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《材料学概论》课程大纲《材料学概论》课程大纲2015年3月第1讲材料的支柱和先导作用1.1材料的定义和分类，选择材料的标准1.1.1 材料的定义——材料、原料、物质之间的关系1.1.2 判断物质是否为材料的依据1.1.3 材料的分类1.1.4 材料生命周期的循环1.2材料的重要性1.2.1 材料是人类社会进步的标志1.2.2 材料是当代文明的根基1.2.3 材料是各类产业的基础1.2.4 先进材料是高新技术的核心1.2.5 新材料是国家核心竞争力的体现1.2.6 材料可以“点石成金，化腐朽为神奇”1.2.7 “制造材料者制造技术”，材料可以“以不变应万变”1.2.8 复合材料和功能材料大大扩展了材料的应用领域1.3材料科学与工程四面体1.3.1 材料科学与工程的定义和学科特点1.3.2 材料科学与工程四要素1.3.3 重视材料的加工和制造1.3.4 提高材料的性能永无止境1.4材料与创新1.4.1 关注材料的最新应用——强调发展，注重创新1.4.2 “9.11事件”世贸大厦垮塌和“3.11大地震”福岛核事故都涉及材料1.4.3 新材料如何适应技术创新和产业创新第2讲材料就在元素周期表中（一）2.1元素在周期表中的位置决定于其核外电子排布2.1.1 门捷列夫元素周期表——最伟大的材料事件2.1.2 元素周期表中120种元素综合分析2.1.3 原子的核外电子排布（1）——量子数和电子轨道2.1.4 原子的核外电子排布（2）——电子排布的三个准则2.2过渡族元素、稀土元素和镧系元素2.2.1 过渡族元素——d或f亚层电子未填满的元素2.2.2 过渡族元素的一般特征2.2.3 稀土元素——4f亚层电子未填满的元素2.2.4 稀土元素的特征2.3元素周期表反映元素的规律性2.3.1 碳的sp3、sp2、sp杂化2.3.2 电子授受及元素氧化数变化2.3.3 过渡族元素和难熔金属2.3.4 原子半径、离子半径和元素的电负性2.3.5 原子的电离能和可能的价态表现第3讲材料就在元素周期表中（二）3.1材料性能与组织结构的关系3.1.1 材料性能与化学键类型的关系3.1.2 材料性能与微观结构的关系3.1.3 铁的晶体结构3.1.4 材料性能与组织的关系3.2从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体3.2.1 固体能带的形状3.2.2 金属的能带结构与导电性3.2.3 绝缘体、导体和半导体的能带图3.2.4 半导体的能带结构与导电性3.2.5 化合物半导体和荧光体材料第4讲金属及合金材料（一）4.1高炉炼铁和转炉炼钢4.1.1 钢材的传统生产流程4.1.2 高炉炼铁中的化学反应4.1.3 高炉的构造4.1.4 高炉炼铁运行过程4.1.5 炼钢的目的4.1.6 氧气转炉炼钢的原料4.1.7 氧气转炉炼钢的主要化学反应4.1.8 沸腾钢和镇静钢4.2金属材料的组织结构4.2.1 晶态和非晶态,单晶体和多晶体4.2.2 固溶体和金属间化合物4.2.3 相、相图、组织和结构4.2.4 利用Fe-C相图分析钢的平衡组织4.2.5 凝固中的形核与长大4.3铸锭及其组织4.3.1 铸锭典型的三区组织4.3.2 枝晶的形成和铸锭组织的控制4.3.3 定向凝固和连铸连轧4.3.4 单晶制造第5讲金属及合金材料（二）5.1金属材料的加工5.1.1 金属的热变形5.1.2 金属的冷变形5.1.3 由铜锭到铜箔的压延加工5.2钢的强化机制5.2.1 碳钢中的各种组织5.2.2 钢的强化机制5.2.3 合金钢及合金元素的作用5.2.4 铁的磁性5.2.5 表面处理（1）——表面淬火及渗碳淬火5.2.6 表面处理（2）——表面渗碳、氮化及喷丸处理5.2.7 合金钢（1）——强韧钢、可焊高强度钢和工具钢5.2.8 合金钢（2）——高速钢、不锈钢、弹簧钢和轴承钢5.3钢材的热处理5.3.1 热处理的目的和热处理温度的确定5.3.2 钢的退火（annealing）5.3.3 钢的正火（normalizing）5.3.4 