无机材料科学基础课程教学大纲

《无机材料科学基础》课程教学大纲
课程英文名称：Fun dame ntals of Inorganic Materials Science
课程编号：1313014002
课程计划学时：72
学分：4.5
课程简介：
《无机材料科学基础》课程是一门专业基础理论课程，适用于硅酸盐工程与无机材料科学与工程专
业。

主要讲授本专业范围内各种物理化学过程的变化和共性规律，为学生学习专业课打下理论基础，是一门必修的重点课程。

本课程是在修完无机化学、物理学、物理化学、结晶矿物岩石学等课程之后，方能开设的课程。

通过本课程的学习，可以使学生了解无机材料的组成-结构-性能之间的相互关系和变化
规律，为学生学习专业课程和将来从事无机材料的研究与开发奠定理论基础。

一、课程教学内容及教学基本要求
绪论（1学时）
要求了解无机材料的分类，特点，组成、结构、性能、工艺以及其与环境的关系。

第一章晶体结构（12学时）
本章重点为晶体化学基本原理、典型晶体结构和硅酸盐晶体结构，难点为硅酸盐晶体结构。

第一节结晶学基础
本节要求了解各晶系晶体定向法则与结晶符号的表示方法（考核概率0%），理解晶体的基本性质、
晶胞与空间点阵的概念与区别（考核概率50%），掌握七大晶系与十四种布拉维格子的划分与特征（考核概率40%）。

1晶体的基本概念与性质；
2晶胞与空间点阵；
3晶体的对称分类——7个晶系和14种布拉维格子；
4晶体定向与结晶学指数晶面指数与晶向指数。

第二节晶体化学基本原理
本节要求了解晶体中质点间的结合力与结合能（考核概率0%），理解球体最紧密堆积原理和影响离
子晶体结构的因素（考核概率40%），掌握同质多晶和类质同晶的概念以及鲍林规则的应用（考核概率100%）
1晶体中质点间的结合力与结合能；
2晶体中质点的堆积——球体最紧密堆积原理；
3影响离子晶体结构的因素——原子半径和离子半径，配位数与配位多面体，离子极化，电负性，结晶化学定律；
4同质多晶与类质同晶；
5鲍林规则。

第三节典型晶体结构类型
本节要求了解B -ZnS （闪锌矿）型、a -ZnS （纤锌矿）型、CdI 2型、a -Al 2O3 （刚玉）型和MgAl 2O4（尖晶石）型结构（考核概率0%），理解TiO 2 （金红石）型、金刚石型和石墨型结构（考核概率10%），掌握CsCl型、NaCI型、CaF2（萤石）型和CaTiO 3 （钙钛矿）型结构，及正尖晶石和反尖晶石的概念（考核概率100%）
1金刚石结构和石墨结构；
2AX型结构——CsCl型、NaCl型、B -ZnS （闪锌矿）型、a -ZnS （纤锌矿）型；
3AX 2型结构--------- CaF2 （萤石）型、TiO 2 （金红石）型、CdI 2型；
4 A 2X 3型结构一一a -Al 2 O 3 （刚玉）型结构；
5ABO3 型结构---------- CaTiO 3 （钙钛矿）型结构；
6AB 2O 4型结构MgAl 2O 4 （尖晶石）型结构。

第四节硅酸盐晶体结构
本节要求理解各类硅酸盐晶体的结构特点（考核概率20%），掌握硅酸盐晶体的表示方法、结
构特点及分类依据（考核概率80%）。

1硅酸盐晶体的表示方法、结构特点及分类；
2岛状结构；
3组群状结构；
4链状结构；
5层状结构；
6架状结构。

第二章晶体结构缺陷（10学时）
本章重点为缺陷反应式的写法、各种缺陷浓度计算、固溶体的影响因素，难点为缺陷反应式
的写法、分析。

第一节点缺陷
本节要求了解点缺陷对晶体性能的影响（考核概率0%），掌握点缺陷的类型、缺陷化学反应的表示
法和热缺陷浓度的计算（考核概率100%）。

1点缺陷的类型；
2缺陷化学反应表示法；
3热缺陷浓度的计算。

第二节固溶体
本节要求了解固溶体对晶体性质的影响及固溶体的研究方法（考核概率0%），掌握固溶体的分类、
形成固溶体的影响因素（考核概率100%）。

1固溶体的分类；
2置换型固溶体；
3间隙型固溶体；
4固溶体对晶体性质的影响；
5固溶体的研究方法。

第三节非化学计量氧化物
本节要求了解四种非化学计量氧化物的形成原因及外界气氛变化对晶体性质的影响（考核概率0%），掌握四种非化学计量氧化物缺陷反应方程式的写法（考核概率50%）
1阴离子缺位型；
2阳离子填隙型；
3阴离子间隙型；
4阳离子空位型。

