《材料科学基础》教学大纲 课程名称：材料科学基础 课程类别：专业基础 适用专业：材料化学 考核方式：考试 总学时、学分：96学时6学分 一、课程教学目的 材料科学基础是化学与材料科学学院各专业的一门主干必修基 础课。本课程把基础科学理论，特别是物理化学、无机化学等中的基 本理论，具体应用到材料的制备、结构和性能研究上，成为介于基础 科学和专业技术之间的一门重要的基础课程，在知识搭建中起着承前 启后的作用。通过教学使学生完整系统地了解材料的组成、结构、性 质之间的相互关系以及在各种条件下的变化规律，掌握材料科学中的 基本原理和实验方法，培养学生对一般材料科学问题的发现、分析和 解决的能力。 二、课程教学要求 课程要求同学全面掌握材料物理化学的理论基础和实验技能，为 指导无机材料的生产和研制特定性能的无机非金属新材料提供理论 依据和线索，并为后续专业课的学习奠定坚实的理论基础。 三、先修课程 《物理化学》、《无机化学》。 四、课程教学重、难点 重点：材料物理化学中的基本原理，材料的组成、结构、性质之 间的相互关系，以及在各种条件下的变化规律。 难点：对一些现象机理的掌握及与实践的结合
《材料科学基础》教学大纲 课程名称：材料科学基础 课程类别：专业基础 适用专业：材料化学 考核方式：考试 总学时、学分： 96 学时 6 学分 一、课程教学目的 材料科学基础是化学与材料科学学院各专业的一门主干必修基 础课。本课程把基础科学理论，特别是物理化学、无机化学等中的基 本理论，具体应用到材料的制备、结构和性能研究上，成为介于基础 科学和专业技术之间的一门重要的基础课程，在知识搭建中起着承前 启后的作用。通过教学使学生完整系统地了解材料的组成、结构、性 质之间的相互关系以及在各种条件下的变化规律，掌握材料科学中的 基本原理和实验方法，培养学生对一般材料科学问题的发现、分析和 解决的能力。 二、课程教学要求 课程要求同学全面掌握材料物理化学的理论基础和实验技能，为 指导无机材料的生产和研制特定性能的无机非金属新材料提供理论 依据和线索，并为后续专业课的学习奠定坚实的理论基础。 三、先修课程 《物理化学》、《无机化学》。 四、课程教学重、难点 重点：材料物理化学中的基本原理，材料的组成、结构、性质之 间的相互关系，以及在各种条件下的变化规律。 难点：对一些现象机理的掌握及与实践的结合
五、课程教学方法与教学手段 课堂讲授和讨论相结合。通过阅读主要参考书目、网上查询、资 料整理和专题讨论，加深对该学科发展趋势和前沿动态的了解，掌握 材料物理化学的基本原理、基本理论、基本方法。通过本理论课和对 应实验课的学习，巩固材料物理化学的基本原理、基本理论，掌握材 料物理化学的基本实验技能，初步学会发现问题、分析问题和解决问 题的能力。 六、课程教学内容 第一章无机材料的化学键与电子结构(2学时) 1.教学内容： (1)离子键与离子晶体的结合能： (2)共价键与分子轨道理论： (3)金属键与固体中电子的能带结构。 2.重、难点提示： (1)重点：离子半径的含意：离子晶体结合能的计算：离子键、共价键、金属键的区别 与联系。 (2)难点：元素电离能与亲和能，固体中电子的能带结构。 第二章晶体结构与常见晶体结构类型（10学时) 1.教学内容： (1)晶体的周期结构与点阵： (2)点阵宏观对称性与类型： (3)点阵结构的微观对称性： (4)元素晶体的常见晶体结构： (⑤)合金与金属间化合物常见晶体结构： (6)无机非金属化合物常见晶体结构。 2.重、难点提示：
五、课程教学方法与教学手段 课堂讲授和讨论相结合。通过阅读主要参考书目、网上查询、资 料整理和专题讨论，加深对该学科发展趋势和前沿动态的了解，掌握 材料物理化学的基本原理、基本理论、基本方法。通过本理论课和对 应实验课的学习，巩固材料物理化学的基本原理、基本理论，掌握材 料物理化学的基本实验技能，初步学会发现问题、分析问题和解决问 题的能力。 六、课程教学内容 第一章 无机材料的化学键与电子结构（2 学时） 1．教学内容： (1)离子键与离子晶体的结合能； (2)共价键与分子轨道理论； (3)金属键与固体中电子的能带结构。 2．重、难点提示： (1) 重点：离子半径的含意；离子晶体结合能的计算；离子键、共价键、金属键的区别 与联系。 (2) 难点：元素电离能与亲和能，固体中电子的能带结构。 第二章 晶体结构与常见晶体结构类型（10 学时） 1．教学内容： (1)晶体的周期结构与点阵； (2)点阵宏观对称性与类型； (3)点阵结构的微观对称性； (4)元素晶体的常见晶体结构； (5)合金与金属间化合物常见晶体结构； (6)无机非金属化合物常见晶体结构。 2．重、难点提示：
