《材料测试与研究方法A》教学大纲课程编号：1B04020510课程名称：材料测试与研究方法A英文名称：IMaterialsTesting andResearchMethodsA课程性质：专业基础课学时/学分：64/4考核方式：闭卷考试先修课程：材料科学基础、纳米科学与技术、复合材料学后继课程：无机非金属材料工程专业实验适用专业及层次：无机非金属材料工程、本科生大纲执笔人：韩荣江大纲审核人：于薛刚一、课程性质与目标“材料测试与研究方法A”是无机非金属材料工程专业一门重要的专业基础课，要求学生系统学习并掌握多种材料测试与研究方法的基本概念、基本原理、实验方法、仪器设备及其应用，结合理论与实践知识学会分析典型的实验数据，为培养专业素质打下坚实的基础。通过本课程的学习，要求学生达到以下的目标：课程目标1：掌握测试方法的基本原理与实验方法，能够针对无机非金属材料应用中的实际问题，运用各方法（X射线衍射、透射电子显微图像、电子衍射、扫描电子显微镜、电子探针、扫描探针显微镜、热分析方法、紫外-可见吸收光谱、X射线光电子能谱）的理论知识和技术手段设计解决方案。课程目标2：具有一定的分析、综合能力，能够根据科学实验结果及相关数据进行综合分析，并得到合理、有效的结论。掌握各种方法的典型实验结果分析，如衍射花样、图谱、图像、曲线等：与测试专业人员共同商讨有关测试方案、分析较复杂的测试结果。课程目标3：掌握无机非金属材料领域常用的测试分析仪器和方法，并将其用于材料的组织性能分析和质量控制。二、课程目标与毕业要求指标点的对应关系毕业要求指标点课程目标3.设计/开发解决方案：能够综合利用所学基础理论知识和专业知识设计针对无机非金属3-1.能够针对无机非金属材料材料领域复杂工程问题的解决方案：能够设计应用中的实际问题，运用理论知课程目标1满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流识和技术手段，设计解决方案。程：能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。4.研究：了解无机非金属材料的学科前沿、国4-4.具有一定的分析、综合能课程目标21
1 《材料测试与研究方法 A》教学大纲 课程编号： B04020510 课程名称： 材料测试与研究方法 A 英文名称： Materials Testing and Research Methods A 课程性质： 专业基础课 学时/学分： 64 / 4 考核方式： 闭卷考试 先修课程： 材料科学基础、纳米科学与技术、复合材料学 后继课程： 无机非金属材料工程专业实验 适用专业及层次：无机非金属材料工程、本科生 大纲执笔人： 韩荣江 大纲审核人： 于薛刚 一、课程性质与目标 “材料测试与研究方法 A”是无机非金属材料工程专业一门重要的专业基础课，要求学生系 统学习并掌握多种材料测试与研究方法的基本概念、基本原理、实验方法、仪器设备及其应用， 结合理论与实践知识学会分析典型的实验数据，为培养专业素质打下坚实的基础。通过本课程的 学习，要求学生达到以下的目标： 课程目标 1：掌握测试方法的基本原理与实验方法，能够针对无机非金属材料应用中的实际 问题，运用各方法（X 射线衍射、透射电子显微图像、电子衍射、扫描电子显微镜、电子探针、 扫描探针显微镜、热分析方法、紫外-可见吸收光谱、X 射线光电子能谱）的理论知识和技术手段， 设计解决方案。 课程目标 2：具有一定的分析、综合能力，能够根据科学实验结果及相关数据进行综合分析， 并得到合理、有效的结论。