《无机非金属材料学》课程教学大纲

 

课程名称：无机非金属材料学

英文名称： Inorganic non-metallic materials

适用专业：材料科学与工程或相关专业

课程类型：专业必修课

课程性质：专业基础课

制定单位：材料化学教研室

制定时间：2015年9月

 

一 、使用说明：

1、课程性质、目的及任务

    《无机非金属材料学》课程是化学与化工学院应用化学、材料化学、化学工程与工艺专业的一门专业基础课。本课程应使学生在先修课程“材料科学基础”的基础上，系统地获得传统无机非金属材料和先进无机非金属材料的特点、功能和应用，了解各个材料领域的新成果和发展趋势，应用理论解决实际问题。在创造性思维、了解自然科学规律、发现问题和解决问题的能力方面获得初步的训练。为学习后续课程、进一步掌握新的科学技术成就和发展能力(继续学习的能力，表述和应用知识的能力，发展和创造知识的能力等)，为培养高起点、厚基础、宽口径、高素质和能适应未来发展需要的专业人才（面向21世纪、能胜任在科研机构、高等和中等院校及企事业单位，从事材料化学、应用化学、环境化学、化工工艺以及相关专业的科研和开发、教学及管理工作）打好必要的基础。

2、课程学时、学分、主要教学环节

（1）每周3学时，共计16周（一学期），48学时

（2）学分：3分

（3）主要教学环节

A．课堂讲授，辅导，作业，习题课。组织研讨课、习题课或辅导课。突出教学内容的“精讲”和“启发式”，培养学生分析问题和解决问题的能力，并能锻炼学生表达能力。

B．课后作业：每周约2.5小时。

3、课程与其它课程的联系

材料科学基础为本课程的先修课程，本课程应在学生学习材料晶体结构、晶体缺陷、塑性变形、相图等的基础上进行讲授；各个材料的制备工艺及应用，本课程仅作一般介绍，主要由材料概论等其它课程完成。

4、教材

陈照峰 张中伟 主编，《无机非金属材料学》，西北工业大学出版，2010

5、主要参考书

林宗寿主编，《无机非金属材料工学》 武汉理工大学出版社，2006

张联盟主编，《材料学》，高等教育出版社，2005

胡志强主编，《无机材料科学基础》，化学工业出版社，2004

沈曾民主编，《新型碳材料》，化学工业出版社，2003

周曦亚，《复合材料》，化学工业出版社，2005

 

6、考核方式

作业成绩、平时成绩、期终闭卷考试成绩，分别占10%、20%、70%。

二、课程内容

（一）、课程教学的要求

1、掌握水泥的定义、分类，了解硅酸盐水泥熟料的配料、煅烧及其性能。

2、掌握玻璃的定义、性质以及玻璃形成的各种条件，通过对各种学说的学习，理解不同比例的玻璃的结构特点，了解玻璃的种类及其特征。

3、理解各类陶瓷化合物的物理性质及结构特点，了解功能陶瓷的种类、特点及其主要用途。

4、掌握各类碳材料的物理化学性质、结构性能。掌握碳材料的制备方法及主要用途。

5、掌握各类陶瓷基复合材料的性能特征及主要用途。

6、了解气凝胶材料的种类及结构特点及应用领域，掌握气凝胶材料的性能、制备方法。

（二）、教学安排：

根据课时要求，本学期共48学时，6章内容。

第一章　水泥（12学时）

　　

