無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 教學(xué)大綱

第頁無機材料科學(xué)基礎(chǔ)一、課程說明課程編號：030302Z10課程名稱：無機材料科學(xué)基礎(chǔ)/FundamentalsofInorganicMaterialsScience課程類別：專業(yè)核心課學(xué)時/學(xué)分：80/5先修課程：物理化學(xué)、材料學(xué)概論、結(jié)晶學(xué)與巖相學(xué)適應(yīng)專業(yè)：無機非金屬材料工程教材、教學(xué)參考書：（1）、黃學(xué)輝主編．無機材料科學(xué)基礎(chǔ)．化學(xué)工業(yè)出版社．2010年（2）陸佩文主編．無機材料科學(xué)基礎(chǔ)．武漢工業(yè)大學(xué)出版社．1996年（3）丁子上主編．硅酸鹽物理化學(xué)．中國建材工業(yè)出版社．1980年二、課程設(shè)置的目的意義《無機材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程是無機非金屬材料工程專業(yè)培養(yǎng)方案中的主干課程和必修的專業(yè)核心課程，該課程為學(xué)生較早接觸的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是由基礎(chǔ)課向?qū)I(yè)課過渡的橋梁，起到承上啟下的作用，其課程內(nèi)容對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法和創(chuàng)新能力以及運用基礎(chǔ)理論解決實際問題的能力，構(gòu)建無機材料科學(xué)研究和工程技術(shù)人員的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識體系具有主導(dǎo)和奠基作用，對學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)及后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)等有著重要的影響?！稛o機材料科學(xué)基礎(chǔ)》是從無機材料領(lǐng)域內(nèi)的各種材料制品的工藝技術(shù)實踐中總結(jié)出來的共性規(guī)律而形成的一門課程，是無機材料科學(xué)的重要基礎(chǔ)理論。該課程把基礎(chǔ)科學(xué)理論，特別是物理化學(xué)、晶體化學(xué)、缺陷化學(xué)、非晶態(tài)科學(xué)、表面與界面化學(xué)、材料熱力學(xué)與動力學(xué)等中的基本理論，具體應(yīng)用到無機材料的制備工藝和性能研究中。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生在知識體系構(gòu)造上涵蓋無機材料所需的科學(xué)原理及技術(shù)基礎(chǔ)，并關(guān)注無機材料學(xué)科的新知識、新技術(shù)、新成果；在知識掌握方面遵循從理想到實際、從規(guī)則到不規(guī)則、從靜態(tài)到動態(tài)的原則，在宏觀－微觀－宏觀的循環(huán)過程中明確無機非金屬材料制備－加工－使用－消亡過程中的科學(xué)和工程原理，了解知識的規(guī)律性和相互聯(lián)系；在能力培養(yǎng)上將無機材料制備、使用及服役中科學(xué)與工程問題融為一體，奠定科學(xué)基礎(chǔ)同時強化工程能力培養(yǎng)。三、課程的基本要求在本課程學(xué)習(xí)中，要求掌握晶體結(jié)構(gòu)、無機材料熱力學(xué)、高溫過程動力學(xué)、固體表面物理化學(xué)、無機材料與環(huán)境效應(yīng)等無機非金屬材料專業(yè)基礎(chǔ)知識，全面理解無機非金屬材料科學(xué)中的基本原理和共性規(guī)律，了解無機材料科學(xué)前沿發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。