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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划无机材料科学基础,宋晓岚无机材料科学基础诸论一、课程意义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
2、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：物理化学硅酸盐物理化学无机材料物理化学无机材料科学基础2地位：物理化学、结晶化学无机材料物理化学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
3、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
4、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
5、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
6、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，XX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南京：东南大学出版社，1996年6.美W2D2金格瑞等著清华大学无机非金属材料
7、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.武汉：武汉工业大学出版社，XX9.郭丽萍等.晶体结构基础.武汉：武汉工业大学出版社，XX第一章无机材料引论本章提要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、无机金属材料、有机高分子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
8、和开发的重点。本章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。无机材料的分类无机材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料，是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。无机材料分为传统的和新型的无机材料两大类。一、传统无机材料指以SiO2及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，因此亦称硅酸盐材料，主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四种。此外，还有搪瓷
9、、磨料、铸石、碳素材料、非金属矿。传统的无机材料是工业和基本建设所必需的基础材料。陶瓷指以粘土为主要原料与其他天然矿物原料经过粉碎混练、成形、煅烧等过程而制成的各种普通陶瓷制品，包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其他工业用陶瓷。陶器：粗陶器、普陶器和细陶器，坯体结构较疏松，致密度较低，有一定吸水率，断口粗糙无光，没有半透明性，断面成面状或贝壳状。瓷器。玻璃由熔体过冷所制得的非晶态材料。普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃，包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和玻璃纤维等。根据其形成网络的组分不同，玻璃又可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等；网络形成体分为
10、SiO2、B2O3和P2O5。水泥加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性材料。水泥的种类：通用水泥、专用水泥和特性水泥通用水泥：大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等。专用水泥：指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。：特性水泥：某种性能比较突出的一类水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。按其所含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟
11、铝酸盐水泥以及以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。耐火材料指耐火度不低于1580的专门为高温技术服务的无机非金属材料，用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。按矿物组成：可分为氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特殊耐火材料；按其制造方法：可分为天然矿石和人造制品；按其形状：可分为块状制品和不定形耐火材料；8-1若由MgO和Al2O3球形颗粒之间的反应生成MgAl2O4是通过产物层的扩散进行的，2画出其反应的几何图形，并推导出反应初期的速度方程。若1300时DAl3DMg2，O基本不
12、动，那么哪一种离子的扩散控制着MgAl2O4的生成？为什么？解：假设:a）反应物是半径为R0的等径球粒B，x为产物层厚度。b）反应物A是扩散相，即A总是包围着B的颗粒，且A，B同产物C是完全接触的，反应自球表面向中心进行。c）A在产物层中的浓度梯度是线性的，且扩散截面积一定。反应的几何图形如图8-1所示：根据转化率G的定义，得将式代入抛物线方程中，得反应初期的速度方程为：整个反应过程中速度最慢的一步控制产物生成。D小的控制产物生成，即DMg小，Mg扩散慢，整个反应由Mg的扩散慢，整个反应由Mg的扩散控制。2+2+2+2+8-2镍在的氧气中氧化，测得其质量增量如下表：2导出合适的反应速度方程；计
13、算其活化能。解：将重量增量平方对时间t作图，如图8-2所示。由图可知，重量增量平方与时间呈抛物线关系，即符合抛物线速度方程式。又由转化率的定义，得将式代入抛物线速度方程式中，得反应速度方程为：图8-2重量增量平方与时间关系图取各温度下反应1h时进行数据处理拟合，如图8-3所示，图8-3数据处理由杨德尔方程可得，对数据作线性回归，得(相关系数为)由上式得活化能kJ/mol8-3由Al2O3和SiO2粉末反应生成莫来石，过程由扩散控制，如何证明这一点？已知扩散活化能为209kJ/mol，1400下，1h完成10，求1500下，1h和4h各完成多少？解：如果用杨德尔方程来描述Al2O3和SiO2粉末
14、反应生成莫来石，经计算得到合理的结果，则可认为此反应是由扩散控制的反应过程。由杨德尔方程，得又，故从而1500下，反应1h和4h时，由杨德尔方程，知所以，在1500下反应1h时能完成%，反应4h时能完成%。8-4比较杨德方程、金斯特林格方程优缺点及适应条件。解：两个方程都只适用稳定扩散的情况。杨德尔方程在反应初期具有很好的适应性，但杨氏模型中假设球形颗粒截面始终不变。因而只适用反应初期转化率较低的情况。而金斯格林方程考虑了在反应进程中反应截面面积随反应过程变化这一事实，因而金氏方程适用范围更广，可以适合反应初、中期。8-5粒径为1m球状Al2O3由过量的MgO微粒包围，观察尖晶石的形成，在恒定温度下，第1h有20的Al2O3起了反应，计算完全反应的时间。用杨德方程计算；用金斯特林格方程计算。解：(1)用杨德尔方程计算：代入题中反应时间1h和反应进度20%，得h-1故完全反应所需的时间h(2)用金斯格林方程计算：同理，代入题中反应时间1h和反应进度20%，得10-1名词解释：烧结烧结温度泰曼温度液相烧结固相烧结初次再结晶晶粒长大二次再结晶烧结：粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下的热处理，目的在于通过颗粒间的冶金结合以提高其强度。烧结温度：坯体在高温作用下，发生一系列物理化学反应，最后显气孔率接近
