《材料科学导论》课程

课程的重点、难点及解决办法
发布时间:2012-03-31 访问次数:

 

本课程的重点是通过系统的学习,使学生除了掌握五大基础材料的基础理论、基本方法和主要性能外,还要大致了解八类新材料的特点、特征和特性及其在高科技领域中的应用,为设计、研发、推广基础材料和新材料在国民经济各个领域中的应用提供重要的基础,并在创新能力和综合能力方面得到有效的训练和培养。

一般认为,材料科学是入门容易深入难。概念多、内容广、涉及面宽是其主要特点,而概念抽象、内容缺少连惯性、材料之间缺少必然联系是其另一重要特点,尤其是材料性能繁锁枯燥,缺乏理论依托,故学生在学习材料科学过程中普遍存在学得快、忘得快的现象,甚至不知学后究竟有何用。为了解决学生遇到的这些困惑,我们在讲解材料科学的各个知识点时尽量结合实际材料案例来分析和解释,尽量用通俗易懂的语言来解析复杂而难记的概念及理论。

首先, chuerials物质(matter)和材料(material) 既相似又有区别,一般易混淆。为了厘清它们的异同点,特以公众关心的空气质量颗粒物含量mq5formance实例,来诠释材料的基本特征及其PM2.5的检测为例,说明PM组合词中必须用matter而不用material的原因,强调物质可以是一种无形的东西,包括人眼看不见的东西;而生活中使用的各种材料,比如塑料要用plastic material而不能用plastic matter,这是因为材料强调的是有形的东西,二者区别就一目了然了。而且,学生从matterproperty的相互关系,就联想到物理、化学等基础课程学过的物质结构,自然延伸到material performance的相互关系,从理论上就认识到基础学科与材料科学的有机衔接,但又有内在的区别。

其次,材料品种繁多,基础材料如何分类是教学中必须澄清的一个重要的基本问题。国外近年出版的教科书都已经把基础材料分成五类,即金属、陶瓷、聚合物、复合材料和半导体,我国则仍然停留在前三类基础材料的介绍。显然,从化学角度采用原子键合方式定义前三类基础材料比较容易,也符合逻辑,但为了说明清楚后二类材料也应该划分为基础材料,特别以大家熟知的空中客车A380使用的一些复合材料结构以及微电子产品包括ipadiphone等的高密度硅芯片为例,解释这二类材料是面向高科技领域,尤其是日常生活中各个方面应用的;一方面它们的原子键合方式很特别,常常是复合方式,另一方面则要用很特殊的加工工艺和材料组成要求而开发获得的。例如,常见的硅芯片一是单晶的、二是纯度为ppb级(10-9)的、三是表面质量达到镜面光洁度要求的、四是需要掺杂其他元素来改善其导电性能。这些基本特点赋予了单晶硅的特殊性能,从而把复合材料和半导体材料依据其特殊用途从三大基础材料中分离出来进行介绍是必要的,也符合实际,从而体现出它们在高科技领域中应用的重要性和先进性。

