材料物理化学教学大纲(普通本科班)

《材料物理化学》课程教学大纲制定依据：本大纲根据2014版本科人才培养方案制定课程编号：I0200534学时数：64学分数：4适用专业：无机非金属材料先修课程：《无机化学》、《物理化学》考核方式：考试一、课程的性质和任务《材料物理化学》是材料科学与工程专业必修的重要的专业基础理论课。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。该课程以材料组分、结构与性能之间相互关系及其变化规律为主线，主要研究材料制备过程中的物理现象与化学问题。本课程的主要任务有四点：①使学生理解并掌握晶体、非晶体、熔体、胶体、表面、界面等物质形态的结构与性质的相关知识及其相互关系；②掌握二元、三元体系的相图识别及其应用。通过对材料组织结构的形成与相互转化规律的学习，理解材料的成分、温度、压力对材料组织结构形成的影响，为材料设计及制定材料生产工艺奠定科学基础；③掌握与材料生产、加工密切相关的高温下的材料动力学过程——扩散、固态反应和烧结等过程相关的物理化学理论；④了解新材料的组成、结构和性质关系及应用，开阔眼界，提高学习、掌握、开发新材料的兴趣。本课程教学内容的基本要求分为掌握、理解、了解三个层次：掌握：要求学生能够全面、深入理解和熟练掌握所学内容，并能够用其分析、初步设计和解答与应用相关的问题，能够举一反三。理解：要求学生能够较好地理解所学内容，并且能够进行简单分析和判断。了解：要求学生能够一般地了解所学内容。二、教学内容与要求理论教学（学时：64）晶体的结构与常见晶体结构类型（10学时）（一）教学内容2.1晶体概念与基本性质1、晶体概念2、晶体的点阵结构3、晶体的基本性质2.2晶体的宏观对称性1、晶体对称的特点2、晶体的宏观对称要素3、晶体的对称定律2.4晶体化学基本原理1、离子堆积原理2、结晶化学定律3、鲍林规则2.5典型晶体结构1、单质的晶体结构2、典型无机化合物晶体结构2.6硅酸盐晶体结构1、硅酸盐的结构单元2、硅酸盐在空间的结合3、硅酸盐化学式表示方法4、岛状硅酸盐5、组群状硅酸盐6、链状硅酸盐7、层状结构硅酸盐8、网状结构硅酸盐（二）教学要求（1）掌握：晶体概念；晶体对称定律；晶体对称分类及国际符号；结晶符号；空间群及国际符号；球体最紧密堆积原理和堆积方式；影响离子晶体结构的因素，离子晶体半径、配位数和配位多面体形状的关系；掌握鲍林五个规则的要领特点；无机材料典型晶体结构；硅酸盐晶体结构式的概念和特点。（2）理解：对称组合定理；对称型的推导；结晶化学定律；离子晶体结构原理和类型离子堆积系数；鲍林规则的组成和意义；鲍林规则对结构的指导作用；无机材料典型晶体结构及性质关系；硅酸盐矿物结构、组成，性质三者之间的关系和规律。（3）了解：晶体性质、球体堆积的配位数和堆垛顺序熔体与非晶态固体（4学时）（一）教学内容3.1熔体结构1、掌握熔体结构的聚合物理论。2、理解影响熔体结构的各种因素。3、领会聚合物种类、数量与组成的关系。3.2熔体性质1、熟练掌握温度、组成对熔体粘度的影响。2、理解影响熔体表面张力的各种因素。3.3玻璃的结构1、理解玻璃结构学说的要点及意义。2、了解玻璃的通性及与晶体的区别。3、掌握玻璃体与晶体在结构上的异同点。3.4玻璃的形成1、领会形成玻璃的结晶化学条件。2、掌握构成玻璃的形成体、中间体和变性体的意义。3、了解温度、粘度、冷却速率对玻璃形成的影响。3.5常见玻璃类型1、掌握硅酸盐玻璃的结构参数2、硼酸盐玻璃结构及应用。