第四节线缺陷
本节要求掌握位错的分类，刃位错和螺位错的特点与区别（考核概率100%）
1位错的类型；
2刃位错；
3螺位错；
4混合位错。

第五节面缺陷
本节要求了解几种面缺陷的类型（考核概率0%）
1表面；
2晶界；
3相界面。

第三章熔体与玻璃体（5学时）
本章重点为熔体的结构与性质、玻璃的结构，难点为熔体的性质、玻璃的结构假说。

第一节熔体的结构
本节要求理解熔体的聚合物理论（考核概率0%）。

1对熔体的一般认识；
2熔体的聚合物理论--------------- 聚合物的形成、影响因素。

第二节熔体的性质
本节要求掌握熔体的组成结构和温度对熔体性质的影响（考核概率80%）。

1粘度；
2表面张力一表面能。

第三节玻璃的通性
本节要求理解玻璃（非晶态）与晶体（晶态）性质的区别（考核概率0%），掌握玻璃的四个通性（考核概率100%）
1各向同性；
2介稳性；
3熔融态向玻璃态转化的可逆与渐变性；
4熔融态向玻璃态转化时物理化学性质随温度变化的连续性。

第四节玻璃的形成
本节要求了解形成玻璃的热力学条件、动力学条件和结晶化学条件（考核概率0%），掌握形成玻璃
的物质及方法（考核概率40%）。

1玻璃态物质的形成方法；
2玻璃形成的热力学观点；
3形成玻璃的动力学手段；
4玻璃形成的结晶化学条件。

第五节玻璃的结构
本节要求理解玻璃的两个结构假说（考核概率10%），掌握两个玻璃结构假说的要点（考核概率50%）。

1晶子假说；
2无规则网络假说；
3两大学说的比较与发展。

第六节常见玻璃的类型
本节要求了解两类玻璃的结构性能特点（考核概率0%），掌握表征玻璃结构的四个结构参数（考核
概
率100%）。

1硅酸盐玻璃；
2硼酸盐玻璃。

第四章表面与界面（6学时）
本章重点为固体的表面力场、粘土的荷电性、离子吸附与交换原理、粘土一水系统的性质，难点为晶体表面能、吸附粘附区别、晶界构形、粘土一水系统的电动性质与胶体性质。

第一节固体的表面及其结构本节要求了解固体表面特征、固体的表面能（考核概率0%）,理解各类晶体的表面结构特征（考核概
率10%）掌握固体的表面力场（考核概率80%）。

1固体的表面特征；
2晶体表面结构；
3固体的表面能。

第二节固体的界面及其结构
本节要求了解硅酸盐材料中，多晶体组织中的晶界构形与晶界应力（考核概率0%）。

1晶界与晶界构形；
2晶界应力。

第三节界面行为
本节要求了解各种界面行为，界面上的弯曲表面效应，吸附、润湿与粘附的区别
（考核概率0%）。

1弯曲表面效应；
2润湿与粘附；
3吸附与表面改性。

第四节粘土-水系统胶体化学
本节要求了解瘠性料的悬浮与塑化（考核概率0%），理解粘土-水系统的电动性质和胶体性质（考核概率40%），掌握粘土的荷电性、离子吸附与交换原理（考核概率80%）
1粘土的荷电性；
2粘土的离子吸附与交换；
3粘土胶体的电动性质；
4粘土-水系统的胶体性质；
5瘠性料的悬浮与塑化。

第五章相平衡（16学时）
本章重点为二元、三元系统相图和专业相图的分析，难点为专业相图的分析与应用。

第一节硅酸盐系统相平衡特点
本节要求理解热力学平衡态与非平衡态（考核概率0%），掌握凝聚系统的相律（考核概率90%）。

1热力学平衡态与非平衡态；
2相平衡的基本概念；
3硅酸盐系统中的相律。

第二节相平衡的研究方法
本节要求了解相平衡的研究方法（考核概率0%），掌握根据冷却（加热）曲线建立相图的方法（考核概率50%）。

1静态法（即淬冷法）；
2动态法。

第三节单元系统
本节要求了解具有多晶转变的单元系统相图（考核概率0%）,理解单元系统专业相图（考核概率
10%），掌握SiO2专业相图的应用（考核概率90%）
1水型物质与硫型物质；
2具有同质多晶转变的单元系统相图；
3专业单元系统相图；
第四节二元系统
本节要求理解二元系统专业相图，与生产实际的联系（考核概率20%），掌握杠杆规则、二元系统专
业相图的分析（考核概率90%）。

1二元凝聚系统相图的表示方法及杠杆规则；
2二元凝聚系统相图的基本类型；
3专业二元系统相图。

第五节三元系统
本节要求理解三元系统专业相图，与生产实际的联系（考核概率0%），掌握重心规则、切线规则、
连线规则、三元无变点的性质、三元系统相图的基本类型和分析方法（考核概率100%）。

