无机材料物理性能 教学大纲

第页无机材料物理性能一、课程说明课程编号：060405Z10课程名称(中/英文)：无机材料物理性能/PhysicalPropertiesofInorganicMaterials课程类别：学科专业基础课程学时/学分:56/3.5先修课程：大学物理、物理化学、晶体学基础、材料化学基础适应专业：材料科学与工程教材、教学参考书：(1)宁青菊、谈国强、史永胜，无机材料物理性能，北京，化学工业出版社，2006(2)关振铎、张中太、焦金生，无机材料物理性能，北京，清华大学出版社，2006(3)陈树串，材料物理性能，上海，上海交通大学出版社，1999(4)邱成军、，材料物理性能，哈尔滨，哈尔滨工业大学出版社，2007二、课程设置的目的意义无机材料物理性能课程是材料科学与工程专业的四年制材料化学方向本科生的一门专业基础课。通过本课程的学习，了解掌握无机非金属材料的力、光、电、磁、热各种物理性能的基本概念、基本原理，学生将能够理解性能与材料的组成、结构的关系及各性能之间的关联与变化规律，让学生为正确地选择和使用材料、改善材料性能、设计与探索优质新材料提供理论基础。三、课程的基本要求知识：材料研究必定涉及材料的性能，本课程教学内容包括无机非金属材料的热学、电导、介电、光学、磁学、力学等重要性能的基本原理与微观机制，性能与材料的组成、结构的关系，以及各性能之间的关联与变化规律。能力：通过本课程的学习，了解掌握无机非金属材料的力、光、电、磁、热各种物理性能的基本概念、基本原理，学生将能够理解性能与材料的组成、结构的关系及各性能之间的关联与变化规律，让学生为正确地选择和使用材料、改善材料性能、设计与探索优质新材料提供理论基础。素质：建立性能－结构－工艺密切关联的观念，通过课程中的分析讨论辩论培养分析沟通交流素质，建立材料设计制备到应用的思维模式，提升理解工程管理与经济决策的基本素质。提升自主学习和终身学习的意识，形成不断学习和适应发展素质。四、教学内容、重点难点及教学设计基本内容：主要涉及无机非金属材料的物理基础，材料的热膨胀、热导的基本物理量，各种载流子对电导的影响，介电材料的极化机制、介电损耗和电击穿，铁电性和压电性，物质中磁现象的根源、磁性材料的物理效应及应用，光在材料中传播的各种现象及机理以及在传播时表现出的性能，材料形变损伤微观机制等。教学过程中，每章拟定几个与本章基本理论原理密切相关的探索性课题，有学生分组进行课外研究性学习、设计课题的设计与研究方案，并开展课堂汇报和课堂讨论。具体教学教学中的重点难点及教学设计见下表：章节教学内容总学时学时分配教学重点教学难点教学方案设计（含教学方法、教学手段）讲课研讨实践第1章无机材料物理基础41.1晶体结构基础、晶体结合0.5倒易点阵与布里渊区、晶体结合力的性质布里渊区与晶体结构及倒易点阵的关系课堂教学，PPT电子课件1.2无机材料的晶格振动2晶格弹性振动的含义，单原子晶格的线性振动、双原子晶格的线性振动及其振动方程推导与物理意义，晶格振动的量子化声子的概念与物理意义晶格弹性振动的含义、振动方程推导与物理意义，声子物理意义的理解课堂教学，PPT电子课件1.3材料的电子状态与分布1.5电子的共有化运动、微观粒子的运动、晶体中电子的状态与玻尔兹曼分布函数、晶体中电子的能带、导电性的能带理论分析晶体中电子的分布函数与能带、能带理分析导电性课堂教学，PPT电子课件第2章无机材料的热学性能82.1无机材料的热容1热容的定义、固体热容理论（杜隆-珀替定律、柯普定律），热容的量子理论（爱因斯坦模型、德拜模型）解释热容的本质固体热容理论的理解及热容的本质的理解课堂教学，PPT电子课件2.2无机材料的热膨胀2热膨胀的定义，（线、