《无机材料科学基础》学习指南

无机材料科学基础学习指导课程简介一、课程意义人造材料金属材料 无机非金属材料 有机高分子材料 复合材料传统无机材料新型无机材料硅酸盐材料结构材料 功能材料水泥 玻璃 陶瓷 搪瓷高温 电子 磁性 压电 铁电耐火材料 胶凝材料磨具 磨料热敏、气敏、光敏、湿敏半导体热学 生物 催化剂及载体 填料在人民的日常生活中，在基本建设工程中，在各种工业生产中，在现代国防和现代科学技术中，无机材料都有着各式各样的用途，其用量之大居于所有人造材料首位。因 此在无机材料的生产过程中，如何合理地使用原材料，提高产品质量，改善产品性能， 缩短生产周期，减少能源消耗，降低生产成本，对于提高人民生活水平和促进国民经济 和科学技术发展，具有十分重要的意义。不言而喻，要解决上述问题，必须深入研究各种无机材料制备和生产过程中的内在 物理化学变化规律，用现代科学理论来指导生产实际活动。无机材料是一门高温化学工业，其生产过程包括多种物理化学变化，所以说，无机 材料的发展，依赖于物理化学知识的丰富。二、课程形成、地位及内容1. 形成：物理化学f硅酸盐物理化学f无机材料物理化学f无 机材料科学基础2. 地位：物理化学、结晶化学 f 无机材料物理化学 f 无机材料工 艺学硅酸盐物理化学是在物理化学原理的基础上总结了硅酸盐工业生产的共性 规律而形成，是硅酸盐材料科学的重要基础理论部分。近二十年来，技术革新的浪潮席 卷全世界，作为技术革新支柱的新材料也飞速发展，在传统硅酸盐材料基础上发展出各 种结构和功能材料，其成分已远远超出硅酸盐范畴，总称为无机非金属材料。与此相应， 作为基础理论的硅酸盐物理化学也有了蓬勃发展。除物理化学原理以外，固 体物理、结构化学、结晶化学等的理论不断渗透进来，涉及的范围日益广泛，理 论日益深化，从而改名为无机材料科学基础。所以说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。这门课 程把基础科学理论，如物理化学、固体物理、结构化学、结晶化学中的基本 理论，具体应用到无机材料的制备工艺和性能研究中，用理论来阐明无机材料形成过程 的本质，阐述如何应用基础理论来解决生产实际问题，为生产、研究和开发新材料提供 理论依据。因此，无机材料科学基础是一门新兴的、正在不断发展的应用型学科， 是材料科学的一个重要分支，已成为无机非金属材料科学与工程及其相关专业必修的、 介于基础科学和专业技术之间的一门非常重要的专业基础课程。1. 内容：四面体：顶点结构、物性、反应、材料无机材料科学基础着重于探求无机材料的结构、物理性能和化学反应三者的规 律以及它们之间的有机联系，所包含的内容组成了一个以固体的”结构”、“反应”、“物性” 及“材料”为顶点的四面体，因而是一个具有立体性质的科学领域，也是无机材料科学中 理论与实际结合得最为紧密的专业基础课。本专业的学生是未来的无机材料研制与生产 的工程技术人员，掌握上述立体四面体顶点的专门知识，并了解材料的结构、物性和化 学反应的规律及相互联系，无疑对今后从事复杂的技术工作十分有益。分析这课程的立体四面体，可以看到构成四面体的四个顶点之间既相互联系，有相 互独立。我们知道，物质的结构将决定其物性和反应；反过来，物质的性质又可促使我 们进一步了解物质的结构，而只有充分利用物质的结构、物性及化学反应的知识的基础 上，才能真正得到优良性能的材料。三、课程特点1死记硬背内容少，综合分析结论多作为专业基础课，是基础理论在专业领域的应用，因此许多结论都是建立在实验结果基础 上，由实验结果总结出的共性规律。所以，只要学会分析方法，就不必记住死的结论。这一点 与基础理论大不相同。