无机材料性能教案

四川大学教案【首页】课程名称无机材料物理性能授课专业无机非金属材料工程年级2013级课程编号301127020课程类别必修课校级公共课()；基础或专业基础课(√)；专业课()选修课限选课()；任选课()授课方式课堂讲授(√)；实践课()考核方式考试(√)；考查()课程教学总学时数32学分数2学时分配课堂讲授32学时；实践课学时教材名称无机材料物理性能作者关振铎、张中太、焦金生出版社及出版时间清华大学出版社，1992指定参考书材料物理性能材料物理性能作者邱成军等陈树川等出版社及出版时间2003，哈尔滨工业大学出版社；1999，上海交通大学出版社。授课教师芶立职称教授单位材料科学与工程学院授课时间2015．9-12注：表中()选项请打“√”。四川大学教案【理、工科】周次第1周、第1次课备注章节名称绪论及第一章无机材料的受力形变1.1无机材料的应力、应变及弹性形变授课方式理论课(√)；实验课()；实习()教学时数2教学目的及要求让学生了解本门课程的教学目的、意义和内容无机材料的受力形变与金属、高分子材料的不同之处无机材料的弹性变形行为的表征教学内容提要时间分配课程内容/要求等一、课堂讨论1：面对各种材料实物，学生分成12组讨论是什么材料？有什么用途？从而引出三大材料。二、课堂讨论2：图1.1所示，三大材料的力学性能三、复习应力：在分析形变时通常用应力的概念。应变：用来描述物体内部各质点之间的相对位移的。无机材料的弹性变形行为1、广义虎克定律2、弹性模量图1.5中原子间的结合力曲线两相系统中弹性模量的估算教学重点与难点无机材料的受力形变与金属、高分子材料的不同之处表征无机材料的弹性变形行为的参量与组成、结构的关系显微结构的影响：两相系统中弹性模量的估算，气相的影响讨论、练习、作业课堂讨论题：相同尺寸的长方性陶瓷片（例如Al2O3）、铝片或铜片、橡胶条受到压力或弯力时会产生哪些现象？原因是什么？教学手段讲授与讨论、多媒体参考资料四川大学教案【理、工科】周次第2周、第2次课备注章节名称绪论及第一章无机材料的受力形变1.2材料中晶相的塑性形变授课方式理论课(√)；实验课()；实习()教学时数2教学目的及要求掌握大多数无机材料不能产生塑性形变的原因教学内容提要时间分配3、粘弹件与滞弹性一些非晶体，有时甚至多晶体在比较小的应力时可以同时表现出弹性和粘性，称为粘弹性但对于实际固体这种弹性应变的产生与消除需要有限时间。固体和金属这种与时间有关的弹性称为滞弹性。聚合物的粘弹性可以认为仅仅是严重发展的滞弹性。塑性形变是指一种在外力移去后不能恢复的形变。一、晶格滑移施密德法则临界剪切应力与晶体结构的关系课堂讨论练习：面心立方结构中的密排面二、塑性形变的位错运动理论实际晶体中存在位错缺陷，当受剪应力作用时，并不是晶体内两部分整体相互错动，而是位错在沿移面上沿滑移方向运动。得出无机材料产生位错困难的原因。第1页教学重点与难点粘弹性：非牛顿液体的性质大多数无机材料不能产生塑性形变的原因讨论、练习、作业课堂讨论练习：面心立方结构中的密排面教学手段讲授与讨论、多媒体参考资料注：教案按授课次数填写、每次授课均应填写一份。重复班授课可不另填写教案。四川大学教案【理、工科】周次第3周、第3次课备注章节名称绪论及第一章无机材料的受力形变1.3无机材料的高温蠕变第二章2.1脆性断裂的现象2.2理论结合强度授课方式理论课(√)；实验课()；实习()教学时数2教学目的及要求无机材料的高温蠕变的规律、与组成、结构的关系教学内容提要时间分配课堂复习1.3无机材料的高温蠕变典型的蠕变曲线如图1.16所示。该曲线可以分为四段：高温蠕变理论现在还不是很完善：一、蠕变的位错运动理论这个理论能够较好的解释蠕变减速阶段和加速蠕变阶段的特点二、扩散蠕变理论三、晶体蠕变理论四、影响蠕变的因素1、温度；2、应力；3、显微结构的影响；4、组成；5、晶体结构1.4高温下玻璃相的粘性流动脆性断裂的现象一、弹、粘、塑性形变二、脆性断裂行为三、突发性断裂与裂纹的缓慢增长理论结合强度要得到高强度的固体，就要求E和λ大，α小。