《材料科学基础 (1)》课程教学大纲

《材料科学基础》课程教学大纲课程代码：ABCL0202课程中文名称:材料科学基础课程英文名称：PhysicalchemistryofInorganicmaterials课程性质：必修课程学分数：4课程学时数：64授课对象：无机非金属材料工程专业本课程的前导课程：基础化学、物理化学等一、课程简介《无机材料科学基础》是无机非金属材料、材料化学、材料物理等专业的一门重要的基础理论课程。它阐述了与无机材料的组成、结构、工艺和性能之间密切相关的一系列基础理论，在基础课（如大学物理、无机化学、物理化学等）与专业课（日用陶瓷工艺学、建筑陶瓷工艺学、特种陶瓷工艺学、玻璃工艺学等）之间起着承前启后的桥梁和纽带作用，是从事无机材料科学研究和工程制造的科技人员必须具备的专业基础知识。本课程也是无机材料专业硕士研究生入学考试必考科目之一。二、教学基本内容与要求2.1要求《无机材料科学基础》是一门专业基础理论课，是无机材料专业必修的主干课程。其目的和任务是阐述本学科领域中的基本理论、基本概念；揭示材料的组成、结构与性能之间的关系；探讨过程变化的规律及如何利用这些规律来分析、解释基本问题；为学习工艺知识等后续课程及从事无机材料工程技术和科学研究工作打下基础。因此，通过本课程的学习可掌握无机材料方面的基本理论，基本概念；了解从原料到成品的物理化学过程及变化规律；了解材料的组成、结构及性能间的相互关系；了解高温过程对材料结构的影响及材料显微结构的形成规律。为学习工艺知识等后续课程及从事无机材料工程技术和科学研究工作打下基础。该课程的教学目标是：1、掌握无机材料方面的基本理论，基本概念；2、了解从原料到成品的物理化学过程及变化规律；3、了解材料的组成、结构及性能间的相互关系；4、了解高温过程对材料结构的影响及材料显微结构的形成规律；5、通过完成规定的作业和实验，培养学生理论联系实际和分析、解决问题及动手能力、实践能力。2.2课程教学内容（一）课程提纲1．物质结构基础2．晶体学基础3．几何结晶学4．非晶态结构5．固体表面与界面6．相平衡及相图7．扩散8．材料制备中的固相反应9．材料中的相变10．烧结11．热力学基础（二）课程的知识体系知识领域1：无机材料的结构知识单元1.1、物质结构基础（1学时）知识单元1.2、晶体化学基础（4学时）知识单元1.3、晶体结构（14/6学时）知识单元1.4、非晶态结构（5/2学时）知识领域2：固体表面与界面知识单元2.1、固体表面与界面（8/2学时）知识领域3：相平衡及相图知识单元3.1、相平衡及相图（13/3学时）知识领域4：过程动力学知识单元4.1、扩散（4学时）知识单元4.2、材料制备中的固相反应（4/2学时）知识单元4.3、材料中的相变（5/3学时）知识单元4.4、烧结（6学时）知识领域5：热力学基础知识单元5.1、热力学基础（4学时）（三）课程涵盖的知识单元序号知识领域核心知识单元（参考学时）选修知识单元（参考学时）1无机材料的结构1.1（2）、1.2（12/6）、1.3（16/6）、1.4（9/2）、2固体表面与界面2.1（10/2）3相平衡及相图3.3（13/3）4过程动力学4.1（4）、4.2（6/2）、4.3(8/3)、4.4（6）5热力学基础5.1（4）（四）知识单元的描述知识单元1.1、物质结构基础（核心）参考学时：1学时知识点：物质的组成、状态及材料结构物质的原子结构（量子力学基础、原子结构和性质）原子之间的相互作用和结合（化学键结合、物理键结合、原子间距和空间排列）学习目标：(1)掌握物质的结构组成状态及材料结构。(2)掌握物质的基本组成单位原子之间的相互作用和结合状态。(3)从原子角度理解材料的结构与性能的关系。知识单元1.2、晶体化学基础（核心）参考学时：4学时知识点：晶体中的结合键紧密堆积原理影响离子晶体结构的因素鲍林规则同质多晶晶体场理论和配位场理论学习目标：掌握等径球的堆积规律；(2）了解影响离子晶体结构的因素；(3）掌握鲍林规则分析离子晶体结构；知识单元1.3、晶体结构（核心）参考学时：14/6学时知识点：晶体结构（单质晶体结构、金属晶体结构、无机化合物结构、硅酸盐晶体结构）晶体结构缺陷（点缺陷、线缺陷、面缺陷、固溶体、非化学计量化合物）学习目标：(1)掌握各种类型晶体结构特点与性能之间的对应关系。(2）掌握缺陷化学反应表示法及热缺陷浓度计算。(3)掌握固溶体的形成条件、固溶体的类型。(4）掌握非化学计量化合物类型，非化学计量化合物与固溶体的异同。知识单元1.4、非晶态结构（核心）参考学时：5/2学时知识点：典型非晶态结构（熔体的结构、玻璃的结构）学习目标：(1)掌握熔体结构聚合物理论、聚合物形成过程等。(2）掌握熔体的性质与玻璃形成的结晶化学条件。(3）了解玻璃的通性、玻璃的结构、常见玻璃类型。知识单元2.1、固体表面与界面（核心）参考学时：8/2学时知识点：表面自由能与表面张力界面行为固体表面与吸附胶体分散系表面活性剂及其应用学习目标：(1）了解固体表面结构特性。(2）掌握晶体表面结构即双电层的形成对表面性质的影响。(3)掌握粘土水系统的胶体化学，特别是粘土颗粒带电的原因和阳离子吸附交换特性，以及吸附离子对粘土水系统胶体化学性质的影响规律。