《材料物理化学》教学大纲 课程名称:材料物理化学 课程类别:专业基础 适用专业:化学 考核方式:考试 总学时、学分:4学时4学分 一、课程教学目的 材料物理化学是化学与材料科学学院化学专业的一门主干必修 基础课。本课程把基础科学理论,特别是物理化学、无机化学等中的 基本理论,具体应用到材料的制备、结构和性能研究上,成为介于基 础科学和专业技术之间的一门重要的基础课程,在知识搭建中起着承 前启后的作用。通过教学使学生完整系统地了解材料的组成、结构、 性质之间的相互关系以及在各种条件下的变化规律,掌握材料物理化 学中的基本原理和实验方法,培养学生对一般材料科学问题的发现、 分析和解决的能力。 二、课程教学要求 课程要求同学全面掌握材料物理化学的理论基础和实验技能,为 指导无机材料的生产和研制特定性能的无机非金属新材料提供理论 依据和线索,并为后续专业课的学习奠定坚实的理论基础。 三、先修课程 《物理化学》、《无机化学》。 四、课程教学重、难点 重点:材料物理化学中的基本原理,材料的组成、结构、性质之 间的相互关系,以及在各种条件下的变化规律。 难点:对一些现象机理的掌握及与实践的结合
《材料物理化学》教学大纲 课程名称:材料物理化学 课程类别:专业基础 适用专业:化学 考核方式:考试 总学时、学分: 64 学时 4 学分 一、课程教学目的 材料物理化学是化学与材料科学学院化学专业的一门主干必修 基础课。本课程把基础科学理论,特别是物理化学、无机化学等中的 基本理论,具体应用到材料的制备、结构和性能研究上,成为介于基 础科学和专业技术之间的一门重要的基础课程,在知识搭建中起着承 前启后的作用。通过教学使学生完整系统地了解材料的组成、结构、 性质之间的相互关系以及在各种条件下的变化规律,掌握材料物理化 学中的基本原理和实验方法,培养学生对一般材料科学问题的发现、 分析和解决的能力。 二、课程教学要求 课程要求同学全面掌握材料物理化学的理论基础和实验技能,为 指导无机材料的生产和研制特定性能的无机非金属新材料提供理论 依据和线索,并为后续专业课的学习奠定坚实的理论基础。 三、先修课程 《物理化学》、《无机化学》。 四、课程教学重、难点 重点:材料物理化学中的基本原理,材料的组成、结构、性质之 间的相互关系,以及在各种条件下的变化规律。 难点:对一些现象机理的掌握及与实践的结合
五、课程教学方法与教学手段 课堂讲授和讨论相结合。通过阅读主要参考书目、网上查询、资 料整理和专题讨论,加深对该学科发展趋势和前沿动态的了解,掌握 材料物理化学的基本原理、基本理论、基本方法。通过本理论课和对 应实验课的学习,巩固材料物理化学的基本原理、基本理论,掌握材 料物理化学的基本实验技能,初步学会发现问题、分析问题和解决问 题的能力。 六、课程教学内容 第一章无机材料的化学键与电子结构(2学时) 1.教学内容: (1)离子键与离子晶体的结合能: (2)共价键与分子轨道理论: (3)金属键与固体中电子的能带结构。 2.重、难点提示: (1)重点是离子半径的含意:离子晶体结合能的计算:离子键、共价键、金属键的区别 与联系。 (2)难点是元素电离能与亲和能,固体中电子的能带结构。 第二章晶体结构与常见晶体结构类型(10学时) 1.教学内容: (1)晶体的周期结构与点阵: (2)点阵宏观对称性与类型: (3)点阵结构的微观对称性: (4)元素晶体的常见晶体结构: (⑤)合金与金属间化合物常见晶体结构: (6)无机非金属化合物常见晶体结构。 2.重、难点提示:
五、课程教学方法与教学手段 课堂讲授和讨论相结合。通过阅读主要参考书目、网上查询、资 料整理和专题讨论,加深对该学科发展趋势和前沿动态的了解,掌握 材料物理化学的基本原理、基本理论、基本方法。通过本理论课和对 应实验课的学习,巩固材料物理化学的基本原理、基本理论,掌握材 料物理化学的基本实验技能,初步学会发现问题、分析问题和解决问 题的能力。 六、课程教学内容 第一章 无机材料的化学键与电子结构(2 学时) 1.教学内容: (1)离子键与离子晶体的结合能; (2)共价键与分子轨道理论; (3)金属键与固体中电子的能带结构。 2.重、难点提示: (1) 重点是离子半径的含意;离子晶体结合能的计算;离子键、共价键、金属键的区别 与联系。 (2) 难点是元素电离能与亲和能,固体中电子的能带结构。 第二章 晶体结构与常见晶体结构类型(10 学时) 1.教学内容: (1)晶体的周期结构与点阵; (2)点阵宏观对称性与类型; (3)点阵结构的微观对称性; (4)元素晶体的常见晶体结构; (5)合金与金属间化合物常见晶体结构; (6)无机非金属化合物常见晶体结构。 2.重、难点提示:
(1)重点:晶体、点阵和结构基元的概念:七大晶系和14种布拉菲格子:采用紧密堆 积原理分析实际晶体结构:通过分析二元化合物的典型晶体结构,掌握分析晶体结构的方法: 氧化物晶体结构的一般规律。 (2)难点:四面体间隙和八面体间隙数目与堆积的球数目的关系:等大球体密堆积如何 延伸到不等大球体密堆积:配位数与阴阳离子半径比的关系:晶体结构与化学键、键参数的 关系。 第三章熔体与非晶态固体(10学时) 1.教学内容: (1)固体的熔融与玻璃化转变: (2)无序结构的特点与统计描述: (3)非晶态金属的无规密堆积结构: (4)无机非金属玻璃的结构: (⑤)常见金属与无机非金属玻璃材料。 2.重、难点提示: (1)重点:近程有序理论,聚合物结构理论,以及二者的关系:熔体组成和化学键与形 成玻璃的关系:玻璃形成的动力学条件:玻璃的通性:无机非金属玻璃的晶子学说和无规则 网络学说。 (2)难点:聚合物理论中各聚合物的数量与组成和温度的关系:黏度与组成的关系:成 核速率和生长速率与过冷度的关系:熔融态向玻璃态转化的可逆性与渐变性:非晶态合金的 特性:晶子学说和无规则网络学说的侧重点;硼反常现象。 第四章晶体中的点缺陷与线缺陷(12学时) 1.教学内容: (1)热力学平衡态点缺陷: (2)非热力学平衡态点缺陷: (3)点缺陷符合与化学方程式: (④)离子晶体中的点缺陷与色心: (⑤)掺杂与非化学计量化合物: (6)位错: (7)位错的核心结构:
(1) 重点:晶体、点阵和结构基元的概念;七大晶系和 14 种布拉菲格子;采用紧密堆 积原理分析实际晶体结构;通过分析二元化合物的典型晶体结构,掌握分析晶体结构的方法; 氧化物晶体结构的一般规律。 (2) 难点:四面体间隙和八面体间隙数目与堆积的球数目的关系;等大球体密堆积如何 延伸到不等大球体密堆积;配位数与阴阳离子半径比的关系;晶体结构与化学键、键参数的 关系。 第三章 熔体与非晶态固体(10 学时) 1.教学内容: (1)固体的熔融与玻璃化转变; (2)无序结构的特点与统计描述; (3)非晶态金属的无规密堆积结构; (4)无机非金属玻璃的结构; (5)常见金属与无机非金属玻璃材料。 2.重、难点提示: (1) 重点:近程有序理论,聚合物结构理论,以及二者的关系;熔体组成和化学键与形 成玻璃的关系;玻璃形成的动力学条件;玻璃的通性;无机非金属玻璃的晶子学说和无规则 网络学说。 (2) 难点:聚合物理论中各聚合物的数量与组成和温度的关系;黏度与组成的关系;成 核速率和生长速率与过冷度的关系;熔融态向玻璃态转化的可逆性与渐变性;非晶态合金的 特性;晶子学说和无规则网络学说的侧重点;硼反常现象。 第四章 晶体中的点缺陷与线缺陷(12 学时) 1.教学内容: (1)热力学平衡态点缺陷; (2)非热力学平衡态点缺陷; (3)点缺陷符合与化学方程式; (4)离子晶体中的点缺陷与色心; (5)掺杂与非化学计量化合物; (6)位错; (7)位错的核心结构;
(8)位错的形成和增殖。 2.重、难点提示: (1)重点:缺陷反应方程的书写:色心和点缺陷的不同及其关系:“补偿缺陷”固溶 体化学式的书写:非化学计量化合物和气氛以及导电类型之间的关系。 (2)难点:非热力学平衡态缺陷的5种常见方法:固溶体研究方法的原理:“补偿缺 陷”固溶体的化学式书写:刃位错和螺位错的概念、伯格斯矢量:位错的运动及其与点缺陷 的关系。 第五章表面与界面(12学时) 1.教学内容: (1)晶体表面的形貌与结构: (2)晶体中的平移界面与李晶界面: (3)无机材料中的晶界与相界: (4)胶体分散体系与纳米材料中的界面。 2.重、难点提示: (1)重点:MX离子晶体表面离子极化变形与位移重排过程:从润湿的过程出发掌握附 着润湿、铺展润湿和浸渍润湿:多晶体中的晶界形状由什么决定:黏土粒子的带电机理以及 由此引起的粘土-水系统的诸多性质。 (2)难点:M仪离子晶体表面离子极化变形与位移重排过程:理解粗糙度、吸附膜等对 润湿的影响:(电位、热力学电位的区别以及影响℃电位的因素。 第六章相平衡与相图(18学时) 1.教学内容: (1)凝聚态系统相平衡特点: (2)一元、二元、三元系统: (3)相图的热力学计算。 2.重、难点提示: ()重点:各种三元相图中点、线、面的意义:从相图可以预测该体系的析晶终点和析 晶产物:掌握系统点、固相点和液相点的意义及杠杆规则:理解并能熟练运用判读三元相图 的几条重要规则:相图中任何一个组成的析晶路线。 (2)难点:三元相图立体图的由来及其向平面图的投影:理解并能熟练运用判读三元相
