无机材料科学基础 教学大纲

第页无机材料科学基础一、课程说明课程编号：030302Z10课程名称：无机材料科学基础/FundamentalsofInorganicMaterialsScience课程类别：专业核心课学时/学分：80/5先修课程：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教材、教学参考书：（1）、黄学辉主编．无机材料科学基础．化学工业出版社．2010年（2）陆佩文主编．无机材料科学基础．武汉工业大学出版社．1996年（3）丁子上主编．硅酸盐物理化学．中国建材工业出版社．1980年二、课程设置的目的意义《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核心课程，该课程为学生较早接触的一门专业基础课，是由基础课向专业课过渡的桥梁，起到承上启下的作用，其课程内容对培养学生科学的思维方法和创新能力以及运用基础理论解决实际问题的能力，构建无机材料科学研究和工程技术人员的基础理论和专业知识体系具有主导和奠基作用，对学生的知识结构及后续专业课的学习等有着重要的影响。《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，是无机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、晶体化学、缺陷化学、非晶态科学、表面与界面化学、材料热力学与动力学等中的基本理论，具体应用到无机材料的制备工艺和性能研究中。通过本课程的学习，使学生在知识体系构造上涵盖无机材料所需的科学原理及技术基础，并关注无机材料学科的新知识、新技术、新成果；在知识掌握方面遵循从理想到实际、从规则到不规则、从静态到动态的原则，在宏观－微观－宏观的循环过程中明确无机非金属材料制备－加工－使用－消亡过程中的科学和工程原理，了解知识的规律性和相互联系；在能力培养上将无机材料制备、使用及服役中科学与工程问题融为一体，奠定科学基础同时强化工程能力培养。三、课程的基本要求在本课程学习中，要求掌握晶体结构、无机材料热力学、高温过程动力学、固体表面物理化学、无机材料与环境效应等无机非金属材料专业基础知识，全面理解无机非金属材料科学中的基本原理和共性规律，了解无机材料科学前沿发展现状和趋势。在学习本课程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。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。学习中通过科学思维方法的训练，掌握运用科学原理分析和表述无机非金属材料工程问题的能力和方法，为将来从事无机材料设计、研发及生产奠定必要的科学基础。培养解决无机非金属材料实际工程问题的能力，并使创新精神、开拓进取思维和科学研究能力得到一定的提高。根据课程体系与培养要求的对应关系矩阵，本课程所承载的知识、能力和素质培养的具体要求如下：知识要求：掌握无机材料不同聚集状态（晶体、非晶体、粉体、表面、界面等）的组成、结构及结构缺陷、性能之间的关系；掌握相平衡的有关知识和外界条件（如：温度、压力、浓度等）对相平衡的影响，学会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基本动力学过程（包括：扩散、固相反应、相变、烧结）的速度、机理以及外界因素（如：温度、压力、浓度、杂质等）对过程速度的影响；明确无机材料生产和使用过程中的环境效应；了解无机非金属材料科学领域新理论以及其发展方向；建立材料设计的基本思维方式，学会从组成与结构的关系分析材料的性能，能用基本理论来阐明无机材料形成和服役过程的本质，掌握应用基础理论来解决复杂工程问题的方法，从而为今后从事无机材料生产和新材料设计、研究和开发提供必要的材料科学理论基础。能力要求：运用物理学和化学基础知识分析无机材料组成、结构及其性能之间的关系和规律，运用数学基础知识对主要理论公式进行推导；运用无机材料结构的表征方法和缺陷化学的方法进行无机材料制备条件的分析，将无机材料基础理论知识用于解决无机材料制备中的复杂工程问题；掌握最基本的无机材料设计理念，提高开发新材料的能力；针对具体问题提出有效的解决方案，培养创新意识，提高分析、发现、研究和解决问题的能力。素质要求：具备准确表达无机材料科学基础所涉及的各项学习内容与研究方法、制作并分析无机材料研究的相关图表、运用相关的专业知识和语言与不同领域从业人员交流、沟通无机材料科学基础方面专业问题的素质；建立无机材料结构－性能－制备－使用－环境一体化的观念，运用所学知识或查阅新的知识，分析解决相关专业问题，提升理解工程管理与经济决策的基本素质；具有创新精神和开拓进取的思维，能够在无机材料领域研究、开发、分析、解决问题过程中承担相应的任务；提升自主学习和终身学习的意识，形成不断学习和适应发展素质。