(1)重点：晶体、点阵和结构基元的概念：七大晶系和14种布拉菲格子：采用紧密堆 积原理分析实际晶体结构：通过分析二元化合物的典型晶体结构，掌握分析晶体结构的方法： 氧化物晶体结构的一般规律。 (2)难点：四面体间隙和八面体间隙数目与堆积的球数目的关系：等大球体密堆积如何 延伸到不等大球体密堆积：配位数与阴阳离子半径比的关系：晶体结构与化学键、键参数的 关系。 第三章熔体与非晶态固体(10学时) 1.教学内容： (1)固体的熔融与玻璃化转变： (2)无序结构的特点与统计描述： (3)非晶态金属的无规密堆积结构： (4)无机非金属玻璃的结构： (⑤)常见金属与无机非金属玻璃材料。 2.重、难点提示： (1)重点：近程有序理论，聚合物结构理论，以及二者的关系：熔体组成和化学键与形 成玻璃的关系：玻璃形成的动力学条件：玻璃的通性：无机非金属玻璃的晶子学说和无规则 网络学说。 (2)难点：聚合物理论中各聚合物的数量与组成和温度的关系：黏度与组成的关系：成 核速率和生长速率与过冷度的关系：熔融态向玻璃态转化的可逆性与渐变性：非晶态合金的 特性：晶子学说和无规则网络学说的侧重点；硼反常现象。 第四章晶体中的点缺陷与线缺陷(12学时) 1.教学内容： (1)热力学平衡态点缺陷： (2)非热力学平衡态点缺陷： (3)点缺陷符合与化学方程式： (④)离子晶体中的点缺陷与色心： (⑤)掺杂与非化学计量化合物： (6)位错： (7)位错的核心结构：
(1) 重点：晶体、点阵和结构基元的概念；七大晶系和 14 种布拉菲格子；采用紧密堆 积原理分析实际晶体结构；通过分析二元化合物的典型晶体结构，掌握分析晶体结构的方法； 氧化物晶体结构的一般规律。 (2) 难点：四面体间隙和八面体间隙数目与堆积的球数目的关系；等大球体密堆积如何 延伸到不等大球体密堆积；配位数与阴阳离子半径比的关系；晶体结构与化学键、键参数的 关系。 第三章 熔体与非晶态固体（10 学时） 1．教学内容： (1)固体的熔融与玻璃化转变； (2)无序结构的特点与统计描述； (3)非晶态金属的无规密堆积结构； (4)无机非金属玻璃的结构； (5)常见金属与无机非金属玻璃材料。 2．重、难点提示： (1) 重点：近程有序理论，聚合物结构理论，以及二者的关系；熔体组成和化学键与形 成玻璃的关系；玻璃形成的动力学条件；玻璃的通性；无机非金属玻璃的晶子学说和无规则 网络学说。 (2) 难点：聚合物理论中各聚合物的数量与组成和温度的关系；黏度与组成的关系；成 核速率和生长速率与过冷度的关系；熔融态向玻璃态转化的可逆性与渐变性；非晶态合金的 特性；晶子学说和无规则网络学说的侧重点；硼反常现象。 第四章 晶体中的点缺陷与线缺陷（12 学时） 1．教学内容： (1)热力学平衡态点缺陷； (2)非热力学平衡态点缺陷； (3)点缺陷符合与化学方程式； (4)离子晶体中的点缺陷与色心； (5)掺杂与非化学计量化合物； (6)位错； (7)位错的核心结构；
(8)位错的形成和增殖。 2.重、难点提示： (1)重点：缺陷反应方程的书写：色心和点缺陷的不同及其关系：“补偿缺陷”固溶 体化学式的书写：非化学计量化合物和气氛以及导电类型之间的关系。 (2)难点：非热力学平衡态缺陷的5种常见方法：固溶体研究方法的原理：“补偿缺 陷”固溶体的化学式书写：刃位错和螺位错的概念、伯格斯矢量：位错的运动及其与点缺陷 的关系。 第五章表面与界面(12学时) 1.教学内容： (1)晶体表面的形貌与结构： (2)晶体中的平移界面与李晶界面： (3)无机材料中的晶界与相界： (4)胶体分散体系与纳米材料中的界面。 2.