【材料課件】材料科學(xué)與工程大綱

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1、 西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 《材料科學(xué)與工程概論》 教學(xué)大綱 課程編號： 課程名稱：材料科學(xué)與工程概論 英文名稱： Generaltheoryofmaterialscienceandtechnology 學(xué)時： 34 學(xué)時 學(xué)分： 2 學(xué)分 授課對象：材料科學(xué)與工程專業(yè)、材料物理等本科專業(yè)。 課程性質(zhì)：專業(yè)入門必修基礎(chǔ)課程。 先修課程：無 一、課程教學(xué)目標(biāo)： 考慮到材料類專業(yè)是

2、非傳統(tǒng)專業(yè)，許多考生和家長對該類專業(yè)還不了解這 一現(xiàn)狀，為了使學(xué)生盡早地對材料科學(xué)與工程的概況有一個大概的了解， 有利于培養(yǎng)對材料類學(xué)科的興趣，從而調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，熱愛本專業(yè)； 在學(xué)生還沒有正式接觸專業(yè)課之前，對材料科學(xué)與工程的概況有一個大概 的了解，同時又能掌握一定的專業(yè)基本知識，為盡早接觸專業(yè)文獻(xiàn)、學(xué)術(shù) 報告奠定一定的基礎(chǔ)。 二、教學(xué)內(nèi)容及基本要求 作為材料學(xué)科的一門主要課程，既要考慮“概論”的特點，盡可能拓 寬知識面，又要考慮使學(xué)生從該門課程中能學(xué)到一定的知

3、識，就需要該教 材具有一定的廣度和適當(dāng)?shù)纳疃取? 本課程主要介紹材料科學(xué)的誕生與發(fā)展、材料科學(xué)與工程的研究對象 與方法、材料與人類社會的發(fā)展的關(guān)系。材料的相變、固體的一般性質(zhì)和 材料的檢測與分析。材料制備的一般知識和一些代表性材料的性質(zhì)和應(yīng)用。 教材共分 13 章。前四章介紹材料的一般概念和基本知識，包括引論、固體 的一般性質(zhì)、材料的相變和材料的檢測與分析。 5~8 章介紹材料制備的一 般知識。 9~13 章為常見材料簡介。 教學(xué)要求分為三個層次，即了解、熟悉和掌握。了解為最低要求，

4、掌握 為最高要求。凡需要了解的內(nèi)容一般都為基本常識，要求學(xué)生知道即可。 最高要求則必須概念清楚、能熟練運用概念解釋有關(guān)現(xiàn)象，定量處理相關(guān) 問題。 具體教學(xué)內(nèi)容及基本要求如下。 第一篇材料的一般概念和基本知識 第一章：引論（ 2 學(xué)時） 本章主要介紹材料科學(xué)的誕生與發(fā)展、材料科學(xué)與工程的研究對象與 方法、材料與人類社會的發(fā)展。 1.1 材料科學(xué)的誕生與發(fā)展 1.2 材料科學(xué)與工程的研究對象與方法 1.3 材料與人類社會的發(fā)展

5、 1.4 材料與現(xiàn)代高新技術(shù) 基本要求 :了解材料科學(xué)的誕生與發(fā)展、材料與人類社會的發(fā)展的關(guān)系； 熟悉材料科學(xué)與工程的研究對象與方法。 本章重點 ：材料科學(xué)與工程的研究對象與方法、材料與現(xiàn)代高新技術(shù) 第二章：固體的一般性質(zhì)（ 10 學(xué)時） 本章主要包含晶體的描寫（晶面、晶棱、頂點、解理面） ；晶體的宏觀 特性、晶面角守恒定律；空間點陣、原胞、平移周期；固體物理學(xué)原胞、 結(jié)晶學(xué)原胞、點陣常數(shù)；七個晶系、十四種類型；密堆積和配位數(shù)；結(jié)合 力、化學(xué)鍵；正電性元素、負(fù)電性元素；四類

6、化學(xué)健及其與材料性能的關(guān) 系；結(jié)合力的普遍特征、結(jié)合能；晶體彈性的微觀解釋、晶體的范性形變 和位錯。 2.1 晶體的宏觀特性晶面角守恒定律 2.2 空間點陣、原胞、平移周期 2.3 固體物理學(xué)原胞、結(jié)晶學(xué)原胞、點陣常數(shù) 2.4 晶系與類型 2.5 密堆積和配位數(shù) 2.6 結(jié)合力化學(xué)鍵 2.7 晶體彈性的微觀解釋 2.8 晶體中粒子的運動 2.9 晶體的范性形變和位錯 基本要求 :了解晶面、晶棱、頂點、解理面的概念

