大學(xué)材料課程大綱日期:目錄CATALOGUE02.材料科學(xué)與基礎(chǔ)04.材料加工技術(shù)05.材料應(yīng)用領(lǐng)域01.課程概述03.材料性能與測試06.課程評估與資源課程概述01課程目標(biāo)與學(xué)習(xí)成果系統(tǒng)學(xué)習(xí)金屬、陶瓷、高分子及復(fù)合材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，理解微觀組織對宏觀性能的影響機制。掌握材料科學(xué)基礎(chǔ)理論通過材料制備、表征及性能測試實驗，掌握X射線衍射、掃描電鏡等儀器操作技能，能夠獨立完成實驗數(shù)據(jù)分析報告。引導(dǎo)學(xué)生閱讀頂級期刊文獻，了解材料科學(xué)前沿進展，完成1篇包含創(chuàng)新性觀點的學(xué)術(shù)綜述論文。培養(yǎng)實驗設(shè)計與分析能力結(jié)合航空航天、新能源等領(lǐng)域的實際案例，培養(yǎng)學(xué)生運用材料知識解決復(fù)雜工程問題的能力，完成至少3個綜合性項目設(shè)計。提升工程應(yīng)用思維01020403建立科研創(chuàng)新意識課程結(jié)構(gòu)安排理論教學(xué)模塊包含晶體學(xué)基礎(chǔ)、相變原理、材料失效分析等12個核心章節(jié)，每周安排4學(xué)時講授配合在線知識庫拓展學(xué)習(xí)。實驗實踐模塊設(shè)置材料熱處理、力學(xué)性能測試等8個必修實驗項目，另開放3個選修實驗供學(xué)有余力的學(xué)生選擇。專題研討環(huán)節(jié)每月組織1次行業(yè)專家講座，涵蓋生物醫(yī)用材料、智能材料等熱點領(lǐng)域，要求學(xué)生提交聽講報告并參與互動討論?？己嗽u估體系采用過程性評價（實驗報告30%+項目設(shè)計25%）與終結(jié)性評價（期末考試45%）相結(jié)合的方式。教學(xué)團隊介紹首席教授團隊由5名具有海外頂尖實驗室研究經(jīng)歷的教授組成，主持國家級重點研發(fā)項目，在NatureMaterials等期刊發(fā)表論文逾百篇。01實驗指導(dǎo)教師配備3名高級工程師，擁有10年以上材料檢測認(rèn)證機構(gòu)工作經(jīng)驗，熟悉ISO/ASTM等國際標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)范。行業(yè)導(dǎo)師資源聘請來自中國航發(fā)、寧德時代等企業(yè)的8位技術(shù)總監(jiān)擔(dān)任實踐導(dǎo)師，提供產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢指導(dǎo)。學(xué)術(shù)支持人員包括2名博士后研究員和5名博士助教，負(fù)責(zé)課后答疑、文獻檢索指導(dǎo)及科研軟件培訓(xùn)工作。020304材料科學(xué)與基礎(chǔ)02材料分類方法包括金屬材料（如鐵、鋁、銅及其合金）、無機非金屬材料（如陶瓷、玻璃、水泥）和高分子材料（如塑料、橡膠、纖維），以及復(fù)合材料（如碳纖維增強聚合物）。01040302按化學(xué)組成分類涵蓋結(jié)構(gòu)材料（如建筑鋼材、混凝土）、功能材料（如半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、磁性材料）和智能材料（如形狀記憶合金、壓電材料）。按功能特性分類分為航空航天材料（如鈦合金、高溫合金）、生物醫(yī)用材料（如羥基磷灰石、醫(yī)用高分子）和能源材料（如鋰離子電池電極材料、光伏材料）。按應(yīng)用領(lǐng)域分類包括晶態(tài)材料（如單晶硅、多晶金屬）、非晶態(tài)材料（如金屬玻璃、聚合物）和納米材料（如碳納米管、量子點）。按微觀結(jié)構(gòu)分類原子核外電子排布化學(xué)鍵類型闡述泡利不相容原理、洪德規(guī)則和能量最低原理，解釋元素周期表中主族與過渡金屬的電子構(gòu)型差異及其對材料性能的影響。包括離子鍵（如NaCl中Na?與Cl?的靜電作用）、共價鍵（如金剛石中碳原子的sp3雜化）、金屬鍵（如銅中自由電子云）和范德華力（如高分子鏈間的弱相互作用）。原子結(jié)構(gòu)與鍵合原理鍵能與材料性質(zhì)分析鍵能對熔點（如共價鍵金剛石＞金屬鍵鎢）、硬度（離子鍵陶瓷＞金屬鍵鋁）和導(dǎo)電性（金屬鍵＞共價鍵半導(dǎo)體）的直接影響。