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《无机材料科学基础》教学大纲英文课程名称: Foundation of Inorganic Material Science课程编号：0711305总学时：88（其中理论课学时：74 实验学时：14）总学分：5.5先修课程：物理化学、晶体学适用专业：无机非金属材料工程开课单位：材料科学与工程学院无机非金属材料工程教研室执笔人：梁忠友审校人：来启辉一、课程教学内容绪论材料的发展动向及本课程的重要地位；本课程的特色及基本要求。
第一章晶体化学基本原理原子半径和离子半径；球体紧密堆积原理，六方堆积和立方堆积；配位数和配位多面体；离子的极化对化学键和结构的影响；电负性，估计化学键；鲍林规则。
第二章晶体结构与晶体中的缺陷第一节典型结构类型氯化钠型、金刚石型、氯化铯型、闪锌矿型、纤锌矿型、萤石型、金红石型、碘化镉型、刚玉型、钙钛矿型、尖晶石型。
第二节硅酸盐晶体结构岛状结构、组群状结构、链状结构、层状结构、架状结构。
第三节晶体结构缺陷，点缺陷、固溶体、非化学计量化合物，固溶体研究方法；线缺陷，包括螺旋位错和刃位错。
第三章熔体与玻璃体第一节熔体结构——聚合物理论，第二节熔体性质粘度和表面张力。
第三节玻璃通性各向同性；介稳性；熔融态向玻璃态转化的可逆性与渐变性；熔融态向玻璃态转化时物理、化学性质随温度变化的连续性。
第四节玻璃的形成玻璃态物质的形成方法简介；玻璃形成的热力学、动力学，结晶化学条件；第四节玻璃的结构晶子学说；无规则网络学说。
第五节常见玻璃类型硅酸盐玻璃；硼酸盐玻璃。
第四章表面与界面第一节固体的表面固体的表面特征；晶体表面结构；固体表面能；第二节界面行为，润湿与粘附；吸附与表面改姓；第三节晶界晶界结构与分类；多晶体的组织；晶界应力。
第四节粘土—水系统胶体化学粘土的荷电性；离子吸附与交换；电动性质；胶体性质；瘠性料的悬浮与塑化。
第五章相平衡。
第一节硅酸盐系统相平衡的特点热力学平衡态与非平衡态；硅酸盐系统中的组分、相及相律。
《材料科学基础实验》实验教学大纲课程编号：031508 课程性质：独立设课实验课程名称：材料科学基础实验英文名称：Experiment of Materials Science隶属课群：材料科学基础课程总学时：32实验学时：24 上机学时：8适用专业：金属材料工程一、本课程实验教学性质、目的和任务：《材料科学基础实验》是金属材料工程专业必修的实验性专业课程，是系统专业学习过程中必不可少的环节。
开设此课程的目的在于培养学生的基本工程素质。
提高分析问题和解决问题的能力以及实际动手操作能力，为进一步学习专业课程打好基础。
课程的基本任务在于让学生掌握金相试样的制备方法，显微摄影以及暗室操作技术，熟悉金属材料的基本分析方法，结合相图了解典型二元合金平衡及非平衡状态下的组织特征，及其它实验技能。
二、实验教学的主要内容和基本要求：主要内容第一章光学金相分析技术第一节金相显微镜的构造与使用第二节金相试样的制备第三节金相显微摄影与暗室技术第四节显微硬度及其应用第五节晶粒尺寸的测算第二章晶体结构第一节典型晶体结构第二节位错蚀坑的观察第三章二元合金显微组织观察第一节二元合金相图平衡及非平衡结晶组织分析第二节铁碳合金双重相图及组织分析第四章金属的塑性变形与回复再结晶第一节金属的塑性变形第二节回复与再结晶第五章电子显微分析技术第一节扫描电镜结构、原理及典型组织的观察第二节透射电镜薄膜样品制备及典型组织观察第三节选区电子衍射及相机常数和磁转角标定实验教学方法手段的基本要求1.主要以学生操作设备仪器完成相关实验项目；2.以综合性实验训练学生结合所学相关知识灵活设计实验方法；3.有关显微组织分析部分采用多媒体教学。
