материаловедение наноструктурированных материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Физико-технический институт
Кафедра микро- и нанотехнологий
Журавский Д.В.
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника»,
форма обучения очная
Тюменский государственный университет
2015
Журавский Дмитрий Валерьевич. Материаловедение наноструктурированных
материалов. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления
28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника», форма обучения очная. Тюмень, 2015,
23 стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВО с учетом
рекомендаций и ПрОП ВО по направлению и профилю подготовки.
Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте ТюмГУ:
Материаловедение наноструктурированных материалов [электронный ресурс] / Режим
доступа: http://www.umk3.utmn.ru , раздел «Образовательная деятельность», свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой микро- и нанотехнологий. Утверждено директором
Физико-технического института.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: Кислицын А.А., д. ф.-м. н., профессор, зав. кафедрой
микро- и нанотехнологий.
© Тюменский государственный университет, 2015.
© Журавский Д.В., 2015.
1. Пояснительная записка
1.1 Цели и задачи дисциплины
Цель дисциплины - сформировать знания у обучаемых о физических свойствах, методах
получения и применениях наноструктур, а также наноматериалов на их основе в следующих
методических направлениях:
 Микроструктура и физические свойства функциональных, в том числе,
нанокомпозитных структурированных материалов.
 Использование наноматериалов, получаемых по современным технологиям, для
решения конкретных физико-технических проблем.
 Перспективные направления развитиям методов материаловедения наноматериалов.
Основная задача настоящего курса дисциплины – сформировать у обучаемых:
 Знания о свойствах функциональных, композитных наноструктурированных
материалов.
 Умения применять свойства наноматериалов для решения физико-технических
проблем.
 Представление о перспективах развития материаловедения наноматериалов.
1.2 Место дисциплины в структуре образовательной программы
Дисциплина «Материаловедение наноструктурированных материалов» относится к
обязательным дисциплинам базовой части блока Б1 «Дисциплины (модули)» учебного плана
подготовки бакалавров по направлению 28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная
техника» и является основной для формирования знаний о свойствах функциональных,
композитных наноструктурированных материалов, о их возможных применениях на практике,
а также о перспективах развития технологий наноструктурированных материалов. Студенты,
обучающиеся по направлению: «Нанотехнологии и микросистемная техника» и
приступающие к освоению дисциплины, для успешного её изучения должны владеть:
 базовыми
методами основ математики, в частности: интегральным и
дифференциальным исчислением.
 базовыми знаниями в области общей физики, механики по всем темам.
 базовыми знаниями в области общей физики, термодинамики и молекулярной физики
по всем темам.
 базовыми знаниями в области общей физики, электричества и магнетизма, в частности:
электрические и магнитные поля, электрические цепи, проводимость.
 базовыми знаниями в области общей физики, оптики по всем темам.
 базовыми знаниями в области общей физики, физики атома, ядра, элементарных частиц
по всем темам.
 базовыми знаниями в области электротехники, в частности: устройство современных
электротехнических приборов.
Таблица 1.
Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими)
дисциплинами
№ Наименование
Темы дисциплины необходимые для изучения
п/п обеспечиваемых
обеспечиваемых (последующих) дисциплин
(последующих) дисциплин
1
2
3
4
5
6
7
8
…
1.
2.
3.
Методы измерений микрои наноструктур материалов
Магнитные свойства
наноструктур
Методы анализа и контроля
нано-структурированных
материалов и систем
+
+
+
+
+
Все темы
+
+
+
+
+
+
1.3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения данной
образовательной программы.
В результате освоения ОП выпускник должен обладать следующими компетенциями:
Готовностью рассчитывать и проектировать основные параметры наноструктурных
материалов различного функционального назначения (ПК-6).
1.4 Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине (модулю):
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
 Свойства функциональных наноструктурированных материалов, определяемые
микро- и наноструктурой и процессами на этом уровне.
 Методы реализации современных наноструктурированных материалов.
 Методы задания механических свойств нанокомпозитных материалов.
 Современные нанотехнологии катализаторов в критически важных отраслях.
 Современные нанотехнологии солнечных элементов.
 Современные нанотехнологии в энергетике.
 Современные нанотехнологии в оптических приложениях.
 Подходы для реализации самосборки модельных структур.
Уметь:
 Определять свойства функциональных наноструктурированных материалов по микро- и
наноструктур.
 Оценивать реализуемость наноструктурированных материалов определённого типа.
 Определять механические свойства нанокомпозитных материалов по микроструктуре.
 Проводить исследования в области разработки наноструктурированных материалов для
нужд энергетики.
Владеть:
 Методами
определения
физико-технических
свойств
функциональных
наноструктурированные материалы по микро- и наноструктуре и процессам на этом
уровне.
 Методами реализации наноструктурированных материалов.
 Методами определения механических свойств нанокомпозитных материалов по микрои наноструктуре и процессам на этом уровне.
 Методами получения наноструктурированных материалов для нужд энергетики,
приборостроения.
 Современными методами сборки наноструктуры материалов.
2. Структура и трудоемкость дисциплины.
Семестры 5, форма промежуточной аттестации зачет; семестр 6, форма промежуточной
аттестации экзамен. Общая трудоемкость дисциплины составляет __6__ зачетных единиц,
__216____ академических часов, из них __116,45 __ часов, выделенных на контактную работу
с преподавателем (из них иные виды работ 8,45 час.), _99,55_ часов, выделенных на
самостоятельную работу.
