材料科學與工程基礎雙語教學大綱

1、材料科學與工程基礎（雙語）教學大綱 一、課程基本信息 課程名稱（中、英文）：材料科學與工程基礎（雙語） （FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING 課程號（代碼）：300004030 課程類別：必修課 學時：48 學分：3 二、教學目的及要求 材料科學與工程基礎是六十年代初期創(chuàng)立的研究材料共性規(guī)律的一門學科，其研究 內(nèi)容涉及金屬、無機非金屬和有機高分子等材料的成分、結(jié)構、加工同材料性能及材料 應用之間的相互關系。 材料科學、 材料工業(yè)和高新技術的發(fā)展要求高分子材料與工程專 業(yè)的學生必須具備“大材料”基礎和“中材料”專業(yè)的寬厚知識結(jié)構。本

2、課程詳細闡述 高分子材料、金屬材料、無機非金屬材料、 復合材料等。 從材料科學與工程的角度出發(fā), 說明各種材料的共性規(guī)律及個性特征，并能夠用于解決材料及其相關領域的復雜工程問 題。使學生從原理上認識高分子材料的基本屬性，并能夠應用高分子材料工程基礎理論 知識，識別、表達、并通過文獻研究分析高分子材料及其相關領域復雜工程問題，以獲 得有效結(jié)論。 對畢業(yè)要求及其分指標點支撐情況： （1） 畢業(yè)要求 1，分指標點 1.4 和 1.5 ； （2） 畢業(yè)要求 2,分指標點 2.3 和 2.5 ； （3） 畢業(yè)要求 3，分指標點 3.4 ； （4） 畢業(yè)要求 6，分指標點 6.2 ； 三、教學內(nèi)容（含各章

3、節(jié)主要內(nèi)容、學時分配，并紅字方式注明重點難點） 第一章緒論（1 學時） 簡要介紹材料的定義及分類，材料科學與工程基礎的基本內(nèi)容。使學生對本課程的 學習內(nèi)容和學習方法建立整體概念。 要點：材料的定義、分類 材料科學與工程基礎的定義、性質(zhì)、重要性（舉例） 課程學習的目的、方法、要求 第二章 物質(zhì)結(jié)構基礎 （ 15 學時） 按照從微觀到宏觀、從內(nèi)容到表面、從靜態(tài)到動態(tài)、從單組分到多組分的順序，闡 述原子結(jié)構、原子間相互作用和結(jié)合方式，與固體內(nèi)部和表面原子的空間排列狀態(tài)、聚 集態(tài)結(jié)構及變化規(guī)律之間的相互關系。使學生對材料組成（成分）與物質(zhì)結(jié)構的內(nèi)在聯(lián) 系有較系統(tǒng)、深刻的理解。 1、原子結(jié)構及原子之間相

4、互作用、結(jié)合及排列（ 3 學時） 要點：物質(zhì)與材料的區(qū)別 四個量子數(shù)的物理意義 原子中電子殼層數(shù)目、電子填充方式和原則、表達方式 電子能級及電子的穩(wěn)定性 原子間相互作用的內(nèi)在因素和結(jié)合類型與性質(zhì) 原子的間距和半徑，空間排列狀態(tài)及配位數(shù) 鍵性與鍵能 2、多原子體系中電子的相互作用與穩(wěn)定性（ 2 學時） 要點：原子雜化軌道的類型及空間圖形 分子軌道的意義、類型及空間圖形 能帶、能隙、帶寬等基本概念、導體、絕緣體、導體的能帶特點 費米能級的基本概念、費米分布的特點和分布函數(shù) 3、固體中的原子有序（ 3 學時） 要點：對稱圖形和對稱操作 點陣的意義和特點 晶胞的表示和定位、晶系和空間點陣型式 晶向、晶

5、面的表示及其指數(shù)的計算 晶面間距及測定、公式（ 2-45 、2-48） 晶體結(jié)構與鍵合性質(zhì)的關系 面心立方、體心立方、密排六方晶體的主要參數(shù)和計算方法 （點陣常數(shù)、晶胞中原子數(shù)、致密度、密度、原子間距、配位數(shù)； 間隙類型、數(shù)量和大小） 離子晶體的配位數(shù)和晶格類型 4、固體中的原子無序（ 3 學時） 要點：固溶體的概念、分類及典型結(jié)構特點 點缺陷的主要類型，金屬晶體中的空位計算 棱位錯和螺旋位錯的特征和區(qū)別、位錯線與柏格斯矢量 非晶體的結(jié)構模型、分布函數(shù)及其圖形 體積擴散機制、擴散激活能和 FICK 第一定律、公式（2-80、2-81 ） 5、 固體中的轉(zhuǎn)變（ 2 學時） 要點：四種轉(zhuǎn)變類型及特

