《无机材料科学基础》教学大纲

《无机材料科学基础》教学大纲课程编号：030303Z1课程名称：无机材料科学基础英文名称：FundamentalsofInorganicMaterialsScience学分：5总学时：80课内实验时数：6课外实验学时：4周（80学时）先修课程要求：大学数学，无机化学，物理化学，材料学概论，结晶学与岩相学适应专业：无机非金属材料工程（四年制本科）参考教材：1．宋晓岚、黄学辉主编．无机材料科学基础．北京：化学工业出版社，20062．胡志强主编．无机材料科学基础教程．北京：化学工业出版社，20043．陆佩文主编．无机材料科学基础（硅酸盐物理化学）．武汉：武汉工业大学出版社，19964．周亚栋主编．无机材料物理化学．武汉：武汉工业大学出版社，19945．浙江大学、武汉工业大学等合编.硅酸盐物理化学．北京：中国建筑工业出版社，1980课程简介：《无机材料科学基础》是从无机材料领域内的各种材料制品的工艺技术实践中总结出来的共性规律而形成的一门课程，是材料科学的重要基础理论。该课程把基础科学理论，特别是物理化学、结晶化学中的基本理论，具体应用到无机材料的制备工艺和性能研究中，用理论来阐明无机材料形成过程的本质，阐述如何应用基础理论来解决生产实际问题，为生产、研究和开发新材料提供理论依据。本课程的内容包括无机材料引论、晶体结构、晶体结构缺陷、非晶态结构与性质、固体表面与界面、相平衡与相图、固体扩散、固相反应、相变过程、烧结过程和无机材料环境效应等11个方面的内容。一、课程在培养方案中的地位、目的和任务《无机材料科学基础》课程是无机非金属材料工程专业培养方案中的主干课程和必修的专业基础课。《无机材料科学基础》是从无机材料领域内的各种材料制品的工艺技术实践中总结出来的共性规律而形成的一门课程，是材料科学的重要基础理论。该课程的前身是《无机材料物理化学》，其研究领域局限于传统无机材料材料和制品。随着各种现代技术的发展，已在传统无机材料材料基础上开发出具有特殊性能的高温材料、高强材料、电子材料、光学材料以及激光、铁电、压电等材料，所涉及的化合物远远超出无机材料的范畴，而是整个无机非金属，因此改名为《无机材料科学基础》。该课程把基础科学理论，特别是物理化学、结晶化学中的基本理论，具体应用到无机材料的制备工艺和性能研究中，用理论来阐明无机材料形成过程的本质，阐述如何应用基础理论来解决生产实际问题，为生产、研究和开发新材料提供理论依据。因此，《无机材料科学基础》是一门新兴的、正在不断发展的应用型学科，是材料科学的一个重要分支，已成为无机非金属材料科学与工程及其相关专业必修的、介于基础科学和专业技术之间的一门非常重要的专业基础课程。通过本课程的学习，使学生了解无机材料组成、结构与性能的关系；了解相平衡的有关知识和温度、压力、浓度等外界条件对相平衡的影响，掌握分析相图的基本方法和步骤，了解无机材料专业相图以及在生产中的应用；掌握无机材料生产制备过程中物理化学变化过程的速度、机理以及影响因素。使学生能用理论来阐明无机材料形成过程的本质，掌握应用理论来解决生产实际问题方法，从而为今后从事无机材料生产和新材料研究、开发提供坚实的理论基础。通过本课程实验，使学生加深对理论教学内容的理解，掌握无机材料性能测定的基本原理和基本方法，着重培养学生分析、解决实际问题和独立思考的能力，并使学生科学研究能力得到一定的训练。二、课程的基本要求学习时应注意明确基本概念，弄清基本原理，掌握基本规律。对问题提出的根据和结论应用的条件要十分清晰。勤于思考，善于总结。并在此基础上，理论联系实际，把理论知识和分析生产实际中的问题结合起来，加深基本理论的理解和应用。在学习本课程时有必要复习已学过的无机化学、物理化学和结晶学的有关知识，并开始阅读相关专业书籍，以更好地理解和掌握本课程内容。