《材料科学与工程基础》课程大纲.docx

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《材料科学与工程基础》课程大纲

《材料科学与工程基础》课程大纲

一、课程概述

课程名称（中文）：

材料科学与工程基础

（英文）：

FundamentalsofMaterialsScienceandEngineering 

课程编号：

14241009

课程学分：

3

课程总学时：

48

课程性质：

专业课

二、课程内容简介

《材料科学与工程基础》是一门以材料为研究对象的科学，其研究内容涉及高分子材料、无机非金属材料、复合材料等各种材料的成分、结构、加工同材料性能及材料应用之间的相互关系，在材料科学与工程专业教学计划中是一门重要的专业基础课。

通过本课程的学习，使学生充分掌握材料科学的基础理论，深入理解材料的组成-结构-工艺-性能之间的关系。

为后继专业课程的学习打下良好的基础。

三、教学目标与要求

通过本课程的教学，使学生获得材料科学与工程专业高等工程技术人才所必须掌握的材料科学的基本概念、基本理论和基本原理等知识，培养学生分析解决生产实际问题的能力，进行新材料、新工艺研究开发的初步能力，培养学生的专业素质、科学思维、创新精神

要求通过本课程的教学,使学生掌握本课程中的基本概念、基本原理和相关的知识，了解用物理化学等基本原理阐明材料形成过程中的组成、结构、工艺与性能之间关系及相互联系，注重知识的连贯性和增强分析问题和解决问题的能力。

四、教学内容与学时安排

第一章绪论（2学时）

1.教学目的与要求：

了解本课程的学习内容、性质和作用。

2.教学重点与难点：

《材料科学基础》课程的性质、任务和内容，以及在材料科学与工程技术中的作用。

第二章材料结构基础（18学时）

1.教学目的与要求：

掌握描述原子中电子的空间位置和能量的四个量子数、核外电子排布遵循的原则;元素性质、原子结构和该元素在周期表中的位置三者之间的关系；原子间结合键分类及其特点；正确理解并掌握高分子链的近程和远程结构。

掌握结晶的热力学、结构和能量条件；相律的应用、克劳修斯——克拉珀龙方程的应用；均匀形核的临界晶核半径和形核功的推导；润湿角的变化范围及其含义；液—固界面的分类及其热力学判据；晶体的生长方式及其对生长速率的关系；阿弗拉密方程的应用；液—固界面结构和液—固界面前沿液体的温度分布对晶体形态的影响；减小晶粒尺寸的方法；了解亚稳相出现的原因；高分子结晶与低分子结晶的相似性和差异性；

2.教学重点与难点：

重点：

（1）晶向、晶面的表示及其指数的计算；

（2）面心立方、体心立方、密排六方晶体的主要参数和计算方法；（3）立方晶体的间隙；（4）点缺陷的主要类型，扩散激活能和FICK第一定律；（5）四种转变类型及特点。

难点：

面心立方、体心立方、密排六方晶体的主要参数和计算方法；立方晶体的间隙。

第一节物质的组成、状态及材料结构（2学时）

一、物质的组成和状态

二、材料结构的含义

第二节材料的原子结构（2学时）

一、原子力学的几个基本概念

二、原子核结构

三、原子核外电子

第三节原子之间相互作用和结合（2学时）

一、基本结合（化学键合）

二、派生结合（物理键合）

三、各种键性的比较

四、原子间距和空间排列

第四节多原子体系中电子的相互作用与稳定性（2学时）

一、杂化轨道和分子轨道理论

二、费米能级

三、固体中的能带

第五节固体中的原子有序（2学时）

一、结晶体的特点与晶体的性质

二、晶体几何学基础

三、晶体的类型

第六节固体中的原子无序（4学时）

一、固溶体

二、晶体结构缺陷

三、非晶体

四、扩散

第七节固体中的转变（2学时）

一、固体中的转变类型

二、平衡和相变

三、相图

第八节固体的表面结构（2学时）

一、表面力和表面力场

二、表面能和表面张力

三、表面结构及几何形状

四、固体表面的特性

第三章材料组成与结构（14学时）

1.教学目的与要求：

了解无机非金属材料的键合形式、晶体结构及非晶体结构；掌握高分子材料的组成与结构的多层次性，高分子链的聚集态结构及影响因素，高分子材料的织态结构和微区结构，聚合物共混物的类型、形态结构及界面层；掌握复合材料的分类、增强原理、界面类型、结合原理以及性能

