《纳米材料与器件》课程教学大纲三号黑体.docx

纳米材料与器件课程教学大纲（三号黑体）一、课程基本信息（四号黑体）英文名称NanomaterialsandDevices课程代码INME1014课程性质专业选修课授课对象材工、高分子、功能材料学分2学时36主讲教师王作山修订日期2023.4指定教材曹茂盛，纳米材料导论，哈尔滨工业大学出版社，2001年二、课程目标（四号黑体）（一）总体目标：（小四号黑体）本课程是为材料化学专业和全校非材料类专业学生开设的一门专业选修课程。通过课程的开设，使学生在了解纳米技术在工程实践中最新发展趋势的基础上，全面学习纳米材料的基本概念与性质，重点掌握纳米材料的制备技术，熟悉纳米材料的性能表征手段，逐步建立起纳米材料的结构、性能、制备、表征、应用这一系统的知识体系，最终使学生具有能够根据实践需求完成对纳米材料设计的能力，为从事这方面的学习与工作奠定坚实的基础。（二）课程目标：（小四号黑体）纳米材料与器件课程系统建立纳米材料的结构、性能、制备、表征、应用这一系统的知识体系。本课程目标如下：课程目标1：纳米纳米材料的基本概念与性质，课程目标2：纳米材料的制备方法；课程目标3：纳米材料的表征方法；课程目标4：纳米材料工程实践中的应用。课程目标L通过绪论2学时的学习，使学生了解材料发展的历史，全面掌握纳米材料的定义、纳米效应，加深了解材料尺寸对材料性能的影响，从构效关系的角度思考材料性能改善的特定路径。课程目标2：在已有学习常规材料制备方法的基础上，深入理解纳米材料制备过程控制的核心问题,把握纳米材料的团聚的分类、成因、前提、解决方法，深入体会不同制备方法的原理，学会用过程分析的理念去认知材料的制备过程。课程目标3：结构决定性能，借助仪器分析，表征纳米材料组成、尺寸、形貌、一致性、缺陷等特征结构，结合性能评估深入理解材料的构效关系。课程目标4：纳米材料与器件是材料类工科选修课，理论学习的目标是工程实践。因此，本课程作为教学的重要环节，重点突出纳米材料在能源、环保、日常生活中的重要应用，将纳米材料的制备、表征、应用贯穿于工程实践当中，学以致用，激发学生的工程实践探索兴趣。（要求参照普通高等学校本科专业类教学质量国家标准，对应各类专业认证标准，注意对毕业要求支撑程度强弱的描述，与“课程目标对毕业要求的支撑关系表一致）（五号宋体）（三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系（小四号黑体）表1：课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表（五号宋体）课程目标课程子目标对应课程内容对应毕业要求分目标11.1纳米材料的定义纳米材料的定义及分类掌握纳米材料的基本知识1.2.纳米材料的性能纳米材料的四个效应熟知纳米材料的四大基本特性分目标22.1纳米材料制备要解决的和性问题团聚的定义、分类、成因、前提、解决手段能凝练工程实践的核心问题和关键问题2.2.过程分析把握过程分析的内涵能用过程分析法解决工程实践问题2.3纳米材料制备方法掌握常用的纳米材料制备方法常规纳米材料制备的方法原理及工艺流程。分目标33.1纳米材料的表征掌握不同表征的目标参量、测试原理、基本操作认知表征对揭示构效关系的重要性分目标44.纳米材料在工程中的应用了解纳米材料在能源、环保、日常生活中的重要应用践行学以致用的工科教学理念，能所学解决工程时间问题（大类基础课程、专业教学课程及开放选修课程按照本科教学手册中各专业拟定的毕业要求填写“对应毕业要求”栏。