知识单元3.1、相平衡及相图（核心）参考学时：13/3学时知识点：相平衡及其研究方法单元系统相图二元系统相图及应用举例三元系统相图及应用举例三元系统相图应用举例四元系统相图（选修）学习目标：(1）培养学生掌握分析认读相图的知识与能力，重点掌握三元系统分析相图的规则方法。(2)一元系统主要掌握多晶转变点的类型与特点及介稳态。(3)二元系统主要掌握凝聚系统相图的基本类型。(4)元系统重点掌握浓度三角形的性质，分析三元相图的规则，结晶路程的分析方法及结晶过程中各相量和各相组成的变化。(5)了解四元系统相图。知识单元4.1、扩散（核心）参考学时：4学时知识点：扩散动力学方程—Fick定律、Fick定律的应用固体扩散机构与扩散系数影响扩散的因素学习目标：(1)重点掌握扩散的宏观规律与微观机构及影响扩散的因素。(2)了解扩散理论及固体中的扩散。知识单元4.2、材料制备中的固相反应（核心）参考学时：4/2学时知识点：固相反应机理固相反应动力学影响固相反应的因素学习目标：(1)了解固相反应的特点、过程及动力学关系。(2)重点掌握扩散动力学方程及影响因素。知识单元4.3、材料中的相变（核心）参考学时：5/3学时知识点：相变分类、相变条件液相一固相的转变液相一液相的转变有序一无序转变再结晶和晶粒长大学习目标：(1)主要掌握液固相相变过程中晶核形成与晶体生长的热力学与动力学条件以及析晶过程的控制及影响因素。(2)了解相变的分类方法、几种主要相变类型及液液相变概念与现象。知识单元4.4、烧结（核心）参考学时：6学时知识点：烧结的基本类型、烧结过程及机理固相烧结液相烧结非常规烧结影响烧结的因素学习目标：(1)重点掌握烧结的传质机理以及各种因素对烧结的影响。(2)掌握抑制晶粒生长与防止二次重结晶的措施。(3)了解与烧结相关的基本概念及特种烧结原理。知识单元5.1、热力学基础（选修）参考学时：4学时知识点：热力学在凝聚体系中应用的特点热力学应用计算方法热力学应用举例学习目标：本单元内容做一般性了解。三、教学方法与手段本课的特点：三多一少。即基本理论多、概念多、问题多（为什么多），计算的内容少。为了实现课程的教学目标，本课程采用抓住“组成-结构-性能”这一主线，贯穿突出重点、难点的原则，使学生对本课程能较全面的掌握。为了实现这一教学方法，采用“板书+多媒体”复合式的教学手段，并配以其他教学手段。使学生掌握理解材料各物理性能间的共性规律及核心本质，达到较好的学习效果。本课程以课堂教学为主。教师在教学过程中，针对课程较难理解的概念适时提问，用提问、讨论等方法促使学生思维，调动学生积极主动思考的能动性，以加深学生对课程内容的理解，提高学习兴趣。在描述物理性能时，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。当每堂授课结束后，适当设置疑难问题，布置作业或思考题，在下次课前和学生进行交流。采用多媒体教学手段，结合使用课件，以形象化资料激发学生的学习兴趣，加强教学效果。在课堂教学中，充分利用多媒体教学手段，结合课件内容设计的有助于理解课程内容的动画，帮助学生理解概念，提高教学效果。本课程的学习方法是：（1）掌握各体系的结构是学习的基础；（2）理解基本概念和理论是手段；（3）用理论解释各种现象，分析“为什么”是目的；因本课程给定的学时少，教学内容较多，在课堂教学中暂不安排讨论课。教师在教学过程中，针对课程较难理解的概念适时提问，用老师提问、学生解答、老师针对性补充的方法促使学生思维，调动学生积极主动思考的能动性，以加深学生对课程内容的理解，提高学习兴趣。课外作业是巩固理论、强化概念及培养分析问题和独立思考能力的重要环节，是检验教与学的手段之一。习题应包括概念题、计算题、综合分析题等各种类型。例如硅酸盐晶体结构类型判别，热缺陷浓度的计算，玻璃结构学说的讨论以及三元相图析晶路程分析等。习题一次不宜过多过难，应由易到难，由浅到深。课外作业以教材上的习题为主，适度增加一些自编习题及思考题。每讲授完相关的知识单元后，布置相应的习题与思考题。每次布置3-5道必做作业题，并认真批改。提高学生自学能力和获取知识能力是重要环节，要适当布置学生自学的内容。本课程的教学课件已挂在校园网上，学生可利用校园网，延伸了课堂教学的时空领域，提供了课外学习服务。学生可以利用网络课堂进行自学、复习、个性化学习。网站平台可以提供在线提问，答疑系统、交流平台，教师可以答疑学生问题。本课程各章节内容既密切相关又相对独立，涉及面广，学习难度较大，根据学生的掌握情况还应及时辅导答疑。课外指导主要是切实做好课后对学生辅导答疑和质疑。原则上规定每讲授完一章，辅导答疑1次。辅导答疑时间可安排在晚上学生自习时间，解答学生本章学习存在的问题，如有普遍性问题可集体辅导。四、教学学时分配教学内容讲授学时讨论课习题课物质结构基础1晶体化学基础4晶体结构14非晶态结构5固体表面与界面8相平衡及相图13扩散4材料制备中的固相反应4材料中的相变5烧结6热力学基础（4）合计64五、考核方式与成绩评定标准1、考核方法本课程为考试课程，学生的成绩评定综合考试成绩及平时成绩，各项成绩的按比例评分。2、成绩评定课程成绩=考试成绩×80%+平时成绩×20%（百分制）六、教学参考资源1、参考书目：（1）胡志强等编.无机材料科学基础.