西安建筑科技大学材料科学与工程学院 《材料科学与工程概论》 教学大纲 课程编号: 课程名称:材料科学与工程概论 英文名称: General theory of material science and technology 学时:34学时 学分:2学分 授课对象:材料科学与工程专业、材料物理等本科专业。 课程性质:专业入门必修基础课程。 先修课程:无 课程教学目标 考虑到材料类专业是非传统专业,许多考生和家长对该类专业还不了 解这一现状,为了使学生尽早地对材料科学与工程的概况有一个大概的了 解,有利于培养对材料类学科的兴趣,从而调动学生学习积极性,热爱本 专业;在学生还没有正式接触专业课之前,对材料科学与工程的概况有 个大概的了解,同时又能掌握一定的专业基本知识,为尽早接触专业文献、 学术报告奠定一定的基础。 二、教学内容及基本要求
1 西安建筑科技大学材料科学与工程学院 《材料科学与工程概论》 教 学 大 纲 课程编号： 课程名称：材料科学与工程概论 英文名称：General theory of materialscience and technology 学时：34 学时 学分：2 学分 授课对象：材料科学与工程专业、材料物理等本科专业。 课程性质：专业入门必修基础课程。 先修课程：无 一、课程教学目标： 考虑到材料类专业是非传统专业，许多考生和家长对该类专业还不了 解这一现状，为了使学生尽早地对材料科学与工程的概况有一个大概的了 解，有利于培养对材料类学科的兴趣，从而调动学生学习积极性，热爱本 专业；在学生还没有正式接触专业课之前，对材料科学与工程的概况有一 个大概的了解，同时又能掌握一定的专业基本知识，为尽早接触专业文献、 学术报告奠定一定的基础。 二、教学内容及基本要求
作为材料学科的一门主要课程,既要考虑“概论”的特点,尽可能拓 宽知识面,又要考虑使学生从该门课程中能学到一定的知识,就需要该教 材具有一定的广度和适当的深度 本课程主要介绍材料科学的诞生与发展、材料科学与工程的研究对象 与方法、材料与人类社会的发展的关系。材料的相变、固体的一般性质和 材料的检测与分析。材料制备的一般知识和一些代表性材料的性质和应用。 教材共分13章。前四章介绍材料的一般概念和基本知识,包括引论、固体 的一般性质、材料的相变和材料的检测与分析。5-8章介绍材料制备的一般 知识。9~13章为常见材料简介。 教学要求分为三个层次,即了解、熟悉和掌握。了解为最低要求,掌握 为最高要求。凡需要了解的内容一般都为基本常识,要求学生知道即可 最髙要求则必须概念清楚、能熟练运用概念解释有关现象,定量处理相关 问题。 具体教学内容及基本要求如下。 第一篇材料的一般概念和基本知识 第一章:引论(2学时) 本章主要介绍材料科学的诞生与发展、材料科学与工程的研究对象与 方法、材料与人类社会的发展。 1.1材料科学的诞生与发展 12材料科学与工程的研究对象与方法 1.3材料与人类社会的发展
2 作为材料学科的一门主要课程，既要考虑“概论”的特点，尽可能拓 宽知识面，又要考虑使学生从该门课程中能学到一定的知识，就需要该教 材具有一定的广度和适当的深度。 本课程主要介绍材料科学的诞生与发展、材料科学与工程的研究对象 与方法、材料与人类社会的发展的关系。材料的相变、固体的一般性质和 材料的检测与分析。材料制备的一般知识和一些代表性材料的性质和应用。 教材共分 13 章。前四章介绍材料的一般概念和基本知识，包括引论、固体 的一般性质、材料的相变和材料的检测与分析。5~8 章介绍材料制备的一般 知识。9~13 章为常见材料简介。 教学要求分为三个层次，即了解、熟悉和掌握。了解为最低要求，掌握 为最高要求。凡需要了解的内容一般都为基本常识，要求学生知道即可。 最高要求则必须概念清楚、能熟练运用概念解释有关现象，定量处理相关 问题。 具体教学内容及基本要求如下。 第一篇 材料的一般概念和基本知识 第一章：引论（2 学时） 本章主要介绍材料科学的诞生与发展、材料科学与工程的研究对象与 方法、材料与人类社会的发展。 1. 1 材料科学的诞生与发展 1.2 材料科学与工程的研究对象与方法 1.3 材料与人类社会的发展
