Материаловедение и защита материалов от коррозии (стр. 9 )

Аннотация учебной программы дисциплины М2.В2

«Физико-химические основы моделирования строения и свойств материалов»

Рекомендуется для направления подготовки

150100 «Материаловедение и технологии материалов»

для профиля «Материаловедение и защита материалов от коррозии»

как вариативная дисциплина профессионального цикла

Квалификация (степень) выпускника – магистр

Дисциплина «Физико-химические основы моделирования строения и свойств материалов” предназначена для подготовки магистров по направлению подготовки 150100 – Материаловедение и технологии материалов. Цель курса -  изложение фундаментальных физико-химических основ моделирования строения и свойств материалов, что обеспечит возможность использования моделирования для решения актуальных технологических задач в области материаловедения.

Задача курса – обучение студентов методам моделирования строения и свойств материалов - молекулярных систем, кластеров, полимеров и кристаллов, умению проводить поиск в базах данных и самостоятельно выполнять расчеты с использованием современных компьютерных программных комплексов, используемым на практике.

Цели и задачи курса достигаются с помощью

- ознакомления с основными положениями современной структурной химии и кристаллографии, теории химической связи и межмолекулярного взаимодействия на примерах конкретных веществ, используемых в материаловедении;

- изучения принципов количественной характеризации атомной и электронной структуры молекулярных и кристаллических веществ и полимеров;

- установления взаимосвязей между атомной и электронной структурой и физико-химическими свойствами веществ, лежащих в основе управления свойствами;

- получения представлений о возможностях основных современных методов компьютерного моделирования, областях их применимости и методах трактовки химических явлений и процессов;

- получения практических навыков в применении современных методов компьютерного моделирования для расчета, интерпретации и предсказания строения  и физико-химических свойств материалов.

Дисциплина «Физико-химические основы моделирования строения и свойств материалов”

относится к базисной части профессионального цикла и базируется на компетенциях, полученных при изучении дисциплин математического и естественно-научного циклов (курсов высшей математики, физики, общей и неорганической, органической и физической химии). Процесс изучения дисциплины «Физико-химические основы моделирования строения и свойств материалов” направлен на формирование компетенций ОК - 6,7,12,15, ПК - 2,3,4,6,8.

В результате изучения дисциплины студент должен:

знать:

- основные положения современной структурной химии и теории химической связи и межмолекулярных взаимодействий и примеры их применения к конкретным системам;

- принципы количественной характеризации атомной и электронной структуры молекулярных и кристаллических и полимерных веществ;

- основные взаимосвязи между атомной и электронной структурой и физико-химическими свойствами веществ, лежащие в основе управления свойствами;

- возможности основных современных методов компьютерного моделирования, области их применимости и методы трактовки химических явлений и процессов;

уметь:

применять современные подходы для моделирования строения  и физико-химических свойств молекулярных и кристаллических веществ и полимеров;

владеть:

навыками применения современных методов компьютерного моделирования при решении практических задач и стандартными  компьютерными программами, применяемыми для этой цели.

Трудоемкость дисциплины: 3,5+1 зачетных единиц. Из них аудиторная нагрузка 72 часа (лекций 36 часов, расчетных работ – 20 часов, семинаров – 16 часов), самостоятельная работа 90 часов, включая  на подготовка в экзамену – 36 часов.

Содержание дисциплины

Введение. Роль моделирования строения и свойств материалов в материаловедении

1. Атомная структура твердых тел: геометрическая модель

- Элементы кристаллографии.  Трансляционная и точечная симметрия. Кристаллические системы и решетки Бравэ.

- Кристаллические структуры ГПУ, ГЦК и ОЦК металлов. Кристаллические структуры кристаллов – элементов керамических материалов: кремний, каменная соль, кубический сфалерит, MgO, флюорит, кубические перовскиты, рутил, корунд, MgВ2, La2CuO4, YBa2Cu3O7.

- Реальные кристаллы. Точечные дефекты, дислокации.

- Интерметаллические соединения. Фазы Лавеса. Фазы Юм-Розери. Сплавы. Твердые

растворы. Многокомпонентные системы.

- Атомное строение графита, графена и нанотрубок.

- Экспериментальные методы исследования структуры кристаллов: рентгеноструктурный анализ (монокристаллы, порошки), электронная микроскопия.

2. Методы описания электронной структуры твердых тел. Химическая связь

- Классические модели связи атомов в кристаллах (ионная, ковалентная, межмолекулярная и металлическая связи). 

- Основные положения квантовой механики. Приближение Борна-Оппенгеймера. Адиабатический потенциал  - основа понятий молекулярной и кристаллической структуры. 

- Одноэлектронное приближение. Методы Хартри-Фока, MP2 и Кона-Шэма.

- Одноэлектронные волновые функции в кристаллах. Учет трансляционной симметрии. Обратная решетка. Энергетические зоны. Зона Бриллюэна. Уровень Ферми.

-Дисперсионные зависимости одноэлектронных состояний. Плотность состояний. Зонная структура и обусловленные  ею  свойства материалов.

- Расчетные методы, учитывающие периодические граничные условия. Базисные функции для таких расчетов: локализованные орбитали, плоские волны, смешанные базисы. Псевдопотенциал.

- Кластерное приближение в расчетах электронного строения неупорядоченных и аморфных тел и полимеров.

3. Электронная структура,  химическая связь и свойства металлов и керамических материалов

- Зонная электронная структура ГПУ, ГЦК и ОЦК металлов. Химическая связь в ГПУ, ГЦК и ОЦК металлах.