实际材料中只有一些极细的纤维和晶须其强度接近理论强度值。第1页教学重点与难点蠕变的规律和影响因素理论结合强度与实际强度的差别讨论、练习、作业教学手段讲授与讨论、多媒体参考资料注：教案按授课次数填写、每次授课均应填写一份。重复班授课可不另填写教案。四川大学教案【理、工科】周次第4周、第4次课备注章节名称2.3Griffith微裂纹理论2.5裂纹的起源与快速扩展授课方式理论课()；实验课()；实习()教学时数教学目的及要求从理论结合强度与实际材料强度的差别引出Griffith微裂纹理论掌握Griffith微裂纹理论教学内容提要时间分配Griffith微裂纹理论：Griffith从能量的角度来研究裂纹扩展的条件。这个条件就是：物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能。反之，前者小于后者，则裂纹不会扩展。一、裂纹扩展方式裂纹有三种扩展方式或类型；掰开型(Ⅰ型)、错开型(Ⅱ型)及撕开型(Ⅲ型)，其中掰开型扩展是低应力断裂的主要原因，也是10多年来实验和理论研究的主要对象。2.5裂纹的起源与快速扩展一、裂纹的起源二、裂纹的快速扩展三、防止裂纹扩展的措施第3页教学重点与难点无机材料的高温蠕变的规律、与组成、结构的关系Griffith微裂纹理论σc=（2Er/πC）1/2平面应力状态σc=（2Er/（1-μ2）πC）1/2C为裂纹半长裂纹的起源与快速扩展裂纹扩展力G=πCσ2/E扩展加速/裂纹增殖讨论、练习、作业塑性、延性、韧性课堂讨论：n份能量分别施加于有n条微裂纹的陶瓷材料与1条裂纹的陶瓷材料上会产生什么现象？为什么？教学手段讲授、多媒体参考资料注：教案按授课次数填写、每次授课均应填写一份。重复班授课可不另填写教案。第5页四川大学教案【理、工科】周次第5周、第5次课备注章节名称2.7显微结构对材料脆性断裂的影响2.9提高无机材料强度改进材料韧性的途径2.10复合材料2.11无机材料的硬度授课方式理论课()；实验课()；实习()教学时数教学目的及要求教学内容提要时间分配2.7显微结构对材料脆性断裂的影响2.9提高无机材料强度改进材料韧性的途径一、微晶、高密度与高纯度二、提高抗裂能力与预加应力三、化学强化四、相变增韧五、弥散增韧2.10复合材料（简单介绍）在一种基本材料中加入另一种粉体材料或纤维材料制成复合材料是提高强度和改善脆性的有效措施，在许多方面已得到广泛应用。一、连续纤维单向强化复合材料的强度二、短纤维单向强化复合材科2.11无机材料的硬度（简单介绍）测量方法不同，测得的硬度所代表的材料性能也各异第5页教学重点与难点提高无机材料强度改进材料韧性的途径：C小，σ小，形成能量吸收机构讨论、练习、作业讲授之前先讨论：大家已经了解的提高无机材料强度改进材料韧性的途径有哪些？教学手段讲授与讨论、多媒体参考资料注：教案按授课次数填写、每次授课均应填写一份。重复班授课可不另填写教案。四川大学教案【理、工科】周次第6周、第6次课备注章节名称第四章4.1无机材料的热容4.2无机材料的热膨胀授课方式理论课()；实验课()；实习()教学时数教学目的及要求无机材料的热容与组成、结构的关系无机材料的热膨胀的本质、与其它性能关系教学内容提要时间分配无机材料的热容热容是分子热运动的能量随温度而变化的一个物理量。热容是物体温度升高1K所需要增加的能量。一、晶态固体热容的经验定律和经典理论杜隆—珀替定律/柯普定律二、晶态固体热容的量子理论回顾三、无机材料的热容无机材料的热膨胀一、热膨胀系数物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。实际上固体材料的热膨胀系数并不是一个常数，而是随温度稍有变化，通常随温度升高而加大。