《材料科学与工程基础》教案-四川大学课程中心30
《材料科学与工程基础》教学大纲
《材料科学与工程基础》教学大纲课程代码：NANA 2058课程名称：纳米材料科学与工程基础英文名称：Fundamentals of Nano Materials Science and Engineering课程性质：大类基础学分/学时：3学分/54学时考核方式：闭卷考试开课学期：第4学期适用专业：纳米专业先修课程：普通物理、无机化学、高等数学后续课程：毕业设计开课单位：纳米科学技术学院选用教材：《Fundamentals of Materials Science and Engineering》William D. Callister, Jr.，化学工业出版社一、课程目标本课程的主要目标旨在培养能够从事材料科学与工程领域的生产、研究与开发等工作，具有扎实的材料类专业基础、良好的创新素质、较强的工程能力、一定的人文社会科学素养与国际化视野的工程技术人才。
通过本课程的理论教学，使学生具备以下能力：1.从原理上认识各种类型材料的基本属性，了解其在各种实际应用领域的地位和重要作用。
（支撑毕业要求指标点1-1）2.对材料的组成、结构、物相、性能以及相互关系进行识别、表达和分析，根据不同种类材料的结构特征来解释基本物理、化学和光学性质与结构性质的关系和作用。
（支撑毕业要求指标点1-2）3.基于专业知识能够将其综合应用于材料设计、制造、加工、使用及分析，正确和合理地根据不同类型的材料特点来评价材料的使用性能和应用选择。
（支撑毕业要求指标点2-2）4.能够分析和研究材料制造和工艺开发中的工程问题，具有从事新材料的设计、研发及优化的初步能力。
（支撑毕业要求指标点4-1）二、教学内容第一章：绪论有关材料科学与基础方面的背景介绍第二章：原子结构与原子间的化学键1.原子结构与原子键2.初级原子间成键3.次级键以及范德华键第三章：金属与陶瓷结构1.晶体结构2.同质多晶和同素异性3. 晶体系统，结晶方向和平面第五章：晶体缺陷1. 点缺陷2. 线缺陷3. 面缺陷4. 显微技术第六章：扩散1. 扩散类型和机理2. 稳态扩散3. 非稳态扩散4. 影响扩散的因素第七章：机械性能1. 弹性形变2. 金属、陶瓷以及聚合物的机械性能3. 硬度及其他机械性能第十章：相图1. 定义和基本概念2. 平衡相图3. 铁-碳体系相图第十一章：相转移1.金属相转移2.铁-碳合金的微观结构及性质变化3.析出硬化4.聚合物中的结晶、熔化和玻璃化现象第十二章：电子结构1.电导2.半导体导电性3.离子陶瓷和聚合物中的导电性第十九章：光学性质1.基本概念2.折射、反射、吸收和透射3.光学现象的应用三、考核方式课程目标考核内容考核方式1.能够将数学、自然科学、工程基础和专业知能够运用数学和化学、课堂作业、课识用于解决纳米科技领域的复杂问题。
《材料科学与工程基础》课程教学大纲
《材料科学与工程基础》教学大纲课程名称：材料科学与工程基础课程英文名称：Introduction to the Science andEngineering of Materials课程编码：0802ZY017 课程类别/性质：学科基础/选修学分：2学分总学时/理论/实验（上机）：32/32/0开课单位：化工学院适用专业：高分子材料与工程专业先修课程：无机及分析化学，有机化学一、课程简介《材料科学与工程基础》是高分子材料与工程专业学科基础课程。
是一门研究材料的结构、性能、加工和使用状况四者间关系的交叉学科。
材料科学、材料工业和高新技术的发展要求高分子材料与工程专业的学生必须具备“大材料”基础和“中材料”专业的宽厚知识结构。
开设材料科学与工程基础这门课程，主要是为了使学生建立“大材料”基础。
通过学习材料科学与工程基础，学生将接触到金属材料、无机非金属材料、高分子材料以及复合材料等各种材料，学生能清楚地认识到高分子材料在整个材料家族中所具有的结构特点、性能优势、加工特殊性以及合适的应用领域，为学生以后进一步学习高分子材料和从事材料科学与工程方面的工作打下基础。
