《材料科学基础A》课程教学大纲

《材料科学基础A》课程教学大纲

课程英文名称：Fundamentals of Materials Science（A） 课程编号： 113990240 课程类别：(学科基础课) 课程性质：(必修课) 学 分： 4

学 时：（其中：讲课学时：64 实验学时：0 上机学时:0 ）

适用专业： 材料科学与工程专业（无机非金属材料和金属材料方向）与功能材料专业

开课部门： 材料科学与工程学院

一、课程教学目的和课程性质

本课程是材料科学与工程专业（无机非金属材料和金属材料方向）与功能材料专业本科学生开设的重要的专业基础必修课程之一。本课程主要从一级学科层次上阐述材料组成－结构－性能－材料用途之间相互关系及其制约规律，具有较强的理论性，又与生产实际有紧密的联系。

通过本课程的学习，学生可以得到应用所学理论分析实际问题的方法和思路的训练，为按预定性能设计材料奠定基础，在一定层次上研制开发新材料及为后续课程的学习打下理论基础。

二、本课程与相关课程的关系

先修课程：无机及分析化学、高等数学、大学物理、物理化学、材料概论、晶体学 后续课程：无机材料非金属(水泥、玻璃、陶瓷)工艺学、电子陶瓷、特种陶瓷工艺学、磁性材料等。

三、课程的主要内容及基本要求

第1单元 材料引言（2学时） [知 识 点]

材料类型；材料组成、结构、性质、工艺及其与环境的关系；材料的选择。

[重 点]

材料的分类方法及种类；材料组成、结构、性质、工艺及其与环境的关系。

[难 点]

材料组成、结构、性质、工艺及其与环境的关系。

[基本要求]

1、识 记：材料的类型。

2、领 会：材料组成、结构、性质、工艺及其与环境的关系。 3、简单应用：材料的分类。 4、综合应用：材料的选择。 第2单元 晶体结构（6学时） [知 识 点]

单质晶体结构 金属晶体结构、非金属晶体结构；无机化合物结构 典型离子晶体结构类型：AX型、AX2型、A2X3型、ABO3型、ABO4型、AB2O4型和石榴石型结构。硅酸盐晶体结构组成特征、结构特点及分类，岛状、组群状、链状、层状和架状硅酸盐结构及其相关性质。

[重 点]

AX型、AX2型、ABO3型晶体结构，硅酸盐晶体组成、结构特点及分类，层状硅酸盐矿物的结构与性质。

[难 点]

理解ABO3型晶体结构与性质的关系，石英的压电效应。

[基本要求]

1、识 记：金属晶体结构类型；典型无机化合物结构类型；硅酸盐晶体结构组成

特征、结构特点及分类；

2、领 会：典型无机化合物结构特点；岛状、组群状、链状、层状和架状硅酸盐

结构及其相关性质；

3、简单应用：根据晶体结构判断晶体物理化学性质；

4、综合应用：晶体结构计算；硅酸盐晶体结构特点与其物理性质的关系。 第3单元 晶体结构缺陷（8学时） [知 识 点]

晶体结构缺陷的类型；点缺陷 符号表征，缺陷反应，缺陷浓度计算，热缺陷运动与离子导电性；线缺陷 位错类型、伯格斯矢量及位错性质、位错的运动；面缺陷；固溶体 分类，置换型固溶体，间隙型固溶体，固溶体的形成与晶体性质，固溶体的研究方法；非化学计量化合物。

[重 点]

点缺陷，固溶体，非化学计量化合物

[难 点]

缺陷反应，缺陷的形成与晶体的关系。

[基本要求]

1、识 记：晶体结构缺陷的类型；点缺陷符号表征，缺陷反应，缺陷浓度计算；

位错类型；固溶体分类，置换型固溶体形成条件，间隙型固溶体形成条件，固溶体密度的计算公式；非化学计量化合物类型。

2、领 会：热缺陷和杂质缺陷的特点；位错的类型特点；两种固溶体形成条件；

非化学计量化合物的缺陷反应式

3、简单应用：热缺陷浓度计算；缺陷反应式书写；固溶体密度计算； 4、综合应用：固溶体类型的判定。 第4单元 非晶态结构与性质（5学时） [知 识 点]