Таблица 2.
Вид учебной работы
Всего часов
Семестры
5
6
Контактная работа:
116,45
Аудиторные занятия (всего)
108
54
54
В том числе:
Лекции
36
18
18
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
36
36
Лабораторные занятия (ЛЗ)
36
36
Иные виды работ:
Самостоятельная работа (всего):
108
54
54
Общая трудоемкость 6 зач. ед.
216 час
Вид промежуточной аттестации
зачет
экзамен
3. Тематический план
Таблица 3.
2
Модуль 1
1.1 Функциональные
наноструктурированные
материалы –
микроструктура,
термодинамическая
стабильность, атомная
подвижность
Всего
Модуль 2
2.1 Реализуемость
наноструктурированных
материалов
Всего
4
5
1-4
4
5-9
6
Итого
часов
по
теме
Из них в
Итого
интерак- количес
тивной
тво
форме, в баллов
часах
Самостоятельная
работа*
3
занятия
Семинарские
(практические)
занятия*
Лабораторные
Виды учебной
работы и
самостоятельная
работа, в час.
Лекции
1
Тема
недели семестра
№
7
8
9
10
8
12
24
4
0-25
4
8
12
24
4
0-25
5
10
15
30
5
0-25
5
10
15
5
0-25
30
3.1
4.1
5.1
6.1
7.1
8.1
Модуль 3
Механические свойства
нанокомпозитных материалов
Всего
Модуль 4
Наноструктурированные
поддерживающие катализаторы
для низкотемпературных
топливных элементов
Всего:
Итого за семестр:
Модуль 5
Нанокристаллические солнечные
элементы
Всего:
Модуль 6
Наноразмерные материалы для
хранения водорода и энергии
Всего:
Модуль7
Материалы со структурной
иерархией и их оптические
приложения
Всего:
Модуль8
Сборка наночастиц на границе
раздела в модельные
высокоуровневые структуры
Всего:
Итого за семестр (часов,
баллов):
Итого (часов, баллов):
Из них в интеракт. форме
1014
1518
1-4
5-9
1014
1518
5
10
15
30
5
0-25
5
10
15
30
5
0-25
4
8
12
24
4
0-25
4
18
8
8
12
54
24
108
4
18
0-25
0-100
4
8
12
24
4
0-25
4
8
12
24
4
0-25
5
10
15
30
5
0-25
5
10
15
30
5
0-25
5
10
15
30
5
0-25
5
10
15
30
5
0-25
4
8
12
24
4
0-25
4
8
12
24
4
0-25
18
36
54
108
18
0-100
36
12
108
216
36
36
36
0-200
36
12
36
12
* Самостоятельная работа (включая иные виды контактной работы)
5 семестр
Модуль 1
1.1
Всего
0-5
0-5
0-15
0-15
0-5
0-5
электронные
практикумы
другие формы
Итого количество баллов
Технические
формы
контроля
комплексные
ситуационные
задания
эссе
Реферат \
презентация
тест
контрольная
работа/курсовая
лабораторная
работа
Письменные работы
ответ на
семинаре
собеседование
коллоквиумы
№ Темы Устный
опрос
Таблица 4.
Информаци
ионные
системы и
технологии
программы
компьютерного
тестирования
4. Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля
0-25
0-25
Модуль 2
2.1
Всего
Модуль 3
3.1
Всего
Модуль 4
4.1
Всего
Всего за
семестр
6 семестр
Модуль 5
5.1
Всего
Модуль 6
6.1
Всего
Модуль 7
7.1
Всего
Модуль 8
8.1
Всего
Всего за
семестр
0-5
0-5
0-15
0-15
0-5
0-5
0-25
0-25
0-5
0-5
0-15
0-15
0-5
0-5
0-25
0-25
0-5
0-5
0-20
0-15
0-15
0-60
0-5
0-5
0-20
0-25
0-25
0-100
0-5
0-5
0-15
0-15
0-5
0-5
0-25
0-25
0-5
0-5
0-15
0-15
0-5
0-5
0-25
0-25
0-5
0-5
0-15
0-15
0-5
0-5
0-25
0-25
0-5
0-5
0-20
0-15
0-15
0-60
0-5
0-5
0-20
0-25
0-25
0-100
5. Содержание дисциплины.
Модуль 1
Функциональные наноструктурированные материалы – микроструктура,
термодинамическая стабильность, атомная подвижность. Наноструктурированные и
нанокристаллические
материалы.
Объёмные
нанокристаллические
материалы.
Микроструктура
нанокристаллических
материалов
(Просвечивающая
электронная
микроскопия (ПЭМ,TEM), Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения
(ПЭМВР, HRTEM). Пластичность в нанокристаллических материалах (ПЭМ (TEM)
непосредственно «на месте», ПЭМ (TEM) геометрический анализ фаз (ГАФ,GPA)).
Термодинамическая стабильность нано структурированных материалов (размеро-зависимость
основных наночастиц, термодинамика многокомпонентных наночастиц). Диффузия по
поверхности раздела в объёмных нанокристаллических сплавах (эксперименты по диффузии
вдоль поверхности раздела: общие замечания; эффект способа получения на диффузионное
поведение: конденсация инертного газа, управляемая кристаллизация аморфных прекурсоров,
электроосаждение, шаровые мельницы, спекание; диффузия на поверхностях раздела в
иерархических микроструктурах: кинетические режимы диффузии границы зерна (ГЗ, GB) в
материале с иерархической структурой, действие перемещения ГЗ на диффузию, системная
классификация диффузии на поверхности раздела в нано FeNi с иерархической
микроструктурой; диффузия после больших пластических деформаций).