《Introduction to the Science and Engineering of Materials》is a basic course of polymer materials and engineering. It is an interdisciplinary subject that studies the relationship between the structure, properties, processing and use of materials. The development of material science, material industry and high technology requires that students majoring in polymer materials and engineering must have the foundation of "big materials" and the generous knowledge structure of "medium materials". The course of fundamentals of materials science and engineering is mainly to enable students to establish the foundation of "big materials". By studying the fundamentals of materials science and engineering, students will be exposed to various materials such as metal materials, inorganic non-metallic materials, polymer materials and composites. Students can clearly understand the structural characteristics, performance advantages, processing particularity and appropriate application fields of polymer materials in the whole material family, Lay a foundation for students to further study polymer materials and engage in material science and Engineering in the future.二、课程教学目标通过本课程的学习使学生掌握材料物质结构、性质、加工和使用性能间的相互联系，培养学生具备“大材料”基础和“中材料”专业的宽厚知识结构，使学生建立“大材料”观。
四川大学教案
因此，液体——总是球形
固体——降低表面能。但由于表面积难以改变，因此吸附外部低表面能物质。
杂质：表面张力较小，富集于表面层。（影响大）
表面张力较大，富集于体积内部。（影响小）
一些物质的表面能数据。
2-8-3表面结构及几何形状
1．固体表面结构及排列状态
固体表面结构：微观质点排列状态——原子尺寸
同一体系：Wa＞Wi＞S铺展可自行，则其余皆可
固体表面能的影响：固体的粘附张力A= Wi =SG-SL
A越大，越有利于各种润湿
液体表面张力的影响：沾湿：LGБайду номын сангаас大，有利
浸湿：LG无影响
铺展：LG越小，有利
2）接触角与润湿方程：
接触角（）：三相交界处，自固液界面经液体内部至液气界面的夹角
润湿方程：SG-SL=LGcos
固体——差别较大。
由于扩张表面时要克服原有原子、分子或离子之间的相互作用，
因此表面张力与物质原有的键合方式相关。
作用力弱做功小表面能低
强大高
高表面能物质：金属及其化合物
无机化合物
低表面能物质：水0.051
有机化合物石蜡0.03
有机高聚物PE0.035 PTFE 0.023 PA660.047