熔体的结构 熔体结构的一般认识，硅酸盐熔体结构；熔体的性质 粘度与表面张力的概念，温度、组成对粘度与表面张力的影响；玻璃的形成 玻璃的通性，玻璃的转变，玻璃的形成；玻璃的结构；常见玻璃类型 硅酸盐玻璃与硼酸盐玻璃。

[重 点]

玻璃的结构及玻璃形成的热力学观点和动力学手段；熔体的形成与结构，粘度的概念；掌握玻璃的四个通性，了解玻璃态物质的形成方法、玻璃的二个结构学说和硼酸盐玻璃的特点。

[难 点]

形成玻璃的结晶化学条件、硅酸盐玻璃的结构特征和玻璃结构参数的计算。

[基本要求]

1、识 记：硅酸盐熔体结构特点；粘度与表面张力的概念；玻璃的形成 玻璃的

通性；玻璃的结构；常见玻璃类型；

2、领 会：温度、组成对粘度与表面张力的影响；玻璃的转变，玻璃的形成； 3、简单应用：熔体粘度计算；

4、综合应用：玻璃结构参数计算来判断玻璃的物理性质。 第5单元 表面结构与性质（5学时） [知 识 点]

固体的表面：固体表面的特征，晶体表面结构，表面力场与表面能，离子晶体在表面力场作用下离子的极化与重排过程；多相体系的界面化学：表面温润与粘附，弯曲表面效应，吸附与表面改性；晶界和相界：晶界结构与分类，多晶体的组织，晶界应力，相界。

[重 点]

表面润湿与粘附，吸附与表面改性，晶界结构与分类。

[难 点]

晶界结构。

[基本要求]

1、识 记：固体表面的分类，晶体表面结构特点；润湿的类型，弯曲表面效应，

吸附与表面改性；晶界结构与分类；

2、领 会：接触角与Young方程； 3、简单应用：弯曲表面效应； 4、综合应用：Young方程应用。 第6单元 相平衡与相图（16学时） [知 识 点]

材料系统相平衡特点：热力学平衡态与非平衡态，系统中组分，相及相律；单元系统：在一元系统相图中应掌握的几个基本内容，水型物质与硫型物质，具有同质多晶转变的单元系统相图，SiO2系统，C2S系统相图，ZrO2系统相图；二元系统相图：二元凝聚系统相图组成表示法、杠杆规则和相律，二元系统相图的基本类型，二元专业相图举例，凝聚系统相图测定方法；三元系统相图：相率及组成表示法，在固相中完全不互溶的三元凝聚系统相图基本类型, 在固相中形成固溶体的三元凝聚系统相图基本类型，三元专业相图举例。

[重 点]

热力学平衡态与非平衡态，相图分析方法与规则；单元系统相图的特点，可逆与不可逆多晶转变的特点；二元相图的分析方法，各种类型二元相图的特点和冷却析晶过程的分析；三元相图的特点、杠杆规则、连线规则、切线规则、重心规则、三角形规则等，各种三元相图类型和特点、冷却析晶过程的分析、在析晶过程中液相组成点和固相组成点的变化规律。

[难 点]

相图分析方法与规则，各种三元相图类型和特点、冷却析晶过程的分析。

[基本要求]

1、识 记：热力学平衡态与非平衡态；单元系统相图的特点；二元相图的分析方

法，各种类型二元相图的特点和冷却析晶过程的分析；三元相图的特点、杠杆规则、连线规则、切线规则、重心规则、三角形规则等，各种三元相图类型和特点、冷却析晶过程的分析、在析晶过程中液相组成点和固相组成点的变化规律；

