Methods of Analysis and Measurement for Materials
一、课程基本信息
学 时:80(理论48,演示实验32)
学 分:4
考核方式:考试,平时成绩占总成绩的30%。
中文简介:
本课程是针对材料类专业本科生而开设的专业必修课。目的是使学生掌握材料主要分析技术方法的基本原理,了解较先进的材料分析方法和应用。培养学生的材料微观组织结构分析测试及研究的能力。
通过学习使学生掌握X-射线衍射;红外、紫外可见、拉曼光谱、荧光光谱分析;热分析;质谱;色谱分析以及透射电镜、扫描电镜等电子显微技术的基础理论。掌握以上分析仪器等现代测试设备的基本结构及其在材料分析测试技术中的原理及试验方法。应用X-射线单晶衍射和X-射线粉末衍射方法进行晶体结构的测定、物相分析、宏观应力测定;掌握热重分析,差示扫描量热法对材料的热稳定性能,成分和热效应进行分析。应用质谱分析有机物的分子量,应用色谱对混合有机组分进行分离。掌握透射电镜的复型和薄膜制备技术及电子衍射的原理,应用电子衍射对材料进行微观组织结构的分析,应用扫描电镜和透射电镜对材料进行表面形貌和微观结构及成分进行分析。
二、 教学目的与要求
通过本课程的学习,要求学生基本掌握有关晶体学知识、X射线基本性质和衍射理论,衍射实验技术,并初步掌握应用X射线衍射技术进行物相的定性和定量分析等;了解现代电子显微分析与表征功能、电子衍射相分析。初步掌握透射电子显微镜、扫描电子显微镜的原理、方法与应用;了解热分析的基本原理,掌握TG、DSC、DTA的工作原理、方法与应用。初步掌握红外、紫外、拉曼和荧光等光谱分析方法的原理及应用;
通过学习该课程后,了解X射线衍射和电子显微分析及有机波谱分析等技术的应用领域,学会正确分析基本的波谱图、X射线衍射图谱和电子显微图像,从中获得准确的材料结构和形貌等信息。并了解X射线衍射技术、电子显微分析技术和热分析技术的最新进展,能够正确地运用现代分析技术开展材料的科学研究,解决材料工程领域相关问题。
三、教学方法与手段
理论教学主要采用课堂讲授与问题式教学法、分组讨论、课堂讨论及三维动画演示等多种方法相结合,以促进学生对知识点的掌握。
实验教学主要采用分组演示,录制操作视频及利用仿真实验等多方法结合,以克服现有仪器不足的情况下增强学生实际操作能力。
四、 教学内容及目标
教学内容 |
教学目标 |
学时 分配 |
第一章 绪论 |
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2 |
1.简述课程教学内容、课程特点、教学参考书目、教学及考核要求 |
理解 |
0.5 |
2.材料与人类发展的关系;材料结构与性能的关系;材料表征的基本方法 |
掌握 |
1.5 |
重点与难点:材料测试方法的概念与分类;材料表征的基本方法 |
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衡量学习是否达到目标的标准:要求学生掌握材料表征的基本方法。 |
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第二章X射线衍射分析 |
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5 |
1. X射线衍射原理概述 |
理解 |
2 |
2. X射线单晶衍射应用 |
理解 |
1 |
3. X射线粉末衍射原理 |
掌握 |
1 |
4. X射线粉末衍射应用 |
掌握 |
1 |
重点与难点: XRD 衍射原理;Scherrer 公式及应用范围; XRD粉末,薄膜和特殊样品的样品制备方法。 |
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衡量学习是否达到目标的标准: 要求学生掌握XRD 衍射原理;Scherrer 公式及应用范围;以及 XRD粉末,薄膜和特殊样品的样品制备方法。 |
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第三章 红外吸收光谱 |
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5 |
1. 红外光谱的基本原理 |
掌握 |
1 |
2. 红外光谱与分子结构 |
掌握 |
1 |
3. 红外光谱图的解析方法 |
掌握 |
2 |
4. 红外光谱仪及制样技术 |
掌握 |
0.5 |
5. 红外光谱在材料研究领域的应用 |
掌握 |
0.5 |
重点与难点: 分子的振动自由度;红外活性振动的条件;常见基团的红外吸收带;官能团区;指纹区;计算不饱和度;固体样品的制样方法。 |
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衡量学习是否达到目标的标准: 要求学生掌握分子的振动自由度;红外活性振动的条件;常见基团的红外吸收带;官能团区;指纹区;计算不饱和度以及固体样品的制样方法。 |
