基礎(chǔ)材料表征方法和數(shù)據(jù)分析

朱 建

湖南大學(xué) 湖南 長沙410082

1 前言

傳統(tǒng)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)可以有效的培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用化學(xué)原理解決具體問題、進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和歸納總結(jié)的能力。但是,現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)往往側(cè)重于物理化學(xué)專業(yè)本身,缺乏學(xué)科交融度。另外,材料表征技術(shù)在新型化學(xué)材料的研究和應(yīng)用過程發(fā)揮關(guān)鍵作用。“基礎(chǔ)材料表征方法和數(shù)據(jù)分析”旨在提高本科生對新材料的表征原理、技術(shù)和分析能力,為將來在化學(xué)、材料領(lǐng)域的繼續(xù)深造或者工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。另外,旨在有效完善國家化學(xué)教學(xué)示范中心實(shí)驗(yàn)室化學(xué)材料表征儀器,加強(qiáng)物理化學(xué)學(xué)科專業(yè)建設(shè),并促進(jìn)學(xué)院教師在新材料等方向的科學(xué)研究。

2 建設(shè)內(nèi)容

“基礎(chǔ)材料表征方法和數(shù)據(jù)分析”建立在無機(jī)、分析等化學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,是學(xué)生進(jìn)入專業(yè)實(shí)驗(yàn)與工作、研究生深造前的一門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程,在教學(xué)中起著承上啟下的作用。其根本目的在于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用化學(xué)原理解決復(fù)合材料的具體問題、并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和歸納總結(jié)的能力,為樹立良好的科學(xué)研究態(tài)度、動(dòng)手開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。主要服務(wù)于化學(xué)及相關(guān)專業(yè)的本科生,同時(shí)承擔(dān)部分本科生的畢業(yè)論文或畢業(yè)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù),也服務(wù)化學(xué)、材料領(lǐng)域的科學(xué)研究。具體內(nèi)容如下:

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

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè) 目前公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)擁有X 射線衍射儀(XRD)2臺(tái)、熱重分析儀(TGA)5臺(tái)、教學(xué)用拉曼光譜儀(Raman)1臺(tái),需購置臺(tái)式掃描電鏡(SEM)3臺(tái)、XRD 1臺(tái)、Raman 2臺(tái)。該項(xiàng)目的進(jìn)行將有效整合、完善實(shí)驗(yàn)中心公共教學(xué)條件和公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)化學(xué)材料表征相關(guān)資源。

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的開發(fā) 依據(jù)教育部相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),參考兄弟院校的經(jīng)驗(yàn),結(jié)合學(xué)校自身的特點(diǎn),合理設(shè)計(jì)和布局,整合資源,開發(fā)具有本校特色的教學(xué)項(xiàng)目:(1)本項(xiàng)目從一流專業(yè)、一流課程“雙萬”計(jì)劃目標(biāo)任務(wù)出發(fā),培養(yǎng)學(xué)生XRD、TGA、BET、XPS基本原理、測試方法、數(shù)據(jù)分析能力,加強(qiáng)學(xué)生化學(xué)材料表征方面的專業(yè)能力,有效促進(jìn)一流實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè);(2)本項(xiàng)目結(jié)合新版人才培養(yǎng)方案需求,一方面鞏固學(xué)生無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)等專業(yè)和實(shí)驗(yàn)知識(shí),另一方面培養(yǎng)學(xué)生在化學(xué)材料表征技術(shù)、分析能力,提升將來的工作能力或者科研能力;(3)本項(xiàng)目來源于化學(xué)和材料科學(xué)學(xué)科交叉,結(jié)合化學(xué)復(fù)合材料合成和材料表征方法,為學(xué)院教師提供較系統(tǒng)的化學(xué)材料表征條件,有效加強(qiáng)學(xué)院在新材料、新能源等研究方向的科學(xué)研究。相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如下:

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱:

(1)新型碳基復(fù)合材料的形貌表征,研究創(chuàng)新型(新增)