教学目的：

明确掌握水泥及硅酸盐水泥熟料的基本概念及分类，了解硅酸盐水泥熟料的配料、煅烧及其性能，介绍通用水泥和特种水泥的分类及各自的应用。

基本要求：

1、明确掌握水泥及硅酸盐水泥熟料的基本概念及分类

2、了解硅酸盐水泥熟料的性能、配料及煅烧工艺

3、了解普通水泥和特种水泥的分类及其目前的实际应用

重点：掌握水泥及硅酸盐水泥熟料的基本概念及分类

难点：硅酸盐水泥熟料的性能及配料、煅烧工艺

基本内容：

一、概述

1、水泥的定义

2、水泥的分类

二、硅酸盐水泥熟料

1、硅酸盐水泥的定义

2、熟料的化学组成

3、熟料的矿物组成

4、熟料矿物的特性

5、熟料的率值

6、熟料矿物组成的计算与换算

三、硅酸盐水泥的配料

1、配料的相关概念

2、配料方案的选择

3、配料计算

四、硅酸盐水泥熟料的煅烧

1、煅烧过程的物理化学变化

2、熟料形成热

五、硅酸盐水泥的水化和硬化

1、熟料矿物的水化

2、硅酸盐水泥的水化

3、硅酸盐水泥的硬化

六、硅酸盐水泥的性能

1、凝结

2、强度

3、耐久性

七、其他通用水泥

1、混合材料

2、普通硅酸盐水泥

3、矿渣硅酸盐水泥

4、火山灰质硅酸盐水泥

5、粉煤硅酸盐水泥

6、石灰石硅酸盐水泥

7、复合硅酸盐水泥

八、特种水泥

1、特种水泥的分类

2、快硬高强水泥

3、油井水泥

4、装饰水泥

5、膨胀和自应力水泥

6、耐高温水泥

7、机场跑道水泥

8、核电站工程用水泥

9、其他特种水泥

第二章　玻璃（6学时）

教学目的：

掌握玻璃的定义、性质、形成及其结构，掌握玻璃组成、结构、性能之间的关系并了解形成玻璃的热力学条件、动力学条件和结晶化学条件。了解普通氧化物玻璃、光学玻璃、微晶玻璃、特种玻璃和玻璃纤维的概念、性能和用途。

基本要求：

1、掌握玻璃的定义、性质、形成及其结构

2、通过对各种学说的学习，理解不同比例的玻璃的结构特点

3、了解形成玻璃的热力学条件、动力学条件和结晶化学条件

4、了解普通氧化物玻璃、光学玻璃、微晶玻璃、特种玻璃和玻璃纤维的概念、性能和用途

重点:

玻璃组成、结构、性能之间的关系

难点:

形成玻璃的热力学条件、动力学条件和结晶化学条件

基本内容:

一、玻璃概述

1、玻璃的定义

2、玻璃的性质

二、玻璃的形成

1、形成玻璃的物质及方法

2、玻璃形成的热力学条件

3、玻璃形成的动力学条件

4、玻璃形成的结晶化学条件

三、玻璃的结构

1、晶子学说

2、无规则网络学说

3、玻璃结构中阳离子的分类

四、玻璃组成、结构、性能之间的关系

五、普通氧化物玻璃

1、硅酸盐玻璃与硼酸盐玻璃

2、玻璃熔制及成型

3、玻璃的退火与淬火

六、光学玻璃

透镜、棱镜、反射镜、窗口

七、微晶玻璃

1、微晶玻璃概述

2、微晶玻璃的种类

八、特种玻璃

1、特种玻璃的概述

2、特种玻璃的分类

3、特种玻璃的制备和加工

九、玻璃纤维

1、典型玻璃纤维的种类

2、玻璃纤维的基本性能

 

第三章：陶瓷（6学时）

 

教学目的：

理解陶瓷的基本概念、结构、相结构。掌握化学气相沉积法制备碳化图层的原理与工艺路线。能够简述鲍林规则的几何原理和适应性。知道几种不同的结构陶瓷的晶体结构和物理性能。了解几种功能陶瓷的目前应用情况。

基本要求：

1、理解陶瓷的基本概念、结构、相结构

2、掌握化学气相沉积法制备碳化图层的原理与工艺路线

3、能够简述鲍林规则的几何原理和适应性

4、几种不同的结构陶瓷的晶体结构和物理性能

5、了解自由基加成反应

6、了解功能陶瓷应用

重点：

化学气相沉积法制备碳化图层的原理与工艺路线

难点：

鲍林规则的几何原理和适应性

基本内容：

一、陶瓷的概述

二、陶瓷的结构

1、陶瓷的结合键

2、陶瓷的晶体结构

三、陶瓷的相结构

1、一元相图

2、二元相图

四、结构陶瓷

1、氧化物陶瓷

2、氮化物陶瓷

3、碳化物陶瓷

五、功能陶瓷

1、电容器陶瓷

2、压电陶瓷

3、磁性陶瓷

4、光学陶瓷

5、导电陶瓷和超导陶瓷

6、半导体陶瓷

 