掌握各种方法的典型实验结果分析，如衍射花样、图谱、图像、曲线 等；与测试专业人员共同商讨有关测试方案、分析较复杂的测试结果。 课程目标 3：掌握无机非金属材料领域常用的测试分析仪器和方法，并将其用于材料的组织 性能分析和质量控制。 二、课程目标与毕业要求指标点的对应关系 毕业要求 指标点 课程目标 3. 设计/开发解决方案：能够综合利用所学基 础理论知识和专业知识设计针对无机非金属 材料领域复杂工程问题的解决方案；能够设计 满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流 程；能够在设计环节中体现创新意识，考虑社 会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。 3-1. 能够针对无机非金属材料 应用中的实际问题，运用理论知 识和技术手段，设计解决方案。 课程目标 1 4. 研究：了解无机非金属材料的学科前沿、国 4-4. 具有一定的分析、综合能 课程目标 2
内外发展动态和行业需求，能够基于科学原理力，能够根据科学实验结果及相并采用科学方法对复杂工程问题开展研究，包关数据进行综合分析，并得到合括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综理、有效的结论。合得到合理有效的结论。5.使用现代工具：能够针对无机非金属材料领5-3.掌握无机非金属材料领域域复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技常用的测试分析仪器和方法，并术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包课程目标3将其用手组织性能分析和质量括对无机非金属材料领域复杂工程问题的预控制。测与模拟，并能够理解其局限性。三、教学基本内容及要求第一章X射线的物理学基础（支撑课程目标1、2）1.1X射线的性质1.2X射线的产生1.3X射线谱1.4X射线与物质的相互作用1.5X射线的衰减规律1.6吸收限的应用要求学生：掌握X射线的产生机理，正确理解X射线与物质相互作用。教学重点：特征X射线的产生机理、光电效应、荧光X射线、Auger效应、X射线谱、短波限、吸收限、滤波片选择教学难点：特征X射线的产生机理、荧光X射线、Auger效应、吸收限第二章X射线衍射原理（支撑课程目标1、2、3）2.1倒易点阵2.2X射线衍射方向2.3X射线衍射强度要求学生：理解并掌握倒易点阵及Ewald球图解法，理解X射线衍射方向与物质的点阵之间的关系，X射线衍射强度与材料元素种类、位置之间的关系。教学重点：倒易点阵、衍射矢量的Ewald球图解法、14种Bravais点阵、晶面及其指数确定方法、晶带定理、晶面间距、晶面夹角计算公式、Bragg方程、消光规律、结构因子计算、超点阵线条教学难点：倒易点阵、衍射矢量的Ewald球图解法、晶带定律、Bragg方程、消光规律、多套等同点晶胞的结构因子、超点阵线条第三章多晶体X射线衍射分析方法（支撑课程目标1、2、3）3.1德拜照相法3.2X射线衍射仪法要求学生：理解并掌握德拜照相法与X射线衍射仪法的基本原理、实验方法、仪器设备及其2
