《材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)》課程大綱

1、材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)課程大綱一、課程概述課程名稱(chēng)（中文）：材料科學(xué)與工程基礎(chǔ) （英文）：Fundamentals of Materials Science and Engineering課程編號(hào)：14241009課程學(xué)分：3課程總學(xué)時(shí)：48課程性質(zhì)：專(zhuān)業(yè)課二、課程內(nèi)容簡(jiǎn)介材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)是一門(mén)以材料為研究對(duì)象的科學(xué)，其研究?jī)?nèi)容涉及高分子材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、復(fù)合材料等各種材料的成分、結(jié)構(gòu)、加工同材料性能及材料應(yīng)用之間的相互關(guān)系，在材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)計(jì)劃中是一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生充分掌握材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論，深入理解材料的組成-結(jié)構(gòu)-工藝-性能之間的關(guān)系。為后繼專(zhuān)業(yè)課程

2、的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。三、教學(xué)目標(biāo)與要求通過(guò)本課程的教學(xué)，使學(xué)生獲得材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)高等工程技術(shù)人才所必須掌握的材料科學(xué)的基本概念、基本理論和基本原理等知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生分析解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題的能力，進(jìn)行新材料、新工藝研究開(kāi)發(fā)的初步能力，培養(yǎng)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)、科學(xué)思維、創(chuàng)新精神要求通過(guò)本課程的教學(xué),使學(xué)生掌握本課程中的基本概念、基本原理和相關(guān)的知識(shí)，了解用物理化學(xué)等基本原理闡明材料形成過(guò)程中的組成、結(jié)構(gòu)、工藝與性能之間關(guān)系及相互聯(lián)系，注重知識(shí)的連貫性和增強(qiáng)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。四、教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)安排第一章 緒 論 （2學(xué)時(shí)） 1. 教學(xué)目的與要求：了解本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容、性質(zhì)和作用。 2. 教學(xué)重

3、點(diǎn)與難點(diǎn)：材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的性質(zhì)、任務(wù)和內(nèi)容，以及在材料科學(xué)與工程技術(shù)中的作用。 第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) （18學(xué)時(shí)） 1. 教學(xué)目的與要求：掌握描述原子中電子的空間位置和能量的四個(gè)量子數(shù)、核外電子排布遵循的原則;元素性質(zhì)、原子結(jié)構(gòu)和該元素在周期表中的位置三者之間的關(guān)系；原子間結(jié)合鍵分類(lèi)及其特點(diǎn)；正確理解并掌握高分子鏈的近程和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)。掌握結(jié)晶的熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)和能量條件；相律的應(yīng)用、克勞修斯克拉珀龍方程的應(yīng)用；均勻形核的臨界晶核半徑和形核功的推導(dǎo)；潤(rùn)濕角的變化范圍及其含義；液固界面的分類(lèi)及其熱力學(xué)判據(jù)；晶體的生長(zhǎng)方式及其對(duì)生長(zhǎng)速率的關(guān)系；阿弗拉密方程的應(yīng)用；液固界面結(jié)構(gòu)和液固界面前沿液體的溫度分布

4、對(duì)晶體形態(tài)的影響；減小晶粒尺寸的方法；了解亞穩(wěn)相出現(xiàn)的原因；高分子結(jié)晶與低分子結(jié)晶的相似性和差異性；2. 教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)： 重點(diǎn)：（1）晶向、晶面的表示及其指數(shù)的計(jì)算；（2）面心立方、體心立方、密排六方晶體的主要參數(shù)和計(jì)算方法；（3）立方晶體的間隙；（4）點(diǎn)缺陷的主要類(lèi)型，擴(kuò)散激活能和FICK第一定律；（5）四種轉(zhuǎn)變類(lèi)型及特點(diǎn)。 難點(diǎn)：面心立方、體心立方、密排六方晶體的主要參數(shù)和計(jì)算方法；立方晶體的間隙。 第一節(jié) 物質(zhì)的組成、狀態(tài)及材料結(jié)構(gòu) （2學(xué)時(shí)） 一、物質(zhì)的組成和狀態(tài) 二、材料結(jié)構(gòu)的含義 第二節(jié) 材料的原子結(jié)構(gòu) （2學(xué)時(shí)） 一、原子力學(xué)的幾個(gè)基本概念 二、原子核結(jié)構(gòu) 三、原子核外電子 第

