《无机材料物理性能》课程教学大纲

《无机材料物理性能》课程教学大纲

课程编号:15248000

课程名称：无机材料物理性能

英文名称：Physical Properties of Inorganic Materials

课程类型: □通识必修课□通识核心课□通识选修课□学科基础课□专业基础课☆专业必修课□专业选修课

总学时：70 讲课学时：64 实验学时：6

学分：4

适用对象: 无机非金属材料工程、材料科学与工程等专业本科生

先修课程：大学物理

一、课程性质、目的和任务

本课程是高等院校工科无机非金属材料专业主干课程之一，属专业必修课。通过本课程的教学，使学生熟悉材料物理性能，包括力学、热学、光学、电学、磁学等性能及应用。重点掌握各种重要性能的原理及微观机制，性能的测定方法以及控制和改善性能的措施，各种材料的结构与性能关系，各性能之间的相互制约与变化规律。通过本课程的学习，为判断材料优劣、正确选择和使用材料、改变材料性能、探索新材料、新性能、新工艺打下理论基础。

二、教学基本要求

掌握以下内容：各种材料性能的各类本征参数的物理意义和单位以及这些参数在解决实际问题中所处的地位；明确各类材料的性能与其组成、结构的关系；掌握这些性能参数的规律。

三、教学内容及要求

1.无机材料的受力形变

要求：掌握材料的弹性变形、塑性变形、高温蠕变及其它力学性能的理论描述、产生的原因、影响因素。

1.1 应力及应变：应力、应变

1.2 弹性形变：Hooke定律；弹性模量的影响因素、无机材料的弹性模量、复相的弹性模量、弹性形变的机理

1.3 材料的塑性形变：晶体滑移、塑性形变的位错运动理论

1.4 材料的高温蠕变：蠕变曲线、蠕变机理、影响蠕变的因素

2. 无机材料的脆性断裂与强度

要求：掌握断裂力学的原理，理论结合强度、应力场的分析，断裂的判据，应力场强度因子、平面应变断裂韧性、延性断裂、脆性断裂、沿晶断裂、静态疲劳、材料硬度的概念，了解断裂的原理，掌握断裂的判据，并根据此判据来分析提高材料强度及改进材料韧性的途径。

2.1 材料的断裂强度：理论断裂强度、Inglis 理论、Griffith微裂纹理论、、Orowan理论

2.2 材料的断裂韧性：裂纹扩展方式、裂纹尖端应力场分析、几何形状因子、断裂韧性、裂纹扩展的动力与阻力

2.3 裂纹的起源与扩展：裂纹的起源、裂纹的快速扩展、影响裂纹扩展的因素、材料的疲劳、应力腐蚀理论、高温下裂纹尖端的应力空腔作用、亚临界裂纹生长速率与应力场强度因子的关系、根据亚临界裂纹扩展预测材料寿命、蠕变断裂

2.4 显微结构对材料脆性断裂的影响：晶粒尺寸、气孔的影响

2.5 提高材料强度及改善脆性的途径：金属材料的强化、陶瓷材料的强化

2.6 复合材料：复合材料的分类、连续纤维单向强化复合材料的强度、短纤维单向强化复合材料

2.7 材料的硬度：硬度的表示方法、硬度的测量

3. 无机材料热性能

要求：掌握材料热容的各种理论，热膨胀的定义及其基本机理，热传导的宏观规律和微观机理，热稳定性的表示和抗热冲击断裂性能。掌握各种热应力断裂抵抗因子以及提高抗热冲击断裂性能的措施。

3.1 材料的热容：晶体固体热容的经验定律和经典理论，晶体固体热容的量子理论回顾，无机材料的热容。

3.2 材料的热膨胀：热膨胀系数、热膨胀机理、热膨胀和其他性能的关系、多晶体和复合材料的热膨胀。

3.3 材料的热传导：固体材料热传导的宏观规律，固体材料热传导的微观机理、影响热传导的因素、某些无机材料的热传导

3.4 材料的热稳定性：热稳定性的表示方法、热应力、抗热冲击断裂性能，抗热冲击损伤性、提高抗热冲击断裂性能的措施。

4 无机材料的电导

要求：掌握电子和离子两类载流子的不同特征，掌握掺杂、非化学计量缺陷对缺陷浓度对电性能的影响。熟悉半导体陶瓷、固体电解质等陶瓷材料在新能源、电子元器件等领域的应用

4.1 电导的基本性能：体积电阻和表面电阻，迁移率和电导率

4.2 离子电导：载流子浓度，离子电导率，固体电解质及其在新能源领域的应用

4.3 电子电导：载流子浓度与迁移率，晶格缺陷与电子电导

4.4 无机材料的电导：玻璃态电导，多晶多相固体材料的电导

4.5 半导体陶瓷：材料的半导化，表面效应与界面效应

5 无机材料介电性能

要求：掌握极化的相关概念，掌握提高材料介电常数的机理，掌握复介电常数的概念和介质损耗原因，掌握铁电陶瓷、压电陶瓷性能机理。

5.1 介质的极化：极化强度，宏观电场与局部电场，介电常数与极化率的关系，极化的微观机理，高介晶体的极化，陶瓷材料的极化

5.2 介质的损耗：介电损耗，介电损耗和频率、温度的关系，陶瓷材料的损耗

5.3 介电强度：介质在电场中的破坏，电击穿

5.4 铁电性：自发极化，铁电畴，电滞回线，铁电体的特性及应用

5.5 压电性：压电效应，压电方程，压电振子及其参数，压电材料及其应用

6 无机材料磁学性能

要求：掌握主要磁学物理性能参数的含义，掌握铁氧体呈现亚铁磁性的机理。了解磁性材料的相关应用。

6.1 磁性物理性能参数：磁矩和磁化强度，磁性的分类，磁畴的形成和磁滞回线

6.2 铁氧体结构及磁性：尖晶石型铁氧体，石榴石型铁氧体，磁铅石型铁氧体

7 无机材料光学性能

要求：掌握折射、色散和反射的概念、表示方法和应用；掌握介质对光吸收、散射和透过的一般规律，影响材料透光性的各种因素及提高材料透光性的措施；明确不透明性（乳浊）的概念、机理和应用；熟悉无机材料着色的机理和主要方法；了解荧光、远红外、非线性光学材料等方面的进展。

7.1 光在界面的反射和折射：光和介质相互作用，反射和折射，影响材料折射率的因素，反射率和透射率，介质的表面光泽

7.2 光的吸收、色散和散射：光的吸收、色散、光的散射

7.3 无机材料的透光性：透光性、乳浊性、半透明性

7.4 无机材料的颜色：着色剂、影响着色的因素

7.5 特种光学材料及应用：荧光材料、激光材料、光导纤维