2 内外发展动态和行业需求，能够基于科学原理 并采用科学方法对复杂工程问题开展研究，包 括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综 合得到合理有效的结论。 力，能够根据科学实验结果及相 关数据进行综合分析，并得到合 理、有效的结论。 5.使用现代工具：能够针对无机非金属材料领 域复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技 术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包 括对无机非金属材料领域复杂工程问题的预 测与模拟，并能够理解其局限性。 5-3. 掌握无机非金属材料领域 常用的测试分析仪器和方法，并 将其用于组织性能分析和质量 控制。 课程目标 3 三、教学基本内容及要求 第一章 X 射线的物理学基础（支撑课程目标 1、2） 1.1 X 射线的性质 1.2 X 射线的产生 1.3 X 射线谱 1.4 X 射线与物质的相互作用 1.5 X 射线的衰减规律 1.6 吸收限的应用 要求学生：掌握X射线的产生机理，正确理解X射线与物质相互作用。 教学重点：特征 X 射线的产生机理、光电效应、荧光 X 射线、Auger 效应、X 射线谱、短波 限、吸收限、滤波片选择 教学难点：特征 X 射线的产生机理、荧光 X 射线、Auger 效应、吸收限 第二章 X 射线衍射原理（支撑课程目标 1、2、3） 2.1 倒易点阵 2.2 X 射线衍射方向 2.3 X 射线衍射强度 要求学生：理解并掌握倒易点阵及Ewald球图解法，理解X射线衍射方向与物质的点阵之间的 关系，X射线衍射强度与材料元素种类、位置之间的关系。 教学重点：倒易点阵、衍射矢量的 Ewald 球图解法、14 种 Bravais 点阵、晶面及其指数确定 方法、晶带定理、晶面间距、晶面夹角计算公式、Bragg 方程、消光规律、结构 因子计算、超点阵线条 教学难点：倒易点阵、衍射矢量的 Ewald 球图解法、晶带定律、Bragg 方程、消光规律、多 套等同点晶胞的结构因子、超点阵线条 第三章 多晶体 X 射线衍射分析方法（支撑课程目标 1、2、3） 3.1 徳拜照相法 3.2 X 射线衍射仪法 要求学生：理解并掌握徳拜照相法与X射线衍射仪法的基本原理、实验方法、仪器设备及其
应用。教学重点：衍射花样与衍射方法、粉末衍射仪构造及其工作原理、测角仪、X射线探测器、聚焦圆、0-20连动教学难点：测角仪的衍射几何、0-20连动第四章X射线衍射方法的应用（支撑课程目标1、2、3）4.1X射线物相分析4.2利用谢乐公式对晶粒度评估要求学生：掌握X射线物相分析的基本原理，物相定性分析方法及其应用。教学重点：标准粉末衍射卡片、物相定性分析方法、谢乐公式教学难点：混合物的物相定性分析方法第五章电子光学基础与透射电子显微镜结构（支撑课程目标1、2、3）5.1电子波波长5.2电磁透镜5.3电磁透镜的像差及其对分辨率的影响5.4电磁透镜的景深与焦长5.5透射电子显微镜的结构5.6透射电镜的主要部件5.7透射电镜的功能及发展要求学生：掌握电磁透镜涉及的基本概念（球差、像散、色差、景深、焦长），掌握TEM电磁透镜的像差及其对分辨率的影响，透射电子显微镜的仪器结构、功能与发展。教学重点：电磁透镜的聚焦原理、球差、像散、色差、衍射效应、电磁透镜的分辨本领及其影响因素、景深、焦长、TEM高倍放大成像、电子衍射、聚光镜光阑及其作用、物镜光阑及其作用、选区光阑及其作用、教学难点：球差、像散、景深、焦长、衍射效应、电磁透镜的分辨本领及其影响因素、TEM高倍放大操作与电子衍射操作的原理第六章电子衍射（支撑课程目标1、2、3）6.1电子衍射原理与倒易点阵扩展6.2电子衍射基本公式6.3材料电子衍射花样的标定6.4电子衍射的应用要求学生：掌握电子衍射基本原理、理解偏离矢量与倒易阵点扩展、掌握电子衍射基本公式、多晶材料电子衍射花样标定，理解掌握超点阵斑点。教学重点：电子衍射的Ewald球作图法、晶带定理、零层倒易截面、倒易点阵的权重、偏离矢量、倒易点阵扩展、电子衍射基本公式、TEM的相机常数、电子衍射花样标定、超点阵斑点教学难点：电子衍射的Ewald球作图法、倒易点阵的权重、偏离矢量、倒易点阵扩展、电子衍射花样标定、超点阵斑点3