实验一典型金属晶体结构的刚球堆垛模型分析（一）实验类型：验证（二）实验目的：1.熟悉面心立方、体心立方和密排六方晶体结构中常用晶面、晶向的几何位置、原子排列和密度；2.熟悉三种晶体结构中的四面体间隙和八面体间隙的位置和分布；3.熟悉面心立方和密排六方晶体结构中最密排面的堆垛顺序；4.进一步练习晶面和晶向指数的确定方法。
2.6 无机材料润湿实验2.6.1 实验目的与要求1. 了解液相润湿固相时润湿角与表面能的关系。
2. 了解润湿角的测定方法和仪器的使用方法。
2.6.2 实验原理润湿是固液界面上的重要行为。
润湿是近代很多工业技术的基础。
例如：陶瓷、搪瓷的坯釉结合、机械的润滑、注水采油、油漆涂布、金属焊接、陶瓷与金属的封接等工艺和理论都与润湿作用有密切关系。
润湿的热力学定义是：固体与液体接触后，体系（固体十液体）的自由焓降低时，称为润湿。
根据润湿程度不同可分为附着润湿、铺展润湿及浸渍润湿三种。
本实验主要是陶瓷坯釉的铺展润湿。
如图2-6-1所示。
从热力学观点看，液滴落在清洁平滑的固体表面上，当忽略液体的重力和粘度影响时，则液滴在固体表面上的铺展是由固-气（SV ）、固-液（SL ）和液-气（LV ）三个界面张力所决定的，其平衡关系如下确定。
γSV =γSL +γLV cosθF=γLV cosθ=γSV -γSL +γLV式中：θ是润湿角，F 是润湿张力。
显然，当θ＞90°则因润湿张力小而不润湿；θ＜90°则润湿；而θ=0°，润湿张力F 最大，可以完全润湿，即液体在固体表面上自由铺展。
从上面公式可以看出，润湿的先决条件是γSV ＞γSL ，或者γSL 十分微小。
当固、液两相的化学性能或化学结合方式很接近时，是可以满足这一要求的。
因此，硅酸盐熔体在氧化物固体上一般会形成小的润湿角，甚至完全将固体润湿。
而在金属熔体与氧化物之间，由于结构不同，界面能γSL 很大，γSV <γSL 按公式可以计算得θ＞90°。
从公式还可以看到γLV 的作用是多方面的，在润湿的系统中（γSV ＞γSL ），γSL 减小会使θ缩小，而在不润湿的系统中（γSV <γSL ）γLV 减小使θ增大。
本实验采用在陶瓷坯体（γSV ≈800mN/m)表面上，施以硅酸盐熔体的陶瓷釉（γSV ≈300mN/m)，在一定温度下测定θ角，计算润湿张力F 和界面能γSL 。
分析陶瓷坯釉结合性能。
图2-6-1 陶瓷坯釉的铺展润湿示意图2.6.3 实验仪器以及所用工具① 耐火度测定仪，见图2-6-2，（或光学接触角测量仪），用来测量接触角。
② 读数显微镜，量角器 ③ 釉成型膜具和压力机。
④ 陶瓷坯体制备的球磨机、注浆成型用石膏膜 ⑤ 修坯砂纸、锯条。
⑥ 原料：长石、石英、粘土、熔块釉粉、淘洗苏州土、糊精等。
2.6.4 实验方法1. 试样准备用1300℃烧成的普通陶瓷配方，经球磨、注浆成型、干燥、修坯成20×20×5mm 的薄片。
再经1300℃烧成为陶瓷片。
再将熔块釉粉成型为Φ5×5mm 的小圆柱。
2. 实验步骤将釉粉成型为Φ5×5mm 的小圆柱放在20×20×5mm 陶瓷片上，一起放入耐火度测定仪的管式电炉内，升温至800～1100℃，在观察窗内测定釉熔化后不同温度下形成的θ角，或者冷却后把试样拿出测量最高温度的θ角。
2.6.5 实验结果分析1. 不同温度下的θ角，计算润湿张力F 和界面能γSL 。
2. 分析实验误差对结果的影响。
3. 实验讨论以及本实验后的体会。