Модуль 2
Реализуемость наноструктурированных материалов. Введение. Нестабильность
вследствие размерных эффектов (поведение при окружении и низких температурах,
скольжение границ зёрен и суперпластичность при напряжениях высокой степени в
нанокристаллических материалах, модели для деформации нанокристаллических материалов:
прямой и обратный Холл-Печ эффект). Фазовые нестабильности (фазовые нестабильности
наноструктурированных
металлических
материалов,
фазовые
нестабильности
наноструктурированных керамик, термическая стабильность нанокристаллических материалов:
наноструктурированные алюминиевые сплавы, наноструктурированные Cr–Ni сплавы,
Аустенитовая нержавеющая сталь AISI 304). Термальная стабильность покрытий (нано
кристаллические плёнки, W–Si–N плёнки, супертвёрдые покрытия). Стабильность
металлических стёкол. Термомеханические факторы. Надёжность под условиями ползучести
(нанокомпозиты, низкотемпературная ползучесть). Стабильность в коррозионных средах.
Надёжность во время усталости.
Модуль 3
Механические свойства нанокомпозитных материалов. Введение. Плазменнодуговое спекание (ПДС, SPS), как прогрессивная техника спекания. Нанокомпозиты на основе
керамик (Упрочнение одностеночными углеродными нанотрубками (ОУНТ, SWCN);
формируемость; сопротивление ползучести; функциональные свойства: электрические
свойства, термические свойства, термоэлектрические свойства). Нано композиты на основе
металлов (Нанокомпозиты получаемые из металлических стёкол, многослойные материалы,
бимодальные структуры).
Модуль 4
Нано
структурированные
поддерживающие
катализаторы
для
низкотемпературных топливных элементов. Введение (принцип работы топливных
элементов; электродные реакции топливных элементов при низких температурах: окисление
топлива - водородное окисление (повышающий механизм, внутренний механизм), окисление
метанола, окисление кислот, уменьшение кислорода). Поддерживающие катализаторы
(приготовление катализаторов: метод вкраплений, коллоидный метод, метод микроэмульсий;
каталитическая поддержка: чёрный углерод (уголь), наноструктурированный углерод,
нанопористый углерод: микропористый углерод, мезопористый углерод, синтезы
нанопористого углерода используя исходный коллоидный массив кристаллов, пористый
углерод с иерархической пористой структурой).
Модуль 5
Нанокристаллические солнечные элементы. Введение. Окраскочувствительные
солнечные элементы (ОЧСЭ, DSSCs): функционирование элемента, материалы, важное
замечание относительно функционирования элемента. Полупроводниковочувствительный
солнечней элемент (ПЧСЭ, SSSC): жидкостное соединение ПЧСЭ (история и общие
принципы, электронное присоединение из захватывающего полупроводника в пористый
оксид, рекомбинационные скорости в полупроводнике, обратный транспорт электронов из
оксида к захватывающему полупроводнику, электронное соединение из оксид/субстрат в
электролит, потери в полупроводнике, агрегаты на оксидах, многослойный полупроводник,
другие поровые оксиды). ПЧСЭ в твёрдом состоянии – ETA элемент: Трёхкомпонентный ETA
элемент, Двухкомпонентный ETA элемент, Замечания о встроенных полях в ПЧСЭ.
Модуль 6
Нано размерные материалы для хранения водорода и энергии. Введение. методы для
хранения энергии (хранение энергии в суперконденсаторах и батареях). Методы для хранения
водорода в мобильных системах. Необходимые свойства разрабатываемых материалов.
Физосорбционные материалы (нанопоровые неорганические материалы: структуры цеолитов,
структуры, основанные на переходных металлах; нанопоровые органические и углеродные
материалы: активированный уголь, углеродные нанотрубки и нановолокна, углерод
карбидного происхождения; металлорганические основы). Химосорбционные материалы
(гидрид магния; комплексные гидриды: состояние допирования, трансформационный
механизм
аланатов;
другие
комплексные
гидриды;
реакционные
системы).
Экспериментальные аспекты (управление материалами, методы синтеза). Характеризация
материалов для хранения водорода (валюметрия: термодинамические свойства, кинетические
свойства).
Модуль 7
Материалы со структурной иерархией и их оптические приложения. Введение (типы
структур с иерархией, комбинирование микро-, мезо- и нано- в одном материале). Свойства
составных материалов (неорганические наночастицы: полупроводниковые нанокристаллы,
металлические нанокристаллы, полимерные частицы). Заготовка гибридно-полимерных
микросфер (синтез полимерных микросфер в присутствии наночастиц, загрузка
таблетированных наночастиц (НТ, NPs) в таблетированные микросферы: загрузка НТ в
конденсированные полимерные микросферы, загрузка НТ в микрогелиевые шарики, покрытие
полимерных микрошариков НТ, используя отложение слой за слоем; синтез «на месте» НТ в
микрошариках). Оптические свойства и приложения полимерных микросфер, загруженных
неорганическими наночастицами (термически восприимчивый полимерный микрогель
загруженный наночастицами золота: материалы для доставки лекарств, полимерные
микросферы, загруженные квантовыми точками для биологического построения изображений,
фотонные
кристаллы,
собранные
из
полимерных
микросфер,
загруженные
полупроводниковыми квантовыми точками).
