《无机材料物理性能》教学大纲.docx

1、无机材料物理性能教学大纲无机材料物理性能教学大纲预修课程：大学物理、物理化学、材料物理化学基础、结晶学 开课学期学期：每年春季 总学时：72 学分：4 大纲撰写人：苗鸿雁、宁青菊、谈国强 1.目的与要求 无机材料物理性能课程是无机材料专业本科生必修的专业基础课。属于多学科交叉的一门综合课程。开设该课程的目的及要求是： (1) 理解无机非金属材料的力学、热学、电学、光学等性能的物理模型、原理； (2) 了解各性能之间的联系与区别； (3) 了解材料物理性能与其他学科地联系； (4) 具有分析影响各性能的因素、各性能间的变化规律的能力，并提出对性能进行控制和改善的措施等； (5) 学会运用所学知识

2、和理论从微观的角度和分子的角度去设计材料，使所学知识得以应用； (6) 了解无机非金属材料研究领域中的前沿、热点和难点问题与本课程知识点的联系。 2. 指导思想 培养科学精神，了解科学的思维方法，培养适应当今人才市场需求的厚基础、宽口径、工程性和科研性的人才。 3. 主要内容 本课程系统地阐述了无机非金属材料的力、热、电、光等性能的物理模型、原理和影响因素，分析了各性能间的变化规律、性能的控制和改善措施等。在描述物理现象时，尽量避免复杂的数学推导，而注重数学关系式的物理意义，注重理论联系实际。内容深入浅出、容易理解。所用事例大多为无机非金属材料研究领域中的前沿、热点和难点问题，对提高产品的性能

3、和新品的开发有重要的实用价值。因此在课程内容上突出“科学性、思想性、先进性、实践性”的原则。 4. 教学方法及手段 本课程采用理论和实践相结合的灵活多样的教学方法，贯穿重点、难点突出的原则，抓住“组成-结构-性能-材料-应用”这一主线，使学生对本课程能全面的掌握。为了实现这一教学方法，需要采用“板书+多媒体+模型”复合式的教学手段，并配以其他教学手段。 5. 考核办法 本课程为考试课，作业占10%，小论文占10%，平时考核占10%，期末考试成绩占70%。 6. 任务 根据教学计划，本课程在本科生的第六学期内完成课堂授课任务，计划总学时72学时。 第一章为无机材料性能的物理基础。重点是物理学原胞

4、、结晶学原胞、子格子、复式格子的概念、区别与应用；倒格子概念引出的意义、概念及应用；正倒格子间的相互转化；倒格子与X衍射的关系；晶体的结合力与结合能的意义、晶体的结合类型与性能的关系；晶体中原子的振动形式、光学波和声学波的特点、运用边界条件描述振动量子化概念、声子概念的意义及应用；孤立原子的核外电子与晶体中原子的核外电子的运动形式的变化及原因、通过薛定谔方程描述不同势阱中粒子的运动形式及解的结果说明；能带理论在解释材料导电性方面的应用；电子在不同状态上的分布规律；费米能级概念引出的物理意义。其中的难点是对倒格子的概念的理解；声子概念和特性的理解、电子作共有化运动的特点及描述；费米能级概念的物理

5、意义及两种描述形式。 第二章是从应力与应变的基本概念出发理解材料的受力形变。重点是广义虎克定律的描述；弹性形变的机理、性能及其影响因素和应用；温度补偿材料的概念及研究的目的；塑性形变的机理、特点；不同材料塑性形变的本质原因；在温度和小应力作用下，材料塑性形变的速率及材料发生断裂的条件；位错形成过程的描述；位错增殖概念的理解；影响塑性形变的因素；高温蠕变的概念、特点及不同阶段的本质；粘度的概念及影响因素；滞弹性的特点及模型；不同组合模型的应力和应变的关系；应力松弛和应变松弛的概念及意义；应力松弛时间和应变松弛时间的概念及说明。本章的难点是对塑性形变的机理的理解、建立材料结构的力学模型及其数学表达