14材料与现代高新技术 基本要求了解材料科学的诞生与发展、材料与人类社会的发展的关系; 熟悉材料科学与工程的研究对象与方法 本章重点:材料科学与工程的研究对象与方法、材料与现代髙新技术 第二章:固体的一般性质(10学时) 本章主要包含晶体的描写(晶面、晶棱、顶点、解理面);晶体的宏观 特性、晶面角守恒定律;空间点阵、原胞、平移周期;固体物理学原胞、 结晶学原胞、点阵常数;七个晶系、十四种类型;密堆积和配位数;结合 力、化学键;正电性元素、负电性元素;四类化学健及其与材料性能的关 系;结合力的普遍特征、结合能;晶体弹性的微观解释、晶体的范性形变 和位错 2.1晶体的宏观特性晶面角守恒定律 2.2空间点阵、原胞、平移周期 2、3固体物理学原胞、结晶学原胞、点阵常数 24晶系与类型 25密堆积和配位数 2.6结合力化学键 27晶体弹性的微观解释 28晶体中粒子的运动 29晶体的范性形变和位错 基本要求:了解晶面、晶棱、顶点、解理面的概念;晶体的宏观特性、晶面
3 1.4 材料与现代高新技术 基本要求:了解材料科学的诞生与发展、材料与人类社会的发展的关系； 熟悉材料科学与工程的研究对象与方法。 本章重点：材料科学与工程的研究对象与方法、材料与现代高新技术 第二章：固体的一般性质（10 学时） 本章主要包含晶体的描写（晶面、晶棱、顶点、解理面）；晶体的宏观 特性、晶面角守恒定律；空间点阵、原胞、平移周期；固体物理学原胞、 结晶学原胞、点阵常数；七个晶系、十四种类型；密堆积和配位数；结合 力、化学键；正电性元素、负电性元素；四类化学健及其与材料性能的关 系；结合力的普遍特征、结合能；晶体弹性的微观解释、晶体的范性形变 和位错。 2.1 晶体的宏观特性 晶面角守恒定律 2.2 空间点阵、原胞、平移周期 2.3 固体物理学原胞、结晶学原胞、点阵常数 2.4 晶系与类型 2.5 密堆积和配位数 2.6 结合力 化学键 2.7 晶体弹性的微观解释 2.8 晶体中粒子的运动 2.9 晶体的范性形变和位错 基本要求:了解晶面、晶棱、顶点、解理面的概念；晶体的宏观特性、晶面
角守恒定律 熟悉密堆积和配位数;晶体弹性的微观解释、晶体的范性形变和位错 结合能 掌握空间点阵、原胞、平移周期;固体物理学原胞、结晶学原胞、点 阵常数;七个晶系、十四种类型;结合力的普遍特征。 本章重点:晶体的宏观特性、原胞、平移周期、七个晶系、十四种类型 本章难点:七个晶系、十四种类型、密堆积和配位数 第三章:材料的相变(6学时) 本章主要包含理想气体的等温压缩曲线、范德瓦耳斯气体及等温线、过 冷气体和过热液体、等面积法则、杠杆定律、临界点的概念及其临界点的 确定、三相图;相变的概念及其单元系一级相变的宏观特征;同素异晶转 变;二元及三元系相图的一般知识 3.1气液相变理想气体等温压缩曲线 3、2范德瓦耳斯等温线过冷现象和过热现象 33等面积法则杠杆定律临界点的确定 34固液相变固气相变三相图 3.5单元系一级相变的宏观特征 36同素异晶转变 37二元及三元系相图 基本要求:了解过冷现象、过冷气体和过热现象、过热液体的概念,如何 防止,如何应用;相变的概念及其单元系一级相变的宏观特征;二元及三