Модуль 8
Сборка наночастиц на границе раздела в модельные высокоуровневые структуры.
Введение. Безмодельная самосборка на поверхности раздела (нестабильность во время
каплеобразования и испарения растворителя, техника Ленгмюра-Бложе). Модельноуправляемая самосборка (сурфактанты и полимеры, биологически программированная сборка,
химическая модель: самосборка областей блок сополимеров, Ленгмюра-Бложе модель,
литография на основе сканирующего зонда – модели индуцированные локальной силой,
литография погружаемым пером, другие литографии; топографически моделируемые
субстраты). Наноконтактное печатание и письмо (микроконтактное печатание, литография
погружённым пером).
6. Планы семинарских занятий.
1. Функциональные наноструктурированные материалы. Наноструктурированные и
нанокристаллические материалы.
2. Объёмные нанокристаллические материалы. Микроструктура нанокристаллических
материалов.
3. Пластичность в нанокристаллических материалах. Термодинамическая стабильность
нано структурированных материалов.
4. Диффузия по поверхности раздела в объёмных нанокристаллических сплавах.
Реализуемость наноструктурированных материалов.
5. Нестабильность вследствие размерных эффектов. Фазовые нестабильности.
6. Термальная стабильность покрытий.
Стабильность металлических стёкол.
Термомеханические факторы. Надёжность под условиями ползучести. Стабильность в
коррозионных средах. Надёжность во время усталости. Механические свойства
нанокомпозитных материалов.
7. Плазменно-дуговое спекание.
8. Нанокомпозиты на основе керамик. Нанокомпозиты на основе металлов.
9. Наноструктурированные поддерживающие катализаторы для низкотемпературных
топливных элементов. Поддерживающие катализаторы.
10. Нанокристаллические солнечные элементы. Окраскочувствительные солнечные
элементы. Полупроводниковочувствительный солнечней элемент (ПЧСЭ). ПЧСЭ в
твёрдом состоянии.
11. Наноразмерные материалы для хранения водорода и энергии.
12. Методы для хранения энергии. Методы для хранения водорода в мобильных
приложениях.
13. Физосорбционные материалы. Химосорбционные материалы.
14. Характеризация материалов для хранения водорода.
15. Материалы со структурной иерархией и их оптические приложения.
16. Свойства составных материалов. Заготовка гибридно-полимерных микросфер.
17. Оптические свойства и приложения полимерных микросфер, загруженных
неорганическими наночастицами.
18. Сборка наночастиц на границе раздела в модельные высокоуровневые структуры.
Безмодельная самосборка на поверхности раздела. Модельно-управляемая самосборка.
Наноконтактное печатание и письмо.
7. Темы лабораторных работ (Лабораторный практикум).
1. Микроструктура нанокристаллических материалов.
2. Пластичность в нанокристаллических материалах.
3. Термодинамическая стабильность нано структурированных материалов.
4. Диффузия по поверхности раздела в объёмных нанокристаллических сплавах.
5. Реализуемость наноструктурированных материалов.
6. Фазовые нестабильности.
7. Термальная стабильность покрытий. Стабильность металлических стёкол.
Термомеханические факторы. Надёжность под условиями ползучести.
8. Плазменно-дуговое спекание.
9. Нанокомпозиты на основе керамик.
10. Нанокомпозиты на основе металлов.
11. Физосорбционные материалы.
12. Химосорбционные материалы.
13. Заготовка гибридно-полимерных микросфер.
14. Оптические свойства и приложения полимерных микросфер, загруженных
неорганическими наночастицами.
15.Сборка наночастиц на границе раздела в модельные высокоуровневые структуры.
16. Безмодельная самосборка на поверхности раздела.
17. Модельно-управляемая самосборка.
18. Наноконтактное печатание и письмо.
8. Примерная тематика курсовых работ.
1. Наноструктурированные и нанокристаллические материалы.
2. Объёмные нанокристаллические материалы.
3. Пластичность в нанокристаллических материалах.
4. Диффузия по поверхности раздела в объёмных нанокристаллических сплавах.
5. Кинетические режимы диффузии границы зерна (ГЗ, GB) в материале с иерархической
структурой.
6. Системная классификация диффузии на поверхности раздела в нано FeNi с
иерархической микроструктурой.
7. Скольжение границ зёрен и суперпластичность при напряжениях высокой степени в
нанокристаллических материалах.
8. Модели для деформации нанокристаллических материалов: прямой и обратный ХоллПетч эффект.
9. Фазовые нестабильности наноструктурированных металлических материалов.
10. Фазовые нестабильности наноструктурированных керамик.
11. Наноструктурированные алюминиевые сплавы.
12. Наноструктурированные Cr–Ni сплавы.
13. Аустенитовая нержавеющая сталь AISI 304.
14. Термальная стабильность покрытий.
15. Стабильность в коррозионных средах.
16. Плазменно- дуговое спекание.
17. Нано композиты на основе металлов.
18. Электродные реакции топливных элементов при низких температурах.
19. Поддерживающие катализаторы.
20. Синтез нанопористого углерода.
21. Пористый углерод с иерархической пористой структурой.
9. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов, промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины
Таблица5 .