雜化軌道理論以sp3（甲烷）、sp2（石墨烯）和sp（乙炔）為例，說明雜化方式如何決定材料的空間結(jié)構(gòu)與性能。包括空位（肖特基缺陷）、間隙原子（弗蘭克爾缺陷）和置換原子（如合金中的溶質(zhì)原子），討論其對擴散速率和導(dǎo)電性的影響。位錯（刃位錯、螺位錯）對金屬塑性變形的貢獻，以及晶界、相界對材料強度和耐腐蝕性的調(diào)控機制。以Fe-C相圖為例，解釋共晶反應(yīng)（如鑄鐵中萊氏體形成）、包晶反應(yīng)（如鋼中奧氏體轉(zhuǎn)變）和固溶體（如銅鎳合金）的相變規(guī)律。通過Al-Si相圖說明共晶成分（硅鋁合金）的鑄造性能，或利用Ti-Al相圖設(shè)計高溫鈦鋁合金的熱處理工藝。晶體缺陷與相圖點缺陷類型線缺陷與面缺陷二元相圖分析相圖應(yīng)用實例材料性能與測試03力學(xué)性能分析方法拉伸試驗與應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析通過標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗測定材料的彈性模量、屈服強度、抗拉強度和斷裂延伸率，結(jié)合應(yīng)力-應(yīng)變曲線評估材料的塑性變形能力和韌性。硬度測試技術(shù)采用布氏、洛氏、維氏等硬度測試方法，量化材料表面抵抗局部變形的能力，為材料選擇和應(yīng)用提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。沖擊韌性測試通過夏比或伊佐德沖擊試驗，測量材料在動態(tài)載荷下的能量吸收能力，評估其抗脆斷性能及低溫適用性。疲勞性能測試?yán)醚h(huán)載荷實驗分析材料在交變應(yīng)力下的壽命和裂紋擴展行為，為工程部件的耐久性設(shè)計提供依據(jù)。熱學(xué)與電學(xué)特性熱膨脹系數(shù)測定通過熱機械分析儀（TMA）測量材料在溫度變化下的尺寸穩(wěn)定性，為高溫應(yīng)用場景提供關(guān)鍵參數(shù)。導(dǎo)熱性能測試采用激光閃射法或穩(wěn)態(tài)熱流法，量化材料的導(dǎo)熱系數(shù)，指導(dǎo)散熱材料的設(shè)計與優(yōu)化。電阻率與導(dǎo)電性分析利用四探針法或霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)，評估金屬、半導(dǎo)體及復(fù)合材料的電導(dǎo)率，支撐電子器件選材。介電性能表征通過介電譜儀測量材料的介電常數(shù)和損耗因子，分析其在電容器、絕緣體等場景中的適用性。腐蝕與磨損行為通過極化曲線和電化學(xué)阻抗譜（EIS）研究材料在電解質(zhì)中的腐蝕速率與機理，優(yōu)化防腐涂層設(shè)計。電化學(xué)腐蝕測試模擬海洋或工業(yè)環(huán)境，評估材料在長期暴露下的耐蝕性能，篩選抗腐蝕合金或防護方案。利用球-盤或銷-盤磨損試驗機，量化材料在干摩擦或潤滑條件下的磨損率，指導(dǎo)耐磨材料開發(fā)。結(jié)合掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS），分析磨損或腐蝕后的表面微觀結(jié)構(gòu)變化，揭示失效根源。摩擦磨損實驗鹽霧試驗與自然環(huán)境暴露表面形貌與失效分析材料加工技術(shù)04通過木質(zhì)或金屬模具在型砂中形成空腔，注入熔融金屬后冷卻成型，適用于復(fù)雜形狀零件的大批量生產(chǎn)，但表面粗糙度較高且精度受限。砂型鑄造通過高壓迫使材料通過特定截面模具，形成長條形產(chǎn)品（如鋁型材），具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高的特點，但模具成本較高。擠壓成型將金屬粉末與粘結(jié)劑混合后注射到模具中，經(jīng)脫脂和燒結(jié)獲得高精度小型零件，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械和電子元件制造。金屬注射成型（MIM）采用逐層堆積技術(shù)直接成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)，支持個性化定制和輕量化設(shè)計，但材料選擇和力學(xué)性能仍需進一步優(yōu)化。3D打印增材制造鑄造與成型工藝熱處理流程高溫快速冷卻（淬火）獲得馬氏體提高硬度，后續(xù)中溫回火平衡韌性與強度，是工具鋼和齒輪制造的核心工藝。