体）热膨胀系数，热膨胀的本质，非简谐振动理论解释热膨胀机理，热膨胀与材料性质（化学键、熔点、晶体结构、）的关系，玻璃质材料的热膨胀、坯釉适应性热膨胀的本质，非简谐振动理论解释热膨胀机理课堂教学，PPT电子课件2.3无机材料的热传导2热传递三种方式，声子的热传导机理、光子的热传导，影响热导率的因素声子的热传导机理的理解课堂教学，PPT电子课件2.4无机材料的热稳定性1热稳定性的表达方法，热应力，热应力断裂抵抗因子，材料抗热冲击损伤性、提高抗热冲击断裂性能的措施热应力，热应力断裂抵抗因子课堂教学，PPT电子课件课堂讨论2学生的PPT报告、汇报课外研学结果、课堂讨论第3章无机材料的电导性能103.1电导的基本概念1电导的常见参数、体积电阻与表面电阻、体积电阻的测量；载流子概念与含义，载流子的物理特征（霍尔效应、电解效应）；载流子的迁移率载流子概念与含义，载流子的迁移率课堂教学，PPT电子课件3.2离子导电基础2固体电解质的常见种类、离子导体与离子传导途径、离子载流子浓度、离子的迁移与电导理论、影响离子电导的因素、固体电解质的材料举例离子载流子浓度、离子的迁移与电导理论、影响离子电导的因素课堂教学，PPT电子课件3.3电子导电基础2能级、导带、价带、禁带、费米能级的物理含义；晶体中电子的能级、半导体的载流子浓度、载流子的散射机制、半导体的电子电导率、电子电导的影响因素晶体中电子的能级、半导体的载流子浓度、载流子的散射机制课堂教学，PPT电子课件3.4无机材料的电导2硅晶体中杂质能级、施主杂质与施主能级、受主杂质与受主能级；氧化物中的缺陷（杂质缺陷、阳离子缺陷、阴离子缺陷）理解各种杂质（施主、受主、点缺陷、非化学计量缺陷等）在半导体导电中的作用3.5半导体的物理效应1空间电荷效应、p-n结效应、晶界效应、表面效应p-n结的形成及其与光、电等的相互作用课堂讨论2学生的PPT报告、汇报课外研学结果、课堂讨论第4章无机材料的介电性质104.1极化及相关特性3电介质含义，极化、偶极子、电极化的概念，介质的极化率与极化强度，电偶极子周围的电场、介电常数、极化物理量与宏观电场的关系、宏观电场与局部电场、宏观物理量与微观极化率a的关系、极化的基本形式极化、电极化的物理意义，极化的基本形式课堂教学，PPT电子课件4.2介质损耗及相关特性1介质损耗的含义、介电损耗的形式、介电损耗的改善措施理解介电损耗的形式课堂教学，PPT电子课件4.3介电强度1.5介质的击穿含义、介电强度定义及物理含义；击穿的基本形式，热击穿的本质与原理，电击穿原理（静电电离理论）影响介质击穿的因素电击穿与热击穿的本质与原理课堂教学，PPT电子课件4.4铁电体与铁电性0.5铁电现象的含义，电滞回线的物理意义、影响因素及其应用，铁电体的介电特性及应用电滞回线的物理意义课堂教学，PPT电子课件4.5无机材料的压电性质2压电效应、压电效应机理、压电效应的方程式、压电振子谐振特性及振动模式、压电材料及其应用压电效应机理、压电效应的方程式课堂讨论2学生的PPT报告、汇报课外研学结果、课堂讨论第5章无机材料的磁学性能65.1磁性基础1磁极、磁化强度、矫顽力、剩余磁化强度、磁畴、磁畴壁、自发磁化等的概念与物理含义理解磁滞回线物理含义课堂教学，PPT电子课件5.2磁性性质2电子的交换作用与磁性质、磁性质的超交换作用、磁畴及其运动、磁性的种类理解掌握磁性质的超交换作用、磁畴及其运动课堂教学，PPT电子课件5.3铁氧体的磁性1磁性氧化物的特点铁氧体的结构与磁性（尖晶石型铁氧体、石榴石型铁氧体）、铁磁性材料类型理解铁氧体的结构、组成及其与磁性关系5.4磁性的交叉物理效应1磁热效应、磁电效应、磁光效应、磁致伸缩效应各种效应的原理课堂讨论1学生