通识教育课程含通识选修课程、新生研讨课程及公共基础课程，面向专业为工科、师范、医学等有专业认证标准的专业，按照专业认证通用标准填写“对应毕业要求”栏；面向其他尚未有专业认证标准的专业，按照本科教学手册中各专业拟定的毕业要求填写“对应毕业要求”栏。）三、教学内容（四号黑体）（具体描述各章节教学目标、教学内容等。实验课程可按实验模块描述）第一章绪论1教学内容第一节纳米科技的基本概念介绍基本概念：纳米、纳米科学、纳米技术、纳米科学技术第二节纳米材料的研究历史介绍纳米材料发展过程，当今研究动态等第三节纳米材料的主要研究内容纳米材料主要研究内容为：原子团簇、纳米颗粒、纳米碳球、纳米碳管、纳米薄膜与纳米涂层、纳米固体材料、纳米复合材料2、教学要点熟知当前纳米科技的最新应用进展；掌握纳米科技的一些基本概念，如纳米、纳米材料、纳米技术、纳米科学技术等，了解纳米材料研究的主要内容，重点建立纳米材料知识体系的“田”字框架模型。思考题：1简述材料发展历程；2何为纳米技术？第二章纳米材料的基本概念与性质1、教学内容第一节纳米材料的基本概念介绍纳米材料的基本概念：原子团簇、纳米微粒、纳米离子薄膜与纳米粒子层系、纳米晶体材料、纳米结构材料、纳米复合材料第二节纳米材料的分类四种分类方法：按材料属性分类、按功能分类、按形态分类、按来源分类第三节纳米微粒的基本性质1 .电子能级的不连续性2 .量子尺寸效应3 .小尺寸效应4 .表面效应5 .宏观量子隧道效应第四节纳米微粒的物理特性1 .纳米微粒的结构与形貌2 .纳米微粒的热学性质：熔点、烧结温度、晶化温度均有所下降3 .纳米粒子的磁学性质：超顺磁性、矫顽力、居里温度、磁化率4 .纳米微粒的光学性质：宽频带强吸收、蓝移现象、量子限域效应、纳米微粒发光、纳米微粒分散物系光学性质和动力学性质2、教学要点通过本章节的学习，熟悉纳米材料的基本概念，了解纳米材料的分类方法；掌握纳米微粒的四大基本特性（量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应）并能加以理解深透，熟悉材料纳米化后各种物理特性包括热学、磁学、光学等性质的变化，深入认识在组成、结构基础上，材料尺寸对材料性能的重要影响。思考题：1纳米材料有那些特殊效应？2纳米效应对材料性能有那些影响？第三章纳米粒子的制备方法1、教学内容第一节纳米粒子制备方法评述第二节制备纳米粒子的物理方法1 .机械粉碎法（球磨、振动球磨、振动磨、搅拌磨、胶体磨、纳米气流粉碎气流磨）2 .蒸发凝聚法（等离子体加热法、激光加热蒸发法、电子束加热蒸发法、电弧放电加热蒸发法、高频感应加热蒸发法、太阳炉加热蒸发法）3 .离子溅射法4 .冷冻干燥法5 .火花放电法6 .爆炸烧结法7 .活化氢熔融金属反应法第三节制备纳米粒子的化学方法1 .气相化学反应法（气相分解法、气相合成法、气-固反应法）2 .沉淀法（共沉淀法、水解沉淀法）3 .水热合成法4 .喷雾热解法5 .溶胶-凝胶法第四节制备纳米粒子的综合方法1 激光诱导气相化学反应法2 .等离子体加强气相化学反应法3 射线辐照法、电子辐照法第五节纳米材料的制备原理三个阶段：成核、晶核长大、晶核控制2.教学要点了解纳米粒子常见的制备方法，包括物理方法和化学方法的制备，重点掌握球磨法、沉淀法、水热合成法、溶胶-凝胶法等方法的制备过程及其适用材料并能对这些方法加以运用，归纳纳米材料制备过程中不同方法共同关注的核心问题°思考题：1纳米材料团聚的成因、分类、前提、控制方法。