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材料科学与工程专业介绍 2008年6月1日 管学茂 一、专业的演变与发展 二、专业培养的目标和要求 三、专业教学计划 四、专业学习与选课 五、学生成长的建议与要求 提 纲 一、材料专业的演变与发展 工业的迅猛发展要求与之相适应的科学技术与专门人才：十七 世纪中叶英国成立了皇家学会，之后又在大学设立工程学科，大大 促进了科技人才的培养和发展。在冶金/材料领域： Reaumur (1722) Hill (1748) 在放大镜下观察出晶粒。 Sorbit 发现并描述了细珠光体。 Young(1807)提出材料弹性模量概念。 Barlow(1826)关于材料强度的测定。 Tehernoff(1861)发表了钢临界点的实验报告。 Wshery(1860-1870)关于拉伸、扭转、变曲应力的工作及得 出的第一条S-N曲线，开辟了材料、组织与性能间关系的 科学研究。 一、材料学科的演变与发展欧美国家 大学中最早设立冶金系 美国(1865)年建立第一批矿冶系 Michigan technological Univ. (后归Michigan大学) Columbia 大学 Carnigie-Mellon 大学 英国（1865-1870）大学开始设立矿冶系 Sheffield 大学 侧重炼钢 Birmingham 大学 侧重铸铁 Emperical mining college 学院 侧重冶炼工艺 一、材料学科的演变与发展欧美国家 20世纪40年代后非金属材料有了新的发展，1945年晶 体管的出现，半导体材料异军突起。 为适应新材料发展需要，1955-1956，Birmingham大 学教授 Raynor 把该校原来的理论冶金系（物理冶金）与工 业冶金系（化学冶金及冶金加工）合并，组建并更名为冶金 与材料系，同时，Cambridge大学教授Cottrell 把该校冶金 系改名材料与冶金系。 欧洲大学首次明确设置材料系与相应的教学计划。 一、材料学科的演变与发展欧美国家 20世纪前半叶，美国材料学科教育也主要在冶金系，以金属材料为主， 二战后，在教学计划中加入了“广泛材料”基础理论及非金属材料课程。 60至70年代，原设置冶金系的大学逐步将系名更改为材料系或冶金与 材料系。 80年代美国大学相应系多以材料科学与工程命名(MSE)。 历史上看，材料系多由冶金系演进而来。60年代之后随着非金属材料 发展化学化工系也部分转向材料。 统计： 英国著名大学牛津、剑桥、伯明翰大学均以冶金材料系命名。 1985年统计美国90所设材料教学计划的系中有36所为冶金系 或材料冶金系，有6所为化工与材料系。 目前美国有104所大学设有从事材料学科的系，其中95个归属 材料/冶金类，9个归属非金属的材料系。 一、材料学科的演变与发展欧美国家 一、材料学科的演变与发展中国 中国的材料科学与工程教育起源于部分高校的采矿系、矿 冶系，可以分为五个历史阶段： u1949年以前： 北洋西学学堂的矿冶学科（ 1895 年创建 ），国立唐山工学 院 (1905) 、东北大学 (1912) 、武汉大学 (1913) 、国立贵州大 学 (1941) 。 1946 年，国立清华大学从西南联合大学回北京复校后，在工 学院中又增设了化学工程系，把材料学科教育扩宽到非金属领域 。 材料教育主要是培养矿冶人才，突出特点是不划分专业，教 学内容包括采矿、选矿、冶金、材料等内容，是一种宽领域培养 模式，许多材料界前辈专家就是在这种宽口径学科背景下培养出 来的。 一、材料学科的演变与发展中国 u19491966年 苏联模式 1951 年将大连大学 ( 现大连理工大学 ) 的冶金系调到东北工 学院 ( 现东北大学 ) ，以加强其金属材料学的教学规模。 1952 年 4 月，以北洋大学 ( 现天津大学 ) 、唐山铁道学院 ( 北方交通大学分部 ) 、北京工业学院、国立西北工学院 ( 现西北 工业大学 ) 、山西大学等五所院校的矿冶和材料系为基础创建了 北京钢铁学院 ( 现北京科技大学 ) ， 同年，将武汉大学、湖南大学、广西大学的矿冶工程系， 中山大学地质 系以及 南昌大学的 采矿科 调整出来在长沙成立了 中南矿冶学院 ( 现中南工业大学 ) ， 新成立的北京航空航天学院 ( 现北京航空航天大学 ) 增设了 高分子材料 ( 含复合材料 ) 等专业。 