钢的淬火（quenching）(1)——加热和急冷的选择5.3.5 钢的淬火（quenching）(2)——增加淬透性和防止淬火开裂5.3.6 钢的回火（tempering）第6讲粉体及纳米材料6.1粉体材料的性能6.1.1 粉体及其特殊性能（1）——小粒径和高比表面积6.1.2 粉体及其特殊性能（2）——易流动性和高分散性6.1.3 粉体及其特殊性能（3）——低熔点和高化学活性6.2粉体的加工与处理6.2.1 破碎和粉碎6.2.2 分级和集尘6.2.3 混料及造粒6.2.4 输送及供给6.2.5 非机械式粉体制作方式6.3粉体的应用6.3.1 日常生活中的粉体6.3.2 工业应用的粉体材料6.3.3 粉体精细化技术——粒度精细化及粒子形状的改善6.4纳米材料6.4.1 纳米材料与纳米技术的概念6.4.2 包罗万象的纳米领域6.4.3 “纳米”就在我们身旁6.4.4 纳米材料制备和纳米加工6.4.5 纳米技术与纳米材料的发展前景第7讲陶瓷及陶瓷材料7.1陶瓷材料的定义和分类7.1.1 陶瓷发展史——人类文明进步的标志7.1.2 陶瓷及陶瓷材料（1）——按致密度和原料分类7.1.3 陶瓷及陶瓷材料（2）——按性能和用途分类7.1.4 陶瓷及陶瓷材料（3）——结构陶瓷和功能陶瓷7.2坯体成型7.2.1 普通黏土陶瓷的主要原料7.2.2 陶瓷成型工艺（1）——旋转制坯成型和注浆成型7.2.3 陶瓷成型工艺（2）——干压成型、热压成型和等静压成型7.2.4 陶瓷成型工艺（3）——挤压成型、注射成型和流延成型7.3陶瓷烧结7.3.1 普通陶瓷的烧结过程7.3.2 陶瓷的烧成和烧结工艺7.4陶瓷材料的结构7.4.1 普通陶瓷的组织和结构7.4.2 精细陶瓷的组成、组织结构和性能7.5结构陶瓷7.5.1 结构陶瓷及应用（1）——Al2O3和ZrO27.5.2 结构陶瓷及应用（2）——TiO2、BeO和AlN7.5.3 结构陶瓷及应用（3）——SiC和Si3N47.5.4 低温共烧陶瓷（LTCC）基板7.6功能陶瓷7.6.1 功能陶瓷及应用实例（1）——陶瓷电子元器件7.6.2 功能陶瓷及应用实例（2）——生物陶瓷和换能器件7.6.3 功能陶瓷及应用实例（3）——微波器件、传感器和超声波马达第8讲玻璃材料及玻璃的应用8.1玻璃的发展简史8.1.1 玻璃的发现至少有5000年8.1.2 古代玻璃与现代玻璃的组成惊人地相似8.2玻璃的定义和特征8.2.1 玻璃的传统定义和现代定义8.2.2 现代生活中不可缺少的玻璃8.3玻璃的加工8.3.1 玻璃熔融和成形加工8.3.2 非传统方法制造玻璃8.4建筑及高铁用玻璃8.4.1 免擦洗玻璃8.4.2 保证冬暖夏凉的中空玻璃8.4.3 夏天冷室用节能玻璃8.4.4 防盗玻璃8.4.5 子弹难以穿透的防弹玻璃8.4.6 防止火势蔓延的防火玻璃8.4.7 电致变色（加电压时着色）玻璃8.4.8 防水雾（防朦胧）镜子的秘密8.4.9 高铁车厢用窗玻璃8.4.10 汽车前窗用钢化玻璃8.4.11 下雨天不用雨刷的疏水性玻璃8.4.12 防紫外线玻璃8.4.13 隐蔽玻璃8.4.14 反光玻璃微珠8.4.15 天线玻璃8.4.16 汽车用防水雾玻璃8.5高技术玻璃8.5.1 生物医学用玻璃材料8.5.2 特殊性能玻璃材料8.5.3 图像显示、光通信用玻璃材料8.5.4 高新技术前沿用玻璃材料第9讲高分子及聚合物材料（一）9.1何谓高分子和聚合物9.1.1 树脂、高分子聚合物、塑料等术语的内涵及相互关系9.1.2 乙烯分子中的共价键9.1.3 高分子的特征9.1.4 乙烯在引发剂H2O2的作用下发生聚合反应9.1.5 常见聚合物的结构和用途（1）——按结构和反应分类9.1.6 常见聚合物的结构和用途（2）——按性能和用途分类9.2聚合物的合成9.2.1 加聚反应和聚合物实例（1）——均加聚9.2.1 加聚反应和聚合物实例（2）——共加聚9.2.1 缩聚反应和聚合物实例——共缩聚9.3从结构层次看聚合物9.3.1 聚丙烯中的不对称碳原子引起的立体异构9.3.2 高分子链的结构层次9.3.3 高分子链间的相互作用9.3.4 