无机材料科学基础FundamentalsofInorganicMaterialsScience

《无机材料科学基础》教学大纲FundamentalsofInorganicMaterialScience课程编码：01A31201学分：5.0课程类别：专业基础课计划学时：88其中讲课：72实验或实践：16上机：0适用专业：材料物理、材料科学与工程、复合材料与工程推荐教材：曾燕伟等.机材料科学基础,武汉:武汉理工大学出版社,2015.参考书目：1、叶瑞伦.无机材料物理化学[M],建筑工业出版社,986.2、浙江大学等四院校合编.硅酸盐物理化学[M],建筑工业出版社,1980.3、W.I.Kingery.清华大学译,陶瓷导论[M],1982.4、翁臻培.结晶学[M],建筑工业出版社，1988.5、饶东生.硅酸盐物理化学[M],冶金工业出版社,1980.6、潘金生.材料科学基础[M],清华大学出版社,1998.7、罗绍华.无机非金属材料科学基础[M],北京:北京大学出版社,2013.8、李丽霞.硅酸盐物理化学[M],天津:天津大学出版社,2010.课程的教学目的与任务一方面为学生专业课学习打下必要的理论基础；另一方面，在课程的学习中，学生接触大量物理、化学、物理化学、固体物理及量子化学知识，学习了科学的思维方法和研究问题方法，这些将起着开阔思路、激发探索和创新精神、增强适应能力、提高人才素质的重要作用。本课程是一门承前启后的重要专业基础课。其任务是打好专业基础，使学生学到专业基础理论、基本知识和基本技能，为今后的专业课顺利开出以及生产和科研奠定坚实的专业基础。课程的基本要求《无机材料科学基础》是材料类专业的一门专业基础课程，是在《物理化学》基础上总结了硅酸盐材料生产和科研中的共性和规律而形成的一门学科。主要包括三方面内容：（一）硅酸盐聚集状态的结构和性质；（二）热力学的应用及相平衡；（三）过程动力学。掌握这三个方面知识是本课程的最基本要求，主要知识点的要求如下：掌握硅酸盐结构的特点、结构与性质的关系、实际晶体的缺陷。掌握玻璃体结构、玻璃体与晶体性质差异、玻璃的形成。了解固体表面、界面行为。掌握热力学有关计算，学会看相图，掌握二、三元相图的分析及应用。掌握各种扩散机制及影响因素，掌握扩散规律。掌握固液相变的核化、晶化机理和影响因素。掌握固相反应特点。掌握扩散控制、化学反应控制的固相反应动力学关系，并了解影响因素。掌握各种传质机理。掌握扩散传质速率。了解影响烧结的因素。通过课堂教学及实验环节，使学生对材料的组成—工艺—结构—性质之间的关系、硅酸盐材料生产过程中的一些共性和规律有较全面和系统的认识。对硅酸盐物理化学中的基本理论、基本知识能正确的理解和掌握，并且具有初步应用的能力。在各个教学环节中，注意在传授知识的同时对学生进行能力的培养。在实现教学基本要求的过程中，对教学内容的体系、先后次序、教学环节的安排及教学方法等均应在积极进行教学改革的基础上由教师自己确定。各章节授课内容、教学方法及学时分配建议（含课内实验）第一章无机材料的化学键与电子结构建议学时：4[教学目的与要求]介绍该课程所要讲授的主要内容、特点与基本要求。通过本章教学，要求学生了解无机材料中的各种化学键概念，掌握离子键、共价键、金属键与范德华键及其相关晶体的性质与基本特点。[教学重点与难点]共价键、离子键与无机材料性能的相关性。[授课方法]多媒体授课。以课堂讲授为主，课堂讨论和课后自学为辅。[授课内容]第一节离子键与离子晶体的结合能一、元素的电离能与亲和能简介二、离子键的特征三、离子晶体的结合能第二节共价键与分子轨道理论一、共价键的基本性质与共价晶体二、共价键分子与分子晶体第三节金属键的基本性质与金属晶体第二章晶体的结构与常见晶体结构类型建议学时：6[教学目的与要求]要求学生了解结晶学研究的内容，掌握晶体的基本概念与性质、格子构造与空间点阵；了解对称要素的组合、整数定律；熟悉晶体的分类方法、单位平行六面体的划分原则、各晶系晶体的定向法则；掌握对称的概念、晶体对称的特点、宏观对称要素和对称操作、对称型、晶体的分类、晶体定向、结晶符号、单位平行六面体、十四种布拉维格子、晶胞的概念；掌握晶体化学基本原理：原子半径和离子半径、球体最紧密堆积原理、等大球体的最紧密堆积及其空隙、不等大球体的紧密堆积、配位数和配位多面体以及鲍林规则等基础理论知识。