《表面與界面》研究生課程教學(xué)探討

余金山　劉東青　王洪磊　周新貴

摘要：表面與界面在材料科學(xué)中占有重要的地位?！侗砻媾c界面》課程是材料工程專業(yè)研究生的一門學(xué)科基礎(chǔ)選修課，通過該課程的學(xué)習(xí)，可以使研究生了解材料的表面及界面的結(jié)構(gòu)特征，熟悉有關(guān)表面改性的方法，為今后開展材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的科學(xué)研究打下牢固基礎(chǔ)。本文從《表面與界面》的課程定位與教學(xué)目標(biāo)制定、教學(xué)內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)改革等方面進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：材料；表面；界面；課程目標(biāo)；研究生教學(xué)

中圖分類號：G643 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）26-0183-02

一、前言

固體材料的表面性質(zhì)由其特定的表面結(jié)構(gòu)決定，研究固體材料的表面結(jié)構(gòu)是表面科學(xué)的基本課題。任何材料都有與外界接觸的表面或與其他材料區(qū)分的界面，表面與界面在材料科學(xué)中占有重要的地位。開設(shè)本課程的作用和任務(wù)是，使研究生了解與熟悉材料的表面及界面的結(jié)構(gòu)特征，掌握表面界面現(xiàn)象的規(guī)律，了解復(fù)合材料及納米材料的表、界面特型及其對性能的影響，了解有關(guān)表面改性的方法，為今后開展材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的科學(xué)研究及論文寫作打下牢固基礎(chǔ)。

二、教學(xué)目的

采用課內(nèi)多媒體教學(xué)、研討和參觀見習(xí)等方式，從表面與界面結(jié)構(gòu)、表面與界面現(xiàn)象、復(fù)合材料與納米材料的表面與界面特性、表面改性與薄膜技術(shù)等不同側(cè)面，闡述表面與界面的有關(guān)重要規(guī)律，探索前沿問題。它旨在使學(xué)生熟悉材料表面及界面的結(jié)構(gòu)特征，掌握表面與界面現(xiàn)象的基本規(guī)律，了解表面與界面的相關(guān)基礎(chǔ)理論，掌握復(fù)合材料的界面特點(diǎn)及其對性能的影響規(guī)律，了解納米材料的表面與界面行為，熟悉有關(guān)表面改性的方法。

三、教學(xué)內(nèi)容和要求

（一）材料的表面結(jié)構(gòu)

主要內(nèi)容包括：表面原子結(jié)構(gòu)、表面電子結(jié)構(gòu)、表面態(tài)與表面空間電荷層、表面勢壘和電子親和勢、清潔表面結(jié)構(gòu)、實(shí)際表面結(jié)構(gòu)；要求掌握表面結(jié)構(gòu)的基本概念，能夠運(yùn)用基本理論進(jìn)行初步的表面分析。

（二）材料與薄膜的界面結(jié)構(gòu)

主要內(nèi)容包括：材料的晶界、相界結(jié)構(gòu)模型，薄膜的界面結(jié)構(gòu)、界面特性及其對薄膜性質(zhì)的影響，超晶格薄膜結(jié)構(gòu)及其特性；要求掌握材料的晶界、相界的結(jié)構(gòu)模型，了解薄膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

（三）表面與界面現(xiàn)象

主要內(nèi)容包括：表面張力與表面能、界面張力與界面能、吸附與脫附、偏析與富集、表面與界面擴(kuò)散、金屬與合金的氧化；要求掌握各種表面與界面現(xiàn)象及存在規(guī)律，了解其特點(diǎn)。

（四）復(fù)合材料的界面

主要內(nèi)容包括：復(fù)合材料的界面理論、先進(jìn)復(fù)合材料界面、復(fù)合材料界面研究方法；要求了解復(fù)合材料界面的基本概念，掌握復(fù)合材料的界面設(shè)計(jì)方法。

（五）納米材料的表面與界面

主要內(nèi)容包括：納米粒子的表面化學(xué)特性、納米材料的表面與界面現(xiàn)象、納米材料表面與界面的分析方法；要求了解納米材料的獨(dú)特的表面與界面特性，運(yùn)用相關(guān)理論并結(jié)合復(fù)合材料制備工藝來指導(dǎo)科研實(shí)踐。