- Зонная электронная структура кристаллов – элементов керамических материалов: кремний, каменная соль, кубический сфалерит, MgO, флюорит, кубические перовскиты, рутил, корунд, MgВ2, La2CuO4, YBa2Cu3O7. Химическая связь в этих соединениях.

- Зонная электронная структура графитовых нанотрубок, графена и родственных материалов.

- Зонная электронная структура и химическая связь в фазах Лавеса и Юм-Розери.

- Поверхностные эффекты. Орбитальные и электронно-плотностные модели взаимодействий

«молекула - поверхность твердого тела». Простейшие модели точечных дефектов.

Заключение. Компьютерные программы для моделирования строения и свойств твердых тел.

Автор программы:

Цирельсон 

М.2 Профессиональный цикл

Аннотация учебной программы дисциплины М2.В3

«Химическое сопротивление неметаллических материалов»

Рекомендуется для направления подготовки

150100 «Материаловедение и технологии материалов»

для профиля «Материаловедение и защита материалов от коррозии»

как вариативная дисциплина профессионального цикла

Квалификация (степень) выпускника – магистр

Цель курса "Химическое сопротивление неметаллических материалов" - приобретение студентами знаний, необходимых для самостоятельного решения вопросов, связанных с выбором материалов для защиты от коррозии оборудования и конструкций химико-технологических процессов с учетом условий эксплуатации, а также экономических и экологических факторов.

Изучение курса «Химическое сопротивление неметаллических материалов» при подготовке магистров по направлению "Материаловедение и технологии материалов" направлено на приобретение следующих компетенций: ОК-2; ПК-1; ПК-4; ПК-7; ПК-9; ПК-10; ПК-11.

В результате изучения дисциплины студент должен:

       знать:

       - классификацию, структуру, состав и свойства неметаллических материалов, используемых в промышленности;

       - основные конструкционные и функциональные материалы.

       уметь:

       - рационально подобрать конструкционный материал для химико-технологического процесса (реактора, аппарата, машины) с учетом методов защиты от возможного воздействия технологической (атмосферной) среды на конкретные конструкционные материалы.

       владеть:

       - простейшими операциями определения свойств материалов, настройки технологического оборудования, наладки приспособлений, инструмента и другой оснастки, включенных в лабораторный практикум.

Содержание разделов дисциплины

1. Введение

Определение понятия «химическая стойкость» неметаллических материалов. Классификация разрушения материалов под действием агрессивных сред. Количественная оценка коррозионного разрушения материалов.

2. Химическая стойкость и защитные свойства неметаллических материалов.

Взаимодействие неметаллических материалов с агрессивными средами. Классификация и общие представления о неметаллических материалах. Особенности взаимодействия неметаллических материалов с агрессивными средами. Взаимодействие неметаллических материалов с газами. Взаимодействие силикатных материалов с газами. Взаимодействие полимеров с газами. Взаимодействие неметаллических материалов с водой. Физико-химическое воздействие воды на неметаллические материалы. Водостойкость силикатных материалов. Водостойкость полимерных и композиционных материалов. Взаимодействие неметаллических материалов с растворами электролитов и другими жидкими средами. Перенос растворов электролитов в неметаллических материалах. Стойкость силикатных материалов к действию кислот и щелочей Химическая деструкция полимерных материалов под действием растворов электролитов Взаимодействие неметаллических материалов с органическими растворителями, расплавами металлов и солей.

Физические аспекты прочности и разрушения твердых тел. Влияние напряженно-деформированного состояния на процессы взаимодействия неметаллических материалов с агрессивными средами. Влияние агрессивной среды на прочность и разрушение неметаллических материалов. Ползучесть неметаллических материалов.

3. Неметаллические материалы, используемые для противокоррозионной защиты.

Силикатные материалы. Общие сведения. Материалы, получаемые плавлением природных силикатов. Каменное литье. Плавленый кварц. Силикатные стекла. Ситаллы. Силикатные эмали. Материалы, получаемые спеканием природных силикатов. Кислотоупорная керамика и фарфор. Пористые керамические материалы. Вяжущие силикатные материалы. Материалы на основе полимеров. Полимеризационные пластмассы. Полиэтилен. Полипропилен. Поливинилхлорид. Пентапласт. Фторполимеры (фторопласты). Полиизобутилен. Поликонденсационные смолы и защитные композиции на их основе. Фенолоформальдегидные смолы. Эпоксидные смолы. Полиэфирные смолы. Фурановые (фуриловые) смолы. Кремнийорганические смолы. Вяжущие материалы на органической основе. Каучуки и резины. Резины для гуммирования. Клеи для гуммировочных работ. Гуммировочные материалы на основе жидких каучуковых составов. Материалы, применяемые для ремонта гуммированного оборудования. Углеграфитовые материалы. Пропитанный графит. Композиции на основе графита и синтетических смол. Лакокрасочные материалы. Лакокрасочные материалы, используемые для защиты от коррозии. Композиционные материалы. Материалы для прокладок. Требования к прокладкам. Выбор материала прокладки. Неметаллические прокладочные материалы.

4. Защита химических аппаратов неметаллическими материалами.

Аппаратура из неметаллических материалов. Защита неметаллическими покрытиями. Нанесение лакокрасочных покрытий. Нанесение покрытий из порошков, суспензий и жидких композиций. Нанесение покрытий из листов (плакирование, футеровка). Защита стальной и бетонной аппаратуры футеровки штучными материалами. Общие требования к конструкции корпуса, штуцеров и люков. Жесткость корпуса и допускаемые отклонения по форме. Монтаж корпуса и установка аппаратов на фундамент.

Авторы программы:

доцент (кафедра КМ и ТЗК);

доцент (кафедра КМ и ТЗК);

доцент (кафедра КМ и ТЗК).

М.2 Профессиональный цикл