4 角守恒定律； 熟悉密堆积和配位数；晶体弹性的微观解释、晶体的范性形变和位错、 结合能。 掌握空间点阵、原胞、平移周期；固体物理学原胞、结晶学原胞、点 阵常数；七个晶系、十四种类型；结合力的普遍特征。 本章重点：晶体的宏观特性、原胞、平移周期、七个晶系、十四种类型 本章难点：七个晶系、十四种类型、密堆积和配位数 第三章：材料的相变（6 学时） 本章主要包含理想气体的等温压缩曲线、范德瓦耳斯气体及等温线、过 冷气体和过热液体、等面积法则、杠杆定律、临界点的概念及其临界点的 确定、三相图；相变的概念及其单元系一级相变的宏观特征；同素异晶转 变；二元及三元系相图的一般知识。 3.1 气液相变 理想气体等温压缩曲线 3.2 范德瓦耳斯等温线 过冷现象和过热现象 3.3 等面积法则 杠杆定律 临界点的确定 3.4 固液相变 固气相变 三相图 3.5 单元系一级相变的宏观特征 3.6 同素异晶转变 3.7 二元及三元系相图 基本要求：了解过冷现象、过冷气体和过热现象、过热液体的概念，如何 防止，如何应用；相变的概念及其单元系一级相变的宏观特征；二元及三
元系相图的一般知识;临界点的概念及其临界点的确定。 熟悉理想气体的等温压缩曲线;范德瓦耳斯气体及等温线;等面积法则; 同素异晶转变。 掌握杠杆定律;三相图。 本章重点:单元系一级相变的宏观特征、过冷气体和过热液体的概念、临 界点的概念、杠杆定律 本章难点:范德瓦耳斯气体等温线 第四章:材料的检测与分析(2学时) 本章主要包含结构分析和成分分析 4.1结构分析(Ⅹ射线衍射、电子衍射、中子衍射和扩展ⅹ射线吸收谱 精细结构 EXAFS) 4,2成分分析(电子探针、电子能谱、离子束分析) 基本要求:了解Ⅹ射线衍射、电子衍射、中子衍射和扩展x射线吸收谱精 细结构( EXAFS)、电子探针、电子能谱(俄歇电子能谱、光电子能谱(PES)) 离子束分析(二次离子质谱(SMS)、背散射和沟道技术)的优缺点和适用 范围。 本章重点:各种分析方法的优缺点和适用范围。 第二篇材料制备的一般知识 第五章:单晶制备与材料的搀杂(1学时) 本章主要包含熔体生长、溶液生长、气相生长、热扩散、离子注入
5 元系相图的一般知识；临界点的概念及其临界点的确定。 熟悉理想气体的等温压缩曲线；范德瓦耳斯气体及等温线；等面积法则； 同素异晶转变。 掌握杠杆定律；三相图。 本章重点：单元系一级相变的宏观特征、过冷气体和过热液体的概念、临 界点的概念、杠杆定律 本章难点：范德瓦耳斯气体等温线 第四章：材料的检测与分析（2 学时） 本章主要包含结构分析和成分分析 4.1 结构分析（X 射线衍射、电子衍射、中子衍射和扩展 x 射线吸收谱 精细结构 EXAFS） 4.2 成分分析（电子探针、电子能谱、离子束分析） 基本要求：了解 X 射线衍射、电子衍射、中子衍射和扩展 x 射线吸收谱精 细结构（EXAFS）、电子探针、电子能谱（俄歇电子能谱、光电子能谱(PES)） 离子束分析（二次离子质谱（SIMS）、背散射和沟道技术）的优缺点和适用 范围。 本章重点：各种分析方法的优缺点和适用范围。 第二篇 材料制备的一般知识 第五章：单晶制备与材料的搀杂（1 学时） 本章主要包含熔体生长、溶液生长、气相生长、热扩散、离子注入
MOCVD和MBE 51熔体生长与单晶炉 52溶液生长与液相外延炉 53气相生长与气相外延炉 54搀杂 基本要求:本章内容全部为了解内容 本章重点:各种制备方法的优缺点和适用范围 第六章:无机非金属(陶瓷)材料的制备(1学时) 本章主要包含粉料的制备、混合、成型、干燥、烧结,非晶体材料的 制备 6.1粉料的制备与混合 62成型与干燥 6.3烧结 64非晶体材料的制备(急冷法、蒸发、溅射、电解、化学沉积等) 基本要求:本章内容全部为了解内容。 本章重点:各种制备方法的优缺点和适用范围 第七章:薄膜材料的制备(1学时) 本章主要包含物理气相沉积PVD)和化学气相沉积CVD 7.1物理气相沉积 72化学气相沉积