第三,材料的结构与性能是材料科学的最基本关系、也是最核心部分,完整理解其内在的相互关系对设计、开发新材料都很重要。通常而言,材料性能是由内部的四级结构共同决定的,即原子的电子结构、原子键合方式、原子的取向排列和显微组织结构。前二级结构比较容易理解,是由材料本身的组成元素决定的,但其物理特性仍需仔细解释。比如,讲到反映一级结构的原子核外电子结构的四个量子数时,除强调它是决定材料的物理和化学性质、一般与加工工艺无关外,还需讲清它也是后二级结构的材料性能分析的基础。例如,观察显微形貌的扫描电子显微镜(SEM)及成分测定的能谱分析(EDS)、X-射线荧光分析(XRF)及物相的显微组织鉴别的电子背散射衍射(EBSD)等。这些表征分析仪器是依据第一、第二量子数的特征及原理而设计制造而成的,而磁量子数可以用来表征材料的一些基团成分如核磁共振(NMR),学生一下子从抽象的物理概念联想到很具体的材料组成及其结构形貌图像。晶体学理论属于三级结构讨论的范畴,是一个看似好懂但易混淆难懂的知识点,而且国内一些相关发表物有时还用俗语称呼不同的晶体结构,更会引起理解上的混乱。为使学生能正确区分不同晶系的结构特征,一方面用专业英语表述了七大晶系的称呼:cubic(立方晶系)、tetragonal(四方晶系)、orthorhombic(正交晶系)、hexagonal(六方晶系)、rhombohedral(菱方晶系)、monoclinic(单斜晶系)及triclinic(三斜晶系),指导学生查看英文原版教科书;另一方面把不同晶系的表示法一一列出,特别指出立方晶系就是等轴晶系、四方晶系就是正方晶系、正交晶系就是斜方晶系、菱方晶系就是三角晶系等,并就不同晶系的几何结构进行解析,阐明不同种类的晶系所对应的实际材料种类,举一反三,让学生领会深刻,并进一步提问为什么聚合物材料没有立方晶系,学生就会自己作深层次的思考和分析,自然弄清了材料晶体结构的基本属性及其理论的实用化。对于比较抽象的Miller晶面指数、滑移面等知识点的介绍,常常结合实例讲解。比如,固体材料的变形和滑移可以用Miller晶面指数来标定,通过讲解Titanic 号豪华游轮因冰山撞击而发生开裂失效的故事,指出该船是由体心立方碳钢板制成的,除材料内部存在夹杂物外,碳钢由于滑移面内滑移线少使塑性变形变得困难,断裂韧性就低,因而一旦受到冲击载荷的作用,就会沿Miller指数标定的原子密排面上先发生开裂,然后因疲劳开裂、扩展而最终失效,学生从而就清楚地理解了Miller指数、滑移面、滑移线等基本概念的物理含义及其实际用途;同时,还进一步举例说明采用透射电镜(TEM)技术确定晶体结构的衍射格子像时要用Miller晶面指数标定、制备P-N结单晶硅半导体材料加工面同样也要用到Miller晶面指数等的标定,学生就此对抽象的Miller晶面指数的概念及用途就清楚明了了。再比如,讲到后续的金属熔体的凝固和结晶时,指出晶体的三级结构会受到加工工艺的影响;举例说明金属熔体在常规速度冷却凝固后一定是晶体,但若极大地提高冷却速度,它就会变成非晶体,其三级结构会发生根本的变化。材料四级结构的多相组织结构及显微组织在很大程度上受到了加工工艺的影响,最终的显微形貌将直接影响材料的力学性能如强度、韧度和塑性等,同时还会影响其他一些物理性能,但理论上难以用一一对应的参数进行定量的描述。对此,为了使学生能理解和掌握重要的材料四级结构,我们专门从上海材料研究所等单位借用了标准金相图谱,遴选编制了一些常见金属材料的金相图例,对一些常见金属的金相组织进行注解,让学生课外阅读和比较,从微观形态上理解材料在相同的化学组成下因加工条件的不同而具有不同的显微组织形貌及其性能,切实认识到材料的后二种微观结构是与制备方法和加工工艺密切相关的,尤其是通过结合我们近期开展的我国最大的1000MW超超临界发电机组双相不锈钢(2205)循环水泵发生异常断裂的重大失效案例的分析,用实际构件发生意外断裂的断口形貌和金相组织,讲解了角焊缝显微组织的特点及特征,同时引伸到双相组织(铁素体和奥氏体)的不匹配性和微观结构的脆化问题,再谈到法兰和接管连接时焊接工艺参数和表面处理工艺是如何影响了焊缝显微组织的均匀性和匹配性,进而谈到如何有效控制和优化材料的显微组织,讲解时图文并茂,论据充分,数据详实,更由于失效案例重大及重要,学生理解透切,印象深刻,记得很牢,不仅从物理上理解了加工工艺和表面处理是如何影响材料的断裂韧性和抗疲劳性能,而且从理论上领悟到设计开发新材料和改善材料性能的一些实用技术及工艺诀窍。