在學(xué)習(xí)本課程時應(yīng)注意明確基本概念，弄清基本原理，掌握基本規(guī)律。對問題提出的根據(jù)和結(jié)論應(yīng)用的條件要十分清晰。勤于思考，善于總結(jié)。并在此基礎(chǔ)上，理論聯(lián)系實際，把理論知識和分析生產(chǎn)實際中的問題結(jié)合起來，加深基本理論的理解和應(yīng)用。有必要復(fù)習(xí)已學(xué)過的無機化學(xué)、物理化學(xué)和結(jié)晶學(xué)的有關(guān)知識，并開始閱讀相關(guān)專業(yè)書籍，以更好地理解和掌握本課程內(nèi)容。學(xué)習(xí)中通過科學(xué)思維方法的訓(xùn)練，掌握運用科學(xué)原理分析和表述無機非金屬材料工程問題的能力和方法，為將來從事無機材料設(shè)計、研發(fā)及生產(chǎn)奠定必要的科學(xué)基礎(chǔ)。培養(yǎng)解決無機非金屬材料實際工程問題的能力，并使創(chuàng)新精神、開拓進取思維和科學(xué)研究能力得到一定的提高。根據(jù)課程體系與培養(yǎng)要求的對應(yīng)關(guān)系矩陣，本課程所承載的知識、能力和素質(zhì)培養(yǎng)的具體要求如下：知識要求：掌握無機材料不同聚集狀態(tài)（晶體、非晶體、粉體、表面、界面等）的組成、結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)缺陷、性能之間的關(guān)系；掌握相平衡的有關(guān)知識和外界條件（如：溫度、壓力、濃度等）對相平衡的影響，學(xué)會分析相圖的基本方法和步驟，了解無機材料專業(yè)相圖以及在生產(chǎn)中的應(yīng)用；掌握無機材料生產(chǎn)制備過程中基本動力學(xué)過程（包括：擴散、固相反應(yīng)、相變、燒結(jié)）的速度、機理以及外界因素（如：溫度、壓力、濃度、雜質(zhì)等）對過程速度的影響；明確無機材料生產(chǎn)和使用過程中的環(huán)境效應(yīng)；了解無機非金屬材料科學(xué)領(lǐng)域新理論以及其發(fā)展方向；建立材料設(shè)計的基本思維方式，學(xué)會從組成與結(jié)構(gòu)的關(guān)系分析材料的性能，能用基本理論來闡明無機材料形成和服役過程的本質(zhì)，掌握應(yīng)用基礎(chǔ)理論來解決復(fù)雜工程問題的方法，從而為今后從事無機材料生產(chǎn)和新材料設(shè)計、研究和開發(fā)提供必要的材料科學(xué)理論基礎(chǔ)。能力要求：運用物理學(xué)和化學(xué)基礎(chǔ)知識分析無機材料組成、結(jié)構(gòu)及其性能之間的關(guān)系和規(guī)律，運用數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識對主要理論公式進行推導(dǎo)；運用無機材料結(jié)構(gòu)的表征方法和缺陷化學(xué)的方法進行無機材料制備條件的分析，將無機材料基礎(chǔ)理論知識用于解決無機材料制備中的復(fù)雜工程問題；掌握最基本的無機材料設(shè)計理念，提高開發(fā)新材料的能力；針對具體問題提出有效的解決方案，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，提高分析、發(fā)現(xiàn)、研究和解決問題的能力。