《材料現代分析與測試技術綜合訓練》課程教學大綱一、課程基本信息課程名稱材料現代分析與測試技術綜合訓練課程編號330020069課程性質必修課課程類別集中實踐環節開課單位新材料與化學工程學院授課學期第7學期學分/學時2/2周實施方式實訓適用專業新能源材料與器件是否雙語否先修課程材料研究與測試分析方法固體物理材料科學基礎后續課程畢業實習、畢業設計（論文）二、課程簡介本綜合訓練課程是新能源材料與器件專業的集中實踐教學。通過綜合性訓練，使學生掌握相關材料的研究測試方法，了解各種儀器設備的結構及工作原理，掌握實驗數據的處理方法，分析各種實驗數據與材料的關系，從而加深對專業基礎及專業課程中有關理論的理解。使學生有初步設計實驗的能力及一定的科研能力，為將來從事新型材料的生產、開發及管理打下良好的基礎。三、課程目標及對畢業要求指標點的支撐（一）課程目標通過本課程的學習，使學生達到以下目標：課程目標1.掌握材料分析測試過程中的基本理論知識和規律，利用測試分析的基本理論，分析、解決工程實際過程和問題。能夠查閱和利用手冊、文獻、國家標準等資料，為材料分析測試過程中的實際問題尋求和設計可靠合理的解決方法和實施方案，指導實際生產操作。課程目標2：通過課程教學，提高學生分析問題和解決問題能力，培養學生探索精神和創新意識，努力實現學生知識、能力、素質協調發展。課程目標3：在實訓過程中引導學生關注前沿動態：使學生了解材料分析領域的最新研究進展和技術發展趨勢，激發創新意識。鼓勵探索性實驗：為學生提供充足的自主實驗時間，鼓勵他們嘗試新方法、新技術，培養創新思維和實踐能力。（二）課程目標對畢業要求指標點的支撐課程目標支撐畢業要求指標點畢業要求課程目標11-2能夠將數學、自然科學、工程基礎和專業知識用于分析和解決新能源材料與器件生產和加工過程中的復雜工程問題。1.工程知識課程目標22-4能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析新能源材料與器件生產過程中的復雜工程問題，以獲得有效結論。3-4能夠設計針對復雜新能源材料與器件工程問題的解決方案，設計滿足特定需求的生產工藝流程和主要設備，并能夠在設計環節中體現創新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環境等因素。4-4能夠基于科學原理并采用科學方法對新能源材料與器件開發過程的復雜工程問題進行研究，包括設計實驗、分析與表征、并通過信息綜合得到合理有效的結論。2.問題分析3.設計/開發解決方案4.研究課程目標35-3能夠針對復雜工程問題，開發、選擇與使用恰當的技術、資源、現代工程工具和信息技術工具，包括對復雜工程問題的預測與模擬，并能夠理解其局限性。5.使用現代工具四、課程基本教學內容及對課程目標的支撐（一）課程基本教學內容實訓項目一X射線衍射分析課程主要內容實驗1X射線衍射儀的結構、原理與使用實驗目的（1）了解X射線衍射儀的構造與操作原理；（2）了解X射線衍射儀的操作過程及步驟；（3）掌握X射線衍射樣品的制備方法；（4）了解X射線的安全防護規定和措施。實驗原理一、X射線衍射儀的基本構造與原理二、測角儀的構造及光路系統實驗2物相分析實驗目的（1）掌握X射線衍射物相定性分析的原理和實驗方法；（2）熟悉PDF卡片的查找方法和物相檢索方法；（3）掌握X射線衍射分析軟件Jade的基本操作。實驗原理一、物相定性分析原理二、PDF卡片三、PDF卡片檢索方法重點和難點在材料X射線物相分析中，相的識別與鑒定是最基本但也是最關鍵的步驟。對于未知材料，需要通過對X射線衍射圖譜的分析，正確判斷出材料的物相組成。這需要對各種物相的衍射特征有深入的了解，并能準確識別和區分不同的衍射峰。