6、形式的理解。 第三章是在第二章的基础上分析材料的强度和韧性，重点是：掌握材料的理论强度、应力集中的概念；微不均匀区的特点；塑性形变和裂纹开裂的异同点；实际强度的应力集中观点和微裂纹理论；断裂能的内容；微裂纹尖端应力场的分别及特点；裂纹的三个重要模型；分析影响强度的因素及提高强度的措施；韧性概念及影响因素；传统强度判据和微裂纹强度判据的区别和意义；强度和韧性的区别；结构材料的设计思想。难点是对微裂纹尖端应力场分布的理解；影响强度的因素及机理；多晶材料的断裂与晶体断裂的特点；结构材料的设计。 第四章是在晶格振动的基础上理解晶格振动对热的贡献，由此对材料的其他热学性能有很重要的影响。重点是理解晶格的

7、简谐振动和非简谐振动、利用简谐振动理解热容机理；利用非简谐振动理解热导和热膨胀的机理；分析影响热学性能的因素；利用声子的概念分析热阻形成的原因；小膨胀材料或负膨胀材料的结构；对比金属和非金属材料热学性能的本质区别和特点；复合材料热学性能的结构模型；分析材料热稳定性的概念、表征、抗热损伤性和抗热断裂性；微裂纹对热稳定性的影响。难点是热导机理及其影响因素的理解；声子对热阻的影响；复合材料热学性能模型的理解；气孔对热导率的影响。 第五章是在晶体中电子运动的基础上理解无机非金属材料的导电特性和半导特性。重点是对体积电阻表面电阻和体积电阻率和表面电阻率的理解和描述；迁移率、电导率的概念和物理本质；离子电

8、导的特点及应用、快离子导体的特点及条件；各种载流子存在时材料导电率的表达形式；电阻形成的原因；材料p或n型半导化的机理；p-n结能带的形成过程及特点；利用能带理论解释表面势的概念；材料的表面效应和晶界效应；各种敏感元件的机理及应用。难点是影响电阻形成的原因；利用费米能级分析p-n结的能带形成过程、表面反型层形成过程的理解。 第六章是在讨论带电质点在外电场或外力的作用下作短距离移动时表现出来的一系列电学性能。重点是掌握极化、极化强度宏观电场、局部电场、外加电场、退极化电场、洛仑兹球场的概念及形式；建立宏观物理参量和微观量之间的关系；各种一般的极化机理、高介电常数的极化模型及方程的建立；高介电常数

9、具备的条件；介电损耗的形式、复介电常数引出的意义、频率温度对介电损耗的影响；不同频率下各种极化对介电常数的贡献；热击穿和电击穿的特点；介电强度的概念；自发极化的特点与机理、对称中心和非对称中心对压电性的影响。难点是高介电常数材料的极化、自发极化、介电损耗的形式。 第七章是在讨论带电电荷在运动过程中引起电流，由此引起磁场的基础上讨论磁学性能及磁性的特点。重点是理解磁化强度、磁荷、磁偶极子、磁矩、磁导率等基本概念；物质中所有磁现象的根源；磁学和电学基本物理量的比较；不同磁性材料的磁化强度与磁场强度的关系曲线、磁化率与温度的关系；磁畴的形成和磁滞回线、自发磁化的概念及其与自发极化的比较；畴壁运动的特

10、点、各种铁氧体的结构及磁性；磁性材料的物理效应及应用；磁性材料及应用。难点是对磁矩、磁性的理解、畴壁运动的特点。 第八章是非常重要、综合性的一章。由于光包含了电场、磁场、因此它作用在材料上可以认为是电场或磁场作用于材料。对于非磁性材料可以认为是电场作用于材料，因此各种光学性能可以借助于材料的介电性能来理解。具体表现在材料的折射率和介电常数有非常重要的关系，且介电常数和折射率有相似的数学形式。重点是光在材料中传播的各种现象及机理，由此分析在传播时表现出的性能的影响因素；材料的颜色、发光机理；各种特殊材料的光学性质及应用。难点是对各种光学现象机理的解释。 第九章是以材料的力学性能为基础讨论材料在特