表2-6-1 常见物体的表面能材料 温度 (℃)表面能 (mN/m) 材料温度 (℃) 表面能 (mN/m) 水（液态） 25 72 硅酸钠(液态) 1000 250 铅（液态） 350 442 石英玻璃 300 铜（固态） 1080 1430 硅酸盐熔体300 B 2O 3(液态) 900 80 0.20Na 2O-0.80SiO 2（液态）1350 380 Al 2O 3（固） 1850 905 0.13Na 2O-0.13CaO —0.74SiO 2（液）1350 350图2-6-2 实验仪器装置示意图2.7 粘土—水系统的双电层实验2.7.1 实验目的观察并熟悉粘土胶粒的电泳现象，即用宏观电泳仪测定粘土胶体的电泳速度并计算其Zeta 电位；了解不同种类及数量的电解质对Zeta 电位的影响。
2.7.2 实验内容1. 原理电泳是胶体体系在直流电场的作用下胶体分散相在分散介质中作定向移动的电动现象。
按照Gouy-chapman 提出并由Stein 发展的扩散双电层模型，胶体分散相的电泳现象是由于胶粒与液相接触时。
在胶粒周围形成了连续扩散双电层，并在扩散双电层的滑动面上相互均匀液相介质具有一个电位即Zeta 电位(ζ-电位)。
根据静电学原理，ζ-电位的数值与电泳速度有下列关系：πη4ζDu =式中：u 为电泳速度，D 为分散介质的介电常数；η为分散介质的粘度。
因此，依据电泳速度的大小可以研究胶粒的电动电位和带电性质等情况。
必须明确，电动电位与热力学电位（ψ）不同，后者是指胶核与均匀液相间的电位差，即固—液间的电位差；而ζ-电位是胶粒表面吸附层界面到均匀液相的电位（图2-7-1）。
与此相应，胶粒移动是胶核核厚度为δ的带相反离子的吸附层共同移动。
因此，胶粒移动是胶体ζ-电位与外电场的作用结果。
由双电层模型推知，电介质对ζ-电位有明显影响，当电介质浓度增大时，扩散双电层受到压缩（见图中扩散层厚度d 被压缩d’，吸附层从δ变到δ'），于是ζ-电位也随之下降。
图2-7-1 扩散双电层与ζ-电位图2-7-2 U形管界面移动电泳仪装置图1.整流稳压输出端；2. 直流电压表；3. 铂电极；4. 电泳管；5. 辅助溶液（蒸馏水）；6. 泥浆；7. 活塞当扩散层的厚度逐渐压缩至吸附层厚度时，ζ-电位也就不存在了。
此外，电介质的离子电位和水化能力对ζ-电位也有影响。
对同一种粘土来说，当加入电解质浓度一定时，各种阳离子对ζ-电位的影响符合赫夫曼斯特次序，即电价愈低，水化离子半径越大的阳离子，愈能使扩散双电层加厚，ζ-电位增大。
测定胶体电泳速度的方法大致可分为两种，一为宏观的胶体界面移动法。
另一为微观的颗粒移动法。
相应地，电泳仪也分为两类：（1）宏观电泳仪——肉眼观察胶体界面的移动，以测定电泳速度。
可以U形管电泳仪为代表。
（2）微观电泳仪——在显微镜下观察胶粒的移动，以测定电泳速度。
此类电泳仪可分载波片式与毛细管两种。
测定方法应根据实际情况适当选用。
本实验采用U形管界面移动电泳仪。
2. 仪器及装置U形管界面电泳仪示于图7-2中。
3. 实验步骤(1) 称取一定量的粘土，研磨后配制成胶体溶液，使其浓度为0.2 wt%。
(2) 将配制好的胶体溶液加入U形管，使液面超出两活塞，关闭活塞，倾出活塞上部的胶体溶液，(3) 用蒸馏水洗净活塞上的管子。
(4) 在活塞以上的管子内注入辅助溶液至一定的高度，并使两端水平。
(5) 插入铂电极，并测出两铂电极之间的距离。
(6) 接好线路，确定正负极，将稳压器接上电源，一分钟后再逐步升高电压到120V~150V 之间。
(7) 打开活塞，并同时接下秒表，待泥浆液面上升到一定位置时，记录时间和相应的移动距离以及界面移动的方向（向正极移动或向负极移动）。
(8) 加入不同种类的电解质到胶体溶液中（U形管的两端各加1滴或2滴），经充分摇匀后，重复上述操作。
