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书名：材料概论
定价：59.8
ISBN：9787030575203
作者：刘伟
版次：1
出版时间：2018-06
内容提要：
本书共10个章节，分别是材料的结构、金属材料、高分子材料、无机非金属材料、材料的成型与加工技术、材料焊接技术、功能材料、新能源材料、纳米材料、生物材料。本书从材料的结构到材料的特性，再到材料的制备，深入浅出地介绍材料学。本书结合AR技术，便于教师讲解及学生理解一些较为复杂的结构模型，同时配套相应的微课视频资源，便于教师实施翻转教学或学生自学。
目录：
目录
第1章 材料的结构 1
1.1 材料的组成 1
1.1.1 物质组成 1
1.1.2 原子的结构 2
1.1.3 原子的电子结构 2
1.1.4 元素周期表 3
1.2 原子间的键合 5
1.2.1 金属键 5
1.2.2 离子键 6
1.2.3 共价键 7
1.2.4 范德瓦耳斯力 8
1.2.5 氢键 8
1.3 高分子链结构 8
1.3.1 近程结构 9
1.3.2 远程结构 10
1.4 材料的晶体结构 10
1.4.1 空间点阵和晶胞 10
1.4.2 晶向指数和晶面指数 12
1.4.3 三种典型的晶体结构 14
1.4.4 晶体的原子堆垛方式和间隙 16
1.4.5 多晶型结构 18
1.4.6 合金相结构 18
1.4.7 离子晶体结构 20
1.4.8 硅酸盐的晶体结构 22
1.4.9 聚合物的晶体结构 23
1.4.10 非晶体结构 24
思考与练习 24
第2章 金属材料 26
2.1 金属材料及其分类 26
2.2 金属的晶体结构 26
2.2.1 纯金属的晶体结构 26
2.2.2 合金的晶体结构 28
2.3 金属的晶体缺陷 31
2.4 金属及合金的组织 33
2.4.1 铁素体 33
2.4.2 奥氏体 34
2.4.3 渗碳体 35
2.4.4 珠光体 35
2.4.5 莱氏体 36
2.5 金属的结晶过程 36
2.5.1 液态金属的结构 36
2.5.2 金属的结晶过程 37
2.6 常见的金属材料 39
2.6.1 钢铁 39
2.6.2 铝合金 42
2.6.3 钛合金 42
2.6.4 镁合金 44
思考与练习 46
第3章 高分子材料 47
3.1 基本概念 47
3.1.1 概述 47
3.1.2 发展史 47
3.1.3 高分子的定义 49
3.1.4 高分子的特点 49
3.1.5 高分子的命名 50
3.1.6 高分子的分类 51
3.2 结构 52
3.2.1 高分子的结构概述 52
3.2.2 高分子链的近程结构——一级结构 53
3.2.3 高分子链的远程结构——二级结构 55
3.2.4 高分子的凝聚态结构——三级结构 56
3.2.5 高分子的相态结构——四级结构 57
3.3 塑料、橡胶与纤维 58
3.3.1 塑料的基本概念 58
3.3.2 橡胶的基本概念 61
3.3.3 纤维的基本概念 64
3.4 涂料与胶黏剂 67
3.4.1 涂料的基本概念 67
3.4.2 胶黏剂的基本概念 69
3.5 高分子复合材料 71
3.5.1 基本概念 71
3.5.2 基体相 72
3.5.3 增强相 73
3.5.4 制备方法 75
3.6 功能高分子材料 77
3.6.1 光电高分子材料 77
3.6.2 电活性高分子 79
3.6.3 其他功能高分子 80
思考与练习 84
第4章 无机非金属材料 85
4.1 概述 85
4.2 陶瓷 87
4.2.1 陶瓷的概念 87
4.2.2 陶瓷的发展 89
4.3 玻璃 89
4.3.1 玻璃的概念和发展 89
4.3.2 玻璃的组成与性质 91
4.4 水泥 93
4.4.1 水泥的概念和发展 93
4.4.2 水泥的水化和硬化 93
4.5 耐火材料 96
4.5.1 硅质耐火材料 97
4.5.2 镁质耐火材料 98
4.5.3 硅酸铝质耐火材料 98
4.5.4 碳质耐火材料 100
4.5.5 不定形耐火材料 100
4.5.6 轻质耐火材料 101
思考与练习 101
第5章 材料的成型与加工技术 102
5.1 金属材料的成形技术 102
5.1.1 铸造成形 102
5.1.2 塑性成形 112
5.1.3 粉末冶金成形 124
5.1.4 其他成形技术 124
5.2 高分子材料的成型 125
5.2.1 压制成型 125
5.2.2 挤出成型 128
5.2.3 注射成型 130
5.2.4 压延成型 132
5.3 无机材料的制备与成型 133
5.3.1 水泥制备 133
5.3.2 玻璃成型 134
5.3.3 陶瓷成型 137
5.3.4 耐火材料制备 139
思考与练习 140
第6章 材料焊接技术 141
6.1 概述 141
6.1.1 焊接技术的发展 141
6.1.2 焊接技术的简介 142
6.1.3 常见的焊接技术及特点143
6.1.4 焊接技术的发展趋势 152
6.2 焊接方式 152
6.2.1 合金结构钢焊接 152
6.2.2 不锈钢及耐热钢焊接 153
6.2.3 有色金属的焊接 154
6.2.4 铸铁焊接 155
6.3 焊接冶金原理 156
6.3.1 焊接热过程 156
6.3.2 焊接化学冶金 158
6.4 焊接质量检测 159
思考与练习 160
第7章 功能材料 161
7.1 概述 161
7.2 光学材料 161
7.2.1 概述 161
7.2.2 激光材料 162
7.2.3 电光材料 163
7.2.4 声光材料 164
7.2.5 磁光材料 165
7.2.6 光纤材料 166
7.3 磁性材料 168
7.3.1 磁学基本原理 168