2直接沉淀法和均匀沉淀法的区别？3用过程分析法设计氮氧铝合成方案？第四章纳米薄膜材料1、教学内容第一节纳米薄膜材料的功能特性1 .薄膜的光学特性：蓝移和宽化、光的线性与非线性2 .电学特性3 .磁阻效应第二节纳米薄膜材料制备技术1 .物理气相沉积法：介绍气相沉积的基本过程及气相沉积方法（真空蒸发制膜、溅射制膜、离子镀膜）2 .化学气相沉积法化学气相沉积特点、方法及其原理3 .溶胶-凝胶法4 .电化学方法第三节纳米薄膜材料的应用应用：金属的耐蚀保护膜、多功能薄膜SnO2、电子信息材料、硬质薄膜、膜分离等2、教学要点通过本章节的学习，熟悉纳米薄膜材料各种特性的变化及引起原因，掌握纳米薄膜材料的制备技术，熟悉制备过程及其原理，了解制备过程中影响因素对材料制备结构和性能的影响，了解纳米薄膜材料的最新应用进展。思考题：U纳米薄膜的制备方法有哪些？2试述金属耐腐蚀膜的结构特性？第五章纳米固体材料1、教学内容第一节纳米固体材料结构特点1 .纳米固体材料结构特点2 .纳米固体材料的界面结构模型3 .纳米固体材料的结构缺陷：位错、晶界、空位第二节纳米固体材料的性能1 .力学性能：强度和硬度、塑性和韧性、超塑性2 .热学性能：比热、热膨胀、热稳定性3 .光学性能：红外吸收、荧光现象、光致发光4 .磁学性能：磁化强度、磁化率等与晶粒大小、形状、第二相分布及缺陷密切相关；饱和磁化强度、居里温度等与材料中的相及其数量等有关。5 .电学性能：电阻和电导、介电特性、压电效应第三节纳米固体材料制备方法1 .纳米陶瓷的制备纳米陶瓷的设计原则、纳米陶瓷素坯成形技术、纳米陶瓷的烧结技术、纳米陶瓷的力学性质2 .纳米金属材料的制备纳米金属材料性质、纳米金属材料的制备第四节纳米固体材料的应用力学方面（作高温、高强、高韧性、耐磨、耐腐蚀的结构材料）；光学方面（发光材料、光纤）；医学方面（生物材料）；磁学方面（软磁材料、硬磁材料、旋磁材料、矩磁材料、压磁材料）；电学方面（导电材料、超导材料、电介质材料、压电材料）2、教学要点通过本章节的学习，掌握固体材料的结构特征及缺陷分析，熟悉纳米固体材料不同于其他常规材料的各方面的性能，了解纳米固体材料的制备方法，尤其是纳米陶瓷材料，包括纳米陶瓷的设计原则、成形技术、烧结方法及力学性质表征等，了解纳米固体材料当前的最新应用进展。第六章：纳米复合材料一、本章的.教学内容第一节：纳米复合材料的的分类1 .按基体种类2 .按增强体3 .按基体形状4 .按增强体形状5 .按复合方式6 .按用途分类第二节：纳米复合材料的性能1 .高强度、高韧性2 .高比强度、高比模量3 .抗蠕变抗疲劳性好第三节：陶瓷基复合材料介绍陶瓷基复合材料的优点和用途,在此基础上重点学习陶瓷基复合材料的制备方法：1.固相法4 .液相法5 .气相法6 .原位复合法第四节：金属基纳米复合材料：简要介绍金属基纳米复合材料的优点和用途，在此基础上重点学习陶瓷基复合材料的制备方法：1.固相法7 .液相法8 .喷射与喷涂沉积法9 .原位复合法第五节：高分子纳米复合材料简要介绍高分子基纳米复合材料的优点和用途,在此基础上重点学习陶瓷基复合材料的制备方法：1 .固相法2 .液相法3 .特殊成型法二.本章的教学要点：了解复合纳米材料的分类及其重要用途，重点学习陶瓷基纳米复合材料、金属基纳米复合材料以及高分子基纳米复合材料的制备方法。