素質(zhì)要求：具備準確表達無機材料科學(xué)基礎(chǔ)所涉及的各項學(xué)習(xí)內(nèi)容與研究方法、制作并分析無機材料研究的相關(guān)圖表、運用相關(guān)的專業(yè)知識和語言與不同領(lǐng)域從業(yè)人員交流、溝通無機材料科學(xué)基礎(chǔ)方面專業(yè)問題的素質(zhì)；建立無機材料結(jié)構(gòu)－性能－制備－使用－環(huán)境一體化的觀念，運用所學(xué)知識或查閱新的知識，分析解決相關(guān)專業(yè)問題，提升理解工程管理與經(jīng)濟決策的基本素質(zhì)；具有創(chuàng)新精神和開拓進取的思維，能夠在無機材料領(lǐng)域研究、開發(fā)、分析、解決問題過程中承擔(dān)相應(yīng)的任務(wù)；提升自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識，形成不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展素質(zhì)。四、教學(xué)內(nèi)容、重點難點及教學(xué)設(shè)計章節(jié)教學(xué)內(nèi)容總學(xué)時學(xué)時分配教學(xué)重點教學(xué)難點教學(xué)方案設(shè)計（含教學(xué)方法、教學(xué)手段）講課(含研討)實踐第1章無機材料概論無機材料的分類、特點、選用原則、作用與地位；無機材料組成、結(jié)構(gòu)、性能、工藝及其與環(huán)境的關(guān)系；無機材料的研究與發(fā)展。220無機材料分類方法和研究內(nèi)容；無機材料結(jié)構(gòu)特點和基本性質(zhì)；無機材料選用基本原則；無機材料基本用途及其在使用中環(huán)境行為效應(yīng)。無機材料學(xué)科內(nèi)涵；無機材料科學(xué)與工程合成與制備、組成與結(jié)構(gòu)、性能與使用效能四要素之間相互關(guān)系與制約規(guī)律。教學(xué)思路：運用圖表和數(shù)據(jù)結(jié)合現(xiàn)狀和發(fā)展，概述從無機材料科學(xué)與工程層次上無機材料的分類方法和研究內(nèi)容、無機材料的結(jié)構(gòu)特點和基本性質(zhì)、無機材料選用的基本原則、無機材料的基本用途及其在使用中的環(huán)境行為效應(yīng)，以初步建立對無機材料的感性認識。課時分配：無機材料的分類、特點、選用原則、作用與地位（1學(xué)時）；無機材料組成、結(jié)構(gòu)、性能、工藝及其與環(huán)境的關(guān)系（0.5學(xué)時）；無機材料的研究與發(fā)展（0.5學(xué)時）。教學(xué)方法：講授。教學(xué)手段：多媒體課件。第2章晶體結(jié)構(gòu)晶體化學(xué)的基本原理；無機化合物晶體結(jié)構(gòu)；硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)。14140影響晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)因和外因條件；晶體結(jié)構(gòu)圖及結(jié)構(gòu)描述方法；無機晶體及硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)類型、特點及其與性能的關(guān)系；鮑林規(guī)則球體最緊密堆積及堆積密度；空隙類型及空隙位置確定；層狀硅酸鹽晶體礦物：高嶺石、蒙脫石、伊利石的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。教學(xué)思路：由晶格能、質(zhì)點堆積、空隙、配位數(shù)等基本概念引出晶體化學(xué)理論；通過實例分析無機晶體及硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)和特點，突出晶體結(jié)構(gòu)－性能－應(yīng)用之間的關(guān)系，使學(xué)生學(xué)會根據(jù)材料的不同結(jié)構(gòu)預(yù)測材料的性質(zhì)和潛在應(yīng)用。課時分配：晶體化學(xué)的基本原理（6學(xué)時）；無機化合物晶體結(jié)構(gòu)（4學(xué)時）；硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)（4學(xué)時）。