7.3.2 磁性材料的分类 169
7.3.3 典型的磁性材料 170
7.4 电性材料 172
7.4.1 导体材料 173
7.4.2 电阻材料 174
7.4.3 超导材料 175
7.5 非晶合金 178
7.5.1 非晶合金的特点 179
7.5.2 非晶合金的制备 180
7.5.3 非晶合金的应用 181
7.6 精细功能陶瓷材料 182
7.6.1 电功能陶瓷 183
7.6.2 其他功能陶瓷 186
7.7 形状记忆合金 190
7.7.1 形状记忆合金的原理 190
7.7.2 形状记忆合金的特性 191
7.7.3 形状记忆合金材料及其应用 192
7.8 储氢合金 193
7.8.1 储氢材料 193
7.8.2 储氢的原理 194
7.8.3 储氢材料的应用 194
思考与练习 195
第8章 新能源材料 197
8.1 太阳能材料 197
8.1.1 硅材料 198
8.1.2 多元化合物材料 198
8.1.3 有机聚合物材料 199
8.1.4 染料敏化太阳能电池材料 200
8.2 锂离子电池材料 200
8.2.1 锂离子电池工作原理 200
8.2.2 锂离子电池正极材料 201
8.2.3 锂离子电池负极材料 203
8.2.4 锂离子电池电解质 204
8.2.5 锂离子电池隔膜材料 205
8.3 超级电容器材料 205
8.3.1 超级电容器发展历史 205
8.3.2 超级电容器分类 206
8.3.3 超级电容器电极材料 207
8.3.4 超级电容器电解质 208
8.4 储氢材料 209
8.4.1 机械式储氢 210
8.4.2 物理吸附储氢 210
8.4.3 化学储氢 211
思考与练习 214
第9章 纳米材料 215
9.1 概念 215
9.2 制备 218
9.2.1 物理制备方法 218
9.2.2 化学制备方法 221
9.3 表征 226
9.3.1 成分分析 227
9.3.2 粒度分析 227
9.3.3 结构分析 228
9.3.4 形貌分析 229
9.4 特性 230
9.4.1 纳米效应 230
9.4.2 力学性能 231
9.4.3 热学性能 232
9.4.4 光学性能 232
9.4.5 电学性能 233
9.4.6 动力学特性 234
9.4.7 催化性能 234
9.4.8 生物性能 235
9.5 应用 235
9.5.1 纳米电子应用 236
9.5.2 微纳机电系统 237
9.5.3 纳米传感器 237
9.5.4 纳米催化剂 238
思考与练习 238
第10章 生物材料 239
10.1 金属生物材料 240
10.1.1 通用金属生物材料 240
10.1.2 形状记忆金属材料 242
10.1.3 金属生物材料的表面改性 244
10.2 高分子生物材料 246
10.2.1 不接触体液的高分子生物材料 246
10.2.2 长期接触体液的高分子生物材料 247
10.2.3 短期接触体液的高分子生物材料 254
10.3 无机生物材料 259
10.3.1 惰性陶瓷生物材料 259
10.3.2 活性陶瓷生物材料 261
思考与练习 262
参考文献 263
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第1章 材料的结构
材料是由原子或分子等基本粒子构成的。在实际生产和生活中，大多数材料是固态的。由于大多数固体材料是晶态材料，一般地，固态指的是“结晶态”，也就是各种各样晶体所具有的状态。与非晶态材料不同，晶态材料的原子或分子在三维空间中的排列是规则的。*常见的晶体如食盐，有着规则的外形。如果拿一粒粗制食盐观察，可以看到它由许多立方体晶体构成。地质博物馆还可以看到许多颜色、形状各异的规则晶体，十分漂亮。结晶态物质的突出特征是：有一定的体积和几何形状；在不同方向上物理性质可以不同；有固定的熔点。在晶态材料中，分子或原子有规则地周期性排列着，就像学生全体做操时，人与人之间都等距离地排列。每个人在一定位置上运动，就像每个分子或原子在各自固定的位置上做振动。在材料科学与工程中，掌握材料的微观结构是非常重要的，是进行材料研究和材料生产必备的基础知识。
材料研究和实践已经表明，决定材料性能*根本的因素是组成材料各元素的原子结构、原子间的相互作用与相互结合、原子或分子在空间的排列分布和运动规律以及原子集合体的形貌特征等。为此，需要了解材料的微观构造，即其内部结构和组织状态，以便从其内部的矛盾性找出改善和发展材料的途径。
1.1 材料的组成
1.1.1 物质组成
一切材料都是由无数微粒按一定的方式聚集而成的。宏观上来说，材料是由某一种或某几种元素聚集而成的。如果是单一的元素，则称为单质；如果是由几种元素化合而成的，则称为化合物。从微观上来说，所有的材料都是由*基本的微观粒子，可能是原子，也可能是分子和粒子，按照一定的方式聚集而成，如图1-1所示。无论是分子还是离子，都是由原子演化而来的。宏观物质内部的微观粒子要聚集在一起，必定需要一定的结合力。原子结构直接影响了原子间的结合方式。图1-1材料结构示意图
1.1.2 原子的结构
原子结构，也称为原子模型，是指原子的组成以及部分的搭配和安排。原子非常小，以碳原子为例，其直径约为140pm（1pm=10.12m），但通常以半径记录；在以毫米为单位的情况下，碳原子的直径为1.4×10.7mm，是由位于原子中心的原子核和一些微小的电子组成，这些电子绕着原子核的中心运动，就像太阳系的行星绕着太阳运行。