二、固体材料热膨胀机理三、热膨胀和其他性能的关系1、和结合能、熔点2、与温度、热容3、和结构四、多晶体和复合材料的热膨胀五、陶瓷制品表面釉层的热膨胀系教第页教学重点与难点无机材料的热膨胀本质讨论、练习、作业为什么频率高的格波称为光频支？不同种类原子相对运动，形成频率较高的波隔热保温材料设计的基本思路？教学手段讲授、讨论、多媒体参考资料注：教案按授课次数填写、每次授课均应填写一份。重复班授课可不另填写教案。四川大学教案【理、工科】周次第7周、第7次课备注章节名称4.3无机材料的热传导4.4无机材料的热稳定性授课方式理论课()；实验课()；实习()教学时数教学目的及要求掌握固体材料热传导的微观机理教学内容提要时间分配无机材料的热传导一、固体材料热传导的宏观规律二、固体材料热传导的微观机理固体中的导热主要是由晶格振动的格波和自由电子的运动来实现的。在非金属晶体，如一般离子晶体的晶格中，自由电子是很少的，因此，晶格振动是它们的主要导热机构。格波可分为声频支和光频支两类。1、声子和声子热导声子间碰撞引起的散射是晶格中热阻的主要来源。2、光子热导固体中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态的改变，会辐射出频率较高的电磁波。三、影响热导率的因素1、温度的影响2、显微结构的影响3、化学组成的影响4、复相陶瓷的热导率无机材料的热稳定性（简单介绍）：一、表示方法二、热应力三、抗热冲击断裂性能1、第一热应力断裂抵抗因子R2、第一热应力断裂抵抗因子R’3、冷却速率引起材料中的温度梯度及热应力四、抗热冲击损伤性五、提高抗热冲击断裂性能的措施第页教学重点与难点固体材料热传导的微观机理讨论、练习、作业教学手段讲授、多媒体参考资料注：教案按授课次数填写、每次授课均应填写一份。重复班授课可不另填写教案。四川大学教案【理、工科】周次第8周、第8次课备注章节名称第五章5.1光通过介质的现象5.2无机材料的透光性授课方式理论课()；实验课()；实习()教学时数教学目的及要求透光性的表征教学内容提要时间分配课堂提问光通过介质的现象一、折射光在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率。二、色散材料的折射率随入射光的频率的减小(或波长的增加)而减小的性质，称为折射率的色散。三、反射当光线由介质1入射到介质2时，光在介质面上分成了反射光和折射光。能带复习无机材料的透光性一、介质对光的吸收1、吸收的一般规律2、光吸收与光波长的关系二、介质对光的散射引起一部分光束被散射，从而减弱光束强度。三、无机材料的透光性多数无机材料看上去是不透明的。这主要是由于散射引起的。第页教学重点与难点影响透光性的主要因素讨论、练习、作业教学手段讲授、多媒体参考资料注：教案按授课次数填写、每次授课均应填写一份。重复班授课可不另填写教案。四川大学教案【理、工科】周次第9周、第9次课备注章节名称5.2无机材料的透光性5.3界面反射和光泽5.5无机材料的颜色授课方式理论课()；实验课()；实习()教学时数教学目的及要求掌握提高无机材料透光性的措施教学内容提要时间分配四、提高无机材料透光性的措施1、提高原材料纯度2、掺加外加剂3、工艺措施界面反射和光泽镜反射和漫反射反射光线具有明确的方向性，一般称之为镜反射。当光照射到粗糙不平的材料表面上时，发生漫反射。无机材料的颜色着色：着色化合物/胶体粒子/形成色心本质：物质对光的选择性吸收/吸收后剩下色调较纯的反射或透射光光的选择性吸收机理：着色化合物：某些简单离子或复合离子胶体粒子：金属决定于粒子大小；非金属决定于粒子的化学组成色心：缺陷工艺影响因素：温度第页教学重点与难点提高无机材料透光性的措施讨论、练习、作业教学手段讲授、多媒体参考资料注：教案按授课次数填写、每次授课均应填写一份。重复班授课可不另填写教案。