11、殊环境下使用时材料性能的变化。重点掌握材料在各种介质中的腐蚀机理及对性能的影响，提出保护材料的措施。难点是环境对材料的腐蚀机理和材料的保护。 陈树串，材料物理性能，上海交通大学出版社，1999 王秀峰，宁青菊，谈国强等编著，无机材料物理性能，化工出版社，2005 1. 关振铎，无机材料物理性能，清华大学出版社，1989 2. 电介质物理 方俊鑫 殷之文主编 科技出版社 1989. 3. 电解质 曹婉真 夏又新编 西安 西安交通大学出版社 1991 4. 硅酸盐工业产品性能及测试分析 谈国强 刘新年 宁青菊编 北京化学工业出版社 2004.8 5. 固体物理学 黄昆原著 韩汝琦改编 高等教育出版

12、社 1988 6. 量子力学简明教程 张怿慈编 高等教育出版社 1979 7. 半导体物理学 刘恩科 朱秉升 罗晋生 国防工业出版社 1994.4 8. 应用带电粒子光学引论 唐天同编著 西安 西安交通大学出版社 1986 9.结构化学 何福城 朱正和编 人民教育出版社 1979 72 绪 论 （1课时） 第一章 无机材料物理基础（17课时） 1.1晶体结构（5） 1.1.1空间点阵 1.1.2密勒指数 1.1.3倒格子 1.2晶体的结合（2） 1.2.1晶体的结合类型 1.2.2结合能 1.2.3离子半径 1.3晶格振动（4） 1.3.1一维原子链的振动 声学波和光学波 1.3.2晶格振动的

13、量子化 1.4晶体中的电子（6） 1.4.1原子的能级 1.4.2晶体中电子的状态和能带 1.4.3晶体中电子的运动 有效质量 1.4.4晶体中电子的分布 思考题 第二章 无机材料的受力形变（8课时） 2.1弹性形变（2） 2.1.1应力与应变 2.1.2广义虎克定律 2.1.3弹性形变的机理 2.1.4 弹性模量的影响因素 2.2无机材料的塑性形变（3） 2.2.1晶格的滑移 2.2.2塑性形变的机理 2.2.3影响塑性形变的因素 2.3无机材料的高温蠕变（1） 2.3.1蠕变曲线 2.3.2蠕变机理 2.3.3影响蠕变的因素 2.4粘滞流动（自学） 2.4.1流动模型 2.4.2影响粘度的

14、因素 2.5滞弹性（2） 思考题 第三章 无机材料的强度与脆性断裂（8课时） 3.1无机材料的断裂理论（2） 3.1.1理论强度 3.1.2格里菲斯微裂纹强度理论 3.2应力强度因子与平面应变断裂韧性（2） 3.2.1断裂扩展的方式 3.2.2裂纹尖端应力场分析 3.2.3应力强度因子和平面应变断裂韧性 3.3无机材料的断裂过程（1） 3.3.1裂纹的起源与扩展 3.3.2亚临界裂纹的生长和扩展 3.3.3蠕变断裂 3.4断裂的随机过程论（自学） 3.5影响无机材料强度的影响（1） 3.6提高陶瓷材料强度及改善脆性的途径（2） 3.6.1微晶、高密度和高纯度 3.6.2预加应力 3.6.3化学

15、强化 3.6.4材料复合 思考题 第四章 无机材料的热学性能（ 8课时） 4.1热容（2） 4.1.1晶体热容的经验定律和经典理论 4.1.2晶体热容的量子理论 4.1.3无机材料的热容 4.2热膨胀（2） 4.2.1热膨胀系数 4.2.2热膨胀机理 4.2.3影响热膨胀系数的因素 4.2.4不同材料热膨胀系数的适应性 4.3热导率（2） 4.3.1晶体热传导的宏观规律 4.3.2热传导的微观机理 4.3.3影响热导率的因素 4.4抗热震性（2） 4.4.1抗热震性 4.4.2热应力的产生过程 4.4.3抗热震断裂性 4.4.4抗热震损伤性 4.4.5影响抗热震性的因素 思考题 第五章 无机材

