6）其他要求：无6.学生学习预期成果掌握扫描电镜的基本原理和操作方法，了解其应用领域和发展趋势。熟悉样品制备技术，能够根据不同样品性质选择合适的处理方法，掌握镀膜处理等基本操作技能。掌握形貌分析方法，能够正确使用相关软件进行数据处理和分析。学会实验数据处理与分析的基本方法，如对比度、亮度调整，以及如何利用专业软件进行形貌特征提取和分析。熟悉实验报告撰写的基本要求和方法，能够清晰地表达实验结果和结论，提高自己的科学素养和表达能力。培养自己的观察力、思维能力和实验技能，增强动手能力和创新能力，为日后的学习和工作打下坚实的基础。通过完成这个实验，能更好地理解和应用扫描电镜进行形貌分析的方法和技术。这将有助于学生在未来的学习和工作中更加自信地面对相关领域的问题和挑战。7.支撑课程目标课程目标1.掌握材料分析测试过程中的基本理论知识和规律，利用测试分析的基本理论，分析、解决工程实际过程和问题。能够查阅和利用手册、文献、国家标准等资料，为材料分析测试过程中的实际问题寻求和设计可靠合理的解决方法和实施方案，指导实际生产操作。课程目标2：通过课程教学，提高学生分析问题和解决问题能力，培养学生探索精神和创新意识，努力实现学生知识、能力、素质协调发展。课程目标3：在实训过程中引导学生关注前沿动态：使学生了解材料分析领域的最新研究进展和技术发展趋势，激发创新意识。鼓励探索性实验：为学生提供充足的自主实验时间，鼓励他们尝试新方法、新技术，培养创新思维和实践能力。实训项目三能谱分析与光谱分析1.课程主要内容实验1X射线光电子能谱分析实验目的（1）了解X射线光电子能谱(XPS)仪的基本结构和工作原理;（2）掌握材料表面XPS分析方法。实验原理一、XPS的工作原理二、结构实验2红外光谱分析实验目的（1）了解红外光谱仪的结构和工作原理；（2）掌握红外吸收光谱的分析方法和应用。实验3激光拉曼光谱分析 实验目的（1）了解激光拉曼(Raman)光谱分析的基本原理、结构和特点;（2）掌握拉曼光谱仪的操作方法和谱线分析方法。实验原理一、激光拉曼光谱产生的原理与特点二、激光拉曼光谱的实验装置实验4原子力显微镜分析实验目的（1）理解原子力显微镜的工作原理及结构特点；（2）通过本实验基本掌握原子力显微镜的使用方法；（3）能对实验得到的图谱进行正确分析并进行实例分析。实验原理一、原子力显微镜的工作原理二、原子力显微镜的基本结构2.重点和难点重点：掌握各种大型实验仪器的操作流程，了解仪器的基本结构和原理。掌握实验数据的处理、分析和可视化方法，能够准确解读数据并得出结论。了解实验过程中可能存在的安全风险，掌握相应的防护措施和应急处理方法。了解实验误差的来源，采取有效措施减小误差，提高实验结果的准确性和可靠性。根据评估结果，对实验过程进行优化和改进，提高实验质量和效率。难点：正确、规范地操作仪器，避免因操作不当导致实验结果偏差或仪器损坏。从复杂数据中提取有用信息，正确处理异常值和误差，避免数据误导。保持安全意识，正确应对实验过程中的突发情况，确保人员和仪器的安全。分析误差产生的原因，针对性地采取减小误差的措施，避免误差传递和累积。掌握实验结果可靠性评估的方法和流程，确保实验结果的准确性和可靠性。3.实施方式视频、实操和讲座4.学习要求具体实验报告要求如下：（1）X射线光电子能谱仪由哪几部分组成，并简述各部分的功能。（2）简述XPS分析的工作原理。（3）对实验所用样品的XPS谱图进行解析。（4）画出双光束红外谱仪原理示意图。（5）分别说明红外光谱法的特点和产生红外吸收的条件。（6）简述瑞利散射和拉曼散射的区别。（7）简述激光拉曼光谱的实验原理。（8）拉曼光谱和红外光谱有哪些相同和不同点，两者有什么关联?（9）概述原子力显微镜的结构，并解释原子力显微镜的工作原理。（10）给出清晰的样品三维形貌，并对其做出分析。5.实践要求（1）实践属性：综合训练型（2）工作流程：（3）分组要求：8人1组（4）实践准备：理论知识准备：工具和器材准备：人员准备：安全准备：操作流程准备：协作准备。（5）时间安排：3~4天（6）其他要求：无6.学生学习预期成果掌握各实验仪器操作流程，通过学习大型实验仪器的操作，同学们将能够全面掌握仪器的操作流程，了解仪器的基本结构和工作原理，为后续的实验操作打下坚实的基础。了解实验原理和方法，在学习实验仪器操作的同时，同学将深入了解实验的原理和方法。这将帮助同学们更好地理解实验的目的、要求和注意事项，从而确保实验的准确性和可靠性。能够独立完成实验，通过系统的学习和实践操作，将具备独立完成实验的能力。学生将能够熟练操作仪器，按照实验要求进行数据采集和处理，确保实验结果的准确性和可靠性。培养团队协作和沟通能力，大型实验通常需要团队协作完成。在学习仪器操作的过程中，将与其他同学一起合作，共同完成实验任务。这将有助于培养团队协作精神和沟通能力，提高同学在团队中的适应性和协作能力。增强问题解决和创新能力，在实验过程中，同学可能会遇到各种问题和挑战。通过学习和实践，逐渐学会分析和解决问题的方法，培养自己的创新思维和实践能力。这将有助于学生在未来的学习和工作中更好地应对各种挑战和机遇。7.支撑课程目标课程目标1.掌握材料分析测试过程中的基本理论知识和规律，利用测试分析的基本理论，分析、解决工程实际过程和问题。能够查阅和利用手册、文献、国家标准等资料，为材料分析测试过程中的实际问题寻求和设计可靠合理的解决方法和实施方案，指导实际生产操作。课程目标2：通过课程教学，提高学生分析问题和解决问题能力，培养学生探索精神和创新意识，努力实现学生知识、能力、素质协调发展。课程目标3：在实训过程中引导学生关注前沿动态：使学生了解材料分析领域的最新研究进展和技术发展趋势，激发创新意识。鼓励探索性实验：为学生提供充足的自主实验时间，鼓励他们尝试新方法、新技术，培养创新思维和实践能力。（二）课程基本教学内容对课程目标的支撑实践内容实施方式支撑的课程目标学时安