思考题：U纳米复合材料的力学和热学性能有那些变化？2试述纳米陶瓷复合材料的制备方法？第七章纳米表征学1、教学内容第一节纳米表征的概念表征的内容涉及材料的组成、结构、性质等。1 .纳米表征技术透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)x扫描隧道显微镜(STM)x原子力显微镜(AFM)xX射线衍射法(XRD),红外光谱(IR)、俄歇电子能谱(AES)、二次离子质谱(SIMS)2 .纳米测量/表征技术分类及发展3 .纳米表征对象分类第二节纳米表征仪器1 .扫描隧道显微镜2 .原子力显微镜3 .透射电子显微镜4,扫描电子显微镜5 .俄歇电子能谱仪6X射线衍射分析仪7 .示差扫描量热仪第三节纳米材料的结构表征1 .纳米材料的化学成分分析2 .纳米材料表面分析3 .纳米粉体粒度表征4 .单一纳米材料的结构表征2、教学要点通过本章节的学习，熟知纳米材料表征学所涉及的内容及其在纳米材料研究中的重要地位,对纳米表征仪器的工作原理、基本结构、样品制备要求及其应用范围有一个清晰的认识，掌握常用的纳米材料的表征技术，如扫描电镜、透射电镜、X衍射分析，能合理的运用测试手段去表征纳米材料并能对其结构作出合理分析。思考题：U纳米材料尺寸表征的手段有哪些？2纳米材料的组成、形貌、比表面积、均匀一致性如何表征？第八章纳米材料应用技术1、教学内容第一节纳米材料在医学药物领域的应用介绍纳米生物医学的定义及研究内容、纳米药物及纳米药物载体、纳米生物材料、纳米生物器件、纳米生物医学的发展趋势。第二节纳米材料在军事领域中的应用介绍纳米材料的在固体推进剂领域、电子对抗领域、隐型技术等诸多领域的应用。第三节纳米材料在纺织领域的重要应用介绍新型的纳米染色整理技术给传统纺织品所功能上的突破：荷叶效应一防水防油、阻燃、抗菌、防紫外等，了解新型纳米加工技术给传统纺织品所带来的功能革命。2、教学要点通过本章节的学习，了解纳米材料在服装、医学及军事等诸多领域中重要应用，拓宽视野,激发本科生进一步学习兴趣,培养他们今后从事该领域研究和生产等实践工作的积极性。思考题：1纳米材料应用过程中存在那些界面问题，如何解决？2纳米军用材料隐形设计材料有哪些？如何制备？四、学时分配（四号黑体）表2：各章节的具体内容和学时分配表（五号宋体）章节章节内容学时分配第一章绪论2第一早纳米材料的基本概念与性质2第三章纳米粒子的制备方法6第四章纳米薄膜材料4第五章纳米固体材料4第六章纳米复合材料4第七章纳米表征学6第八章纳米材料应用技术8五、教学进度（四号黑体）表3,教学进度表（五号宋体）周次0期章节名称内容提要授课时数作业及要求备注1-2第2纳米材料基本知识定义及性能4作业：纳米材料的定义及纳米效应要求：牢固掌握纳米材料基本知识3-5第3章纳米材料制备过程解决的核心问题、过程分析的内涵、具体的纳米材料制备方法原理及工艺流程。6作业：1纳米材料团聚的成因、分类、前提、控制方法；2直接沉淀法和均匀沉淀法的区别？3用过程分析法设计氮氧铝合成方案？要求：掌握制备方法，明确过程关键。611第46章纳米薄膜材料、固体材料、匏合材料的性能、制备及应用12作业：1】纳米薄膜的制备方法有哪些？2试述金属耐腐蚀膜的结构特性？3试述纳米陶瓷复合材料的制备方法要求：掌握不同类型纳米材料的制备方法。12-14第7章掌握常用的纳米材料的表征技术，如扫描电镜、透射电镜、X衍射分析，能合理的运用测试手段去表征纳米材料并能对其结构作出合理分析。