重、难点提示： (1)重点：MX离子晶体表面离子极化变形与位移重排过程：从润湿的过程出发掌握附 着润湿、铺展润湿和浸渍润湿：多晶体中的晶界形状由什么决定：黏土粒子的带电机理以及 由此引起的粘土-水系统的诸多性质。 (2)难点：M仪离子晶体表面离子极化变形与位移重排过程：理解粗糙度、吸附膜等对 润湿的影响：℃电位、热力学电位的区别以及影响℃电位的因素。 第六章相平衡与相图（18学时) 1.教学内容： (1)凝聚态系统相平衡特点： (2)一元、二元、三元系统： (3)相图的热力学计算。 2.重、难点提示： (1)重点：各种三元相图中点、线、面的意义：从相图可以预测该体系的析晶终点和析 晶产物：掌握系统点、固相点和液相点的意义及杠杆规则：理解并能熟练运用判读三元相图 的几条重要规则：相图中任何一个组成的析晶路线。 (2)难点：三元相图立体图的由来及其向平面图的投影：理解并能熟练运用判读三元相
(8)位错的形成和增殖。 2．重、难点提示： (1) 重点：缺陷反应方程的书写；色心和点缺陷的不同及其关系； “补偿缺陷”固溶 体化学式的书写；非化学计量化合物和气氛以及导电类型之间的关系。 (2) 难点：非热力学平衡态缺陷的 5 种常见方法；固溶体研究方法的原理；“补偿缺 陷”固溶体的化学式书写；刃位错和螺位错的概念、伯格斯矢量；位错的运动及其与点缺陷 的关系。 第五章 表面与界面（12 学时） 1．教学内容： (1)晶体表面的形貌与结构； (2)晶体中的平移界面与孪晶界面； (3)无机材料中的晶界与相界； (4)胶体分散体系与纳米材料中的界面。 2．重、难点提示： (1) 重点：MX 离子晶体表面离子极化变形与位移重排过程；从润湿的过程出发掌握附 着润湿、铺展润湿和浸渍润湿；多晶体中的晶界形状由什么决定；黏土粒子的带电机理以及 由此引起的粘土-水系统的诸多性质。 (2) 难点：MX 离子晶体表面离子极化变形与位移重排过程；理解粗糙度、吸附膜等对 润湿的影响；ζ-电位、热力学电位的区别以及影响 ζ-电位的因素。 第六章 相平衡与相图（18 学时） 1．教学内容： (1)凝聚态系统相平衡特点； (2)一元、二元、三元系统； (3)相图的热力学计算。 2．重、难点提示： (1) 重点：各种三元相图中点、线、面的意义；从相图可以预测该体系的析晶终点和析 晶产物；掌握系统点、固相点和液相点的意义及杠杆规则；理解并能熟练运用判读三元相图 的几条重要规则；相图中任何一个组成的析晶路线。 (2) 难点：三元相图立体图的由来及其向平面图的投影；理解并能熟练运用判读三元相
图的几条重要规则：相图如何通过点、线、面诠释发生的过程。 第七章固体中质点的扩散(8学时) 1.教学内容： (1)固体中质点扩散的特点与唯象理论： (2)质点迁移的微观机制与扩散系数： (3)扩散的热力学理论： (4)带电质点的扩散行为： (⑤)短路扩散与非平衡态点缺陷的扩散： (6)金属中的电迁移和热迁移。 2.重、难点提示： (1)重点：扩散第一、第二定律，扩散系数的推导。 (2)难点：本征缺陷、杂质缺陷以及气氛所引起的非化学计量化合物的扩散系数。 第八章固态化学反应(8学时) 1.教学内容： (1)凝聚态体系化学反应的基本特征： (2)固相化学反应热力学： (3)固相化学反应动力学： (4)影响固相化学反应的因素： (⑤)固相反应的研究实例。 2.重、难点提示： (1)重点：固相反应动力学的推导，影响固相反应的因素。 (2)难点：抛物线方程、金斯特林格方程和杨德尔方程的优点和局限性，固相反应热力 学在研究固相反应中的意义。 第九章固态相变(8学时) 1.教学内容： (1)相变的基本结构特征： (2)相变热力学： (3)固态相变动力学： (4)结晶与晶体生长
