材料物理化学教学大纲卓越班.docx
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材料物理化学教学大纲卓越班
《材料物理化学》(卓越班)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:
72
学分数:
4.5
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。
本课程比无机非金属材料工程专业普通本科班多8个课时,卓越班是为国家培育卓越工程师计划的重要班级,为了让使本班学生毕业后能够胜任水泥、商品混凝土、玻璃、陶瓷行业的生产与技术管理,迅速成为企业的骨干力量乃至领军人物,特在第一章无机材料的化学键与电子结构增加2学时、第二章晶体的结构与常见的结构类型增加2学时、第六章相图与相平衡增加2学时、滴十章固态烧结增加2学时,共计增加8学时。
主要对材料物理化学专业知识在实际工程中的应用进行举例分析。
二、教学内容与要求
理论教学(学时:
72)
无机材料的化学键与电子结构(2学时)
(一)教学内容
1.1离子键与离子晶体结合能
1、离子与离子键的形成
2、电离子能、电子亲合能、电负性
3、原子半径、离子半径及离子半径的确定
4、离子及离子键的特性与离子晶体材料性能的关系
5、离子晶体结合能的计算及对晶体性质的影响
1.2共价键与分子轨道理论
1、共价键的本质与特点
2、分子轨道理论要点与原子轨道的组合原则
3、分子晶体
1.3金属键与固体中电子的能带结构
1、金属键的基本特性
2、固体中电子的能带结构
(二)教学要求掌握:
(1)掌握:
离子半径的含意;离子晶体结合能的计算;离子键、共价键、金属键的区别与联系。
(2)理解:
电离子能、电子亲合能、电负性、原子半径等基本概念;离子键、共价键、金属键的的特性与相应晶体性质的关系。
(3)了解:
分子晶体的特性;固体中电子的能带结构.
晶体的结构与常见晶体结构类型(12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(14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(8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]《材料科学基础》张联盟主编,武汉理工大学出版社,2008年第2版
[2]《无机材料科学基础教程》,胡志强主编,化学工业出版社出版社,2011年第2版
[3]《无机材料物理化学》,周亚栋主编,武汉理工大学出版社,2006年第1版
[4]《材料物理化学》,张志杰主编,化学工业出版社出版社,2006年第1版
执笔人:
侯伟
教研室主任签字:
院长(部主任)签字:
2014年07月05日
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
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- 关 键 词:
- 材料 物理化学 教学大纲 卓越