材料科学导论章节备课教案

材料科学导论Introduction of Materials Science课程代码：01110610 学分：1.5总学时：32学时讲课学时：28学时实验学时：4 学时课程性质：专业基础课适用专业：材料物理、材料化学先修课程：高等数学（上、下）、工程化学、物理化学B、工程力学B，08100011/08100021/ 08100200/ 08110422/ 08100192开课学期：第五学期其他：学位课一、课程性质及作用本课程是材料物理与化学专业的专业基础课，是研究材料的化学成分、加工过程与其组织、结构变化与性能之间关系、原理及其变化规律的一门学科。

本课程从材料内部的微观结构出发，研究材料微观原子键合、聚集行为，晶体结构特点，以及不完整晶体的缺陷类型及其规律特性（位错），具体到材料类领域主要的概念、结论和规律。

让学生理解并掌握不同原子键合原理、特点，理解空间点阵、晶胞等晶体学基础概念，理解典型金属晶体结构及其参数，在此基础上，了解离子晶体、共价键晶体、晶态高分子的典型结构特点；主要讨论并理解基体缺陷的类型、产生、运动及其相互作用，了解其对于晶体组织和性能有关影响。

为学习后续专业课程奠定坚实的理论基础。

二、本课程与其它有关课程的联系学习本课程前，学生应先修先修高等数学（上、下）、工程化学、物理化学B、工程力学B等基础课，并安排一次认识实习、金工实习，以增加感性认识。

学生通过对本课程的学习，将为学习扩散与相变，材料物理性能，材料化学等其他专业课程打下坚实的基础。

三、课程内容及课时安排绪论(2学时)材料在国民经济中的地位和作用；工程材料及其分类；材料科学的研究内容与任务；学习本课程的目的和方法。

第一章原子结构与键合(4学时) 1、原子结构物质的组成、原子的结构、原子的电子结构、元素周期表2、原子间的键合金属键、离子键、共价键、范德华力、氢键第二章固体结构(14学时)1、晶体学基础晶体的特性、空间点阵和晶胞、晶体、晶系与布拉菲格子、晶面指数和晶向指数、晶带定理、晶面间距、晶面夹角2、金属的晶体结构三种典型的金属晶体结构（面心立方、体心立方和密排立方）、晶胞、晶胞中原子数、原子半径、配位数、致密度、晶体中原子的堆垛方式、晶体中间隙、亚晶体的晶体结构、多晶型性a)合金相结构固溶体的概念及分类、置换固溶体、间隙固溶体、形成无限固溶体的条件、中间相的结构特征及分类、正常价化合物、电子化合物、间隙相与间隙化合物、拓扑密堆相b)离子晶体结构（离子晶体的结构规则）c)共价晶体结构第三章晶体缺陷(12学时)1、点缺陷形成、平衡浓度、及其运动2、线缺陷位错、位错的基本类型和特征、柏氏矢量、位错的运动、位错的弹性性质、位错的生成和增殖、全位错、不全位错、位错的反应及其条件3、面缺陷（表面及界面）外表面、晶界与亚晶界、孪晶界、相界四、实验、作业、辅导、考核等教学环节的要求1、实验内容实验一典型晶体结构钢球堆垛模型分析（2学时）实验二位错蚀坑的观察（2学时）2、作业与辅导每章节应布置一次作业，同时每周进行一次课程答疑3、考核总成绩= 期终×80% + 平时×10% + 实验×10%五、执行大纲时应注意的问题1、本课程的主线为材料性能与成分、组织结构之间关系、变化规律及其原理。

全书以晶体学为基础，位错理论是主要组成部分；2、内容处理应注意讲清概念、注意理论联系实际；3、此大纲为指导性建议，教师应结合新工艺、新技术、新材料适当补充和调整授课内容和重点。