6 MOCVD 和 MBE 5.1 熔体生长与单晶炉 5.2 溶液生长与液相外延炉 5.3 气相生长与气相外延炉 5.4 搀杂 基本要求：本章内容全部为了解内容。 本章重点：各种制备方法的优缺点和适用范围。 第六章：无机非金属（陶瓷）材料的制备（1 学时） 本章主要包含粉料的制备、混合、成型、干燥、烧结，非晶体材料的 制备。 6.1 粉料的制备与混合 6.2 成型与干燥 6.3 烧结 6.4 非晶体材料的制备（急冷法、蒸发、溅射、电解、化学沉积等） 基本要求：本章内容全部为了解内容。 本章重点：各种制备方法的优缺点和适用范围。 第七章：薄膜材料的制备（1 学时） 本章主要包含物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD). 7.1 物理气相沉积 7.2 化学气相沉积
7、3溶胶涂挂 基本要求:了解真空蒸镀的主要方法:包括电阻加热法、电子束轰击法、 激光束加热、反应蒸镀和分子束外延(MBE)、溅射和离子镀 熟悉各种方法的优缺点和适用条件。 本章重点:各种制备方法的优缺点和适用范围。 第八章:纳米材料的制备(1学时) 本章主要包含气相冷凝法、非晶晶化法、髙能球磨法和溶胶-凝胶法 8.1气相冷凝法 82非晶晶化法 83高能球磨法 84溶胶-凝胶法 基本要求:了解制备的各种方法 熟悉各种方法的优缺点和适用条件 本章重点:各种制备方法的优缺点和适用范围。 第三篇常见材料简介 第九章:金属材料(2学时) 本章主要包含铁一碳合金的组元、相图;钢的分类;形状记忆合金。 91铁一碳合金(组元、相图;钢的分类) 92形状记忆合金 基本要求:了解顺磁体、铁磁体和居里点的基本概念、768℃时为一相变点;
7 7.3 溶胶涂挂 基本要求：了解真空蒸镀的主要方法：包括电阻加热法、电子束轰击法、 激光束加热、反应蒸镀和分子束外延(MBE)、溅射和离子镀 熟悉各种方法的优缺点和适用条件。 本章重点：各种制备方法的优缺点和适用范围。 第八章：纳米材料的制备（1 学时） 本章主要包含气相冷凝法、非晶晶化法、高能球磨法和溶胶-凝胶法 8.1 气相冷凝法 8.2 非晶晶化法 8.3 高能球磨法 8.4 溶胶-凝胶法 基本要求：了解制备的各种方法 熟悉各种方法的优缺点和适用条件。 本章重点：各种制备方法的优缺点和适用范围。 第三篇 常见材料简介 第九章：金属材料（2 学时） 本章主要包含铁一碳合金的组元、相图；钢的分类；形状记忆合金。 9.1 铁—碳合金（组元、相图；钢的分类） 9.2 形状记忆合金 基本要求：了解顺磁体、铁磁体和居里点的基本概念、768℃时为一相变点；
形状记忆合金。 熟悉a-Fe和γ—Fe均为同素异构体以及它们的区别;碳在铁一碳合 金中的作用;奧氏体、铁索体、渗碳体;钢的分类 掌握铁一碳合金的相图和五种相、形状记忆效应 本章重点:相图的应用 本章难点:马氏体相变 第十章:无机非金属材料(陶瓷材料)(2学时) 本章主要包含无机非金属材料的结构与组织以及主要性能和应用领域。 10.1分类 10.2结构与组织 10.3性能和应用 基本要求:了解晶体相的主要存在形式及其特征、氧化物的主要存在形式 及其特征、非氧化合物的主要存在形式及其特征;玻璃相的形成及作用; 气相的形成及作用。 熟悉陶瓷的机械性能;塑性、韧性或脆性的概念;物理化学性能; 本章重点:无机非金属材料的性能和应用领域。 本章难点:搀杂与晶界对材料性能的影响 第十一章:高分子材料(2学时) 本章主要包含高分子材料的一般知识,它们包括单体的概念、合成的方 法;主要性能;高分子材料的常见类型
8 形状记忆合金。 熟悉α—Fe 和γ—Fe 均为同素异构体以及它们的区别；碳在铁一碳合 金中的作用；奥氏体、铁索体、渗碳体；钢的分类 掌握铁一碳合金的相图和五种相、形状记忆效应 本章重点：相图的应用。 本章难点：马氏体相变 第十章：无机非金属材料（陶瓷材料）（2 学时） 本章主要包含无机非金属材料的结构与组织以及主要性能和应用领域。 10.1 分类 10.2 结构与组织 10.3 性能和应用 基本要求：了解晶体相的主要存在形式及其特征、氧化物的主要存在形式 及其特征、非氧化合物的主要存在形式及其特征；玻璃相的形成及作用； 气相的形成及作用。 熟悉陶瓷的机械性能；塑性、韧性或脆性的概念；物理化学性能； 本章重点： 无机非金属材料的性能和应用领域。 本章难点：搀杂与晶界对材料性能的影响。 第十一章：高分子材料（2 学时） 本章主要包含高分子材料的一般知识，它们包括单体的概念、合成的方 法；主要性能；高分子材料的常见类型
