材料科學基礎

材料科學基礎

本書從可持續發展的角度看待材料科學問題，充分運用本專業學生已學習過的基礎知識，將金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和複合材料緊密結合，從各種材料的組織結構出發，揭示了材料性能與材料結構和製備工藝之間的關係，全面闡述了各種材料的共性基礎知識及個性特徵。

本書適合材料專業的本科生、研究生及從事材料工作的相關人員閱讀。

目錄

引論1

01關於材料的基本知識1

011材料與物質1

012材料的分類1

02材料發展與人類文明3

021材料發展古代史3

022材料發展近代史4

03材料結構與性能的共性問題6

031材料結構共性問題6

032材料性能共性問題8

04材料科學的形成和發展9

041“材料科學”概念的提出9

042科學技術的發展與材料科學的建立9

043從細分到綜合——材料科學與工程（MSE）簡介10

044材料科學與工程(MSN)的要素模型13

05材料科學的本質屬性14

051材料科學是多學科交叉、滲透和融合的成果14

052材料科學內各學科的相互交叉、移植、滲透和借鑒14

053材料科學是與實踐緊密結合的科學15

054高新技術在各類材料的研究中得到廣泛應用16

055材料科學是一個正在發展中的學科16

06材料科學的地位與任務16

07材料科學研究的方法17

071基本研究方法17

072系統研究方法18

073材料設計（計算)與一體化技術19

08材料科學的展望21

081總體發展趨勢21

082開發新材料發展高技術產業21

083提升傳統材料的技術含量21

084發展材料製備與檢測技術22

085發展綠色材料科學技術22

086軟物質——21世紀的前沿課題22

本章小結24

本章重點25

練習題25

參考文獻26

第1章固體材料的結構基礎知識27

11原子結構及鍵合27

111原子結構27

112鍵合30

12晶體學基礎知識38

121晶體的結構特徵和基本性質38

122晶體的宏觀對稱和晶體分類40

123晶體定向和晶面符號42

124布拉維格子44

125晶體的微觀對稱和空間群46

13固體材料的表面與晶界結構49

131固體材料的表面特性及表面結構49

132晶態固體材料中的晶界結構55

133多晶體的顯微組織變化58

134固體材料的相界面行為59

14穩定態結構與亞穩態結構71

141穩定態結構與亞穩態結構的定義71

142結構形成的熱力學條件和動力學條件71

本章小結73

本章重點73

練習題73

參考文獻74

第2章晶體結構與缺陷75

21晶體化學基本原理75

211原子半徑與離子半徑75

212球體最緊密堆積原理76

213配位數與配位多面體78

22典型金屬的晶體結構79

221金屬的晶體結構79

222點陣常數80

23離子晶體的晶體結構81

231離子晶體的主要特點81

232鮑林規則81

233離子極化82

24共價晶體的晶體結構83

241共價晶體的主要特點83

242典型共價晶體的結構83

25晶體缺陷84

251晶體結構缺陷的類型84

252熱缺陷濃度計算86

253線缺陷（位錯）88

本章小結89

本章重點90

練習題90

參考文獻90

第3章材料的相結構及相圖91

31材料的相結構91

311固溶體91

312中間相95

32二元系相圖103

321固溶體的類型103

322槓桿規則104

323二元系相圖的熱力學性質105

324二元系相圖的吉布斯自由能110

325共晶型二元系115

326同晶型二元系(完全互溶型二元系)116

327固溶型二元系117

328偏晶型二元系118

329化合物型二元系120

3210有晶型轉變的二元系122

33三元相圖125

331三元相圖成分表示方法126

332三元相圖的空間模型127

333三元相圖的截面圖和投影圖128

334三元相圖中的槓桿定律及重心定律129

34相圖熱力學基礎131

341相圖熱力學基本概念131

342Gibbs自由能曲面134

343單變度曲線與無變度點的穩定性136

344Schreinemakers線錐的基本性質138

本章小結139

本章重點140

練習題140

參考文獻140

第4章材料的相變142

41相變的概念及其分類142

411相變的基本概念142

412一些典型的相變142

413相變的分類149

42相變動力學160

43相變熱力學164

431相變熱力學164

432重要的熱力學函數164

433Landua理論簡介165

434Landua理論在熱力學相變中的應用168

本章小結169

本章重點170

練習題170

參考文獻170

第5章金屬材料的結構特徵171

51純金屬的凝固及結晶171

511晶體凝固的熱力學條件171

512晶體長大177

513結晶動力學及凝固組織179

514純金屬的界面不穩定性182

515純金屬凝固微觀組織183

52單相固溶體的凝固及結晶184

521勻晶相圖184

522固溶體凝固185

53兩相共晶體的凝固及結晶188

531共晶凝固理論188

532共晶相圖及其合金凝固195

本章小結200

本章重點200

練習題200

參考文獻201

第6章無機非金屬材料的結構特徵202

61無機非金屬材料的顯微結構202

611基本特徵202

612化學鍵合203

613正負離子的堆積方法203

614典型無機化合物晶體結構203

62硅酸鹽材料的晶體結構209

621硅酸鹽材料的結構特徵及其分類209

622島狀結構210

623組群狀結構210

624鏈狀結構211

625層狀結構212

626架狀結構214