六、参考教材1、《材料科学基础》马泗春主编陕西科学技术出版社1998年3月2、《材料科学基础》胡赓祥主编上海交通大学出版社2000年7月3、《金属学原理》侯增寿主编上海科技出版社1990年7月4、《材料科学基础》胡赓祥，蔡珣主编上海交通大学出版社2000年2月西安理工大学教案()()西安理工大学教案(章节备课)备注参考习题分子，原子；主量子数n，轨道角动量量子数l，磁量子数m，自旋角动量量子数s；能量最低原理，Pauli不相容原理，Hund规则；元素，元素周期表，周期，族；金属键、离子键、共价键、范德华力、氢键、；高分子链，近程结构，结构单元，链段、链节、柔顺性、单键内旋转；全同立构、间同立构、无规立构，顺式、反式构型；远程结构、数均、重均相对分子质量，聚合度。

2.原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？3.在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？4.在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？性质如何递变？5.何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？6.铬的原子序数为24，它共有四种同位素：4.31%的Cr原子含有26个中子，83.76%含有28个中子，9.55%含有29个中子，且2.38%含有30个中子。

试求铬的相对原子质量。

7.铜的原子序数为29，相对原子质量为63.54，它共有两种同位素Cu63和Cu65，试求两种铜的同位素之含量百分比。

8.锡的原子序数为50，除了4f亚层之外其它内部电子亚层均已填满。

试从原子结构角度来确定锡的价电子数。

9.铂的原子序数为78，它在5d亚层中只有9个电子，并且在5f层中没有电子，请问在Pt的6s亚层中有几个电子？10.已知某元素原子序数为32，根据原子的电子结构知识，试指出它属于哪个周期？哪个族？并判断其金属性强弱。

11.原子间的结合键共有几种？各自特点如何？12.图中绘出三类材料—金属、离子晶体和高分子材料之能量与距离关系曲线，试指出它们各代表何种材料。

13.高分子链结构分为近程结构和远程结构。

他们各自包括内容是什么？14.有机化合物，其组成的w(C)为62.1%，w(H)为10.3%，w(O)为27.6%。

试推断其化合物名称。

15.高分子材料相对分子质量具有多分散性。

表中为聚乙烯相对分子质量分布表试计算该材料的数均相对分子质量，重均相对分子质量以及数均聚合度n。

第一章内容复习物质是由原子组成的，而原子是由位于原子中心的带正电的原子核和核外高速旋转带负电的电子所构成的。

在材料科学中，一般人们最关心的是原子结构中的电子结构。

电子在核外空间作高速旋转运动，就好像带负电荷的云雾笼罩在原子核周围，故形象地称它为电子云。

电子既具有粒子性又具有波动性，即具有二象性。

电子运动没有固定的轨道，但可根据电子的能量高低，用统计方法判断其在核外空间某一区域内出现的几率的大小。

根据量子力学理论，电子的状态是用波函数来描述的，原子中的一个电子的空间位置和能量可用四个量子数表示：(1)主量子数n：决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即表示电子所处的量子壳层；(2)轨道角动量量子数li：给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层）；(3)磁量子数mi：给出每个轨道角动量数的能级数或轨道数；(4)自旋角动量量子数si：反映电子不同的自旋方向；至于在多电子的原子中，核外电子的排布规律则遵循以下三个原则：(1)能量最低原理：电子的排布总是先占据能量最低的内层，再由里向外进入能量较高的壳层，以尽可能使体系的能量最低；(2)Pauli不相容原理：在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子；(3)Hund规则：在同一亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋的方向相同。

当电子排布为全充满、半充满或全空时，是比较稳定的，整个原子的能量最低；元素周期表反映了元素的外层电子结构随着原子序数（核中带正电荷的质子数）的递增呈周期性的变化规律。