四川大学教案【理、工科】周次第10周、第10次课备注章节名称5.6其他光学性能的应用授课方式理论课()；实验课()；实习()教学时数教学目的及要求掌握光发射原理教学内容提要时间分配其他光学性能的应用一、荧光物质电子从激发能级向较低能级的衰变可能伴随有热量向周围传递，或者产生辐射，在此过程中，光的发射称为荧光或磷光，取决于激发和发射之间的时间。二、激光器许多陶瓷材料已用作固体激光器的基质和气体激光器的窗口材料。光的发射：定义激励方式材料发光的基本性质第页教学重点与难点光发射原理讨论、练习、作业教学手段讲授、多媒体参考资料注：教案按授课次数填写、每次授课均应填写一份。重复班授课可不另填写教案。四川大学教案【理、工科】周次第11周、第11次课备注章节名称5.6其他光学性能的应用授课方式理论课()；实验课()；实习()教学时数教学目的及要求掌握激光原理教学内容提要时间分配其他光学性能的应用光发射机制激光原理与激光材料光电效应第页教学重点与难点光发射机制激光原理讨论、练习、作业教学手段讲授、多媒体参考资料注：教案按授课次数填写、每次授课均应填写一份。重复班授课可不另填写教案。四川大学教案【理、工科】周次第12周、第12次课备注章节名称第六章无机材料的电导§6.1电导的物理现象§6.2离子电导授课方式理论课()；实验课()；实习()教学时数教学目的及要求复习电导基本概念了解离子电导教学内容提要时间分配电导的物理现象一．电导的宏观参数1.电导率和电阻率（简单回顾）J=Eσ,为欧姆定律的微分形式，适用于非均匀导体A/cm22.体积电阻与体积电阻率3.表面电阻与表面电阻率4.直流四端电极法二．电导的物理性能（简单回顾）1.载流子电子电子电导霍尔效应；离子离子电导电解效应2.迁移率和电导率的一般表达式离子电导一．载流子浓度对于本征电导载流子由晶体本身热缺陷：弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷提供二．离子迁移率：离子电导的微观机构为载流子－离子的扩散。三．离子电导率1.离子电导的一般表示式本征离子电导率：杂质离子可以仿照上式写出2.扩散与离子电导（1）离子扩散机构四．影响离子电导率的因数：1.温度2.晶体结构3.晶格缺陷五．固体电解质ZrO2第页教学重点与难点离子电导讨论、练习、作业教学手段讲授、多媒体参考资料注：教案按授课次数填写、每次授课均应填写一份。重复班授课可不另填写教案。四川大学教案【理、工科】周次第13周、第13次课备注章节名称§6.3电子电导§6.4．玻璃态电导§6.5．无机材料的电导授课方式理论课()；实验课()；实习()教学时数教学目的及要求掌握电子电导基本原理无机材料电导的特别之处教学内容提要时间分配电子电导只有当周期性受到破坏时，才产生阻碍电子运动的条件。一．电子迁移率由经典力学模型可得到自由电子的迁移率有了有效质量的概念之后，计算出晶格场中的电子迁移率散射主要有以下两方面的原因：（1）晶格散射；（2）电离杂质散射二．载流子浓度1.本征半导体中的载流子浓度2.杂质半导体中的载流子浓度三．电子电导率四．影响电子电导的因素：1.温度2.杂质及缺陷玻璃态电导在含有碱金属离子的玻璃中，基本上表现为离子电导。纯净玻璃的电导一般较小，但如含有少量的碱金属离子就会使电导大大增加。在生产实际中发现，利用双碱效应和压碱效应，可以减少玻璃的电导率，甚至可以使玻璃电导率降低4—5个数量级。无机材料的电导一．多晶多相固体材料的电导二．次级现象1.空间电荷效应2.电化学老化效应三．无机材料电导的混合法则第页教学重点与难点电子电导基本原理讨论、练习、作业教学手段讲授、多媒体参考资料注：教案按授课次数填写、每次授课均应填写一份。重复班授课可不另填写教案。四川大学教案【理、工科】周次第14周、第14次课备注章节名称§6.6．半导体陶瓷的物理效应§6.7超导体授课方式理论课()；实验课()；实习()教学时数教学目的及要求掌握几种典型的物理效应教学内容提要时间分配半导体陶瓷的物理效应一．晶界效应1.