7、；晶體的宏觀特性、晶面 角守恒定律； 熟悉密堆積和配位數(shù)；晶體彈性的微觀解釋、晶體的范性形變和位錯、 結(jié)合能。 掌握空間點陣、原胞、平移周期；固體物理學(xué)原胞、結(jié)晶學(xué)原胞、點 陣常數(shù)；七個晶系、十四種類型；結(jié)合力的普遍特征。 本章重點 ：晶體的宏觀特性、原胞、平移周期、七個晶系、十四種類型 本章難點 ：七個晶系、十四種類型、密堆積和配位數(shù) 第三章：材料的相變（ 6 學(xué)時） 本章主要包含理想氣體的等溫壓縮曲線、范德瓦耳斯氣體及等溫線、過 冷氣體和過熱液體、等

8、面積法則、杠桿定律、臨界點的概念及其臨界點的 確定、三相圖；相變的概念及其單元系一級相變的宏觀特征；同素異晶轉(zhuǎn) 變；二元及三元系相圖的一般知識。 3.1 氣液相變理想氣體等溫壓縮曲線 3.2 范德瓦耳斯等溫線過冷現(xiàn)象和過熱現(xiàn)象 3.3 等面積法則杠桿定律臨界點的確定 3.4 固液相變固氣相變?nèi)鄨D 3.5 單元系一級相變的宏觀特征 3.6 同素異晶轉(zhuǎn)變 3.7 二元及三元系相圖 基本要求 ：了解過冷現(xiàn)象、過冷氣體和過熱現(xiàn)象、過熱液體的概

9、念，如何 防止，如何應(yīng)用；相變的概念及其單元系一級相變的宏觀特征；二元及三 元系相圖的一般知識；臨界點的概念及其臨界點的確定。 熟悉理想氣體的等溫壓縮曲線； 范德瓦耳斯氣體及等溫線； 等面積法則； 同素異晶轉(zhuǎn)變。 掌握杠桿定律；三相圖。 本章重點 ：單元系一級相變的宏觀特征、過冷氣體和過熱液體的概念、臨 界點的概念、杠桿定律 本章難點 ：范德瓦耳斯氣體等溫線 第四章：材料的檢測與分析（ 2 學(xué)時） 本章主要包含結(jié)構(gòu)分析和成分分析 4.1 結(jié)構(gòu)

10、分析（ X 射線衍射、電子衍射、中子衍射和擴展 x 射線吸收譜 精細(xì)結(jié)構(gòu) EXAFS） 4.2 成分分析（電子探針、電子能譜、離子束分析） 基本要求 ：了解 X 射線衍射、電子衍射、中子衍射和擴展 x 射線吸收譜精 細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）、電子探針、電子能譜（俄歇電子能譜、 光電子能譜 (PES)） 離子束分析（二次離子質(zhì)譜（ SIMS ）、背散射和溝道技術(shù)）的優(yōu)缺點和適 用范圍。 本章重點 ：各種分析方法的優(yōu)缺點和適用范圍。 第二篇材料制備的一般知識

11、 第五章：單晶制備與材料的攙雜（ 1 學(xué)時） 本章主要包含熔體生長、溶液生長、氣相生長、熱擴散、離子注入、 MOCVD 和 MBE 5.1 熔體生長與單晶爐 5.2 溶液生長與液相外延爐 5.3 氣相生長與氣相外延爐 5.4 攙雜 基本要求 ：本章內(nèi)容全部為了解內(nèi)容。 本章重點 ：各種制備方法的優(yōu)缺點和適用范圍。 第六章：無機非金屬（陶瓷）材料的制備（ 1 學(xué)時） 本章主要包含粉料的制備、混合、成型、干燥、燒結(jié)，非晶體材料的 制備。

12、 6.1 粉料的制備與混合 6.2 成型與干燥 6.3 燒結(jié) 6.4 非晶體材料的制備（急冷法、蒸發(fā)、濺射、電解、化學(xué)沉積等） 基本要求 ：本章內(nèi)容全部為了解內(nèi)容。 本章重點 ：各種制備方法的優(yōu)缺點和適用范圍。 第七章：薄膜材料的制備（ 1 學(xué)時） 本章主要包含物理氣相沉積 (PVD) 和化學(xué)氣相沉積 (CVD). 7.1 物理氣相沉積 7.2 化學(xué)氣相沉積 7.3 溶膠涂掛 基本要求 ：了解真空蒸鍍的主要方法：包括

13、電阻加熱法、電子束轟擊法、 激光束加熱、反應(yīng)蒸鍍和分子束外延 (MBE) 、濺射和離子鍍 熟悉各種方法的優(yōu)缺點和適用條件。 本章重點 ：各種制備方法的優(yōu)缺點和適用范圍。 第八章：納米材料的制備（ 1 學(xué)時） 本章主要包含氣相冷凝法、非晶晶化法、高能球磨法和溶膠 -凝膠法 8.1 氣相冷凝法 8.2 非晶晶化法 8.3 高能球磨法 8.4 溶膠 - 凝膠法 基本要求 ：了解制備的各種方法 熟悉各種方法的優(yōu)缺點和適用條件。