№
Модули и темы
Виды СРС
обязательные
Модуль 1
1.1 Функциональные
наноструктурированные
материалы –
микроструктура,
термодинамическая
стабильность, атомная
подвижность
Всего
Модуль 2
2.1 Реализуемость
наноструктурированных
материалов
Всего
Модуль 3
Механические
свойства
нанокомпозитных
материалов
Всего
Модуль 4
Работа с
литературой
Составление
логической
схемы
Работа с
литературой
Составление
логической
схемы
Работа с
литературой
Составление
логической
схемы,
Конспект,
Реферат,
Составление
логической
схемы,
Выполнение
проверочного
теста
Работа с
литературой
дополнительные
Неделя Объем Кол-во
семестра часов* баллов
0-25
Составление
презентации
(по выбору)
Составление
презентации
(по выбору)
1-4
5-9
10-14
12
0-25
12
0-25
15
0-25
15
0-25
15
0-25
15
0-25
Наноструктурированные
поддерживающие
катализаторы для
низкотемпературных
топливных элементов
Всего
Итого за семестр
Модуль 5
Нанокристаллические
солнечные элементы
Составление
логической
схемы
Конспект,
Реферат,
Составление
логической
схемы,
Выполнение
проверочного
теста
Составление
логической
схемы
Интервьюирование
педагогов, учёных
физиков, техников
и составление
словаря новых
терминов (работа
в малых группах)
Составление
презентации
(по выбору)
15-18
1-4
Всего
Модуль 6
Работа с
литературой
Наноразмерные
Составление
материалы для хранения логической
водорода и энергии
схемы
Всего
Работа с
Модуль 7
литературой
Материалы со
Составление
структурной иерархией логической
и их оптические
схемы
приложения
Конспект,
Реферат,
Составление
логической
схемы,
Выполнение
проверочного
теста
Всего
Работа с
Модуль 8
литературой
Сборка наночастиц на
Составление
границе раздела в
логической
модельные
схемы
высокоуровневые
Конспект,
структуры
Реферат,
Составление
логической
схемы,
Выполнение
проверочного
теста
Всего
Всего за семестр
Итого
Составление
презентации
(по выбору)
5-9
10-14
Интервьюирование
педагогов, учёных
физиков, техников
и составление
словаря новых
терминов (работа
в малых группах)
15-18
* Самостоятельная работа (включая иные виды контактной работы)
12
0-25
12
54
0-25
0-100
12
0-25
12
0-25
15
0-25
15
0-25
15
0-25
15
0-25
12
0-25
12
54
108
0-25
0-100
0-200
10. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации по итогам
освоения дисциплины (модуля).
В соответствии с приказом от 19 декабря 2013 г. №1367 фонд оценочных средств для
проведения промежуточной аттестации по дисциплине (модулю) или практике включает в
себя
10.1 Перечень компетенций с указанием этапов их формирования в процессе освоения
образовательной программы (выдержка из матрицы компетенций):
Таблица 6.
Готовность рассчитывать и проектировать основные параметры
наноструктурных материалов различного функционального назначения
Б1.Б.18
Материаловедение нано-структурированных материалов – 5, 6 семестры
Методы анализа и контроля нано-структурированных материалов и систем – 8
Б1.Б.22
семестр
Б1.В.ДВ.5.1 Термодинамические свойства наноструктур - 6 семестр
Б1.В.ДВ.5.2 Магнитные свойства наноструктур – 6 семестр
Б1.В.ДВ.6.1 Физика твердого тела – 6 семестр
Б1.В.ДВ.7.1 Методы измерений микро- и наноструктур материалов – 7 семестр
Б1.В.ДВ.8.1 Прикладная термодинамика - 7
Б1.В.ДВ.10.1 Рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ – 8 семестр
Б1.В.ДВ.10.2 Фазовые переходы в гетерогенных средах – 8 семестр
ПК-6
Код
компетенц
ии
10.2 Описание показателей и критериев оценивания компетенций на различных этапах их формирования, описание шкал оценивания:
Таблица 7.
Карта критериев оценивания компетенций
Критерии в соответствии с уровнем освоения ОП
Виды занятий
Оценочные
(лекции,
средства (тесты,
семинарские,
творческие
пороговый
базовый
повышенный
практические,
работы,
проекты
(удовл.)
(хор.)
(отл.)
лабораторные)
и
др.)
61-75 баллов
76-90 баллов
91-100 баллов
Знает: Свойства
функциональных
наноструктурированных
материалов, определяемые
микро- и наноструктурой и
процессами на этом уровне
Методы реализации
современных
наноструктурированных
материалов.
Методы задания механических
свойств нанокомпозитных
материалов.
Определять
свойства Умеет: Проводить исследования
Умеет:
Оценивать Умеет:
функциональных
в
области
разработки
реализуемость
наноструктурированных
наноструктурированных
наноструктурированных
материалов
по
микрои материалов для нужд энергетики
материалов
наноструктур.
определённого типа.
Владеет:
Методами Владеет: Методами определения Владеет: Методами получения
определения
физико-технических
свойств наноструктурированных
механических
свойств функциональных
материалов для нужд энергетики,
нанокомпозитных
наноструктурированные материалы
приборостроения.
материалов по микро- и по микро- и наноструктуре и
наноструктуре
и процессам на этом уровне.
процессам
на
этом
уровне.
ПК-6
Знает: Современные
нанотехнологии в
энергетике.
Современные
нанотехнологии в
оптических
приложениях.
Знает: Современные
нанотехнологии катализаторов в
критически важных отраслях.
Современные нанотехнологии
солнечных элементов.
Современные нанотехнологии в
энергетике.
Современные нанотехнологии в
оптических приложениях.