2.教学重点与难点：

重点：

（1）硅酸盐的五种晶体结构、桥氧原子和非桥氧原子；

（2）大分子链的内旋转、柔性和构象；大分子链的结晶构象与晶体结构特点；（3）复合材料界面的形成过程、结构与功用特点

难点：

硅酸盐的五种晶体结构、桥氧原子和非桥氧原子；大分子链的内旋转、柔性和构象。

第一节材料组成和结构的基本内容（2学时）

第二节无机非金属材料的组成与结构（4学时）

一、无机非金属材料的组成与结合键

二、无机非金属材料中的简单晶体结构

三、硅酸盐结构

四、无机非金属材料的非晶体结构

五、陶瓷

六、碳化合物

第三节高分子材料的组成和结构（4学时）

一、高分子材料的组成和结构的基本特征

二、高分子链的组成和结构

三、高分子链的聚集态结构

四、高分子材料的组成和织态结构及微区结构

五、聚合物共混材料

第四节复合材料的组成和结构（4学时）

一、复合材料的定义及分类

二、复合材料的组成

三、复合材料的结构

四、复合材料的界面

第四章材料的性能（14学时）

1.教学目的与要求：

了解材料的功能特性（力学性能、电性能、热性能、磁性能、光学性能、耐腐蚀性能、复合材料性能和纳米材料及效应）。

2.教学重点与难点：

重点：

（1）不同材料力学性能的差异及其与组成和结构的关系；应力－应变曲线的物理意义；弹性形变；永久形变的机制与塑性材料的增强途径；强度的概念及测试方法和计算公式；断裂韧性的类型及计算；粘合摩擦和磨损机制；

（2）不同材料热物理性能的差异及其与组成和结构的关系；热导率、热容和比热的定义，材料热膨胀的内在因素及影响因素，耐热性和阻燃性高分子的组成和结构特点；（3）不同材料电学性能的差异及其与组成和结构的关系，电导机制、电导率的基本参数及影响因素；材料的电子能带结构与电导性、光导性和半导电性公式；介电常数的定义、介质极化的三种机制；（4）磁化率与磁性材料的五种类型，磁滞回线的成因；（5）光吸收与光波长的关系，材料对光吸收、反射和透射的内在因素和表述方式；（6）复合材料的混合效应和几何尺寸效应；单向连续纤维增强复合材料的力学性能，模量和强度；（7）纳米效应的基本特点

难点：

永久形变的机制；断裂韧性的计算；电导机制；半导电性计算；磁滞回线的成因；材料对光吸收、反射和透射的内在因素和表述；单向连续纤维增强复合材料的力学性能，模量和强度。

第一节固体材料的力学性能（2学时）

一、材料的力学状态

二、应力和应变

三、弹性形变

四、永久形变

五、强度、断裂及断裂韧性

六、硬度

七、摩擦和磨损

八、疲劳

第二节材料的热性能（4学时）

一、热导率和比热容

二、热膨胀性

三、耐热性

四、热稳定性

五、高分子材料的燃烧特性

第三节材料的电学性能（2学时）

一、电导率和电阻率

二、材料的结构与导电性

三、材料的超导电性

四、材料的介电性

第四节材料的磁学性能（2学时）

一、物质的磁性

二、磁畴与磁滞回线

三、非金属材料的磁学性能

四、高分子材料的磁学性能

第五节材料的光学性能（1学时）

一、电磁辐射及其与原子的相互作用

二、反射、吸收和透射

三、材料的光学性质

四、旋光性及非线性光学性

五、光泽

六、发光

七、光敏性

第六节材料的耐腐蚀性（1学时）

一、物理腐蚀

二、化学腐蚀

三、电化学腐蚀

第七节复合材料的性能（2学时）

一、复合材料的特性

二、复合材料性质的复合效应

三、复合材料的力学性能

第八节纳米材料及效应（2学时）

一、纳米材料的结构

二、纳米材料的基本物理效应

三、纳米材料的应用

五、考核方式与成绩评定

考核方式为闭卷考试；成绩评定办法为平时成绩加期末考试成绩，平时成绩占30%，期末考试成绩占70%。

平时成绩包括学习态度，作业和考察。

六、教材及主要参考资料

授课教材

《材料科学与工程基础》（第二版），顾宜主编，化学工业出版社出版，2013

主要参考书目

《材料科学基础教程》，赵品、谢辅洲、孙振国主编，哈尔滨工业大学出版社，2002

《材料科学基础》，潘金生、仝健民、田民波编，清华大学出版社，1998

《材料科学基础》，胡赓祥、蔡珣等主编，面向21世纪新教材,上海交通大学出版社出版，2006