63熔體及非晶態固體的結構217

631熔體的結構模型217

632熔體的性質218

633非晶態固體的結構特徵與表徵221

634玻璃的概念與通性222

635玻璃的結構理論223

636玻璃化條件225

本章小結229

本章重點230

練習題230

參考文獻231

第7章高分子材料的結構特徵232

71高分子鏈的近程結構（nearrangestructure）233

711結構單元的化學組成233

712結構單元的連接方式234

713高分子鏈的幾何形狀238

714高分子鏈的構型240

72高分子鏈的遠程結構（longrangestructure）242

721高分子的大小243

722高分子鏈的柔順性（flexibility）244

73高分子材料的結晶態258

731高分子結晶特點258

732晶態高分子的形態259

733晶態高分子分子鏈的堆砌266

734高分子晶態結構的模型267

735高分子材料的結晶度268

74高分子材料的非晶態272

741無規線團結構模型及證據273

742摺疊鏈纓狀膠束粒子模型及證據273

75高分子材料的取向273

751取向現象（orientation）273

752取向方式274

753取向度——取向的程度275

76高分子材料的混合體系的織態構造276

761高分子材料混合體系276

762高分子的相容性（miscibility,compatibility）276

763非均相高分子材料混合體系的織態結構277

77高分子材料的液晶態結構278

771高分子液晶的特點278

772高分子液晶的基本性質279

773高分子液晶的應用281

本章小結282

本章重點282

練習題282

參考文獻284

第8章複合材料的結構特徵285

81複合材料的定義及形態分類285

811複合材料的定義285

812複合材料的基本特點285

813複合材料的分類286

814複合材料的結構層次288

82複合材料複合原理289

821單向複合材料工程彈性常數的預測289

822單向複合材料強度的預測290

823複合材料的複合原理應用291

83複合材料的界面292

831複合材料界面的基本概念293

832聚合物基複合材料的界面295

833金屬基複合材料的界面296

834陶瓷基複合材料的界面299

84複合材料的強化和韌化理論301

841增強材料的表面處理301

842纖維的增強作用304

843纖維的增韌作用304

85複合材料結構設計的理論基礎305

851複合材料結構設計過程305

852複合材料結構設計條件306

853材料設計306

本章小結309

本章重點309

練習題309

參考文獻309

第9章材料的力學性能311

91力學性能概論311

911單向靜拉伸試驗和應力應變圖311

912彈性變形及其性能指標313

913非理想彈性與內耗316

914塑性變形及其性能指標320

915斷裂324

916硬度328

917韌度329

918材料的疲勞性能334

919蠕變335

9110磨損與耐磨性336

92高分子材料的力學性能336

921高分子材料的力學狀態337

922高分子材料的應力應變行為339

923高分子材料的高彈性與黏彈性340

924高分子材料的靜態黏彈性——蠕變與應力鬆弛341

925高分子材料的動態黏彈性——滯后與內耗343

926高分子材料的強度343

927高分子材料的韌性344

928高分子材料減摩、耐磨性344

93複合材料的力學性能特徵345

931力學性能共性345

932主要複合材料的力學性能346

94力學性能綜合348

941密度348

942彈性模量348

943屈服強度350

944比強度351

945斷裂韌性351

本章小結352

本章重點352

練習題353

參考文獻353

第10章材料的物理性能和化學性能355

101材料的電性能355

1011固體材料中的電子能帶結構基本理論355

1012導電體與電阻率358

1013絕緣體和介電性能361

1014半導體367

1015超導體369

102材料的磁性能372

1021磁性的量度372

1022材料的各類磁性373

1023磁化與退磁化374

1024磁性材料374

103材料的熱性能377

1031熱能和熱容377

1032熱膨脹378

1033熱傳導379

1034熱應力379

104材料的光學性能381

1041光的本質381

1042金屬材料的光學性質384

1043非金屬材料的光學性質384

1044發光387

1045光導纖維（光纖）388

1046激光材料388

105材料的抗腐蝕和耐老化性能390

1051材料的腐蝕性能390

1052腐蝕速率的表示方法391

1053提高耐腐蝕性途徑392

1054高分子材料的老化393

本章小結393

本章重點395

練習題395

參考文獻395

第11章材料的製備、強化與韌化397

111材料製備的基本原理及方法397

1111金屬材料的製備397

1112無機非金屬材料的製備401

1113高分子材料的製備合成408

1114複合材料的製備410

1115現代工程材料的特殊製備413

112材料強化基本原理和方法418

1121材料強化基本原理418

1122金屬材料強化基本原理及途徑421

1123高分子材料強化基本原理及途徑423

113材料韌化基本原理與方法425

1131材料韌化基本原理425

1132金屬材料的韌化430

1133無機非金屬材料的韌化431

1134高分子材料韌化433

本章小結434

本章重點435

練習題435

參考文獻436

附錄晶體結構的230種空間群437