从英国化学家和物理学家道尔顿（Dalton）创立原子学说以后，很长时间内，人们都认为原子就像一个小得不能再小的玻璃实心球，里面再也没有什么花样了。1869年，德国科学家希托夫（Hittorf）发现阴极射线以后，一大批科学家研究了阴极射线，历时20余年。*终，汤姆森（Thomson）发现了电子的存在。通常情况下，原子是不带电的。既然从原子中能跑出是它质量1/1700的带负电电子来，就说明原子内部还有结构，也说明原子里还存在带正电的东西，它应和电子所带的负电中和，使原子呈中性。
近代科学实验证明：原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的，如图1-2所示。原子的体积很小，直径为10.10m数量级，其原子核直径更小，为10.15m数量级。然而，原子的质量恰主要集中在原子核内。每个质子和中子的质量大致为1.67×10.24g，而电子的质量约为9.11×10.28g，仅为质子的1/1836。
1.1.3 原子的电子结构
人们对物质组成和结构的认识经历了由浅入深、由感性至理性、由片面到整体的发展过程。原子学说早在古希腊时期就提出，到19世纪末，经典物理学已经发展得相当完善，原子学说和元素周期律的提出与流行也促成了量子理论的发展和现代物理学的进步。物理学家和化学家逐步揭示了原子内部组成与结构的秘密以及与元素化学性质紧密相关的原子核外电子排布和变化规律，并构建了一个崭新的以量子理论为基础的微观世界。早期原子模型正是在这个时期相继提出的。
（1）Rutherford原子模型
1897年，英国物理学家Thomson通过研究阴极射线的性质发现了电子，确认带负电荷的电子是原子的组成部分。1909年，美国物理学家密立根（Millikan）通过测定油滴的电荷，确定了电子的电荷数，并据此计算出电子的质量大约只占氢原子质量的1/2000。那么原子中的质量是如何分布的呢？电荷的正负如何平衡呢？卢瑟福（Rutherford）的α粒子散射实验给出了问题的可能答案。
1910年，Rutherford用快速α粒子流轰击一张约4×10.7m厚的金箔，发现尽管绝大部分的粒子都毫无阻碍地通过了金箔，但有极少数α粒子发生了较大角度的散射，极个别的α粒子甚至被反弹回来。这使他认识到：极个别的α粒子被反弹回来，必定是因为它们和金箔原子中某种极小体积的坚硬密实的核心发生了碰撞，这个核心应该带正电，而且集中了原子的大部分质量。这便是著名的原子结构“行星模型”。该模型认为：原子由居于原子中心体积极小但占原子大部分质量的带正电的原子核和核外绕核高速运动的电子组成，就像行星沿着一定的轨道绕太阳运行。
图1-2原子轨道示意图
（2）Bohr原子模型
Rutherford的行星模型虽然解释了α粒子散射现象，却无法解释原子能够稳定存在的原因。1913年丹麦的波尔（Bohr）在Rutherford的行星模型基础上，借鉴普朗克（Planck）的量子论和爱因斯坦（Einstein）的光子学说的思想，提出了著名的氢原子结构模型假设，成功解释了氢原子结构和氢原子光谱，即Bohr理论。其要点如下：电子在一些特定的可能轨道上绕核做圆周运动，离核越远能量越高；可能的轨道由电子的角动量决定，且必须是h/2π的整数倍。
电子是一种基本粒子，目前无法再分解为更小的物质。其直径是质子的1/1000，质量为质子的1/1836。电子围绕原子核做高速运动。电子通常排列在各个能量层上。当原子互相结合成为分子时，在*外层的电子便会由一原子移至另一原子或成为彼此共享的电子。描述原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数表示。多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循三原则，即能量*低原理、泡利（Pauli）不相容原理和洪德（Hund）规则。
1.1.4 元素周期表
化学元素周期表是根据原子序数从小至大排序的化学元素列表。列表大体呈长方形，某些元素周期中留有空格，使特性相近的元素归在同一族中，如卤素、碱金属元素、稀有气体（又称惰性气体或贵族气体）等。这使周期表中形成元素分区且分为七主族、七副族与0族、Ⅷ族。由于周期表能够准确地预测各种元素的特性及其之间的关系，因此它在化学及其他科学范畴中得到广泛使用元素周期表是分析化学行为时十分有用的框架。
现代化学的元素周期律是1869年俄国科学家门捷列夫（Mendeleev）**的，他将当时已知的63种元素依相对原子质量并以表的形式排列，把有相似化学性质的元素放在同一列，制成元素周期表的雏形。
原子半径由左到右依次减小，由上到下依次增大。按照元素在周期表中的顺序给元素编号，得到原子序数。原子序数与元素的原子结构有如下关系：质子数=原子序数=核外电子数=核电荷数利用周期表，Mendeleev成功地预测当时尚未发现的元素的特性（镓、钪、锗）。1913年，英国科学家莫色勒利用阴极射线撞击金属产生X射线，发现原子序越大，X射线的频率就越高，因此他认为核的正电荷决定了元素的化学性质，并把元素依照核内正电荷排列。后来又经过多名科学家多年的修订才形成当代的周期表。将元素按照相对原子质量由小到大依次排列，并将化学性质相似的元素放在一个纵列。每一种元素都有一个序号，恰好等于该元素原子的核内质子数，这个序号称为原子序数。在周期表中，元素以元素的原子序排列，*小的排行*前。表中一行称为一个周期，一列称为一个族（8、9、10列为一个族）。
原子的核外电子排布和性质有明显的规律性，科学家按原子序数递增排列，将电子层数相同的元素放在同一行，将*外层电子数相同的元素放在同一列。
如图1-3所示，元素周期表有7个周期、16个族。每行称为一个周期，每列称为一个族。这7个周期又可分成短周期（1、2、3）、长周期（4、5、6、7）。16个族中，又分为7个主族（ⅠA、ⅡA、ⅢA、ⅣA、ⅤA、ⅥA、ⅦA）、7个副族（ⅠB、ⅡB、ⅢB、ⅣB、ⅤB、ⅥB、ⅦB）、一个Ⅷ族、一个0族。
图1-3元素周期表
