1、材料物理化學（卓越班）課程教學大綱制定依據：本大綱根據2014版本科人才培養方案制定課程編號：I0200534學 時 數：72學 分 數：4.5適用專業：無機非金屬材料先修課程：無機化學、物理化學考核方式：考試一、課程的性質和任務材料物理化學是材料科學與工程專業必修的重要的專業基礎理論課。在材料工程各專業的教學中，起著承上啟下，連接基礎理論知識和專業技術知識的橋梁作用。是整個材料工程各專業的理論基礎。該課程以材料組分、結構與性能之間相互關系及其變化規律為主線，主要研究材料制備過程中的物理現象與化學問題。本課程的主要任務有四點： 使學生理解并掌握晶體、非晶體、熔體、膠體、表面、界面等物質形態的結

2、構與性質的相關知識及其相互關系； 掌握二元、三元體系的相圖識別及其應用。通過對材料組織結構的形成與相互轉化規律的學習，理解材料的成分、溫度、壓力對材料組織結構形成的影響，為材料設計及制定材料生產工藝奠定科學基礎； 掌握與材料生產、加工密切相關的高溫下的材料動力學過程擴散、固態反應和燒結等過程相關的物理化學理論； 了解新材料的組成、結構和性質關系及應用，開闊眼界，提高學習、掌握、開發新材料的興趣。本課程教學內容的基本要求分為掌握、理解、了解三個層次：掌握：要求學生能夠全面、深入理解和熟練掌握所學內容，并能夠用其分析、初步設計和解答與應用相關的問題，能夠舉一反三。理解：要求學生能夠較好地理解所學內

3、容，并且能夠進行簡單分析和判斷。了解：要求學生能夠一般地了解所學內容。本課程比無機非金屬材料工程專業普通本科班多8個課時，卓越班是為國家培育卓越工程師計劃的重要班級，為了讓使本班學生畢業后能夠勝任水泥、商品混凝土、玻璃、陶瓷行業的生產與技術管理，迅速成為企業的骨干力量乃至領軍人物，特在第一章無機材料的化學鍵與電子結構增加2學時、第二章晶體的結構與常見的結構類型增加2學時、第六章相圖與相平衡增加2學時、滴十章固態燒結增加2學時，共計增加8學時。主要對材料物理化學專業知識在實際工程中的應用進行舉例分析。二、教學內容與要求理論教學（學時：72）無機材料的化學鍵與電子結構（2學時）（一）教學內容1.1

4、 離子鍵與離子晶體結合能1、離子與離子鍵的形成2、電離子能、電子親合能、電負性3、原子半徑、離子半徑及離子半徑的確定4、離子及離子鍵的特性與離子晶體材料性能的關系5、離子晶體結合能的計算及對晶體性質的影響1.2 共價鍵與分子軌道理論1、共價鍵的本質與特點2、分子軌道理論要點與原子軌道的組合原則3、分子晶體1.3金屬鍵與固體中電子的能帶結構1、金屬鍵的基本特性2、固體中電子的能帶結構（二）教學要求掌握： （1）掌握：離子半徑的含意；離子晶體結合能的計算；離子鍵、共價鍵、金屬鍵的區別與聯系。（2）理解：電離子能、電子親合能、電負性、原子半徑等基本概念；離子鍵、共價鍵、金屬鍵的的特性與相應晶體性質的

5、關系。（3）了解：分子晶體的特性；固體中電子的能帶結構.晶體的結構與常見晶體結構類型（12學時）（一）教學內容2.1晶體概念與基本性質1、晶體概念2、晶體的點陣結構3、晶體的基本性質2.2晶體的宏觀對稱性1、晶體對稱的特點2、晶體的宏觀對稱要素3、晶體的對稱定律2.4 晶體化學基本原理1、離子堆積原理2、結晶化學定律 3、鮑林規則2.5典型晶體結構1、單質的晶體結構2、典型無機化合物晶體結構2.6硅酸鹽晶體結構1、硅酸鹽的結構單元2、硅酸鹽在空間的結合 3、硅酸鹽化學式表示方法4、島狀硅酸鹽5、組群狀硅酸鹽 6、鏈狀硅酸鹽7、層狀結構硅酸鹽8、網狀結構硅酸鹽（二）教學要求（1）掌握：晶體概念；

