spContent=“材料科学基础”是本科材料类专业重要的学科基础课程之一,是连接基础课与专业课的桥梁。课程以无机非金属材料为基础,是材料科学与工程一级学科知识体系的一门重要学科基础课,主要阐述材料的组成与结构、制备与加工、性质、使用性能等材料科学与工程各要素之间相互关系及其制约规律。
“材料科学基础”是本科材料类专业重要的学科基础课程之一,是连接基础课与专业课的桥梁。课程以无机非金属材料为基础,是材料科学与工程一级学科知识体系的一门重要学科基础课,主要阐述材料的组成与结构、制备与加工、性质、使用性能等材料科学与工程各要素之间相互关系及其制约规律。
—— 课程团队
课程概述
武汉理工大学的《材料科学基础》是材料科学与工程专业(含试点班)、无机非金属材料专业、材料物理专业、材料化学、新能源材料与器件专业等专业的重要的学科基础课之一,是衔接基础课与专业课的桥梁,是材料类本科生的必修课程。
课程是在突出无机非金属材料原理的基础上,兼顾了金属材料、高分子材料科学原理,形成的覆盖材料科学与工程知识体系的一门重要学科基础课,主要从一级学科层次阐述材料的组成与结构、制备与加工、性质、使用性能等材料科学与工程各要素之间的相互关系及其制约规律。
通过该课程的学习,使学生掌握晶体结构、晶体结构缺陷、非晶态结构与性质、表面结构与性质、相平衡与相图、基本动力学过程(扩散、材料中的相变、材料制备中的固态反应、烧结)等方面的科学原理与工程方法,全面理解材料科学中的共性规律,即材料的组成-形成(工艺)条件-结构-性能-材料用途之间的相互关系及制约规律,通过科学思维方法的训练,培养学生运用科学原理解决实际问题的工程能力,为将来从事材料设计及研发工作奠定必要的基础。
授课目标
本课程的教学目标如下:
材料科学基础课程是材料科学与工程、无机非金属材料、材料物理、材料化学、新能源材料与器件等专业重要的学科基础课之一,是衔接基础课与专业课的桥梁。
通过该课程的学习,
1. 使学生掌握基于材料热力学的相关知识(如晶体结构、晶体结构缺陷、表面结构与性质、材料的表面与界面,非晶态结构与性质等)并进行相关知识的应用与分析。
2. 使学生掌握基于材料动力学的相关知识(如扩散)进行相关材料合成过程的设计与分析。
3. 全面理解材料科学中的共性规律(如相变,固态反应及烧结),即材料的组成-形成(工艺)条件-结构-性能-材料用途之间相互关系及制约规律。
4. 在建立材料领域科学基础的同时,通过科学思维方法的训练,培养学生运用科学原理解决实际问题的工程能力,为将来从事材料设计及研发奠定必要的基础。
5. 查阅文献,了解材料发展史及新材料的研究进展,对复杂工程问题进行分析论证,揭示其影响因素,获得有效结论。
课程大纲
第一章 绪论
课时目标:1. 了解材料组成、 结构、 性质、 工艺及其与环境的关系。 2. 认识材料的基本性质, 了解材料的基本用途及其在使用中的环境行为效应, 掌握选择材料的基本原则, 建立起对材料的感性认识
2.1 材料类型
2.2 材料组成、结构、性质及其与环境间的关系
2.3 材料的选择
第二章 晶体结构
课时目标:1. 介绍结晶学的基本知识, 奠定描述晶体中质点空间排列的科学基础;2. 理解质点排列规则的理想晶体, 建立理想晶体中质点空间排列的立体图像,进一步理解晶体的组成-结构-性质之间的相互关系及其制约规律;3. 掌握常见的离子晶体和硅酸盐晶体结构的分析及结构-性能之间的关系;4. 为了解实际材料结构以及材料设计、 开发和应用奠定必要的基础。
2.1 结晶学基础
2.2 晶体中的结合里和结合能
2.3 晶体中质点的堆积
2.4 单质晶体结构
2.5 无机化合物结构
2.6 硅酸盐晶体结构
晶体结构缺陷