元素在周期表中的位置不仅反映了元素的原子结构，也显示了元素性质的递变规律和元素之间的内在联系。同一周期内，从左到右，元素核外电子层数相同，*外层电子数依次递增，原子半径递减（0族元素除外）。原子失电子能力逐渐减弱，获电子能力逐渐增强，金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强。元素的*高正氧化数从左到右递增（没有正价的除外），*低负氧化数从左到右递增（第1周期除外，第2周期的O、F元素除外）。同一族中，由上而下，*外层电子数相同，核外电子层数逐渐增多，原子半径增大，原子序数递增，元素金属性递增，非金属性递减。元素周期表的意义重大，科学家正是用此来寻找新型元素及化合物的。
1.2 原子间的键合
原子间的键合指的是相邻的两个或多个原子间的强烈相互作用。原子以“键”的方式连在一起形成分子。所有的键合都与原子中*外层的电子运动有关。
原子可使电子以不同的方式键合。有时原子会带有相同的电子，每一个原子释放出一个电子来形成“键”，这种“键”称为共价键。另一种键则是由正负离子间的静电引力形成的，称为离子键。在金属中，电子绕着所有的原子运动，这称为金属键。不同的原子以各种不同的键合方式结合在一起组成无以计数的物质。
1.2.1 金属键
金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成键称为金属键。金属键的基本特点是电子的共有化。金属键是化学键的一种，主要在金属中存在，由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成。由于电子的自由运动，金属键没有固定的方向，因而是非极性键。金属键有金属的很多特性，例如，一般金属的熔点、沸点随金属键强度的增大而升高。金属键的强弱通常与金属离子的半径负相关，与金属内部自由电子的密度正相关。
图1-4是以金属键结合的材料内部原子核和电子的存在示意图。可以看出，处于凝聚状态的金属原子，将它们的价电子贡献出来，作为整个原子基体的共有电子。金属键本质上与共价键有类似的地方，只是此时其外层电子的共有化程度远大于共价键。这些共有化的电子也称为自由电子，自由电子组成电子云或电子气，在点阵的周期场中按量子力学规律运动。而失去了价电子的金属原子成为正离子，镶嵌在电子云中，并依靠与共有化的电子的静电作用而相互结合，这种结合方式就称为金属键。例如，铝原子失去它*外层的3个价电子，而成为由原子核和内层电子组成的带有3个正电荷的铝离子。
图1-4金属键示意图（深色代表金属原子，浅色代表自由电子）
由于失去的这些价电子不再固定于某一原子位置，所以以金属键结合的物质具有很好的导电性能。在外加电压作用下，这些价电子就会运动，并在闭合回路中形成电流。
金属键没有方向性，正离子之间改变相对位置并不会破坏电子与正离子间的结合，因而金属具有良好的塑性。同样，金属正离子被另外一种金属正离子取代也不会破坏结合键，这种金属之间溶解的能力也是金属的重要特性。此外，金属导电性、导热性、紧密排列以及金属正的电阻温度系数都直接起因于金属键结合。
在金属晶体中，自由电子做穿梭运动，它不专属于某个金属原子而为整个金属晶体所共有。这些自由电子与全部金属离子相互作用，从而形成某种结合，这种作用称为金属键。由于金属只有少数价电子能用于成键，金属在形成晶体时，倾向于构成极为紧密的结构，使每个原子都有尽可能多的相邻原子，这样，电子能级可以得到尽可能多的重叠，从而形成金属键。
1.2.2 离子键
离子键通过两个或多个原子或化学基团失去或获得电子而成为离子后形成。带相反电荷的离子之间存在静电作用，当两个带相反电荷的离子靠近时，表现为相互吸引，而电子和电子、原子核与原子核之间又存在静电排斥作用，当静电吸引与静电排斥作用达到平衡时，便形成离子键。因此，离子键是指阴离子与阳离子间通过静电作用形成的化学键。
离子既可以是单离子，如Na+、Cl.；也可以由原子团形成，如SO42.、NO3.等。它往往在金属与非金属间形成。失去电子的往往是金属元素的原子，而获得电子的往往是非金属元素的原子。通常，活泼金属与活泼非金属形成离子键，如钾、钠、钙等金属和氯、溴等非金属化合时，都能形成离子键。且仅当总体的能级下降的时候，反应才会发生。下降越多，形成的键越强。而在现实中，原子间并不形成“纯”离子键，所有的键都或多或少带有共价键的成分。成键原子之间电平均程度越高，离子键成分越低。
离子键的结合力很大，因此离子晶体的硬度高、强度大、热膨胀系数小，但脆性大。离子键中很难产生可以自由运动的电子，所以离子晶体都是良好的绝缘体。在离子键结合中，由于离子的外层电子束缚得比较牢固，可见光的能量一般不足以使其受激发，因而不吸收可见光，所以典型的离子晶体是无色透明的。Al2O3、MgO、TiO2、NaCl等化合物都是离子键。大多数的盐、由碱金属或碱土金属形成的化合物、活泼金属氧化物都有离子键。含有离子键的化合物称为离子化合物。离子键与物体的熔沸点和硬度有关。
以钠与氯化合生成氯化钠为例，从原子结构看，钠原子*外电子层上有1个电子，容易失去；氯原子*外电子层有7个电子，容易得到1个电子。当钠原子与氯原子相遇时，钠原子失去*外层的1个电子，成为钠离子，带正电，氯原子得到钠失去的电子，成为带负电的氯离子，阴阳离子的异性电荷互相吸引，与原子核之间、电子之间的排斥作用达到平衡，形成了稳定的离子键，如图1-5所示。一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固，因此其熔点和硬度均较高。另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此它们都是良好的电绝缘体。但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。