3 应用。 教学重点：衍射花样与衍射方法、粉末衍射仪构造及其工作原理、测角仪、X 射线探测器、 聚焦圆、-2连动 教学难点：测角仪的衍射几何、-2连动 第四章 X 射线衍射方法的应用（支撑课程目标 1、2、3） 4.1 X 射线物相分析 4.2 利用谢乐公式对晶粒度评估 要求学生：掌握X射线物相分析的基本原理，物相定性分析方法及其应用。 教学重点：标准粉末衍射卡片、物相定性分析方法、谢乐公式 教学难点：混合物的物相定性分析方法 第五章 电子光学基础与透射电子显微镜结构（支撑课程目标 1、2、3） 5.1 电子波波长 5.2 电磁透镜 5.3 电磁透镜的像差及其对分辨率的影响 5.4 电磁透镜的景深与焦长 5.5 透射电子显微镜的结构 5.6 透射电镜的主要部件 5.7 透射电镜的功能及发展 要求学生：掌握电磁透镜涉及的基本概念（球差、像散、色差、景深、焦长），掌握TEM电 磁透镜的像差及其对分辨率的影响，透射电子显微镜的仪器结构、功能与发展。 教学重点：电磁透镜的聚焦原理、球差、像散、色差、衍射效应、电磁透镜的分辨本领及其 影响因素、景深、焦长、TEM 高倍放大成像、电子衍射、聚光镜光阑及其作用、 物镜光阑及其作用、选区光阑及其作用、 教学难点：球差、像散、景深、焦长、衍射效应、电磁透镜的分辨本领及其影响因素、TEM 高倍放大操作与电子衍射操作的原理 第六章 电子衍射（支撑课程目标 1、2、3） 6.1 电子衍射原理与倒易点阵扩展 6.2 电子衍射基本公式 6.3 材料电子衍射花样的标定 6.4 电子衍射的应用 要求学生：掌握电子衍射基本原理、理解偏离矢量与倒易阵点扩展、掌握电子衍射基本公式、 多晶材料电子衍射花样标定，理解掌握超点阵斑点。 教学重点：电子衍射的 Ewald 球作图法、晶带定理、零层倒易截面、倒易点阵的权重、偏离 矢量、倒易点阵扩展、电子衍射基本公式、TEM 的相机常数、电子衍射花样标 定、超点阵斑点 教学难点：电子衍射的 Ewald 球作图法、倒易点阵的权重、偏离矢量、倒易点阵扩展、电子 衍射花样标定、超点阵斑点
第七章透射电子显微图像成像原理（支撑课程目标1、2、3）7.1质厚衬度原理7.2衍衬成像原理7.3TEM样品制备7.4TEM的应用要求学生：理解不同材料的电子显微图像成像原理，掌握明场像、暗场像成像方法，了解不同样品的制备方法。教学重点：质厚衬度成像原理、衍衬成像原理、明场像、暗场像、样品制备、TEM应用教学难点：质量-厚度衬度、衍衬成像原理第八章扫描电子显微镜（支撑课程目标1、2、3）8.1电子束与固体样品相互作用时产生的物理信号8.2扫描电子显微镜的结构和工作原理8.3表面形貌衬度原理及其应用8.4扫描电子显微镜的发展要求学生：掌握高能电子束与固体样品相互作用产生的物理信号及其用途，扫描电子显微镜的仪器构造与工作原理。掌握表面形貌衬度原理及其应用，掌握不同样品的制备方法。教学重点：电子束与固体样品的作用、SEM的构造及工作原理、表面形貌衬度原理、场发射电子枪、SEM分辨率及其放大倍数、二次电子成像原理、原子序数衬度原理教学难点：表面形貌衬度原理、SEM的分辨率影响因素第九章电子探针（支撑课程目标1、2、3）9.1波谱仪的结构与工作原理9.2能谱仪的结构与工作原理9.3电子探针的分析方法及其应用要求学生：掌握电子探针的基本原理，包括波谱仪、能谱仪的仪器构造与工作原理。