无机材料科学基础(第2版普通高等教育十一五国家级规划教材)

“无机材料科学基础”是无机材料学科课程体系中重要的主干课程和必修的学科基础课程。本书系统论述了无机材料科学与工程的重要基础理论及其应用，全书包括11章内容：无机材料概论、晶体结构、晶体结构缺陷、非晶态结构与性质、固体表面与界面、相平衡和相图、固体中的扩散、固相反应、相变过程、烧结过程、无机材料的环境效应。 本书在概述无机材料的分类与特点、阐明无机材料学科内涵及其结构-性能-工艺与环境之间的关系、分析无机材料的地位与作用、提出无机材料的选择原则、综述无机材料的研究现状与发展趋势以初步建立起对无机材料感性认识的基础上，以无机材料组成-结构-性能-应用关系为主线，从结晶学和晶体化学基本原理出发，系统介绍了理想晶体、实际晶体、非晶态、表面及界面的结构、性能及其控制；以固体热力学理论为基础，详细论述了凝聚单元到多元系统相图的基础知识、基本类型、基本规律、分析方法和实际相图在无机材料研究和生产方面的应用；由固体动力学理论，着重阐述了无机材料制备中物理化学变化过程，包括：固体中质点扩散，固相反应，相变，烧结的本质、机理、过程动力学以及影响因素；从固体在环境介质中的腐蚀和载荷作用下疲劳的角度，分析讨论了无机材料使用过程中的环境效应。 本书可作为高等院校无机非金属材料各专业本科生的专业基础课程教材，亦可用作材料科学与工程、材料学、矿物材料及相关专业本科生和研究生的教学用书和参考书，并可供科研院所、厂矿企业、公司等从事材料、无机材料、矿物材料及相关领域工作的广大科研人员、工程技术人员、管理人员及企业家们阅读参考。

宋晓岚，中南大学资源加工与生物工程学院，教授，博士生导师，副院长，教指委委员 高校青年骨干教师、 材料类教指委无机非金属材料分委员会委员、 材料类专业工程教育认证专家组长、中国化工学会无机酸碱盐专业委员会学术带头人、长沙市色谱学会理事长。 自1987年以来一直从事无机非金属材料教学和科研工作。主讲“无机材料科学基础”“无机材料工艺学”“无机材料物理性能”“纳米材料”和“硅酸盐工厂设计及CAD技术”等本科生课程，“固体材料化学”“材料合成与制备”“微电子材料及加工”和“非晶态材料”等研究生课程。作为课程负责人的“无机材料科学基础”为国家精品课程和国家资源共享精品课程。 主编出版教材和参编著作22部，包括《无机材料科学基础》《无机材料工艺学》《无机材料工厂工艺设计概论》《无机材料专业实验》《新型无机材料》《材料科学基础》《矿物材料加工学》等，其中《无机材料科学基础》为“十一五”国家规划教材，获湖南省优 秀教材奖。承担 及湖南省教研教改项目11项，以第 一作者或通讯作者在《高等工程教育》《理工高教》《创新创业教育》等刊物上发表教改论文17篇，获湖南省教学成果一等奖3项，其中“无机非金属材料专业创新人才培养教学体系整体优化与实践”项目获2010年湖南省教学成果一等奖，排名第 一。 主要研究方向为高性能无机功能材料、纳米组装与分散、纳米晶粒生长动力学、材料电化学、化学机械抛光、矿物材料及复合材料等。主持或参与国家863、国家军工配套、国家自然科学基金、科技部国际科技合作重点项目、国家计委、 高校青年骨干教师基金、湖南省自然科学基金，湖南省国土资源厅科技开发、广东省省重点科技攻关、湖南省高校青年骨干教师基金等国家和省部级30余项科研课题。以第 一作者或通讯作者在国内外重要学术期刊和国际会议上发表学术论文110篇，其中SCI、EI和ISTP收录86篇，获中国硅酸盐学会建筑材料科学技术奖二等奖2项，湖南省科学技术奖三等奖1项，授权国家发明专利6项。