压敏效应：对电压变化敏感的非线性电阻效应2.PTC效应：电阻率随温度上升发生突变以BaTiO3为例，以La等三价稀土离子+或以Nb等五价离子置换Ti4+可以形成n型半导体。Ti4+-------Ti3+价控型BaTiO3半导体最大特征是在材料的正方相←→立方相相变点(居里点)附近，电阻率随温度上升发生突变，增大了3—4个数量级，即所谓PTC现象。p型半导体NiO：Li1+置换Ni2+，Ni2+失去电子变为Ni3+留下空穴二．表面效应（略）三．pn结：原理/应用四．热电效应：原理/应用五．超导体（简单介绍）第页教学重点与难点半导体陶瓷的物理效应：价控型BaTiO3半导体pn结热电效应讨论、练习、作业热电效应教学手段讲授、讨论、多媒体参考资料注：教案按授课次数填写、每次授课均应填写一份。重复班授课可不另填写教案。四川大学教案【理、工科】周次第15周、第15次课备注章节名称第七章无机材料的介电性能§7.1介质的极化授课方式理论课()；实验课()；实习()教学时数教学目的及要求无机材料的介电性能介质的极化教学内容提要时间分配介质的极化电介质在电场作用下产生感应电荷的现象，称为电介质的极化。一.极化现象及其物理量所谓极化，就是介质内质点（原子、分子、离子）正负电荷重心的分离，从而转变成偶极子。偶极矩、极化率α、极化强度二.克劳修斯－莫索蒂方程3.克劳修斯－莫索蒂方程适用于分子间作用很弱的气体、非极性液体和非极性固体以及一些NaCl型离子晶体和具有适当对称的晶体。三.电子位移极化介质的总极化一般包括三个部分：电子极化、离子极化和偶极子转向极化。四.离子位移极化五.松弛极化六.转向极化七.空间电荷极化八.自发极化九.高介晶体的极化十.多晶多相无机材料的极化第页教学重点与难点极化与组成、结构的关系讨论、练习、作业教学手段讲授、多媒体参考资料注：教案按授课次数填写、每次授课均应填写一份。重复班授课可不另填写教案。四川大学教案【理、工科】周次第15周、第15次课备注章节名称§7.2介质损耗§7.3介电强度授课方式理论课()；实验课()；实习()教学时数教学目的及要求掌握介质损耗了解介电强度教学内容提要时间分配介质损耗一.介质损耗的表示方法1.介质损耗的形式：电介质在恒定电场作用下所损耗的能量与通过其内部的电流有关。电容电流，不损耗能量；极化损耗；电导损耗。2.复介电常数：3.介质弛豫和德拜方程4.介质损耗：电介质在电场作用下，单位时间内消耗的电能叫介质损耗。单位体积的介质损耗为介质损耗率p：二.介质损耗和频率、温度的关系三.无机介质的损耗一般材料，在高温、低频下，主要为电导损耗，在常温、高频下，主要为松弛极化损耗，在高频、低温下主要为结构损耗。介电强度一.介质在电场中的破坏当电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态变为导电状态。这种现象称介电强度的破坏，或叫介质的击穿。相应的临界电场强度称为介电强度，或称为击穿电场强度。二.热击穿三.电击穿四.无机材料的击穿第页教学重点与难点介质损耗讨论、练习、作业教学手段讲授、多媒体参考资料注：教案按授课次数填写、每次授课均应填写一份。重复班授课可不另填写教案。四川大学教案【理、工科】周次第15周、第15次课备注章节名称§7.4铁电性§7.5压电性授课方式理论课()；实验课()；实习()教学时数教学目的及要求掌握铁电性、压电性的基本概念、基本规律教学内容提要时间分配铁电性一.铁电体：在一定温度范围内含有能自发极化，并且自发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体。二.钛酸钡自发极化的微观机理三.铁电畴：在一个小区域内，各晶胞的自发极化方向都相同。这个小区域称为铁电畴。两畴之间的界壁称为畴壁。四.铁电体的性能及其应用1.电滞回线(1)温度的影响(2)极化时间和极化电压的影响(3)晶体结构的影响。2.介