（二）教学要求（1）掌握：熔体结构的聚合物理论、温度、组成对熔体粘度的影响、玻璃体与晶体在结构上的异同点、构成玻璃的形成体、中间体和变性体的意义（2）理解：影响熔体结构的各种因素、影响熔体表面张力的各种因素、玻璃结构学说的要点及意义（3）了解：玻璃的通性及与晶体的区别、温度、粘度、冷却速率对玻璃形成的影响、硼酸盐玻璃结构及应用晶体结构缺陷（8学时）（一）教学内容4.1热力学平衡态点缺陷1、热缺陷的基本类型2、平衡态热缺陷浓度3、点缺陷的运动与输运4.2非热力学平衡态点缺陷4.3点缺陷符号与化学方程式1、点缺陷符号2、点缺陷化学方程式4.4离子晶体中的点缺陷与色心4.5掺杂与非化学计量化合物1、固溶体的分类2、置换型固溶体3、填隙型固溶体4、固溶体的研究方法5、非化学计量化合物4.6晶体的线缺陷——位错1、位错理论的提出2、位错的基本类型和特征（二）教学要求（1）掌握：缺陷符号、缺陷反应方程式的写法；固溶体的分类和结构；固溶体的常用研究方法；非化学计量化合物的形成及类型。（2）理解：理解点缺陷的意义；缺陷的分类、特点和缺陷浓度的计算方法；非化学计量化合物的形成过程；固溶体的分类、概念和结构、置换型固溶体和填隙型固溶体的区别；形成无限型固溶体的条件；固溶体结构、组成、性能三者的关系和规律。（3）了解：点缺陷的分类、特点，固溶体的几个基本性质线缺陷及面缺陷的基本概念表面与界面（6学时）（一）教学内容5.1晶体表面的形貌和结构1、晶体表面的形貌2、晶体表面的结构3、晶体表面的缺陷4、实际晶体表面5.2界面行为1、弯曲表面效应2、润湿与黏附3、吸附与表面改性5.3无机材料的晶界和相界1、晶界结构和分类2、相界结构和分类3、多晶体的晶界构型5.4胶体分散体系与纳米材料中的界面1、粘土-水系统的胶体特性2、粘土泥浆流动性和稳定性及泥料的可塑性3、脊性料的悬浮与塑化4、纳米材料中的界面（二）教学要求：（1）掌握：晶体表面的结构、润湿的类型及发生润湿的条件、吸附及表面改性、晶界的结构、多晶体的晶界构型、粘土离子的带电机理、粘土离子的交换和吸附、粘土泥浆流动性和稳定性及泥料的可塑性。（2）理解：晶体表面的形貌、晶体表面的缺陷及缺陷的类型、弯曲表面效应、吸附与表面改性、晶界结构和分类、相界结构和分类、脊性料的悬浮与塑化；（3）了解：弯曲表面效应、纳米材料中的界面；相平衡与相图（12学时）（一）教学内容6.1凝聚态系统相平衡特点1、组分2、相3、凝聚态系统相律6.2一元系统1、水型物质与硫型物质2、多晶转变的一元系统相图3、SiO2系统4、ZrO2系统相图6.3二元系统1、具有一个低共熔点的简单二元系统相图2、生成一个一致熔化合物的二元系统相图3、生成一个不一致熔化合物的二元系统相图4、生成一个在固相分解的化合物的二元系统相图5、具有多晶转变的二元系统相6、形成连续固溶体的二元系统相图7、形成有限固溶体的二元系统相图8、具有液相分层的二元系统相图9、具体二元系统相图举例6.4三元系统1、三元系统组成表示方法2、杠杆规则及重心原理3、三元立体相图与平面投影图4、具有一个低共熔点的简单三元系统相图5、生成一个一致熔融二元化合物的三元系统相图6、生成一个不一致熔融二元化合物的三元系统相图7、生成一个固相分解的二元化合物的三元系统相图8、具有一个一致熔三元化合物的三元系统相图9、具有一个不一致熔融三元化合物的三元系统相图10、形成一个二元连续固溶体的三元相图11、具有液相分层的三元相图12、分析复杂相图的主要步骤13、三元系统相图应用举例（二）教学要求（1）掌握：凝聚态系统的特点及相律的具体形式、一元系统相图的特点、分析一元系统相图的具体方法、二元系统相图的特点、能熟练分析低熔点的简单二元系统、一致熔化合物、不一致熔化合物的二元系统相图的结晶路程、三元系统中组成表示方法及相关规则与原理（等含量规则、等比例规则、背向性规则、杠杆规则及重心原理）；判读三元相图的几重要规则（连线规则、切线规则、重心规则与三角形规则）；三元系统相图的特点。能熟练分析一致熔融二元化合物、不一致熔融二元化合物、固相分解的二元化合物、一致熔三元化合物、不一致熔融三元化合物三元系统相图的结晶路程。（2）理解：组分、相等相关概念、可逆与不可逆相变的特点、SiO2相图在硅砖耐火材料生产中的应用、二元系统中杠杆原理及应用。