我国的材料科学技术人才被分割在十几个专业内培养，分属 于冶金、机械、化工等系 一、材料学科的演变与发展中国 u19781990初 向欧美学习 浙江大学率先设立材料科学与工程系；此后，北京科技大学、复旦 大学、清华大学等重点院校相继设立材料科学与工程 ( 或相近名称 ) 系 。 改革的主要内容：在原设置专业基础上扩充内容，试办新专业，总 体上体现了逐步打破原专业设置界限、加强专业间的渗透与联系的改革 趋势 u20 世纪 90 年代后期 1997 年至 1999 年，专业进行了第四次大规模修订由行业划分专业 向以学科划分专业过渡。厚基础、宽专业、高素质、强能力，以适应市 场需要。新的专业目录由 504 个减少到 232 个。 本科新旧专业对照 0713 材料科学类 (注:可授理学或工学学士学位) u 071301 材料物理 u 071302 材料化学 0802 材料类 u080201 冶金工程 u080202 金属材料工程 u080204 高分子材料与工程 u 071301 材料物理 u 071302 材料化学 u 071303W 矿物岩石材料 u080201 钢铁冶金 u080202 有色金属冶金 u080203 冶金物理化学 u080213W 冶金 u080205 金属压力加工 u080209 粉末冶金 u080210 复合材料(部分) u080211 腐蚀与防护 u080303 铸造(部分) u080304 塑性成形工艺及设备(部分) u080305 焊接工艺及设备(部分) u080206 无机非金属材料 u080207 硅酸盐工程 u080208 高分子材料与工程 u081215W 高分子材料及化工(部分) u080202 无机非金属材料 工程 一、材料学科的演变与发展中国 本科引导性专业目录 080205Y材料科学与工程 u080201 冶金工程 u080202 金属材料工程 u080203 无机非金属材料工程 u080203 高分子材料与工程 一、材料学科的演变与发展中国 1994年在原采矿系开始筹建材料学科，并将采矿系更 名为“资源与材料工程系”， 1995年招收“无机非金属材料”和“硅酸盐工程”专科生 ， 1996年招收“无机非金属材料”本科生， 1998年设立“材料科学与工程”本科专业，并招生。 2005年开始，材料科学与工程专业开设了无机非金属 和高分子两个专业方向，并且从第四学年开始两个 方向单独开课。 目前在校本科生600多名， 一、材料学科的演变与发展河南理工大学 专业特色 u先进建筑材料： 研究水泥基材料、玻璃、陶瓷、耐火材料等材料的组成结构性能关 系，研究固体废弃物在建筑材料中循环利用的材料科学理论及技术，研究建 筑材料的环境服役行为与机理，为先进建筑材料的设计、制备提供科学根据 ；并为新型建筑材料的开发奠定理论依据。 u超硬材料： 研究方向是在高温高压等极端条件下合成常态无法合成或难以合成的超 硬材料、超硬复合材料和其他新型功能材料； u纳米材料与器件： 研究纳米粉体的制备、胶体颗粒的自组装、纳米材料的应用以及新型光 电元器件的研究和开发。 师资力量 l职称和学历结构：教师 34 人，其中教授7人，副教 授16人，高级职称教师占 67.6 %，讲师 11 人，占 32.3 %，具有博士学位教学科研人员 20 人，占 58.8%; l年龄结构：35岁以下20人，36-45岁12人，46-55岁1 人，56-60岁1人; l学缘结构：美国、英国、日本，清华；武汉理工大 学、华东理工大学、南京工业大学等 -4-1 先进进建筑 材料 管学茂1965.09博士（后） 教授/博导导 张义顺张义顺1951.05本科教授/博导导 张战营张战营1958.08博士教授/博导导 戴亚辉亚辉1962.03博士教授 马马小娥1966.04硕硕士副教授 杨杨 雷1978.09博士副教授 王雨利1976.07博士副教授 