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    无机材料科学基础教案Word格式文档下载.docx

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    无机材料科学基础教案Word格式文档下载.docx

    1、F表示布拉格点阵类型(面心立方)m表示对称面在(001)面上有一对称面;3对称轴在(111)面上有一个三次轴;m表示倒转轴在垂直于(110)方向有对称面) =m1、从堆积方式上分析2、Na、Cl在晶体中的位置分布规律(二)具有NaCl型结构的物质有32种氧化物:MgO、CaO、SrO、BaO、MnO、FeO、CoO、NiO氮化物:TiN、LaN、TiC、ScN、CrN、ZrN这些物质其晶系、堆积方式、正负离子配位数、点阵类型均相同,仅晶格常数不同。三、 闪锌矿型结构()1、立方型ZnS结构分析2、具有闪锌矿结构的晶体有27种四、 纤锌矿型结构(1、六方ZnS结构分析2、具有六方ZnS结构的晶体

    2、有23种如: BeO、ZnO、AlN五、萤石型(CaF2)结构(一)萤石结构1、萤石结构分析2、结构特点(1) 内部空隙较大1/2有立方体空隙是空的(2) 可看作是正离子作面心立方堆积,F-离子充填在四面体中;3、晶体的特性(1) 该结构的晶体可作离子导电体即此结构有利于负离子扩散;因为内部存在较大的空隙(立方体空隙)(2) 沿(111)面有解理;在(111)面上Ca-Ca之间距最小,有斥力,易沿此面解理4、 具有萤石结构的晶体(二)反萤石结构1、反萤石结构保持萤石结构中的晶型和点阵类型不变,只是将正负离子的位置互换而构成的结构称之2、具有反萤石结构的晶体这类化合物的共同特性是:熔点低常作为助

    3、熔剂使用六、金红石(TiO2)型结构1、金红石结构分析2、晶体的特性七、碘化镉(CdI2)型结构八、刚玉型结构(-Al2O3)1、结构分析2、晶体特性3、类似结构的晶体:九、钙钛矿型(CaTiO3)结构结构通式:ABO3A低价离子(二价或一价)B高价离子(四价或五价)1、钙钛矿型结构分析3、类似结构的晶体十、尖晶石型结构(MgAl2O4)通式: AB2O4 (正尖晶石)其中: A低价(2+)B高价(3+) 总价=+8(一) MgAl2O4尖晶石结构分析2、正尖晶石结构的规律(二) 反尖晶石结构典型结构分析方法归纳:A、负离子的堆积方法由晶胞图可点阵类型来分析B、正负离子的配位数分别由第一、第二

    4、规则来分析C、正离子充填情况由化学式和第一规则直接判断D、多面体之间的连接方式由第二规则来分析2-2 硅酸盐晶体结构一、硅酸盐晶体的组成、结构特点与分类(一)化学组成表示法1、化学式氧化物表示法2、结构式无机络盐的表示法3、结构式的意义(二)结构的共性规律(三)结构分类二、岛状结构(一) 硅酸盐晶体结构的分析方法1、按O/Si比判断结构类型2、分析附加阳离子的作用并由鲍林第一规则确定其配位数;3、分析各多面体之间的连接方式(应用第二规则)4、结合晶胞图或投影图,分析了解硅氧骨干在晶胞中的分布规律或特点;(二) Mg2SiO4结构分析三、组群状结构(一)组群状结构的特点1、由n个SiO4构成结构

    5、单元其n=2,3,4,6;O/S=33.5;2、硅氧骨干之间不直接连接,由附加阳离子将其连成整体。(二)绿宝石(绿柱石)结构1、结构特点2、具有类似结构的材料及其特性四、链状结构(一) 特点与类型1、特点2、类型A、单链通式SinO3n O/Si=3;透辉石 CaMgSi2O6B、双链由2条单链平行连结而成;通式SinO3n-1 O/Si=2.52.75(二) 透辉石晶体结构1、O/Si=3 n=2单式2元链2、链之间由CaMg相连接3、Ca.Mg可由其他离子取代,(三) 晶体特性A、附加正离子的电价环状有二、三价;链状只有2价低价;B、外加正离子大小与CN及空隙大小有关,环状中空隙大。五、层