定价：59.8
ISBN：9787030575203
作者：刘伟
版次：1
出版时间：2018-06
内容提要：
本书共10个章节，分别是材料的结构、金属材料、高分子材料、无机非金属材料、材料的成型与加工技术、材料焊接技术、功能材料、新能源材料、纳米材料、生物材料。本书从材料的结构到材料的特性，再到材料的制备，深入浅出地介绍材料学。本书结合AR技术，便于教师讲解及学生理解一些较为复杂的结构模型，同时配套相应的微课视频资源，便于教师实施翻转教学或学生自学。
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第1章 材料的结构 1
1.1 材料的组成 1
1.1.1 物质组成 1
1.1.2 原子的结构 2
1.1.3 原子的电子结构 2
1.1.4 元素周期表 3
1.2 原子间的键合 5
1.2.1 金属键 5
1.2.2 离子键 6
1.2.3 共价键 7
1.2.4 范德瓦耳斯力 8
1.2.5 氢键 8
1.3 高分子链结构 8
1.3.1 近程结构 9
1.3.2 远程结构 10
1.4 材料的晶体结构 10
1.4.1 空间点阵和晶胞 10
1.4.2 晶向指数和晶面指数 12
1.4.3 三种典型的晶体结构 14
1.4.4 晶体的原子堆垛方式和间隙 16
1.4.5 多晶型结构 18
1.4.6 合金相结构 18
1.4.7 离子晶体结构 20
1.4.8 硅酸盐的晶体结构 22
1.4.9 聚合物的晶体结构 23
1.4.10 非晶体结构 24
思考与练习 24
第2章 金属材料 26
2.1 金属材料及其分类 26
2.2 金属的晶体结构 26
2.2.1 纯金属的晶体结构 26
2.2.2 合金的晶体结构 28
2.3 金属的晶体缺陷 31
2.4 金属及合金的组织 33
2.4.1 铁素体 33
2.4.2 奥氏体 34
2.4.3 渗碳体 35
2.4.4 珠光体 35
2.4.5 莱氏体 36
2.5 金属的结晶过程 36
2.5.1 液态金属的结构 36
2.5.2 金属的结晶过程 37
2.6 常见的金属材料 39
2.6.1 钢铁 39
2.6.2 铝合金 42
2.6.3 钛合金 42
2.6.4 镁合金 44
思考与练习 46
第3章 高分子材料 47
3.1 基本概念 47
3.1.1 概述 47
3.1.2 发展史 47
3.1.3 高分子的定义 49
3.1.4 高分子的特点 49
3.1.5 高分子的命名 50
3.1.6 高分子的分类 51
3.2 结构 52
3.2.1 高分子的结构概述 52
3.2.2 高分子链的近程结构——一级结构 53
3.2.3 高分子链的远程结构——二级结构 55
3.2.4 高分子的凝聚态结构——三级结构 56
3.2.5 高分子的相态结构——四级结构 57
3.3 塑料、橡胶与纤维 58
3.3.1 塑料的基本概念 58
3.3.2 橡胶的基本概念 61
3.3.3 纤维的基本概念 64
3.4 涂料与胶黏剂 67
3.4.1 涂料的基本概念 67
3.4.2 胶黏剂的基本概念 69
3.5 高分子复合材料 71
3.5.1 基本概念 71
3.5.2 基体相 72
3.5.3 增强相 73
3.5.4 制备方法 75
3.6 功能高分子材料 77
3.6.1 光电高分子材料 77
3.6.2 电活性高分子 79
3.6.3 其他功能高分子 80
思考与练习 84
第4章 无机非金属材料 85
4.1 概述 85
4.2 陶瓷 87
4.2.1 陶瓷的概念 87
4.2.2 陶瓷的发展 89
4.3 玻璃 89
4.3.1 玻璃的概念和发展 89
4.3.2 玻璃的组成与性质 91
4.4 水泥 93
4.4.1 水泥的概念和发展 93
4.4.2 水泥的水化和硬化 93
4.5 耐火材料 96
4.5.1 硅质耐火材料 97
4.5.2 镁质耐火材料 98
4.5.3 硅酸铝质耐火材料 98
4.5.4 碳质耐火材料 100
4.5.5 不定形耐火材料 100
4.5.6 轻质耐火材料 101
思考与练习 101
第5章 材料的成型与加工技术 102
5.1 金属材料的成形技术 102
5.1.1 铸造成形 102
5.1.2 塑性成形 112
5.1.3 粉末冶金成形 124
5.1.4 其他成形技术 124
5.2 高分子材料的成型 125
5.2.1 压制成型 125
5.2.2 挤出成型 128
5.2.3 注射成型 130
5.2.4 压延成型 132
5.3 无机材料的制备与成型 133
5.3.1 水泥制备 133
5.3.2 玻璃成型 134
5.3.3 陶瓷成型 137
5.3.4 耐火材料制备 139
思考与练习 140
第6章 材料焊接技术 141
6.1 概述 141
6.1.1 焊接技术的发展 141
6.1.2 焊接技术的简介 142
6.1.3 常见的焊接技术及特点143
6.1.4 焊接技术的发展趋势 152
6.2 焊接方式 152
6.2.1 合金结构钢焊接 152
6.2.2 不锈钢及耐热钢焊接 153
6.2.3 有色金属的焊接 154
6.2.4 铸铁焊接 155
6.3 焊接冶金原理 156
6.3.1 焊接热过程 156
6.3.2 焊接化学冶金 158
6.4 焊接质量检测 159
思考与练习 160
第7章 功能材料 161
7.1 概述 161
7.2 光学材料 161
7.2.1 概述 161
7.2.2 激光材料 162
7.2.3 电光材料 163
7.2.4 声光材料 164
7.2.5 磁光材料 165
7.2.6 光纤材料 166
7.3 磁性材料 168
7.3.1 磁学基本原理 168
