基础材料表征方法和数据分析

朱 建

湖南大学 湖南 长沙410082

1 前言

传统的物理化学实验可以有效的培养学生应用化学原理解决具体问题、进行综合实验并对实验结果进行分析和归纳总结的能力。但是,现有的实验往往侧重于物理化学专业本身,缺乏学科交融度。另外,材料表征技术在新型化学材料的研究和应用过程发挥关键作用。“基础材料表征方法和数据分析”旨在提高本科生对新材料的表征原理、技术和分析能力,为将来在化学、材料领域的继续深造或者工作打下坚实的基础。另外,旨在有效完善国家化学教学示范中心实验室化学材料表征仪器,加强物理化学学科专业建设,并促进学院教师在新材料等方向的科学研究。

2 建设内容

“基础材料表征方法和数据分析”建立在无机、分析等化学实验基础上,是学生进入专业实验与工作、研究生深造前的一门基础实验课程,在教学中起着承上启下的作用。其根本目的在于培养学生应用化学原理解决复合材料的具体问题、并对实验结果进行分析和归纳总结的能力,为树立良好的科学研究态度、动手开展科学实验工作打下坚实的基础。主要服务于化学及相关专业的本科生,同时承担部分本科生的毕业论文或毕业生设计实验任务,也服务化学、材料领域的科学研究。具体内容如下:

2.1 公共教学条件(教室)目前物理化学教学教室条件紧张,本综合实验的开展需要重新安排教室场地100平方米左右。

2.2 实验平台建设 目前公共实验平台拥有X 射线衍射仪(XRD)2台、热重分析仪(TGA)5台、教学用拉曼光谱仪(Raman)1台,需购置台式扫描电镜(SEM)3台、XRD 1台、Raman 2台。该项目的进行将有效整合、完善实验中心公共教学条件和公共实验平台化学材料表征相关资源。

2.3 实验教学项目的开发 依据教育部相关标准,参考兄弟院校的经验,结合学校自身的特点,合理设计和布局,整合资源,开发具有本校特色的教学项目:(1)本项目从一流专业、一流课程“双万”计划目标任务出发,培养学生XRD、TGA、BET、XPS基本原理、测试方法、数据分析能力,加强学生化学材料表征方面的专业能力,有效促进一流实验课程的建设;(2)本项目结合新版人才培养方案需求,一方面巩固学生无机化学、分析化学等专业和实验知识,另一方面培养学生在化学材料表征技术、分析能力,提升将来的工作能力或者科研能力;(3)本项目来源于化学和材料科学学科交叉,结合化学复合材料合成和材料表征方法,为学院教师提供较系统的化学材料表征条件,有效加强学院在新材料、新能源等研究方向的科学研究。相关实验课程及实验项目如下:

实验项目名称:

(1)新型碳基复合材料的形貌表征,研究创新型(新增)

(2)X射线衍射仪表征复合材料的成分,研究创新型(新增)

(3)拉曼光谱表征碳基复合材料,研究创新型(新增)

(4)热重分析仪表征碳基复合材料组成,研究创新型(新增)

2.4 实验流程简介

(1)XRD:现将材料充分研磨后上机,设置测试的范围和速度等参数后对材料进行X射线衍射并导出衍射图谱数据,分析其衍射图谱,获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。

(2)TGA:开机先预热,调节实验所需要的温度、升温速率等参数,将样品装机并打开软件开始测试。然后,导出测试数据并对样品数据进行分析,得出碳含量等数据。

(3)Raman:首先,将样品充分研磨后用双面胶粘在载玻片上装机。然后,显微镜下聚焦找到测试的位置,调整激光波长、激光强度等参数后对样品进行测试。最后,导出数据用相关软件进行分析,分析材料的特征峰和强度。

(4)SEM:首先,进行制样并装机、抽真空。打开软件,调整样品台高度和位置、加速电压、聚光透镜电压、微聚焦、消像散、亮度等对样品进行测试。最后导出数据用PS等软件对图片进行处理。

3 经费预算

台式扫描电镜(新增)60万/台*3台

教学用拉曼光谱仪(新增)12万/台*2台

X射线衍射仪(新增)85万/台*1台

热重分析仪(现有)

总共289万元

4 预期成效

(1)参与实验学生有效掌握SEM、XRD、Raman、TGA 表征新型复合材料的原理、方法和数据分析技能,并初步判断复合材料的应用前景。(技术成果)

(2)申报一批国家虚拟仿真实验教学项目,发表一系列相关教改论文。(论文与知识产权)

(3)基于本项目的化学材料表征条件,学院教师能够在新材料、新能源等研究领域的科学研究取得进展,发表本学科领域高水平论文2-4篇,撰写申请发明专利2-4项。(论文与知识产权)

(4)有效整合、完善实验中心公共教学条件和公共实验平台化学材料表征相关资源,促进一流物理化学实验课程的建设。(一流课程建设成果)

(5)学生能够有效巩固物理化学、无机化学、分析化学等专业和实验知识,并加强在化学材料表征技术、分析能力方面的能力,提升将来的工作能力或者科研能力。(学生受益情况)

(6)培养本科生230名/年。(人才培养)

5 结语

在我国高等教育发展的新时期,化学、材料等学科交融度越来越高。面对当前新版人才培养方案对化学实验室建设条件的基本需求,需要我们转变思想,努力提高本科生对新材料的表征原理、技术和分析能力,为将来在化学、材料领域的继续深造或者工作打下坚实的基础。