6、點 一級相變和二級相變的數(shù)學表達式及物理意義 相律和相圖，公式（ 2-90） 二元相圖（勻晶、共晶） ：特征點、線、區(qū)域的意義 杠桿法則及計算公式（ 2-94 ） 6、 固體物質(zhì)的表面結(jié)構（ 1 學時） 要點：表面張力和表面能的概念 表面結(jié)構特點與成因 表面能與表面特性的關系 潤濕過程的種類及公式（ 2-107、 2-108、 2-109、 2-115） 粘附公式（ 2-121 ） 7、 小結(jié)（ 1 學時） 歸納、討論第二章基本概念和作業(yè)中的問題 第三章 材料的組成及結(jié)構（ 8 學時） 從材料的組成（成分）入手，詳細闡述高分子材料、金屬材料、無機非金屬材料， 及其多相多組分復合材料的聚集態(tài)結(jié)構

7、和宏觀組織結(jié)構特點。詳細闡述由特性不同的各 類材料相互復合而成的納米級、微米級、粒子填充、纖維增強等復合材料的微觀和宏觀 結(jié)構以及界面結(jié)構，使學生較系統(tǒng)地掌握不同類型材料從微觀到宏觀的結(jié)構變化特點。 1、金屬材料的組成與結(jié)構（ 2 學時） 要點：金屬原子的電子結(jié)構與其晶體結(jié)構特點的關系 （ 應用 2-5-1 中的公式計算 不同金屬晶體的有關參量 ） 金屬合金的三種結(jié)構類型的特點 鐵碳合金相圖中點、線、區(qū)域的物理意義、微相結(jié)構特點及隨溫度和 C 含 量的變化規(guī)律 銅的組成和結(jié)構特點 非晶態(tài)合金的三 T 圖 金屬再結(jié)晶的物理意義及 T、 t 、 l 的影響 2、無機非金屬材料的組成與結(jié)構（ 3 學

8、時） 要點：組成和結(jié)合鍵性質(zhì) 簡單晶體的結(jié)構類型： AX, AmXp, AmBnXp 密度計算 幾種典型晶體：單晶硅、 NaCl, CsCl, ZnS, 鈣鈦礦、尖晶石 硅酸鹽的五種晶體結(jié)構、橋氧原子和非橋氧原子 玻璃的組成、特性及結(jié)構參數(shù) 凝膠與陶瓷的組成與結(jié)構特點 碳黑、石墨、金剛石、C60 碳納米管的結(jié)構與性能特點 3、 高分子材料的組成與結(jié)構（ 2 學時） 要點：（側(cè)重與金屬和無機非金屬材料對照） 高分子材料結(jié)構的多層次性概貌 大分子鏈的組成和結(jié)構特點 大分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)、柔性和構象 大分子鏈間的相互作用與聚集態(tài)結(jié)構模型 結(jié)晶構象與晶體結(jié)構特點 取向態(tài)結(jié)構 合成聚合物和天然高分子的主要類

9、型 聚合物共混材料的微結(jié)構特點、界面 4、 復合材料的組成與結(jié)構（ 1 學時） 要點：復合材料的定義、分類、組成與結(jié)構特點 復合材料的典型結(jié)構及“連通性”概念 界面的形成過程、結(jié)構與功用特點 界面理論中的浸潤和化學鍵理論 第四章 材料的性能（ 21 學時） 本章內(nèi)容較多，涉及的領域十分廣泛。主要闡明在應力、熱、電、光、磁、聲、化 學介質(zhì)、氧等外界因素的作用下，各類材料所表現(xiàn)出來的宏觀性質(zhì)、破壞形式、及其內(nèi) 部結(jié)構的變化規(guī)律。講述各類宏觀物理性質(zhì)的定義及測試和評價方法，介紹材料研究中 的重大發(fā)現(xiàn)和進展。使學生掌握材料結(jié)構與性能關系的基本規(guī)律，了解不同類材料結(jié)構 與性能特征，為材料的設計和應用奠定

10、基礎。 1、固體材料的力學性能（ 6 學時） 要點：不同材料力學性能的差異及其與組成和結(jié)構的關系 應力和應變的定義、五種基本類型 應力應變曲線的物理意義（參量）典型曲線 彈性形變、應力狀態(tài)與模量之間的關系，公式（ 4-8、 4-11） 粘彈形變與蠕變、應力松弛（靜態(tài)）和內(nèi)耗（動態(tài)） 永久形變的機制與塑性材料的增強途徑 強度的概念及測試方法和計算公式 脆性斷裂和韌性斷裂的機制及相互轉(zhuǎn)變因素 , 公式（ 4-50 ） 理論斷裂強度和脆性斷裂理論的推導過程， 公式（4-30 、4-38 、4-44a 、4-47 、 4-48） 裂紋在脆性斷裂中的重要作用 塑性變形及斷裂的計算 斷裂韌性的類型，公式（