    6、状结构(一)层状结构的形成与特点1、所有桥氧都在同一平面上,所有活性氧都指向相同方向。2、结构通式3、晶体是由SiO4与八面体层附加阳离子充填层沿C轴重叠堆积而成。(二)高岭石结构(1)Si2O5是单网形2层矿(2)附加阳离子Al的CN=6,(3)属于二八面体矿物2、矿物特性3、类似结构的矿物(三)蒙脱石结构3、类似矿物(四)伊利石与白云母结构1、伊利石结构2、白云母结构 KAl2 AlSi3O10(OH)2(五)分析层状结构归纳1、矿物的层型(单网或复网2、八面体形式(二八面体、三八面体)3、层中离子的取代位置和程度(是发生在四面体内还是八面体内)4、层间结合力(范氏力、氢键、离子键)5、层

    7、间水的有无六、架状结构(一)形成与特点(二)石英晶体结构1、石英的主要晶型2、石英、鳞石英、方石英结构上的主要差异(1)石英晶体结构(2)鳞石英(3)方石英(三)长石晶体结构2、长石晶体的特性3、透长石的结构分析2-3 晶体结构缺陷一、 点缺陷(一)点缺陷的类型1、点缺陷的存在形式2、热缺陷(1)弗仑克尔(Frenker)缺陷(2)肖特基(Schttky)缺陷3、杂质缺陷(组分缺陷)4、非化学计量结构缺陷(二)缺陷化学反应表示法1、克罗格明克符号2、缺陷反应方程式的规则3、缺陷反应式的写法举例(三)缺陷浓度的计算(四)点缺陷的化学平衡1、弗仑克尔缺陷2、肖特基缺陷3、缺陷平衡浓度计算举例二、

    8、固溶体(一)固溶体的基本概念(二)固溶体的分类分类方法有二种:1、按溶质原子在溶剂晶格中的位置分类(1)置换式(取代式)(2)间隙式2、按溶质的溶解度分类(1)连续固溶体(2) 有限固溶体(也叫不连续固溶体或部分互溶固溶体)(三)连续置换型固溶体的形成条件1、离子尺寸因素2、晶体的结构类型3、离子电价或总电价4、电负性(四)不等价置换固溶体中的缺陷形式1、不等价取代固溶体中缺陷类型2、固溶分子式的写法(A) 以基质(溶剂)的分子式为基准形式(B) 基质原子写在前,取代原子写在其后(C) 根据缺陷式的位置数取代情况,将取代后的原子分数(或小数)写在相应原子的右下角(五)间隙型固溶体的影响因素1、

    9、杂质原子半径大小2、基质晶格间隙大小3、不等价取代时,电价的平衡可由形成空位或复合阳离子置换来满足三、 非化学计量化合物(一)非化学计量化合物特点(1)由外界条件变化而引起的,缺陷浓度随氧分压而变化(2)产生在变价元素的氧化物晶体中;(是同一元素不同价氧化物构成的固溶体)(3)材料中往往存在自由电子和电子空穴,故材料有半导性(二)非化学计量化合物类型有正负离子空位、正负离了填隙共四类:1、阴离子缺位型(TiO2-x、ZrO2-x)2、阳离子填隙型(Zn 1+xO)3、阴离子填隙型 (UO2+x)4、阳离子缺位型 (FeO1-x、CuO2-x)(三)非化学计量化合物意义四、 固溶体的研究方法及意

    10、义(一)研究内容 (二)固溶体类型判别(三)研究固溶体的意义五、 线缺陷(位错) P73(一)刃位错及其特点1、刃位错的形成2、刃位错的符号3、刃位错的特点(二)螺位错及其特点作业 P75 2-1、6、7、8、9、11、12第三章 熔体与玻璃体 本章主要讨论硅酸盐熔体和玻璃体的结构、性质、产生原因与形成条件及其影响因素等。熔体物质在高温时以液体存在的一种状态;玻璃体由熔体过冷却而形成的非晶态固体。3-1 熔体结构的聚合物理论一、关于熔体结构的聚合物理论要点随着研究手段和测试技术的进步,对熔体结构的认识已逐渐形成。由许多实验结果表明,熔体的结构与玻璃结构十分相近,其共同特点是:近程有序从局长小范