四、教学内容、重点难点及教学设计章节教学内容总学时学时分配教学重点教学难点教学方案设计（含教学方法、教学手段）讲课(含研讨)实践第1章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。220无机材料分类方法和研究内容；无机材料结构特点和基本性质；无机材料选用基本原则；无机材料基本用途及其在使用中环境行为效应。无机材料学科内涵；无机材料科学与工程合成与制备、组成与结构、性能与使用效能四要素之间相互关系与制约规律。教学思路：运用图表和数据结合现状和发展，概述从无机材料科学与工程层次上无机材料的分类方法和研究内容、无机材料的结构特点和基本性质、无机材料选用的基本原则、无机材料的基本用途及其在使用中的环境行为效应，以初步建立对无机材料的感性认识。课时分配：无机材料的分类、特点、选用原则、作用与地位（1学时）；无机材料组成、结构、性能、工艺及其与环境的关系（0.5学时）；无机材料的研究与发展（0.5学时）。教学方法：讲授。教学手段：多媒体课件。第2章晶体结构晶体化学的基本原理；无机化合物晶体结构；硅酸盐晶体结构。14140影响晶体结构的内因和外因条件；晶体结构图及结构描述方法；无机晶体及硅酸盐晶体结构类型、特点及其与性能的关系；鲍林规则球体最紧密堆积及堆积密度；空隙类型及空隙位置确定；层状硅酸盐晶体矿物：高岭石、蒙脱石、伊利石的结构与性质。教学思路：由晶格能、质点堆积、空隙、配位数等基本概念引出晶体化学理论；通过实例分析无机晶体及硅酸盐晶体结构和特点，突出晶体结构－性能－应用之间的关系，使学生学会根据材料的不同结构预测材料的性质和潜在应用。课时分配：晶体化学的基本原理（6学时）；无机化合物晶体结构（4学时）；硅酸盐晶体结构（4学时）。教学方法：课前导学（以思考题形式进行前修课知识回顾与本次课内容预习）；讲授；典型晶体结构实例分析、课堂分小组专题报告与讨论；课外作业。教学手段：多媒体课件；晶体结构模型、晶体结构3D动画。第3章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）。10100晶体中点缺陷分类、缺陷符号、缺陷形成反应、缺陷浓度计算；固溶体分类、形成条件及其研究方法；非化学计量化合物类型与形成；刃位错、螺位错和伯格斯矢量基本概念；面缺陷的类型及特点弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷平衡浓度计算；固溶体形成反应方程式；固溶体类型判别方法；非化学计量化合物类型、形成及其对晶体性能的影响教学思路：从微观层次上介绍晶体中缺陷产生的原因和缺陷的类型，阐述缺陷的产生、控制与利用，使学生建立缺陷与材料性质和材料加工之间的相互联系，为最终利用或控制缺陷对材料实施改性奠定科学基础。课时分配：点缺陷（4学时）；固溶体（2学时）；非化学计量化合物（1学时）；线缺陷（位错）（2学时）；面缺陷（晶界）（1学时）教学方法：课前导学；讲授；课堂分小组专题报告与讨论；课外作业。教学手段：多媒体课件；晶体结构模型、晶体结构缺陷形成flash动画第4章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。880熔体结构聚合物理论；熔体粘度、表面张力与温度、组成的关系；玻璃形成动力学和结晶化学条件；玻璃结构两大学说-无规则连续网络学说和微晶学说；玻璃结构参数的计算方法和作用。熔体粘度计算；熔体3T图绘制；玻璃结构参数计算与性能推断。教学思路：通过熔体的结构及性质、玻璃的通性、玻璃的形成、玻璃的结构理论以及典型玻璃类型等基本知识的讲解使学生充分认识到非晶态结构与性质对控制无机材料的制造过程和改善无机材料性能具有重要的意义。课时分配：硅酸盐熔体的结构（1学时）；硅酸盐熔体的性质（2学时）；玻璃的形成（2学时）；玻璃的结构（2学时）；典型玻璃类型（1学时）。教学方法：课前导学；讲授；课外作业。教学手段：多媒体课件。第5章固体的表面与界面固体表面及其结构；界面行为；粘土－水系统。10100固体表面结构与表面能；弯曲表面效应、润湿与粘附；粘土－水系统胶体性质。润湿判断和调节；粘土－水系统中粘土胶体性质及其影响因素和作用机理。教学思路：讲解无机固体的表面及结构，界面行为，包括弯曲表面效应、吸附与表面改性、润湿与粘附等基础知识，进一步分析讨论粘土－水系统的胶体化学性质，为学生了解和运用表面科学知识解决无机材料相关科学与工程问题奠定基本的必要的理论基础。课时分配：固体表面及其结构（2学时）；界面行为（4学时）；粘土－水系统（4学时）。教学方法：课前导学；讲授；课堂分小组专题报告与讨论；课外作业；阶段考试。教学手段：多媒体课件。第6章相平衡和相图相律及相平衡研究方法；单元系统；二元系统；三元系统16160相律及相平衡研究方法；单元、多元相图基本原理及应用；不同组元无机材料专业相图及其在无机材料组成设计、工艺方法选择、矿物组成控制及性能预测。相平衡研究方法；各种类型相图分析方法；相图在无机材料生产、研究与开发中的具体运用和指导作用。