對于復雜的材料體系，可能存在大量的物相，因此需要具備豐富的經驗和專業知識。衍射峰的解析與標定是確定物相組成的關鍵環節。通過對衍射峰的位置、強度和形狀進行分析，可以確定材料的晶體結構和物相組成。在進行衍射峰的解析與標定時，需要注意衍射峰的分辨率和重疊情況，避免誤判和漏標。此外，對于非晶體材料的衍射峰分析也具有一定的難度。3.實施方式講座、視頻和實操學習要求安排學生根據實驗任務書要求撰寫實驗總結報告，每生一份必須獨立完成并不少于1500字。實驗報告內容主要包括：實驗項目名稱，實驗目的意義，實驗原理，實驗原料與器材，實驗步驟，實驗數據和現象記錄，數據結果處理和分析等幾部分。具體實驗要求如下：（1）選擇一種衍射儀（市場有多種設備型號），學習該衍射儀的操作規程。（2）分別練習化合物粉體樣品和金屬塊體樣品的制備、安裝和測量。（3）討論粉體樣品的粒度、濕度（是否含有水分）、裝樣方法、樣品平整度、工作電壓和電流、狹縫大小、掃描速度等各種因素對衍射強度、衍射角度位置以及峰形輪廓線的影響。（4）分別以粉末樣品和加工態合金塊體樣品為實驗對象、鑒定其物相組成。（5）描述PDF卡片所包含內容。（6）說明物相鑒定的依據、多相樣品的物相定性分析存在哪些困難？5.實踐要求（1）實踐屬性：綜合訓練型（2）工作流程：（3）分組要求：8人1組（4）實踐準備：深入了解X射線衍射的原理以及如何利用X射線衍射進行物相分析。這包括了解每種結晶物質的結構參數，如點陣類型、晶胞大小、原子位置等，以及這些參數如何反映在X射線的衍射圖譜上。選擇合適的設備：根據實驗需求，選擇合適的X射線衍射儀。需確保其精度和穩定性滿足實驗要求。同時，也要準備相應的樣品臺、導電膠、砂紙等輔助工具。樣品準備：在實驗前，需要對樣品進行清洗和預處理。使用酒精清洗樣品以去除表面的污垢或氧化物，然后利用導電膠將樣品牢固地粘到樣品臺上。此外，應保證樣品之間的高度差不超過0.5cm。對于粉末樣品，長時間的研磨是必要的，以確保樣品的平均粒徑在10微米左右。設定測量參數：根據實驗需求，選擇合適的X射線靶材、管流和管壓。例如，Cu靶Ka線（λ=1.5406A）常被用于物相分析。同時，設定掃描速度和掃描角度范圍，例如在20°~120°的掃描角度內以8°/min的速度進行連續掃描。數據收集與處理：在實驗過程中，應記錄并保存衍射圖譜以及相關的實驗參數。利用專業的軟件（如MDIJade5）進行數據檢索與處理，如進行PDF卡片索引建立，并使用軟件的物相檢索功能。安全防護：由于X射線具有電離效應，因此實驗操作人員需要嚴格遵守安全規范，穿戴防護服和佩戴防護眼鏡等個人防護用品。此外，應遵循實驗廢棄物處理的相關環保規定。避免輻射損傷：在關閉X射線衍射儀之前，確保X射線關閘已經關閉，以防止受到輻射損傷。（5）時間安排：3~4天（6）其他要求：無6.學生學習預期成果學習預期成果主要包括以下幾個方面：知識理解：學生應能夠理解X射線物相分析的基本原理，包括X射線的產生、X射線與物質的相互作用以及如何利用X射線衍射圖譜進行物相分析等。技能掌握：學生應能夠掌握X射線衍射儀的基本操作，包括樣品準備、儀器設置、數據采集等。此外，學生還應掌握如何解析和解讀X射線衍射圖譜，能夠使用相關軟件進行數據處理和分析。態度培養：學生應培養嚴謹的科學態度，對待實驗認真負責，嚴格遵守實驗操作規程，尊重實驗結果。同時，學生還應具備解決復雜問題的耐心和毅力。問題解決：學生應能夠根據實驗過程中遇到的問題，獨立分析并尋找解決方案。此外，學生還應學會從實驗數據中發現異常，并提出合理的假設。創新思維：學生應能夠根據所學知識，對實驗方法和結果進行批判性思考，并提出改進或創新的建議。