教學(xué)方法：課前導(dǎo)學(xué)（以思考題形式進行前修課知識回顧與本次課內(nèi)容預(yù)習(xí)）；講授；典型晶體結(jié)構(gòu)實例分析、課堂分小組專題報告與討論；課外作業(yè)。教學(xué)手段：多媒體課件；晶體結(jié)構(gòu)模型、晶體結(jié)構(gòu)3D動畫。第3章晶體結(jié)構(gòu)缺陷點缺陷；固溶體；非化學(xué)計量化合物；線缺陷（位錯）；面缺陷（晶界）。10100晶體中點缺陷分類、缺陷符號、缺陷形成反應(yīng)、缺陷濃度計算；固溶體分類、形成條件及其研究方法；非化學(xué)計量化合物類型與形成；刃位錯、螺位錯和伯格斯矢量基本概念；面缺陷的類型及特點弗倫克爾缺陷和肖特基缺陷平衡濃度計算；固溶體形成反應(yīng)方程式；固溶體類型判別方法；非化學(xué)計量化合物類型、形成及其對晶體性能的影響教學(xué)思路：從微觀層次上介紹晶體中缺陷產(chǎn)生的原因和缺陷的類型，闡述缺陷的產(chǎn)生、控制與利用，使學(xué)生建立缺陷與材料性質(zhì)和材料加工之間的相互聯(lián)系，為最終利用或控制缺陷對材料實施改性奠定科學(xué)基礎(chǔ)。課時分配：點缺陷（4學(xué)時）；固溶體（2學(xué)時）；非化學(xué)計量化合物（1學(xué)時）；線缺陷（位錯）（2學(xué)時）；面缺陷（晶界）（1學(xué)時）教學(xué)方法：課前導(dǎo)學(xué)；講授；課堂分小組專題報告與討論；課外作業(yè)。教學(xué)手段：多媒體課件；晶體結(jié)構(gòu)模型、晶體結(jié)構(gòu)缺陷形成flash動畫第4章非晶態(tài)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)硅酸鹽熔體的結(jié)構(gòu)；硅酸鹽熔體的性質(zhì)；玻璃的形成；玻璃的結(jié)構(gòu)；典型玻璃類型。880熔體結(jié)構(gòu)聚合物理論；熔體粘度、表面張力與溫度、組成的關(guān)系；玻璃形成動力學(xué)和結(jié)晶化學(xué)條件；玻璃結(jié)構(gòu)兩大學(xué)說-無規(guī)則連續(xù)網(wǎng)絡(luò)學(xué)說和微晶學(xué)說；玻璃結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算方法和作用。熔體粘度計算；熔體3T圖繪制；玻璃結(jié)構(gòu)參數(shù)計算與性能推斷。教學(xué)思路：通過熔體的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)、玻璃的通性、玻璃的形成、玻璃的結(jié)構(gòu)理論以及典型玻璃類型等基本知識的講解使學(xué)生充分認識到非晶態(tài)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)對控制無機材料的制造過程和改善無機材料性能具有重要的意義。課時分配：硅酸鹽熔體的結(jié)構(gòu)（1學(xué)時）；硅酸鹽熔體的性質(zhì)（2學(xué)時）；玻璃的形成（2學(xué)時）；玻璃的結(jié)構(gòu)（2學(xué)時）；典型玻璃類型（1學(xué)時）。教學(xué)方法：課前導(dǎo)學(xué)；講授；課外作業(yè)。教學(xué)手段：多媒體課件。第5章固體的表面與界面固體表面及其結(jié)構(gòu)；界面行為；粘土－水系統(tǒng)。10100固體表面結(jié)構(gòu)與表面能；彎曲表面效應(yīng)、潤濕與粘附；粘土－水系統(tǒng)膠體性質(zhì)。潤濕判斷和調(diào)節(jié)；粘土－水系統(tǒng)中粘土膠體性質(zhì)及其影響因素和作用機理。