武科大无机材料物理化学教学大纲

教学大纲※<前言>《无机材料物理化学》是材料类专业的一门主干课，也是该专业的主要技术基础课。通过讲课、实验、课堂讨论和课外实践等各个教学环节，将无机非金属学、陶瓷学和高分子物理的基础理论融合为一体，以研究材料共性规律，即研究材料的成分、组织结构、制备工艺和性能之间的相互关系，指导材料的设计和应用，并为学习后继专业课程、从事材料科学研究和工程技术工作打下坚实的理论基础。课程的基本情况课程中文名称:无机材料物理化学课程英文名称：Inorganicmaterialphysicalchemistry课程代码：0203014课程类别：必修课程学分：6课程学时：120授课对象：材料类前导课程：无机化学、物理化学、普通物理学※<教学内容>第一章晶体学基础第一节晶体定义1.1、晶体起源及晶体结构的周期性了解晶体概念的起源、近代晶体学对晶体的定义，1.2、晶体结构与空间点阵从晶体结构到空间点阵的抽象－空间点阵概念、空间点阵的基本规律晶体的基本性质－基本性质的阐释理解均一性和各向异性的对立统一，以石墨在不同方向上的导热率为例。第二节晶体的宏观对称性2.1、对称的含义（symmetry）了解对称所包含的意义2.2、宏观对称要素和对称操作1．对称轴和旋转－概念引出，特点及判断法则2．对称面和反映－概念引出，特点及判断法则3．对称中心和倒反－概念引出，特点及判断法则4．倒转轴和旋转倒反－概念引出，特点及判断法则、等效关系5．映转轴和旋转反映－概念引出，特点及判断法则、等效关系第三节、晶体的32种点群及分类3.1、宏观对称组合的特点3.2、32种点群1．点群的概念2．对称要素组合定理*3．32种点群（具体细分、特征）4．了解点群的表示方法（圣弗利斯符号和国际符号）5．晶胞的概念第四节14种布拉维点阵和晶胞布拉维点阵的划分，四种类型布拉维点阵的特征。第五节点阵元素的表示方法1．点阵中结点表示方法2．晶面的表示方法，一些具有代表性的晶面3．晶棱的表示方法，一些具有代表性的晶棱特征第六节、晶体几何的构造规律（微观对称）1．晶体微观对称特点2．平移轴定义及其特征3．螺旋轴定义及其特征4．滑移面及其特征举例（平移轴，41螺旋轴，滑移面位置）5．空间群定义了解空间群的国际符号表示方法了解空间群和点群之间的联系基本要求：了解晶体的定义，晶体几何构造规律，重点掌握从晶体抽象出空间点阵的方法。掌握点群和空间群的概念以及二者之间的联系。对点群和空间群的表示方法应该有所了解。能够从晶体符号看出其所属晶系。能够熟练掌握点阵元素的表示方法。重点与难点：对称要素组合定理，点群、空间群的概念，14种布拉维点阵特征，对称元素及对称特征的判断。第二章晶体结构及晶体缺陷2.1引言2.2晶体结构的键合（化学键）2.3晶体化学基本原理等大球体密堆，非等大球体密堆配位数和配位多面体离子半径2.4决定离子化合物的几个规则哥希密特定理鲍林规则2.5典型的晶体结构典型原子晶体、分子晶体和金属晶体结构概述（Fe、Sn、Au、Ag，H2O，CH4等）同质异构现象典型的离子晶体结构（AB、AB2、A2B3，ABO3、AB2O4）典型的共价晶体（金刚石（Si）、石墨、As、）及同质多晶现象2.6硅酸盐晶体结构一般原则及分类岛状结构（镁橄榄石，锆英石）三石*、莫来石*组群状结构（绿宝石）链状结构（透辉石）层状结构（高岭石，蒙脱石）架状结构（石英，）长石*，沸石*,石英的其它结构*其它常见晶体2.7缺陷分类点缺陷概念、分类、特点及热缺陷浓度的计算方法2.8固溶体的分类置换型固溶体和间隙型固溶体的概念、特点固溶体的研究方法缺陷化学反应表示法克罗格－明克符号简单缺陷反应举例非化学计量化合物2.9线缺陷（位错）位错的基本概念及分类刃型位错和螺旋型位错混合位错柏格斯矢量位错的运动位错的密度位错的观察方法2.10面缺陷晶界的结构及界面能（小角度晶界的结构、大角度晶界的结构、界面能基本要求熟悉各种典型无机化合物和硅酸盐晶体结构的类型、结构和性能特点，基本掌握各种晶体结构缺陷的类型、形成规律及影响因素。重点与难点重点：NaCl、闪锌矿、纤锌矿、萤石、钙钛矿、方解石和尖晶石型晶体结构，层状硅酸盐晶体结构，点缺陷，固溶体，非化学计量化合物。难点：硅酸盐晶体结构与性质特点，缺陷方程的书写，固溶体密度计算，非化学计量化合物。第三章熔体和玻璃体3.1熔体的结构 1、结构理论:掌握聚合物理论。 2、结构特点 3、了解熔体聚合物浓度的计算过程。3.2熔体的性质 1、粘度掌握基本概念和三个理论，影响粘度的因素，了解粘度的简单计算。 2、表面张力掌握基本概念并区分与表面能概念的区别，了解其影响因素。3.3玻璃的通性 了解玻璃的四点通性，并了解Tg,Tf和反常间距的概念，以及对于控制玻璃性质的意义。3.4玻璃的形成 1、玻璃形成的物 2、形成条件包括热力学条件、动力学条件以及结晶化学条件，了解3T图及意义。3.5玻璃的结构 了解玻璃结构的两个学说（微晶子学说要点，无规连续网络学说要点）与熔体的结构相比较，以及玻璃结构的两个学说进行比较。