7.3.2 磁性材料的分类 169
7.3.3 典型的磁性材料 170
7.4 电性材料 172
7.4.1 导体材料 173
7.4.2 电阻材料 174
7.4.3 超导材料 175
7.5 非晶合金 178
7.5.1 非晶合金的特点 179
7.5.2 非晶合金的制备 180
7.5.3 非晶合金的应用 181
7.6 精细功能陶瓷材料 182
7.6.1 电功能陶瓷 183
7.6.2 其他功能陶瓷 186
7.7 形状记忆合金 190
7.7.1 形状记忆合金的原理 190
7.7.2 形状记忆合金的特性 191
7.7.3 形状记忆合金材料及其应用 192
7.8 储氢合金 193
7.8.1 储氢材料 193
7.8.2 储氢的原理 194
7.8.3 储氢材料的应用 194
思考与练习 195
第8章 新能源材料 197
8.1 太阳能材料 197
8.1.1 硅材料 198
8.1.2 多元化合物材料 198
8.1.3 有机聚合物材料 199
8.1.4 染料敏化太阳能电池材料 200
8.2 锂离子电池材料 200
8.2.1 锂离子电池工作原理 200
8.2.2 锂离子电池正极材料 201
8.2.3 锂离子电池负极材料 203
8.2.4 锂离子电池电解质 204
8.2.5 锂离子电池隔膜材料 205
8.3 超级电容器材料 205
8.3.1 超级电容器发展历史 205
8.3.2 超级电容器分类 206
8.3.3 超级电容器电极材料 207
8.3.4 超级电容器电解质 208
8.4 储氢材料 209
8.4.1 机械式储氢 210
8.4.2 物理吸附储氢 210
8.4.3 化学储氢 211
思考与练习 214
第9章 纳米材料 215
9.1 概念 215
9.2 制备 218
9.2.1 物理制备方法 218
9.2.2 化学制备方法 221
9.3 表征 226
9.3.1 成分分析 227
9.3.2 粒度分析 227
9.3.3 结构分析 228
9.3.4 形貌分析 229
9.4 特性 230
9.4.1 纳米效应 230
9.4.2 力学性能 231
9.4.3 热学性能 232
9.4.4 光学性能 232
9.4.5 电学性能 233
9.4.6 动力学特性 234
9.4.7 催化性能 234
9.4.8 生物性能 235
9.5 应用 235
9.5.1 纳米电子应用 236
9.5.2 微纳机电系统 237
9.5.3 纳米传感器 237
9.5.4 纳米催化剂 238
思考与练习 238
第10章 生物材料 239
10.1 金属生物材料 240
10.1.1 通用金属生物材料 240
10.1.2 形状记忆金属材料 242
10.1.3 金属生物材料的表面改性 244
10.2 高分子生物材料 246
10.2.1 不接触体液的高分子生物材料 246
10.2.2 长期接触体液的高分子生物材料 247
10.2.3 短期接触体液的高分子生物材料 254
10.3 无机生物材料 259
10.3.1 惰性陶瓷生物材料 259
10.3.2 活性陶瓷生物材料 261
思考与练习 262
参考文献 263
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第1章 材料的结构
材料是由原子或分子等基本粒子构成的。在实际生产和生活中，大多数材料是固态的。由于大多数固体材料是晶态材料，一般地，固态指的是“结晶态”，也就是各种各样晶体所具有的状态。与非晶态材料不同，晶态材料的原子或分子在三维空间中的排列是规则的。*常见的晶体如食盐，有着规则的外形。如果拿一粒粗制食盐观察，可以看到它由许多立方体晶体构成。地质博物馆还可以看到许多颜色、形状各异的规则晶体，十分漂亮。结晶态物质的突出特征是：有一定的体积和几何形状；在不同方向上物理性质可以不同；有固定的熔点。在晶态材料中，分子或原子有规则地周期性排列着，就像学生全体做操时，人与人之间都等距离地排列。每个人在一定位置上运动，就像每个分子或原子在各自固定的位置上做振动。在材料科学与工程中，掌握材料的微观结构是非常重要的，是进行材料研究和材料生产必备的基础知识。
材料研究和实践已经表明，决定材料性能*根本的因素是组成材料各元素的原子结构、原子间的相互作用与相互结合、原子或分子在空间的排列分布和运动规律以及原子集合体的形貌特征等。为此，需要了解材料的微观构造，即其内部结构和组织状态，以便从其内部的矛盾性找出改善和发展材料的途径。
1.1 材料的组成
1.1.1 物质组成
一切材料都是由无数微粒按一定的方式聚集而成的。宏观上来说，材料是由某一种或某几种元素聚集而成的。如果是单一的元素，则称为单质；如果是由几种元素化合而成的，则称为化合物。从微观上来说，所有的材料都是由*基本的微观粒子，可能是原子，也可能是分子和粒子，按照一定的方式聚集而成，如图1-1所示。无论是分子还是离子，都是由原子演化而来的。宏观物质内部的微观粒子要聚集在一起，必定需要一定的结合力。原子结构直接影响了原子间的结合方式。图1-1材料结构示意图
1.1.2 原子的结构
原子结构，也称为原子模型，是指原子的组成以及部分的搭配和安排。原子非常小，以碳原子为例，其直径约为140pm（1pm=10.12m），但通常以半径记录；在以毫米为单位的情况下，碳原子的直径为1.4×10.7mm，是由位于原子中心的原子核和一些微小的电子组成，这些电子绕着原子核的中心运动，就像太阳系的行星绕着太阳运行。