教学思路：从相律及相平衡研究方法入手，具体介绍单元、多元相图的基本原理及应用，强化不同组元无机材料专业相图及其在无机材料组成设计、工艺方法选择、矿物组成控制及性能预测等方面的应用等理论与实践知识。课时分配：相律及相平衡研究方法（1学时）；单元系统（2学时）；二元系统（5学时）；三元系统（8学时）。教学方法：课前导学；讲授；课外作业；阶段考试。教学手段：多媒体课件、相图分析flash动画。第7章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440固相扩散机构；菲克第一、第二定律；无序扩散和自扩散系数；扩散机构和扩散系数的关系；多元系统扩散系数；影响扩散系数的因素。菲克第二定律应用；扩散系数推导。教学思路：介绍固态扩散的宏观规律及其动力学方程推导、扩散的微观机构及扩散系数，通过宏观－微观－宏观的渐进循环，使学生认识扩散现象及本质，总结出影响扩散的微观和宏观因素，最终达到对基本动力学过程—扩散的控制与有效利用。课时分配：扩散动力学方程—菲克定律及其应用（1学时）；固体扩散机制与扩散系数（2学时）；多元扩散系数（0.5学时）；影响扩散系数的因素（0.5学时）。教学方法：课前导学；讲授；分小组课程论文及报告，课外作业。教学手段：多媒体课件。第8章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。440固相反应机理；固相反应动力学方程及其应用；影响固相反应的因素。杨德方程与金斯特林格方程推导及其应用。教学思路：着重讨论固相反应机理、动力学关系推导及其适用的范围，分析影响固相反应的因素，以实现对固相反应的控制。课时分配：固相反应分类与特征（0.5学时）；固相反应过程及机理（1学时）；固相反应动力学（2学时）；影响固相反应的因素（0.5学时）。教学方法：课前导学；讲授；分小组课程论文及报告，课外作业。教学手段：多媒体课件。第9章相变过程相变的分类与条件；液－固相变；液－液相变440相变过程机理；相变热力学条件；成核－生长相变动力学方程；液－液分相机理及对材料性能的影响。均态核化和非均态核化的热力学分析和动力学方程推导；晶体生长动力学方程推导；液－液相变机理。教学思路：由“相变为何会发生、相变是如何进行的“问题引出相变理论，重点介绍液－固和液－液相变动力学，认识研究、控制、利用相变能有效改善无机材料使用性能的目标。课时分配：固相变的分类与条件（1学时）；液－固相变（2学时）；液－液相变（1学时）。教学方法：课前导学；讲授；分小组课程论文及报告，课外作业。教学手段：多媒体课件。第10章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440烧结传质机理；烧结初期、中期和末期烧结动力学；初次再结晶、晶粒长大和二次再结晶；影响烧结的因素。烧结初期、中期和末期的烧结动力学方程推导；晶粒长大和二次再结晶的区别及其对材料性能影响和工艺控制。教学思路：在简要介绍烧结理论的研究与发展基础上，着重阐述纯固相和有液相参与的烧结过程、机理及动力学，烧结过程中的晶粒长大与再结晶以及影响烧结的因素等烧结基础理论知识。课时分配：烧结理论及分类（0.5学时）；烧结过程及机理（0.5学时）；固相烧结动力学（1.5学时）；再结晶和晶粒长大（1学时）；影响烧结的因素（0.5学时）。教学方法：课前导学；讲授；分小组课程论文及报告，课外作业。教学手段：多媒体课件。第11章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440无机材料腐蚀产生原因及其对材料性能影响；无机材料疲劳裂纹扩展力学行为与特征；材料高温蠕变及特征；无机材料生命周期评估和生态设计；环境协调材料特征及工艺技术。无机材料疲劳裂纹扩展的力学行为与高温蠕变特征；无机材料生命周期的评估方法。教学思路：从环境对无机材料的影响和无机材料对环境影响两个方面着手，着重分析无机材料腐蚀产生的原因，讨论腐蚀对材料性能的影响；分析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；同时通过无机材料生命周期评估和生态设计，提出大力发展环境协调材料，推进无机材料的再生与利用。课时分配：无机材料的腐蚀（2学时）；无机材料的疲劳（1学时）；无机材料的再生与利用（1学时）。教学方法：课前导学；讲授；课外作业。教学手段：多媒体课件。合计80800注：实践包括实验、上机等五、实践教学内容和基本要求无。六、考核方式及成绩评定教学过程中采取课堂讲授、学生分小组专题报告与讨论、课外作业、学生分小组论文及报告等方式进行，注重过程考核，考核方式包括：考勤、课堂互动、专题报告、课外作业、课程论文及报告、阶段考核、期末考试等，其中过程考核占总评成绩的50%，期末考试占50%。考核方式考核内容成绩比例（%）备注课程考勤小组专题报告课内互动课外作业根据学生上课出勤情况、上课回答问题、课堂分小组专题报告