无机材料物理化学教学大纲

无机材料物理化学教学大纲一、课程介绍“无机材料物理化学”是高等院校材料工程及相关专业的一门学科基础课程，是无机非金属材料工程专业的主干课程，主要针对全院打通的《材料科学基础》学时不足、专业针对性不强的补充，课程内容主要围绕无机非金属材料科学基础展开。课程目的在于使学生从物理化学原理角度，熟悉无机非金属材料的组成、结构、合成与制备、性质与性质之间的基本规律，掌握无机非金属材料专业的基础理论和专业知识，能够对各种无机非金属材料的制备、性能检测与分析提供理论解释。能将相关知识与数学模型方法应用于表述、推演、分析无机材料的复杂工程问题，并能就这些问题的解决方案进行评价分析，阐述其合理性，找到材料工程中的关键因素。能够针对无机非金属材料新产品、新工艺、新技术和新设备的特定需求和特定约束条件，选择研究路线，设计研究方案，并能够根据所设计的研究方案，搭建实验系统，开展实验和收集数据，使学生具备研究能力。本课程讲述主要内容有3个篇章，主要讲授如何采用相图的方法分析和解决材料中的问题；如何采用热力学计算分析材料的形成和稳定性问题；阐述高分散的物质体系状态和性能的关系以及材料制备过程中涉及的动力学问题。其中第一篇是热力学在无机材料科学与工程中的应用。主要讲授相平衡与相图的工程基础知识，包括一元体系相图（水、石英相图），二元体系（9类相图）和三元体系相图（8类相图），三元相图的应用实例（如滑石瓷烧结SiO2Al2O3SiO2相图，建筑玻璃Na2OCaOSiO2相图，耐火材料、水泥生产的指导相图CaOSiO2Al2O3等），化学平衡与热力学势函数。第二篇涉及无机材料的聚集状态，主要讲授熔体和玻璃体、胶体的结构与性质，以及相关材料的加工方法与应用。第三篇是针对无机材料的过程动力学，主要讲授表面与界面、多相反应过程、烧结过程的基本理论和相关过程，共计40学时。《无机材料物理化学》授课过程中，将引入无机材料物理化学的前沿科研成果，设置学生主讲的讨论课（Seminar）等内容，培养学生相关能力。IntroductionPhysicalChemistryofInorganicMaterialsfocusesonstudyingthematerialstructures,physicalproperties,thermodynamicsandreactionsofmaterialmakingincludingkineticsandtheirrelationsfrompointviewofphysicalchemistry.Itisaprofessionalbasictheorycourseforstudentsmajoringininorganicnonmetalmaterials.Thepurposeofthecourseistoenablestudentstomasterthetheoreticalmethodsofchemistryandphysicstounderstandtheformationmechanismofmaterials,whichisconducivetothecultivationofstudents'theoreticalresearchandpracticalworkingability.PhysicalChemistryofInorganicMaterialsteacheshowtoanalyzeandsolveproblemsinmaterialsbymeansofphasediagram;howtousethermodynamiccalculationtoanalyzetheformationandstabilityofmaterials;andtherelationshipbetweenthestateandpropertiesofahighlydispersedmaterialsystemandthekineticsinvolvedinthematerialpreparation.Thetargetstudentsofthiscoursemainlyaretheundergraduatesininorganicnonmetallicmaterialsengineering.Thepreliminaryrequirementcoursesinorganicchemistry,physicalchemistry,crystallization,andmaterialmineralogy.课程基本信息课程名称无机材料物理化学课程编码217英文名称PHYSICALCHEMISTRYOFINORGANICMATERIALS课程学时40课程学分2.5课程类别学科基础课程（专业基础类）课程性质选修课开课学期第6学期课内实验学时0适用专业无机非金属材料工程专业开课单位无机非金属材料工程教研室选用教材《无机材料物理化学》周亚栋编，武汉理工大学主要参考书《硅酸盐物理化学》浙江大学等，中国建筑工业出版社《材料科学基础》张联盟等，武汉理工大学教学大纲1、课程目标（1）使学生掌握一元、二元、三元相图基本知识，具备运用相图表述、分析和处理无机非金属材料实际工程问题的能力。使学生掌握化学平衡、表面、熔体、胶体、固相反应、烧结等的相关基础理论知识，能够应用这些基本理论对无机非金属材料制备过程中的某些具体问题以及研究实例进行分析与比较。（2）使学生具备材料学领域的技术敏感与技术理解能力，并能够结合工程实际，识别和判断水泥、陶瓷、玻璃、粘土、特种材料等的加工制造过程中的关键环节。（3）使学生能够基于相平衡杠杆规则、化学平衡常数、化学势关系式、固相反应、烧结历程等将相关知识和数学模型方法，表述、推演、分析无机非金属材料高温合成制备过程，并得出有效结论。（4）使学生能够针对某个无机非金属材料工程领域的具体问题独立查阅资料、分析，利用相图方面专业知识，归纳总结不同技术方案的关键技术参数及其影响因素，并提出解决方案。（5）使学生能够运用无机材料物理化学的基本原理，在多种制约因素条件下解释无机非金属材料不同制备过程中结构与性能的变化机制与关联，具备基本的设计和调整典型无机非金属材料研究方案的能力。表1课程目标与毕业要求的对应关系表可覆盖的指标点毕业要求支撑的指标点课程目标支撑理由12345GA1.1GA1.1掌握工程领域相关的数学、自然科学、工程基础知识，并将其用于工程问题的表述。√使学生掌握一元、二元、三元相图的基础知识，点、线、面、三角形等表示含义，能够正确给出析晶路线，表述无机非金属材料实际工程问题；掌握化学平衡、表面、熔体、胶体、固相反应、烧结等的相关基础理论知识，能够应用这些基本理论对无机非金属材料制备过程中的某些具体问题进行表述。GA1.1、GA1.2GA1.3GA1.3能够将相关的数学、自然科学、工程和专业基础知识以及数学模型用于无机非金属材料复杂工程问题的推演与分析，并用于对无机非金属材料复杂工程问题的解决方案进行比较与综合。√使学生具备运用相图分析处理无机非金属材料实际工程问题的能力；能够应用化学平衡、表面、熔体、胶体、固相反应、烧结等的相关基础理论知识，对无机非金属材料制备过程中的某些具体问题以及研究实例进行分析与比较。GA2.1GA2.1能运用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别和判断复杂工程问题的关键环节。√使学生具备材料学领域的技术敏感与技术理解能力，并能够结合工程实际，识别和判断水泥、陶瓷、玻璃、粘土、特种材料等的加工制造过程中的关键环节。GA2.1GA2.2GA2.2能基于相关科学原理和数学模型方法，正确表达无机非金属材料复杂工程问题。√使学生能够基于相平衡杠杆规则、化学平衡常数、化学势关系式等将相关知识和数学模型方法，表述、推演、分析无机非金属材料复杂工程问题；能够运用化学平衡、表面、固相反应、烧结等基础知识，对无机非金属材料高温合成制备过程进行推演模拟，并得出有效结论。