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教学大纲
 

材料现代分析与测试技术课程教学大纲

课程名称:

材料现代分析与测试技术

课程编码:

0630031

英文名称:

Modern Materials Analysis and Testing Technology

学    时:

72

其中实验学时:

24

学    分:

3.75

开课学期:

5

适用专业:

无机非金属材料工程 材料化学 电子元器件

课程类别:

必修

课程性质:

专业基础课

先修课程:

高等数学 大学物理 固体物理 材料科学基础

一、课程性质及任务

    本课程是无机非金属材料工程、材料化学等专业的专业基础课,在学习高等数学、大学物理、固体物理等课程的基础上,学习有关材料组成、结构、形貌状态等分析测试的基本理论和技术,为后续专业课学习打基础。课程内容包括基本模块——X射线衍射分析、电子显微分析、热分析、振动光谱分析和光电子能谱分析;特色模块——光学性能分析;扩充模块——扫描隧道显微镜、原子力显微镜。课程的任务是通过本课程的学习,使学生掌握材料组成、晶体结构、显微结构材料微观形貌的分析测试方法与技术,及升、降温过程材料发生的物理化学变化的分析测试方法和技术,为后续课程的学习及将来材料研究工作打下基础。

二、课程的教学要求

绪论

    了解材料现代分析与测试技术在无机非金属材料中的应用、发展趋势,明确本课程学习的目的和要求。

1. 本课程学习内容

2. 本课程在无机非金属材料中的应用

3. 本课程的要求

(一)X射线衍射分析

    理解掌握标识X射线、X射线与物质的相互作用、布拉格方程等X射线衍射分析的基本理论,掌握X射线衍射图谱的分析处理和物相分析方法,掌握X射线衍射分析在无机非金属材料中的应用,了解X射线衍射研究晶体的方法和X射线衍射仪的结构,了解晶胞参数测定方法。

1. X射线物理基础

(1)X射线的性质

(2)X射线的获得

(3)X射线谱

(4)X射线与物质的相互作用

(5)X射线的吸收及应用

2.X射线衍射几何条件

3. X射线衍射线束强度

4.单晶的研究方法

5.多晶体的研究方法

6.衍射仪法

(1)粉末衍射仪的构造及衍射几何

(2)衍射图分析处理

7. X射线物相分析

8. 晶胞参数测定

9. 其它方面应用—测定晶粒尺寸

(二)电子显微分析

    理解掌握电子光学基础、电子与固体物质的相互作用、衬度理论等电子显微分析的基本理论,掌握透射电镜分析、扫描电镜分析、电子探针分析的应用和特点,掌握用各种衬度理论解释电子显微像,掌握电子显微分析样品的制备方法,了解透射电镜、扫描电镜、电子探针的结构。

1. 电子光学基础

(1)电子的波长和波性

(2)电子在电磁场中的运动和电磁透镜

(3)电磁透镜的像差和理论分辨率

(4)电磁透镜的场深和焦深

2. 电子与固体物质的相互作用

(1)电子散射

(2)内层电子激发后的驰豫过程

(3)自由载流子

(4)各种电子信号

(5)相互作用体积与信号产生的深度和广度

3. 透射电子显微分析

(1)透射电子显微镜

(2)透射电镜样品制备

(3)电子衍射

(4)透射电子显微像及衬度

(5)高压电子显微镜

(6)透射电子显微分析的应用

4. 扫描电子显微分析

(1)扫描电子显微镜

(2)扫描电镜图像及衬度

(3)扫描电镜样品制备

5. 电子探针X射线显微分析

(1)电子探针仪的构造和工作原理

(2)X射线谱仪的类型及比较

(3)电子探针分析方法及其应用

(三)热分析

    理解掌握差热分析、热释光谱分析的基本原理,掌握差热曲线的判读及影响因素,掌握热释光谱分析,了解差热分析仪的结构,了解热重分析和示差扫描量热分析。

1.差热分析

(1)差热分析的基本原理

(2)差热分析分析仪

(3)差热分析方法

(4)差热曲线的判读及影响因素

(5)差热分析的应用

2. 热重分析

3. 示差扫描量热分析 (DSC)

