华北理工无机材料科学基础教学大纲

无机材料科学基础课程教学大纲课程名称：无机材料科学基础课程名称：ScientificBasisforInorganicMaterials课程编号：082507/8课程类型：技术基础课学时：112适用对象：无机非金属材料工程本科先修课程：高等数学、普通物理学、无机化学、物理化学一、课程的性质、目的与任务本课程为无机非金属材料工程专业的学科基础必修课，学习无机材料的基本理论和基本知识，培养学生科学思维能力，提高分析问题和解决问题的能力，为学生奠定从事各类无机非金属材料的生产、科学研究与技术开发必需的理论基础。二、课程内容第一章晶体（建议学时数：9学时）本章的学习目的和要求：理解晶系、晶胞、布拉维格子；掌握晶体中键的型式及键型的过渡；掌握决定离子晶体结构的基本因素；掌握晶格能；掌握鲍林规则；掌握氯化钠型、氯化铯型、闪锌矿型、萤石型（反萤石型）结构，理解纤锌矿型、金红石型、碘化镉型结构，了解刚玉型、钙钛矿型、方解石型、镁铝尖晶石结构。本章的重点和难点：鲍林规则；氯化钠型、氯化铯型、闪锌矿型、萤石型（反萤石型）结构。难点：鲍林规则；刚玉型、钙钛矿型、方解石型、镁铝尖晶石结构。。第二章晶格缺陷（建议学时数：9学时）本章的学习目的和要求：理解晶格振动；掌握热缺陷的基本类型、热缺陷形成反应式的写法、热缺陷平衡浓度的计算。掌握固溶体的概念、掌握固溶体的类型及形成条件、掌握固溶体形成反应式及化学式的写法、掌握固溶体缺陷浓度的计算、掌握固溶体密度的计算方法、判断固溶体类型的方法；掌握杂质缺陷的产生对热缺陷浓度的影响；掌握形成固溶体的意义。掌握非化学计量化合物的定义、掌握非化学计量化合物的类型及形成规律、掌握非化学计量化合物形成反应式的写法、缺陷浓度与氧分压的关系。掌握位错的基本类型；理解刃型位错的滑移和攀移；了解位错对晶体力学性质的影响。本章的重点和难点：重点：热缺陷的基本类型、热缺陷形成反应式的写法、热缺陷平衡浓度的计算；固溶体形成反应式及化学式的写法、固溶体缺陷浓度的计算；非化学计量化合物形成反应式的写法、缺陷浓度与氧分压的关系。难点：固溶体缺陷浓度的计算；非化学计量化合物形成反应式的写法、缺陷浓度与氧分压的关系；刃型位错的滑移和攀移。第三章熔体与玻璃体（建议学时数：9学时）本章的学习目的和要求：了解液体结构比较接近晶体的事实根据、掌握液体结构近程有序理论、核前群理论。掌握Si-O键的共价模型；理解聚合物理论。掌握黏度的定义、硅酸盐熔体的黏度与温度的一般关系、化学组成对硅酸盐熔体黏度的影响、硼反常现象；理解硅酸盐熔体的表面张力与组成的关系、B2O3和PbO对硅酸盐熔体表面张力的特殊影响。掌握玻璃的通性；理解玻璃的转变温度与冷却速率的关系。掌握晶子学说、无规则网络学说；掌握氧硅比对玻璃结构的影响、玻璃结构参数及相应计算、逆性玻璃概念；了解硼酸盐玻璃。掌握玻璃形成的热力学条件、动力学条件、结晶化学条件；掌握三T图的意义及制作方法。本章的重点和难点：重点：Si-O键的共价模型；黏度的定义、硅酸盐熔体的黏度与温度的一般关系、化学组成对硅酸盐熔体黏度的影响；晶子学说、无规则网络学说；氧硅比对玻璃结构的影响、玻璃结构参数及相应计算；玻璃形成的热力学条件、动力学条件、结晶化学条件。难点：Si-O键的共价模型；玻璃的转变温度与冷却速率的关系。第四章表面与界面（建议学时数：5学时）本章的学习目的和要求：掌握表面能、表面张力、表面力。掌握表面对键强分布的影响、掌握离子晶体的表面双电层；掌握表面吸附、表面活性剂对表面的改性；掌握润湿的度量、润湿的类型、表面粗糙度对润湿的影响、润湿对制品微观结构的影响。掌握附加压力、毛细现象、弯曲表面上饱和蒸气压与表面曲率半径的关系、分散度对晶体的熔点与溶解度的影响。