《矿物材料基础》课程授课教案（讲稿）第一讲 绪论

第1讲次课程名称：《矿物材料基础》摘要第一章绪论第一节矿物材料概述授课题目（章、节）第二节矿物材料的分类第三节矿物材料的研究方法第四节矿物材料的理论基础本讲目的要求及重点难点：【目的要求】使同学们了解矿物材料基本概念、分类、研究方法；掌握矿物相图理论、熔体结晶理论、固溶体理论。[重点】矿物相图理论、熔体结晶理论、固溶体理论。[难点】相图、熔体结晶理论内容

课程名称：《矿物材料基础》 第 1 讲次 摘 要 授课题目（章、节） 第一章 绪论 第一节 矿物材料概述 第二节 矿物材料的分类 第三节 矿物材料的研究方法 第四节 矿物材料的理论基础 本讲目的要求及重点难点： 【目的要求】使同学们了解矿物材料基本概念、分类、研究方法；掌握矿物相图理论、熔体结晶理论、固溶 体理论。 【重 点】矿物相图理论、熔体结晶理论、固溶体理论。 【难 点】相图、熔体结晶理论。 内 容

【本讲课程的引入】材料是人类赖以生存和发展的物质基础，一直是人类进步的一个重要里程碑。材料的发展史就是一部人类文明史。没有感光材料，我们就无法留下青春的回忆；没有特殊的荧光材料，就没有彩色电视：没有高纯的单晶硅，就没有今天的奔腾电脑；没有特殊的新型材料，风云二号气象卫星就无法上天。可见，科技的发展和社会的进步往往受到材料的制约。反过来，一种新材料的发现可能会给社会带来革命性的变化。人类使用和制造材料有悠久的历史，从制造出第一种材料一一陶开始，发展到今天，材料的品种越来越多，琳琅满目的各种材料组成了一个庞大的材料家族。【本讲课程的内容】第一章绪论第一节矿物材料概述固态：石英液态：汞无机矿物（胶凝态：蛋白石天然矿物固态：煤、琥珀有机矿物矿物液态：石油（气态：天燃气人造矿物宇宙矿物含义★研究重点：天然非金属矿物岩石，其价格低廉、性能优异；☆经较简单的加工就能被利用：☆运用矿物岩石学的研究方法、借鉴自然界地质作用原理。第二节矿物材料的分类一、按行业分玻璃、水泥、耐火材料、陶瓷、磨料等二、按化学成分分单元系、二元系、三元系等三、按生产过程分熔融固化、高温固相反应、凝结硬化。1

1 【本讲课程的引入】材料是人类赖以生存和发展的物质基础，一直是人类进步的一个重要里程碑。材料 的发展史就是一部人类文明史。没有感光材料，我们就无法留下青春的回忆；没有特殊的荧光材料，就 没有彩色电视；没有高纯的单晶硅，就没有今天的奔腾电脑；没有特殊的新型材料，风云二号气象卫星 就无法上天。可见，科技的发展和社会的进步往往受到材料的制约。反过来，一种新材料的发现可能会 给社会带来革命性的变化。 人类使用和制造材料有悠久的历史，从制造出第一种材料-陶开始，发展到今天，材料的品种越 来越多，琳琅满目的各种材料组成了一个庞大的材料家族。 【本讲课程的内容】 第一章 绪论 第一节 矿物材料概述 含义 ☆ 研究重点：天然非金属矿物岩石，其价格低廉、性能优异； ☆ 经较简单的加工就能被利用； ☆ 运用矿物岩石学的研究方法、借鉴自然界地质作用原理。 第二节 矿物材料的分类 一、按行业分 玻璃、水泥、耐火材料、陶瓷、磨料 等 二、按化学成分分 单元系、二元系、三元系 等 三、按生产过程分 熔融固化、高温固相反应、凝结硬化

