湖工院材料物理化学教学大纲

材料物理化学教学大纲课程编号：I0200533学时数：48学分数：3适用专业：无机非金属材料先修课程：《无机化学》、《物理化学》、《硅酸盐岩相学》考核方式：考试一、课程的性质和任务材料物理化学是材料工程专业教学计划中的一门主要专业基础课程，是材料科学学科的重要基础理论。着重探讨材料的微观结构与宏观表现的关系，以及材料的结构、组成、性能三者之间的关系和规律及它们之间有机的联系。在材料工程各专业的教学中，起着承上启下，连接基础理论知识和专业技术知识的桥梁作用。是整个材料工程各专业的理论基础。本课程的任务是使学生理解并掌握无机材料结构、组成和性质的基本理论，应掌握基础相图和专业相图的识别，分析和应用能力，应对晶体结构及缺陷，固溶体、熔体、固溶体的组成、结构、性能的关系，以及表面现象和胶体化学知识，固相反应和烧结的基本知识加以了解并掌握，并可以应用本课程知识独立学习材料工艺及材料物化性能学的基本知识。二、教学内容与要求理论教学（学时：32）第一章相平衡一、教学内容（8学时）相平衡是无机材料物理化学的重要组成部分，是日后学习材料工艺学的基础。要求同学们深刻理解相平衡系统及在专业方面的应用。能对各种类型的相图，主要是三元系统的相图进行基本分析，熟练掌握分析相图的基本要领和基本原理，并能达到简单应用的能力。本章的重点是三元凝聚系统相图的分析，难点是相图的实际应用。二、教学知识点1、相律2、二元系统相图3、三元系统相图三、教学要求1、相律a、掌握相律的计算公式b、领会组成相律的各个因素的意义。2、二元系统相图a、掌握二元系统相图的组成。b、理解二元系统相图的内容和意义。3、三元系统相图a、掌握三元凝聚系统相图的各种类型。b、识记连线规则、切线规则。c、领会三元凝聚系统相图的分析方法、计算方法。d、简单应用三元凝聚系统相图分析实际问题。第二章晶体一、教学内容（4学时）晶体是硅酸盐材料和无机非金属材料的结构基础。要求同学们深刻理解晶体物质的各类型结构，特别是硅酸盐晶体的具体结构。理解离子晶体结构原理和类型，鲍林规则的组成和意义。掌握离子堆积方式，影响离子晶体结构的几个因素。领会晶体结构式的概念和特点。并能简单应用结构原理分析硅酸盐矿物并区分各类晶体。本章的重点是鲍林规则、硅酸盐结构，难点是分析硅酸盐矿物。二、教学知识点1、球体堆积2、鲍林规则3、离子晶体4、硅酸盐晶体三、教学要求1、球体堆积a、掌握球体最紧密堆积原理和堆积方式。b、领会球体堆积的几个影响因素。c、识记球体堆积的配位数和堆垛顺序。2、鲍林规则a、掌握鲍林五个规则的要领特点。b、领会鲍林规则在离子晶体中的应用。c、理解鲍林规则对结构的指导作用。3、离子晶体a、了解离子晶体的各种类型。b、领会离子晶体的各种类型。c、掌握离子晶体半径、配位数和配位多面体形状的关系。4、硅酸盐晶体a、硅酸盐矿物的分类及结构特点。b、掌握硅酸盐矿物结构式的识别方法，结构式的写法。c、领会硅酸盐矿物结构、组成，性质三者之间的关系和规律。d、简单应用矿物结构知识分析实际问题。第三章晶体结构缺陷一、教学内容（4学时）晶体结构缺陷是广泛存在于各种类型晶体物质的一种现象，并对晶体结构、性能具有重大影响。要求同学们了解缺陷的分类、特点，理解点缺陷的意义，领会缺陷浓度的计算方法和非化学计量缺陷化合物的形成过程。并了解线缺陷及面缺陷的基本概念。