    11、围看质点排列有规则;远程无序从整体结构上看内部质点排列是无序的;二、聚合程度与温度、组成的关系熔体的聚合程度取决于温度和组成。(一)温度的影响(组成不变时)(二)组成的影响(温度不变时)3-2 熔体的性质一、粘度(一)粘度的定义及表达式1、粘度的定义2、粘度的理论解释(略讲)(1)绝对速度理论(2)自由体积理论(3)过剩熵理论(二)影响粘度的因素1、温度2、组成的作用二、表面张力-表面能(一)表面张力与比表面能(二)影响因素1、组成的影响2、温度的影响3-3 玻璃的通性通性指无论其化学组成如何,只要是玻璃都具有的宏观共性。一、各向同性二、介稳性三、熔融态向玻璃转化的可逆性与渐变性四、熔融态向玻

    12、璃态转化时理化性质随温度变化的连续性3-4 玻璃的形成 主要介绍玻璃形成时的动力学条件和结晶化学条件。教学主要围绕以下内容:玻璃是怎样形成的?形成方法什么样的条件才能形成玻璃?动力学条件什么样的物质易形成玻璃?结晶化学条件主要是探讨玻璃形成的内在规律与外部条件;一、形成方法 (略讲)玻璃的形成方法较多,大体上可从传统玻璃、与特种玻璃两方法来介绍1、传统玻璃2、特种玻璃 二、玻璃形成的热力学条件三、玻璃形成的动力学条件(略讲,在相变一章中详细讲解)(一)临界冷却速率1、临界冷却速率2、转变的体积分数与时间、温度的关系3、三T图的意义(二) 影响临界冷却速率的因素 临界冷却速率是随熔体组成而变化的

    13、,组成对临界冷却速率的决定作用可具体表现为:1、高温粘度比值四、玻璃形成的结晶化学条件 主要是从物质内部的化学键特性、质点的排列状况等本质原因上来寻求解释(一)键强(单键能)键强(P)也叫单键能由化合物的分解能除以正离子配位数1、玻璃网络形成体 P335 KJ/mol2、网络改(变)性体 P250 KJ/mol3、网络中间体 P=250330 KJ/mol(二)键型3-5 玻璃的结构 一、晶子假说(一)实验发现1、折射率在573有突变2、X-射线(XRD)衍射分析表明钠硅玻璃的衍射峰与偏硅酸钠晶体的相一致3、红外光谱分析表明玻璃与晶体的吸收波的极大值相一致(二)理论要点(三)存在问题二、无规则

    14、网络假说(一)理论要点(二)实验支持1、XRD小角度衍射结果表明:径向分布函数曲线进一步说明玻璃中的有序程度仅为1012左右;与晶胞大小相近。2、径向分布函数图的意义3、玻璃的径向分布函数图分析:(三)对玻璃性质的解释(四)两假说的异同3-6 常见玻璃类型一、 硅酸盐玻璃(一)石英玻璃1、石英玻璃的结构2、特性(二)硅酸盐玻璃1、结构描述2、玻璃的性质(三)网络结构参数1、网络参数及意义2、Y值的计算示例3、Y值与玻璃性能的关系二、硼酸盐玻璃(一)硼酸盐玻璃的结构(二)硼反常现象P104105:31、2、3、4、5、6、8、11、12第四章 表面与界面 4-1 固体的表面一、固体表面的特征(一

    15、)固体表面的不均一性(二)固体表面力场1、范德华力(短程力)(1)定向作用力(2)诱导作用力(3)色散力(分散作用力)2、长程力二、晶体表面结构(一)离子晶体的表面结构1、离子晶体表面双电层结构2、表面双电层与离子极化性能及的关系(二)玻璃体表面结构(三)晶体表面的几何结构三、固体的表面能1、表面能理论式的推导2、共价键晶体的表面能计算示例3、离子晶体的表面能计算示例4-2 界面行为 一、弯曲表面效应(一)曲面压差(二)曲面上的蒸气压(三)微小晶粒的溶解度及熔点二、润湿与粘附(一)接触角与润湿作用(二)润湿的三种类型1、铺展润湿2、附着润湿(也叫粘附润湿)3、浸渍润湿(三)影响润湿的因素三、吸

