材料与纳米科学技术.pdf
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《材料与纳米科学技术》课程教学大纲 一、课程基本信息 1. 上课学期：第二学期 2. 课程性质：必修 3. 学时/学分：72 学时/ 4.5 学分 4. 先修课程：无 二、课程教学内容和要求 MNS101 本课程主要介绍材料的分类，原子结构与原子排列，缺陷等，在此基础上掌握材料 的力学、电学等性能，熟悉陶瓷材料和高分子材料等的结构、性质以及在不同领域的应用。 总学时：32 学时 序号 1 2 3 4 知识单元 知识点 （章节） 材料科学 概论 原子与电 子结构 原子与离 子排列 材料中的 缺陷 推荐学时 1. 2. 3. 4. 5. 材料的组成与分类 材料的功能性分类 材料的结构 环境及其他因素对材料的影响 材料的设计与选择 2 1. 2. 3. 4. 5. 6. 原子的结构 电子结构 原子稳定性、电负性和元素周期表 成键 结合能与原子间隙 碳材料 6 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 短程有序和长程有序 非晶态材料 晶格、晶胞和晶体结构 晶胞中的点、线和面 间隙格位 离子化合物的晶体结构 共价结构 晶体结构与衍射分析 6 1. 2. 3. 4. 5. 点缺陷 位错 Schmid 法则 滑移 面缺陷 4 5 6 7 8 材料的力 学性能 陶瓷材料 高分子材 料 材料的电 学性能 1. 2. 3. 4. 5. 弹性应变、杨氏模量、剪切模量 塑性应变、弹体、粘弹体等 拉伸试验应力与应变关系 温度对屈服强度、延展性的影响 材料应变率和冲击性能 2 1. 2. 3. 4. 5. 陶瓷材料化学键特点和物理性能 陶瓷晶体结构 孔隙率 硅基陶瓷材料 水泥、涂层、纤维等其他常见陶瓷材料 4 1. 2. 3. 4. 5. 高分子材料的分类 加聚与缩聚反应 聚合度 共聚物和液晶 热塑性高分子材料的结构与性质 4 1. 2. 3. 4. 5. 欧姆定律与电导性 固体能带结构 电子迁移率与电导率 本征与掺杂半导体 温度对半导体载流子浓度的影响 4 MNS102 本课程主要介绍材料与纳米科技的背景知识；纳米材料的制备技术；纳米材料的结 构与成分表征技术和材料的光学、热学、电学、磁学等性能的测试技术，纳米器件的设计与制造等。 同时重点讲解材料的应力与相关加工处理技术以及复合材料的性能特点。课程重点和难点在纳米材 料的制备以及结构与性能的测试与表征技术。 总学时：40 学时 序号 1 知识单元 （章节） 知识点 推荐 学时 纳米材料概论 1. 纳米科技的特殊现象 2. 结构-性能的关系 3. 纳米颗粒和纳米薄膜 4. 沸石、树枝状聚合物和碳纳米材料 5. 纳米粒子的量子限域效应 6 1. 湿化学法（液相法）：沉淀法，溶胶 凝胶法，水热法，电化学法，模板法， 种晶层法和催化法等 2. 干化学法（固相法和气相法）：固相 合成，化学气相沉积，物理气相沉积 （包括磁控溅射法，电子束蒸镀法，脉 冲激光蒸镀法），分子束外延法等 3. 分子自组装技术 6 1. X-射线衍射法 2. 透射电镜和电子衍射 3. 扫描电镜和 X-射线能谱分析 4. 扫描隧道显微分析 5. 原子力显微分析 6 1. 2 纳米材料的制备技术 2. 3. 3 结构鉴定技术 1. 1. 光谱分析：吸收率与透过率，红外光 谱，拉曼光谱，紫外吸收光谱和光致发 光 2. 2. X 射线光电子能谱分析：光电效应， 爱因斯坦方程，电子能带结构 3. 3. 二次离子质谱分析：静态和动态 SIMS 4 成分测定技术 5 1. 2. 纳米材料的性能表征技术3. 4. 5. 6 7 1. 电学性能 2. 热学性能 3. 磁学性能 4. 力学性能 5. 光学性能 6 6 应力硬化与退火 1. 1. 应力应变曲线 2. 2. 冷变形量 3. 3. 微结构、织构强化与残余应力 4. 4. 退火和热处理 6 复合材料 1. 1. 弥散强化复合材料 2. 2. 增强纤维复合材料 3. 3. 杨氏模量与弹性 4. 4. 层状复合材料 5. 5. 复合材料夹层结构 4 三、建议教材及教学参考书 [1] The Science and Engineering of Materials, 7th Edition, Donald R. Askeland, Wendelin J. Wright., 2016. [2] Essentials of Materials Science and Engineering 3rd Edition, Donald R. Askeland, Wendelin J. Wright. CL Engineering, 2013. [3] Zero-dimensional, one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional nanostructured materials for advanced electrochemical energy devices, Jitendra N. Tiwari, Rajanish N. Tiwari, Kwang S. Kim, Progress in Materials Science, 2012, 57: 724–803. [4] Chemical Hazards of Nanoparticles to Human and Environment (A Review), Fozia Haque Khan, Oriental Journal of Chemistry, 2013, 29 (4): 1399-1408