16、料的电导（ 8课时） 5.1电导的物理现象（1） 5.1.1电导的宏观参数 5.1.2电导的物理特征 5.1.3迁移率和电导率的一般表达式 5.2离子电导（2） 5.2.1载流子的浓度 5.2.2离子的迁移率 5.2.3离子的电导率 5.2.4扩散与离子电导 5.2.5影响电导率的因素 5.2.6固体电解质 5.3电子电导（1） 5.3.1载流子的散射 5.3.2载流子的浓度 5.3.3电子的迁移率 5.3.4电子的电导 5.3.5影响电子电导的因素 5.4无机材料的电导（自学） 5.4.1玻璃态电导 5.4.2无机材料的电导 5.5半导体材料的物理效应 （4） 5.5.1半导体中的缺陷能级

17、5.5.2不同材料的接触及其能带图 5.5.3半导体材料的物理效应 5.6超导材料（自学） 5.6.1Josephson效应 5.6.2超导体的应用 思考题 第六章 介电性能（ 8课时） 6.1介质的电极化（3） 6.1.1介质的极化强度 6.1.2宏观电场与局部电场 6.1.3电极化微观机制 6.1.4高介晶体的极化 6.1.5无机材料的极化 6.2介质的损耗 （2） 6.2.1介电损耗的形式 6.2.2介电损耗和频率、温度的关系 6.2.3无机材料介质的损耗 6.3介电强度（1） 6.3.1介质在电场中的破坏现象 6.3.2热击穿 6.3.3电击穿 6.3.4无机材料的击穿 6.4铁电性与

18、压电性（2） 6.4.1铁电性 6.4.2压电性 6.4.3铁电体与压电体的性能及应用 思考题 第七章 无机材料的磁学性能（ 6课时） 7.1磁性的本质 （2） 7.1.1磁性的概念 7.1.2磁性的本质 7.1.3磁性的分类 7.2磁性特征（2） 7.2.1磁畴 7.2.2磁滞回线 7.2.3磁导率 7.3铁氧体的结构（2） 7.3.1尖晶石型铁氧体 7.3.2石榴石型铁氧体 7.3.3磁铅石型铁氧体 7.4铁氧体磁性材料（自学） 7.4.1软磁材料 7.4.2硬磁材料 7.4.3矩磁材料 思考题 第八章 无机材料的光学性能 （ 8课时） 8.1光和物质相互作用的理论（2） 8.2光在界面的

19、反射和折射（2） 8.2.1光的反射和折射 8.2.2影响折射率的因素 8.2.3反射率和透射率 8.2.4介质的表面光泽 8.3光在各向异性介质中的传播（1） 8.3.1双折射 8.3.2旋光 8.4光的吸收、色散和散射（2） 8.4.1.光的吸收 8.4.2 色散 8.4.3光的散射 8.5无机材料的透光性 (自学) 8.5.1透光性 8.5.2不透明性（乳浊性） 8.5.3半透明性 8.6无机材料的颜色（1） 8.6.1配位场化学 8.6.2着色剂 8.6.3胶态粒子着色 8.6.4影响色料颜色的因素 8.7特种光学材料（自学） 思考题 第九章 材料在特殊环境中的性能（自学） 9.1腐蚀 9.1.1液体腐蚀 9.1.2气体腐蚀 9.1.3固体腐蚀 9.2性能与腐蚀 9.2.1晶体材料 9.2.2玻璃体材料 9.2.3氧化对性能的影响 9.2.4其他气体对性能的影响 9.3防止腐蚀的方法和措施 9.3.1晶体材料 9.3.2玻璃体材料 思考题