高分子的聚集态结构第10讲高分子及聚合物材料（二）10.1高分子材料性能与加工10.1.1 天然橡胶和合成橡胶10.1.2 热固性塑料10.1.3 聚合物的结构模型及力学特性10.1.4 聚合物的形变机理及变形特性10.1.5 聚合物的成形加工及设备（1）——压缩模塑和传递模塑10.1.6 聚合物的成形加工及设备（2）——挤出成形和射出成形10.1.7 聚合物的成形加工及设备（3）——塑料薄膜和纤维丝制造10.2人造纤维10.2.1 干法纺丝10.2.2 湿法纺丝和熔体纺丝10.3胶粘剂和涂料10.3.1 胶粘剂的构成和粘接原理10.3.2 胶粘剂的制造和用途10.3.3 涂料的分类及构成10.3.4 涂料中各种成分的选择10.3.5 涂料的成膜和固化第11讲复合材料和生物材料11.1复合材料的定义和分类11.1.1 复合材料的定义和分类11.1.2 复合材料的界面11.1.3 复合材料的特长及优势11.2增强材料和基体材料11.2.1 复合材料中增强材料与基体材料的匹配11.2.2 增强纤维的制造11.2.3 碳纤维及C/C复合材料11.2.4 增强纤维的编织和铺展11.2.5 复合材料的成形制造11.3复合材料的应用11.3.1 复合材料在航空航天领域的应用11.4天然复合材料11.4.1 天然复合材料——木材的断面组织11.4.1 天然复合材料——木材的微观结构11.5生物材料11.5.1 生物材料的定义和范畴11.5.2 骨骼、筋和韧带组织11.5.3 骨骼固定和关节修复11.5.4 各种植入人体的材料11.5.5 植入人体材料的损伤及防止第12讲磁性及磁性材料12.1磁性的来源12.1.1 磁性起源于电流12.1.2 磁矩、导磁率和磁化率12.1.3 过渡金属元素3d壳层的电子结构与其磁性的关系12.2磁性材料的分类12.2.1 高导磁率材料、高矫顽力材料及半硬质磁性材料12.2.2 亚铁磁性和软磁铁氧体磁性材料12.2.3 铁氧体永磁体的制作12.2.4 从铁系合金到铁氧体材料12.3磁畴和磁滞回线12.3.1 磁畴及磁畴的运动12.3.2 决定铁磁畴结构的能量类型12.3.3 滞回线及其决定因素12.4软磁材料与硬磁材料12.4.1 非晶态高导磁率材料12.4.2 永磁材料及其进展12.4.3 钕铁硼稀土永磁材料及其制备工艺12.4.4 钕铁硼永磁材料性能的提高和改进12.4.5 粘结磁体12.4.6 永磁材料的应用和退磁曲线第13讲薄膜技术及薄膜制备技术13.1薄膜的定义和薄膜形成的必要条件13.1.1 薄膜的定义和薄膜材料的特殊性能13.1.2 获得薄膜的三个必要条件13.1.3 真空获得13.1.4 薄膜是如何沉积的13.1.5 气体放电13.1.6 等离子体与薄膜沉积13.2薄膜制备——PVD法13.2.1 真空蒸镀13.2.2 离子镀和激光熔射13.2.3 溅射镀膜13.2.4 磁控溅镀靶13.2.5 溅射镀膜的应用13.3薄膜制备——CVD法13.3.1 CVD法原理及设备13.3.2 各类CVD的应用13.4薄膜的加工13.4.1 薄膜的图形化——湿法刻蚀和干法刻蚀13.4.2 反应离子刻蚀（RIE）和反应离子束刻蚀（RIBE）13.4.3 平坦化技术和大马士革工艺13.5薄膜材料的应用13.5.1 超硬涂层13.5.2 金刚石及类金刚石涂层13.5.3 镀Cu膜用于集成电路芯片制作。
材料科学概论所谓材料，是指经过某种加工，具有一定结构、组分和性能，并可应用于一定用途的物质,通俗的讲就是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。
材料是人类生活和生产的物质基础，是人类认识自然和改造自然的工具，是人类进步程度的主要标志。
可以这样说，自从人类一出现就开始了使用材料。
材料的历史与人类史一样久远。
从人类的出现到二十一世纪的今天，人类的文明程度不断提高，材料及材料科学也在不断发展。
在人类文明的进程中，材料大致经历了‘‘ 1．使用纯天然材料的初级阶段 2．人类单纯利用火制造材料的阶段 3．利用物理与化学原理合成材料的阶段 4．材料的复合化阶段5．材料的智能化阶段这五个阶段。