熔浆型材料（铸石、玻璃、釉料）烧结型材料（耐火材料、陶瓷）综合以上保温材料胶凝型材料（水泥）（其他材料（粉体材料）第三节矿物材料的研究方法Goal/means效能性能结构过程PropertiesStructureProcessingCauseleffect结构形成过程构件、器件的制备中心环节“材料工艺”“材料选择”StructurePropertiesStructure-Property Linkages第四节理论基础矿物相图、熔体结晶理论、固溶体理论矿物相图我们知道硅酸盐类物质不管是陶瓷、玻璃、水泥还是耐火材料，成分都不是单一的。陶瓷：K20-Al203-Si02玻璃：Na20-Ca0-Si02水泥：Ca0-A1203-Si021.二元相图

2 第三节 矿物材料的研究方法 第四节 理论基础 矿物相图、熔体结晶理论、固溶体理论 一、矿物相图 我们知道硅酸盐类物质不管是陶瓷、玻璃、水泥还是耐火材料，成分都不是单一的。 陶瓷：K2O-Al2O3-SiO2 玻璃：Na2O- CaO -SiO2 水泥：CaO-Al2O3-SiO2 1.二元相图

L+BSL+ADA+B2(α)2.三元相图1）组成表示方法一一浓度三角形三元系统组成通常以等边三角形表示，即称浓度三角形，如图所示。三顶点分别表示A、B、C二个纯组分，每边长分为100等份，相当二元相图的组成轴。三角形内任一点，即表示对应二元物系的组成，而任一三元物系组成在三角形内部有对应的点。c%0%6%B%浓度三角形表示法例如，对BC边上M1点，因属B一C二元系统，其组成可直接读出：70%C、30%B、0%A。对三角形内部的点（如M点），要确定它们的组成，通常有两种方法：平行线法和垂直线法。1：平行线法此方法是利用正三角形的一个性质：近过正三角形内任一点作各边平行线，在各边上所截的线段长度之和等于三角形的一边长。过M点分别作三条边的平行线，在三条边上所截的线段分别为a,b，c，则a+b+c=AB=100。因此，可以利用这三段截线的长度，分别表示三个组分的百分含量（浓度)：以a表示组分A的重量百分数a=EB=A%=40%；以b表示组分B的重量百分数b=AF=B%=20%；以c表示组分C的重量百分数c=FE=C%=40%（FE=ME=IB）2.垂直线法此方法也是利用正三角形的一个性质：过正三角形内任一点分别向各边作垂线，三条垂线的总和等于三角形的高，从而把三角形的高定为100，即把三垂线之和定为100，则各垂线的长度3

3 2.三元相图 1）组成表示方法——浓度三角形 三元系统组成通常以等边三角形表示，即称浓度三角形，如图所示。三顶点分别表示A、B、C二 个纯组分，每边长分为100等份，相当二元相图的组成轴。三角形内任一点，即表示对应二元物系的组成， 而任一三元物系组成在三角形内部有对应的点。 浓度三角形表示法 例如，对BC边上M1点，因属B—C二元系统，其组成可直接读出：70%C、30%B、O％A。对三角形内部的 点(如M点)，要确定它们的组成，通常有两种方法：平行线法和垂直线法。 1．平行线法 此方法是利用正三角形的一个性质：近过正三角形内任一点作各边平行线，在各 边上所截的线段长度之和等于三角形的—边长。过M点分别作三条边的平行线，在三条边上所截的线段分 别为a,b,c， 则a+b+c＝AB＝100。因此，可以利用这三段截线的长度，分别表示三个组分的百分含量(浓 度)： 以a表示组分A的重量百分数 a＝EB＝A％＝40%；； 以b表示组分B的重量百分数 b＝AF＝B%＝20%； 以c表示组分C的重量百分数 c＝FE＝C%＝40%(FE＝ME＝IB) 2．垂直线法 此方法也是利用正三角形的一个性质：过正三角形内任一点分别向各边作垂线， 三 条垂线的总和等于三角形的高，从而把三角形的高定为100，即把三垂线之和定为100，则各垂线的长度