團隊合作：在實驗過程中，學生應能夠與團隊成員有效溝通，共同完成實驗任務。這包括分工合作、信息交流和匯總等。時間管理：學生應能夠合理安排實驗時間，確保實驗的順利進行。這包括提前準備、按時開始和結束實驗、以及在遇到問題時及時調整計劃。自我評估：學生應能夠對自己的實驗過程和結果進行反思和總結，認識到自己的不足之處，以便在未來的實驗中加以改進。通過以上預期成果的達成，學生不僅能夠掌握X射線物相分析的實驗技能和方法，還能夠培養其科學素養和實驗能力，為未來的科學研究和實踐工作打下堅實的基礎。支撐課程目標課程目標1.掌握材料分析測試過程中的基本理論知識和規律，利用測試分析的基本理論，分析、解決工程實際過程和問題。能夠查閱和利用手冊、文獻、國家標準等資料，為材料分析測試過程中的實際問題尋求和設計可靠合理的解決方法和實施方案，指導實際生產操作。課程目標2：通過課程教學，提高學生分析問題和解決問題能力，培養學生探索精神和創新意識，努力實現學生知識、能力、素質協調發展。課程目標3：在實訓過程中引導學生關注前沿動態：使學生了解材料分析領域的最新研究進展和技術發展趨勢，激發創新意識。鼓勵探索性實驗：為學生提供充足的自主實驗時間，鼓勵他們嘗試新方法、新技術，培養創新思維和實踐能力。實訓項目二電子顯微分析1.課程主要內容實驗1掃描電鏡的結構、工作原理及使用實驗目的（1）了解掃描電鏡的構造及工作原理;（2）初步學習F7900場發射掃描電鏡的操作方法。實驗2掃描電鏡的二次電子像及斷口形貌分析實驗目的（1）了解掃描電鏡在斷口形貌分析中的作用;（2）通過對不同斷口形貌的分析，掌握掃描電鏡分析斷口形貌的方法。實驗原理一、形貌襯度--二次電子(SE)像及其襯度原理二、典型斷口形貌觀察.實驗3掃描電鏡的背散射電子像及高倍組織觀察實驗目的（1）掌握掃描電鏡成分襯度像-背散射電子像(BSE)的原理、特點及其在材料研究中的應用；（2）利用F7900場發射掃描電鏡，觀察分析樣品經過深腐蝕后的形貌。實驗原理一、背散射電子的成像二、背散射電子像的襯度三、背散射電子像的分辨率2.重點和難點重點：了解并熟悉掃描電鏡的結構和功能。掌握如何調整和使用掃描電鏡，以獲得最佳的觀察效果。了解二次電子、背散射電子等信號的特點及其與樣品的關系。二次電子像的特點和形成原理。二次電子像在材料、器件結構分析中的應用。斷口形貌分析的方法和要點。背散射電子像的特點和形成原理。背散射電子像在材料成分和晶體結構分析中的應用。高倍組織觀察的方法和要點。難點：聚光鏡和掃描線圈的調整，以保證電子束的穩定和掃描的均勻性。對不同樣品和觀察目標選擇合適的加速電壓和工作距離。對各種信號的識別和選擇，以及它們在圖像中的表現。理解并掌握背散射電子像及高倍組織觀察的原理和應用。二次電子像的解讀和解析，特別是涉及復雜結構和多層膜的情況。斷口形貌的觀察和分析，如何準確地識別和判斷斷裂的性質和機制。背散射電子像的解讀和解析。高倍組織觀察中的細節識別和分析，如何準確地判斷組織結構和相組成。3.實施方式講座、視頻和實操4.學習要求具體實驗要求如下：（1）簡要說明電子顯微分析的基本原理及掃描電鏡各部分的作用。（2）根據自己的了解，舉例說明不同類型掃描電鏡的異同。（3）給出某個斷口形貌從低倍到高倍的系列圖像。（4）給出不同斷裂機理斷口形貌的圖像，并對它們進行適當的比較分析。（5）分析不同斷口形貌所對應的斷裂機理。（6）簡述掃描電鏡分析中背散射電子像的原理。（7）說明掃描電鏡成分襯度像背散射電子像的特點，與二次電子像的異同。（8）說明掃描電鏡在金相組織分析中的特點及應用。附：可根據文獻或是老師所給數據5.