11、 4-52 、4-53 ） 硬度的概念、布氏硬度、洛氏和維氏硬度的測試技術及區(qū)別，公式（ 4-55 、 4-56 、4-57 ） 粘合摩擦和磨損機制，公式（ 4-63 ），材料減摩耐磨的途徑 疲勞的概念及在工業(yè)中的重要性， 疲勞壽命曲線與疲勞強度， 疲勞斷裂機制， 提高材料耐疲勞性的途徑 2、材料的熱性能（ 2 學時） 要點：不同材料熱物理性能的差異及其與組成和結(jié)構的關系 材料的導熱機制、公式（ 4-69 、4-71 ） 熱導率的定義 熱容和比熱的定義及其在熱分析技術中的應用，公式（ 4-75 、4-76 ） 材料熱膨脹的內(nèi)在因素及影響因素，公式（ 4-77、4-78 ） 材料熱性能與溫度的關

12、系 有機高分子材料的熱物理和熱化學穩(wěn)定性、 表征方法、 耐熱性和阻燃性高 分子的組成和結(jié)構特點 3、材料的電學性能（ 3 學時） 要點：不同材料電學性能的差異及其與組成和結(jié)構的關系 電導率和電阻率的定義、電導機制、電導率的基本參數(shù)及影響因素、公式 （4-80、4-81、4-89、4-90、4-91、4-92、4-93、4-96） 材料的電子能帶結(jié)構與電導性、光導性和半導電性公式（ 4-106 ） 超導電性的定義、超導體的 2種特性、 3 個性能指標 介電常數(shù)的定義、介質(zhì)極化的三種機制，公式（ 4-112、4-113、 4-114 ） 交變電場中的介電損耗的成因及影響因素、 公式 （ 4-118

13、 、 4-119） 擊穿強度的定義，公式（ 4-120 ） 材料電性能與溫度的關系 4、材料的磁學性質(zhì)（ 2 學時） 要點： 磁矩、磁化強度、磁感應強度、磁導率和磁化率的定義，公式（ 4-123 、 4-126 、4-128 ） 電子的磁矩和“交換作用” 磁化率與磁性材料的五種類型，公式（ 4-130、4-131 ） 磁滯回線的成因（磁疇） 、物理意義、軟磁與硬磁材料 金屬和無機非金屬材料的磁學性能，公式（ 4-135、4-138、4-140、4-141 ） 5、材料的光學性能（ 2 學時） 要點：電磁輻射與電子躍遷 光吸收與光波長的關系 材料對光吸收、 反射和透射的內(nèi)在因素和表述方式， 公式

14、（ 4-144 、4-155 、 4-157、4-158、4-160） 折射率與材料的透明性 不同材料的光學性質(zhì)及其與組成和結(jié)構的關系 非線性光學性質(zhì) 發(fā)光機理及應用 6、材料的耐腐蝕性（ 2 學時） 要點： 高分子材料物理腐蝕的定義及影響因素，公式（ 4-167、4-169 ） 酸、堿、鹽對金屬和高分子材料的化學腐蝕 高分子材料大氣老化腐蝕的類型及提高耐老化的途徑 金屬材料的氧化及電化學腐蝕 7、復合材料的性能（ 2 學時） 要點：復合效應的主要類型 混合效應，公式（ 4-171 、4-172） 幾何尺寸效應 lc 和 lc/d 的意義及與拉應力的關系 界面效應、界面相的功能，二次復合規(guī)律，

15、公式（ 4-176 ） 單向連續(xù)纖維增強復合材料的力學性能，模量和強度， 計算公式 （ 4-177 、 4-178 、 4-182、 4-183、 4-184、 4-185、 4-188、 4-189、4-190）， 破 壞模式 8、納米材料及效應（ 1 學時） 要點：納米材料的定義， 納米結(jié)構單元、納米固體、納米組裝體系 納米效應的基本特點 應用實例 9、小結(jié)（ 1 學時） 歸納、討論第四章基本概念和作業(yè)中的問題 第五章 材料的制備與成型加工（ 3 學時） 從原料出發(fā)，講述材料的制備原理和主要方法，由各種材料的結(jié)構和性能特點，講 述其加工行為和主要加工方法。使學生在材料工程的基礎上，建立材料

16、制備加工 結(jié)構性能關系的整體概念。本章結(jié)合觀看電視片或圖片演示進行。 1、材料制備原理及方法（ 3 學時） 要點：鐵的制備原理及方法 鋼的制備原理及方法 銅的制備原理及方法 陶瓷的制備原理及方法 玻璃的制備原理及方法 水泥的制備原理及方法 （與金屬和無機非金屬材料進行對照） 聚合物合成工藝過程 主要的聚合反應類型 主要的聚合物合成工業(yè)實施方法 2、料的成型加工性（ 2 學時） 要點：金屬的熔體流動性與鑄造性 金屬的變形性與可煅性 切削加工性 金屬材料的熱處理 聚合物的熔融和流動特性 聚合物加工過程中的結(jié)構變化 聚合物主要成型方法 四、教材（名稱、作者、出版社、出版時間） 材料科學與工程基礎 ，顧宜主編，化工出版社， 2004 年。 五、主要參考資料 Fundsmentals of Materials Scien