4. 热释光谱分析

(四)光谱分析

1. 绪论

    要求了解分子的运动与能量的关系,熟悉核运动与电子运动的分离过程,掌握跃迁概率与选律的本质和谱线的线形和线宽产生的原因。

2. 红外与Raman光谱

    要求了解质心平动的分离过程,理解双原子分子的刚性转子模型和非刚性转子模型,简谐振子模型,非简谐振子模型,多原子分子的转动光谱,Raman光谱与红外光谱的互补性,转动Raman光谱和振动Raman光谱,红外光谱在有机化学、催化研究、配合物研究和在生物学中的应用。熟练掌握Raman散射效应,转动光谱的应用,双原子分子振动光谱的应用,振转光谱,多原子分子的振动模式,红外光谱仪及测定技术,Raman光谱仪简介和Raman光谱的应用概况,影响红外吸收的结构因素,各类官能团的特征吸收峰频率与影响因素,图谱解析的基本步骤。

3. 紫外和可见吸收光谱

    教学目的要求:要求了解紫外-可见光吸收光谱仪的主要组成部分和仪器的使用,荧光光谱和磷光光谱。理解紫外--可见吸收光谱的基本原理,某些有机物的紫外吸收波长的理论计算方法。掌握紫外-可见光谱分析与应用及相关化合物在紫外-可见吸收光谱中的的特征吸收。

4. 磁共振

    要求了解核磁共振谱仪的工作原理,理解二维磁共振谱原理与13C核磁共振谱图解析,掌握核磁共振的基本原理,1H核磁共振谱图的解析,核磁共振光谱的解析步骤及应用。

(五)光电子能谱分析

    理解掌握光电子能谱分析的基本原理,掌握光电子能谱实验技术,了解光电子能谱仪,了解俄歇电子能谱分析。

1.概述:表面分析与光电子能谱分析

2.光电子能谱的基本原理

(1)光与物质的相互作用

(2)光电子能谱测量原理

(3)化学位移

3.光电子能谱实验技术

(1)光电子能谱仪

(2)样品测定

4.光电子能谱的应用

5.俄歇电子能谱

(1)俄歇电子能谱的基本原理

(2)俄歇电子能谱的应用举例

(六)材料光学性能分析

    理解并掌握各光学性能、光谱的概念,掌握各光谱仪的测试方法和光谱分析方法。了解光谱仪的结构和测试原理。

1.透射光谱和吸收光谱

(1)基本概念

(2)光谱测试

2.荧光材料的光谱特性

(1)激发光谱与发射光谱

(2)发光亮度

(3)余辉特性

(七)扫描探针显微分析

   理解并掌握扫描隧道显微镜和原子力显微镜的基本原理、特点及应用。了解扫描隧道显微镜和原子力显微镜的结构。

1. 扫描隧道显微镜

(1)扫描隧道显微镜的基本原理

(2)扫描隧道显微镜的结构与工作方式

(3)扫描隧道显微镜的特点及应用

2. 原子力显微镜

(1)原子力显微镜的基本原理

(2)原子力显微镜的结构与工作方式

(3)原子力显微镜的特点及应用

三、课程学时分配

章节(或内容)

学  时

绪论

2

X射线衍射分析

10

电子显微分析

10

热分析

6

光谱分析

6

光电子能谱分析

4

材料光学性能分析

6

扫描探针显微分析

4

课程实验

24

合计

72

四、课程的实验要求与内容

    通过实验,巩固所学理论课程的基本概念、基本理论;掌握X射线、电子显微分析等材料组成结构等分析测试技术、分析测试结果的分析处理等基本技能;学习各种分析测试技术在科研等方面的实际应用。从而培养学生的实践能力和分析问题、解决问题的能力。