4. 实验结果与处理(1) 求电泳淌度：Ht S u ⋅=S —界面移动距离（cm ）T —与S 对应的移动时间（sec ）H —平均电位剃度，即单位长度内的电压， LVH = L —铂电极之间的距离(2) 求电动电位δζ⨯=Dπη4uu —以cm/s ，V/cm 计δ —以伏特（V ）表示（⨯3002） 3002 —绝对单位与伏特的换算系数D —液体的介电常数，水的介电常数为80η —液体的粘度，以泊表示，与测定时的温度有关。
2.7.3 思考题1. 根据实验结果，判断粘土胶粒带何种电荷？并从理论上加以说明。
2. 在胶体溶液中加入阳离子（或阴离子）时，ζ-电位如何变化？为什么？3. 分析你的实验结果中影响电泳速度、ζ-电位的因素有哪些？2.8 流变学实验2.8.1 实验目的与要求1. 了解固相之间的反应速度关系。
2. 了解仪器的原理及使用方法。
2.8.2 实验原理流变学是研究物体流动和变形的一门科学。
流体的粘度定义是：流体在剪切应力τ作用下流体产生剪切速率dv/dx ，并相互成正比，比例系数即为粘度η。
即：η=τ/D式中：剪切速率——D=dv/dx 剪切应力——τ凡符合这个规律的物质称为理想流体或牛顿型流体。
若用剪切应力τ与剪切速率D 作图，可以得到流变曲线如图2-8-1（A ）所示。
当在物体上加以剪切应力，则物体即开始流动，剪切速度与剪切应力成正比。
当应力消除后，变形不再复原。
属于这类流动的物质有水、甘油、低分子量化合物溶液。
在许多工业中应用的液体并不具有牛顿流体的行为，它们常常显示出比较复杂的流动性质。
亦即剪切应力对剪切速度作图为曲线，曲线可以凸向或凹向剪应力轴，在这些系统中剪切力与剪切速度不成正比。
为了与牛顿流动有所区别，常常称之为不正常流动或非牛顿流动。
这类流动可以有如图8-1（B ）所示的几种。
宾汉流动：这类流体流动特点是应力必须大于流动极限值f 后才开始流动，一旦流动后，又与牛顿型相同。
表现出流动曲线形式如图8-1（A ）。
这种流动可写成： F-f ＝ηdv/dxf 为屈服值，若 D=dv/dx ，上式写成 F/D ＝η+f/D ηa =η+f/D当D→∞，f/D→0，此时ηa =η，ηa 称为宾汉流动粘度。
通常又称为表现粘度，η为牛顿粘度。
新拌混凝土接近于宾汉流动，这类流动是塑性变形的简例。
塑性流动：这类流动的特点是施加的剪应力必须超过某一最低值——屈服值以后才开始流动，随剪切应力的增加，物料由紊流变为层流，直至剪应力达到一定值，物料也发生牛顿流动。
流动曲线如图8-1（B），属于这类流动的物体有：泥浆、油漆。
油墨，硅酸盐材料在高温烧结时，晶粒界面间的滑移也属于这类流动。
粘土泥浆的流动只有较小的屈服值，而可塑泥团屈服值较大，它是粘土坯体保持形状的重要因素。
假塑性流动：这一类型的流动曲线类似于塑性流动，但它没有屈服值。
也即曲线通过原点并凸向应力轴如图8-1（B）。
它的流动特点是表观粘度随切变速率增加而降低。
属于这一类流动的主要有高聚合物的溶液、乳浊液、淀粉、甲基纤维素等。
膨胀流动：这一类型的流动曲线是假塑性的相反过程。
流动曲线通过原点并凹向剪应力轴如图8-1（B）。
这些高浓度的细粒悬浮液在搅动时好象变得比较粘稠，而停止搅动后又恢复原来的流动状态，它的特点是粘度随切变速率增加而增加。
属于这一类流动的一般是非塑性原料如氧化铝、石英粉的浆料等。
本实验利用旋转粘度计测定流体的流变曲线。
测定理想流体或牛顿型流体，用水、甘油等低分子量化合物溶液。
测定塑性流动采用陶瓷泥浆。
测定假塑性流动采用高聚合物的溶液、乳浊液、淀粉、甲基纤维素等。
