基礎材料表征方法和數據分析

朱 建

湖南大學 湖南 長沙410082

1 前言

傳統的物理化學實驗可以有效的培養學生應用化學原理解決具體問題、進行綜合實驗并對實驗結果進行分析和歸納總結的能力。但是,現有的實驗往往側重于物理化學專業本身,缺乏學科交融度。另外,材料表征技術在新型化學材料的研究和應用過程發揮關鍵作用。“基礎材料表征方法和數據分析”旨在提高本科生對新材料的表征原理、技術和分析能力,為將來在化學、材料領域的繼續深造或者工作打下堅實的基礎。另外,旨在有效完善國家化學教學示范中心實驗室化學材料表征儀器,加強物理化學學科專業建設,并促進學院教師在新材料等方向的科學研究。

2 建設內容

“基礎材料表征方法和數據分析”建立在無機、分析等化學實驗基礎上,是學生進入專業實驗與工作、研究生深造前的一門基礎實驗課程,在教學中起著承上啟下的作用。其根本目的在于培養學生應用化學原理解決復合材料的具體問題、并對實驗結果進行分析和歸納總結的能力,為樹立良好的科學研究態度、動手開展科學實驗工作打下堅實的基礎。主要服務于化學及相關專業的本科生,同時承擔部分本科生的畢業論文或畢業生設計實驗任務,也服務化學、材料領域的科學研究。具體內容如下:

2.1 公共教學條件(教室)目前物理化學教學教室條件緊張,本綜合實驗的開展需要重新安排教室場地100平方米左右。

2.2 實驗平臺建設 目前公共實驗平臺擁有X 射線衍射儀(XRD)2臺、熱重分析儀(TGA)5臺、教學用拉曼光譜儀(Raman)1臺,需購置臺式掃描電鏡(SEM)3臺、XRD 1臺、Raman 2臺。該項目的進行將有效整合、完善實驗中心公共教學條件和公共實驗平臺化學材料表征相關資源。

2.3 實驗教學項目的開發 依據教育部相關標準,參考兄弟院校的經驗,結合學校自身的特點,合理設計和布局,整合資源,開發具有本校特色的教學項目:(1)本項目從一流專業、一流課程“雙萬”計劃目標任務出發,培養學生XRD、TGA、BET、XPS基本原理、測試方法、數據分析能力,加強學生化學材料表征方面的專業能力,有效促進一流實驗課程的建設;(2)本項目結合新版人才培養方案需求,一方面鞏固學生無機化學、分析化學等專業和實驗知識,另一方面培養學生在化學材料表征技術、分析能力,提升將來的工作能力或者科研能力;(3)本項目來源于化學和材料科學學科交叉,結合化學復合材料合成和材料表征方法,為學院教師提供較系統的化學材料表征條件,有效加強學院在新材料、新能源等研究方向的科學研究。相關實驗課程及實驗項目如下:

實驗項目名稱:

(1)新型碳基復合材料的形貌表征,研究創新型(新增)

(2)X射線衍射儀表征復合材料的成分,研究創新型(新增)

(3)拉曼光譜表征碳基復合材料,研究創新型(新增)

(4)熱重分析儀表征碳基復合材料組成,研究創新型(新增)

2.4 實驗流程簡介

(1)XRD:現將材料充分研磨后上機,設置測試的范圍和速度等參數后對材料進行X射線衍射并導出衍射圖譜數據,分析其衍射圖譜,獲得材料的成分、材料內部原子或分子的結構或形態等信息的研究手段。

(2)TGA:開機先預熱,調節實驗所需要的溫度、升溫速率等參數,將樣品裝機并打開軟件開始測試。然后,導出測試數據并對樣品數據進行分析,得出碳含量等數據。

(3)Raman:首先,將樣品充分研磨后用雙面膠粘在載玻片上裝機。然后,顯微鏡下聚焦找到測試的位置,調整激光波長、激光強度等參數后對樣品進行測試。最后,導出數據用相關軟件進行分析,分析材料的特征峰和強度。

(4)SEM:首先,進行制樣并裝機、抽真空。打開軟件,調整樣品臺高度和位置、加速電壓、聚光透鏡電壓、微聚焦、消像散、亮度等對樣品進行測試。最后導出數據用PS等軟件對圖片進行處理。

3 經費預算

臺式掃描電鏡(新增)60萬/臺*3臺

教學用拉曼光譜儀(新增)12萬/臺*2臺

X射線衍射儀(新增)85萬/臺*1臺

熱重分析儀(現有)

總共289萬元

4 預期成效

(1)參與實驗學生有效掌握SEM、XRD、Raman、TGA 表征新型復合材料的原理、方法和數據分析技能,并初步判斷復合材料的應用前景。(技術成果)

(2)申報一批國家虛擬仿真實驗教學項目,發表一系列相關教改論文。(論文與知識產權)

(3)基于本項目的化學材料表征條件,學院教師能夠在新材料、新能源等研究領域的科學研究取得進展,發表本學科領域高水平論文2-4篇,撰寫申請發明專利2-4項。(論文與知識產權)

(4)有效整合、完善實驗中心公共教學條件和公共實驗平臺化學材料表征相關資源,促進一流物理化學實驗課程的建設。(一流課程建設成果)

(5)學生能夠有效鞏固物理化學、無機化學、分析化學等專業和實驗知識,并加強在化學材料表征技術、分析能力方面的能力,提升將來的工作能力或者科研能力。(學生受益情況)

(6)培養本科生230名/年。(人才培養)

5 結語

在我國高等教育發展的新時期,化學、材料等學科交融度越來越高。面對當前新版人才培養方案對化學實驗室建設條件的基本需求,需要我們轉變思想,努力提高本科生對新材料的表征原理、技術和分析能力,為將來在化學、材料領域的繼續深造或者工作打下堅實的基礎。