11.1高分子材料的基本概念 11.2高分子材料的合成 113高分子材料的性能与分类 基本要求:了解单体的概念、合成的方法;主要性能;高分子材料的常见 类型。 本章重点:高分子材料的性能 第十二章:复合材料(2学时) 本章主要包含复合材料的一般概念和优越性能;复合材料的分类及常 见复合材料;复合材料的増强机制、纤维复合材料的复合原则:复合材料 的性能特点。 2.1复合材料的基本概念 122一般复合方法 123复合材料性能与分类 基本要求:本章内容全部为了解 本章重点:复合材料性能 第十三章:功能材料(4学时) 本章主要包含半导体材料、超导材料、磁性材料、纳米材料、敏感材料 等的基本概念、主要性质和用途 13.1半导体材料 132超导材料
9 11.1 高分子材料的基本概念 11.2 高分子材料的合成 11.3 高分子材料的性能与分类 基本要求：了解单体的概念、合成的方法；主要性能；高分子材料的常见 类型。 本章重点：高分子材料的性能 第十二章：复合材料（2 学时） 本章主要包含复合材料的一般概念和优越性能；复合材料的分类及常 见复合材料；复合材料的增强机制、纤维复合材料的复合原则；复合材料 的性能特点。 12.1 复合材料的基本概念 12.2 一般复合方法 12.3 复合材料性能与分类 基本要求：本章内容全部为了解 本章重点：复合材料性能 第十三章：功能材料（4 学时） 本章主要包含半导体材料、超导材料、磁性材料、纳米材料、敏感材料 等的基本概念、主要性质和用途。 13.1 半导体材料 13.2 超导材料
13.3磁性材料 134纳米材料 135敏感材料 136新能源和节能材料 137生物植入材料 基本要求:了解本征半导体与搀杂半导体;光电效应、光生伏特效应、发 光效应;超导现象与完全抗磁性;超导微电子器件的优越性;软磁和硬磁 材料的概念;磁性材料;纳米材料的物理性质(包括小尺寸效应、表面与 界面效应、量子尺寸效应);碳纳米管;新能源和节能材料;生物植入材料 的基本概念和主要应用领域 本章重点:各种材料的主要性质和优越性。 三、教学安排及方式 授课方式:课堂讲授与讨论,采用多媒体教学手段 课程内容 讲课学时实验学时作业量 论 固体的一般性质 材料的相变 2062 10 「材料的检测与分析 单晶制备与材料的搀杂 无机非金属(陶瓷)材料的制备 薄膜材料的制备 纳米材料的制备 金属材料 2 无机非金属材料(陶瓷材料) 高分子材料 2 复合材料
10 13.3 磁性材料 13.4 纳米材料 13.5 敏感材料 13.6 新能源和节能材料 13.7 生物植入材料 基本要求：了解本征半导体与搀杂半导体；光电效应、光生伏特效应、发 光效应；超导现象与完全抗磁性；超导微电子器件的优越性；软磁和硬磁 材料的概念；磁性材料；纳米材料的物理性质（包括小尺寸效应、表面与 界面效应、量子尺寸效应）；碳纳米管；新能源和节能材料；生物植入材料 的基本概念和主要应用领域 本章重点：各种材料的主要性质和优越性。 三、教学安排及方式 授课方式：课堂讲授与讨论，采用多媒体教学手段 课程内容 讲课学时 实验学时 作业量 引论 2 1 固体的一般性质 10 15 材料的相变 6 10 材料的检测与分析 2 3 单晶制备与材料的搀杂 1 无机非金属（陶瓷）材料的制备 1 1 薄膜材料的制备 1 纳米材料的制备 1 1 金属材料 2 2 无机非金属材料（陶瓷材料） 2 2 高分子材料 2 2 复合材料 2 2