6、晶體對稱定律；晶體對稱分類及國際符號；結晶符號；空間群及國際符號；球體最緊密堆積原理和堆積方式；影響離子晶體結構的因素，離子晶體半徑、配位數和配位多面體形狀的關系；掌握鮑林五個規則的要領特點；無機材料典型晶體結構；硅酸鹽晶體結構式的概念和特點。（2）理解： 對稱組合定理；對稱型的推導；結晶化學定律；離子晶體結構原理和類型離子堆積系數；鮑林規則的組成和意義；鮑林規則對結構的指導作用；無機材料典型晶體結構及性質關系；硅酸鹽礦物結構、組成，性質三者之間的關系和規律。（3）了解：晶體性質、球體堆積的配位數和堆垛順序熔體與非晶態固體（4學時）（一）教學內容3.1熔體結構1、掌握熔體結構的聚合物理論。2、

7、理解影響熔體結構的各種因素。3、領會聚合物種類、數量與組成的關系。3.2熔體性質1、熟練掌握溫度、組成對熔體粘度的影響。2、理解影響熔體表面張力的各種因素。3.3玻璃的結構1、理解玻璃結構學說的要點及意義。2、了解玻璃的通性及與晶體的區別。3、掌握玻璃體與晶體在結構上的異同點。3.4玻璃的形成1、領會形成玻璃的結晶化學條件。2、掌握構成玻璃的形成體、中間體和變性體的意義。3、了解溫度、粘度、冷卻速率對玻璃形成的影響。3.5常見玻璃類型1、掌握硅酸鹽玻璃的結構參數2、硼酸鹽玻璃結構及應用。（二）教學要求（1）掌握：熔體結構的聚合物理論、溫度、組成對熔體粘度的影響、玻璃體與晶體在結構上的異同點、構

8、成玻璃的形成體、中間體和變性體的意義（2）理解：影響熔體結構的各種因素、影響熔體表面張力的各種因素、玻璃結構學說的要點及意義 （3）了解：玻璃的通性及與晶體的區別、溫度、粘度、冷卻速率對玻璃形成的影響、硼酸鹽玻璃結構及應用晶體結構缺陷（8學時）（一）教學內容4.1熱力學平衡態點缺陷1、熱缺陷的基本類型2、平衡態熱缺陷濃度3、點缺陷的運動與輸運4.2非熱力學平衡態點缺陷4.3 點缺陷符號與化學方程式1、點缺陷符號2、點缺陷化學方程式4.4離子晶體中的點缺陷與色心4.5摻雜與非化學計量化合物1、固溶體的分類2、置換型固溶體3、填隙型固溶體4、固溶體的研究方法 5、非化學計量化合物 4.6晶體的線缺

9、陷位錯1、位錯理論的提出2、位錯的基本類型和特征（二）教學要求（1）掌握：缺陷符號、缺陷反應方程式的寫法；固溶體的分類和結構；固溶體的常用研究方法；非化學計量化合物的形成及類型。（2）理解：理解點缺陷的意義；缺陷的分類、特點和缺陷濃度的計算方法；非化學計量化合物的形成過程；固溶體的分類、概念和結構、置換型固溶體和填隙型固溶體的區別；形成無限型固溶體的條件；固溶體結構、組成、性能三者的關系和規律。（3）了解：點缺陷的分類、特點， 固溶體的幾個基本性質線缺陷及面缺陷的基本概念表面與界面（6學時）（一）教學內容5.1晶體表面的形貌和結構1、晶體表面的形貌2、晶體表面的結構3、晶體表面的缺陷4、實際晶