[教学重点与难点]晶体的分类、晶体定向、结晶符号、单位平行六面体、十四种布拉维格子;原子半径和离子半径、球体最紧密堆积原理、等大球体的最紧密堆积及其空隙、不等大球体的紧密堆积。[授课方法]多媒体授课。以课堂讲授为主，课堂讨论和课后自学为辅。[授课内容]第一节晶体的周期结构与点阵一、周期结构与点阵二、三维空间点阵中直线点阵与平面点阵的表达第二节点阵的观对称性-点群与类型一、对称的概念与对称要素二、对称要素的组合、对称型与晶类第三节点阵结构的微观对称性-空间群一、点阵微观对称要素二、空间群与空间群符号第四节元素晶体的常见晶体结构一、电性的单质金属晶体结构二、典型非金属单质的晶体结构第五节合金与金属间化合物常见晶体结构一、金属固溶体的晶体结构二、金属间化合物的晶体结构第六节无机非金属化合物常见晶体结构一、二元化合物的典型晶体结构二、ABO3型化合物的晶体结构三、AB2O4尖晶石型化合物的晶体结构四、氧化物晶体结构的一般规律五、键参数函数与无机化合物晶体结构的关系六、常见硅酸盐矿物的晶体结构第三章熔体与非晶态固体建议学时：6[教学目的与要求]了解典型结构的基本类型，掌握典型化合物的结构特点、晶胞常数的计算和晶体结构通常的四种描述方法；熟悉硅酸盐化学式的表示方法、硅酸盐结构的特点与分类；掌握橄榄石、绿宝石、透辉石CaMg[Si2O6]高岭石、蒙脱石、伊利石、滑石、石英和长石的晶体结构特点。[教学重点与难点]硅酸盐化学式的表示方法、硅酸盐结构的特点与分类。[授课方法]多媒体授课。以课堂讲授为主，课堂讨论和课后自学为辅。[授课内容]第一节固体的熔融与玻璃化转变一、熔融与熔体的特性二、玻璃的形成三、非晶态固体-玻璃的通性第二节无序结构的特点与统计描述一、无序结构的基本特点二、位置无序的统计描述第三节非晶态金属的无规则堆积结构一、非晶态合金的结构模型二、非晶体合金的特性第四节无机非金属玻璃的结构一、晶子学说二、无规则网络学说第五节常见金属与无机非金属玻璃材料一、玻璃态物质的形成方法二、金属合金玻璃三、无机非金属玻璃第四章晶体中的点缺陷与线缺陷建议学时：8[教学目的与要求]了要求学生掌握点缺陷的类型、点缺陷的表示方法及缺陷反应方程式：Kroger-vink符号的表示方法、书写缺陷反应方程式的规则；了解置换型固溶体与间隙型固溶体的特点，固溶体的形成及影响因素，固溶体的缺陷反应方程式与固溶分子式的写法，熟悉固溶体的研究方法；掌握①阴离子缺位型TiO2-x、ZrO2-x，②阳离子缺位型Cu2-xOFe1-xO，③阳离子填隙型Zn1+xO、Cd1+xO和④阴离子间隙型UO2+x四类非化学计量化合物特点、性质与影响因素；掌握刃型位错和螺型位错的基本概念、形成原因及对材料性能的影响，了解位错的Burgers矢量的基本概念和物理意义。[教学重点与难点]点缺陷的类型、点缺陷的表示方法及缺陷反应方程式；刃型位错和螺型位错的基本概念、形成原因及对材料性能的影响。[授课方法]多媒体授课。以课堂讲授为主，课堂讨论和课后自学为辅。[授课内容]第一节热力学平衡态点缺陷一、热缺陷的基本类型二、平衡态热缺陷浓度三、点缺陷的运动与运输第二节非热力学平衡态点缺陷第三节点缺陷符号与化学方程式一、点缺陷符号二、点缺陷化学方程式第四节离子晶体中点缺陷与色心第五节掺杂与非化学计量化合物一、固溶体的分类二、置换型固溶体三、填隙型固溶体四、固溶体的研究方法五、非化学计量化合物第六节晶体中线缺陷－位错一、位错的基本类型二、柏格斯矢量三、位错的运动第五章表面与界面建议学时：8[教学目的与要求]要求学生掌握固体表面的结构特点、固体表面力场、晶体表面结构与固体表面能，晶体表面双电层结构和形成过程；掌握一些界面行为如表面弯曲效应、润湿和吸附等现象及其原理；了解晶界结构和类型，掌握一些晶界的基本结构以及相邻晶体间的晶格取向及其匹配关系，了解晶界处的物理化学状态及多晶结构的物理化学性质；[教学重点与难点]晶体表面结构与表面能；润湿和吸附等现象及其原理；晶界的基本结构以及相邻晶体间的晶格取向及其匹配关系，晶界处的物理化学状态及多晶结构的物理化学性质。