教學(xué)思路：講解無機固體的表面及結(jié)構(gòu)，界面行為，包括彎曲表面效應(yīng)、吸附與表面改性、潤濕與粘附等基礎(chǔ)知識，進一步分析討論粘土－水系統(tǒng)的膠體化學(xué)性質(zhì)，為學(xué)生了解和運用表面科學(xué)知識解決無機材料相關(guān)科學(xué)與工程問題奠定基本的必要的理論基礎(chǔ)。課時分配：固體表面及其結(jié)構(gòu)（2學(xué)時）；界面行為（4學(xué)時）；粘土－水系統(tǒng)（4學(xué)時）。教學(xué)方法：課前導(dǎo)學(xué)；講授；課堂分小組專題報告與討論；課外作業(yè)；階段考試。教學(xué)手段：多媒體課件。第6章相平衡和相圖相律及相平衡研究方法；單元系統(tǒng)；二元系統(tǒng)；三元系統(tǒng)16160相律及相平衡研究方法；單元、多元相圖基本原理及應(yīng)用；不同組元無機材料專業(yè)相圖及其在無機材料組成設(shè)計、工藝方法選擇、礦物組成控制及性能預(yù)測。相平衡研究方法；各種類型相圖分析方法；相圖在無機材料生產(chǎn)、研究與開發(fā)中的具體運用和指導(dǎo)作用。教學(xué)思路：從相律及相平衡研究方法入手，具體介紹單元、多元相圖的基本原理及應(yīng)用，強化不同組元無機材料專業(yè)相圖及其在無機材料組成設(shè)計、工藝方法選擇、礦物組成控制及性能預(yù)測等方面的應(yīng)用等理論與實踐知識。課時分配：相律及相平衡研究方法（1學(xué)時）；單元系統(tǒng)（2學(xué)時）；二元系統(tǒng)（5學(xué)時）；三元系統(tǒng)（8學(xué)時）。教學(xué)方法：課前導(dǎo)學(xué)；講授；課外作業(yè)；階段考試。教學(xué)手段：多媒體課件、相圖分析flash動畫。第7章固體中的擴散擴散動力學(xué)方程—菲克定律及其應(yīng)用；固體擴散機制與擴散系數(shù)；多元擴散系數(shù)；影響擴散系數(shù)的因素440固相擴散機構(gòu)；菲克第一、第二定律；無序擴散和自擴散系數(shù)；擴散機構(gòu)和擴散系數(shù)的關(guān)系；多元系統(tǒng)擴散系數(shù)；影響擴散系數(shù)的因素。菲克第二定律應(yīng)用；擴散系數(shù)推導(dǎo)。教學(xué)思路：介紹固態(tài)擴散的宏觀規(guī)律及其動力學(xué)方程推導(dǎo)、擴散的微觀機構(gòu)及擴散系數(shù)，通過宏觀－微觀－宏觀的漸進循環(huán)，使學(xué)生認識擴散現(xiàn)象及本質(zhì)，總結(jié)出影響擴散的微觀和宏觀因素，最終達到對基本動力學(xué)過程—擴散的控制與有效利用。課時分配：擴散動力學(xué)方程—菲克定律及其應(yīng)用（1學(xué)時）；固體擴散機制與擴散系數(shù)（2學(xué)時）；多元擴散系數(shù)（0.5學(xué)時）；影響擴散系數(shù)的因素（0.5學(xué)時）。教學(xué)方法：課前導(dǎo)學(xué)；講授；分小組課程論文及報告，課外作業(yè)。教學(xué)手段：多媒體課件。第8章固相反應(yīng)固相反應(yīng)分類與特征；固相反應(yīng)過程及機理；固相反應(yīng)動力學(xué)；影響固相反應(yīng)的因素。440固相反應(yīng)機理；固相反應(yīng)動力學(xué)方程及其應(yīng)用；影響固相反應(yīng)的因素。楊德方程與金斯特林格方程推導(dǎo)及其應(yīng)用。教學(xué)思路：著重討論固相反應(yīng)機理、動力學(xué)關(guān)系推導(dǎo)及其適用的范圍，分析影響固相反應(yīng)的因素，以實現(xiàn)對固相反應(yīng)的控制。課時分配：固相反應(yīng)分類與特征（0.5學(xué)時）；固相反應(yīng)過程及機理（1學(xué)時）；固相反應(yīng)動力學(xué)（2學(xué)時）；影響固相反應(yīng)的因素（0.5學(xué)時）。教學(xué)方法：課前導(dǎo)學(xué)；講授；分小組課程論文及報告，課外作業(yè)。教學(xué)手段：多媒體課件。