2实验数据、图表多，分析方法实用性强本课程中许多结论都是从实验数据分析而来，因此分析过程更接近实用，为今后的研究及 分析所借鉴。3各章节之间既相对独立又有有机的联系四、学习方法1多分析，多思考，举一反三，理论联系实际2学习分析问题的方法，这一点比记住结论更重要学生在学习中先自己分析数据，得出自己的结论，然后再与书中的结论进行比较， 不断提高自己分析问题的能力。3按时完成老师布置的作业及思考题五、参考书目1. 宋晓岚，黄学辉无机材料科学基础北京：化学工业出版社，2006 年2. 浙江大学等硅酸盐物理化学北京：中国建筑工业出版社，1980 年3. 叶瑞伦等无机材料物理化学北京：中国建筑工业出版社，1986 年4. 周亚栋无机材料物理化学武汉：武汉工业大学出版社，1994 年5. 陆佩文无机材料科学基础（硅酸盐物理化学）南京：东南大学出版社，1996 年6. 美WD金格瑞等著.清华大学无机非金属材料教研组译.北京：中国建筑工业出 版社，1982年7. 中国建筑工业出版社、中国硅酸盐学会.硅酸盐辞典.北京：中国建筑工业出版社，19848. 宓锦校.无机材料晶体结构（光盘版）.武汉：武汉工业大学出版社，20009. 郭丽萍等.晶体结构基础（光盘版）.武汉：武汉工业大学出版社，2000第 1 章 无机材料引论一、学习意义材料是人类社会赖以生存的物质基础和科学技术发展的技术核心与先导。材料按其 化学特征可划分为无机非金属材料（简称无机材料）、无机金属材料（简称金属材料）、 有机高分子（聚合物）材料和复合材料四大类。其中无机材料因原料资源丰富，成本低 廉，生产过程能耗低，产品应用范围广，能在许多场合替代金属或有机高分子材料，使 材料的利用更加合理和经济，从而日益受到人们的重视，成为材料领域研究和开发的重 点。通过介绍无机材料的分类与特点，阐述无机材料学科内涵及其结构性能工艺与 环境间的关系，提出无机材料的选用原则，分析无机材料的地位与作用，综述无机材料 研究现状与发展趋势，以初步建立起对无机材料的感性认识。二、学习内容1无机材料的分类、特点、选用原则、作用与地位（0.3 学时）2无机材料组成、结构、性能、工艺及其与环境的关系（0.3 学时）3无机材料的研究与发展（0.4 学时）总学时：2 学时三、学习目标1从无机材料科学与工程层次上了解无机材料的分类方法和研究内容。2认识无机材料的结构特点和基本性质，掌握无机材料选用的基本原则。3了解无机材料的基本用途及其在使用中的环境行为效应，建立对无机材料的感 性认识。四、学习难点真正认识无机材料的学科内涵，深刻理解无机材料科学与工程四要素合成与制 备、组成与结构、性能与使用效能四者之间相互关系与制约规律。第 2 章 晶体结构一、学习意义晶体化学是研究晶体的化学组成内部结构性质三者之间关系及其规律的学科。 晶体是具有三维周期性、空间格子构造的固体。在 1912 年以前，对晶体内部结构 的研究还缺乏实验手段；1912 年以后，由于 X 射线晶体衍射实验的成功，使测定晶体 内部的具体结构成为现实，这不仅解决晶体结构的测定，而且在晶体结构与晶体性质之 间的相互关系的研究领域中，取得了巨大的进展。许多科学家，如鲍林（Pauling）、哥 希密特（Goldschmidt）、查哈里阿生（Zachariason）等在这一领域作出了巨大的贡献。 本章晶体化学所讲述的内容几乎都是他们研究的结晶。晶体是无机材料的重要聚集状态。晶体的性质与其化学组成和晶体结构密切相关。 本章将主要介绍多种离子晶体的化学成分与其结构和性质之间的相互关系及其规律。这 一章的教学内容是整个无机材料科学的重要部分，是本课程的重点章节之一，它可为许 多无机材料的性质提供必要的理论基础。无机材料制备所用原料及其制品大多数是以结 晶状态存在的物质，且大多数属于离子晶体。