了解小角度晶界、大角度晶界、孪晶界。本章的重点和难点：重点：表面对键强分布的影响、离子晶体表面双电层的形成；润湿的度量、润湿的类型、表面粗糙度对润湿的影响、润湿对制品微观结构的影响；弯曲表面效应。难点：晶体表面结构；弯曲表面效应；孪晶界。第五章热力学计算（建议学时数：9学时）本章的学习目的和要求：掌握热容、热效应的计算；理解熵判据、掌握自由焓判据；掌握碳酸盐分解反应的热力学计算、氧化物的热力学稳定性判断；理解纯固相反应的热力学计算、有溶液参与的反应的热力学计算；了解碳与氧化物的反应。本章的重点和难点：重点：自由焓判据；氧化物的热力学稳定性判断；纯固相反应的热力学计算、有溶液参与的反应的热力学计算。难点：热容、热效应的计算；有溶液参与的反应的热力学计算；碳与氧化物的反应。第六章相平衡状态图（建议学时数：14学时）本章的学习目的和要求：掌握单元相图中多晶转变表示方法、介稳平衡；掌握SiO2单元相图。掌握简单低共熔二元相图、具有一致熔化合物的二元相图、具有不一致熔化合物的二元相图、具有低温稳定并高温固态分解的二元化合物的二元相图、具有低温固态分解并高温一致熔（或不一致熔）二元化合物的二元相图、具有多晶转变的二元相图、具有液相分层的二元相图、形成连续固溶体的二元相图、形成有限固溶体并具有低共熔点的二元相图、形成有限固溶体并具有转熔点的二元相图；掌握Al2O3-SiO2二元相图。掌握三元相图组成表示方法及有关原理、掌握最简单三元低共熔相图的构成、立体图及其析晶过程分析、液面投影图、等温截面图；掌握最简单三元低共熔相图、具有一致熔二元化合物的三元相图、具有不一致熔二元化合物的三元相图、具有一致熔三元化合物的三元相图、具有不一致熔三元化合物（D=A+L\D=A+B+L）的三元相图、具有低温稳定并高温固态分解的二元化合物的三元相图、具有低温固态分解并高温稳定（一致熔或不一致熔）二元化合物的三元相图、具有多晶转变的三元相图、具有液相分层的三元相图、三组分生成连续固溶体的三元相图、只有一个二元系统生成连续固溶体的三元相图；掌握CaO-Al2O3-SiO2三元相图；理解常见非平衡行为。掌握四元系统的组成表示方法及有关规则、具有四元最低共熔点的四元相图及析晶过程分析、四元系统中几类析晶情况。本章的重点和难点：重点：三元系统相图；难点：三元系统相图；四元系统相图。第七章相图的热力学推导（建议学时数：5学时）本章的学习目的和要求：掌握相平衡的热力学条件；掌握自由焓-组成曲线；掌握从自由焓-组成曲线推导连续固溶体相图、有限固溶体并具有低共熔点的二元相图、有限固溶体并具有转熔点的二元相图、固态完全不互溶并具有低共熔点的二元相图、具有双液分层相图的推导。本章的重点和难点：相平衡的热力学条件；自由焓-组成曲线；从自由焓-组成曲线推导相图。第八章扩散（建议学时数：8学时）本章的学习目的和要求：掌握扩散现象；掌握菲克第一定律、菲克第二定律；了解扩散系数的测定；掌握扩散系数与温度的关系。掌握扩散的本质、扩散机构；掌握不同扩散机构的扩散系数；掌握本征扩散与非本征扩散。掌握理想溶液的奈因斯特-爱因斯坦方程式、实际溶液的奈因斯特-爱因斯坦方程式。掌握化学位梯度下的扩散；了解电化学位梯度下的扩散。掌握温度、杂质、气氛、扩散介质、扩散部位、扩散质点本身的性质对扩散的影响。本章的重点和难点：重点：菲克第一定律、菲克第二定律；扩散的微观机构；奈因斯特-爱因斯坦方程式；互扩散。难点：菲克第二定律；同扩散机构的扩散系数；奈因斯特-爱因斯坦方程式；互扩散。第九章相变（建议学时数：8学时）本章的学习目的和要求：了解按热力学分类、按相变机理分类。