3.6常见玻璃类型 硅酸盐玻璃与硼酸盐玻璃：重点是玻璃的结构参数的意义以及计算；硼反常现象。基本要求：明确熔体、玻璃在材料生产中的影响，重点学习熔体的结构以及性质，玻璃的结构、通性以及玻璃的形成条件，并注意两者结构对比。重点与难点：聚合物理论、熔体的性质、玻璃的结构及形成条件。第四章表面与界面4.1固体的表面 1、掌握表面、界面、固体表面力的概念。 2、表面力场的分析。 3、晶体表面的结构（Verwey理论） 4、固体表面的几何结构 5、固体的表面能重点掌握其基本概念，并区分表面张力的概念。了解实际固体表面能与理想表面能差异的原因。4.2界面行为 以多相体系为研究对象，研究相界面发生的各种物化过程。 1，弯曲表面效应 （1）推导弯曲表面附加压力 （2）推导弯曲表面饱和蒸汽压 （3）推导弯曲表面过剩空位浓度（开尔文公式） （4）毛细管力开尔文公式的应用 2，润湿与粘附附着润湿与铺展润湿以及浸机动概念，重点分析铺展润湿的条件。并分析表面粗糙度的影响。 3，吸附与表面改性 了解吸附、表面改性、表面活性物质的概念，举例说明表面改性在实际应用的例子。4.3晶界 1，晶界、界面的概念 2，晶界的结构与分类 3，多晶体组织此部分是重点。了解晶界构型，注意槽角和两面角的区别。分析两面角与润湿的关系。4.4粘土－水系统胶体化学 1、粘土的荷电性分析高岭土的带电原因。 2、两性电荷分析PH值对粘土中高岭石带电性质的影响。 3、粘土的离子吸附与交换 离子被吸附以及交换的能力分析，包括水化离子半径、电价、粘土的细度、矿物组成等。 4、粘土胶体的电动性质 （1）粘土胶团的结构了解牢固结合水、疏松结合水、自由水。 （2）分析粘土的结合水的影响因素。 （3）粘土胶体的电动电位（重点) 5、粘土－水系统的胶体性质 （1）流变学基础 （2）泥浆的流动性和稳定性流动现象、分析泥浆絮凝的原因、泥浆稀释具备的条件、以及其它影响因素。 （3）泥浆的触变性触变现象、触变泥浆的结构、影响因素。 （4）粘土的可塑性 可塑性定义、表示方法、理论解释（引力－斥力理论、扩散水膜理论）、可塑性的影响因素分析以及工艺上的改进。 （5）瘠性原料的悬浮与塑化基本要求：处于物体表面的质点其环境与内部不同，表面和界面行为对于固体材料的物化性质和工艺过程都有重要的意义。本章要求掌握表面力场和表面结构及其有关概念。重点与难点：界面行为，粘土－水系统胶体化学。第五章热力学5.1热力学应用基础 1、基础知识：对热力学基本概念进行复习。热函、热容、生成热、熵、自由焓等。基本公式和定律，基尔戈夫公式、盖斯定律等。 2、热力学在硅酸盐系统中的应用特点 （反应难以达到热力学平衡）5.2计算方法 1、经典法：ΔGΟR,T的计算 2、φ函数法建立热力学势函数的概念，熟悉计算步骤。学会利用热力学数据表。 （要求学生会进行一般的计算） 3、应用实例：a.伴有气体参加的固相反应、掌握气体分压对反应的影响。b.伴有熔体参加的固相反应；这部分内容进行补充讲授。溶液的活度及其标态的选定，重点掌握1％标态的选用。c.反应热平衡计算d.金属氧化物高温稳定性：学会ΔG—Ｔ图的应用e.相图热力学基本原理；一般了解。基本要求：通过计算判断多元体系中发生过程的方向和限度，预测体系所发生的反应和组成，相的数目、状态。有助于我们今后选材、调整配方、确定工艺。重点与难点：活度的选择和计算。

第六章相平衡6.1硅酸盐系统相平衡的特点一般了解。6.2单元系统了解水系物质与硫系物质在相图中的不同。在一元系相图分析物质的同质多晶转变，会分析SiO2系统、ZrO2系统实际相图。6.3二元系统 1、相律 2、10个基本相图类型的介绍； 3、析晶过程分析；要求学生会作步冷曲线。 4、实际相图Al2O3--SiO2系统、MgO--Al2O3系统MgO--SiO2系统 5、相图的测定方法介绍。6.4三元系统 1、一般原理：浓度表示法（平行线法）浓度三角形几个基本规则。 2、基本类型及其规律： （1）低共熔型从立体形到投影图，温度的表示。相量的计算（杠杠规则） （2）具有一致熔二元化合物的三元系（重点）相图的构成及其特点，分析点、线、面、析晶过程。掌握连接线规则、三角形化规则。 （3）具有一致熔三元化合物的三元系 （4）具有不一致熔二元化合物的三元系从学习中重点掌握切线规则、并分析穿相的规律性。 （5）具有不一致熔三元化合物的三元系：从学习中重点掌握无变量点的性质，如双升点、双降点、掌握单转熔、双转熔问题。 （6）其它相图的分析 （7）复杂相图的分析重要步骤 （8）实际相图分析及应用，并结合专业知识。 （9）等温截面、多温截面简介6.5四元系统；一般了解6.6交互三元系统；一般了解，能确定稳定对，并计算相组成点。基本要求：研究多相系统的状态如何随T,P,C变化而改变规律。要求学生掌握基本规律和规则，能分析较复杂的二、三元系某一给定组成点的析晶过程，并能结合实际应用相图。重点与难点：三元系相图的析晶过程.