10、體表面5.2界面行為1、彎曲表面效應2、潤濕與黏附3、吸附與表面改性5.3無機材料的晶界和相界1、晶界結構和分類2、相界結構和分類3、多晶體的晶界構型5.4膠體分散體系與納米材料中的界面1、粘土-水系統的膠體特性2、粘土泥漿流動性和穩定性及泥料的可塑性3、脊性料的懸浮與塑化4、納米材料中的界面（二）教學要求： （1）掌握：晶體表面的結構、潤濕的類型及發生潤濕的條件、吸附及表面改性、晶界的結構、多晶體的晶界構型、粘土離子的帶電機理、粘土離子的交換和吸附、粘土泥漿流動性和穩定性及泥料的可塑性。（2）理解：晶體表面的形貌、晶體表面的缺陷及缺陷的類型、彎曲表面效應、吸附與表面改性、晶界結構和分類、相界

11、結構和分類、脊性料的懸浮與塑化；（3）了解：彎曲表面效應、納米材料中的界面；相平衡與相圖（14學時）（一）教學內容6.1凝聚態系統相平衡特點1、組分2、相3、凝聚態系統相律6.2一元系統1、水型物質與硫型物質2、多晶轉變的一元系統相圖3、 SiO2系統4、ZrO2系統相圖6.3二元系統1、具有一個低共熔點的簡單二元系統相圖2、生成一個一致熔化合物的二元系統相圖3、生成一個不一致熔化合物的二元系統相圖4、生成一個在固相分解的化合物的二元系統相圖5、具有多晶轉變的二元系統相6、形成連續固溶體的二元系統相圖7、形成有限固溶體的二元系統相圖8、具有液相分層的二元系統相圖9、具體二元系統相圖舉例6.4三

12、元系統1、三元系統組成表示方法2、杠桿規則及重心原理3、三元立體相圖與平面投影圖4、具有一個低共熔點的簡單三元系統相圖5、生成一個一致熔融二元化合物的三元系統相圖6、生成一個不一致熔融二元化合物的三元系統相圖7、生成一個固相分解的二元化合物的三元系統相圖8、具有一個一致熔三元化合物的三元系統相圖9、具有一個不一致熔融三元化合物的三元系統相圖10、形成一個二元連續固溶體的三元相圖11、具有液相分層的三元相圖12、分析復雜相圖的主要步驟13、三元系統相圖應用舉例（二）教學要求（1）掌握：凝聚態系統的特點及相律的具體形式、一元系統相圖的特點、分析一元系統相圖的具體方法、二元系統相圖的特點、能熟練分析

13、低熔點的簡單二元系統、一致熔化合物、不一致熔化合物的二元系統相圖的結晶路程、三元系統中組成表示方法及相關規則與原理（等含量規則、等比例規則、背向性規則、杠桿規則及重心原理）；判讀三元相圖的幾重要規則（連線規則、切線規則、重心規則與三角形規則）；三元系統相圖的特點。能熟練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統相圖的結晶路程。（2）理解：組分、相等相關概念、可逆與不可逆相變的特點、SiO2相圖在硅磚耐火材料生產中的應用、二元系統中杠桿原理及應用。CaO-SiO2系統與Al2O3-SiO2系統相圖在耐火材料中的應用、分析復雜

14、相圖的主要步驟并能應用于CaO-Al2O3-SiO2系統與Na2O-CaO-SiO2系統三元相圖（3）了解：凝聚態系統中相律具體形式的推導過程、穩定ZrO2與SiO2的方法、三元系統的立體圖變化成平面圖的投影過程及規律固體中質點的擴散（6學時）（一）教學內容7.1固體中指點擴散的特點與唯象理論1、流體擴散和固體擴散的特點2、擴散的菲克第一定律和第二定律3、菲克定律的應用穩定擴散7.2質點遷移的微觀機制與擴散系數1、質點遷移的微觀機制2、原子躍遷與擴散系數7.3擴散的熱力學理論1、擴散的熱力學理論2、空位機制和間隙機制擴散3、雜質缺陷引起的擴散4、非本征缺陷引起的擴散行為7.4固體質點擴散的影響