淬火與回火滲碳處理時效硬化通過緩慢加熱和冷卻消除材料內(nèi)應(yīng)力，改善晶粒結(jié)構(gòu)以提升塑性，常用于冷加工后的金屬軟化或鑄件均勻化處理。在富碳環(huán)境中加熱低碳鋼表面，形成高碳層以增強耐磨性，同時保持芯部韌性，適用于汽車齒輪和軸承部件。鋁合金或沉淀硬化不銹鋼經(jīng)固溶處理后，在特定溫度下保溫析出強化相，顯著提升材料強度和耐腐蝕性能。退火工藝等離子噴涂利用高溫等離子體將涂層材料熔化并高速噴射到基體表面，形成耐磨、耐高溫或絕緣層，常用于航空發(fā)動機葉片防護。化學(xué)氣相沉積（CVD）通過氣相化學(xué)反應(yīng)在基材表面生成致密薄膜（如金剛石涂層），適用于切削工具和半導(dǎo)體器件的性能提升。激光熔覆高能激光束熔化合金粉末并在基體表面形成冶金結(jié)合層，可修復(fù)磨損零件并賦予其抗腐蝕、抗疲勞特性。陽極氧化鋁及其合金在電解液中通過電化學(xué)反應(yīng)生成多孔氧化膜，經(jīng)封孔處理后顯著提高表面硬度和耐候性，廣泛用于建筑幕墻和電子產(chǎn)品外殼。表面改性技術(shù)材料應(yīng)用領(lǐng)域05工程結(jié)構(gòu)材料案例高強度合金鋼廣泛應(yīng)用于橋梁、高層建筑及重型機械制造，具備優(yōu)異的抗拉強度與耐疲勞性能，可承受極端載荷與環(huán)境條件。碳纖維復(fù)合材料用于航空航天器部件與高性能汽車車身，兼具輕量化與高強度特性，顯著提升能源效率與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。預(yù)應(yīng)力混凝土通過內(nèi)部鋼筋預(yù)加應(yīng)力提升抗裂性與承載能力，是大型基礎(chǔ)設(shè)施如大壩、核電站的核心建筑材料。半導(dǎo)體硅晶圓作為集成電路基板材料，其純度與晶體結(jié)構(gòu)直接影響芯片性能，是微電子工業(yè)的基礎(chǔ)性材料。透明導(dǎo)電氧化物（如ITO）用于觸摸屏與太陽能電池電極，平衡高透光率與導(dǎo)電性，推動柔性顯示技術(shù)發(fā)展。光子晶體光纖通過周期性折射率設(shè)計控制光傳輸路徑，在光纖通信與激光器中實現(xiàn)低損耗、高帶寬信號傳導(dǎo)。電子與光學(xué)材料應(yīng)用具有生物相容性與耐腐蝕性，用于髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，顯著改善患者運動功能與使用壽命。鈦合金人工關(guān)節(jié)在術(shù)后傷口愈合過程中逐步分解為乳酸，避免二次拆除手術(shù)，適用于內(nèi)臟與表皮縫合?？山到饩廴樗峥p合線模擬天然骨成分，促進骨細(xì)胞附著與生長，用于牙槽骨缺損修復(fù)與骨折固定支架。羥基磷灰石骨修復(fù)材料生物醫(yī)用材料實例課程評估與資源06理論考試占比與形式實驗部分占總成績的30%，評分依據(jù)包括實驗設(shè)計合理性、操作規(guī)范性、數(shù)據(jù)記錄完整性及報告分析深度，強調(diào)安全意識和團隊協(xié)作能力。實驗操作評分細(xì)則課堂參與與作業(yè)質(zhì)量課堂討論、小組匯報及平時作業(yè)共占10%，要求按時提交作業(yè)并積極參與專題研討，內(nèi)容需體現(xiàn)獨立思考與文獻查閱能力。理論考試占總成績的60%，采用閉卷形式，涵蓋材料科學(xué)基礎(chǔ)理論、計算題及案例分析題，重點考察學(xué)生對晶體結(jié)構(gòu)、相變規(guī)律及材料性能的理解能力。考核方式與標(biāo)準(zhǔn)參考書目推薦010203經(jīng)典教材《材料科學(xué)基礎(chǔ)》系統(tǒng)介紹材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，涵蓋金屬、陶瓷、高分子及復(fù)合材料，每章附有習(xí)題與延伸閱讀建議，適合作為理論課程核心參考書。進階讀物《材料表征技術(shù)》詳細(xì)講解X射線衍射、電子顯微鏡、熱分析等現(xiàn)代材料測試方法，包含大量實際案例與儀器操作指南，適合實驗課程輔助學(xué)習(xí)。研究型專著《新型功能材料進展》聚焦納米材料、智能材料等前沿領(lǐng)域，提供最新研究成果與技術(shù)應(yīng)用場景，適合學(xué)有余力的學(xué)生拓展知識邊界。實驗設(shè)施指南材料制