5、三節(jié) 原子之間相互作用和結(jié)合 （2學(xué)時(shí)） 一、基本結(jié)合（化學(xué)鍵合） 二、派生結(jié)合（物理鍵合） 三、各種鍵性的比較 四、原子間距和空間排列 第四節(jié) 多原子體系中電子的相互作用與穩(wěn)定性 （2學(xué)時(shí)） 一、雜化軌道和分子軌道理論 二、費(fèi)米能級(jí) 三、固體中的能帶 第五節(jié) 固體中的原子有序 （2學(xué)時(shí)） 一、結(jié)晶體的特點(diǎn)與晶體的性質(zhì) 二、晶體幾何學(xué)基礎(chǔ) 三、晶體的類(lèi)型 第六節(jié) 固體中的原子無(wú)序 （4學(xué)時(shí)）一、固溶體 二、晶體結(jié)構(gòu)缺陷 三、非晶體 四、擴(kuò)散 第七節(jié) 固體中的轉(zhuǎn)變 （2學(xué)時(shí)） 一、固體中的轉(zhuǎn)變類(lèi)型 二、平衡和相變 三、相圖第八節(jié) 固體的表面結(jié)構(gòu) （2學(xué)時(shí)） 一、表面力和表面力場(chǎng) 二、表面能和表面

6、張力 三、表面結(jié)構(gòu)及幾何形狀 四、固體表面的特性第三章 材料組成與結(jié)構(gòu) （14學(xué)時(shí)） 1. 教學(xué)目的與要求： 了解無(wú)機(jī)非金屬材料的鍵合形式、晶體結(jié)構(gòu)及非晶體結(jié)構(gòu)；掌握高分子材料的組成與結(jié)構(gòu)的多層次性，高分子鏈的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及影響因素，高分子材料的織態(tài)結(jié)構(gòu)和微區(qū)結(jié)構(gòu)，聚合物共混物的類(lèi)型、形態(tài)結(jié)構(gòu)及界面層；掌握復(fù)合材料的分類(lèi)、增強(qiáng)原理、界面類(lèi)型、結(jié)合原理以及性能 2. 教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)： 重點(diǎn)：（1）硅酸鹽的五種晶體結(jié)構(gòu)、橋氧原子和非橋氧原子；（2）大分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)、柔性和構(gòu)象；大分子鏈的結(jié)晶構(gòu)象與晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；（3）復(fù)合材料界面的形成過(guò)程、結(jié)構(gòu)與功用特點(diǎn)難點(diǎn)：硅酸鹽的五種晶體結(jié)構(gòu)、橋氧原子和非橋氧原

7、子；大分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)、柔性和構(gòu)象。 第一節(jié) 材料組成和結(jié)構(gòu)的基本內(nèi)容 （2學(xué)時(shí)） 第二節(jié) 無(wú)機(jī)非金屬材料的組成與結(jié)構(gòu) （ 4學(xué)時(shí)） 一、無(wú)機(jī)非金屬材料的組成與結(jié)合鍵 二、無(wú)機(jī)非金屬材料中的簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu) 三、硅酸鹽結(jié)構(gòu) 四、無(wú)機(jī)非金屬材料的非晶體結(jié)構(gòu) 五、陶瓷 六、碳化合物 第三節(jié) 高分子材料的組成和結(jié)構(gòu) (4學(xué)時(shí)) 一、高分子材料的組成和結(jié)構(gòu)的基本特征 二、高分子鏈的組成和結(jié)構(gòu) 三、高分子鏈的聚集態(tài)結(jié)構(gòu) 四、高分子材料的組成和織態(tài)結(jié)構(gòu)及微區(qū)結(jié)構(gòu) 五、聚合物共混材料 第四節(jié) 復(fù)合材料的組成和結(jié)構(gòu) （4學(xué)時(shí)） 一、復(fù)合材料的定義及分類(lèi) 二、復(fù)合材料的組成 三、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu) 四、復(fù)合材料的界面 第