15、因素1、溫度對固體擴散的影響2、雜質對固體擴散的影響3、缺陷結構對固體擴散的影響4、氣氛對固體擴散的影響（二）教學要求（1）掌握：擴散的菲克第一定律和第二定律、質點遷移的微觀機制、非本征缺陷引起的擴散行為（2）理解：擴散的影響因素、掌握質點擴散的特點、擴散的種類（3）了解：菲克定律的應用、離子晶體、共價晶體和金屬晶體的擴散固態化學反應（4學時）（一）教學內容8.1 凝聚態體系化學反應的基本特征1、固態反應的定義2、固態反應的特點3、泰曼等關于固相反應機制的研究4、固相反應過程5、固相反應的分類8.2 固相反應動力學1、一般動力學關系2、化學反應動力學范圍3、擴散動力學范圍8.3影響固相反應的因

16、素1、反應物化學組成與結構的影響2、反應物顆粒尺寸及分布的影響3、反應溫度和壓力與氣氛的影響4、礦化劑及其它影響因素8.4實例（二）教學要求（1）掌握：固態化學反應的含義、固態反應的特點與類型、一般反應過程；（2）理解：固態反應一般動力學過程及不同動力學控制范圍的動力學方程；（3）了解：影響固態反應的多種因素。 固態相變（6學時）（一）教學內容概述9.1 相變的分類1、按熱力學分類2、按相變方式分類3、按質點遷移特征分類4、按動力學分類9.2 相變的基本特征1、固態相變的特點2、馬氏體轉變3、擴散型固態相變9.3相變過程熱力學1、相變的熱力學特征與相變的級數2、相變的熱力學驅動力3、晶核形成條

17、件9.4相變過程熱力學1、晶核形成過程動力學2、晶體生長過程動力學3、總的結晶速率4、析晶過程5、影響析晶能力的因素9.5結晶與晶體生長1、晶核形成的結構基礎2、晶核生長理論9.6薄膜材料中晶體生長（二）教學要求（1）掌握：固態相變的含義、固態相變的分類方法與類型、典型相變的特點；（2）理解：固態相變的熱力學驅動力及一般動力學過程、晶核形成的條件與生長理論、；（3）了解：影響固態相變、晶體結晶的多種因素。 固態燒結（8學時）（一）教學內容10.1燒結的基本特征1、燒結的宏觀定義與微觀定義2、燒結的特點3、燒結與其他概念的區別4、燒結過程的推動力5、燒結的兩個雙球和平板模型10.2燒結機制與動力

18、學方程1、蒸發-凝聚傳質2、擴散傳質3、流動傳質4、溶解-沉淀傳質10.3燒結過程中晶粒生長與異常生長1、晶粒的長大與異常生長的定義2、晶粒正常生長過程3、晶粒異常生長過程4、晶粒異常生長的影響因素與采取的避免措施5、晶界在燒結中的作用10.4影響燒結的因素1、原始粉料的粒度與分布2、外加劑3、燒結的溫度與時間4、原料的選擇與煅燒條件5、氣氛與成型壓力10.5特種燒結技術1、無壓燒結2、熱壓燒結3、高溫等靜壓燒結4、等離子體燒結5、微波燒結6、爆炸燒結（二）教學要求（1）掌握：固相燒結和液相燒結的四個機制與動力學方程、影響燒結的幾個因素、 （2）理解： 相關的概念、晶粒長大與晶界移動的速率、晶粒異常生長的影響因素與采取的措施（3）了解：燒結的定義和特點、燒結的三個模型、特種燒結技術三、考核要求材料物理化學程的考核以平時考核和期末考試相結合，平時考核