2、领 会：相图分析方法与规则；可逆与不可逆多晶转变的特点；各种二元和三

元相图在析晶过程中液相组成点和固相组成点的变化规律；

3、简单应用：典型单元、二元、三元相图析晶过程的分析； 4、综合应用：实际单元、二元、三元相图的分析。 第7单元 固体中的扩散（6学时） [知 识 点]

晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程：基本特点，扩散动力学方程，扩散动力学方程的应用；扩散过程的推动力和扩散微观机制：扩散的一般推动力，质点迁移的微观机构，非化学计量氧化物中的扩散；固体中扩散及影响扩散的因素：晶体组成的影响，化学键的影

响，结构缺陷的影响。温度与杂质的影响。

[重 点]

扩散的基本特点、固体材料中的扩散及其影响因素；扩散动力学方程、扩散的布朗运动理论、扩散的推动力、质点迁移的微观机构和非化学计量化合物中的扩散，扩散系数的一般热力学关系、各种迁移机构的扩散系数与特点。

[难 点]

非化学计量化合物中的扩散，扩散系数的一般热力学关系、各种迁移机构的扩散系数与特点。

[基本要求]

1、识 记：扩散的基本特点、固体材料中的扩散及其影响因素；扩散动力学方程、

扩散的推动力、质点迁移的微观机构和非化学计量化合物中的扩散，扩散系数的一般热力学关系、各种迁移机构的扩散系数与特点；

2、领 会：扩散微观机制及扩散系数的表达式 3、简单应用：菲克第一定律的应用； 4、综合应用：扩散的影响因素。 第8单元 相变原理（5学时） [知 识 点]

相变的分类：按热力学分类，按相变方式分类，按质点迁移特征分类；液﹣固相变过程热力学：相变过程的不平衡态及亚稳区，相变过程推动力，晶核形成条件；液﹣固相变过程动力学：晶核形成过程动力学，晶核生长过程动力学，总的结晶速率，析晶过程，影响析晶能力的因素；液﹣液相变过程：液相的不混溶现象，分相的热力学理论，分相动力学，分相的结晶化学观点。

[重 点]

晶核的形成条件、均匀成核与非均匀成核、晶体生长过程动力学；相变的分类方法和特点、相变过程的推动力、液相的不混溶现象。

[难 点]

晶体生长过程动力学。

[基本要求]

1、识 记：相变按热力学分类、按相变方式分类、按质点迁移特征分类；相变过

程的不平衡态及亚稳区，相变过程推动力；影响析晶能力的因素；

2、领 会：晶核形成条件；晶核形成过程动力学，晶核生长过程动力学，总的结

晶速率，析晶过程；

3、简单应用：晶核形成临界半径公式的应用；

4、综合应用：液固相变过程中，晶体的成核及生长动力学关系。

第9单元 固相反应（5学时） [知 识 点]

固相反应动力学特征；固相反应热力学；固相反应动力学方程：固相反应一般动力学关系，化学反应动力学范围，扩散动力学范围；影响固相反应的因素：反应物化学组成与结构的影响，反应物颗粒尺寸与分布的影响，反应温度、压力和气氛的影响，矿化剂及其他因素的影响。

[重 点]

固相反应的动力学关系、影响固相反应的因素，扩散动力学范围的动力学方程。

[难 点]

固相反应热力学及固相反应动力学方程。

[基本要求]

1、识 记：固相反应动力学特征；固相反应一般动力学关系，化学反应动力学范

围，扩散动力学范围；影响固相反应的因素；

2、领 会：杨德方程和金斯特林格方程的优缺点及适用条件； 3、简单应用：固态反应一般动力学关系的应用； 4、综合应用：固态反应影响因素的分析。 第10单元 烧 结（6学时） [知 识 点]