掌握电子探针的分析方法。教学重点：波谱仪的工作原理、回转式波谱仪、直进式波谱仪、分光晶体、约翰型聚焦、约翰逊型聚焦、能谱仪的工作原理、铜冷指、莫塞莱定律、元素成分分布分析教学难点：波谱仪工作原理中的分光晶体位置与X射线波长之间的关系第十章扫描探针显微镜（支撑课程目标1、2、3）10.1扫描隧道显微镜的工作原理及其应用10.2.原子力显微镜的工作原理及其应用要求学生：掌握扫描探针显微镜的分类、STM的基本原理及应用，AFM的基本原理与应用。教学重点：扫描隧道显微镜工作原理、隧道电流与探针样品间距的变化关系、STM工作模式原子显微镜工作原理、AFM微小位移的测量方法、AFM工作模式教学难点：隧道电流随探针-样品间距的变化关系、AFM微小位移的测量方法第十一章材料热分析方法（支撑课程目标1、2、3）11.1热重分析法及其应用4
4 第七章 透射电子显微图像成像原理（支撑课程目标 1、2、3） 7.1 质厚衬度原理 7.2 衍衬成像原理 7.3 TEM 样品制备 7.4 TEM 的应用 要求学生：理解不同材料的电子显微图像成像原理，掌握明场像、暗场像成像方法，了解不 同样品的制备方法。 教学重点：质厚衬度成像原理、衍衬成像原理、明场像、暗场像、样品制备、TEM 应用 教学难点：质量-厚度衬度、衍衬成像原理 第八章 扫描电子显微镜（支撑课程目标 1、2、3） 8.1 电子束与固体样品相互作用时产生的物理信号 8.2 扫描电子显微镜的结构和工作原理 8.3 表面形貌衬度原理及其应用 8.4 扫描电子显微镜的发展 要求学生：掌握高能电子束与固体样品相互作用产生的物理信号及其用途，扫描电子显微镜 的仪器构造与工作原理。掌握表面形貌衬度原理及其应用，掌握不同样品的制备方法。 教学重点：电子束与固体样品的作用、SEM 的构造及工作原理、表面形貌衬度原理、场发射 电子枪、SEM 分辨率及其放大倍数、二次电子成像原理、原子序数衬度原理 教学难点：表面形貌衬度原理、SEM 的分辨率影响因素 第九章 电子探针（支撑课程目标 1、2、3） 9.1 波谱仪的结构与工作原理 9.2 能谱仪的结构与工作原理 9.3 电子探针的分析方法及其应用 要求学生：掌握电子探针的基本原理，包括波谱仪、能谱仪的仪器构造与工作原理。掌握电 子探针的分析方法。 教学重点：波谱仪的工作原理、回转式波谱仪、直进式波谱仪、分光晶体、约翰型聚焦、约 翰逊型聚焦、能谱仪的工作原理、铜冷指、莫塞莱定律、元素成分分布分析 教学难点：波谱仪工作原理中的分光晶体位置与 X 射线波长之间的关系 第十章 扫描探针显微镜（支撑课程目标 1、2、3） 10.1 扫描隧道显微镜的工作原理及其应用 10.2 原子力显微镜的工作原理及其应用 要求学生：掌握扫描探针显微镜的分类、STM的基本原理及应用，AFM的基本原理与应用。 教学重点：扫描隧道显微镜工作原理、隧道电流与探针样品间距的变化关系、STM 工作模式、 原子显微镜工作原理、AFM 微小位移的测量方法、AFM 工作模式 教学难点：隧道电流随探针-样品间距的变化关系、AFM 微小位移的测量方法 第十一章 材料热分析方法（支撑课程目标 1、2、3） 11.1 热重分析法及其应用