课时目标:1. 掌握晶体中缺陷的分类及影响因素2. 掌握点缺陷的分类;缺陷反应方程式的写法及热缺陷浓度的计算;3. 掌握固溶体的分类及形成固溶体后对晶体性质的影响;4. 了解位错的分类及对材料性能的影响;5. 了解面缺陷的分类及对材料性能的影响;6. 掌握非化学计量缺陷的分类,影响因素及缺陷浓度的计算;7. 了解缺陷的形成及其运动规律,对材料工艺过程的控制,对材料性能的改善,对于新型结构材料、功能材料的设计、研究与开发具有重要意义。
3.1 结构缺陷的类型
3.2 点缺陷
3.3 线缺陷
3.4 面缺陷
3.5 固溶体
3.6 非化学计量缺陷
非晶态结构与性质
课时目标:1. 掌握绍熔体的结构及性质;2. 掌握玻璃的通性、玻璃的形成以及玻璃的结构理论等内容;3. 了解控制材料的制造过程和改善材料性能具有重要的意义。
4.1 熔体的结构
4.2 熔体的性质
4.3 玻璃的形成
4.4 玻璃的结构
表面结构与性质
课时目标:1. 掌握固体的表面及结构2. 理解固体的界面及结构、界面行为(润湿表征及影响润湿的因素、粘附及其物理化学条件等)3. 了解和运用表面科学知识解决相关工程问题奠定基本的必要的科学基础。
5.1 固体的表面及结构
5.2 固体的界面及结构
5.3 润湿及粘附
相平衡与相图
课时目标:1. 理解相律及相平衡研究方法;2. 掌握单元、二元相图的基本原理及应用;3. 掌握三元相图的基本原理及应用;4. 了解相图及其在材料组成设计、 材料工艺方法选择、 材料矿物组成控制及材料性能预测等方面的应用等理论与实践知识。
6.1 相平衡及其研究方法
6.2 单元系统相图
6.3 二元系统相图
6.4 三元系统相图
扩散
课时目标:1. 掌握固态扩散的宏观规律及其动力学2. 理解扩散的微观机制及扩散系数,通过宏观-微观-宏观的渐进循环,认识扩散现象及本质,总结出影响扩散的微观、宏观因素,内在、外在因素;3.分析扩散的控制与有效利用。
7.1 菲克定律
7.2 菲克定律的应用
7.3 固体扩散机构与扩散系数
7.4 多元系统中的扩散
7.5 影响扩散系数的因素
材料中的相变
课时目标:1. 掌握相变的基本分类方法及相变发生的条件;2.掌握成核-生长机理的热力学条件及动力学条件
8.1 相变概述
8.2 成核-生长相变
8.3 相变与弥散强化
材料制备中的固态反应
课时目标:1. 掌握固态反应的机理2. 掌握固态反应的动力学条件
9.1 固态反应的概论
9.2 固态反应的机理
9.3 固态反应动力学
9.4 影响固态反应的因素
烧结
课时目标:1. 掌握烧结机理及动力学;2. 掌握 烧结中的晶粒长大及再结晶、 影响烧结的因素
10.1 烧结概述
10.2 烧结过程及机理
10.3 再结晶和晶粒长大
10.4 影响烧结的因素
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预备知识
参考资料
《材料科学基础》,主编:黄学辉、宋晓岚,出版社:武汉理工大学出版社,出版或修订时间:2022年8月第三版
《材料科学基础》,主编:潘金生、 田民波、仝健民,出版社:清华大学出版社,出版或修订时间:2011年
《材料科学导论》,主编:冯端、师昌绪、刘治国,出版社:化学工业出版社,出版或修订时间:2004
《材料科学基础》,主编:石德珂,出版社:机械工业出版社,出版或修订时间:2003
《材料科学基础》,主编:赵品,出版社:哈尔滨工业大学出版社,出版或修订时间:2002
《Materials Science and Engineering》,主编:William D. Callister, Jr.,出版社:John Wiley&Sons, Inc,出版或修订时间:2013