如：CaOSiO2Al2O3相图计算与分析，能够获得相关生成物的相对含量，并分析判断平衡条件。GA2.1、GA2.3GA2.3能认识到解决无机非金属材料的复杂工程问题有多种方案可选择，会通过文献研究寻求可替代的解决方案，并运用基本原理，借助文献研究分析过程的影响因素，获得有效结论。√√使学生能够基于相平衡杠杆规则、化学平衡常数、化学势关系式、固相反应、烧结历程等将相关知识和数学模型方法，表述、推演、分析无机非金属材料高温合成制备过程，并得出有效结论。能够针对某个无机非金属材料工程领域的具体问题独立查阅资料、分析归纳总结不同技术方案的关键技术参数及其影响因素，并提出解决方案。GA4.1、GA4.2GA4.2能够针对无机非金属材料新产品、新工艺、新技术和新设备的特定需求和特定条件，选择研究路线，设计研究方案。√使学生能够运用无机材料物理化学的基本原理，在多种制约因素条件下解释无机非金属材料不同制备过程中结构与性能的变化机制与关联，能够结合工程实际，识别和判断水泥、陶瓷、玻璃、粘土、特种材料等的加工制造过程中的关键环节，具备基本的设计和调整典型无机非金属材料研究方案的能力。例如：在水泥生产的指导相图CaOSiO2Al2O3相图中，应该具备设计出合适配比用以获得最大生成量的C2S或C3S。考虑到实际原料，粘土、石灰石的相当含量。2、教学要求《无机材料物理化学》重点探求材料结构、物性和反应三者的规律以及它们之间的联系，是无机非金属材料工程的专业基础理论课。课程目的在于使学生掌握用化学和物理的理论方法去研究材料的形成和变化规律，有助于学生理论研究和实际工作能力的培养。使学生掌握相图、化学平衡、表面、熔体、胶体、固相反应、烧结等的基础理论知识，明确这些基本理论在不同材料制备过程中的具体应用以及研究实例。能够运用无机材料物理化学的基本原理，解释材料不同制备过程中其结构与性能的变化机制与关联，并结合实际分析陶瓷、玻璃、粘土、特种材料等在加工制造过程中的关键技术参数和影响因素。能够运用化学平衡、表面、固相反应、烧结等基础知识，对无机非金属材料高温合成制备过程进行推演模拟，并得出有效结论。教学上结合典型实用案例、任课教师的科研项目等，做到授课内容与大纲相符，注重平时的过程性评价。成绩评价体系标准真实、严谨、公平、公正、公开，保障学生学习的积极性。通过向学生展示铁电、催化等新型无机非金属材料实际的研究历程案例，用科研人员对客观事实的敬畏、严谨与顽强精神感染学生，培养学生精益求精、锲而不舍的科学精神，和对自然科学的敬畏与严谨。3、预备知识或先修课程要求本课程的前修课程是“材料科学基础”、“物理化学”、“大学物理”、“无机化学”、“高等数学”等基础课程。4、教学方式本课程是理论课。授课围绕课程目标，采用互动式、研究型教学，引导学生强化对科学和工程原理的理解和运用，内容做到充实。引入无机材料物理化学的前沿科研成果，设置学生分组主讲的主题讨论等内容。学生根据选题进行查阅解读文献，并在课堂上向大家展示，老师当场点评，并引导学生积极探索和思考，通过分析和探索工程问题的有效结论，将知识和方法有机贯连，使得学生综合运用。组织方式则以学生为中心，激发学生主动学习和有效学习，教学过程突出学生深入参与，养成批判性思维。5、实验环境和设备无。6、课程教学内容及学时分配第一章绪论（1学时）第二章相平衡与相图（15学时）第一节 一元系统相图第二节 二元系统专业相图第三节 三元系统相图第四节 三元交互系统相图 教学重点、难点：1.掌握相图的基本原理、识图方法；2.能够利用相图分析预测物料体系升温、冷却过程中的物相与组成变化；3.掌握运用相图解决实际问题的思路与方法。思考题：1.如何理解水相图中“生命线”，三相点和“冰点”的不同之处原因是什么？2.如何理解石英的一级相变和二级相变？