掌握存在亚稳区的热力学原因；掌握均态核化、非均态核化；掌握晶体长大理论及晶体生长速率公式的推导；了解阿佛拉米方程；了解液-固相变机理在实际生产中的应用。掌握液-液分相的热力学原因；掌握分相机理；理解玻璃分相的结晶化学原因、玻璃分相原理的应用。了解成核-生长机理、有序无序转变、马氏体相变。本章的重点和难点：重点：液相-固相的转变；液-液分相。难点：非均态核化；晶体长大理论及晶体生长速率公式的推导；液-液分相的热力学原因和机理；马氏体相变。第十章硅酸盐矿物（建议学时数：6学时）本章的学习目的和要求：掌握硅酸盐晶体的结构特点；掌握硅酸盐晶体的分类方法。掌握镁橄榄石、高岭石、叶蜡石、滑石、蒙脱石、白云母、伊利石的结构，理解石英、长石的结构，了解硅线石、莫来石的结构。本章的重点和难点：重点：硅酸盐晶体的结构特点；层状硅酸盐的晶体结构。难点：石英、长石、硅线石、莫来石的结构。第十一章坯体制备与成型的理论基础（建议学时数：8学时）本章的学习目的和要求：掌握黏土-水系统中黏土颗粒表面带电的原因；掌握黏土的离子吸附与交换、黏土胶团结构、黏土与水的作用；掌握黏土泥浆的流动性与触变性，理解注浆成型的原理；掌握黏土泥料的可塑性，理解可塑成型的原理。理解瘠性料悬浮与塑化的机理。理解溶胶-凝胶法的特点及原理。本章的重点和难点：重点：黏土-水系统中黏土颗粒表面带电的原因；黏土的离子吸附与交换、黏土胶团结构、黏土与水的作用；黏土泥浆的流动性、触变性、可塑性。难点：黏土胶团结构、黏土与水的作用。第十二章固相反应（建议学时数：5学时）本章的学习目的和要求：掌握纯固相反应、广义固相反应定义，理解固相反应的分类、固相反应热力学、固相反应进程、关于固相反应产物的一般规律；掌握扩散控制的固相反应动力学方程--抛物线方程、杨德尔方程、金斯特林格方程，了解卡特方程；了解界面化学反应控制的固相反应动力学方程、升华控制的固相反应动力学方程，掌握过渡范围动力学方程，掌握固相反应动力学比较全面的观点。掌握影响固相反应的主要因素。本章的重点和难点：重点：固相反应动力学方程--抛物线方程、杨德尔方程、金斯特林格方程；过渡范围动力学方程；固相反应动力学比较全面的观点；影响固相反应的因素。难点：金斯特林格方程、卡特方程。第十三章烧结（建议学时数：9学时）本章的学习目的和要求：掌握烧结定义、烧结过程推动力。掌握蒸发-凝聚传质机理、扩散传质机理；掌握与晶粒尺寸变化有关的过程（晶粒长大、二次再结晶）；掌握晶界在固相烧结中的作用。理解粘性流动传质、塑性流动传质、溶解-沉淀传质；理解液相的作用。掌握物料的活性、添加剂、气氛、压力的影响。本章的重点和难点：固相烧结；有液相参与的烧结；影响烧结的因素。难点：扩散传质机理；晶粒长大、二次再结晶；有液相参与的烧结。第十四章材料的制备（建议学时数：8学时）本章的学习目的和要求：掌握水泥制备的原理，理解制备方法。掌握玻璃制备的原理，理解制备方法。掌握陶瓷制备的原理，理解制备方法。掌握耐火材料制备的原理，理解制备方法。本章的重点和难点：重点：水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料的制备原理；难点：陶瓷的制备方法。三、课时分配内容讲课习题课讨论课实验课上机其它合计晶体99晶体缺陷99熔体与玻璃体99表面与界面55热力学计算99相平衡状态图1414相图的热力学推导55扩散88相变88硅酸盐矿物66坯体制备与成型的理论基础88固相反应55烧结99材料的制备88总计112112四、教材及参考书教材：陆佩文.《无机材料科学基础》.武汉工业大学出版社，1996.8参考书：丁子上等编著.《硅酸盐物理化学》.中国建筑工业出版社，1980.7饶东生.《硅酸盐物理化学》.冶金工业出版社，1980.11周