的PPT报告、汇报课外研学结果、课堂讨论第6章无机材料的光学性质66.1光与物质的相互作用1交变电偶极子向空间发射电磁波，电子受迫振动的频率与驱动光波频率的关系理解电子受迫振动频率与驱动光波频率的关系课堂教学，PPT电子课件6.2光的反射与折射1折射与反射的概念，光的折射与材料的介电常数关系（麦克斯韦关系）、介质的折射率与原子的电子极化率的关系、折射率与原子尺寸的关系；影响折射率的因素；反射率和透射率与介质的折射率的关系；光的全反射率与光导纤维；光在各向异性介质中的传播：双折射——电控双折射效应、旋光及其微观机理光的折射与材料的介电常数关系，光的全反射课堂教学，PPT电子课件6.3光的吸收、色散与散射1光的吸收的定义，吸收系数、材料吸收的选择性；散射的概念，光的衰减与吸收系数和散射系数的关系，弹性散射与非弹性散射理解光的衰减与吸收和散射的关系课堂教学，PPT电子课件6.4无机材料的透光性1透光性定义，影响材料透光性的因素、提高无机材料透光性的措施理解影响材料透光性的因素课堂教学，PPT电子课件6.5无机材料的颜色1物质呈现颜色的原理，分子（离子）着色剂、胶态粒子着色剂理解无机材料的呈色本质课堂教学，PPT电子课件6.6无机材料的光学性质与应用1红外光学性质与应用；光发射材料、光发射基本性质、荧光与磷光，发光原理；发光二极管、光电转换及其原理、应用相关光学应用的原理课堂教学，PPT电子课件课堂讨论1学生的PPT报告、汇报课外研学结果、课堂讨论第7章无机材料的力学性能127.1材料的弹性变形1弹性形变和塑性形变概念，变形相关物理量，弹性模量、剪切模量、泊松比弹性变形机理及原子间相互作用在弹性变形中的分析解释，弹性变形与温度及微观结构影响因素弹性变形机理课堂教学，PPT电子课件7.2材料的塑性变形2塑性、屈服应力、塑性变形单晶体塑性变形方式；滑移的含义及滑移系统（滑移面和滑移方向）、临界剪切应力、滑移的位错运动理论；金属与非金属滑移难易比较；孪生的相关概念、孪生的特点与种类；多晶塑性变形及其微观机制；影响塑性形变的因素滑移的位错运动理论、多晶塑性变形及其微观机制课堂教学，PPT电子课件7.3材料的疲劳与蠕变1典型的蠕变曲线及各阶段的特点，影响蠕变曲线形状的因素，蠕变机理，影响蠕变的因素蠕变机理的理解课堂教学，PPT电子课件7.4材料的滞弹性与粘滞形变1流变学基础，流变特性，流变基本模型，宾汉体、马克斯韦尔液体（液态粘弹性物体）、开尔文固体（固态粘弹性物体；滞弹性：标准线性固体（曾纳模型）、应力松弛与应变松弛、弹性应变材料中的几种松弛过程、应变蠕变时间与应力弛豫时间，粘弹性和滞弹性理解流变基本模型、滞弹性及其模型课堂教学，PPT电子课件7.5材料的强度与断裂2轻度及与强度有关的共性问题，强度与断裂，与材料强度有关的断裂力学的特点；理论断裂强度：能量守衡理论、Orowan近似理论；塑性形变强度（剪切强度）、断裂强度；材料强度分析举例理解强度与断裂、理论断裂强度、塑性形变强度的物理机制课堂教学，PPT电子课件7.6应力强度因子与断裂韧性1应力强度因子概念、裂纹尖端的应力场分析、应力强度因子解析式；断裂韧性概念与解析式、断裂韧性参数及其物理意义；应变能释放率与应力强度因子的关系应力强度因子解析式、断裂韧性参数及其物理意义课堂教学，PPT电子课件7.7裂纹的起源与扩展1裂纹尖端处的微塑性区；裂纹的起源、裂纹的快速扩展、影响裂纹扩展的因素裂纹尖端处的微塑性区；裂纹的起源、裂纹的快速扩展课堂教学，PPT电子课件7.8提过太材料强度与改善脆性的途径1显微结构对材料脆性的影响；微晶、高密度与高纯度；改善脆性的途径理解显微结构对材料脆性的影响课堂教学，PPT电子课件课堂讨论2学生的PPT