中科大材料物理性能教学大纲

材料物理性能教学大纲本课程的性质、目的和任务１、本课程的性质本课程是高等工科院校材料专业主干课程之一，属专业基础课。本课程主要内容为材料物理性能，以材料通用性物理性能及共同性的内容为主。２、本课程的目的通过本课程的教学，使学生获得关于材料物理性能包括材料力学性能（受力形变、断裂与强度）、热学、光学、导电、磁学等性能及其发展和应用，重点掌握各种重要性能的原理及微观机制，性能的测定方法以及控制和改善性能的措施，各种材料结构与性能的关系，各性能之间的相互制约与变化规律。３、本课程的任务通过学习材料的各种物理性能，使学生掌握以下内容：各种材料性能的各类本征参数的物理意义和单位以及这些参数在解决实际问题中所处的地位；弄清各材料性能和材料的组成、结构和构造之间的关系；掌握这些性能参数的物质规律，从而为判断材料优劣、正确选择和使用材料、改变材料性能、探索新材料、新性能、新工艺打下理论基础；为全面掌握材料的结构，对材料的原料和工艺也应有所认识，以取得分析性能的正确依据。第一章：材料的力学性能教学目的和要求：使学生掌握材料的弹性变形、塑性变形、高温蠕变及其它力学性能的理论描述、产生的原因、影响因素。掌握断裂的现象和产生、断裂力学的原理出发，通过理论结合强度、应力场的分析，断裂的判据，应力场强度因子、平面应变断裂韧性、延性断裂、脆性断裂、沿晶断裂、静态疲劳的概念，并根据此判据来分析提高材料强度及改进材料韧性的途径。了解断裂的现象，弄清产生断裂的原理（断裂理论），通过应力场的分析。要求掌握断裂的判据，并根据此判据来分析提高材料强度及改进材料韧性的途径。教学内容：1.1应力及应变：应力、应变1.2弹性形变：Hooke定律；弹性模量的影响因素、无机材料的弹性模量、复相的弹性模量、弹性形变的机理1.3材料的塑性形变：晶体滑移、塑性形变的位错运动理论1.4滞弹性和内耗：粘弹性和滞弹性、应变松弛和应力松弛、松弛时间、无弛豫模量与弛豫模量、模量亏损、材料的内耗1.5材料的高温蠕变：蠕变曲线、蠕变机理、影响蠕变的因素1.6材料的断裂强度：理论断裂强度、Inglis理论、Griffith微裂纹理论、、Orowan理论1.7材料的断裂韧性：裂纹扩展方式、裂纹尖端应力场分析、几何形状因子、断裂韧性、裂纹扩展的动力与阻力1.8裂纹的起源与扩展：裂纹的起源、裂纹的快速扩展、影响裂纹扩展的因素、材料的疲劳、应力腐蚀理论、高温下裂纹尖端的应力空腔作用、亚临界裂纹生长速率与应力场强度因子的关系、根据亚临界裂纹扩展预测材料寿命、蠕变断裂1.10显微结构对材料脆性断裂的影响：晶粒尺寸、气孔的影响1.11提高材料强度及改善脆性的途径：金属材料的强化、陶瓷材料的强化1.12复合材料：复合材料的分类、连续纤维单向强化复合材料的强度、短纤维单向强化复合材料1.13材料的硬度：硬度的表示方法、硬度的测量重点、难点：重点：应力、应变、弹性变形行为、Griffith微裂纹理论，应力场强度因子和平面应变断裂韧性，提高无机材料强度改进材料韧性的途径。难点：位错运动理论、应力场强度因子和平面应变断裂韧性。第二章：材料的热学性能教学目的和要求：掌握材料热容的各种理论及其比较，热膨胀的定义及其基本机理，热传导的宏观规律和微观机理，热稳定性的表示和抗热冲击断裂性能。要求掌握各种热应力断裂抵抗因子。总结出提高抗热冲击断裂性能的措施。教学内容：2.1热学性能的物理基础2.2材料的热容：晶体固体热容的经验定律和经典理论，晶体固体热容的量子理论回顾，无机材料的热容。2.3材料的热膨胀：热膨胀系数、热膨胀机理、热膨胀和其他性能的关系、多晶体和复合材料的热膨胀。2.4材料的热传导：固体材料热传导的宏观规律，固体材料热传导的微观机理、影响热传导的因素、某些无机材料的热传导2.5材料的热稳定性：热稳定性的表示方法、热应力、抗热冲击断裂性能，抗热冲击损伤性、提高抗热冲击断裂性能的措施。重点、难点：重点：材料的热膨胀，材料的热稳定性。难点：材料的热传导，材料的热稳定性。第三章材料的光学性能教学目的和要求：掌握金属、半导体、绝缘体的电子能带结构，光传播电磁理论、反射、光的吸收和色散、晶体的双折射、介质的光散射等各种光现象的物理本质。了解影响材料光学性能的各种因素。简要介绍光纤材料、激光晶体材料及光存储材料等光学材料。教学内容：3.1光传播的基本性质：光的波粒二象性、光的干涉和衍射、光通过固体现象3.2光的反射和折射：反射定律和折射定律、折射率的影响因素、晶体的双折射、材料的反射系数及其影响因素3.3材料对光的吸收和色散：吸收系数与吸收率、光的吸收与波长的关系、光的色散3.4光的散射：散射的一般规律、弹性散射、非弹性散射3.5材料的不透明性与半透明性：材料的不透明性、材料的乳浊、半透明性、透明材料的颜色、材料的着色3.6电-光效应、光折变效应、非线性光学效应：电光效应及电光晶体、光折变效应、非线性光学效应3.7光的传输与光纤材料：光纤发展概况和基本特征、光纤材料的制备、光纤的应用3.8特种光学材料及其应用：固体激光器材料及其应用、光存储材料重点、难点：重点：光的反射和折射、材料对光的吸收和色散、光的散射难点：光的散射、电-光效应、光折变效应、非线性光学效应第四章：材料的电导性能教学目的和要求：掌握各种电导的宏观参数和物理量及电导的主要基本公式：；围绕此公式来讨论各种电导的电导率（离子电导率、电子电导率）及其影响因素，材料的电导混合法则和半导体陶瓷的物理效应。