實踐要求（1）實踐屬性：綜合訓練型（2）工作流程：樣品準備：選擇合適的樣品，確保樣品具有代表性，滿足實驗要求；對樣品進行預處理，如清洗、干燥等；根據實驗需求，對樣品進行適當的切割或打磨，以暴露觀察面。鍍膜處理：對樣品進行鍍膜處理，以提高樣品的導電性；鍍膜材料可根據樣品性質選擇，如金屬、碳等；鍍膜后應確保樣品表面光滑、無雜質。樣品安裝：將處理好的樣品安裝到掃描電鏡的樣品臺上；確保樣品固定牢固，不會在電鏡工作時發生位移或晃動。調整焦距：打開掃描電鏡，對樣品進行初步觀察；調整電鏡的焦距，使樣品清晰成像在屏幕上；確認焦距調整合適后，開始形貌觀察。形貌觀察：在掃描電鏡下觀察樣品的形貌特征；注意觀察樣品的表面粗糙度、顆粒大小及分布情況等；觀察過程中可根據需要調整放大倍數和掃描速度。圖像采集：在觀察過程中，使用電鏡的圖像采集系統將觀察到的形貌圖像記錄下來；根據需要選擇合適的圖像分辨率和采集方式；對于重要的形貌特征，可進行多角度、多倍率觀察和采集。分析處理：對采集到的形貌圖像進行初步處理，如對比度、亮度調整等；使用專業軟件對圖像進行進一步分析，如測量顆粒大小、表面粗糙度等；將分析結果進行整理和歸納。結果輸出：將分析處理后的結果以圖表或報告的形式輸出；根據實驗要求，選擇合適的圖表形式展示結果；在報告中詳細描述實驗過程、觀察到的形貌特征以及分析結果。（3）分組要求：8人1組（4）實踐準備：在準備進行掃描電鏡做形貌分析的實驗時，需要認真學習相關知識，掌握基本原理和方法，為實驗的順利進行打下基礎。同時，還需要注意遵守實驗室安全規范，確保實驗過程的安全性。（5）時間安排：3~4天（6）其他要求：無6.學生學習預期成果掌握掃描電鏡的基本原理和操作方法，了解其應用領域和發展趨勢。熟悉樣品制備技術，能夠根據不同樣品性質選擇合適的處理方法，掌握鍍膜處理等基本操作技能。掌握形貌分析方法，能夠正確使用相關軟件進行數據處理和分析。學會實驗數據處理與分析的基本方法，如對比度、亮度調整，以及如何利用專業軟件進行形貌特征提取和分析。熟悉實驗報告撰寫的基本要求和方法，能夠清晰地表達實驗結果和結論，提高自己的科學素養和表達能力。培養自己的觀察力、思維能力和實驗技能，增強動手能力和創新能力，為日后的學習和工作打下堅實的基礎。通過完成這個實驗，能更好地理解和應用掃描電鏡進行形貌分析的方法和技術。這將有助于學生在未來的學習和工作中更加自信地面對相關領域的問題和挑戰。7.支撐課程目標課程目標1.掌握材料分析測試過程中的基本理論知識和規律，利用測試分析的基本理論，分析、解決工程實際過程和問題。能夠查閱和利用手冊、文獻、國家標準等資料，為材料分析測試過程中的實際問題尋求和設計可靠合理的解決方法和實施方案，指導實際生產操作。課程目標2：通過課程教學，提高學生分析問題和解決問題能力，培養學生探索精神和創新意識，努力實現學生知識、能力、素質協調發展。課程目標3：在實訓過程中引導學生關注前沿動態：使學生了解材料分析領域的最新研究進展和技術發展趨勢，激發創新意識。鼓勵探索性實驗：為學生提供充足的自主實驗時間，鼓勵他們嘗試新方法、新技術，培養創新思維和實踐能力。實訓項目三能譜分析與光譜分析1.課程主要內容實驗1X射線光電子能譜分析實驗目的（1）了解X射線光電子能譜(XPS)儀的基本結構和工作原理;（2）掌握材料表面XPS分析方法。實驗原理一、XPS的工作原理二、結構實驗2紅外光譜分析實驗目的（1）了解紅外光譜儀的結構和工作原理；（2）掌握紅外吸收光譜的分析方法和應用。實驗3激光拉曼光譜分析 實驗目的（1）了解激光拉曼(Raman)光譜分析的基本原理、結構和特點;（2）掌握拉曼光譜儀的操作方法和譜線分析方法。實驗原理一、激光拉曼光譜產生的原理與特點二、激光拉曼光譜的實驗裝置實驗4原子力顯微鏡分析實驗目的（1）理解原子力顯微鏡的工作原理及結構特點；（2）通過本實驗基本掌握原子力顯微鏡的使用方法；（3）能對實驗得到的圖譜進行正確分析并進行實例分析。