(2)X射線衍射儀表征復(fù)合材料的成分,研究創(chuàng)新型(新增)

(3)拉曼光譜表征碳基復(fù)合材料,研究創(chuàng)新型(新增)

(4)熱重分析儀表征碳基復(fù)合材料組成,研究創(chuàng)新型(新增)

2.4 實(shí)驗(yàn)流程簡介

(1)XRD:現(xiàn)將材料充分研磨后上機(jī),設(shè)置測試的范圍和速度等參數(shù)后對材料進(jìn)行X射線衍射并導(dǎo)出衍射圖譜數(shù)據(jù),分析其衍射圖譜,獲得材料的成分、材料內(nèi)部原子或分子的結(jié)構(gòu)或形態(tài)等信息的研究手段。

(2)TGA:開機(jī)先預(yù)熱,調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)所需要的溫度、升溫速率等參數(shù),將樣品裝機(jī)并打開軟件開始測試。然后,導(dǎo)出測試數(shù)據(jù)并對樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出碳含量等數(shù)據(jù)。

(3)Raman:首先,將樣品充分研磨后用雙面膠粘在載玻片上裝機(jī)。然后,顯微鏡下聚焦找到測試的位置,調(diào)整激光波長、激光強(qiáng)度等參數(shù)后對樣品進(jìn)行測試。最后,導(dǎo)出數(shù)據(jù)用相關(guān)軟件進(jìn)行分析,分析材料的特征峰和強(qiáng)度。

(4)SEM:首先,進(jìn)行制樣并裝機(jī)、抽真空。打開軟件,調(diào)整樣品臺(tái)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(jìn)行測試。最后導(dǎo)出數(shù)據(jù)用PS等軟件對圖片進(jìn)行處理。

3 經(jīng)費(fèi)預(yù)算

臺(tái)式掃描電鏡(新增)60萬/臺(tái)*3臺(tái)

教學(xué)用拉曼光譜儀(新增)12萬/臺(tái)*2臺(tái)

X射線衍射儀(新增)85萬/臺(tái)*1臺(tái)

熱重分析儀(現(xiàn)有)

總共289萬元

4 預(yù)期成效

(1)參與實(shí)驗(yàn)學(xué)生有效掌握SEM、XRD、Raman、TGA 表征新型復(fù)合材料的原理、方法和數(shù)據(jù)分析技能,并初步判斷復(fù)合材料的應(yīng)用前景。(技術(shù)成果)

(2)申報(bào)一批國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目,發(fā)表一系列相關(guān)教改論文。(論文與知識(shí)產(chǎn)權(quán))

(3)基于本項(xiàng)目的化學(xué)材料表征條件,學(xué)院教師能夠在新材料、新能源等研究領(lǐng)域的科學(xué)研究取得進(jìn)展,發(fā)表本學(xué)科領(lǐng)域高水平論文2-4篇,撰寫申請發(fā)明專利2-4項(xiàng)。(論文與知識(shí)產(chǎn)權(quán))

(4)有效整合、完善實(shí)驗(yàn)中心公共教學(xué)條件和公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)化學(xué)材料表征相關(guān)資源,促進(jìn)一流物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)。(一流課程建設(shè)成果)

(5)學(xué)生能夠有效鞏固物理化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)等專業(yè)和實(shí)驗(yàn)知識(shí),并加強(qiáng)在化學(xué)材料表征技術(shù)、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(xué)生受益情況)

(6)培養(yǎng)本科生230名/年。(人才培養(yǎng))

5 結(jié)語

在我國高等教育發(fā)展的新時(shí)期,化學(xué)、材料等學(xué)科交融度越來越高。面對當(dāng)前新版人才培養(yǎng)方案對化學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)條件的基本需求,需要我們轉(zhuǎn)變思想,努力提高本科生對新材料的表征原理、技術(shù)和分析能力,為將來在化學(xué)、材料領(lǐng)域的繼續(xù)深造或者工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。