6作业：1】纳米材料尺寸表征的手段有哪些？21纳米材料的组成、形貌、比表面积、均匀一致性如何表征？要求：认知表征对揭示构效关系的重要性，不同检测对应的物性参量。15-18第8章纳米材料应用技术8作业1纳米材料应用过程中存在那些界面问题，如何解决？2纳米军用材料隐形设计材料有哪些？如何制备？要求：对纳米材料在工程应用过程中界面问题解决的方法做重点关注。六、教材及参考书目（四号黑体）（电子学术资源、纸质学术资源等，按规范方式列举）（五号宋体）1 .曹茂盛，纳米材料导论，哈尔滨工业大学出版社，2001年。2 .曾兆华，杨建文编著，材料化学北京：化学工业出版社，2014。3 .常铁军、刘喜军主编，材料近代分析测试方法，哈尔滨工业大学出版社，2010。七、教学方法（四号黑体）授课方式：陈述法，案例分析，师生互动，讨论等基本要求：1 .要求学生提前做好预习。2 .课堂上通过讲授重、难点，用案例分析、小组讨论等方式帮助学生理解知识点。3 .课后通过习题的练习，巩固和加深对重点和难点的理解，融会贯通。八、考核方式及评定方法（四号黑体）（一）课程考核与课程目标的对应关系（小四号黑体）表4：课程考核与课程目标的对应关系表（五号宋体）课程目标考核要点考核方式课程目标1纳米材料基本知识。实践+考试课程目标2技论文的架构特点、格式规范性、正确写作。实践+考试课程目标3Origin软件的基础知识及应用；MDIJade软件的基础知识及应用。实践+考试课程目标4（五号宋体）（二）评定方法（小四号黑体）1 .评定方法（五号宋体）（例：平时成绩：10%,期中考试：30%,期末考试60%,按课程考核实际情况描述）（五号宋体）2 .课程目标的考核占比与达成度分析（五号宋体）表5：课程目标的考核占比与达成度分析表（五号宋体）占比课程目标、平时期中期末总评达成度课程目标15%5%20%（例：课程目标1达成度课程目标25%10%15%:0.3X平时目标1成绩+0.2X期中目标1成绩+0.5X期末目标1成绩/目标1总分。按课程考核实际情况描述）课程目标35%5%10%课程目标45%5%10%（三）评分标准（小四号黑体）课程目标评分标准90-10080-8970-7960-69<60优良中合格不合格ABCDF课程目标1熟练掌握纳米材料知识体系的基本概念，基本性能，基本原理掌握纳米科技的一些基本概念，了解纳米材料研究的主要内容，重点建立纳米材料知识体系。较好掌握纳米材料知识体系的基本概念，基本性能，基本原理掌握纳米科技的一些基本概念，了解纳米材料研究的主要内容，重点建立纳米材料知识体系。掌握纳米材料知识体系的基本概念，基本性能，基本原理掌握纳米科技的一些基本概念，了解纳米材料研究的主要内容，重点建立纳米材料知识体系。基本熟练掌握纳米材料知识体系的基本概念，基本性能，基本原理掌握纳米科技的一些基本概念，了解纳米材料研究的主要内容，重点建立纳米材料知识体系。没有掌握纳米材料知识体系的基本概念，基本性能，基本原理掌握纳米科技的一些基本概念，不了解纳米材料研究的主要内容，未建立起纳米材料知识体系。课程目标2熟练掌握纳米材料的制备方法。了解纳米粒子常见的制备方法机理，重点掌握球磨法、沉淀法、水热合成法、溶胶-凝胶法等方法的制备过程及较好地掌握纳米材料的制备方法。