無機非金屬材料科學基礎

前言

材料是人類社會賴以生存的物質基礎和科學發(fā)展的技術先導。人類使用材料的歷史，從遠古的石器時代到公元前的鐵器時代再到現(xiàn)在的新材料時代，共經(jīng)歷了七個時期，材料是衡量社會生產(chǎn)力發(fā)展的重要標志，材料科學、能源科學與信息科學一并被列為現(xiàn)代科學技術的三大支柱，而現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)和科學技術的進步，都是以材料的發(fā)展為基礎的?？v觀世界科技發(fā)展史，重大的技術革新往往起始于材料的革新，而近代新技術的發(fā)展又促進了新材料的研制。材料的制造經(jīng)歷了由簡單到復雜，由以經(jīng)驗為主到以科學知識為基礎的發(fā)展過程，逐漸形成了一門新興的邊緣學科——材料科學。目前，國內材料科學基礎課程的內容由于金屬材料、無機非金屬材料和有機高分子材料等專業(yè)的不同，材料科學基礎的內容也有很大區(qū)別。本書的內容則偏重于無機非金屬材料方面的基礎理論，具體包括以下幾個部分：晶體結構基礎、晶體缺陷理論、無機材料的相平衡理論、無機材料的動力學理論、無機材料的固相反應理論、無機材料的燒結理論等。通過本課程的學習，學生可以掌握無機非金屬材料的組成、結構與性能之間的相互關系及其變化規(guī)律的基本理論，奠定學生從事材料科學研究的專業(yè)基礎，培養(yǎng)和提高學生的科研能力，這對于他們日后從事復雜的技術工作和研發(fā)新材料十分有益。本書從材料的共性出發(fā)，結合現(xiàn)代無機材料科學的發(fā)展，在編寫過程中堅持加強基礎、拓寬專業(yè)面、更新教材內容的基本原則；內容取材上既保留了傳統(tǒng)無機材料的特色，又充分考慮本學科與其他學科相互融合滲透的新特點；在內容統(tǒng)籌上力求條理清晰，邏輯嚴謹，充分體現(xiàn)材料科學組成、結構、性能及工藝四要素之間相互依存的關系；堅持體現(xiàn)教材內容深度、廣度適中，增強適用性；文字敘述上力求概念準確嚴謹，深入淺出，數(shù)據(jù)正確可靠，圖、表、實例與內容敘述相吻合，使讀者便于理解和自學。為加深學生對基本概念的理解和提高解決實際問題的能力，各章后附有習題與思考題。

內容概要

《無機非金屬材料科學基礎》主要介紹了無機非金屬材料的組成、結構、性能和工藝之間的相互關系及其變化規(guī)律的基本理論，是無機非金屬材料專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課。全書內容共分10章，包括：結晶學基礎、晶體結構、晶體結構缺陷、非晶體結構與性質、固體的表面與界面、材料系統(tǒng)中的相平衡與相圖、固體材料中的擴散、材料中的固相反應、材料中的相變、材料的燒結等。
《無機非金屬材料科學基礎》可作為高等院校無機非金屬材料本科專業(yè)教材，亦可作為?？萍案呗毟邔Ｏ嚓P專業(yè)的教材，還可供無機非金屬材料類研究生、教師及相關專業(yè)的工程技術人員參考。