固溶体是硅酸盐物质的一种常见形态，广泛存在于各种矿物结构中，对物质的性质具有较大的影响，要求同学们深刻理解固溶体的分类、概念和结构、性能特点，领会影响固溶体性质的影响因素，理解固溶体结构、组成、性能三者的关系和规律。本章重点是点缺陷意义，缺陷反应表示法，固溶体的分类和结构。难点是非化学计量缺陷化合物的形成及固溶体性质。二、教学知识点1、点缺陷2、线缺陷及面缺陷3、固溶体概念、分类4、固溶体性质三、教学要求1、点缺陷a、了解点缺陷的分类、概念和特点。b、领会热缺陷的分类、特点和浓度计算方法。c、掌握缺陷符号、缺陷反应方程式的写法，遵循的基本原则。d、理解非化学计量缺陷的形成，影响因素和过程分析。e、简单应用缺陷理论分析晶体矿物。2、线缺陷及面缺陷a、了解线缺陷及面缺陷的概念和分类。b、掌握线缺陷及面缺陷的基本特点。3、固溶体概念、分类a、掌握固溶体的概念和分类原则、方法。b、理解置换型固溶体和填隙型固溶体的区别。c、熟练掌握形成无限型固溶体的条件。4、固溶体的性质a、了解固溶体的几个基本性质。b、掌握固溶体的常用研究方法。第四章熔体与玻璃体一、教学内容（4学时）熔体是材料制备过程中的高温熔融状态，熔体结构和性质对硅酸盐材料性质影响重大。要求同学们深刻理解熔体的本质结构，理解熔体的聚合物理论，了解熔体的主要性质，掌握影响熔体粘度和表面张力的因素。玻璃体是硅酸盐物质的一种结构形态，其结构不同于晶体物质，具有典型的无定形物质结构状态。要求同学们理解玻璃体的结构特点，领会玻璃的通性，掌握玻璃与晶体物质在结构、性能、组成上的异同点，并能简单应用知识分析结构状态。本章重点是熔体的结构，聚合物理论，玻璃的结构特点。难点是影响粘度的因素，玻璃结构参数。二、教学知识点1、熔体结构2、熔体性质3、玻璃的结构4、玻璃的形成5、常见玻璃类型三、教学要求1、熔体结构a、掌握熔体结构的聚合物理论。b、理解影响熔体结构的各种因素。c、领会聚合物种类、数量与组成的关系。2、熔体性质a、熟练掌握温度、组成对熔体粘度的影响。b、理解影响熔体表面张力的各种因素。3、玻璃的结构a、理解玻璃结构学说的要点及意义。b、了解玻璃的通性及与晶体的区别。c、掌握玻璃体与晶体在结构上的异同点。4、玻璃的形成a、领会形成玻璃的结晶化学条件。b、掌握构成玻璃的形成体、中间体和变性体的意义。c、了解温度、粘度、冷却速率对玻璃形成的影响。5、常见玻璃类型a、掌握硅酸盐玻璃的结构参数b、硼酸盐玻璃结构及应用。第五章胶体一、教学内容（2学时）胶体是粘土一水系统的组成状态，对材料工艺过程中的流体输送、贮存等过程具有较大的影响。要求同学们了解胶体的荷电性、流动性、稳定性，理解粘土胶团结构和阳离子吸附与交换，领会影响粘土一水系统流动性、稳定性的各种因素，掌握静电荷、动电电位的意义和对胶体性能的影响。本章重点是粘土一水系统的胶体性质和动电电位的意义，难点是粘土胶团结构。二、教学知识点1、粘土电荷2、粘土胶团结构3、粘土胶体性质三、教学要求1、粘土电荷a、掌握粘土荷电性能和动电电位意义。b、了解粘土粒子的水化与结合水。c、领会阳离子的吸附与交换顺序。2、粘土胶团结构a、了解粘土胶团结构的特点。b、领会影响扩散双电层厚度的因素。3、粘土胶体性质a、掌握泥浆的动电性、流动性、稳定性。b、领会泥团的可塑性及影响因素。c、理解泥浆胶溶必须具备的条件和因素。