了解纳米粒子常见的制备方法机理，重点掌握球磨法、沉淀法、水热合成法、溶胶-凝胶法等方法的制备过程及其适全面了解纳米粒子常见的制备方法，包括物理方法和化学方法的制备，重点掌握球磨法、沉淀法、水热合成法、溶胶-凝胶法等方法的基本了解纳米粒子常见的制备方法，包括物理方法和化学方法的制备，重点掌握球磨法、沉淀法、水热合成法、溶胶-凝胶法部分了解或不了解纳米粒子常见的制备方法，包括物理方法和化学方法的制备，重点掌握球磨法、沉淀法、水热合成法、溶课程目标评分标准90-10080-8970-7960-69<60优良中合格不合格ABCDF其适用材料并能对这些方法加以运用，归纳纳米材料制备过程中不同方法共同关注的核心问题。用材料并能对这些方法加以运用，归纳纳米材料制备过程中不同方法共同关注的核心问题。制备过程及其适用材料并能对这些方法加以运用，归纳纳米材料制备过程中不同方法共同关注的核心问题。等方法的制备过程及其适用材料并能对这些方法加以运用，归纳纳米材料制备过程中不同方法共同关注的核心问题。胶-凝胶法等方法的制备过程及其适用材料并能对这些方法加以运用，不能归纳纳米材料制备过程中不同方法共同关注的核心问题。课程目标3熟知纳米材料表征学所涉及的内容及其在纳米材料研究中的重要地位，对纳米表征仪器的工作原理、基本结构、样品制备要求及其应用范围有一个清晰的认识，掌握常用的纳米材料的表征技术，如扫描电镜、透射电镜、X衍射分析，能合理的运用测试手段去表征纳米材料并能对其结构作出合理分析。掌握纳米材料表征学所涉及的内容及其在纳米材料研究中的重要地位，对纳米表征仪器的工作原理、基本结构、样品制备要求及其应用范围有一个清晰的认识，掌握常用的纳米材料的表征技术，如扫描电镜、透射电镜、X衍射分析，能合理的运用测试手段去表征纳米材料并能对其结构作出合理分析。基本掌握纳米材料表征学所涉及的内容及其在纳米材料研究中的重要地位，对纳米表征仪器的工作原理、基本结构、样品制备要求及其应用范围有一个清晰的认识，掌握常用的纳米材料的表征技术，如扫描电镜、透射电镜、X衍射分析，能合理的运用测试手段去表征纳米材料并能对其结构作出合理分析。了解纳米材料表征学所涉及的内容及其在纳米材料研究中的重要地位，对纳米表征仪器的工作原理、基本结构、样品制备要求及其应用范围有一个清晰的认识，掌握常用的纳米材料的表征技术，如扫描电镜、透射电镜、X衍射分析，能合理的运用测试手段去表征纳米材料并能对其结构作出合理分析。不完全了解纳米材料表征学所涉及的内容及其在纳米材料研究中的重要地位，对纳米表征仪器的工作原理、基本结构、样品制备要求及其应用范围没有一个清晰的认识，没掌握常用的纳米材料的表征技术，如扫描电镜、透射电镜、X衍射分析，能合理的运用测试手段去表征纳米材料并能对其结构作出合理分析。课程很好地掌握纳米材料在服装、医掌握了纳米材料在服装、医学及基本掌握纳米材料在服装、医基本了解纳米材料在服装、对纳米材料在服装、医学及课程评分标准90-10080-8970-7960-69<60目标优良中合格不合格ABCDF目标4学及军事等诸多领军事等诸多领域中学及军事等诸多医学及军事等诸军事等诸多领域域中重要应用，拓重要应用，拓宽视领域中重要应用，多领域中重要应中重要应用了解宽视野，能激发进野，能激发进一步拓宽视野，能激发用，拓宽视野，能甚少，未能激发一步学习兴趣，已学习兴趣，已培养进一步学习兴趣，激发进一步学习进一步学习兴培养出从事该领域出从事该领域研究已培养出从事该兴趣，具有从事趣，不具有从事研究和生产等实践和生产等实践工作领域研究和生产该领域研究和生该领域研究和生工作的积极性。的积极性。等实践工作的积极性。产等实践工作的积极性。产等实践工作的积极性。