書籍目錄

1 結晶學基礎1.1 晶體的基本概念與性質1.1.1 晶體的基本概念1.1.2 晶體的基本性質1.2 晶體的宏觀對稱性1.2.1 對稱的概念1.2.2 晶體的宏觀對稱操作與對稱要素1.2.3 對稱型與點群1.2.4 晶體的對稱分類1.3 布拉維點陣與晶胞1.3.1 單位平行六面體的選取1.3.2 十四種布拉維點陣（Bravais Lanice）1.3.3 晶胞1.4 點陣幾何元素的表示法1.4.1 空間點陣中坐標系的選取1.4.2 結點位置的表示1.4.3 晶面指數(shù)（晶面的表示法）1.4.4 晶向符號1.4.5 晶面與晶向的關系、晶帶軸定理習題與思考題2 晶體結構2.1 晶體化學基本原理2.1.1 晶體中的化學鍵2.1.2 原子半徑與離子半徑2.1.3 球體緊密堆積原理2.1.4 配位數(shù)與配位多面體2.1.5 離子的極化2.1.6 鮑林規(guī)則2.2 單質晶體結構2.2.1 典型金屬的晶體結構2.2.2 多晶型性2.2.3 非金屬元素單質的晶體結構2.3 典型無機化合物的晶體結構類型2.3.1 AX型無機化合物晶體結構2.3.2 AX，型無機化合物晶體結構2.3.3 A2X3型無機化合物晶體結構2.3.4 ABO3型無機化合物的晶體結構2.3.5 AB2O4型無機化合物（尖晶石）的晶體結構2.4 硅酸鹽晶體結構2.4.1 硅酸鹽晶體的共同特點2.4.2 島狀結構硅酸鹽晶體2.4.3 組群狀結構硅酸鹽晶體2.4.4 鏈狀結構硅酸鹽晶體2.4.5 層狀結構硅酸鹽晶體2.4.6 架狀結構硅酸鹽晶體習題與思考題3 晶體結構缺陷3.1 點缺陷3.1.1 點缺陷的分類3.1.2 點缺陷的符號表示方法3.1.3 熱缺陷濃度的計算3.1.4 點缺陷的化學平衡3.2 固溶體3.2.1 概述3.2.2 固溶體的分類3.2.3 置換型固溶體3.2.4 組分缺陷3.2.5 填隙型固溶體3.2.6 形成固溶體后對晶體性質的影響3.3 非化學計量化合物3.3.1 陰離子缺位型3.3.2 陽離子填隙型3.3.3 陰離子填隙型3.3.4 陽離子缺位型3.3.5 非化學計量化合物的性質3.4 位錯3.4.1 位錯的概念3.4.2 完整晶體的塑性變形方式3.4.3 位錯的基本類型3.4.4.位錯的伯格斯矢量3.4.5 位錯的運動3.4.6 位錯的能量3.5 面缺陷3.5.1 晶界3.5.2 堆積層錯3.5.3 反映孿晶面習題與思考題4 熔融體與玻璃體的結構與性質4.1 熔體的結構與性質4.1.1 對熔體結構的一般認識4.1.2 硅酸鹽熔體結構4.2 熔體的性質4.2.1 熔體的黏度4.2.2 熔體的表面張力與表面能4.3 玻璃的形成4.3.1 玻璃的通性4.3.2 玻璃形成的方法與物質4.3.3 形成玻璃的條件4.4 玻璃結構學說4.4.1 晶子學說4.4.2 無規(guī)則網(wǎng)絡學說4.4.3 兩大學說的比較與發(fā)展4.5 常見玻璃類型4.5.1 硅酸鹽玻璃4.5.2 硼酸鹽玻璃4.5.3 磷酸鹽玻璃4.5.4 鍺酸鹽玻璃習題與思考題5 固體的表面與界面5.1 固體的表面及其結構5.1.1 固體的表面特征5.1.2 固體的表面類型5.1.3 固體的表面結構5.1.4 固體的表面能5.2 固體的界面行為5.2.1 彎曲表面效應5.2.2 潤濕與黏附5.2.3 吸附與表面改性5.3 固體的界面5.3.1 晶界5.3.2 多晶體的晶界構形5.3.3 晶界應力5.4 黏土-水系統(tǒng)膠體化學5.4.1 黏土的荷電性5.4.2 黏土的離子吸附與交換5.4.3 黏土膠體的電動性質5.4.4 黏土.