    16、附与表面改性(一)吸附与表面改性定义(二)表面改性在硅酸盐工业中应用的实例1、改善成型性能(1)Al2O3瓷(2)CaTiO3电容器陶瓷2、减水作用3、提高球磨效率(三)润湿与相分布1、固-固-气接触系统2、固-固-液接触系统4-3 晶 界 (略讲)4-4 粘土-水系统胶体化学 一、粘土的荷电性1、负电荷主要来自两个方面2、两性电荷断键引起3、净电荷二、粘土的离子吸附与交换性(一)粘土阳离子吸附与交换的特点1、粘土阳离子吸附与交换现象2、粘土阳离子吸附与交换特点3、交换条件(二)粘土阳离子交换容量及影响因素1、交换容量的意义(2、影响交换容量的因素(三)粘土阳离子交换序三、粘土胶体的动电性质(

    17、一)粘土与水的作用1、作用原因2、粘土胶团中水的存在形式3、结合水量及其影响因素(二)粘土胶体的电动电位电位1、粘土胶团与电位2、影响电位的因素3、电位与泥浆性能的关系四、粘土-水系统的胶体化学性质(一)流变学基础流变曲线的类型(略讲)下面根据流动曲线,介绍流动类型、流动方程及其特点:流体的流动分为以下几类:1、牛顿型流动2、宾汉型流动3、塑流型4、假塑性流动也叫剪切稀释型5、胀流型也叫剪切稠化型(二)泥浆的流动性与稳定性1、流动性、稳定性2、稀释现象及机理3、稀释条件4、稀释效果与注浆性能(三)泥浆的触变性1、触变性2、触变结构3、影响触变性的因素(1)泥浆含水量(2)矿物的组成(3)颗粒大

    18、小与形状(4)电解质种类与加入量(5)温度(四)粘土的可塑性1、应力-应变曲线2、可塑泥料中引力-斥力分析3、影响可塑性的因素4、调整改善可塑性的方法五、瘠性料的悬浮与塑化 (一)瘠性料的悬浮1、控制料浆的PH值2、PH值与和-电位的关系3、Al2O3胶团结构及形成(二)有机添加剂对瘠性料的作用1、悬浮作用 2、聚沉作用 3、塑化作用 P13941、2、3、4、5、7、9、10第六章 相 平 衡 6-1 硅酸盐系统相平衡特点一、热力学平衡态与非平衡态(一)平衡态的特征与条件(二)硅酸盐系统的特点(三)相图的指导意义二、硅酸盐系统中的组分、相及相律1、相律2、自由度数3、相4、凝聚系统的相律6-

    19、2 单元系统一、水型物质与硫型物质(一)单元相图回顾(二)水型物质与硫型物质相图特征二、具有多晶转变的单元相图相区、界线、点代表的意义1、相区2、界线3、点三、SiO2系统(一)相图简介1、各点、线、面的含义2、晶型转变点(二)SiO2多晶转变特点(三)多晶转变对生产的影响1、各种转变产生的体积效应2、体积效应对生产的影响(四)SiO2相图应用四、ZrO2系统 6-3 二元系统 一、基本类型简介(一)最简单二元相图1、相图特征2、各点线面的含义3、析晶路程分析4、杠杆规则及应用(二)生成化合物的二元相图1、生成一个一致熔化合物的二元相图2、生成一个不一致熔化合物的二元相图3、生成一个固态分解化

    20、合物的二元相图(三)具有多晶转变的二元相图(四)生成固溶体的二元相图1、形成连续固溶体的二元相图2、形成有限固溶体的二元相图(五)形成二液分层的相图1、相图特征:2、析晶路程:二、实际二元相图举例(一)分析二元相图的一般方法(二)Al2O3-SiO2相图1、相图特征 2、相图应用(三)MgO-SiO2相图1、相图介绍 三、凝聚系统相图测定方法P224 62、3、5、6、7、8、96-4 三元系统 一、三元相图概述(一)组成表示法1、浓度三角形2、读取方法(二)浓度三角形中组成变化的规则1、等含量规则2、定比例规则3、背向性规则(三)杠杆规则(四)重心原理1、重心位规则2、交叉位规则3、共轭位规