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第四章 激光拉曼光谱法 |
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3 |
1.拉曼效应与拉曼光谱 |
理解 |
0.5 |
2.拉曼光谱与分子极化率的关系 |
掌握 |
0.5 |
3.拉曼光谱图及应用 |
掌握 |
1 |
4.拉曼光谱与红外光谱分析方法比较 |
掌握 |
0.5 |
5.拉曼光谱仪介绍 |
了解 |
0.5 |
重点与难点:瑞利散射与拉曼散射;拉曼活性振动;红外与拉曼法则 ;拉曼光谱的优点和特点 |
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衡量学习是否达到目标的标准:要求学生掌握瑞利散射与拉曼散射的基本概念;产生拉曼活性振动的条件;红外与拉曼法则 以及拉曼光谱的优点和特点。 |
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第五章 紫外可见吸收 |
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4 |
1.有机物的吸收光谱与电子跃迁 |
掌握 |
1 |
2.影响紫外、可见吸收光谱的因素 |
掌握 |
1 |
3.紫外-可见分光光度计的基本结构 |
了解 |
1 |
4.紫外-可见吸收光谱法的应用 |
掌握 |
1 |
重点与难点:电子跃迁;生色团;助色团;红移和蓝移;Lambert-Beer定律 |
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衡量学习是否达到目标的标准: 要求学生掌握电子跃迁的规律;生色团、助色团、红移和蓝移以及Lambert-Beer定律的原理和应用。 |
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第6章 分子荧光 |
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4 |
1. 荧光产生的原理 |
理解 |
0.5 |
2. 荧光发射光谱和激发光谱 |
掌握 |
0.5 |
3.荧光和分子结构的关系 |
掌握 |
1.5 |
4.有机物和无机物的荧光 |
掌握 |
0.5 |
5.荧光光谱仪简介 |
了解 |
0.5 |
6.荧光光谱应用 |
了解 |
0.5 |
重点与难点:荧光和分子结构的关系;荧光发射光谱和激发光谱;荧光探针。 |
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衡量学习是否达到目标的标准: 要求学生掌握荧光和分子结构的关系;荧光发射光谱和激发光谱以及荧光探针的应用。 |
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第7章 热分析法 |
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10 |
1 热分析概述 |
理解 |
0.5 |
2 热重分析(TG)的概念及原理 |
掌握 |
0.5 |
3 TG曲线及影响因素 |
掌握 |
2 |
4 热重分析的应用 |
掌握 |
1 |
5 差热分析(DTA)的的概念及原理 |
掌握 |
0.5 |
6 DTA曲线及影响因素 |
掌握 |
1 |
7差热分析的应用 |
掌握 |
1 |
8差示扫描量热法(DSC)的概念及原理 |
掌握 |
0.5 |
9 DSC曲线及影响因素 |
掌握 |
2 |
10差示扫描量热法的应用 |
掌握 |
1 |
重点与难点:TG,DTA,DSC的物理意义及应用;影响TG,DTA,DSC测定结果的因素。 |
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衡量学习是否达到目标的标准: 要求学生掌握TG,DTA,DSC的物理意义及应用以及影响TG,DTA,DSC测定结果的因素。 |
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第8章 扫描电镜 |
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5 |
1电子显微镜原理 |
理解 |
0.5 |
2扫描电镜(SEM)成像原理 |
掌握 |
0.5 |
3 扫描电镜的构造 |
掌握 |
0.5 |
4 SEM工作原理及性能特点 |
掌握 |
1 |
5 SEM图像分析及应用 |
掌握 |
2 |
6 SEM样品的制备 |
掌握 |
0.5 |
重点与难点:电子束与固体样品作用时产生的信号;扫描电镜衬度像;扫描电镜的主要性能与特点;扫描电镜样品制备方法 |
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衡量学习是否达到目标的标准: 要求学生掌握电子束与固体样品作用时产生的信号;扫描电镜衬度像;扫描电镜的主要性能与特点以及扫描电镜样品制备方法。 |