    本课程实验的主要内容包括:X射线衍射技术及物相分析、电子显微分析及试样电子显微图象观察、原子力显微镜分析、综合热分析、红外光谱分析和发光材料荧光光谱分析。

序号

实验题目

实验内容提要

学时

性质

要求

1

X射线衍射技术及物相分析

立方晶系XRD分析

选做

一项

1.X射线衍射仪工作原理和结构

2.XRD图谱测试

3.物相分析

4.晶胞参数计算

4

验证

必做

四方晶系XRD分析

六方晶系XRD分析

单斜晶系XRD分析

斜方晶系XRD分析

晶格常数计算

选做

2

透射电镜及试样电子显微图像观察

复型膜试样TEM图像

选做

一项

1.TEM原理和结构

2.TEM试样制备及测试

3.TEM图像观察

4.电子衍射谱图分析

4

验证

必做

粉末试样TEM图像

电子衍射

必做

3

扫描电镜及试样电子显微图像观察

薄膜样品SEM图像

选做

一项

1.SEM原理和结构

2.SEM试样制备及测试

3.SEM形貌观察

4.定点定性分析、线扫描分析、面扫描分析

4

验证

必做

陶瓷样品SEM图像

电子探针成分分析

必做

4

综合热分析

含水化合物TG-DTA分析

选做

一项

1.热分析技术及综合热分析仪

2.差热曲线测定及分析

3.热重曲线测定及分析

4

验证

必做

微晶玻璃TG-DTA分析

碳酸盐TG-DTA分析

干凝胶TG-DTA分析

5

光谱测试及分析

光学玻璃紫外-可见吸收光谱

选做

一项

1.光谱仪工作原理和结构

2.制样方法

3.光谱测试

4.谱图分析

2

验证

必做

有机化合物IR光谱

有机化合物核磁共振谱

6

荧光光谱分析

激发、发射光谱测试(氙灯光源)

选做

一项

1.荧光分光光度计工作原理和结构

2.发射光谱测试及分析

3.激发光谱测试及分析

4.余辉衰减曲线测试

4

验证

必做

激发、发射光谱测试(钨灯光源)

余辉衰减曲线

必做

7

原子力显微镜分析

固体材料表面形貌分析

必做

1. AFM显微镜原理和结构

2. AFM试样制备及测试

3. AFM图像观察

2

验证

必做

注:项目性质:演示、验证、综合、设计、创新

项目要求:必做、选做

五、考核与成绩评定

1.考核方式:闭卷、机考

2.考核标准与比例:平时:10%,实验:10% ,期末考试:80%。

注:实验考核成绩达不到60%,不允许参加理论考试。

六、主要教材、参考书

[1]杨南如主编. 无机非金属材料测试方法[M].武汉:武汉理工学大出版社,1990年第一版,2007年第14次印刷

[2]杜希文等. 材料分析方法[M]. 天津:天津大学出版社,2006

[3]周玉等. 材料分析测试技术[M]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998

[4]王培铭等. 材料研究方法[M]. 北京:科学出版社,2005

[5]章晓中. 电子显微分析[M]. 北京:清华大学出版社,2006

[6]左演声等. 材料现代分析方法[M]. 北京:北京工业大学出版社,2000

[7]Josephh Goldstein, et al. Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis [M]. Kluwer Academic / Plenum Publishers, 2003

[8]Reimer L. Transmission Electron Microscopy [M]. Springer, 2004

[9]张希艳等. 稀土发光材料[M]. 北京:国防工业出版社,2004

[10]张希艳等. 无机材料性能[M]. 北京:兵器工业出版社,2007

[11]杨于兴等. X-射线衍射分析[M]. 上海:上海交通大学出版社, 1994

[12]王英华. X光衍射技术基础[M]. 北京:原子能出版社, 1987

[13]余琨等. 材料结构分析基础[M]. 北京:科学出版社, 2000

[14]刘文西等. 材料结构电子显微分析[M]. 天津:天津大学出版社,1998

[15]朱宜等. 扫描电镜图像的形成处理和显微分析[M]. 北京:北京大学出版社,1991

[16]徐卒章. 电子探针分析原理[M]. 北京:科学出版社,1990

[17]陈镜泓等. 热分析及其应用[M], 北京:科学出版社,1985

                                        

                                         制定人:王晓春

                                          审定人:卢利平

                                           2008年09月

 

 
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