    21、则(五)最简单三元系统立体图与投影图1、立体图 2、平面投影图3、温度表示法4、析晶路程分析 (1) 在初晶区内的析晶(2) 在界线上的析晶(3) 在三元无变点上的析晶(4) 各相量的计算二、三元相图的基本类型(一) 生成一个一致熔二元化合物的三元相图 2、相图分析(二) 生成一个不一致熔二元化合物的三元相图2、分析三元相图的几个重要规则(1)连线规则(2)切线规则(3)重心原理(4)三角形规则(5)划分副三角形的原则与方法4、熔融(加热)过程分析(三) 生成一个固态分解的二元化合物的三元相图 2、过渡点(R)的特性生成一个一致熔三元化合物三元相图 (四) 生成一个不一致熔三元化合物的三元相图

    22、1、具有双升点(单转熔点)的类型2、具有双降点(双转熔点)的类型 作业:P226 61、10、11、12、13(五) 其他类型简介1、具有多晶转变的相图 2、形成一个二元连续固溶体的相图(1)相图特点(2)析晶路程分析示例3、具有液相分层的相图 分析三元相图方法与步骤归纳1、怎样判读三元相图2、析晶路程的方法归纳3、分析熔融路程的方法三、三元实际相图举例(一) K2O-Al2O3-SiO2相图1、相图介绍2、相图应用举例(二) MgO- Al2O3-SiO2相图(三) Na2O-CaO-SiO2相图P226227 618、第七章 扩散与固相反应 7-1 晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程一、

    23、 扩散的基本概念与特点1、何谓扩散2、固体中扩散的特点二、 扩散动力学方程宏观规律(一) 菲克第一定律(Fick)1、公式推导2、各向异性体的扩散方程3、适用条件(二) 菲克第二定律(三)扩散的布朗运动理论1、无序扩散即无规则行走(布朗运动)2、无序扩散系数三、 扩散动力学方程的应用举例(一)稳定扩散举例 (二)不稳定扩散举例 1、短时解 2、长时解 7-2 扩散过程的推动力、微观机构与扩散系数一、 扩散的热力学解释(一)扩散的推动力(二)自扩散系数与互扩散系数1、自扩散系数2、互扩散系数二、 微观机构与扩散系数(一)固体中扩散的方式1、空位扩散2、间隙扩散3、推填式扩散(亚间隙式)4、易位扩

    24、散5、环形换位扩散(二)扩散系数的理论公式(三)本征扩散与非本征扩散1、本征扩散与非本征扩散 2、各自的特点三、 非化学计量化合物中的扩散1、正离子空位扩散型2、氧离子空位扩散型7-3影响扩散的因素一、 扩散介质的组成、键性与结构(一)晶体组成的影响(二)键强与键性(三)晶体结构1、扩散介质的结构紧密程度2、表面及晶界的影响二、 扩散物的本性1、半径的影响(电价相同时)2、电价的影响三、 温度与杂质的影响1、温度的作用2、杂质的影响 P254255:71、2、3、5、67-4 固相反应及其动力学特征一、 固相反应及其特点(一) 固相反应的定义(二) 固相反应的特点二、 固相反应的分类(一)按反应物的聚集状态分类(二)按反应的性质分类(三)按反应控制机理分类7-5 固相反应动力学方程一、 一般动力学关系(一) 固相反应速率表达式(二) 固相反应控制过程的确定二、 化学反应控制的动力学方程三、 扩散控制的动力学方程(一)杨德尔方程1、平板模型抛物线方程2、杨德尔方程(Jander)(二)金斯特林格方程1、推导条件:2、金氏方程与杨氏方程的比较(三)卡特方程(1960年提出)(略讲)7-6 影响固相反应的因素一、 反应物的化学组成与结构1、活性与热处理条件


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