（六）表面改性與薄膜技術(shù)簡介

主要內(nèi)容包括：化學(xué)氣相沉積，物理氣相沉積，溶膠—凝膠方法，離子束、電子束及激光束方法，其他新技術(shù)；要求了解表面處理的技術(shù)和方法，重點(diǎn)掌握化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積的技術(shù)原理，現(xiàn)場參觀實(shí)驗(yàn)設(shè)備，觀摩表面處理過程。

此外，還有實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，主要包括納米材料的BET法測比表面積、X射線光電子譜測量材料表面化學(xué)組成及價(jià)態(tài)、原子層沉積法制備表面涂層等。

四、課程設(shè)計(jì)思路

本課程教學(xué)由課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩大部分組成。

課堂教學(xué)與工程實(shí)踐相結(jié)合，加強(qiáng)工程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在課堂著重介紹先進(jìn)材料表面與界面的基礎(chǔ)理論，并結(jié)合工程實(shí)踐應(yīng)用介紹材料表面改性技術(shù)。如利用我校復(fù)合材料領(lǐng)域研究工作的優(yōu)勢，通過實(shí)驗(yàn)室或工廠觀摩教學(xué)，以復(fù)合材料界面及界面層結(jié)構(gòu)及改性對復(fù)合材料性能的影響為切入點(diǎn)，使學(xué)員對材料表面與界面的基礎(chǔ)理論及界面改性對材料性能影響產(chǎn)生理性的認(rèn)識。

五、教學(xué)內(nèi)容改革設(shè)想

1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)材料學(xué)科以先進(jìn)復(fù)合材料及其構(gòu)件為特色，包含很多材料表、界面的基本理論及科學(xué)問題，為本課程提供了豐富的案列和實(shí)踐機(jī)會。本課程教學(xué)內(nèi)容除了傳統(tǒng)的材料表、界面基本理論外，將結(jié)合我校材料科學(xué)與工程專業(yè)領(lǐng)域研究內(nèi)容進(jìn)行豐富的擴(kuò)展。

2.除課堂教學(xué)以外，還將深入生產(chǎn)現(xiàn)場，到長沙力元新材股份有限公司和長沙三才鍍膜有限公司觀摩和實(shí)習(xí)，將課堂和書本上的理論落實(shí)到現(xiàn)場，并且更好地與實(shí)踐聯(lián)系在一起。另外，也將深入實(shí)驗(yàn)室，嘗試動手操作X射線光電子譜（XPS）等表面分析測試設(shè)備，以加深對基礎(chǔ)知識的理解，做到理論聯(lián)系實(shí)際。

六、教學(xué)模式改革設(shè)想

（一）促進(jìn)不同學(xué)科領(lǐng)域的人才培養(yǎng)

本課程涉及多門學(xué)科的基本知識和理論，內(nèi)容豐富，信息量大，適應(yīng)不同學(xué)科領(lǐng)域人才培養(yǎng)的需求。該課程除了面對廣大工程碩士研究生，還可以面向繼續(xù)教育的高級人才、基層部隊(duì)的廣大工程技術(shù)人員，教學(xué)模式可以靈活多樣。

（二）結(jié)合教學(xué)實(shí)踐基地建設(shè)，促進(jìn)教學(xué)改革

進(jìn)一步完善課程多媒體課件，購置實(shí)踐課程配套設(shè)備，為工程碩士研究生教學(xué)提供教學(xué)實(shí)踐平臺。將課堂和書本上的理論落實(shí)到現(xiàn)場，并且更好地與實(shí)踐聯(lián)系在一起，讓學(xué)生親身體驗(yàn)或者親自動手參與其中，使抽象的知識具體化。

七、結(jié)束語

表面科學(xué)領(lǐng)域有個(gè)說法：當(dāng)上帝創(chuàng)造了固體時(shí)，魔鬼創(chuàng)造了表面。（While God created the solids，the Devil created the surfaces?。┳阋姴牧系谋砻媾c界面對整個(gè)材料性質(zhì)性能的影響有多重要。通過本課程的學(xué)習(xí)，研究生可以掌握材料的表面及界面的結(jié)構(gòu)特征，掌握表面界面現(xiàn)象的規(guī)律，了解復(fù)合材料及納米材料的表、界面特性及其對性能的影響，了解有關(guān)表面改性的方法。這是材料專業(yè)今后工作和研究所必需的。本文主要對該課程的教學(xué)目標(biāo)定位、教學(xué)內(nèi)容設(shè)置以及教學(xué)理念進(jìn)行了探討。

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