Подходы для реализации
самосборки модельных структур.
Лекции,
семинарские
занятия,
лабораторные
Контрольные
работы, курсовые,
ответы
на
семинарских
занятиях
Лекции,
семинарские
занятия,
лабораторные
Контрольные
работы, курсовые,
ответы
на
семинарских
занятиях
Лекции,
семинарские
занятия,
лабораторные
Контрольные
работы, курсовые,
ответы
на
семинарских
занятиях
10.3 Типовые контрольные задания или иные материалы, необходимые для оценки
знаний, умений, навыков и (или) опыта деятельности, характеризующей этапы
формирования компетенций в процессе освоения образовательной программы.
Предлагаемые темы рефератов:
1. Особенности структуры металлических сплавов.
2. Процессы, происходящие в металлических сплавах.
3. Методы определения микроструктуры нанокристаллических материалов.
4. Пластичность в нанокристаллических материалах и сплавах.
5. Термодинамические свойства наноструктурированных материалов и сплавов.
6. Поверхностные явления в объёмных нанокристаллических сплавах.
7. Варианты реализации наноструктурированных материалов.
8. Размерные эффекты и фазовые нестабильности наноструктурированных материалов.
9. Стабильность покрытий.
10. Свойства металлических стёкол и стеклообразных материалов.
11. Свойства нанокомпозитных материалов.
12. Плазменно-дуговые технологии.
13. Виды нанокомпозитных материалов.
14. Нанотехнология катализаторов.
15. Нанотехнологии солнечных элементов.
16. Нанотехнологии в энергетике.
17. Нанотехнологии хранения водорода.
18. Нанотехнологии сорбционных материалов
19. Нанотехнологии для оптических приложений.
20. Нанотехнологии самосборки.
21. Свойства нанокристаллических материалов.
22. Термодинамическая стабильность наноструктурированных материалов.
Выполнение рефератов относится к самостоятельной работе студента. Объём печатной
работы недолжен превышать 10 страниц с соответствующим оформлением титульного листа,
оглавления, текста, рисунков, фотографий, диаграмм, заключения, выводов и списка
литературы.
Проверочные тесты:
Тесты (для проверки освоения дисциплины и самостоятельной работы) составляются по
содержанию методического материала дисциплины или по содержанию реферата, который
предоставил обучаемый.
Примерные темы курсовых работ 5 семестр
1. Наноструктурированные и нанокристаллические материалы.
2. Объёмные нанокристаллические материалы.
3. Пластичность в нанокристаллических материалах.
4. Диффузия по поверхности раздела в объёмных нанокристаллических сплавах.
5. Кинетические режимы диффузии границы зерна (ГЗ, GB) в материале с иерархической
структурой.
6. Системная классификация диффузии на поверхности раздела в нано FeNi с
иерархической микроструктурой.
7. Скольжение границ зёрен и суперпластичность при напряжениях высокой степени в
нанокристаллических материалах.
8. Модели для деформации нанокристаллических материалов: прямой и обратный ХоллПетч эффект.
9. Фазовые нестабильности наноструктурированных металлических материалов.
10. Фазовые нестабильности наноструктурированных керамик.
11. Наноструктурированные алюминиевые сплавы.
12. Наноструктурированные Cr–Ni сплавы.
13. Аустенитовая нержавеющая сталь AISI 304.
14. Термальная стабильность покрытий.
15. Стабильность в коррозионных средах.
16. Плазменно- дуговое спекание.
17. Нано композиты на основе металлов.
18. Электродные реакции топливных элементов при низких температурах.
19. Поддерживающие катализаторы.
20. Синтез нанопористого углерода.
21. Пористый углерод с иерархической пористой структурой.
Примерные темы контрольных работ 6 семестр
1. Функционирование окрасочувствительного элемента.
2. Функционирование полупроводникового солнечного элемента
3. Характеризация материалов для хранения водорода (валюметрия: термодинамические
свойства, кинетические свойства).
4. Свойства составных материалов (неорганические наночастицы: полупроводниковые
нанокристаллы, металлические нанокристаллы, полимерные частицы)
Типовые вопросы к зачету.
1. Наноструктурированные
и
нанокристаллические
материалы.
Объёмные
нанокристаллические материалы.
2. Микроструктура нанокристаллических материалов.
3. Термодинамическая стабильность наноструктурированных материалов.
4. Диффузия по поверхности раздела в объёмных нанокристаллических сплавах.
Эксперименты по диффузии вдоль поверхности раздела.
5. Эффект влияния способа получения на диффузионное поведение: конденсация
инертного
газа,
управляемая
кристаллизация
аморфных
прекурсоров,
электроосаждение, шаровые мельницы, спекание.
6. Диффузия на поверхностях раздела в иерархических микроструктурах: кинетические
режимы диффузии границы зерна (ГЗ, GB) в материале с иерархической структурой,
действие перемещения ГЗ на диффузию.
7. Системная классификация диффузии на поверхности раздела в нано FeNi с
иерархической микроструктурой.
8. Диффузия после больших пластических деформаций.
9. Нестабильность наноструктурированных материалов вследствие размерных эффектов.
Поведение при окружении и низких температурах, скольжение границ зёрен и
суперпластичность при напряжениях высокой степени в нанокристаллических
материалах.
10. Модели для деформации нанокристаллических материалов: прямой и обратный ХоллПеч эффект.
11. Фазовые нестабильности наноструктурированных металлических материалов.