从英国化学家和物理学家道尔顿（Dalton）创立原子学说以后，很长时间内，人们都认为原子就像一个小得不能再小的玻璃实心球，里面再也没有什么花样了。1869年，德国科学家希托夫（Hittorf）发现阴极射线以后，一大批科学家研究了阴极射线，历时20余年。*终，汤姆森（Thomson）发现了电子的存在。通常情况下，原子是不带电的。既然从原子中能跑出是它质量1/1700的带负电电子来，就说明原子内部还有结构，也说明原子里还存在带正电的东西，它应和电子所带的负电中和，使原子呈中性。
近代科学实验证明：原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的，如图1-2所示。原子的体积很小，直径为10.10m数量级，其原子核直径更小，为10.15m数量级。然而，原子的质量恰主要集中在原子核内。每个质子和中子的质量大致为1.67×10.24g，而电子的质量约为9.11×10.28g，仅为质子的1/1836。
1.1.3 原子的电子结构
人们对物质组成和结构的认识经历了由浅入深、由感性至理性、由片面到整体的发展过程。原子学说早在古希腊时期就提出，到19世纪末，经典物理学已经发展得相当完善，原子学说和元素周期律的提出与流行也促成了量子理论的发展和现代物理学的进步。物理学家和化学家逐步揭示了原子内部组成与结构的秘密以及与元素化学性质紧密相关的原子核外电子排布和变化规律，并构建了一个崭新的以量子理论为基础的微观世界。早期原子模型正是在这个时期相继提出的。
（1）Rutherford原子模型
1897年，英国物理学家Thomson通过研究阴极射线的性质发现了电子，确认带负电荷的电子是原子的组成部分。1909年，美国物理学家密立根（Millikan）通过测定油滴的电荷，确定了电子的电荷数，并据此计算出电子的质量大约只占氢原子质量的1/2000。那么原子中的质量是如何分布的呢？电荷的正负如何平衡呢？卢瑟福（Rutherford）的α粒子散射实验给出了问题的可能答案。
1910年，Rutherford用快速α粒子流轰击一张约4×10.7m厚的金箔，发现尽管绝大部分的粒子都毫无阻碍地通过了金箔，但有极少数α粒子发生了较大角度的散射，极个别的α粒子甚至被反弹回来。这使他认识到：极个别的α粒子被反弹回来，必定是因为它们和金箔原子中某种极小体积的坚硬密实的核心发生了碰撞，这个核心应该带正电，而且集中了原子的大部分质量。这便是著名的原子结构“行星模型”。该模型认为：原子由居于原子中心体积极小但占原子大部分质量的带正电的原子核和核外绕核高速运动的电子组成，就像行星沿着一定的轨道绕太阳运行。
图1-2原子轨道示意图
（2）Bohr原子模型
Rutherford的行星模型虽然解释了α粒子散射现象，却无法解释原子能够稳定存在的原因。1913年丹麦的波尔（Bohr）在Rutherford的行星模型基础上，借鉴普朗克（Planck）的量子论和爱因斯坦（Einstein）的光子学说的思想，提出了著名的氢原子结构模型假设，成功解释了氢原子结构和氢原子光谱，即Bohr理论。其要点如下：电子在一些特定的可能轨道上绕核做圆周运动，离核越远能量越高；可能的轨道由电子的角动量决定，且必须是h/2π的整数倍。
电子是一种基本粒子，目前无法再分解为更小的物质。其直径是质子的1/1000，质量为质子的1/1836。电子围绕原子核做高速运动。电子通常排列在各个能量层上。当原子互相结合成为分子时，在*外层的电子便会由一原子移至另一原子或成为彼此共享的电子。描述原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数表示。多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循三原则，即能量*低原理、泡利（Pauli）不相容原理和洪德（Hund）规则。
1.1.4 元素周期表
化学元素周期表是根据原子序数从小至大排序的化学元素列表。列表大体呈长方形，某些元素周期中留有空格，使特性相近的元素归在同一族中，如卤素、碱金属元素、稀有气体（又称惰性气体或贵族气体）等。这使周期表中形成元素分区且分为七主族、七副族与0族、Ⅷ族。由于周期表能够准确地预测各种元素的特性及其之间的关系，因此它在化学及其他科学范畴中得到广泛使用元素周期表是分析化学行为时十分有用的框架。
现代化学的元素周期律是1869年俄国科学家门捷列夫（Mendeleev）**的，他将当时已知的63种元素依相对原子质量并以表的形式排列，把有相似化学性质的元素放在同一列，制成元素周期表的雏形。
原子半径由左到右依次减小，由上到下依次增大。按照元素在周期表中的顺序给元素编号，得到原子序数。原子序数与元素的原子结构有如下关系：质子数=原子序数=核外电子数=核电荷数利用周期表，Mendeleev成功地预测当时尚未发现的元素的特性（镓、钪、锗）。1913年，英国科学家莫色勒利用阴极射线撞击金属产生X射线，发现原子序越大，X射线的频率就越高，因此他认为核的正电荷决定了元素的化学性质，并把元素依照核内正电荷排列。后来又经过多名科学家多年的修订才形成当代的周期表。将元素按照相对原子质量由小到大依次排列，并将化学性质相似的元素放在一个纵列。每一种元素都有一个序号，恰好等于该元素原子的核内质子数，这个序号称为原子序数。在周期表中，元素以元素的原子序排列，*小的排行*前。表中一行称为一个周期，一列称为一个族（8、9、10列为一个族）。
原子的核外电子排布和性质有明显的规律性，科学家按原子序数递增排列，将电子层数相同的元素放在同一行，将*外层电子数相同的元素放在同一列。
如图1-3所示，元素周期表有7个周期、16个族。每行称为一个周期，每列称为一个族。这7个周期又可分成短周期（1、2、3）、长周期（4、5、6、7）。16个族中，又分为7个主族（ⅠA、ⅡA、ⅢA、ⅣA、ⅤA、ⅥA、ⅦA）、7个副族（ⅠB、ⅡB、ⅢB、ⅣB、ⅤB、ⅥB、ⅦB）、一个Ⅷ族、一个0族。
图1-3元素周期表