烧结基本概念、定义，与烧结有关的一些概念，烧结过程推动力，烧结模型；固态烧结：蒸发﹣凝聚传质，扩散传质，烧结过程的典型传质分析；液相参与的烧结：特点与类型，粘﹣塑性流动传质，溶解﹣沉淀传质，各种传质机理比较；晶粒生长与二次再结晶：晶粒生长，二次再结晶，晶界在烧结中的作用；影响烧结的因素：原始粉料的粒度，外加剂的作用，烧结温度和保温时间；盐类的选择及其煅烧条件；气氛的影响；成型压力的影响；特种烧结原理：热压烧结，活化烧结。

[重 点]

固态烧结中的蒸发-凝聚传质和扩散传质、液相烧结中的流动传质和溶解-沉淀传质、液相烧结的特点、各种传质过程特点与相应的公式、晶粒生长与晶粒长大的定律、二次再结晶的特征与产生的原因、采用晶界迁移抑制剂时晶粒生长的规律。

[难 点]

烧结中的扩散机理及动力学。

[基本要求]

1、识 记：烧结基本概念、定义，与烧结有关的一些概念，烧结过程推动力，烧

结机理；蒸发﹣凝聚传质，扩散传质；液相参与的烧结特点与类型，粘﹣塑性流动传质，溶

解﹣沉淀传质；晶粒生长，二次再结晶，晶界在烧结中的作用；影响烧结的因素；

2、领 会：固态烧结过程的典型传质分析；各种传质机理比较； 3、简单应用：烧结机理具体应用； 4、综合应用：烧结影响因素的分析。

学时分配

知识单元 第1章 材料引言 第2章 晶体结构 第3章 晶体结构缺陷 第4章 非晶态结构与性质 第5章 表面结构与性质 第6章 相平衡与相图 第7章 基本动力学过程－扩散 第8章 材料中的相变 第9章 材料制备中固态反应 第10章 烧结 合计 理论学时 2 6 8 5 5 16 6 5 5 6 64

四、教学方法与手段

本课程相对抽象，一些概念难以理解，因此可应用模型，实用材料举例、多媒体动画设计课件、课堂讲解、课堂讨论、课堂练习及作业等手段，结合另设的《材料科学基础实验A》课程的进行，有助于本课程的理解和掌握。

五、考核要求、方式与成绩评定

考核要求：

该课程由多个老师同时教学，因此，该课程考试范围严格依据教学大纲，不超过教学大纲规定教学内容，同时考试内容的覆盖面不低于各章全部教学内容的60％，每单元的重点内容即为考核重点内容。该课程期末考试从题库中统一命题，统一评分标准，统一考试时间，统一阅卷。

考核形式：考试

成绩评定：本课程采用结构评分，期末考试成绩(70%)，平时成绩（单元小结10%，

考勤10%，作业10%)（30%）。成绩评定为百分制。

六、选用教材、讲义和主要参考书

1.选用教材：

《材料科学基础》，张联盟、黄学辉、宋晓岚编，武汉理工大学出版社，2008年8月第

二版。

2.推荐参考书：

《材料科学导论》，冯端，师昌绪，刘治国主编，化学工业出版社，2002年5月。 《陶瓷的结构与性能》，R.W. 卡恩，P. 哈森，E. J.克雷默主编，科学出版社，1998年6月。

《硅酸盐物理化学》，陆佩文等编，东南大学出版社，1991年1月。

七、大纲说明

本课程是材料专业的非常重要的专业基础课，也是研究生入学考试的必考课程之一，是后续多个专业方向专业课程学习的基础，因此，在教学中应注意培养学生的材料基础理论知识面以及分析和解决问题的能力；本课程选用教材是教育部高等教育百门精品课程教材建设计划立项研究项目、普通高等学术材料科学与工程类专业新编系列教材，书中习题量大、面广、并与实际材料紧密结合，给学生留下了很大的思维空间。因此，作业以书中所列的部分习题为主。

八、审核意见

课程负责人签字： 专业负责人签字： 教研室主任签字： 分管院长签字： 执行日期： 年 月

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