三、课程的基本内容以及重点难点《无机材料科学基础》课程着重于阐明无机材料材料组成、结构、性质三者之间的相互关系及其在生产制备过程中物理化学变化的基本规律，所包含的内容组成了一个以固体的”结构”、“反应”、“物性”及“材料”为顶点的四面体，是一门具有立体性质的课程。本课程的主要教学内容包括：（1）物质聚集状态的组成、结构和性质——应用有关物质结构的基本理论，介绍无机材料不同聚集状态（如：晶体、非晶体、熔体、粉体、胶体、固体表面等）的微观结构以及用结构的规律性来分析化学现象的本质，重点介绍无机材料组成、结构与性能三者之间的关系。难点：典型无机晶体结构、硅酸盐晶体结构、硅酸盐熔体与玻璃体的结构与性能、粘土－水系统性能；（2）凝聚多相系统相平衡——从相平衡的观点，介绍凝聚单元系统到三元系统相图的基本知识、基本类型和有关实际相图，重点介绍凝聚三元系统相图的规律性及其在无机材料研究和生产等方面的应用。难点：三元系统相图的分析及应用；（3）过程动力学——介绍无机材料研究和制备中物理化学变化过程（扩散、固相反应、相变、烧结）的机理、过程动力学以及影响因素。难点：过程动力学方程的推导；（4）无机材料的环境效应——从环境对无机材料的影响及无机材料对环境的影响两个方面着手，介绍无机材料生产和使用过程中与环境之间的相互关系和相互作用。难点：无机材料疲劳裂纹扩展的力学行为与特征及材料的高温蠕变特征。四、课内实验要求1．晶体结构认识（1）了解影响离子晶体结构的基本因素，掌握离子堆积原理和基本规律；（2）认识一些典型无机化合物结构；（3）掌握硅酸盐晶体结构分类特点及典型硅酸盐晶体结构。2．粘土阳离子交换容量测定（1）了解胶体系统离子交换的概念、应用及表征方法；（2）了解测定粘土阳离子交换容量的意义，掌握其测定的方法。3．固相反应（1）掌握TG法的原理，熟悉采用TG法研究固相反应的方法；（2）通过Na2CO3-SiO2系统的反应验证固相反应的动力学规律——杨德方程；（3）通过作图计算出反应的速度常数和反应的表观活化能。五、课外实验要求1．无机材料综合实验，2周（40学时），具体要求详见《无机材料综合实验》教学大纲；2．无机材料专题实验，2周（40学时），具体要求详见《无机材料综合实验》教学大纲。六、课程学时分配章节教学内容学时备注第1章1.11.21.3无机材料概论无机材料的分类、特点、选用原则、作用与地位无机材料组成、结构、性能、工艺及其与环境的关系无机材料的研究与发展2第2章2.12.22.3晶体结构晶体化学基本原理无机化合物晶体结构硅酸盐晶体结构102实验内容：晶体结构认识第3章3.13.23.33.43.5晶体结构缺陷点缺陷固溶体非化学计量化合物线缺陷（位错）面缺陷（晶界）8第4章4.14.24.34.44.5非晶态结构与性质硅酸盐熔体的结构硅酸盐熔体的性质玻璃的形成玻璃的结构典型玻璃类型8第5章5.15.25.3固体表面与界面固体表面及其结构界面行为粘土－水系统102实验内容：粘土阳离子交换容量测定第6章6.16.26.36.4相平衡与相图相律及相平衡研究方法单元系统二元系统三元系统16第7章7.17.27.37.4固体中的扩散扩散动力学方程——菲克定律及其应用固体扩散机制与扩散系数多元扩散系数影响扩散系数的因素4第8章8.18.28.38.4固相反应固相反应分类与特征固相反应过程及机理固相反应动力学影响固相反应的因素22实验内容：固相反应第9章9.19.29.3相变过程相变的分类与条件液－固相变液－液相变4第10章10.110.210.310.410.5烧结过程烧结理论及分类烧结过程及机理固相烧结动力学再结晶和晶粒长大影响烧结的因素6第11章11.111.211.3无机材料的环境效应无机材料的腐蚀无机材料的疲劳无机材料的再生与利用4合计746七、考核方式通过平时考核（权重20%）