当前，高技术新材料的发展日新月异，材料科学的内涵也将日益丰富。
我们每一天都与材料打交道，它如空气般萦绕在我们身边的每一个角落、每一分每一秒。
从清晨睁开眼睛时投射入眼底的那束光开始算起，牙刷、毛巾、牙膏……无不是材料这一庞大而复杂家庭的一份子。
材料是人类赖以生存和发展的物质基础，20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。
80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。
这主要是因为材料与国民经济建设和人民生活密切相关。
材料除了具有重要性和普遍性以外，还具有多样性。
从物理化学属性来分，可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和不同类型材料所组成的复合材料。
从用途来分，又分为电子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。
更常见的两种分类方法则是结构材料与功能材料；传统材料与新型材料。
金属材料金属材料，特别是钢、铜、铝等，仍是21世纪的主要结构材料和电能传输材料。
金属材料已有成熟的生产工艺，相当多的配套设施和工业规模生产，价格低廉、性能可靠，已成为涉及面广、市场需求大的基础材料。
金属材料虽然今后会部分被高分子材料、陶瓷材料及复合材料所代替，由于它有比高分子材料高得多的弹性模量，比陶瓷高得多的韧性和良好的导电性能，在相当长的时期内改变不了它在材料中的主导地位，即使在高技术产业中也不例外.金属材料的发展趋势是：随着航天航空和其它尖端技术的飞跃的发展，在改善和提升传统材料品质的同时，金属功能材料、非平衡态金属，特别是高比强、高模量、耐高温、抗氧化，抗腐蚀、耐磨损合金和金属基复合材料会有快速的发展，如金属超导材料、钛及其合金、铝基增强复合材料，金属间化合物、形状记忆合金和纳米晶块体材料等。
一、填空题：1.原子间的键合可分为化学键和物理键两大类。
其中化学键包括离子键、金属键和共价键。
2.铁碳合金可按含碳量来分类，含碳量低于2.11%的为碳钢（含碳量低于0.0218&的为工业纯铁），含碳量大于2.11%的为铸铁。
3.以锌为唯一的或主要的合金元素的铜合金称为黄铜。
4.传统上，陶瓷的概念是指所有以黏土为主要原料与其他天然矿物质原料经过粉碎加工、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。
5.按照陶瓷坯体结构不同和坯体致密度不同，把陶瓷制品分为两大类陶器和瓷器。
6.陶瓷的微观结构是指晶体结构类型、对称性、晶格常数、原子排列情况及晶格缺陷等，分析京都可达数挨。
7.陶瓷的显微结构是指在光学显微镜（如金相显微镜、体式显微镜等）或是电子显微镜（SEM/TEM）下观察到的陶瓷内部的组织结构，也就是陶瓷的各种组成（晶相、玻璃相、气相）的形状、大小、种类、数量、分布及晶界状态、宽度等，观察范围为微米数量级。
8.高聚物的静态粘弹性行为表现有蠕变、应力松弛。
9.聚合物在溶液中通常呈无规线团构象，在晶体中呈锯齿形或螺旋形。
10.制作碳纤维的五个阶段分别是拉丝、牵伸、稳定、碳化和石墨化。
11.复合材料通常有三种分类法，分别是增强材料、基体材料、纤维材料。
12.所谓纳米材料，从狭义上说，是有关原子团簇、纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜、纳米碳管和纳米固体材料的总称。
从广义上说，纳米材料是指晶粒或晶界等显微构造等达到纳米尺寸（<100nm）的材料。
13.信息材料是指与信息技术相关，用于信息收集、储存、处理、传输和显示的各类功能材料。
二、名称解释：1.加工硬化：金属随变形程度的增大，强度和硬度上升而塑性和韧性下降的现象。
2.热处理：p673.白口铸铁：p814.玻璃相：p1275.晶体相：p1266.气相：p1287.结构陶瓷：p117 8.功能陶瓷：p118 9.球晶：p164 10.取向：高分子链在特定的情况下，沿特定方向的择优平行排列，聚合物呈各向异性特征。