图的几条重要规则；相图如何通过点、线、面诠释发生的过程。 第七章 固体中质点的扩散（8 学时） 1．教学内容： (1)固体中质点扩散的特点与唯象理论； (2)质点迁移的微观机制与扩散系数； (3)扩散的热力学理论； (4)带电质点的扩散行为； (5)短路扩散与非平衡态点缺陷的扩散； (6)金属中的电迁移和热迁移。 2．重、难点提示： (1)重点：扩散第一、第二定律，扩散系数的推导。 (2)难点：本征缺陷、杂质缺陷以及气氛所引起的非化学计量化合物的扩散系数。 第八章 固态化学反应（8 学时） 1．教学内容： (1)凝聚态体系化学反应的基本特征； (2)固相化学反应热力学； (3)固相化学反应动力学； (4)影响固相化学反应的因素； (5)固相反应的研究实例。 2．重、难点提示： (1)重点：固相反应动力学的推导，影响固相反应的因素。 (2)难点：抛物线方程、金斯特林格方程和杨德尔方程的优点和局限性，固相反应热力 学在研究固相反应中的意义。 第九章 固态相变（8 学时） 1．教学内容： (1)相变的基本结构特征； (2)相变热力学； (3)固态相变动力学； (4)结晶与晶体生长
2.重、难点提示： (1)重点：相变的基本类型、热力学和动力学理论，均匀成核与非均匀成核的区别和联 系。 (2)难点：固态相变热力学条件，均匀成核与非均匀成核的条件及其联系。 第十章固态烧结(8学时) 1.教学内容： (1)烧结的基本特征： (2)烧结机制与动力学方程： (3)烧结过程中晶粒生长与异常生长： (4)影响烧结的因素： (⑤)特种烧结技术。 2.重、难点提示： (1)重点：四种基本传质产生的原因，条件、特点和动力学方程，影响烧结的因素。 (2)难点：四种基本传质产生的原因，条件、特点和动力学方程，烧结过程中晶界移动 的方式及其原因和结果。 七、学时分配 教学环节 章目 教学内容 理论教学学时 实验教学学时 一 无机材料的化学键与电子结构 2学时 晶体结构与常见晶体结构类型 10学时 三 熔体与非晶态固体 10学时 四 晶体中的点缺陷与线缺陷 12学时 五 表面与界面 12学时 六 相平衡与相图 18学时 七 固体中质点的扩散 8学时 八 固态化学反应 8学时 九 固态相变 8学时 十 固态烧结 8学时 总计 96学时
2．重、难点提示： (1)重点：相变的基本类型、热力学和动力学理论，均匀成核与非均匀成核的区别和联 系。 (2)难点：固态相变热力学条件，均匀成核与非均匀成核的条件及其联系。 第十章 固态烧结（8 学时） 1．教学内容： (1)烧结的基本特征； (2)烧结机制与动力学方程； (3)烧结过程中晶粒生长与异常生长； (4)影响烧结的因素； (5)特种烧结技术。 2．重、难点提示： (1) 重点：四种基本传质产生的原因，条件、特点和动力学方程，影响烧结的因素。 (2) 难点：四种基本传质产生的原因，条件、特点和动力学方程，烧结过程中晶界移动 的方式及其原因和结果。 七、学时分配 章目 教学内容 教学环节 理论教学学时 实验教学学时 一 无机材料的化学键与电子结构 2 学时 二 晶体结构与常见晶体结构类型 10 学时 三 熔体与非晶态固体 10 学时 四 晶体中的点缺陷与线缺陷 12 学时 五 表面与界面 12 学时 六 相平衡与相图 18 学时 七 固体中质点的扩散 8 学时 八 固态化学反应 8 学时 九 固态相变 8 学时 十 固态烧结 8 学时 总计 96 学时
八、课程考核方式 1.考核方式： 闭卷考试 2.成绩构成 平时成绩+试卷成绩 九、选用教材和参考书目 1.《无机材料科学基础》，曾燕伟编，武汉理工大学出版社，2011年： 2.《材料物理化学》（普通高等教育“十三五”规划教材），全玉萍编，中国水利水电出 版社，2016年： 3.《材料科学基础》（第2版），余永宁编，高等教育出版社，2012年： 4.《材料科学基础》（第3版），胡赓祥，蔡珣，戎咏华，上海市教育委员会编，上海 交通大学出版社，2017年： 5.《材料科学基础》（第2版），郑子樵编，中南大学出版社，2013年
八、课程考核方式 1.考核方式： 闭卷考试 2.成绩构成 平时成绩+试卷成绩 九、选用教材和参考书目 1. 《无机材料科学基础》，曾燕伟编，武汉理工大学出版社，2011 年； 2. 《材料物理化学》（普通高等教育“十三五”规划教材），仝玉萍编，中国水利水电出 版社，2016 年； 3. 《材料科学基础》(第 2 版)，余永宁编，高等教育出版社，2012 年； 4. 《材料科学基础》（第 3 版），胡赓祥，蔡珣，戎咏华，上海市教育委员会编，上海 交通大学出版社，2017 年； 5. 《材料科学基础》（第 2 版），郑子樵编，中南大学出版社，2013 年