教学内容：4.1电导的物理现象：电导率与电阻率、电导的物理特性4.2离子电导：载流子浓度、离子迁移率、离子电导率、离子电导率的影响因素、固体电解质ZrO24.3电子电导：电子迁移率、载流子浓度、电子电导率、电子电导率的影响因素4.4金属材料的电导：金属电导率、电阻率与温度的关系、电阻率与压力的关系、冷加工和缺陷对电阻率的影响、电阻率的各向异性、固溶体的电阻率4.5固体材料的电导：玻璃态电导、多晶多相固体材料的电导、次级现象、固体材料电导混合法则4.6半导体陶瓷的物理效应：晶界效应、表面效应、西贝克效应、p-n结4.7超导体：超导体的概念、约瑟夫逊效应、超导体的应用重点、难点：重点：离子电导，电子电导。难点：无机材料的电导，半导体陶瓷的物理效应。第五章材料的磁学性能教学目的和要求：磁性不只是一个宏观的物理量，而且与物质的微观结构密切相关。它不仅取决于物质的原子结构，还取决于原子间的相互作用——键合情况、晶体结构。因此，研究磁性是研究物质内部结构的重要方法之一。同时随着现代科学技术和工业的发展，磁性材料的应用也越来越广泛。掌握固体物质的各种磁性(抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性)的形成机理及宏观表现；重点掌握磁性表征参量、各类磁性物质的内部相互作用；磁性材料在交变磁场中的磁化过程及宏观磁性；了解磁性材料及其应用。教学内容：5.1基本磁学性能：磁学基本量、物质的磁性分类5.2抗磁性和顺磁性：原子本征磁矩、抗磁性、物质的顺磁性、金属的抗磁性与顺磁性、影响金属抗、顺磁性的因素5.3铁磁性与反铁磁性：铁磁质的自发磁化、反铁磁性和亚铁磁性、磁畴、磁化曲线和磁滞回线5.4磁性材料的动态特性：交流磁化过程与交流回线、磁滞损耗和趋肤效应、磁后效应和复数磁导率、磁导率减落及磁共振损耗5.5磁性材料及其应用：软磁材料、硬磁材料、磁信息存储材料、纳米磁性材料重点、难点：重点：抗磁性和顺磁性、铁磁性与反铁磁性难点：铁磁性与反铁磁性第六章材料的功能转换性能教学目的和要求：介电材料和绝缘材料是电子和电气工程中不可缺少的功能材料，主要应用材料的介电性能，这一类材料总称为电介质。掌握电介质的介电性能，包括介电常数、介电损耗、介电强度及其随环境(温度、湿度、辐射等)的变化规律。通过比较真空平板电容器和填充电介质的平板电容器的电容变化，引入介电常数和极化的撅念，介绍与极化相关的物理量；了解极化的微观机制、电介质的压电性、铁电性、热电性能、光电性能和热释电性的性能、常用材料及其应用、智能材料的特征、分类及应用。教学内容：6.1介质的极化与损耗：介质极化相关物理量、极化类型、宏观极化强度与微观极化率的关系、介质损耗分析、材料的介质损耗、降低材料介质损耗的方法6.2介电强度：介电强度、固体电介质的击穿、影响材料击穿强度的因素6.3压电性能：压电效应及其逆效应、压电材料的研究进程、压电材料主要表征参数、压电陶瓷的预极化、压电陶瓷的稳定性、压电材料及其应用6.4铁电性：铁电性的概念、铁电体的分类、铁电体的起源、铁电体的性能及其应用、反铁电体6.5热电性能：热电效应、热电材料、热电材料的应用6.6光电性能：光电效应、光电材料及其应用6.7热释电性能：热释电效应及其逆效应、热释电材料、热释电材料的应用6.8智能材料：智能材料的特征与构成、智能材料的分类、智能金属材料、智能无机非金属材料、智能高分子材料重点、难点：重点：介质的极化与损耗、介电强度、压电性能、铁电性难点：压电性能、铁电性考核方法和成绩评定⑴考核方法：闭卷⑵出题方法：Ａ、Ｂ、Ｃ卷⑶时数：2学时⑷成绩评定：平时20%、期末80%，总评教学参考书1．吴其胜，蔡安兰、杨亚群，材料物理性能，华东理工大学出版社，2006，10。2．熊兆贤，材料物理导论，科学出版社,2001，2。3.熊兆贤等：无机材料研究方法，夏门大学出版社，2001，2。4．关振铎，张中太，无机材料物理性能，清华大学出版社1992，35．方俊鑫，殷之文主编．电介质物理学．科学出版社,1990,106．黄昆．固体物理学．人民教育出版社,1992.10学时分配表课程主要内容讲课学时作业量及批改要求绪论材料的力学性能布置作业2次，作业全批材料的热学性能布置作业1次，作业全批材料的光学性能布置作业1次，作业全批材料的电导性能布置作业2次，作业全批材料的磁学性能布置作业1次，作业全批材料的功能转换性布置作业1次，作业全批复习合计共布置8次作业几点说明1、制定本大纲的依据：根据盐城工学院无机非金属材料专业教学计划制定。2、本课程与前后课程的联系。⑴本课程的先