《材料物理性能》课程教学大纲
一、课程名称（中英文）
中文名称：材料物理性能
英文名称：Properties of Material Physics
二、课程代码及性质
课程代码: 0801151
课程性质:学科专业基础课程, 必修课
三、学时与学分
总学时：32（理论学时：32学时；实践学时：0学时）
学分：2
四、先修课程
大学物理、材料科学基础、热处理原理与工艺
五、授课对象
本课程面向材料科学与工程专业、功能材料专业开设
六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）
本课程的教学目的:
1. 系统掌握材料物理性能方向的专业知识，具备应用这些知识分析、解决材料科学与工程专业中的功能材料选择和应用技术复杂问题的能力；
2. 掌握各种物理性能的本质，具备独立进行物理性能分析和测量的能力；
3. 理解不同类型物理性能与材料的不同层次的结构和组织之间的对应关系，具备基于材料成分、结构设计开发新型功能材料的能力；同时，具备基于材料物理性能的研究，实现对材料结构和相变（结构变化）的表征的能力；
4．了解功能材料及制备和应用技术的发展前沿，掌握其发展特点与动向。

七、教学重点与难点：
教学重点：
材料物理性能中的电学性能、介电性能、热学性能、光学性能和磁学性能基于材料成分、结构和组织微观本质。

教学难点：
材料物理性能中的电学性能、介电性能、热学性能、光学性能和磁学性能的微观机理和宏观性能内在联系的定量描述，以及各种性能之间的逻辑关系。

八、教学方法与手段：
教学方法：
(1)以课堂讲授为主,阐述该课程的基本内容,保证主要教学内容的完成;
(2)安排适量的课堂讨论环节,使学生通过课下的资料查阅而掌握基本的专业资料获取方法、途径、整理归纳和讲演能力。

教学手段：
(1)运用现代教学工具,在课堂上通过PPT讲授方式,实现图文并茂,形象直观;
(2)收集典型功能材料应用实物,在课堂上进行针对性讲授。

九、教学内容与学时安排
（1）总体安排
教学内容与学时的总体安排，如表2所示。

（2）具体内容
各章节的具体内容如下：
第一章材料物理性能概论(2学时)
1.1材料的分类
1.2材料物理性能本构关系
1.3材料物理性能的研究方法及描述
1.4数值分析方法在材料物理性能研究中的应用
1.5功能材料的性能、应用与发展
第二章材料的电学性能(6学时)
2.1 概念和原理
2.2 导体、绝缘体和半导体的能带
2.3 金属的导电性
2.4 离子导体
2.5 半导体的电学性能
2.6 超导电性
2.7 材料导电性的测量
2.8 材料的电阻分析
第三章材料的介电性能(8学时)
3.1 电介质及其极化
3.1.1 平板电容器
3.1.2 极化相关物理量
3.1.3 电介质极化的机制
3.1.4 宏观极化强度与微观极化率关系3.2 交变电场下的电介质
3.2.1 复介电常数和介质损耗
3.2.2 电介质弛豫和频率响应
3.2.3 介电损耗分析
3.3 电介质在电场中的破坏
3.3.1 介电强度和介电击穿
3.3.2 影响无机材料击穿强度的各种因素3.4 压电性能和热释电性能
3.4.1 压电性与材料结构关系
3.4.2 热释电性与材料结构关系
3.5 铁电性
3.5.1 铁电体的起源与晶体结构
3.5.2 铁电体的临界性能
3.5.3 压电、铁电材料及其应用
3.6 介电测量简介
第四章材料的热学性能(4学时)
4.1 材料的热学概念
4.2 材料的热焓和热容
4.3 材料的热膨胀
4.4 材料的热传导
4.5 材料的热电性
4.6 材料的热分析及其应用
第五章材料的光学性能(6学时)
5.1 光学性能概述
5.2 光的本性
5.3 介质对光的反射和折射
5.4 材料对光的吸收和色散
5.5 晶体的双折射和二向色性
5.6 介质的光散射
5.7 材料的光发射
5.8材料的受激辐射和激光
第六章材料的磁学性能(6学时)
6.1 材料的磁学性能与发展
6.2 磁性的宏观特征
6.3 抗磁性和顺磁性
6.4 磁性的物理本质
6.5 磁各向异性
6.6 磁致伸缩效应和磁弹性能
6.7 铁磁性与自发磁化
6.8 技术磁化和反磁化过程
6.9 动态磁化特性
6.10铁磁性材料
（3）各章节的课后思考题（作业）及讨论要求
思考题（课后作业）：
第1章思考题：
1.材料的分类方法有哪些?
2.如何描述材料物理性能的本构关系?
3.数值分析方法在研究材料物理性能中有何优势?
第2章思考题：
1．简述经典自由电子理论、量子自由电子理论和能带理论。

