2014年秋季材料物理性能课程设计指导书

材料物理性能课程设计指导书
2014年秋季学期 12级材料物理专业
一、课程设计的目的与要求
材料物理性能课程设计是《材料物理性能》课程中的一个实践性教学环节，也是一次对学生进行比较全面的材料设计的训练。

其目的是：
1、要求学生综合应用《材料物理性能》及相关课程的基本知识来解决实际中材料的具体设计问题，以进一步巩固和深化所学的课程知识。

2、学生进行一次较为完整的材料设计的实际训练，使学生初步掌握材料设计的内容、步骤和基本方法，进一步提高学生的材料设计能力和独立工作能力，为综合实验、毕业设计奠定基础。

3、增强理论联系实际的能力，提高学生应用计算机能力和查阅文献资料的能力。

4、培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的学习态度和严谨求实的工作作风。

二、课程设计的内容及完成步骤
材料物理性能课程设计是在材料性能的理论分析基础上，进行材料的制备与测试方案设计。

能从决定材料物理性能的本质出发，综合考虑影响材料物理性能的因素，制定相应的制备和测试方案。

要熟知材料的性能是材料设计的目的，物理本质是设计的原理，制备是实现的手段，测试是对设计目的的检验。

材料的物理性能包括力学性能、热学性能、电学性能、磁学性能、光学性能。

而电、磁、光性能是功能材料的重要性质，也是专业的重点，因此课程设计也主要设计这三大类材料，具体如下。

1、透明导电薄膜材料设计
性能要求：可见光透明率、导电率（方阻）。

材料：二元氧化物，三元氧化物。

2、铁电（薄膜、粉体）材料设计
性能要求：铁电性（电滞回线）。

材料：钛酸盐、铌酸盐、钽酸盐等。

3、超导（薄膜、粉体）材料设计
性能要求：超导电性（临界温度、临界磁场、临界电流）。

材料：钛酸盐、铌酸盐、钽酸盐等。

4、低辐射薄膜材料（器件）设计
性能要求：高红外光反射，高透光率。

材料：Ag系等。

5、磁性（薄膜、粉体）材料设计
性能要求：（亚）铁磁性（磁滞回线）。

材料：金属（合金），铁氧体。

6、光催化（薄膜、粉体）材料设计
性能要求：光照波长，光催化效率。

材料：半导体材料（n、p型）。

7、三基色荧光粉材料设计
性能要求：激发波长，发射波长（红、绿、蓝），发光强度，发光寿命。

材料：基质（钒酸盐、硅酸盐、钛酸盐、磷酸盐、铝酸盐等）；
激活中心（稀土离子、过渡族金属离子等）。

8、白光LED用荧光粉材料设计
性能要求：激发波长，发射波长（白光、黄光），发光强度，发光寿命。

材料：基质（钒酸盐、硅酸盐、钛酸盐、磷酸盐、铝酸盐等）；
激活中心（稀土离子、过渡族金属离子）。

9、上转换发光材料设计
性能要求：激发波长，发射波长，发光强度，发光寿命等。

材料：基质（氟化物、氧化物、含硫化合物、氟氧化物、卤化物等）；激活中心（稀土离子）。

例：NaYF4: Er, Yb，镱铒双掺，Er作激活剂，Yb作为敏化剂。

10、电致变色薄膜材料设计
性能要求：着色颜色，着色前后的透光率，电压、电流、循环次数。

材料：无机和有机变色材料，无机的过渡族金属氧化物、导电离子等，如WO3、TiO2和NiO x；有机的如紫罗精类、聚苯胺、聚噻吩类及其衍生物、四硫富瓦烯、金属酞菁类化合物等。

11、光致变色材料设计
性能要求：着色颜色，着色前后的透光率，响应光波长，可逆转化的循环次数、热稳定性、抗疲劳性等。

材料：无机和有机变色材料，无机的过渡族金属氧化物、导电离子等，如WO3、TiO2、Nb2O5和NiO x；有机光致变色材料主要包括：①键的异裂，如螺毗喃、螺唔嗓等；②键的均裂，如六苯基双咪哇等；③电子转移互变异构，如水杨醛缩苯胺类化合物等；④顺反异构，如周蔡靛兰类染料、偶氮化合物等；⑤氧化还原反应，如稠环芳香化合物、哗嗓类等；⑥周环化反应，如俘精酸配类、二芳基乙烯类等。

12、薄膜太阳能电池设计
性能要求：转换效率、开路电压、短路电流及填充因子。

材料：硅基、Ⅲ-Ⅴ族化合物、CIGS化合物和CdTe化合物。

13、金属薄膜电极设计
性能要求：电阻率、厚度、抗化学腐蚀、抗氧化、电迁移。

材料：Al、Cu、Mo和Ni等。

14、气敏传感器设计（甲烷、丙烷、一氧化氮和一氧化碳等）
性能要求：灵敏度、响应速度及寿命。

材料：金属氧化物薄膜（SnO2、ZnO及ITO等）。

15、太阳能选择吸收层（光热转换吸收器）材料设计
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性能要求：可见光吸收率、热辐射及高温稳定性。