實驗原理一、原子力顯微鏡的工作原理二、原子力顯微鏡的基本結構2.重點和難點重點：掌握各種大型實驗儀器的操作流程，了解儀器的基本結構和原理。掌握實驗數據的處理、分析和可視化方法，能夠準確解讀數據并得出結論。了解實驗過程中可能存在的安全風險，掌握相應的防護措施和應急處理方法。了解實驗誤差的來源，采取有效措施減小誤差，提高實驗結果的準確性和可靠性。根據評估結果，對實驗過程進行優化和改進，提高實驗質量和效率。難點：正確、規范地操作儀器，避免因操作不當導致實驗結果偏差或儀器損壞。從復雜數據中提取有用信息，正確處理異常值和誤差，避免數據誤導。保持安全意識，正確應對實驗過程中的突發情況，確保人員和儀器的安全。分析誤差產生的原因，針對性地采取減小誤差的措施，避免誤差傳遞和累積。掌握實驗結果可靠性評估的方法和流程，確保實驗結果的準確性和可靠性。3.實施方式視頻、實操和講座4.學習要求具體實驗報告要求如下：（1）X射線光電子能譜儀由哪幾部分組成，并簡述各部分的功能。（2）簡述XPS分析的工作原理。（3）對實驗所用樣品的XPS譜圖進行解析。（4）畫出雙光束紅外譜儀原理示意圖。（5）分別說明紅外光譜法的特點和產生紅外吸收的條件。（6）簡述瑞利散射和拉曼散射的區別。（7）簡述激光拉曼光譜的實驗原理。（8）拉曼光譜和紅外光譜有哪些相同和不同點，兩者有什么關聯?（9）概述原子力顯微鏡的結構，并解釋原子力顯微鏡的工作原理。（10）給出清晰的樣品三維形貌，并對其做出分析。5.實踐要求（1）實踐屬性：綜合訓練型（2）工作流程：（3）分組要求：8人1組（4）實踐準備：理論知識準備：工具和器材準備：人員準備：安全準備：操作流程準備：協作準備。（5）時間安排：3~4天（6）其他要求：無6.學生學習預期成果掌握各實驗儀器操作流程，通過學習大型實驗儀器的操作，同學們將能夠全面掌握儀器的操作流程，了解儀器的基本結構和工作原理，為后續的實驗操作打下堅實的基礎。了解實驗原理和方法，在學習實驗儀器操作的同時，同學將深入了解實驗的原理和方法。這將幫助同學們更好地理解實驗的目的、要求和注意事項，從而確保實驗的準確性和可靠性。能夠獨立完成實驗，通過系統的學習和實踐操作，將具備獨立完成實驗的能力。學生將能夠熟練操作儀器，按照實驗要求進行數據采集和處理，確保實驗結果的準確性和可靠性。培養團隊協作和溝通能力，大型實驗通常需要團隊協作完成。在學習儀器操作的過程中，將與其他同學一起合作，共同完成實驗任務。這將有助于培養團隊協作精神和溝通能力，提高同學在團隊中的適應性和協作能力。增強問題解決和創新能力，在實驗過程中，同學可能會遇到各種問題和挑戰。通過學習和實踐，逐漸學會分析和解決問題的方法，培養自己的創新思維和實踐能力。這將有助于學生在未來的學習和工作中更好地應對各種挑戰和機遇。7.支撐課程目標課程目標1.掌握材料分析測試過程中的基本理論知識和規律，利用測試分析的基本理論，分析、解決工程實際過程和問題。能夠查閱和利用手冊、文獻、國家標準等資料，為材料分析測試過程中的實際問題尋求和設計可靠合理的解決方法和實施方案，指導實際生產操作。課程目標2：通過課程教學，提高學生分析問題和解決問題能力，培養學生探索精神和創新意識，努力實現學生知識、能力、素質協調發展。課程目標3：在實訓過程中引導學生關注前沿動態：使學生了解材料分析領域的最新研究進展和技術發展趨勢，激發創新意識。鼓勵探索性實驗：為學生提供充足的自主實驗時間，鼓勵他們嘗試新方法、新技術，培養創新思維和實踐能力。（二）課程基本教學內容對課程目標的支撐實踐內容實施方式支撐的課程目標學時安