元素在周期表中的位置不仅反映了元素的原子结构，也显示了元素性质的递变规律和元素之间的内在联系。同一周期内，从左到右，元素核外电子层数相同，*外层电子数依次递增，原子半径递减（0族元素除外）。原子失电子能力逐渐减弱，获电子能力逐渐增强，金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强。元素的*高正氧化数从左到右递增（没有正价的除外），*低负氧化数从左到右递增（第1周期除外，第2周期的O、F元素除外）。同一族中，由上而下，*外层电子数相同，核外电子层数逐渐增多，原子半径增大，原子序数递增，元素金属性递增，非金属性递减。元素周期表的意义重大，科学家正是用此来寻找新型元素及化合物的。
1.2 原子间的键合
原子间的键合指的是相邻的两个或多个原子间的强烈相互作用。原子以“键”的方式连在一起形成分子。所有的键合都与原子中*外层的电子运动有关。
原子可使电子以不同的方式键合。有时原子会带有相同的电子，每一个原子释放出一个电子来形成“键”，这种“键”称为共价键。另一种键则是由正负离子间的静电引力形成的，称为离子键。在金属中，电子绕着所有的原子运动，这称为金属键。不同的原子以各种不同的键合方式结合在一起组成无以计数的物质。
1.2.1 金属键
金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成键称为金属键。金属键的基本特点是电子的共有化。金属键是化学键的一种，主要在金属中存在，由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成。由于电子的自由运动，金属键没有固定的方向，因而是非极性键。金属键有金属的很多特性，例如，一般金属的熔点、沸点随金属键强度的增大而升高。金属键的强弱通常与金属离子的半径负相关，与金属内部自由电子的密度正相关。
图1-4是以金属键结合的材料内部原子核和电子的存在示意图。可以看出，处于凝聚状态的金属原子，将它们的价电子贡献出来，作为整个原子基体的共有电子。金属键本质上与共价键有类似的地方，只是此时其外层电子的共有化程度远大于共价键。这些共有化的电子也称为自由电子，自由电子组成电子云或电子气，在点阵的周期场中按量子力学规律运动。而失去了价电子的金属原子成为正离子，镶嵌在电子云中，并依靠与共有化的电子的静电作用而相互结合，这种结合方式就称为金属键。例如，铝原子失去它*外层的3个价电子，而成为由原子核和内层电子组成的带有3个正电荷的铝离子。
图1-4金属键示意图（深色代表金属原子，浅色代表自由电子）
由于失去的这些价电子不再固定于某一原子位置，所以以金属键结合的物质具有很好的导电性能。在外加电压作用下，这些价电子就会运动，并在闭合回路中形成电流。
金属键没有方向性，正离子之间改变相对位置并不会破坏电子与正离子间的结合，因而金属具有良好的塑性。同样，金属正离子被另外一种金属正离子取代也不会破坏结合键，这种金属之间溶解的能力也是金属的重要特性。此外，金属导电性、导热性、紧密排列以及金属正的电阻温度系数都直接起因于金属键结合。
在金属晶体中，自由电子做穿梭运动，它不专属于某个金属原子而为整个金属晶体所共有。这些自由电子与全部金属离子相互作用，从而形成某种结合，这种作用称为金属键。由于金属只有少数价电子能用于成键，金属在形成晶体时，倾向于构成极为紧密的结构，使每个原子都有尽可能多的相邻原子，这样，电子能级可以得到尽可能多的重叠，从而形成金属键。
1.2.2 离子键
离子键通过两个或多个原子或化学基团失去或获得电子而成为离子后形成。带相反电荷的离子之间存在静电作用，当两个带相反电荷的离子靠近时，表现为相互吸引，而电子和电子、原子核与原子核之间又存在静电排斥作用，当静电吸引与静电排斥作用达到平衡时，便形成离子键。因此，离子键是指阴离子与阳离子间通过静电作用形成的化学键。
离子既可以是单离子，如Na+、Cl.；也可以由原子团形成，如SO42.、NO3.等。它往往在金属与非金属间形成。失去电子的往往是金属元素的原子，而获得电子的往往是非金属元素的原子。通常，活泼金属与活泼非金属形成离子键，如钾、钠、钙等金属和氯、溴等非金属化合时，都能形成离子键。且仅当总体的能级下降的时候，反应才会发生。下降越多，形成的键越强。而在现实中，原子间并不形成“纯”离子键，所有的键都或多或少带有共价键的成分。成键原子之间电平均程度越高，离子键成分越低。
离子键的结合力很大，因此离子晶体的硬度高、强度大、热膨胀系数小，但脆性大。离子键中很难产生可以自由运动的电子，所以离子晶体都是良好的绝缘体。在离子键结合中，由于离子的外层电子束缚得比较牢固，可见光的能量一般不足以使其受激发，因而不吸收可见光，所以典型的离子晶体是无色透明的。Al2O3、MgO、TiO2、NaCl等化合物都是离子键。大多数的盐、由碱金属或碱土金属形成的化合物、活泼金属氧化物都有离子键。含有离子键的化合物称为离子化合物。离子键与物体的熔沸点和硬度有关。
以钠与氯化合生成氯化钠为例，从原子结构看，钠原子*外电子层上有1个电子，容易失去；氯原子*外电子层有7个电子，容易得到1个电子。当钠原子与氯原子相遇时，钠原子失去*外层的1个电子，成为钠离子，带正电，氯原子得到钠失去的电子，成为带负电的氯离子，阴阳离子的异性电荷互相吸引，与原子核之间、电子之间的排斥作用达到平衡，形成了稳定的离子键，如图1-5所示。一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固，因此其熔点和硬度均较高。另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此它们都是良好的电绝缘体。但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。