12. Фазовые нестабильности наноструктурированных керамик.
13. Термическая стабильность нанокристаллических материалов: наноструктурированные
алюминиевые сплавы, наноструктурированные Cr–Ni сплавы, Аустенитовая
нержавеющая сталь AISI 304.
14. Термальная стабильность покрытий. Нано кристаллические плёнки, W–Si–N плёнки,
супертвёрдые покрытия.
15. Стабильность металлических стёкол. Термомеханические факторы. Надёжность под
условиями ползучести (нанокомпозиты, низкотемпературная ползучесть).
16. Стабильность в коррозионных средах. Надёжность во время усталости.
17. Плазменно-дуговое спекание (ПДС, SPS), как прогрессивная техника спекания.
18. Нанокомпозиты на основе керамик: упрочнение одностеночными углеродными
нанотрубками (ОУНТ, SWCN), формируемость, сопротивление ползучести.
19. Функциональные свойства нанокомпозитов на основе керамик: электрические
свойства, термические свойства, термоэлектрические свойства.
20. Нанокомпозиты на основе металлов. Нанокомпозиты получаемые из металлических
стёкол, многослойные материалы, бимодальные структуры.
21. Принцип работы топливных элементов.
22. Электродные реакции топливных элементов при низких температурах: окисление
топлива - водородное окисление, окисление метанола, окисление кислот, уменьшение
кислорода.
23. Поддерживающие катализаторы. Приготовление катализаторов: метод вкраплений,
коллоидный метод, метод микроэмульсий.
24. Каталитическая поддержка. Чёрный углерод. Наноструктурированный углерод.
25. Нанопористый углерод: микропористый углерод, мезопористый углерод, синтезы
нанопористого углерода используя исходный коллоидный массив кристаллов,
пористый углерод с иерархической пористой структурой.
Типовые вопросы к экзамену.
1. Окраскочувствительные солнечные элементы.
2. Полупроводниковочувствительный солнечней элемент.
3. Рекомбинационные скорости в полупроводнике, обратный транспорт электронов из
оксида к захватывающему полупроводнику.
4. Электронное соединение из оксид/субстрат в электролит. Потери в полупроводнике.
5. Агрегаты на оксидах, многослойный полупроводник, другие поровые оксиды.
6. ПЧСЭ в твёрдом состоянии – ETA элемент.
7. Трёхкомпонентный ETA элемент.
8. Двухкомпонентный ETA элемент.
9. Хранение энергии в суперконденсаторах и батареях.
10. Методы для хранения водорода в мобильных системах.
11. Необходимые свойства разрабатываемых материалов.
12. Нанопоровые неорганические материалы: структуры цеолитов.
13. Нанопоровые неорганические материалы: структуры, основанные на переходных
металлах.
14. Нанопоровые органические
углеродные нанотрубки.
и
углеродные
материалы:
активированный
уголь,
15. Нанопоровые органические и углеродные материалы: нановолокна, углерод карбидного
происхождения.
16. Нанопоровые органические и углеродные материалы: металлорганические основы.
17. Химосорбционные материалы.
18. Характеризация материалов для хранения водорода (валюметрия: термодинамические
свойства, кинетические свойства).
19. Типы структур с иерархией, комбинирование микро-, мезо- и нано- в одном материале.
20. Свойства составных материалов (неорганические наночастицы: полупроводниковые
нанокристаллы, металлические нанокристаллы, полимерные частицы).
21. Синтез полимерных микросфер в присутствии наночастиц.
22. Оптические свойства и приложения
неорганическими наночастицами.
полимерных
микросфер,
загруженных
23. Материалы для доставки лекарств, полимерные микросферы, загруженные квантовыми
точками для биологического построения изображений.
24. Фотонные кристаллы.
25. Безмодельная самосборка на поверхности раздела.
26. Модельно-управляемая самосборка.
27. Ленгмюра-Бложе модель, литография на основе сканирующего зонда.
28. Наноконтактное печатание и письмо.
10.4 Методические материалы, определяющие процедуры оценивания знаний, умений,
навыков и (или) опыта деятельности характеризующих этапы формирования
компетенций.
Текущий и промежуточный контроль освоения и усвоения материала дисциплины
осуществляется в рамках рейтинговой (100-балльной) и традиционной (4-балльной) систем
оценок.
Во время обучения проводятся тесты, сдаются отчеты самостоятельных заданий,
рефераты или доклады-презентации по одной из тем дисциплины (по выбору). Ответы, отчеты
и тесты оцениваются в баллах в соответствии с рейтинговой системой.
В течение 5 семестра проводятся курсовые работы
В течение 6 семестра проводятся несколько письменных контрольных работ.
Промежуточная аттестация:
В 5 семестре - студенты, выполнившие учебный план и получают оценку «зачтено».
В 6 семестре - экзамен. Экзамены оцениваются по системе: неудовлетворительно,
удовлетворительно, хорошо, отлично.
11. Образовательные технологии.
Интервьюирование и беседа с профессиональными физиками и техниками. Разбор
конкретных ситуаций использования современных физико-технических достижений в
научных, исследовательских, социально-экономических задачах и для решения проблем
наноструктурированного материаловедения и нанотехнологий, микросистемой техники.
12. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля).
12.1 Основная литература:
1. Витязь, П.А. Основы нанотехнологий и наноматериалов : учебное пособие / П.А. Витязь,
Н.А. Свидунович. - Минск : Вышэйшая школа, 2010. - 304 с. - ISBN 978-985-06-1783-5 ;
То же [Электронный ресурс]. - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=109924
(дата обращения 20.04.2015).