与此同时,本课程在讲授过程中始终强调理论与实际相结合,每一章均选用实际材料的案例进行介绍,加深学生对材料属性的理解和知识点的把握。例如,讲到聚合物材料特性时,特别举出生活中无处不在的、常用的七种塑料:1PET2HDPE3PVC4LDPE5PP6PS7PC,以及为何不同的塑料品种必须选用不同的塑料种类的原因,并从塑料的力学性能、热性能及性价比,讲解材料选用的基本依据和设计方法。在讲授材料的扩散和迁移的理论时,举例提到各种手机元器件互连点的表面处理工艺如化镍沉金(ENIG)及其为何需要多个镀层的原因,进一步论述互扩散的柯肯达尔效应(Kirkendall)是如何最终影响微电子产品使用过程中界面迁移及安全可靠性问题;同时,概要介绍了集成电路硅芯片制备过程中如何利用扩散工艺来制作不同性能的P型半导体薄膜器件、N型半导体薄膜器件及多功能CMOS薄膜器件,使得学生对描述材料扩散过程的菲克第一、第二定理的物理含义有清晰的认识及其如何用来指导制备新材料。在论述材料热力学及相图时,以二元组分相图为例,进行深入浅出的讲解;尤其谈到共晶反应时,特别以微电子产品表面贴装器件互连钎焊时焊料的相图为重要案例进行细致的图解分析,涉及到有铅焊料(Sn62Pb38, Sn63Pb37)、无铅焊料(Sn96Ag3.5Cu0.5)等相变过程,以及它们在冷却过程中相组织的变化及其加工可靠性问题,再讲到共析反应时材料热处理温度是如何影响材料内部的显微组织形貌及其表面性能;同时进行引导式提问为什么金属、陶瓷都有相图,而聚合物却没有相图,让学生认真思考和认识不同材料成分的相平衡的本质及其它们与显微组织形貌的内在关系,促进学生的自主性思考和探索性分析,既增强了课堂上师生之间的互动性,又潜移默化地激发了学生的创新性。在讲授材料的各种性能时,重点叙述了材料的老化、劣化、退化、脆化的含义及其材料的结构与性能的相互关系。同时,结合国民经济支柱产业如核电、火电、石化、冶金等重大设备出现过早失效的案例,诠释了材料的失效模式、失效机理、失效缺陷和失效起因之间的相互关系。与此同时,还专门配合这部分内容,增加了与固体材料的基本性能相配套的三个综合性的实验课:1磁控溅射法制备透明导电氧化物ITO薄膜2)橡胶材料的拉伸试验;3)偏光显微镜法观测聚苯烯的球晶形态。通过三个基础实验的训练,学生对材料的组成、制备、结构、性能和应用有了更好的理解和把握,学生观摩和自行操作实验后,心得体会多、收获大,感受强,体悟到一些真实的物理图像,注重理论与实际相结合,理解了一些原先比较模糊的概念和原理,从而吸引学生对新材料制备及研发感兴趣,有效地训练了他们的动手能力、观察能力、理解能力、分析能力和创新能力。

此外,对于一些仅用语言无法讲清楚的新材料如碳60、碳纳米管的原子构型、量子点内电子波函数等,在PPT中加入了三维动画视频,从三维视角理解新材料的特性,进一步吸引学生对新材料的向往。这些图解式的介绍,生动有趣,学生对新材料的一些较抽象的概念、理论及特性有比较透切的领悟了,从而学得快、记得牢,激发了他们对开发新材料的研究热情和学习兴趣,提升了他们的创新能力和综合能力。对于比较有趣和重要的的现象,比如2nm大小CdSe颗粒在紫外光照射下发出蓝色荧光,而6nm大小CdSe颗粒在紫外光照射下发出红色荧光,我们也从多个角度进行讲解:1)用图片展示,四种不同尺寸的CdSe颗粒具有不同颜色的荧光;2)指出荧光效应的用途——用于百元人民币的防伪;3)给出声波中的一个类似现象——四种不同尺寸的金属管(类似于热水瓶的瓶口)支持不同频率的声波共振,由此引出电子也是波的概念;4)讲解德布罗意在攻读博士时指出电子波动性、薛定谔给出电子波动方程、并由此诞生量子力学改变人类世界的故事;5)类比地引出同一时期中国两位伟人在井冈山顺利会师建立中国红军,从而改变中国的故事。这种多角度的讲解,不仅加深了学生对于新材料机理和应用的理解,更激发了学生的科研和爱国的热情。

另外,本课程教学做到了课前认真备课、课中激情授课、课后认真答疑,而且与时俱进,年年修订教学课件,适时介绍新材料的进展。授课时必定会结合每年10月份公布的诺贝尔物理学奖、化学奖等所涉及的新材料进展成果,即时制作课件讲解新材料的特点、制备和应用,比如2010年的二维石墨烯材料、2011年的准晶体铝合金材料等。同时,主讲老师每年都有国内外学术会议的大会报告,直接把邀请报告的PPT内容有选择地讲授给学生听,使学生对新材料、新工艺、新方法、新技术等取得的新进展有比较清楚的了解,既增长学生的见识,又开拓学生的视野,促进他们的自主思考和探索,创新能力得到了有效的激发和培养。同时,针对当今社会普遍存在浮躁、浮夸等不良现象,利用课余时间对学生讲解了青年科技工作应有的科研素养和行为规范问,促进学生做人做事要诚信、要规范,要有为国家、为社会做奉献的理想和追求,从而增强了学生的学习自觉性、社会责任感和历史使命感,培养他们具有良好的综合素质和能力。

总之,本课程讲授方式新颖又实用,集知识性、思想性、趣味性、逻辑性、创新性和实用性为一体,寓乐于教,又寓教于乐,让学生在轻松愉快的教学氛围中学习掌握基础材料的基本内容,感受新材料的重要价值和作用,懂得学好材料科学基础理论的重要性,变被动学习为主动学习,不仅使学生从理论上掌握一些难懂的基础理论知识点,而且更懂得这些知识点的实际用途,塑造学生具有良好的专业素养和解决问题的实际能力,同时激发学生对材料科学的学习热情和对新材料研究的向往,有效地培养了他们的综合能力和创新能力。