第四章　碳（9学时）

教学目的：

1、掌握碳的电子结构、晶体结构及其相图，并能比较碳的同素异形体的性质与结构的异同点。

2、掌握碳化与石墨化过程的差异性，了解如何判定石墨化程度。

3、知道C₆₀的性质、结构与功能。

4、知道碳纳米管的性质、结构与功能。

5、知道碳纤维原丝氧化过程的机理。

6、掌握碳材料的制备方法及主要用途。

7、、了解碳/碳（C/C）复合材料的组织结构、性质、防氧化机制与防氧化方法。

基本要求：

1、掌握碳的电子结构、晶体结构及其相图，并能比较碳的同素异形体的性质与结构的异同点。

2、掌握碳化与石墨化过程的差异性，了解如何判定石墨化程度。。

3、掌握碳材料的制备方法及主要用途。

重点：

1、比较碳的同素异形体的性质与结构的异同点

2、碳化与石墨化过程的差异性　　

3、碳材料的制备方法及主要用途。

难点：碳纤维原丝氧化过程的机理

基本内容：

一、概述

1、碳的结构　

（1）碳的电子结构

（2）碳的晶体结构

（3）碳的相图

2、碳的性质

二、碳化与石墨化

1、碳化

（1）碳化的概念

（2）碳化的原理及方法

2、石墨化

（1）石墨化的概念和分类

（2）石墨化碳材料结构的演变

（3）促进石墨化

三、玻璃碳

1、概述

2、玻璃碳的结构与性能

3、玻璃碳的应用

四、 碳纤维

1、概述

2、碳纤维的名称和分类

3、碳纤维的制备方法

4、碳纤维的表面结构及处理

五、富勒烯

1、概述

2、C₆₀的制备和分离

3、结构与性能

4、应用

六、碳纳米管

1、概述

2、结构与性质

3、碳纳米管的制备

4、碳纳米管生长机理的推测

5、碳纳米管的应用

七、碳/碳（C/C）复合材料

1、碳/碳（C/C）复合材料的制备

2、碳/碳（C/C）复合材料的防氧化

3、碳/碳（C/C）复合材料应用

 

第五章：陶瓷基复合材料（9学时）

 

教学目的和要求：

1、掌握陶瓷复合材料的组成、微结构、性能特征、主要用途、分类方法及其设计原则。

2、掌握陶瓷基复合材料的制备方法、分类及其特点比较。

3、了解陶瓷纤维的分类、组成及作用。

4、了解陶瓷基复合材料界面的分类、组成及作用。

5、了解陶瓷纤维复合材料的断裂模式及模型、增韧方式及相关机制。

6、了解碳化硅/氧化硅/氮化硅陶瓷基复合材料。

重点：

1、陶瓷复合材料的组成、微结构、性能、分类方法及其设计原则

2、陶瓷基复合材料的制备方法、分类及其特点比较

难点：陶瓷复合材料的组成、微结构、性能、分类方法及其设计原则

基本内容：

一、概述

1、应用背景

2、陶瓷基复合材料的分类

3、陶瓷基复合材料的性能特征

4、陶瓷基复合材料增韧的方式以及相关机制

二、陶瓷纤维

1、碳化硅纤维

2、氧化铝纤维

3、氮化硼（BN）纤维

4、硅酸铝纤维

三、陶瓷基复合材料的界面

1、界面的功能及类型

2、界面的性能和结构

3、界面的制备工艺

4、界面的性能表征

5、界面材料

四、碳化硅陶瓷基复合材料

1、碳化硅陶瓷基复合材料界面和纤维

2、碳化硅陶瓷基复合材料的制备

3、碳化硅陶瓷基复合材料的主要性能

五、氧化硅陶瓷基复合材料

1、高温透波复合材料

2、氧化硅陶瓷基复合材料

3、纤维增强熔石英复合材料

六、氮化硅陶瓷基复合材料

1、氮化硅陶瓷

2、颗粒增强氮化硅陶瓷基复合材料

3、晶须增强氮化硅陶瓷基复合材料

4、长纤维增强氮化硅陶瓷基复合材料

 

第六章　气凝胶（6学时）

 

目的及要求：

1、了解气凝胶的分类、结构及分形；

2、理解气凝胶的各种性能（力学、光学、热学、电学、声学及其他）；

3、掌握气凝胶制备的基本原理及制备过程中团簇网络结构的演化；

4、了解气凝胶的应用；

重点：

气凝胶制备的基本原理及制备过程中团簇网络结构的演化

难点：

气凝胶制备的基本原理及制备过程中团簇网络结构的演化

基本内容：

一、气凝胶的概述

二、气凝胶的分类及结构

1、气凝胶的分类

2、气凝胶的结构表征

3、气凝胶的分形

三、气凝胶的性能

1、力学特性

2、光学特性

3、热学特性

4、电学特性

5、声学特性

6、气凝胶的其他性质

四、气凝胶的制备

1、溶胶-凝胶过程

2、凝胶干燥过程

3、气凝胶的制备举例

五、气凝胶的应用

1、隔热材料

2、声阻耦合材料

3、催化剂和催化载体

4、高能粒子探测器

5、在电学中的应用

6、在光学中的应用

7、气凝胶的其他应用