3.步冷曲线与材料结构的对应性分析，如何准确判断步冷曲线的节点？4.如何判断低共熔点（E）和转熔点（P），及所发生的反应？5.阅读Aksaf,I.;Pask,J.,StableandMetastableEquilibriaintheSystemSiO2Al2O3.J.Am.Ceram.Soc.1975,58(11‐12),507给出莫来石析晶条件；6.正确理解具有一个低共熔点不生成化合物的三元相图中第一结晶区和第二结晶区概念；7.三元相图第18类的析晶过程与表示法；8.三元相图的四个规则（杠杆规则，连接线规则，切线规则，划分副三角形规则），五种无变量点（共熔点，转熔点（双升点），双降点，双降点形式的过渡点，双升点形式的过渡点，以及它们的反应式），两种位置（共轭位置，交叉位置）；9.正确理解8种生成固溶体的三元相图；10.三元相图实例，包括MgOAl2O3SiO2，Na2OCaOSiO2，CaOSiO2Al2O3，以及CACA2CA3副三角形的定量计算；11.三元互交相图的正确认识。第三章化学平衡与热力学势函数（3学时）第一节 基本概念第二节 平衡常数第三节 热力学势函数 教学重点、难点：1.掌握化学平衡的计算方法，能够利用其推测某个具体反应显著发生所需的温度条件；2.掌握利用热力学势函数计算化学平衡的方法，能够利用其推测某个具体反应显著发生所需的温度条件。 第四章熔体和玻璃体（5学时）第一节 熔体第二节 熔体的冷却过程第三节 玻璃体 教学重点、难点：1.掌握熔体的相关基本理论，理解熔体与固体、液体之间的区别与联系；2.理解熔体冷却过程中的结构、形貌转变机制。第五章胶体（2学时）第一节 粘土的荷电性第二节 粘土的离子吸附与交换第三节 粘土粒子的水化第四节 粘土水体系的胶体性质 教学重点、难点：1.掌握粘土荷电性、离子交换性的特征及产生根源；2.明确粘土水体系与普通化学合成胶体之间的区别与联系；3.理解双电层理论，并能运用其解释一些与粘土荷电性有关的实验现象。 第六章表面与界面（4学时）第一节 固体表面的结构第二节 表面现象第三节 晶界和晶界应力第四节 晶界和相界第五节 界面行为 教学重点、难点：1.掌握固体表面、界面的相关基础理论知识，理解固体材料的表面结构特征；2.理解材料表面能与反应活性之间的关系；3.能够运用基础理论解释材料的界面能以及界面行为。 第七章多相反应过程（4学时）第一节 多相反应的特点第二节 多相反应机理第三节 多相反应动力学第四节 影响多相反应的因素 教学重点、难点：1.掌握多相反应的特征、机制；2.能够运用相关动力学理论模型分析计算多相反应的进程，并对模型的适应性进行评价；3.了解多相反应的影响及控制因素。第八章烧结（6学时）第一节 概述第二节 烧结机理第三节 烧结过程动力学第四节 烧结与陶瓷显微结构的形成第五节 影响烧结的因素 教学重点、难点：1.掌握烧结过程的基本理论，明确烧结的动力学模型以及动力学过程；2.理解烧结过程中陶瓷材料显微结构的形成机制；3.能够运用基础理论分析烧结过程的影响因素。表2课程内容及教学方式对课程目标的支撑关系序号课程内容教学方式支持课程目标1第一章绪论以课堂讲授为主，辅以图片、视频等。提供在线学习资料，进行网络辅助教学。12第二章相平衡与相图第一节 一元系统相图 以系统讲授为主，课上进行小组讨论，由学生讲解，教师点评。布置课后作业，考查计算掌握情况。提供在线学习资料，进行网络辅助教学。1第二节 二元系统专业相图1第三节 三元系统相图1、2、3、4、5第四节 三元交互系统相图13第三章化学平衡与热力学势函数第一节 基本概念第二节 平衡常数第三节 热力学势函数 以系统讲授为主，提供在线学习资料，进行网络辅助教学。布置课后作业，考查计算掌握情况。1、34第四章熔体和玻璃体第一节 熔体 以系统讲授为主，提供在线学习资料，进行网络辅助教学。布置课后作业，考查计算掌握情况。