[授课方法]多媒体授课。以课堂讲授为主，课堂讨论和课后自学为辅。[授课内容]第一节晶体内表面的形貌与结构一、晶体表面的形貌二、晶体表面的结构三、晶体表面的缺陷第二节晶体中平移界面与孪晶界面一、平移界面二、孪晶界面第三节无机材料中的晶界与相界一、晶界结构与分类二、相界结构与分类三、多晶体的晶界构型四、无机材料相界面的润湿与粘附五、吸附与表面改性第四节胶体分散体系与纳米材料中的界面一、粘土-水系统的胶体特性二、粘土泥浆流动性和稳定性及泥料的可塑性第六章相平衡与相图建议学时：10[教学目的与要求]掌握硅酸盐系统相平衡特点、硅酸盐系统中的组分、相及相律等概念；单元系统相图的表示方法及应用。了解二元、三元凝聚系统相图的基本类型；掌握相图中点、线、面含义；系统组成点、液相点和固相点的概念；熟练分析析晶路程。掌握分二元系统的划分及其分析，并应用相图指导实际生产。[教学重点与难点]二元、三元凝聚系统相图的基本类型；相图中点、线、面含义；系统组成点、液相点和固相点的概念；分析析晶路程。掌握分二、三元系统的划分及其分析（重点三元系统），并应用相图指导实际生产。[授课方法]多媒体授课。以课堂讲授为主，课堂讨论和课后自学为辅。[授课内容]第一节凝聚态系统相平衡特点一、组分二、相三、凝聚态系统的相律第二节一元系统一、水型物质与硫型物质二、可逆和不可逆多晶转变的单元相图三、SiO2系统第三节二元系统一、具有一个低共熔点的简单二元系统相图二、生成一个一致熔化合物的二元系统相图三、生成一个不一致熔化合物的二元系统相图四、生成一个在固相分解的化合物的二元系统相图五、具有多晶转变的二元系统相图六、形成连续固溶体的二元系统相图七、形成有限固溶体的二元系统相图八、具有液相分层的二元系统相图九、二元系统相图应用举例第四节三元系统一、三元相图的组成表示方法二、杠杆规则及重心原理三、三元立体相图与平面投影图四、具有一个低共熔点的简单三元系统相图五、生成一个一致熔二元化合物的三元系统相图六、生成一个不一致熔二元化合物的三元系统相图七、生成一个在固相分解的二元化合物的三元系统相图八、具有一个一致熔三元化合物的三元系统相图九、具有一个不一致熔三元化合物的三元系统相图十、具有多晶转变的元系统相图十一、形成一个二元连续固溶体的三元系统相图十二、具有液相分层的元系统相图十三、分析复杂相图的主要步骤十四、三元相图的应用举例第七章固体中质点的扩散建议学时：8[教学目的与要求]了解扩散的概念，掌握菲克定律第一、第二的建立及其应用，质点迁移的微观机制与扩散系数的基本概念。掌握扩散的热力学理论及影响扩散系数的因素；了解带点质点的扩散行为及金属中的电迁移和热迁移。[教学重点与难点]菲克第一、第二定律的应用、扩散机制及扩散系数的概念；扩散系数的影响因素。[授课方法]多媒体授课。以课堂讲授为主，课堂讨论和课后自学为辅。[授课内容]第一节固体中质点扩散的特点和唯象理论一、固体中质点扩散的特点二、菲克定律三、菲克定律的应用第一节质点迁移的微观机制与扩散系数一、质点迁移的微观机制二、原子跃迁和扩散系数第三节扩散的热力学理论一、扩散系数的热力学解释二、扩散激活能三、杂质缺陷引起的扩散四、非化学计量化合物中的扩散五、互扩散系数六、影响扩散系数的因素第四节*带电质点的扩散行为第八章固态化学反应建议学时：8[教学目的与要求]了解固相反应的概念、分类及其特点；掌握固相反应的动力学特征。熟悉固相反应动力学方程的扩散动力学范围的模型建立；了解界面反应控制范围、扩散动力学控制范围和过渡范围的特点；掌握化学反应动力学范围模型建立、方程式的推导与应用和实验验证