2．材料结构参数如何影响电子导电的电导率？
3．为什么金属的电阻温度系数是正的？
4．试说明用电阻法研究金属的晶体缺陷（冷加工或高温淬火）时为什么电阻测量要在低温下进行？
5．试基于一维晶体模型说明离子导导电的微观机理？
6．试推导离子电导与扩散系数之间的关系，并说明离子电导的影响因素。

7．什么是快离子导体？请举例说明快离子导体材料成分及结构特点。

8. 说明半导体少数载流子的行为。

9. 试推导半导体电阻率测量的四探针法原理。

10. 举例说明电阻法分析在材料研究中的应用。

第3章思考题：
1．什么是电介质?什么是电介质的极化？
2．试述电介质极化的微观机理有哪几种，及其材料的微观结构关系。

3．采用玻尔原子模型来分析电子位移极化率。

4．试述极化率、介电常数与频率的关系。

5．试推导克劳修斯-莫索蒂方程，并说明克劳修斯-莫索蒂方程的意义及其适用范围。

6．介电材料的类型有哪些？举例说明介电材料的典型应用。

7．什么是介质损耗？说明其产生的原因。

8．如何表征介电损耗？
9．试阐述德拜方程物理意义？
10．说明电介质在电场中的破坏形式及其原因。

11．以石英晶体为例，试说明压电现象产生及其对材料结构要求。

12．何谓热释电性效应，热释电性能对晶体结构有何要求？
13．试述铁电性、压电性和热释电性的关系。

第4章思考题：
1．试述固体热容理论的发展？
2．说明合金成分对热容的影响，材料的相变对热容有何影响？
3．试述差热分析(DTA)和差示扫描量热法(DSC)的原理及应用。

4．基于双原子模型，说明热膨胀性能的微观机制。

5．热膨胀系数与热容有何关系。

6．试分析热膨胀系数的影响因素。

7．如何用千分表简易测量热膨胀系数？
8．举例说明膨胀法在材料研究中的应用。

9．试举例说明膨胀合金典型应用。

第5章思考题：
1．电磁波的本质是什么？说明电磁波对视觉和光学仪器测量的作用。

2．材料折射率的影响因素？
3．说明光导纤维工作原理及其对材料和结构要求。

4．说明产生光吸收的原因。

什么是均匀吸收和选择吸收？
5．简要说明介质的光散射？
6．解释瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。

说明它们在材料分析中的应用。

第6章思考题：
1．什么是材料磁化现象，宏观上如何描述材料的磁性？
2．物质的磁性如何划分，一般分成几种？
3．试述材料抗磁性和顺磁性的物理本质。

4．何谓磁晶各向异性和各向异性能？
5．什么是铁磁性？铁磁性有什么特点？
6．说明铁磁体的形状各向异性。

7．什么是自发磁化？如何用量子力学解释材料的自发磁化？铁磁性产生的条件是什么？
8．以天然铁氧体（四氧化三铁）为例，试述亚铁磁性物质从成分和结构上有什么特点。

9．什么是技术磁化？分析材料的组织结构对技术磁化作用。

10．试分析影响金属及其合金铁磁性的因素？
11. 试说明如何基于材料磁性分析方法来研究过冷奥氏体的等温转变。

讨论（思考题及作业）要求：
1、每章节学习结束后，学生都要按上课教师的具体要求以书面的形式做一定数量的思考题，作为平时的作业成绩（按约10%计入课程总成绩）。

2、每位学生，根据自己的兴趣，完成1种典型功能材料应用原理和技术介绍，用PPT展示汇报（时间不超过10分钟），其它同学对该学生的汇报情况进行评价与交流。

汇报表现与成绩，按约10%计入课程总成绩。

十、教学参考书及文献
教学参考书：
1. 田莳编著.材料物理性能.北京：北京航空航天大学出版社.2004年4月第2版；
2. 陈树川、陈凌冰.材料物理性能.上海：上海交通大学出版社.1999年6月第1版.；
3.中国金属学会,中国有色金属学会. 金属材料物理性能手册,第一册金属物理性能及测试方法. 北京：冶金工业出版社. 1987年12月第1版；
4. 邱成军、王元化、王义杰主编.材料物理性能.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社. 2003年07月第1版；
课外文献阅读：
1、查阅《功能材料》和《太阳能》两本杂志。

2、浏览中国功能材料网
(/)；
十一、课程成绩评定与记载
1、课程考核及评价细则
课程考核及评价细则，详见表3。

2、终结性考试形式：
开卷，以卷面成绩的70%计入总成绩。

大纲制定：《材料物理性能》课程组（主笔：胡木林）
审核：材料科学与工程学院本科教学指导委员会
2015－12－10。