可根据元素在周期表中的位置，推断它的原子结构和一定的性质。

原子与原子之间是依靠结合键聚集在一起的。

由于原子间结合键不同，故可将材料分为金属、无机非金属和高分子材料。

原子的电子结构决定了原子键合的本身，原子间的结合键可分为化学键和物理键两大类。

化学键即主价键，它包括金属键、离子键和共价键三种：(1)金属键：绝大多数金属均为金属键方式结合，它的基本特点是电子的共有化；(2)离子键：大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键方式结合，这种键的基本特点是以离子而不是以原子为结合单位；(3)共价键：在亚金属（C、Si、Sn、Ge等）、聚合物和无机非金属材料中共价键占有重要地位，它的主要特点共用电子对。

物理键为次价键，亦称范德华力，在高分子材料中占着重要作用。

它是借助瞬时的、微弱的电偶极矩的感应作用将原子或分子结合在一起的键合。

它包括静电力、诱导力和色散力。

此外还有一种氢键，它是一种极性分子键，存在于HF、H2O、NH3等分子间。

其结合键能介于化学键与物理键之间。

由于高分子材料的相对分子质量可高达几十万甚至上百万，所包含的结构单元可能不止一种，每一种结构单元又具有不同构型，而且结构单元之间可能有不同键接方式与序列，故高分子的结构相当复杂。

高分子结构包括高分子键结构和聚集态结构两方面。

键结构又分近程结构和远程结构。

近程结构属于化学结构，又称一次结构，是指大分子链中原子的类型和排列，结构单元的键接顺序、支化、交联以及取代基在空间的排布规律等。

远程结构又称二次结构，是指高分子的大小与形态，键的柔顺性及分子在各种环境中所采取的构象。

重点与难点*1.描述原子中电子的空间位置和能量的四个量子数；*2.核外电子排布遵循的原则;*3.元素性质、原子结构和该元素在周期表中的位置三者之间的关系；*4.原子间结合键分类及其特点；*5.高分子链的近程和远程结构。

西安理工大学教案(章节备课)备注参考习题、基本概念：晶体，非晶体；晶体结构，空间点阵，阵点，晶胞，7个晶系，14种布拉菲点阵；晶向指数，晶面指数，晶向族，晶面族，晶带轴，晶面间距；面心立方，体心立方，密排立方，多晶型性，同素异构体；点阵常数，晶胞原子数，配位数，致密度，四面体间隙，八面体间隙；合金，相，固溶体，中间相，短程有序参数a，长程有序参数S；置换固溶体，间隙固溶体，有限固溶体，无限固溶体，无序固溶体，有序固溶体；正常价化合物，电子化合物，电子浓度，间隙相，间隙化合物，拓扑密堆相；离子晶体，NaCl型结构，闪锌矿型结构，纤锌矿型结构，硅酸盐[SiO4]4-四面体；共价晶体，金刚石结构；聚集态结构，球晶，缨状微束模型，折叠链模型，伸直链模型；玻璃，玻璃化转变温度2、已知纯钛有两种同素异构体，低温稳定的密排六方结构和高温稳定的体心立方结构，其同素异构转变温度为882.5℃，计算纯钛在室温（20℃）和900℃时晶体中（112）和（001）的晶面间距（已知a a20℃=0.2951nm,c a20℃=0.4679nm,aβ900℃=0.3307nm）。

3、Mn的同素异构体有一为立方结构，其晶格常数为0.632nm，ρ为7.26g/cm3，r为0.112nm，问Mn晶胞中有几个原子，其致密度为多少？4、铯与氯的离子半径分别为0.167nm，0.181nm,试问a)在氯化铯内离子在<100>或<111>方向是否相接触？b)每个单位晶胞内有几个离子？c)各离子的配位数是多少？d)ρ和K？5、金刚石为碳的一种晶体结构，其晶格常数a=0.357nm，当它转换成石墨(=2.25g/cm3)结构时，求其体积改变百分数？6、为什么密排六方结构不能称作为一种空间点阵？7 标出面心立方晶胞中（111）面上各点的坐标，并判断是否位于(111)面上，然后计算方向上的线密度。