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第9章 透射电镜 |
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6 |
1.透射电子显微镜结构原理 |
理解 |
1 |
2 透射电子显微像 |
掌握 |
2 |
3 透射电镜衍衬分析 |
掌握 |
1 |
4 电子衍射分析 |
掌握 |
1 |
5 透射电子显微镜样品制备 |
掌握 |
1 |
重点与难点:振幅衬度,相位衬度,衍射衬度,明场像(BF),暗场像(DF),电子衍射(ED) |
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衡量学习是否达到目标的标准: 要求学生掌握振幅衬度,相位衬度,衍射衬度,明场像(BF),暗场像(DF),电子衍射(ED)的基本概念和原理,以及透射电镜的主要性能与特点以及样品制备方法。 |
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第十章 色谱分析法 |
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4 |
1色谱法引论 |
理解 |
0.5 |
2色谱图及色谱基本参数 |
掌握 |
0.5 |
3色谱分析的基本原理 |
掌握 |
0.5 |
4气相色谱实验技术 |
掌握 |
1 |
5色谱分离操作条件的选择 |
掌握 |
0.5 |
6高效液相色谱实验技术 |
掌握 |
1 |
重点与难点:色谱分离的原理;色谱定性原理、方法;色谱定量原理、方法 |
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衡量学习是否达到目标的标准: 要求学生掌握色谱分离的原理;色谱定性原理、方法;以及色谱定量原理和方法。 |
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演示实验 |
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一.红外光谱仪的使用(PE公司)(一):压片法测乙酰苯胺粉末的红外光谱 |
每组6-8人 |
4 |
二.红外光谱仪的使用(PE公司)(二):附件法测乙酰苯胺粉末的红外光谱 |
每组6-8人 |
4 |
三.紫外可见光谱仪(PE公司)的定性分析(一):色素的 波长监控 |
每组6-8人 |
4 |
四.紫外可见光谱仪(PE公司)的定量分析(一):标准曲线法测未知色素的浓度 |
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4 |
五.扫描电镜的仿真实验(仿真与操作视频相结合) |
每组1人 |
4 |
六 气相色谱仿真实验(仿真与操作视频相结合) |
每组1人 |
4 |
七 热重仿真实验(仿真与操作视频相结合) |
每组1人 |
4 |
八 X-射线粉末衍射仿真实验(仿真与操作视频相结合) |
每组1人 |
4 |
五、推荐教材和教学参考资源
推荐教材:
1.王富耻. 材料现代分析测试方法. 北京:北京理工大学出版社,2006
2. 张锐主编. 现代材料分析方法. 化学工业出版社, 2007
参考书:
1. 周玉,武高辉.材料分析测试技术——材料X射线衍射与电子显微分析.哈尔滨工业大学出版社,1998
2. 常铁军,祁欣.材料近代分析测试方法.哈尔滨工业大学出版社,1999
3.曹春蛾,顾幸勇合编. 无机材料测试技术. 武汉理工大学出版社. 2001
4.陈培榕,邓勃.现代仪器分析实验与技术.清华大学出版社,1999
5.杜希文. 材料分析方法. 天津:天津大学出版社,2006
6.郭德济,孙洪飞,胡皆汉.光谱分析法.重庆:重庆大学出版社.1994
7.黄新民. 材料分析测试方法. 北京:国防工业出版社,2006
8.黄新民等编著. 材料研究方法. 哈尔滨工业大学出版社. 2008
9.黎兵编著. 现代材料分析技术. 国防工业出版社. 2008
10.李占双,景晓燕主编. 近代分析测试技术. 哈尔滨工程大学出版社, 2005
11.马如璋,徐祖雄.材料物理现代研究方法.北京:冶金工业出版社,1997
12.邱平善等主编. 材料近代分析测试方法实验指导. 哈尔滨工程大学出版社, 2001
13.谈育煦,胡志忠编. 材料研究方法. 机械工业出版社, 2004
14王培铭,许乾慰主编. 材料研究方法. 科学出版社, 2005
15.熊兆贤等编著. 无机材料研究方法——合成制备、分析表征与性能检测. 厦门大学出版社, 2001
16.朱永法主编. 纳米材料的表征与测试技术. 化学工业出版社 材料科学与工程出版中心, 2006
大纲修订人: 李翠金 修订日期:2017.12.25
大纲审定人: 审定日期: