《新材料概論》課程教學大綱

《新材料概論》課程教學大綱一、課程名稱中文名稱：新材料概論英文名稱：IntroductiontoNewMaterials二、課程編碼及性質課程編碼：0801561課程性質：選修課三、學時與學分總學時：32學分：2.0四、先修課程工程材料、材料成形原理五、授課對象本課程面向材料成型及控制工程專業(yè)學生開設，也可以供材料科學與工程專業(yè)和電子封裝技術專業(yè)學生選修。六、課程教學目的本課程是材料加工工程本科專業(yè)的選修課程，其教學目的主要包括：1.對材料科學與工程建立整體與全貌的認識，了解現(xiàn)有材料的分類、特性、應用范圍及其與相關學科領域的關系，把握高技術新型先進材料的發(fā)展趨勢，拓展其知識結構，提高綜合科學素質；2.掌握各種新材料技術的工作原理、應用范圍和控制條件等，具備針對不同需求設計研發(fā)新材料的能力；3.掌握處理材料新問題的方法，開拓思路，啟發(fā)創(chuàng)新，具備分析問題和解決問題的能力，從而為其開發(fā)、利用復雜工程新材料打下堅實的基礎。表1課程目標對畢業(yè)要求的支撐關系畢業(yè)要求及其指標點本課程目標對畢業(yè)要求的支撐關系畢業(yè)要求指標點畢業(yè)要求1：工程知識能夠將數(shù)學、自然科學、工程基礎和專業(yè)知識用于解決復雜工程問題。1.1掌握了用于解決材料成型及控制工程復雜問題的數(shù)學基礎知識。1.2掌握了用于解決材料成型及控制工程復雜問題的物理、化學等自然科學基礎知識。1.3掌握了用于解決材料成型及控制工程復雜問題的工程力學基礎知識。1.4掌握了用于解決材料成型及控制工程復雜問題的工程檢測與控制基礎知識。1.5系統(tǒng)掌握了專業(yè)知識，能夠將所學知識用于解決材料成型及控制工程復雜問題。畢業(yè)要求2：問題分析能夠應用數(shù)學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復雜工程問題，以獲得有效結論。2.1能夠應用工程數(shù)學基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復雜工程問題，以獲得有效結論。如：復雜的模具設計。2.2能夠應用物理、化學基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復雜工程問題，獲得有效結論。如：物理綜合實驗。課程目標2、32.3能夠應用力學基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復雜工程問題，獲得有效結論。如：工程力學綜合實驗。2.4能夠應用工程科學基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復雜工程問題，獲得有效結論。如：工程控制實驗中的建模與分析。畢業(yè)要求3：設計/開發(fā)解決方案能夠設計針對復雜工程問題的解決方案，設計滿足特定需求的系統(tǒng)、單元（部件）或工藝流程，并能夠在設計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識，考慮法律、健康、安全、文化、社會以及環(huán)境等因素。3.1了解機械工程、材料成型及控制工程問題特征，掌握解決復雜工程問題的設計方法。3.2在考慮法律、健康、安全、文化、社會以及環(huán)境等制約因素的前提下，能夠設計（開發(fā)）針對復雜材料成型及控制工程問題的解決方案，具備設計（開發(fā)）滿足特定材料成型及控制工程需求的系統(tǒng)、單元（部件）或工藝流程的能力。3.3在設計（開發(fā)）過程中，具有追求材料成型及控制工程復雜問題創(chuàng)新解決的態(tài)度和意識，掌握了基本的創(chuàng)新方法，清楚創(chuàng)新方向及領域。畢業(yè)要求4：研究能夠基于科學原理并采用科學方法對復雜工程問題進行研究，包括設計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結論。4.1掌握材料熱加工成形原理及特點，能夠采用科學方法，具備合理設計材料成型及控制工程（模具）復雜實驗、開展科學研究的能力。4.2掌握材料成型及控制工程原理及主要工藝，能夠采用科學方法，正確構建并實施材料成型及控制工程綜合實驗，得出正確結果的能力。4.3能正確使用和處理實驗數(shù)據(jù)，通過信息綜合處理，具備對復雜的材料成型及控制工程實驗結果進行正確分析能力。4.4了解常見的材料成型及控制工程常用設備、實驗儀器及實驗方法，具備調控設備及儀器參數(shù)，進行測控和維護的能力。畢業(yè)要求5：使用現(xiàn)代工具能夠針對復雜工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當?shù)募夹g、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術工具，包括對復雜工程問題的預測與模擬，并能夠理解其局限性。5.1掌握文獻檢索、資料查詢、現(xiàn)代網(wǎng)絡搜索工具的使用方法。5.2了解材料成型及控制工程專業(yè)重要資料來源及獲取方法。課程目標1、2、35.3具備應用各類文獻、信息及資料進行復雜材料成型及控制工程實踐的能力。5.4掌握復雜材料成型及控制工程問題的預測與模擬方法，理解其局限性。畢業(yè)要求6：工程與社會能夠基于工程相關背景知識進行合理分析，評價專業(yè)工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應承擔的責任。6.1了解與工程相關的國家方針、政策與法律法規(guī)，能夠評價工程實踐對社會、健康、安全、法律以及文化的影響。6.2了解材料成型及控制工程專業(yè)特點及其對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，能夠正確評價復雜成型及控制工程問題解決方案的優(yōu)劣。6.3能正確認識材料成型及控制工程各種復雜工藝對于客觀世界和社會的影響，理解并能夠承擔的相應工程和社會責任。畢業(yè)要求7：環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展能夠理解和評價針對復雜工程問題的工程實踐對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響。7.1了解材料成型及控制工程的專業(yè)特征、學科前沿和發(fā)展趨勢，正確認識本專業(yè)對于社會發(fā)展的重要性。7.2能正確理解和評價材料成型及控制工程復雜問題實施對環(huán)境保護及社會可持續(xù)發(fā)展等的影響。7.3在解決復雜的材料成型及控制工程的實際問題中，能夠正確理解并考慮工程實踐對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響。畢業(yè)要求8：職業(yè)規(guī)范具有人文社會科學素養(yǎng)、社會責任感，能夠在工程實踐中理解并遵守工程職業(yè)道德和規(guī)范，履行責任。8.1具有人文社會科學素養(yǎng)，理解世界觀、人生觀的基本意義及其影響。8.2了解中國國情，理解中國可持續(xù)科學發(fā)展道路以及個人的做人規(guī)范，具有較高的社會責任感。8.3在工程實踐中，理解工程師的職業(yè)性質、職業(yè)責任,具備工程師的職業(yè)道德8.4具有健康的體質和良好的心理素質，能較好地履行責任。畢業(yè)要求9：個人和團隊能夠在多學科背景下的團隊中承擔個體、團隊成員以及負責人的角色。9.1具備較寬廣的本學科基礎知識和較高的個人素質，能夠在多學科背景下，承擔個人及團隊成員的作用。9.2具備良好的團隊協(xié)作精神，善于和團隊其它成員協(xié)作、互補、交往。9.3能夠承擔團隊負責人角色，具備綜合團隊成員意見和建議，進行合理決策之領導能力。畢業(yè)要求10：溝通能夠就復雜工程問題與業(yè)界同行及社會公眾進行有效溝通和交流，包括撰寫報告和設計文稿、陳述發(fā)言、清晰表達或回應指令。并具備一定的國際視野，能夠在跨文化背景下進行溝通和交流。10.1較好地掌握了一門外語，了解不同文化的差異，具有一定的跨文化交流能力。10.2了解本專業(yè)領域及其相關行業(yè)的國內(nèi)外的技術現(xiàn)狀，具有較強的業(yè)務溝通能力與競爭能力。10.3能夠應用現(xiàn)代工具撰寫報告、設計文稿、陳述發(fā)言、清晰表達或回應指令，就復雜的專業(yè)工程問題進行有效溝通和交流。課程目標1、2、3畢業(yè)要求11：項目管理理解并掌握工程管理原理與經(jīng)濟決策方法，并能在多學科環(huán)境中應用。11.1了解機械及材料工程管理和經(jīng)濟決策的基本知識，理解并掌握工程管理原理與經(jīng)濟決策方法。11.2具備應用工程管理和經(jīng)濟決策知識實踐的工作能力，具有一定的組織、管理及領導能力，能夠較好地通過口頭或書面方式表達自己的想法。11.3具有較強的綜合歸納能力，能在多學科環(huán)境中加于應用。畢業(yè)要求12：終身學習具有自主學習和終身學習的意識，有不斷學習和適應發(fā)展的能力。12.1對終身學習的重要性，有自覺的意識和正確的認識。課程目標112.2能夠采用合適的方法，自我學習、提高的能力。12.3能夠適應社會進步與發(fā)展，與時代同步。七、教學重點與難點教學重點：1）在系統(tǒng)了解常用金屬材料，以及初步了解高分子材料、陶瓷材料及復合材料的成分、結構、性能的基礎上，重點了解近些年來，現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中出現(xiàn)的一些新型材料，特別是非金屬材料的發(fā)展動態(tài)。2）由于新材料的形成往往伴隨著制備新工藝的發(fā)展而出現(xiàn)，因此，本課程也重點介紹了一些新材料的成形技術。3）在材料的開發(fā)中，高精分析技術是必不可少的研究手段，因此，本課程也重點介紹了一些新材料的分析技術。教學難點：1）本課程涉及面廣，從基礎理論和工業(yè)應用兩個方面對各種新材料的產(chǎn)業(yè)背景、研究開發(fā)歷史、研究現(xiàn)狀以及將來的發(fā)展趨勢進行綜合論述。本課程將通過指導學生查閱文獻和閱讀文獻的方式，要求其能對材料科學與工程能建立整體與全貌的認識；2）通過本課程學習，能把握高技術新型先進材料的發(fā)展趨勢，具備針對不同需求設計研發(fā)新材料的能力和分析問題、解決問題的能力。八、教學方法與手段（1）采用現(xiàn)代化教學方法（含PPT演示，設備照片，影像資料等），講授各種新材料的產(chǎn)業(yè)背景、研究開發(fā)歷史、研究現(xiàn)狀以及將來的發(fā)展趨勢以及材料的結構特點和應用，以提高教學效果及效率；（2）采用課堂教學與學生PPT匯報、交流討論等方式，進行課堂互動，吸引學生的注意力、激發(fā)學生的學習熱情，提高學生的學習效果。九、教學內(nèi)容與學時安排（1）總體安排教學內(nèi)容與學時的總體安排，如表2所示。表2基本教學內(nèi)容與學時安排序號課程內(nèi)容課堂（學習、討論）學時課外（準備、復試、實踐）學時1緒論42新型金屬材料43新型無機陶瓷材料64新型高分子材料45新型復合材料46納米材料47新材料的分析方法6（2）具體內(nèi)容各章節(jié)的具體內(nèi)容如下：第1章緒論（4學時）1.1材料及其分類1.2材料的結構及其性能1.3新材料在高新技術中的作用及發(fā)展第2章新型金屬材料（4學時）2.1功能材料的分類及特點2.2非晶態(tài)合金2.3超導材料2.4磁性材料2.5記憶合金2.6貯氫材料第3章新型無機陶瓷材料（6學時）3.1陶瓷材料的結構及性