第六章固体表面及界面行为一、教学内容（2学时）固体表面及界面行为直接影响了材料的结构和性能，并能起改善和提高材料性能的积极作用。要求同学们理解表面行为材料表面结构、组成、性能的各种影响，领会实际表面的结构与表面能的形成，掌握弯曲表面的附加压力计算与分析，了解弯曲表面的饱和蒸气压，熟练掌握润湿现象和润湿条件。本章的重点是弯曲表面附加压力和润湿，难点是吸附与粘附。二、教学知识点1、表面结构2、弯曲表面3、吸附粘附4、润湿三、教学要求1、表面结构a、掌握表面结构特点。b、了解固体表面能的特征。c、识记材料的实际表面特征。2、弯曲表面a、掌握弯曲表面附加压力的计算与分析。b、了解弯曲表面的饱和蒸气压。3、吸附粘附a、掌握吸附粘附的定义和区分。b、理解粘附功的计算方法。c、领会吸附的种类和特点。4、润湿a、深刻理解润湿的特点及定义。b、掌握润湿过程的计算方法。第七章固相反应一、教学内容（4学时）固相反应作为动力学过程，对材料的制备工艺、材料性能的改善具有重要意义。要求同学们理解固相反应的概念、分类。领会固相反应的推动力，掌握固相反应的影响因素，识别固相反应的动力学方程式。本章重点是固相反应要领和推动力，难点是固相反应的动力学方程式。二、教学知识点1、固相反应概念和分类2、固相反应推动力和影响因素3、固相反应动力学方程三、教学要求1、固相反应概念和分类a、理解固相反应概念和分类。b、了解固相反应机理。2、固相反应推动力和影响因素a、掌握固相反应推动力和影响因素。b、了解固相反应过程。3、固相反应动力学方程a、识记固相反应动力学方程式。b、掌握杨氏、金氏方程和抛物线方程。第八章烧结一、教学内容（4学时）烧结是动力学过程的重要组成部分，也是制备合格材料的重要工序。要求同学们理解烧结及相关的一些概念，识记影响烧结过程的因素，领会烧结机理，掌握烧结过程的推动力。本章的重点是烧结定义和推动力，难点是烧结过程的推动力。二、教学知识点1、烧结定义2、烧结因素3、烧结推动力三、教学要求1、烧结定义a、理解烧结及相关概念的定义和意义b、领会烧结机理2、烧结因素a、识记影响烧结过程的因素。b、了解固相反应和烧结的区别。3、烧结推动力a、掌握烧结过程的推动力。b、了解烧结过程和各阶段特点。实验（16学时）10学时（基础实验）＋6学时（开放实验）。实验一无机材料润湿实验（4学时）1．实验的目的和要求（1）了解液相润湿固相时润湿角与表面能的关系。（2）了解润湿角的测定方法和仪器的使用方法。2．实验内容或原理润湿是固液界面上的重要行为。润湿是近代很多工业技术的基础。例如：陶瓷、搪瓷的坯釉结合、机械的润滑、注水采油、油漆涂布、金属焊接、陶瓷与金属的封接等工艺和理论都与润湿作用有密切关系。润湿的热力学定义是：固体与液体接触后，体系（固体十液体）的自由焓降低时，称为润湿。根据润湿程度不同可分为附着润湿、铺展润湿及浸渍润湿三种。本实验主要是陶瓷坯釉的铺展润湿。从热力学观点看，液滴落在清洁平滑的固体表面上，当忽略液体的重力和粘度影响时，则液滴在固体表面上的铺展是由固-气（SV）、固-液（SL）和液-气（LV）三个界面张力所决定的，其平衡关系如下确定。γSV=γSL+γLVcosθF=γLVcosθ=γSV-γSL+γLV式中：θ是润湿角，F是润湿张力。显然，当θ＞90°则因润湿张力小而不润湿；θ＜90°则润湿；而θ=0°，润湿张力F最大，可以完全润湿，即液体在固体表面上自由铺展。