水系統(tǒng)的膠體性質5.4.5 瘠性料的懸浮與塑化習題與思考題6 材料系統(tǒng)中的相平衡與相圖6.1 相平衡及其研究方法6.1.1 相平衡的基本概念6.1.2 材料系統(tǒng)中的吉布斯相律（Gibbs Phase Rule）6.1.3 相平衡的研究方法6.2 單元系統(tǒng)相圖6.2.1 水的單元系統(tǒng)相圖6.2.2 具有同質多晶轉變的單元系統(tǒng)相圖6.2.3 具有可逆（雙向的）與不可逆（單向的）的多晶轉變的相圖6.2.4 單元系統(tǒng)專業(yè)相圖6.3 二元系統(tǒng)相圖6.3.1 二元系統(tǒng)相圖的表示方法及杠桿規(guī)則6.3.2 二元系統(tǒng)相圖的基本類型6.3.3 二元系統(tǒng)專業(yè)相圖6.4 三元系統(tǒng)相圖6.4.1 三元系統(tǒng)組成表示方法6.4.2 濃度三角形的性質6.4.3 三元系統(tǒng)相圖的構成要素_6.4.4 判讀三元系統(tǒng)相圖的幾條重要規(guī)則6.4.5 三元系統(tǒng)相圖的基本類型6.4.6 三元系統(tǒng)專業(yè)相圖6.5 四元系統(tǒng)6.5.1 四元系統(tǒng)組成的表示方法6.5.2 濃度四面體的性質6.5.3 具有一個低共熔點的四元系統(tǒng)相圖6.5.4 生成化合物的四元系統(tǒng)相圖……7 材料中的擴散8 材料中的固相反應9 材料中的相變10 材料的燒結附錄參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：（3）自限性。晶體能自發(fā)的形成封閉的凸幾何多面體外形的特征，稱為晶體的自限性或自范性。結晶多面體上的平面稱為晶面。晶面的交棱稱為晶棱。這也是由晶體的本質所決定的，只要有充分的條件，晶體就能生成一定的規(guī)則幾何外形。（4）對稱性。晶體中的相同部分（包括晶面、晶棱等）以及晶體的性質能夠在不同的方向或位置上有規(guī)律的重復出現(xiàn)，稱為晶體的對稱性。這也是晶體內部質點按周期性重復排列的結果。晶體的對稱性質說明晶體的性質隨方向變化并非雜亂無章。而是表現(xiàn)出某種規(guī)律性，即同樣的性質又會在對稱性所指示的一定方向上重復出現(xiàn)，這就表現(xiàn)出品體的對稱性。（5）最小內能性。在相同的熱力學條件下，晶體與同組成的氣體、液體及非晶質固體相比其內能最小。因此晶體是最穩(wěn)定的。1.2 晶體的宏觀對稱性1.2.1 對稱的概念對稱是指物體中相同部分之間的有規(guī)律重復。由對稱的定義可知，物體必須具有若干個相同的部分以及這些相同的部分能借助于某些特定的動作發(fā)生有規(guī)律的重復。例如吊扇的葉片以轉子中心線對稱分布。又如人的左右手，可以設想在兩手之間有一面鏡子，通過鏡子的反映，左右手正好重復。因此，對稱的條件是物體必須具有若干相同的部分以及這些相同的部分能借助于某種特定的動作發(fā)生有規(guī)律的重復。晶體的宏觀對稱性是指晶體外形所包圍的點陣結構的對稱性。晶體的宏觀對稱性來源于點陣結構的對稱性，故對晶體宏觀對稱性的研究有助于了解晶體的對稱性。在討論晶體的宏觀對稱時需用到對稱變換和對稱要素的概念。（1）對稱變換又稱對稱操作，是指能使對稱物體中各相同部分作有規(guī)律重復的變換動作。例如吊扇葉片旋轉一定角度的動作，雙手之間的反映動作等。在對稱變換中有的可以通過實際動作具體進行，如旋轉；有的則無法具體進行，如反映。但是這種對稱變換仍然是存在的。物體經(jīng)過對稱變換后和變換前完全相同，如同沒有進行過變換一樣。（2）對稱要素是指在進行對稱變換時所憑借的幾何要素。如點、線、面等。例如吊扇葉片旋轉的對稱變換所憑借的是與轉子中心線重合的直線。一定的對稱變換與一定的對稱要素相對應。1.2.2 晶體的宏觀對稱操作與對稱要素1.2.2.1 反演與對稱中心（C）幾何體所有的點沿著與某個點的連線等距離反向延伸到該點的另一端之后，該幾何體與原來的自身重合，這種對稱操作稱為反演。這個點為對稱要素，稱為對稱中心，國際符號用i表示，習慣上則用C表示。如圖1-4所示，立方體體心為對稱中心，經(jīng)對稱變換后對頂角上的兩點A1、A2互換位置，整個圖形在晶體中不變，如有對稱中心存在，必定位于晶體的幾何中心。

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《無機非金屬材料科學基礎》：高等學校規(guī)劃教材。

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