不同的晶体具有不同的性质，晶体的性质 由其内部结构决定，结构发生了变化，性质也就随之发生变化，晶体的结构，又紧密地 与晶体的化学组成相联系，因为质点化学组成的改变，意味着质点在本质上存在着差异， 从而在结构中的排列结合方式也就发生了变化。例如，滑石Mg3Si4O10 （OH） 2具有滑 腻感；又如，在传统无机材料水泥的性质研究过程中发现，水泥熟料中的主要成分 Ca2SiO4（简称C2S）有卩型和y型两种结构，但它们的性质却截然不同。那么，为什么 会有差别呢？大量的研究表明：p-C2S结构中Ca2+的配位数有8和6,因其Ca2+的不规 则配位而相当活泼，能与水发生反应；而y-C2S结构中Ca2+的配位数均为6,则由于 Ca2+的配位规则而比较稳定，在水中几乎是惰性的。因此对水泥材料的水硬性和水化活 性研究取得了更深的认识，要使水泥熟料中含有更多的卩一C2S，可以从增加它的配位 不规则着手。由此可见，无机材料的结构研究对其性质有着深远的影响。二、学习内容1晶体化学的基本原理 （4 学时） 2无机化合物晶体结构 （4 学时） 3硅酸盐晶体结构（4 学时）总学时：12 学时三、学习目标1掌握晶体化学的基本原理及要点。（1）了解晶态物质中各类键合的特性，掌握由元素电负性进行键型估算的方法。（2）了解离子键的键能 u 和离子晶体的晶格能 U 的基本概念，熟悉确定离子晶体 晶格能的实验和理论计算方法。（3）明确影响离子晶体结构的四个基本因素，了解离子半径的概念及确定离子半 径的方法；记住最紧密堆积原理，熟悉等径球最紧密堆积的两种方式，以及两种方式的 空间利用率、空隙数的计算及空隙位置；掌握正、负离子半径比与正离子配位数的关系， 以及离子极化对配位数及晶体结构的影响；了解同质多晶现象的概念和同质多晶转变类 型，Sio2的变体及相互转变关系。2熟悉离子晶体的几种简单结构类犁及实例，学会看简单晶体及硅酸盐晶体的结 构图，掌握描述晶体结构的方法。3熟练掌握鲍林规则，弄清鲍林规则的作用、适用范围和具体内容，并能应用它 说明具体离子晶体的结构。4熟悉硅酸盐结构的特点，能以实例，如镁橄榄石、绿宝石、顽火辉石、高岭石、 蒙脱石、伊利石鳞石英、方石英等说明岛状，环状、链状、层状及架状硅酸盐的具体结 构特征，学会根据材料的不同结构预测材料的性质。四、学习难点1球体的最紧密堆积原理及堆积方式，两种最紧密堆积的空间利用率和空隙数的 计算及空隙位置的确定。这是学习晶体结构的重要基础内容。2鲍林规则要点及应用。3层状硅酸盐晶体矿物：高岭石、蒙脱石、伊利石的结构与性质。第 3 章 晶体结构缺陷一、学习意义晶体结构缺陷是研究晶体产生缺陷的机理及其意义的学科。从 20 世纪初叶，人们 为了探讨物质的变化和其性质产生的原因，纷纷从微观角度来研究晶体的内部构造。第 二章中介绍各种晶体结构都是理想晶体的结构。但是在实际晶体中总或多或少存在着这 样那样的缺陷。在本章中主要学习产生晶体结构缺陷的种类及其原因。晶体结构缺陷的存在使其运动规律和变温过程中的扩散、固相反应、烧结、晶粒形 成、相变的机理及材料的物理化学性能密切相关。缺陷的存在有助于晶体中质点和电荷 的运输。半导体的导电性性质几乎完全是由外来的杂质原子和缺陷所决定的。其他如许 多离子晶体的颜色都是来自缺陷，在A12O3单晶中加入0.52%Cr2O3，白宝石就变成具 有鲜红颜色的红宝石。晶体的发光差不多都和杂质的存在有关，Cr3+占据A13+的位置， 能产生受激辐射效应，是一种性能稳定的固体激光材料。因此，晶体结构缺陷是材料学 的基础。二、学习内容1晶体结构缺陷类型（1 学时）2点缺陷（3 学时）3固溶体（2 学时）4非化学计量化合物（1 学时）5线缺陷（位错）（0.5学时）6面缺陷（