从上面公式可以看出，润湿的先决条件是γSV＞γSL，或者γSL十分微小。当固、液两相的化学性能或化学结合方式很接近时，是可以满足这一要求的。因此，硅酸盐熔体在氧化物固体上一般会形成小的润湿角，甚至完全将固体润湿。而在金属熔体与氧化物之间，由于结构不同，界面能γSL很大，γSV<γSL按公式可以计算得θ＞90°。从公式还可以看到γLV的作用是多方面的，在润湿的系统中（γSV＞γSL），γSL减小会使θ缩小，而在不润湿的系统中（γSV<γSL）γLV减小使θ增大。本实验采用在陶瓷坯体表面上，施以硅酸盐熔体的陶瓷釉，在一定温度下测定θ角，计算润湿张力F和界面能γSL。分析陶瓷坯釉结合性能。实验二差热分析实验（2学时）1.实验目的与要求（1）了解差热分析的基本原理及仪器装置；（2）学习使用差热分析方祛鉴定未知矿物。2.实验内容或原理差热分析的基本原理是：在程序控制温度下；将试样与参比物质在相同条件下加热或冷却，测量试样与参比物之间的温差与温度的关系，从而给出材料结构变化的相关信息。物质在加热过程中，由于脱水，分解或相变等物理化学变化，经常会产生吸热或放热效应。差热分析就是通过精确测定物质加热(或冷却)过程中伴随物理化学变化的同时产生热效应的大小以及产生热效应时所对应的温度，来达到对物质进行定性定量分析的目的。差热分析是把试样与参比物质(参比物质在整个实验温度范围内不应该有任何热效应，其导热系数，比热等物理参数尽可能与试样相同，亦称惰性物质或标准物质或中性物质)置于差热电偶的热端所对应的两个样品座内，在同一温度场中加热。当试样加热过程中产生吸热或放热效应时，试样的温度就会低于或高于参比物质的温度，差热电偶的冷端就会输出相应的差热电势。如果试样加热过程这中无热效应产生，则差热电势为零。通过检流计偏转与否来检测差热电势的正负，就可推知是吸热或放热效应。在与参比物质对应的热电偶的冷端连接上温度指示装置，就可检测出物质发生物理化学变化时所对应的温度。不同的物质，产生热效应的温度范围不同，差热曲线的形状亦不相同。把试样的差热曲线与相同实验条件下的已知物质的差热曲线作比较，就可以定性地确定试洋的矿物组成。差热曲线的峰(谷)面积的大小与热效应的大小相对应，根据热效应的大小，可对试样作定量估计。实验三相平衡实验（4学时）1.实验目的与要求（1）通过80%PbO-20%SiO2物系相平衡的实验。可知在不同温度下，物系所处的状态不同。（2）从本实验的方法可以对二元、三元等其它物系相平衡的进行研究。2.实验内容或原理淬冷法是研究相平衡的重要方法之一。如果研究对象是硅酸盐物系。可用不同组分的比例互相配合。混合均匀后置入立式管形电炉中。并在一定温度下保持一定时间。使试样各组分充分发生反应(保温时间要2小时以上)达到平衡状态。然后将试样迅速投入水浴（汞浴、油浴）中急速冷却。这样试样保持了高温状态，所得物即可供我们去研究此物系在该条件下的形态。此方法应注意的几点：（1）硅酸盐物系达到平衡状态的方法。通常采用先加热到较高温度（即超过要求温度指标）然后，冷却到所需要的温度进行保温。这样才能达到目的。因为先加热到所需要的温度进行保温。则由于某些组分还没有熔化而处于固体状态。若要通过固相反应来达到相平衡，是难于办到的。（2）此方法对炉温的控制也是非常重要的。因此一般应该采用灵敏的自动定温控制器。调节输入功率。使