第9章相變過程相變的分類與條件；液－固相變；液－液相變440相變過程機理；相變熱力學(xué)條件；成核－生長相變動力學(xué)方程；液－液分相機理及對材料性能的影響。均態(tài)核化和非均態(tài)核化的熱力學(xué)分析和動力學(xué)方程推導(dǎo)；晶體生長動力學(xué)方程推導(dǎo)；液－液相變機理。教學(xué)思路：由“相變?yōu)楹螘l(fā)生、相變是如何進行的“問題引出相變理論，重點介紹液－固和液－液相變動力學(xué)，認識研究、控制、利用相變能有效改善無機材料使用性能的目標。課時分配：固相變的分類與條件（1學(xué)時）；液－固相變（2學(xué)時）；液－液相變（1學(xué)時）。教學(xué)方法：課前導(dǎo)學(xué)；講授；分小組課程論文及報告，課外作業(yè)。教學(xué)手段：多媒體課件。第10章燒結(jié)過程燒結(jié)理論及分類；燒結(jié)過程及機理；固相燒結(jié)動力學(xué)；再結(jié)晶和晶粒長大；影響燒結(jié)的因素440燒結(jié)傳質(zhì)機理；燒結(jié)初期、中期和末期燒結(jié)動力學(xué)；初次再結(jié)晶、晶粒長大和二次再結(jié)晶；影響燒結(jié)的因素。燒結(jié)初期、中期和末期的燒結(jié)動力學(xué)方程推導(dǎo)；晶粒長大和二次再結(jié)晶的區(qū)別及其對材料性能影響和工藝控制。教學(xué)思路：在簡要介紹燒結(jié)理論的研究與發(fā)展基礎(chǔ)上，著重闡述純固相和有液相參與的燒結(jié)過程、機理及動力學(xué)，燒結(jié)過程中的晶粒長大與再結(jié)晶以及影響燒結(jié)的因素等燒結(jié)基礎(chǔ)理論知識。課時分配：燒結(jié)理論及分類（0.5學(xué)時）；燒結(jié)過程及機理（0.5學(xué)時）；固相燒結(jié)動力學(xué)（1.5學(xué)時）；再結(jié)晶和晶粒長大（1學(xué)時）；影響燒結(jié)的因素（0.5學(xué)時）。教學(xué)方法：課前導(dǎo)學(xué)；講授；分小組課程論文及報告，課外作業(yè)。教學(xué)手段：多媒體課件。第11章無機材料的環(huán)境效應(yīng)無機材料的腐蝕；無機材料的疲勞；無機材料的再生與利用440無機材料腐蝕產(chǎn)生原因及其對材料性能影響；無機材料疲勞裂紋擴展力學(xué)行為與特征；材料高溫蠕變及特征；無機材料生命周期評估和生態(tài)設(shè)計；環(huán)境協(xié)調(diào)材料特征及工藝技術(shù)。無機材料疲勞裂紋擴展的力學(xué)行為與高溫蠕變特征；無機材料生命周期的評估方法。教學(xué)思路：從環(huán)境對無機材料的影響和無機材料對環(huán)境影響兩個方面著手，著重分析無機材料腐蝕產(chǎn)生的原因，討論腐蝕對材料性能的影響；分析無機材料疲勞裂紋擴展的力學(xué)行為與特征及材料的高溫蠕變特征；同時通過無機材料生命周期評估和生態(tài)設(shè)計，提出大力發(fā)展環(huán)境協(xié)調(diào)材料，推進無機材料的再生與利用。課時分配：無機材料的腐蝕（2學(xué)時）；無機材料的疲勞（1學(xué)時）；無機材料的再生與利用（1學(xué)時）。教學(xué)方法：課前導(dǎo)學(xué)；講授；課外作業(yè)。教學(xué)手段：多媒體課件。合計80800注：實踐包括實驗、上機等五、實踐教學(xué)內(nèi)容和基本要求無。六、考核方式及成績評定教學(xué)過程中采取課堂講授、學(xué)生分小組專題報告與討論、課外作業(yè)、學(xué)生分小組論文及報告等方式進行，注重過程考核，考核方式包括：考勤、課堂互動、專題報告、課外作業(yè)、課程論文及報告、階段考核、期末考試等，其中過程考核占總評成績的50%，期末考試占50%?？己朔绞娇己藘?nèi)容成績比例（%）備注課程考勤小組專題報告課內(nèi)互動課外作業(yè)根據(jù)學(xué)生上課出勤情況、上課回答問題、課堂分小組專題報告