2. Технологии конструкционных наноструктурных материалов и покрытий / под ред. Г.В.
Малахова, П. . Витязь, К.А. Солнцев. - Минск : Белорусская наука, 2011. - 284 с. - ISBN
978-985-08-1292-6
;
То
же
[Электронный
ресурс].
URL:
http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=142364 (дата обращения 20.04.2015).
3. Барыбин, А.А. Физико-химия наночастиц, наноматериалов и наноструктур : учебное
пособие / А.А. Барыбин, В.А. Бахтина, В.И. Томилин, Н.П. Томилина. - Красноярск :
Сибирский федеральный университет, 2011. - 236 с. - ISBN 978-5-7638-2396-7 ; То же
[Электронный ресурс]. - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=229593 (дата
обращения 20.04.2015).
12.2 Дополнительная литература
1. Суздалев, И. П.. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов/ И. П. Суздалев. - 2-е изд., испр.. - Москва: URSS, 2009. - 592 с.; 21 см. (Синергетика : от прошлого к будущему). - ISBN 978-5-397-00217-2.
2. Андриевский, Р. А.. Наноструктурные материалы: учеб. пособие для студ. вузов, обуч.
по напр. подготовки дипломир. спец. 651800 "Физическое материаловедение"/ Р. А.
Андриевский, А. В. Рагуля. - Москва: Академия, 2005. - 192 с.; 21 см. - (Высшее
профессиональное образование. Естественные науки). - Библиогр. в конце глав. - ISBN 57695-2034-5.
3. Пул, Ч. (мл.). Нанотехнологии: учеб. пособие для студ., обуч. по напр. подгот.
"Нанотехнологии" : пер. с англ./ Ч. Пул, Ф. Оуэнс. - 2-е изд., доп. - Москва: Техносфера,
2006. - 336 с.; 24 см. - (Мир материалов и технологий). - ISBN 5-94836-081-4 ; То же:
2005. - 336 с.; 24 см. - (Мир материалов и технологий). - ISBN 5-94836-021-0.
4. Раков, Э. Г.. Нанотрубки и фуллерены: учеб. пособие для студ., обуч. по спец. 210602
"Наноматериалы"/ Э. Г. Раков. - Москва: Логос, 2006. - 376 с.; 21 см. - (Новая
Университетская Библиотека). - Библиогр.: с. 359-369. - ISBN 5-98699-009-9.
5. Старостин, В. В.. Материалы и методы нанотехнологии: учеб. пособие/ В. В. Старостин.
- Москва: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. - 431 с.; 21 см. - (Нанотехнология). Библиогр.: с. 424-426. - ISBN 978-5-94774-727-0.
12.3 Интернет - ресурсы:
1. Научная электронная библиотека www.elibrary.ru.
2. Сайт компании РОСНАНО http://www.rusnano.com/
3. Образовательные ресурсы «Единое окно» http://window.edu.ru/window/library
4. Книго-поиск. http://www.knigo-poisk.ru
5. Электронные ресурсы ИБЦ ТюмГУ http://www.tmnlib.ru/jirbis/
13. Перечень информационных технологий, используемых при осуществлении
образовательного процесса по дисциплине (модулю), включая перечень программного
обеспечения и информационных справочных систем (при необходимости).




Применение мультимедийного оборудования для проведения лекционных занятий.
Видео записи и презентации лекционного материала.
Работа с Интернетом.
Работа с информационным порталом ИБЦ ТюмГУ.
14. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины.
 Учебные аудитории для проведения лекционных и практических занятий, оснащенные
интерактивной доской и/или проектором.
 Современное оборудование в области исследования физических и структурных свойств
наноматериалов
15. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины (модуля).
При подготовке к занятиям в течение семестра, зачету и экзамену студент должен
использовать литературу, рекомендованную преподавателем.
Для понимания лекционного материала и качественного его усвоения студентам
необходимо вести конспекты лекций. В течение лекции студент делает пометки по тем
вопросам, которые требуют уточнений и дополнений. Вопросы, которые преподаватель не
отразил в лекции, студент должен изучать самостоятельно.
К выполнению лабораторных работ необходима подготовка рабочих лабораторных
журналов с последующим оформление отчетов по проделанным работам.
При подготовке к зачету и экзамену вначале следует просмотреть весь материал по
сдаваемой дисциплине, отметить для себя трудные вопросы. Обязательно в них разобраться. В
заключение еще раз целесообразно повторить основные положения, используя при этом
опорные конспекты лекций.
Систематическая подготовка к занятиям в течение семестра позволит использовать время
экзаменационной сессии для систематизации знаний.
Если в процессе самостоятельной работы над изучением теоретического материала у
студента возникают вопросы, разрешить которые самостоятельно не удается, необходимо
обратиться к преподавателю для получения у него разъяснений или указаний.
Данное УМК разработано на базе ранее утвержденного УМК Магнитные свойства
наноструктур по стандарту ФГОС ВПО, автор Бриков Е.С.
Дополнения и изменения к рабочей программе на 201__ / 201__ учебный год
В рабочую программу вносятся следующие изменения:
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
___________________________________________________
Рабочая
программа
пересмотрена
и
одобрена
на
заседании
______________________________________ «__» _______________201 г.
Заведующий кафедрой ___________________/_____________________/
Подпись
Ф.И.О.
кафедры