姚 嵘嵘1966.03博士副教授 朱建平1979.9博士副教授 人员总员总 数 小计计 教授副教授 45 研究方向一 先进建筑材料方向骨干教师 -4-2 超硬材料 贾晓鹏贾晓鹏 1962.12博士教授/博导导 杨杨海滨滨 1957.07博士教授/博导导 李小雷 1969.10博士副教授 藏传义传义 1974.05博士副教授 胡前库库1978.09博士副教授 孙孙 广1977.03博士副教授 邢学玲1978.09博士副教授 吴庆华庆华1978.09博士副教授 人员总员总 数 小计计 教授副教授 26 研究方向二 超硬材料方向骨干教师 -4-3 纳米材料 及器件 关荣峰1963.10博士教授 孟哈日巴拉1968.10博士教授 王晓晓冬1972.01博士副教授 张张玉德1976.07博士副教授 王李波1979.04博士副教授 人员总员总 数 小计计 教授副教授 13 研究方向三 纳米材料及器件方向骨干教师 u 材料科学与工程“四要素” 1、“四要素”与结构 三要素 四要素 等边四面体结构 使用 行为 合成 与加工 二、专业培养的目标及要求 材料科学与工程的定义（国际公认）是：研究有关材料成份/结构、制备/合成、 性能/组织和使用效能及其关系的科学技术与生产。对材料四要素的认识和理解，要有 动态的观念，材料科学与工程四个基本要素的说明和控制应放在更高、更深的层次， 即分子、原子尺度来阐释和控制。 材料的结构与成分应更着重于包括分子、原子的类型及所观察尺度范围（纳 米、 介观、微 观、宏观）内分子、原子的排列组合。 使原子（原子团），分子可得到特定排列组合的合成与加工； 由不同原子（原子团）、分子及其排列组合所得到的使材料具有值得研究和使用的 性能； 考虑经济和社会效益的材料使用服役实际条件及其有效性的度量。 四要素是一个整体，内部有机联系是其核心与活力所在。 （1）成分、组成与结构 从电子、原子尺度到宏观尺度 成分与分布 结构无限变化导演材料复杂性能 成分与结构表征 分析与建模技术 四要素”基本内涵 （2）合成与加工 l所有尺度上原子、分子及分子团对结构的控制 l 新结构转化为材料与结构的演化过程 l 宏观操作引发的微观结构变化与“意外”现象 四要素”基本内涵 决定工业生产效率与竞争力 （3）性质 材料对外界刺激的整体响应 各种尺度上的性能测试与分析 导向所需综合性能的设计 四要素”基本内涵 工艺性能 变形性能：成形 铸造性能：流动 热处理性能：可硬 切削性能 全面性能 高低温性能：蠕变、脆化 动态性能：疲劳、断裂 基本性能 力学性能：强度、塑性 物理性能：模量、磁性 化学性能：腐蚀、氧化 “四要素”基本内涵 （4）使用行为 材料固有性质与构件功能、能力相结合 使用中材料固有性质变化、预测与改善 环境中固有性能变化与预测 四要素”基本内涵 材料科学与工程的纵向或横向分类方法 陶瓷 电子材料金属 高分子材料 材 料 科 学 与 工 程 材料科学与工程 使用/效能 合成/加工 组织/性能 成分/结构 l培养目标 本专业主要培养德、智、体全面发展,具备 材料科学与工程领域较宽的基础知识,能在各种 材料的制备、加工成型、材料结构与性能等领域 从事科学研究与教学、新材料的技术开发、工厂 的技术改造、生产及经营管理等方面工作,有较 强的动手能力，适应社会主义市场经济发展的高 层次、高素质全面发展的科学研究与工程技术人 才。 u社会对材料科学与工程人才的要求 （1）素质结构要求 l思想道德素质：爱岗敬业，团结合作 l文化素质：人文社科知识，交际能力 l专业素质：专业知识，提出、解决问题的能力 （2）能力结构要求 l获取知识的能力： l应用知识的能力： l创新能力： （3)知识结构要求 l工具性知识：外语、计算机及信息技术、文献检索、方法论、写作 l人文社科知识：文学、历史学、哲学、艺术、社会学、心理学 l自然科学知识：数学、物理、化学、生命科学、地球科学 l工程技术：工程制图、机械、电工电子、工程环境、工程原理 l经济管理：经济学、管理学 l专业知识：材料组成、性能、制备、应用的相互关系 u材料科学与工程对社会发展的影响 材料不仅包括金属、陶瓷等传统的结构材料，而且在包括具有光、声、 电、磁、力、超导、高塑，以及超强、超硬、耐高温等机能与性能的材料。 