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1、绪 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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、硅酸盐学会.硅酸盐辞典.北京：中国建筑工业出版社，1984 8.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，2000 9.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（简称无机材料，inorganic materials）、无机金属材料（简称金属材料，metallic materials）、有机高分子（聚合物）材料（organic polymer materials）和复合材料（complex materials）四大类。
8、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。 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。1.1 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（或）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
9、有材料的总称。 无机材料分为传统的（普通的）和新型的（先进的）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、磨料、铸石（辉绿岩、玄武岩等）、碳素材料、非金属矿（石棉、云母、大理石等）。 传统的无机材料是工业和基本建设所必需的基础材料。 （一）陶瓷（ceramic） 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。 （1）陶器：粗陶器、普陶器和细陶器，坯体结构较疏松，致密
10、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。 （2）瓷器。 （二）玻璃（glass） 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SiO2、B2O3和P2O5。 （三） 水泥（cement） 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 （1）通用水泥：大量土木工程所使用的一般
11、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。 （2）专用水泥：指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。 （3）：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。 （四）耐火材料（refractory materials） 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
12、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。 （1）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； （2）按其制造方法：可分为天然矿石和人造制品； （3）按其形状：可分为块状制品和不定形耐火材料； （4）按其热处理方式：可分为不烧制品、烧成制品和熔铸制品； （5）按其耐火度：可分为普通、高级及特级耐火制品； （6）按化学性质：可分为酸性、中性及碱性耐火材料； （7）按其密度：可分为轻质及重质耐火材料。 （8）按其制品的形状和尺寸：可分为标准砖、异型砖、特异型砖、管和耐火器皿等。 （9）按应用：分为
13、高炉用、水泥窑用、玻璃窑用、陶瓷窑用耐火材料等等。 二、新型无机材料 用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。主要包括新型陶瓷、特种玻璃、人工晶体、半导体材料、薄膜材料、无机纤维、多孔材料等。 （一）新型陶瓷（advanced ceramic） 指以精制的高纯天然无机物或人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制的制造加工工艺烧结，具有优异特性，主要用于各种现代工业及尖端科学技术领域的高性能陶瓷，包括： （1）结构陶瓷（structural ceramic）以具有优良的力学性能（高强度、高硬度、耐磨损） 、热学性能（抗热冲击、抗蠕变）和
14、化学性能（抗氧化、抗腐蚀）的陶瓷材料，主要应用于高强度、高硬度、高刚性的切削刀具和要求耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐热冲击等的结构部件，包括氮化硅系统、碳化硅系统和氧化锆系统、氧化铝系统的高温结构陶瓷等； （2）功能陶瓷（functional ceramic）。利用其电、磁、声、光、热等直接效应和耦合效应所提供的一种或多种性质来实现某种使用功能的陶瓷材料，主要包括装置瓷（即电绝缘瓷）、电容器陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧体）、导电陶瓷、超导陶瓷、半导体陶瓷（又称为敏感陶瓷）、热学功能陶瓷（热释电陶瓷、导热陶瓷、低膨胀陶瓷、红外辐射陶瓷等）、化学功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功能陶瓷等。 （
15、二）特种玻璃（special glass） 特种玻璃（亦称为新型玻璃）是指采用精制、高纯或新型原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的具有特殊功能或特殊用途的非晶态材料，包括经玻璃晶化获得的微晶玻璃。它们是在普通玻璃所具有的透光性、耐久性、气密性、形状不变性、耐热性、电绝缘性、组成多样性、易成形性和可加工性等优异性能的基础上，通过使玻璃具有特殊的功能，或将上述某项特性发挥至极点，或将上述某项特性置换为另一种特性，或牺牲上述某些性能而赋予某项有用的特性之后获得的。特种玻璃包括SiO2含量在85以上或55以下的硅酸盐玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸盐、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）以及非氧化物玻璃（卤化物、氮化物、硫化物、硫卤化物、金属玻璃等）等。