1第二节 熔体的冷却过程2第三节 玻璃体3、55第五章胶体第一节 粘土的荷电性以系统讲授为主，提供在线学习资料，进行网络辅助教学。1第二节 粘土的离子吸附与交换1第三节 粘土粒子的水化2第四节 粘土水体系的胶体性质56第六章表面与界面第一节 固体表面的结构以系统讲授为主，提供在线学习资料，进行网络辅助教学。组织课堂讨论，加深消化理解。1第二节 表面现象1第三节 晶界和晶界应力1、2第四节 晶界和相界1、2第五节 界面行为 1、3、57第七章多相反应过程第一节 多相反应的特点 以系统讲授为主，提供在线学习资料，进行网络辅助教学。组织课堂讨论，加深消化理解。布置课后作业，考查计算掌握情况。1第二节 多相反应机理1、2第三节 多相反应动力学3第四节 影响多相反应的因素2、58第八章烧结第一节 概述 以系统讲授为主，提供在线学习资料，进行网络辅助教学。组织课堂讨论，加深消化理解。1第二节 烧结机理1、2第三节 烧结过程动力学3第四节 烧结与陶瓷显微结构的形成2、5第五节 影响烧结的因素2、57、实验项目内容、学时分配、实验小组无。本课程的相关实验已经并入无机非金属材料工程《专业综合实验》当中。8、考核要求、考核方式及成绩评定标准考试成绩由平时成绩和期末成绩两部分构成，平时成绩占总成绩的30~50%%，期末成绩占总成绩的50~70%。最终课程考核成绩采用百分制，满分100分，60分为及格（细则详见表3）。课后作业按照五分制评分，平时成绩由所有课后作业成绩相加得出，然后折算为百分制，最后按照30~50%折算。期末考试采取百分制，期末成绩由期末考试卷面成绩按照50~70%进行折算得出。表3“无机材料物理化学”的成绩构成与占比序号成绩构成考核方式占比1平时成绩课后作业小组研讨30~50%2出勤考察出勤，但不计算成绩3期末成绩期末考试70~50%合计100%评价标准：1）.课后作业课后作业按照五分制评分，将所有课后作业成绩加和得到总成绩，而后折算为百分制，然后按照比例计入总评成绩。具体评分标准详见表2。表4“无机材料物理化学”课后作业评分标准观测点评分80100分6079分4059分139分0分作业完成进度（权重0.3）提前完成按时完成延时完成后期补交未提交基本概念掌握程度（权重0.2）概念清晰，分析得当，能够掌握课堂知识，比如系统的传输特性，常用传感器的工作原理等主要概念清晰，但部分分析有误部分概念清晰，分析中有明显的知识漏洞基本概念不清晰解决问题的方案正确性（权重0.4）思路清晰，计算正确主要思路、过程和计算过程正确思路不够清晰，计算多处错误不能理解问题并提出思路作业完成态度（权重0.1）书写工整、清晰，符号、单位等按规范执行书写清晰，主要符号、单位等按照规范执行能够辨识，部分符号、单位等按照规范执行不能辨识，符号、单位等不按照规范执行2）.期末考试按照期末考试的参考答案、评分标准进行评分。卷面分采用百分制评分，总评后按照当年比例进行折算。表5考核方式、内容、评分标准与课程目标的对应关系课程目标评价依据考核方式考核内容评分标准评价占比（%）1期末考试闭卷考试与相图、化学平衡、表面、熔体、胶体、固相反应、烧结等的相关基础理论知识，及其在无机非金属材料工程中的应用能力。按采分点评分，以具体试卷的评分标准为准40~80平时成绩随堂测验（在线客观题）学生对相图、化学平衡、表面、熔体、胶体、固相反应、烧结等的相关知识的掌握程度客观题的回答准确率5~20学生自评问卷调查问卷（分章进行）：“我能够运用学到的xxx相关知识，对遇到的xxx问题进行分析。”或类似题目的扩展。量表10级，学生自评后取平均值5~202期末考试闭卷考试是否能够结合工程实例，识别和判断水泥、玻璃、陶瓷、粘土、特种材料的加工制造过程关键技术环节按采分点评分，以具体试卷的评分标准为准40~80平时成绩随堂测验（在线客观题）学生对水泥、玻璃、陶瓷、粘土、特种材料的加工制造过程关键技术环节的判