(8)位错的形成和增殖。 2.重、难点提示: (1) 重点:缺陷反应方程的书写;色心和点缺陷的不同及其关系; “补偿缺陷”固溶 体化学式的书写;非化学计量化合物和气氛以及导电类型之间的关系。 (2) 难点:非热力学平衡态缺陷的 5 种常见方法;固溶体研究方法的原理;“补偿缺 陷”固溶体的化学式书写;刃位错和螺位错的概念、伯格斯矢量;位错的运动及其与点缺陷 的关系。 第五章 表面与界面(12 学时) 1.教学内容: (1)晶体表面的形貌与结构; (2)晶体中的平移界面与孪晶界面; (3)无机材料中的晶界与相界; (4)胶体分散体系与纳米材料中的界面。 2.重、难点提示: (1) 重点:MX 离子晶体表面离子极化变形与位移重排过程;从润湿的过程出发掌握附 着润湿、铺展润湿和浸渍润湿;多晶体中的晶界形状由什么决定;黏土粒子的带电机理以及 由此引起的粘土-水系统的诸多性质。 (2) 难点:MX 离子晶体表面离子极化变形与位移重排过程;理解粗糙度、吸附膜等对 润湿的影响;ζ-电位、热力学电位的区别以及影响 ζ-电位的因素。 第六章 相平衡与相图(18 学时) 1.教学内容: (1)凝聚态系统相平衡特点; (2)一元、二元、三元系统; (3)相图的热力学计算。 2.重、难点提示: (1) 重点:各种三元相图中点、线、面的意义;从相图可以预测该体系的析晶终点和析 晶产物;掌握系统点、固相点和液相点的意义及杠杆规则;理解并能熟练运用判读三元相图 的几条重要规则;相图中任何一个组成的析晶路线。 (2) 难点:三元相图立体图的由来及其向平面图的投影;理解并能熟练运用判读三元相
图的几条重要规则:相图如何通过点、线、面诠释发生的过程。 七、学时分配 教学环节 章目 教学内容 理论教学学时 实验教学学时 一 无机材料的化学键与电子结构 2学时 二 晶体结构与常见晶体结构类型 10学时 三 熔体与非晶态固体 10学时 四 晶体中的点缺陷与线缺陷 12学时 五 表面与界面 12学时 六 相平衡与相图 18学时 总计 64学时 八、课程考核方式 1.考核方式: 闭卷考试 2.成绩构成 平时成绩+试卷成绩 九、选用教材和参考书目 1.《无机材料科学基础》,曾燕伟编,武汉理工大学出版社,2011年: 2.《材料物理化学》(普通高等教育“十三五”规划教材),全玉萍编,中国水利水电出 版社,2016年: 3.《材料科学基础》(第2版),余永宁编,高等教育出版社,2012年: 4.《材料科学基础》(第3版),胡赓祥,蔡珣,戎咏华,上海市教育委员会编,上海 交通大学出版社,2017年: 5.《材料科学基础》(第2版),郑子樵编,中南大学出版社,2013年
图的几条重要规则;相图如何通过点、线、面诠释发生的过程。 七、学时分配 章目 教学内容 教学环节 理论教学学时 实验教学学时 一 无机材料的化学键与电子结构 2 学时 二 晶体结构与常见晶体结构类型 10 学时 三 熔体与非晶态固体 10 学时 四 晶体中的点缺陷与线缺陷 12 学时 五 表面与界面 12 学时 六 相平衡与相图 18 学时 总计 64 学时 八、课程考核方式 1.考核方式: 闭卷考试 2.成绩构成 平时成绩+试卷成绩 九、选用教材和参考书目 1. 《无机材料科学基础》,曾燕伟编,武汉理工大学出版社,2011 年; 2. 《材料物理化学》(普通高等教育“十三五”规划教材),仝玉萍编,中国水利水电出 版社,2016 年; 3. 《材料科学基础》(第 2 版),余永宁编,高等教育出版社,2012 年; 4. 《材料科学基础》(第 3 版),胡赓祥,蔡珣,戎咏华,上海市教育委员会编,上海 交通大学出版社,2017 年; 5. 《材料科学基础》(第 2 版),郑子樵编,中南大学出版社,2013 年