1三元凝聚系统相图概述；
2三元凝聚系统相图的基本类型；
3专业三元系统相图。

第六章扩散（6学时）
本章重点为扩散微观机制、扩散的宏观动力学方程及其应用、扩散系数及影响因素，难点为扩散的宏观动力学方程及其应用、扩散的微观机构。

第一节晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程
本节要求了解晶体中扩散的基本特点（考核概率0**%），掌握扩散的宏观动力学方程及应用（考核概率80%）。

1晶体中扩散的基本特点；
2扩散的动力学方程一一菲克定律；
3扩散动力学方程应用举例。

第二节扩散过程的推动力、微观机构与扩散系数
本节要求理解多元系统的扩散情况（考核概率0%），掌握扩散的推动力、扩散的微观机构及不同扩
散机构时的扩散系数（考核概率100%）。

1扩散的推动力；
2质点迁移（扩散）的微观机构；
3扩散机构与扩散系数的关系；
4多元系统的扩散（扩散的热力学理论）；。

第三节固体材料中的扩散及影响扩散的因素
本节要求了解无机固体中的扩散情况（考核概率0%），掌握扩散与温度、杂质等的关系（考核概率50%）。

1固体中的扩散；
2影响扩散的因素。

第七章固相反应（4学时）
本章重点为固相反应动力学方程、影响固相反应的因素，难点为固相反应动力学方程。

第一节固相反应的分类、特征与机理
本节要求了解固相反应的分类、特征与固相反应的机理（考核概率0%）。

1固相反应的分类；
2固相反应的特征；
3固相反应机理。

第二节固相反应动力学方程
本节要求理解解固相反应动力学方程（考核概率0%），掌握一般动力学关系（考核概率40%）。

1固相反应一般动力学关系；
2化学反应动力学范围；
3扩散动力学范围。

第三节影响固相反应的因素
本节要求掌握影响固相反应的主要因素（考核概率80%）。

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、压力与气氛的影响；
4矿化剂及其它影响因素。

第八章相变（4学时）
本章重点为成核-生长相变机理、斯宾那多分解，难点为成核-生长相变动力学、斯宾那多分解动力学。

第一节相变的分类
本节要求了解相变定义（考核概率0%），掌握相变的类型（考核概率90%）。

1相变的定义；
2相变的分类。

第二节液—固相变——成核—生长机理
本节要求掌握液-固相变过程（即成核-生长机理）理论（考核概率60%）。

1液一固相变过程热力学；
2液一固相变过程动力学。

第三节液-液相变——斯宾那多分解
本节要求了解玻璃分相的热力学理论和结晶化学观点（考核概率0%），理解液相的不混溶现象（考核概率40%）
1液相的不混溶现象（玻璃的分相）；
2分相的热力学理论；
3分相的结晶化学观点。

第九章烧结（8学时）
本章重点为固相烧结机理、影响烧结的因素，难点为烧结机理。

第一节概述
本节要求了解烧结的定义及分类（考核概率0%），理解烧结的过程（考核概率10%），掌握烧结的推动力、烧结机理和烧结模型（考核概率90%）。

1烧结的定义及分类；
2烧结过程及推动力；
3烧结机理；
4烧结模型。

第二节固态烧结
本节要求掌握固相烧结的传质机理（考核概率80%)。

1蒸发-凝聚传质；
2扩散传质。

第三节液相参与的烧结
本节要求了解液相烧结的传质机理（考核概率0%)
1液相烧结的特点和类型；
2流动传质；
3溶解-沉淀传质。

第四节晶粒生长与二次再结晶
本节要求了解晶界在烧结中的作用（考核概率0%），理解晶粒生长与再结晶的概念（考核概率40%）, 掌握晶粒生长与烧结致密化的关系，二次再结晶对材料性能的影响（考核概率60%）。

1晶粒生长；
2二次再结晶；
3晶界在烧结中的作用。

第五节影响烧结的因素
本节要求掌握影响烧结的各因素，尤其是外加剂的作用（考核概率90%）
1原始粉料的粒度的影响；
2外加剂的作用；
3烧结温度与保温时间的影响；
4物料活性的影响；
5气氛的影响；
6压力的影响。

、教学内容学时分配一览表
三、大纲附录
1、建议教材
《无机材料科学基础》，武汉理工大学出版社，陆佩文主编。

2、参考书目
《无机材料物理化学》，中国建筑工业出版社，周亚栋主编；
《无机材料科学基础》，化学工业出版社，宋晓岚、黄学辉主编;
《无机材料科学基础教程》，化学工业出版社，胡志强主编;
《材料科学基础》，武汉理工大学出版社，张联盟、黄学辉、宋晓岚编。

3、有关说明
本课程是一门理论性较强的专业基础课程，包括大量抽象的晶体结构和枯燥的专业基础理论知识,
学生掌握起来有一定的难度。

建议在教学过程中引入多媒体辅助教学，对抽象的晶体结构部分辅以形象的动画教学和教学模型来加深学生的感观认识；在相平衡、固相反应与粘土-水系统胶体性质等部分引
入实验教学，以印证相关理论知识。