8、四章 材料的性能（14學(xué)時(shí)） 1. 教學(xué)目的與要求：了解材料的功能特性（力學(xué)性能、電性能、熱性能、磁性能、光學(xué)性能、耐腐蝕性能、復(fù)合材料性能和納米材料及效應(yīng)）。 2. 教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：重點(diǎn)：（1）不同材料力學(xué)性能的差異及其與組成和結(jié)構(gòu)的關(guān)系；應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的物理意義；彈性形變；永久形變的機(jī)制與塑性材料的增強(qiáng)途徑；強(qiáng)度的概念及測(cè)試方法和計(jì)算公式；斷裂韌性的類(lèi)型及計(jì)算；粘合摩擦和磨損機(jī)制；（2）不同材料熱物理性能的差異及其與組成和結(jié)構(gòu)的關(guān)系；熱導(dǎo)率、熱容和比熱的定義，材料熱膨脹的內(nèi)在因素及影響因素，耐熱性和阻燃性高分子的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；（3）不同材料電學(xué)性能的差異及其與組成和結(jié)構(gòu)的關(guān)系，電導(dǎo)機(jī)制、電

9、導(dǎo)率的基本參數(shù)及影響因素；材料的電子能帶結(jié)構(gòu)與電導(dǎo)性、光導(dǎo)性和半導(dǎo)電性公式；介電常數(shù)的定義、介質(zhì)極化的三種機(jī)制；（4）磁化率與磁性材料的五種類(lèi)型，磁滯回線(xiàn)的成因；（5）光吸收與光波長(zhǎng)的關(guān)系，材料對(duì)光吸收、反射和透射的內(nèi)在因素和表述方式；（6）復(fù)合材料的混合效應(yīng)和幾何尺寸效應(yīng)；單向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能，模量和強(qiáng)度；（7）納米效應(yīng)的基本特點(diǎn)難點(diǎn)：永久形變的機(jī)制；斷裂韌性的計(jì)算；電導(dǎo)機(jī)制；半導(dǎo)電性計(jì)算；磁滯回線(xiàn)的成因；材料對(duì)光吸收、反射和透射的內(nèi)在因素和表述；單向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能，模量和強(qiáng)度。 第一節(jié) 固體材料的力學(xué)性能 (2學(xué)時(shí)) 一、材料的力學(xué)狀態(tài) 二、應(yīng)力和應(yīng)變 三、彈

10、性形變 四、永久形變 五、強(qiáng)度、斷裂及斷裂韌性 六、硬度 七、摩擦和磨損 八、疲勞 第二節(jié) 材料的熱性能 （4學(xué)時(shí)） 一、熱導(dǎo)率和比熱容 二、熱膨脹性 三、耐熱性 四、熱穩(wěn)定性 五、高分子材料的燃燒特性 第三節(jié) 材料的電學(xué)性能 （2學(xué)時(shí)） 一、電導(dǎo)率和電阻率 二、材料的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性 三、材料的超導(dǎo)電性 四、材料的介電性 第四節(jié) 材料的磁學(xué)性能 （2學(xué)時(shí)） 一、物質(zhì)的磁性 二、磁疇與磁滯回線(xiàn) 三、非金屬材料的磁學(xué)性能 四、高分子材料的磁學(xué)性能 第五節(jié) 材料的光學(xué)性能 （1學(xué)時(shí)） 一、電磁輻射及其與原子的相互作用 二、反射、吸收和透射 三、材料的光學(xué)性質(zhì) 四、旋光性及非線(xiàn)性光學(xué)性 五、光澤 六、發(fā)光 七、光敏性 第六節(jié) 材料的耐腐蝕性 （1學(xué)時(shí)）一、物理腐蝕 二、化學(xué)腐蝕 三、電化學(xué)腐蝕 第七節(jié) 復(fù)合材料的性能 （2學(xué)時(shí)） 一、復(fù)合材料的特性 二、復(fù)合材料性質(zhì)的復(fù)合效應(yīng) 三、復(fù)合材料的力學(xué)性能 第八節(jié) 納米材料及效應(yīng) （2學(xué)時(shí)） 一、納米材料的結(jié)構(gòu) 二、納米材料的基本物理效應(yīng) 三、納米材料的應(yīng)用 五、考核方式與成績(jī)?cè)u(píng)定 考核方式為閉卷考試；成績(jī)?cè)u(píng)定辦法為平時(shí)成績(jī)加期末考試成績(jī)，平時(shí)成績(jī)占30%，期末考試成績(jī)占70%。平時(shí)成績(jī)包括學(xué)習(xí)態(tài)度，作業(yè)和考