材料：多层膜型吸收层，如Al2O3/Mo/Al2O3（金属：Mo、W、Al、Hf和Ni等；介质：Al2O3、HfO2、SiO2,和AlN等）、金属-陶瓷复合膜等，如Mo-Al2O3等。

16、磁光存储器件材料设计
性能要求：磁转变温度、存储密度及克尔转角。

材料：Tb23Fe77、Gd21Fe79、Gd21Co79、Tb22Fe66Co12、Gd22Tb4Fe74及Gd16Tb6Co78等。

17、计算机硬盘读出磁头材料设计（巨磁阻材料应用）
性能要求：存储密度、写入道宽、读出道宽、磁电阻间隙及传感层厚度等。

材料：Fe/Cr等。

18、热障涂层设计
性能要求：具有良好的热阻隔能力。

19、光制氢材料设计
性能要求：能够实现光制氢功能，产额高。

完成材料设计的主要步骤如下：
第一，了解上述大类材料的定义，特点，以及在实际生产生活中的应用；
第二，熟悉该类材料的主要性能指标和相关物理量，掌握该类材料的设计目的，即要获取哪些重要的性能；
第三，掌握该类材料性能的物理本质和影响因素，了解具体材料所具有的物理、化学性质，基本结构和功能特性；
第四，了解各类材料，特别是粉体和薄膜材料常用的制备方法，包括每种方法的特点、制备过程以及重要的工艺参数等；
第五，了解材料常用的检测分析仪器的用途，特点以及检测要求和分析方法，并根据实际情况合理选取材料结构形貌分析仪器（XRD、SEM、TEM 等）和性能测试仪器。

本课程设计将以薄膜和粉体功能材料为对象，在教师的指导下，由学生自行选取一种具体材料和原料，并设计制备方案和性能测试方案，独立或合作完成设计内容，写出设计报告和总结。

本次课程设计按学号分组进行，每个题目为1个小组，每个小组由5名左右学生组成，并设组长1名。

小组内每个人选取的材料和制备方法不能相同。

三、课程设计的格式规范要求
1、课程设计报告由以下几部分构成：
①封面：（统一格式）；
②前言：大类材料介绍（定义，实际应用）。

③材料设计：
（1）设计目的：获得哪些性能。

（2）设计原理：大类材料性能的物理本质、影响因素；具体材料的物理化学性质，特点，微观结构，功能特性等。

④材料制备：
选择一种制备方法（制备方法的特点，采取的原料，简要制备过程或步骤，重要参数，热处理方式等）；
⑤材料测试：给出能表征出你的设计目的测试手段（方法、特点），并给出如何根据测试数据进行相关分析。

要有结构（XRD、SEM、TEM等）测试和性能测试。

⑥参考文献：书籍、科技文献资料。

⑦体会：感受、意见和建议。

参考文献的书写方式如下：
期刊：[序号]作者. 篇名[J]. 刊名，年，卷（期）：页码；
著作：[序号]作者. 书名[M]. 出版地：出版社，年，页码；
学位论文：[序号]作者.论文名[D].学校，年。

2、报告要求：
①统一课程设计（或课程实验）稿纸；
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②手写，严禁抄袭；
③参考文献近5年3篇以上，格式规范。

④最后一天答辩时交课程设计报告。

3、答辩要求：
①每个小组完成答辩PPT（演示文稿）一份；推选出代表进行5-10分钟
自述，介绍小组课程设计工作，完成问题回答。

②每个小组成员介绍个人的课程设计工作，完成问题回答。

③PPT要求：
（1）封面（题目，小组成员）；
（2）大类材料介绍；
（3）设计内容（具体材料、制备方法、测试方法）简介。

（4）简洁，清晰，浅背景，高对比；
（5）少文字，多图表，有条理。

4、时间安排：
课程设计共计2周，主要包含查阅资料、方案设计（材料制备、材料测试）、报告、答辩等环节。

各环节时间分配大致为：查阅材料2～3天，方案设计报告3～4天，答辩1天。

具体安排详见课程设计进度表。

四、考核
课程设计成绩按照平时、课程设计报告和答辩情况综合评定，最终以优、良、中、及格、不及格的形式给出。

总成绩= 平时（10%）+ 设计报告（70%）+ 答辩（20%）。

五、参考资料
1、《材料物理性能》第3版，邱成军等主编，哈尔滨：哈工大出版社，2009
2、《材料物理导论》，杨尚林等，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999
3、《材料物理性能》，陈文等，武汉：武汉理工大学出版社，2010
4、《材料物理性能》，吴其胜，上海：华东理工大学出版社，2006
5、《材料物理导论》，熊兆贤，北京：科技出版社，2001。