能3.2新型薄膜工藝3.3新型陶瓷工藝第4章新型高分子材料（4學時）4.1高分子材料的結構及性能4.2高分子工程材料4.3高分子功能材料第5章新型復合材料（4學時）5.1復合材料的結構及性能5.2新型金屬基復合材料5.3新型陶瓷基復合材料5.4新型高分子復合材料5.5功能梯度材料第6章納米材料（4學時）6.1納米材料的性質及基本理論6.2納米材料的制備6.3典型納米材料6.4納米材料的應用第7章新材料的分析方法(6學時)7.1材料化學成分分析方法7.2材料結構分析方法7.3材料顯微分析方法（3）各章節(jié)的課后思考題（作業(yè)）及討論要求思考題（課后作業(yè)）：第1章思考題：1、現(xiàn)代社會對新材料有哪些要求?2、簡述新材料今后的發(fā)展方向。第2章思考題：1、非晶態(tài)合金的微結構具有什么特征？非晶態(tài)合金的形成條件是什么？2、為了判斷制備的材料是否為非晶材料，可以采取哪些檢測方法？3、非晶態(tài)合金具有什么性能？其未來的研究方向有哪些？4、超導材料的三個臨界參數(shù)是什么？如何區(qū)分低溫超導與高溫超導？利用BCS理論解釋超導的微觀機制。5、試說明軟磁材料、硬磁材料的主要性能指標。6、試述主要軟磁材料和它們的應用。第3章思考題：1．常用的制備薄膜的工藝方法有哪些？2．真空是什么樣的狀態(tài)？真空環(huán)境有什么特點？3．熱蒸發(fā)鍍膜有哪些加熱方式？各有什么特點？4．濺射的基本原理是什么？5．射頻濺射為何能濺射沉積電介質薄膜？6．磁控濺射為何能實現(xiàn)薄膜的高速低溫沉積？7．離子束濺射有何特殊性？8．化學氣相沉積有何特點？9．PECVD為何能在較低的溫度下實現(xiàn)薄膜的沉積？第4章思考題：1、何謂高分子化合物？它與一般有機化合物有什么不同？2、聚合物的分子形狀及其特點是什么？3、高分子化合物是如何分類和命名的？4、談談非晶態(tài)高聚物的三態(tài)及其與之相適應的成形加工方法。5、液晶態(tài)的形成需要什么條件？按照相態(tài)結構液晶可以分為哪幾類？都有什么特點？第5章思考題：1、什么是復合材料？它是如何分類的？如何設計和制備復合材料？2、常用的增強材料有哪些類型？選擇增強材料的原則？3、什么是玻璃鋼？它的特點和主要應用？4、簡述復合材料的強韌化機理。5、為何要研究梯度復合材料？其有什么用途？第6章思考題：1、納米材料與納米技術的異同？它們對科技發(fā)展的作用？2、納米材料與常規(guī)尺寸材料物理化學性質有那些主要區(qū)別？3、舉實例介紹下列納米材料常用合成技術的化學原理、合成哪些類型（形貌、化學組成）的納米材料有何優(yōu)缺點等。1）溶膠-凝膠（sol-gel）法2）化學氣相沉積法(CVD)3）超聲波化學沉淀法4）固相化學反應法5）熱化學沉淀法6）熱化學分解法7）高能球磨法8）模板技術、分子自組裝技術4、詳細描述納米粒子的一種制備方法和一種應用。5、納米材料有哪些危害？第7章思考題：1、X射線衍射峰包含哪些信息？2、掃描隧道顯微鏡與掃描電鏡之間的原理區(qū)別是什么？3、普通光學顯微鏡與電子顯微鏡之間有何異同？4、簡述拉曼散射的原理和主要應用？5、簡述熱分析的定義和內(nèi)涵，以及熱分析技術在材料研究中的應用。討論（思考題及作業(yè)）要求：1、每章節(jié)學習結束后，學生都要按上課教師的具體要求以書面的形式做一定數(shù)量的思考題，作為平時的作業(yè)成績（按約10%計入課程總成績）。2、每位學生，根據(jù)自己的興趣，對一種新材料或新技術進行介紹，用PPT展示匯報（時間不超過10分鐘），其它同學對該學生的匯報情況進行評價與交流。匯報表現(xiàn)與成績，按約10%計入課程總成績。十、教學參考書及文獻1、《工程材料及應用》，華中科技大學出版社，2002年，周鳳云編；2、《新材料概論》，冶金工業(yè)出版社，2004年，譚毅等編；3、《新材料概論》，科學出版社，2003年，陳光等編；4、《材料科學基礎》，清華