任何物体总是倾向于：表面积缩小（收缩）
结合
微裂纹影响断裂强度。
2-8-4固体表面特性
由于表面力场的存在，表面能总是倾向于最小。
吸附——气体-固体（从液体中吸附某些物质，也称为吸附）
润湿——液体-固体
粘附——固体-固体
1.吸附
化学吸附单分子层吸附放热量100 kcal/mol
如制做的一些吸附剂，都为有选择性吸附功能的化学吸附。
材料科学与工程基础教案第二章
溶胶-凝胶法
液相合成法
通过将溶液中的前驱体进行 水解和缩聚反应，形成溶胶， 再经凝胶化、干燥、热处理 等过程制备材料的方法。
在液相环境中，通过化学反 应或物理过程制备材料的方 法，如沉淀法、水热法、溶 剂热法等。
• 可持续发展和环保：随着人类对环境保护意识的提高，材料的可持续发展和环 保性能成为关注的焦点。需要研究如何降低材料生产过程中的能耗、排放和资 源消耗，同时提高材料的环保性能和循环利用性。
• 多学科交叉融合：材料科学与工程涉及到多个学科领域，如化学、物理、机械 、电子等。未来需要加强多学科交叉融合，综合运用不同学科的理论和技术， 推动材料科学与工程的发展。
相变
物质在相变过程中发生的物理和化 学变化，如熔化、凝固、升华和凝 华等。
相变的应用
相变在材料制备、加工和服役过程 中具有重要应用价值，如钢铁的熔 炼与连铸、玻璃的熔制与成型等。
04
材料制备与加工
材料合成与制备方法
化学气相沉积法
通过化学反应的方式，使气 体在固体表面上沉积成膜的 方法。
物理气相沉积法
02
材料的基本性质
材料的物理性质
导热性
电导率
描述材料传输热量的能力。金属通常具有 良好的导热性，而隔热材料如玻璃纤维或 泡沫塑料则具有较低的导热性。
表示材料传导电流的能力。金属是良好的 电导体，而绝缘体如陶瓷或玻璃则具有较 低的电导率。
光学性质
磁性
描述材料对光的行为，包括反射、折射、 吸收和透射等。例如，镜子利用高反射性 来反射光，而透明玻璃则透射光。
通过涂覆一层或多层涂层材 料在基材表面，以提高基材 的耐腐蚀性、耐磨性、装饰
《材料科学与工程基础》教案.doc
川大学教案【理、工科】掌握疲劳 强度的概念4.1.8.3疲劳极限和疲劳强度图 4-49 难点了解并理 解疲劳断 裂机理高分了材料宏观疲劳断裂过程:2()DTA ——差热分析Fig 17.2图 4-51难点（2）与温度T 相关T —TgCp 发生突变DSC ——示差扫描量热仪 测试原理示意图。
比热容与温度 比热容与相变 一级相变，二级相变3. 比热容（C P ）或Cv定义：IKg 质量的固体（或液体）升高（或降低）PC 时，所增加 （或减少）的（振动能量）热量。
固体多用Cp。
单位：J - mol'1 - K 」。
Cp 〉Cv。
比热=热容/原子量,单位J ・Kg-I ・K 1比热容的大小：主要取决于化学结构 等容热容 内能对温度的曲线上的斜率等压热容：嬉对温度的曲线 上的斜率 同体热容理论 经典理论 量了理论 原子的振动---晶格的振动 谐振了 随机振动 德拜模型 金属C P <1,容易加热、容易冷却。
单原子 晶体24.9；银24.3；铝25.1。
银 C P =0.25Fe C P =0.50热容小，很快冷要点 区分：热 容和比热Fig17.1高分子 C P 1.0〜2.0例 / HDPELDPE PS天然橡胶PVC环氧树脂热容大2.31 1.90 1.20 1.92 1.05 1.05影响高分了比热容Cp 的因素（1）分了链柔顺性温度的升高是由于分子过 其间内摩擦引起的，柔性 链，运动单元小内摩擦小, 反上升慢，热高量大，热 能动能难点:理解 热容的宏 观效应，及 影响因素4.2.2热膨胀性(1)热膨胀材料的体积随温度升高而增大的现象 原因：原子或分子的热运动晶体：原子在晶格内平衡位是附近震动，T t ,振幅f,原子平均间 距个 非晶体：原子的振动和转变。