第七章扩散与固相反应7.1扩散宏观方程 1、了解扩散现象，扩散的实际用途。 2、晶体中扩散的特点；势垒、自由程。 3、扩散动力学方程；重点是菲克第一、第二定律的推导 4、扩散的布郎运动理论；无规行走，自扩散系数。 5、扩散方程的应用；7.2扩散过程的推动力、微观机构与扩散系数 1、推动力；化学位梯度的概念，推动N-E方程，此部分是本章的重点和难点。 2、扩散机构和扩散系数；掌握自扩散系数，空位扩散、间隙扩散、等扩散系数的概念，了解互扩散及其达肯方程。 3、非化学计量氧化物中的扩散；要求在写出缺陷方程的基础上，能根据LogD-1/T曲线分析扩散机制的变化。了解晶界、界面、表面扩散。7.3影响因素分析；温度、杂质、结构、气氛等。7.4固相反应及其动力学特征；定义，特点、固相反应的历程、以及分类。7.5固相反应的动力学方程； 通过研究固相反应机理，研究反应速度，分析影响反应速度的因素。重点掌握杨德尔方程的推导，以及对金氏、卡特方程的了解。7.6影响固相反应速度的因素分析；组成、结构、粒度、反应温度、压力、气氛、以及其它因素。基本要求：扩散是最基本的传质过程，对固相反应、烧结等动力学过程很重要。因此，要求学生掌握有关扩散系数的概念，固相扩散机构及动力学方程，尤其是非化学计量化合物中的扩散，以及影响因素等。固相反应的特点是在界面上进行，要求学生重点了解固相反应的反应过程，反应动力学以及分析其影响因素。重点与难点：固体扩散的机构与动力学方程、固相反应的反应动力学方程第八章相变8.1相变的分类；从热力学、相变方式、以及质点迁移特征进行分类。了解各类相变的特点。8.2液相－固相相变过程热力学 分析相变过程的推动力，包括温度条件、压力和浓度条件。分析晶核形成条件，求出核的临界尺寸。8.3液相－固相相变过程动力学 1、成核过程动力学；分析均匀成核过 2、推导晶体长大过程动力学。 3、求出总的结晶速率。 4、分析影响析晶能力的因素。8.4液－液相变过程 1、玻璃分相现象；即液相不混溶现象。从系统的自由焓－组成图中加深学生对此问题的了解。 2、分相的热力学理论；让学生区分成核－成长、不稳定分解热力学。从系统组成波动对系统自由焓的角度进行分析。 3、分相动力学；重点突出此时扩散的推动力是化学位梯度，实行浓度低到浓度高的方向扩散。 4、从微观的角度分析玻璃分相的原因。基本要求：了解相变的基本类型、相变的热力学过程和动力过程。重点和难点：成核生长及斯宾那多分解两种机理的相变。第九章烧结9.1概述；掌握有关基本概念，重点为烧结的推动力、模型的应用及其发展。9.2固相烧结；了解固相烧结的传质机理，重点掌握扩散传质，要求学生能以体积扩散推导烧结速度方程式。并了解、总结从各个机理推导的动力学方程的局限性，以及公式推导的条件。9.3液相参加的烧结；要求掌握液相烧结的特点及其传质机理，重点是颗粒重排、溶解沉析传质。介绍实际烧结的综合过程。9.4晶粒长大与二次再结晶；（1）掌握概念，重点分析晶粒长大过程，分析温度对晶粒尺寸的影响。（2）反常长大及其控制。（3）一般介绍晶界在烧结的作用。9.5影响烧结的因素；希望学生能结合