此类新材料的出现，推进了高技术产品的智能化与微型化，从而极大地影响 着人类的现代生活、社会结构与文化价值。 新材料与新能源，以及新材料与新能源中的高新技术的发展，正在极大 地丰富着人类的物质与精神生活。材料与能源是人类文明的奠基石。 20世纪80年代出现的新技术革命,把新材料、信息技术、生物技术并列 为新技术革命的重要标志。 “新材料”包含着这样两个层面的含义：一是对传统材料的再开发，使其 在性能上获得重大突破的材料；二是采用新工艺和新技术合成，开发出具有 各种新的和特殊功能的材料。由此可以看出，新材料与新工艺、新技术有着 密切的关系。 三、专业教学计划 1.主要基础、公共课程设置 2.专业基础课程设置 3.专业核心（特色）课程介绍 4.修业年限及授予学位 5.专业各学年学分、学时分布情况 1.主要基础、公共课程设置 l政治类课程（教育部要求政治保证） l军事、体育类课程（教育部要求健康保障） l外语类课程（教育部要求对外交流） l计算机类课程应用工具 l大学物理类课程工科必修 l数学类课程大学必修 l电工与电子技术类课程工科必修 l画法几何与工程制图 工科必修 2.专业基础课程设置情况及衔接关系 l 内容包括结晶学、晶体化学、缺陷化学、熔 体化学、非晶态科学、表面与界面化学、材料热 力学和动力学中的基础知识。 l 将其应用于研究各种新型材料和传统材料的 制备-形成（工艺）条件-结构-性能-用途五要素 之间相互关系及相互制约规律。 l 从结构角度揭示材料的性质与行为，指出材 料结构与性能的联系，指导材料的生产与科研， 解决材料制备和使用过程中的实际问题，从而为 认识和改进猜猜的性能以及设计、生产、研究、 开发新材料提供必备的科学基础知识。 2.1、“材料科学基础”课程简介 2.2、材料工艺学 l 该课程目前是材料科学以及其它材料 学相关专业的专业基础课程，其教学内容 包括：工艺技术、基础原理和环境保护三 部分，涉及传统材料和新型材料。有大量 的实验内容。是各种专业课的基础课程。 2.3、化学类 四大化学（无机化学、有机化学、分析化学、 物理化学），为深入分析不同条件下材料常 温和高温可能产生的各种反应提供推断的 理论依据，分析化学为材料的测试和玻璃 器皿的基本操作应用进行必要的培养。为 将来从事材料检测打好基础。 2.4、材料测试技术 l主要用于研究材料的组成和结构： （1）X射线衍射分析 ； （2） 电子衍射分析 ； （3） 热分析 ； （4） 红外光谱分析 ； （5） 色谱分析 ； （6） 核磁共振 ； （7） 质谱分析 2.5、硅酸盐热工基础 l 主要介绍材料在受热过程中燃料充分 燃烧、热量传递规律、降低材料能耗等的 相关理论。包括燃料及其燃烧、传热原理 、气体力学在窑炉中的应用 、干燥过程与 设备。 3 专业核心课程设置 序号课课程名称学分总总 学 时时 讲讲 课课 实实 验验 先修课课程 1物理化学及实验实验4726012大学化学 2材料物理性能2.544348大学物理 3材料科学基础础4706010物理化学 4固体物理23636 大学物理 5高分子物理360546有机化学、大学化 学 6材料科学与工程导导 论论 236306有机化学、大学化 学、物理化学 7材料工艺艺学4704822材料物理性能 8材料测试测试 技术术2.5442420材料科学基础础 9热热工基础础及设备设备4706010材料工艺艺及原理 4 修业年限及授予学位 l修业年限：实行36年弹性学制 l授予学位：工学学士 l学分： 5.专业各学年学分、学时分布情况 四、专业学习与选课 1、学习方法 l 充分利用课堂时间 l 阅读教材和参考书 l 运用已学知识理解专业课内容 l 参加科研 2. 如何正确选课 l公共基础课全选 l专业基础课全选 l专业必修课全选 l专业选修课按方向全选 l公选课分类最少修6个学分，即最少修6门课 五、学生成长的建议与要求 1.专业知识技能与综合素质的关系 l专业技能包括：掌握基础理论、材料性能检测、产品质 量控制的基本知识,具有研究和开发新材料、