CaO-SiO2系统与Al2O3-SiO2系统相图在耐火材料中的应用、分析复杂相图的主要步骤并能应用于CaO-Al2O3-SiO2系统与Na2O-CaO-SiO2系统三元相图（3）了解：凝聚态系统中相律具体形式的推导过程、稳定ZrO2与SiO2的方法、三元系统的立体图变化成平面图的投影过程及规律固体中质点的扩散（6学时）（一）教学内容7.1固体中指点扩散的特点与唯象理论1、流体扩散和固体扩散的特点2、扩散的菲克第一定律和第二定律3、菲克定律的应用——稳定扩散7.2质点迁移的微观机制与扩散系数1、质点迁移的微观机制2、原子跃迁与扩散系数7.3扩散的热力学理论1、扩散的热力学理论2、空位机制和间隙机制扩散3、杂质缺陷引起的扩散4、非本征缺陷引起的扩散行为7.4固体质点扩散的影响因素1、温度对固体扩散的影响2、杂质对固体扩散的影响3、缺陷结构对固体扩散的影响4、气氛对固体扩散的影响（二）教学要求（1）掌握：扩散的菲克第一定律和第二定律、质点迁移的微观机制、非本征缺陷引起的扩散行为（2）理解：扩散的影响因素、掌握质点扩散的特点、扩散的种类（3）了解：菲克定律的应用、离子晶体、共价晶体和金属晶体的扩散固态化学反应（4学时）（一）教学内容8.1凝聚态体系化学反应的基本特征1、固态反应的定义2、固态反应的特点3、泰曼等关于固相反应机制的研究4、固相反应过程5、固相反应的分类8.2固相反应动力学1、一般动力学关系2、化学反应动力学范围3、扩散动力学范围8.3影响固相反应的因素1、反应物化学组成与结构的影响2、反应物颗粒尺寸及分布的影响3、反应温度和压力与气氛的影响4、矿化剂及其它影响因素8.4实例（二）教学要求（1）掌握：固态化学反应的含义、固态反应的特点与类型、一般反应过程；（2）理解：固态反应一般动力学过程及不同动力学控制范围的动力学方程；（3）了解：影响固态反应的多种因素。固态相变（6学时）（一）教学内容概述9.1相变的分类1、按热力学分类2、按相变方式分类3、按质点迁移特征分类4、按动力学分类9.2相变的基本特征1、固态相变的特点2、马氏体转变3、扩散型固态相变9.3相变过程热力学1、相变的热力学特征与相变的级数2、相变的热力学驱动力3、晶核形成条件9.4相变过程热力学1、晶核形成过程动力学2、晶体生长过程动力学3、总的结晶速率4、析晶过程5、影响析晶能力的因素9.5结晶与晶体生长1、晶核形成的结构基础2、晶核生长理论9.6薄膜材料中晶体生长（二）教学要求（1）掌握：固态相变的含义、固态相变的分类方法与类型、典型相变的特点；（2）理解：固态相变的热力学驱动力及一般动力学过程、晶核形成的条件与生长理论、；（3）了解：影响固态相变、晶体结晶的多种因素。固态烧结（6学时）（一）教学内容10.1烧结的基本特征1、烧结的宏观定义与微观定义2、烧结的特点3、烧结与其他概念的区别4、烧结过程的推动力5、烧结的两个双球和平板模型10.2烧结机制与动力学方程1、蒸发-凝聚传质2、扩散传质3、流动传质4、溶解-沉淀传质10.3烧结过程中晶粒生长与异常生长1、晶粒的长大与异常生长的定义2、晶粒正常生长过程3、晶粒异常生长过程4、晶粒异常生长的影响因素与采取的避免措施5、晶界在烧结中的作用10.4影响烧结的因素1、原始粉料的粒度与分布2、外加剂3、烧结的温度与时间4、原料的选择与煅烧条件5、气氛与成型压力10.5特种烧结技术1、无压烧结2、热压烧结3、高温等静压烧结4、等离子体烧结5、微波烧结6、爆炸烧结（二）教学要求（1）掌握：固相烧结和液相烧结的四个机制与动力学方程、影响烧结的几个因素、（2）理解：相关的概念、晶粒长大与晶界移动的速率、晶粒异常生长的影响因素与采取的措施（3）了解：烧结的定义和特点、烧结的三个模型、特种烧结技术三、考核要求材料物理化学程的考核以平时考核和期末考试相结合，平时考核包括出勤、作业和课堂表现等确定学生平时成绩，平时考试成绩占30%，卷面成绩占70%。四、参考教材及其它参考资料1、参考教材：《无机材料科学基础》，曾燕伟主编，武汉理工大学出版社，2015年第2版2、其它参考资料：[1]《材