动；(2)热膨胀类型，单位：K 1线膨胀 a z =(l//)d//dT化 高分了沿主振动；链节、链段，转自由体积一运动的空间一维，温度升高1度，线尺寸相对变体膨胀 a v =(l/V)d V/dT热膨胀系数a 不是常数，其影响因素: %1 温度 %1 结构三维，温度升高1度，体积相对变化T 升高，a 增大键能大，a 减小取向 交联度 a 减小柔顺性结晶度刚性， 柔性，a at20Fig 17.3图 4-54表4・13难点无机材料 金属 高分子a 小,I (y5~i (y6中，1 〜3Xl (y5 大，2.5~25Xl (y54-2-2耐热性 1.概念 耐热性一一指在受负荷下，材料失去其物理机械性能而发生永久 变形的温度。
本科课程《材料科学与工程基础》教学大纲 (1)
四川大学本科课程《材料科学与工程基础》教学大纲一、课程基本信息课程名称（中、英文）：《材料科学与工程基础》（FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING）课程号（代码）：30014530课程类别：专业基础课学时/学分：48 /3先修课程：大学化学、大学物理、物理化学适用专业：高分子材料与工程等二级学科材料类专业开课时间：大学二年级下期二、课程的目的及任务材料科学与工程是二十世纪六十年代初期创立的研究材料共性规律的一门学科，其研究内容涉及金属、无机非金属和有机高分子等材料的成分、结构、加工同材料性能及材料应用之间的相互关系。
材料科学、材料工业和高新技术的发展要求高分子材料与工程等二级学科材料类专业的学生必须同时具备“大材料”基础和“中材料”专业的宽厚知识结构。
本课程是材料类专业的学科基础课程，是联系基础课与专业课的桥梁。
本课程从材料科学与工程的“四要素”出发，采用“集成化”的模式，详细讲授金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料等各种材料的共性规律及个性特征。
使学生建立材料制备/加工——组成/结构——性能---应用关系的“大材料”整体概念，从原理上认识高分子材料等各种材料的基本属性，及其在材料领域中的地位和作用。
为以后二级学科“中材料”专业课程的学习、材料设计、以及材料的应用等奠定良好基础。
本课程采用中文教材与英文原版教材相结合，实施“双语”教学。
使学生通过本课程的学习，熟悉材料科学与工程领域的主要英文专业词汇，提高对英文教材的阅读理解能力。
三、课程的教学内容、要点及学时分配（以红字方式注明重点难点）第一章绪论（1学时）本章概要：简要介绍材料的定义及分类，材料科学与工程的基本内容。
使学生了解本课程的学习内容和学习方法。
讲授要点：材料的定义、分类材料科学与工程的定义、性质、重要性（举例）课程学习的目的、方法、要求第二章材料结构基础（15学时）本章概要：按照从微观到宏观、从内部到表面、从静态到动态、从单组分到多组分的顺序，阐述原子电子结构、原子间相互作用和结合方式，固体内部和表面原子的空间排列状态、聚集态结构的有序性、无序性和转变规律及相互关系。
《材料科学与工程基础》教案
【首页】
课程名称
材料科学与工程基础
授课专业
高分子材料与工程
年级
11级
课程编号
30000230
课程类型
必修课
校级公共课（）；基础或专业基础课（√）；专业课（）
选修课
限选课（）；任选课（）
授课方式
课堂讲授（√）；实践课（）
考核方式
考试（√）；考查（）
课程教学
总学时数
48
学分数
即：1/r : 1/s : 1/t = h : k : l
选离原点；晶面与晶轴平行，截距为∞，该指数为零；
截负端，上加横线。
截距越大、指数越小。
Example Problem 3.8
（4）晶面族：
某晶面的晶面指数乘以-1后所表示的一组晶面仍与其平行。
晶面族用{h k l }表示，代表原子排列相同（晶面方位不同）的所有晶面。
注意与2.3.4.4节和3.4.1.2节可能有重复
表2-18
要点
一维有序
二维有序
授课
方式
理论课（√）；实践课（）；实习（）
教学
时数
3
教学
目的
及
要求
学习描述材料晶体（有序）结构的主要参数，包括晶面及其指数，面心立方、体心立方、密排六方三种典型晶体结构的主要参数的计算和表示方法；晶体材料的晶面间距测定方法和液晶的结构特点。