可分别表示各组分的含量。这个方法中同样具有“对顶转移关系”。如过M点向顶角A对边BC作垂线，则垂线之长“为A组分的含量，同理可作出b及c，得a十b十c=CD=100。垂直线法以上两种方法中，平行线法使用较方便，故在三元相图中得到普遍采用。二、固溶体固溶体：指含有外来杂质原子的晶体。（固溶体普遍存在于无机固体材料中）AC固溶体（AxBy)CBC.Mgo固溶体（Mgl-xFex）0Feo固溶体分为间隙型固溶体、置换型固溶体和缺位型固溶体置换型固溶体：在无机材料中所形成的固溶体绝大多数也是置换型固溶体。在金属氧化物中置换主要发生在金属离子的位置上，例如：Mg0一Fe0、Mg0—Ca0、A120一Cr20：等都属此类。例如Mg+半径为0.80A，Fe+半径为0.69A，结构相同，离子半径接近。间隙型固溶体：溶质的质点如果进入溶剂晶格的间隙位置，这种固溶体称为间隙型固溶体。如碳化物晶体缺位型固溶体：由不等价的离子取代引起的离子空位结构MgoAl.O.+2AlM+V+300ZrOzCao--Caz.+Vo+OoA

4 可分别表示各组分的含量。这个方法中同样具有“对顶转移关系”。如过M点向顶角A对边BC作垂线，则垂 线之长“为A组分的含量，同理可作出b及c，得a十b十c＝CD＝100。 垂直线法 以上两种方法中，平行线法使用较方便，故在三元相图中得到普遍采用。 二、固溶体 固溶体：指含有外来杂质原子的晶体。（固溶体普遍存在于无机固体材料中） 固溶体分为间隙型固溶体、置换型固溶体和缺位型固溶体 置换型固溶体：在无机材料中所形成的固溶体绝大多数也是置换型固溶体。在金属氧化物中置换主要发 生在金属离子的位置上，例如：Mg0—FeO、Mg0—CaO、Al2O3—Cr2O3：等都属此类。 例如Mg+半径为0.80 Å， Fe+半径为0.69Å，结构相同，离子半径接近。 间隙型固溶体：溶质的质点如果进入溶剂晶格的间隙位置，这种固溶体称为间隙型固溶体。如碳化物晶 体 缺位型固溶体：由不等价的离子取代引起的离子空位结构

2O010101010(b)(d)(e)(1)(a)(c)图1-63固溶体的典型结构示意图（a）纽分A：（6）暨换固浴体（无序的）（c）置换固溶体（有序的）（d）间隙固体，（e）缺位固溶体，（）组分B三、熔体结晶理论231T图2-11结晶作用示意图1一品体长大线速度VM2一晶核形成速度Vm：3一粘度?由上图可见，2线有一最高点，即在此温度下晶核形成速度最大，这种情况是在温度较低、熔体粘度较大的条件下。同样1线也有一个最高点，表明在此温度下晶体成长速度最大，这是在温度较高、熔体粘度较小的情况下。这两曲线最高部分不重合，因此唯有在两曲线交界处（T1附近）的温度才是既有利于晶核形成又有利于晶体的成长。也即是说，T1是熔体结晶的最佳理论温度，此时相应的括度是104一105泊。由图又可看出1线与2线交迭处有一个温度范围，在此范围内都有结晶的可能。因此要避免结晶就必须快速冷却，迅速越过此温度范围。【本讲课程的小结】掌握下列问题：1.二元、三元相图基本理论2．固溶体的概念及分类3.熔体结晶理论

5 三、熔体结晶理论 由上图可见，2线有一最高点，即在此温度下晶核形成速度最大，这种情况是在温度较低、熔体粘度较大 的条件下。同样1线也有一个最高点，表明在此温度下晶体成长速度最大，这是在温度较高、熔体粘度较 小的情况下。这两曲线最高部分不重合，因此唯有在两曲线交界处(T1附近)的温度才是既有利于晶核形 成又有利于晶体的成长。也即是说，T1是熔体结晶的最佳理论温度，此时相应的拈度是104一105泊。 由图又可看出1线与2线交迭处有一个温度范围，在此范围内都有结晶的可能。因此要避免结晶就必 须快速冷却，迅速越过此温度范围。 【本讲课程的小结】 掌握下列问题： 1． 二元、三元相图基本理论 2． 固溶体的概念及分类 3． 熔体结晶理论

【本讲课程的作业】画出熔体结晶示意图。6

6 【本讲课程的作业】 画出熔体结晶示意图