11.2差热分析法及其应用11.3差示扫描量热法及其应用11.4热分析联用技术要求学生：掌握热分析方法的分类、热重法（包括微分热重法）、差热分析法、扫差示扫描量热法的工作原理及其应用、掌握不同热分析方法的联用技术。教学重点：TG、DTG、DTA、DSC的测试原理、各种热分析方法测定的影响因素、热分析联用技术教学难点：DTA理论、功率补偿型DSC技术第十二章紫外-可见吸收光谱（支撑课程目标1、2、3）12.1UV-Vis吸收光谱的基本原理12.2影响UV-Vis吸收光谱的因素12.3UV-Vis光谱仪12.4UV-Vis光谱在材料研究中的应用要求学生：掌握紫外-可见吸收光谱的基本原理，影响光谱的各种因素，了解不同光路UV-Vis吸收仪器的构造与测量原理。教学重点：分子轨道、有机物价电子的跃迁类型、元-元共轭效应、P-元共轭效应、红移、蓝移、发色团、助色团、增色效应、激发态分子的弛豫类型、吸收定律及其应用教学难点：元-元共轭效应、助色团、增色效应、激发态分子的弛豫类型第十三章X射线光电子能谱（支撑课程目标1、2、3）13.1XPS的基本原理13.2X射线光电子能谱仪器与实验技术13.3X射线光电子能谱的分析方法及其应用要求学生：掌握X射线光电子能谱法的基本原理，掌握光电方程、光电子的电子能级符号、Auger电子的命名方法。掌握XPS光源、XPS谱图分析、化学位移与化合价分析。教学重点：XPS的基本原理、光电子峰与Auger电子峰识别、化学位移、谱峰分裂、元素化合价态与电子结合能教学难点：XPS的基本原理、光电子峰与Auger电子峰识别、谱峰分裂、元素化合价态与电子结合能四、教学安排（学时数64）1、教学环节安排课程目标（毕业要求指标采用的教学环节具体知识与能力要求点）应用所学知识，能够针对无机非金属材料应用中的实际问课程目标1（指标点3-1）课堂授课、作业题，运用理论知识和技术手段，设计解决方案。5
5 11.2 差热分析法及其应用 11.3 差示扫描量热法及其应用 11.4 热分析联用技术 要求学生：掌握热分析方法的分类、热重法（包括微分热重法）、差热分析法、扫差示扫描 量热法的工作原理及其应用、掌握不同热分析方法的联用技术。 教学重点：TG、DTG、DTA、DSC 的测试原理、各种热分析方法测定的影响因素、热分析联 用技术 教学难点：DTA 理论、功率补偿型 DSC 技术 第十二章 紫外-可见吸收光谱（支撑课程目标 1、2、3） 12.1 UV-Vis 吸收光谱的基本原理 12.2 影响 UV-Vis 吸收光谱的因素 12.3 UV-Vis 光谱仪 12.4 UV-Vis 光谱在材料研究中的应用 要求学生：掌握紫外-可见吸收光谱的基本原理，影响光谱的各种因素，了解不同光路 UV-Vis 吸收仪器的构造与测量原理。 教学重点：分子轨道、有机物价电子的跃迁类型、-共轭效应、p-共轭效应、红移、蓝移、 发色团、助色团、增色效应、激发态分子的弛豫类型、吸收定律及其应用 教学难点：-共轭效应、助色团、增色效应、激发态分子的弛豫类型 第十三章 X 射线光电子能谱（支撑课程目标 1、2、3） 13.1 XPS 的基本原理 13.2 X 射线光电子能谱仪器与实验技术 13.3 X 射线光电子能谱的分析方法及其应用 要求学生：掌握 X 射线光电子能谱法的基本原理，掌握光电方程、光电子的电子能级符号、 Auger 电子的命名方法。掌握 XPS 光源、XPS 谱图分析、化学位移与化合价分析。 教学重点：XPS 的基本原理、光电子峰与 Auger 电子峰识别、化学位移、谱峰分裂、元素化 合价态与电子结合能 教学难点：XPS 的基本原理、光电子峰与 Auger 电子峰识别、谱峰分裂、元素化合价态与电 子结合能 四、教学安排（学时数64） 1、教学环节安排 课程目标（毕业要求指标 点） 具体知识与能力要求 采用的教学环节 课程目标1（指标点3-1） 应用所学知识，能够针对无机 非金属材料应用中的实际问 题，运用理论知识和技术手 段，设计解决方案。 课堂授课、作业