还受分子非球性及永久偶极相互作用影响
有氢键：有方向性、饱和性，堆积密度更低。
5）多晶型
多晶现象：一种化合物存在两种以上的晶体结构型式
温度、压力等外界条件变化时，可能使结构型式发生改变
1）改变连接方式（不改变配位）
材料科学与工程教案
材料科学与工程教案一、教学目标材料科学与工程是一门涉及材料结构、性能及其应用的学科，该教案的目标是使学生能够理解和应用材料科学的基本原理，掌握材料工程设计和制备的基本方法，并具备解决工程问题的能力。
二、教学内容本教案主要涵盖以下内容：1. 材料科学基础知识：包括材料的分类、结构与性能的关系、相图等。
2. 材料工程设计：介绍材料选型、材料性能测试与评价等。
3. 材料制备与加工技术：包括材料的化学合成、物理制备、表面处理等。
4. 材料性能测试与分析：介绍常用的材料性能测试方法和分析手段。
5. 材料应用与发展：探讨材料科学的前沿领域和应用案例。
三、教学方法本教案采用以下教学方法：1. 讲授与演示相结合：通过教师的讲解与示范，向学生介绍材料科学的基本理论和实践操作。
2. 实验与实践：组织学生进行实验和实践操作，培养学生的实际动手能力和解决问题的能力。
3. 互动讨论：鼓励学生提问与思考，在课堂上进行互动交流，促进学生思维的活跃与深入。
四、教学流程第一课时：1. 导入：通过引入材料科学与工程的相关案例，引发学生对材料科学的兴趣。
2. 知识讲解：介绍材料科学的定义、研究内容和意义。
3. 实例分析：通过实例分析，解释材料结构、性能与应用之间的关系。
第二课时：1. 导入：通过回顾上一课时的内容，激发学生对材料科学的思考。
2. 知识讲解：详细介绍材料的分类和材料性能的评价方法。
3. 实践操作：组织学生进行材料性能测试实验，通过测试结果来评价材料的优缺点。
第三课时：1. 导入：通过引入一个实际工程问题，激发学生对材料应用的兴趣。
2. 知识讲解：讲解材料工程设计的基本方法和流程。
3. 实践操作：要求学生选择合适的材料应用于给定的工程问题，并设计相应的工程解决方案。
第四课时：1. 导入：通过展示材料制备与加工的实际应用，引发学生对材料制备技术的探索。
2. 知识讲解：介绍材料的制备与加工技术，包括化学合成、物理制备和表面处理等。
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【理、工科】
1. 点缺陷：任何方向尺寸都远小于晶体线度的缺陷区
类型：
空位：未占据的阵点原子位置
间隙原子：进入点阵间隙的原子（金属难；陶瓷易，如正离子）
肖特基缺陷：有空位而无间隙原子（陶瓷中常见）
弗兰克尔缺陷：等量的空位和间隙原子（陶瓷中常见）
空位数，空位激活能，温度之间的关系
例题2-6
（EXAMPLE PROBLEM 5.1）
2. 线缺陷（位错）：只在某一方向上尺寸可与晶体线度比拟的缺陷
一列或数列原子发生有规则的错排
1）类型：
棱位错（刃位错）：位错线与滑移方向(柏格斯矢量)垂直
受拉力、压力作用易发生
螺旋位错：位错线与滑移方向(柏格斯矢量)平行
与位错线垂直的平面在螺旋斜面受剪切力作用易发生柏格斯矢量及右手规则
b ·ξ= 0相互垂直，纯棱位错
b ·ξ= - b相互逆向平行，纯螺旋位错
混合位错：位错线与滑移方向(柏格斯矢量)不平行也不垂直
位错密度：单位体积内位错线的总长，即单位截面上位错线的露头数。
2）位错的滑移和爬移：
滑移：外力是位错处原子受力不平衡而被推动，致位错移动到相
邻位置
移动方向平行滑移面
爬移：与空位和间隙原子有关的位错在垂直滑移面方向的运动
3. 面缺陷：只在某一平面各方向上尺寸可与晶体线度比拟的缺陷
如由一系列刃位错排列成一个平面形成的缺陷4．体缺陷：各方向尺寸均可与晶体线度比拟的缺陷，如：空洞、嵌块
要点
图2-72
随温度升高而增多
如何求N可放到第三章讲
要点，难点，
图2-75，2-76，Fig.5.7
图2-79，2-80，Fig.5.8,5.9 图2-81，
介于二者之间
该部分对于后面学习金属的塑性形变很重要，可以配合动画加深学生的印象，
图2-84，2-85。