14、 本章重點 ：各種制備方法的優(yōu)缺點和適用范圍。 第三篇常見材料簡介 第九章：金屬材料（ 2 學(xué)時） 本章主要包含鐵一碳合金的組元、相圖；鋼的分類；形狀記憶合金。 9.1 鐵—碳合金（組元、相圖；鋼的分類） 9.2 形狀記憶合金 基本要求 ：了解順磁體、鐵磁體和居里點的基本概念、 768 ℃時為一相變點； 形狀記憶合金。 熟悉α —Fe 和γ —Fe 均為同素異構(gòu)體以及它們的區(qū)別；碳在鐵一碳合 金中的作用；奧氏體、鐵索體、滲碳體；鋼的分類 掌握鐵一碳

15、合金的相圖和五種相、形狀記憶效應(yīng) 本章重點 ：相圖的應(yīng)用。 本章難點 ：馬氏體相變 第十章：無機非金屬材料（陶瓷材料） （2 學(xué)時） 本章主要包含無機非金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織以及主要性能和應(yīng)用領(lǐng)域。 10.1 分類 10.2 結(jié)構(gòu)與組織 10.3 性能和應(yīng)用 基本要求 ：了解晶體相的主要存在形式及其特征、氧化物的主要存在形式 及其特征、非氧化合物的主要存在形式及其特征；玻璃相的形成及作用； 氣相的形成及作用。 熟悉陶瓷的機械性能

16、；塑性、韌性或脆性的概念；物理化學(xué)性能； 本章重點 ：無機非金屬材料的性能和應(yīng)用領(lǐng)域。 本章難點 ：攙雜與晶界對材料性能的影響。 第十一章：高分子材料（ 2 學(xué)時） 本章主要包含高分子材料的一般知識，它們包括單體的概念、合成的方 法；主要性能；高分子材料的常見類型。 11.1 高分子材料的基本概念 11.2 高分子材料的合成 11.3 高分子材料的性能與分類 基本要求 ：了解單體的概念、合成的方法；主要性能；高分子材料的常見 類型。 本章重點

17、 ：高分子材料的性能 第十二章：復(fù)合材料（ 2 學(xué)時） 本章主要包含復(fù)合材料的一般概念和優(yōu)越性能；復(fù)合材料的分類及常 見復(fù)合材料；復(fù)合材料的增強機制、纖維復(fù)合材料的復(fù)合原則；復(fù)合材料 的性能特點。 12.1 復(fù)合材料的基本概念 12.2 一般復(fù)合方法 12.3 復(fù)合材料性能與分類 基本要求 ：本章內(nèi)容全部為了解 本章重點 ：復(fù)合材料性能 第十三章：功能材料（ 4 學(xué)時） 本章主要包含半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、磁性材料、納米材料

18、、敏感材料 等的基本概念、主要性質(zhì)和用途。 13.1 半導(dǎo)體材料 13.2 超導(dǎo)材料 13.3 磁性材料 13.4 納米材料 13.5 敏感材料 13.6 新能源和節(jié)能材料 13.7 生物植入材料 基本要求 ：了解本征半導(dǎo)體與攙雜半導(dǎo)體；光電效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、發(fā) 光效應(yīng)；超導(dǎo)現(xiàn)象與完全抗磁性；超導(dǎo)微電子器件的優(yōu)越性；軟磁和硬磁 材料的概念；磁性材料；納米材料的物理性質(zhì)（包括小尺寸效應(yīng)、表面與 界面效應(yīng)、量子尺寸

19、效應(yīng)） ；碳納米管；新能源和節(jié)能材料；生物植入材料 的基本概念和主要應(yīng)用領(lǐng)域 本章重點 ：各種材料的主要性質(zhì)和優(yōu)越性。 三、教學(xué)安排及方式 授課方式：課堂講授與討論，采用多媒體教學(xué)手段 課程內(nèi)容 講課學(xué)時 實驗學(xué)時 作業(yè)量 引論 2 1 固體的一般性質(zhì) 10 15 材料的相變 6 10 材料的檢測與分析 2 3 單晶制備與材料的攙雜 1 無機非金屬（陶瓷）材料的制備 1 1 薄膜材料的制備 1 納米材料的制備 1 1 金屬材料 2

20、 2 無機非金屬材料 （陶瓷材料） 2 2 高分子材料 2 2 復(fù)合材料 2 2 功能材料 4 7 36 46 作業(yè)批改量：全收半改。 四、考核方式 課堂提問、討論、作業(yè)與期末筆試相結(jié)合 五、參考教材 本課程由于沒有先期課程，講授內(nèi)容涉及廣泛，目前沒有一本能全部 含蓋所有內(nèi)容的參考書，對相應(yīng)章節(jié)可查閱有關(guān)參考教材。如百科全書中 材料科學(xué)與工程卷以及《熱學(xué)》 、《材料物理基礎(chǔ)》、《材料工程基礎(chǔ)》等教 科書。