1无机材料概论 1.1无机材料的分类/ 001 1.1.1传统无机材料/ 001 1.1.2新型无机材料/ 002 1.2无机材料的特点/ 004 1.3无机材料组成、结构、性能、工艺及其与环境的关系/ 005 1.3.1无机材料学科内涵/ 005 1.3.2无机材料结构-性能-工艺之间的关系/ 006 1.3.3无机材料的环境效应/ 009 1.4无机材料的选用原则/ 010 1.5无机材料的地位与作用/ 011 1.6无机材料的研究与发展/ 014 本章小结/ 017 2晶体结构 2.1结晶学基础/ 018 2.1.1空间点阵/ 018 2.1.2结晶学指数/ 020 2.1.3晶向与晶面的关系及晶带轴定理/ 023 2.2晶体化学基本原理/ 023 2.2.1晶体中质点间的结合力与结合能/ 023 2.2.2晶体中质点的堆积/ 031 2.2.3化学组成与晶体结构的关系/ 033 2.2.4同质多晶与类质同晶/ 038 2.2.5晶体结构的描述方法/ 039 2.3非金属单质晶体结构/ 039 2.3.1惰性气体元素的晶体/ 039 2.3.2非金属元素的晶体结构/ 039 2.4无机化合物晶体结构/ 041 2.4.1AX型结构/ 042 2.4.2AX2型结构/ 044 2.4.3A2X3型结构/ 047 2.4.4AX3型和A2X5型结构/ 049 2.4.5ABO3型结构/ 049 2.4.6ABO4型结构/ 053 2.4.7AB2O4型结构/ 054 2.4.8石榴石结构/ 056 2.4.9鲍林规则/ 057 2.5硅酸盐晶体结构/ 058 2.5.1硅酸盐晶体的组成表示、结构特点及分类/ 058 2.5.2岛状结构/ 059 2.5.3组群状结构/ 061 2.5.4链状结构/ 063 2.5.5层状结构/ 065 2.5.6架状结构/ 069 2.6晶体场理论和配位场理论/ 075 2.6.1晶体场理论的基本概念/ 075 2.6.2d轨道能级的晶体场分裂/ 076 2.6.3晶体场稳定化能和过渡元素离子的电子构型/ 078 2.6.4八面体择位能/ 080 2.6.5姜-泰勒效应/ 081 2.6.6过渡元素离子有效半径的晶体场效应/ 082 2.6.7配位场理论的基本概念/ 083 本章小结/ 084 3晶体结构缺陷 3.1晶体结构缺陷的类型/ 086 3.1.1按缺陷的几何形态分类/ 086 3.1.2按缺陷产生的原因分类/ 087 3.2点缺陷/ 090 3.2.1点缺陷的Krǒger-Vink符号表示法/ 090 3.2.2缺陷反应的表示法/ 091 3.2.3热缺陷浓度的计算/ 093 3.2.4热缺陷在外力作用下的运动/ 096 3.2.5点缺陷对晶体性能的影响/ 098 3.3固溶体/ 099 3.3.1固溶体的分类/ 100 3.3.2置换型固溶体/ 101 3.3.3间隙型固溶体/ 103 3.3.4形成固溶体后对晶体性质的影响/ 104 3.3.5固溶体的研究方法/ 105 3.4非化学计量化合物/ 109 3.4.1负离子空位型/ 109 3.4.2间隙正离子型/ 110 3.4.3正离子空位型/ 111 3.4.4间隙负离子型/ 112 3.5线缺陷/ 113 3.5.1位错理论的产生/ 113 3.5.2位错的类型/ 115 3.5.3伯格斯矢量及位错的性质/ 116 3.5.4位错的弹性应变能/ 118 3.5.5位错的运动/ 121 3.6面缺陷/ 124 3.6.1表面/ 124 3.6.2晶界/ 124 3.6.3堆积层错/ 128 3.6.4孪晶界/ 130 3.6.5相界/ 131 3.6.6晶界特性/ 133 本章小结/ 133 4非晶态结构与性质 4.1熔体的结构/ 135 4.1.1对熔体的一般认识/ 135 4.1.2硅酸盐熔体结构的聚合物理论/ 137 4.2熔体的性质/ 141 4.2.1黏度/ 141 4.2.2表面张力/ 148 4.3玻璃的形成/ 151 4.3.1玻璃的通性/ 151 4.3.2玻璃的转变/ 153 4.3.3玻璃的形成/ 154 4.4玻璃的结构/ 162 4.4.1微晶学说/ 162 4.4.2无规则网络学说/ 164 4.4.3两大学说的比较与发展/ 166 4.5典型玻璃类型/ 167 4.5.1硅酸盐玻璃/ 167 4.5.2硼酸盐玻璃/ 170 4.5.3其他氧化物玻璃/ 171 本章小结/ 172 5固体表面与界面 5.1固体的表面及其结构/ 173 5.1.1固体的表面/ 173 5.1.2固体的表面结构/ 179 5.1.3固体表面活性/ 186 5.2固体界面及其结构/ 188 5.2.1陶瓷晶界/ 188 5.2.2晶界构形/ 189 5.2.3晶界应力/ 191 5.2.4晶界电荷/ 193 5.2.5晶界偏析/ 194 5.2.6陶瓷晶界结构/ 194 5.2.7陶瓷晶界特征/ 198 5.3界面行为/ 198 5.3.1弯曲表面效应/ 199 5.3.2吸附与固体表面改性/ 203 5.3.3润湿与黏附/ 207 5.4黏土-水系统性质/ 217 5.4.1黏土胶体/ 217 5.4.2黏土的离子吸附与交换/ 220 5.4.3泥浆的稳定与聚沉/ 223 5.4.4泥浆的流动性/ 226 5.4.5泥浆的滤水性/ 231 5.4.6泥浆的触变性/ 231 5.4.7泥团的可塑性/ 232 5.4.8瘠性料的悬浮与塑化/ 235 本章小结/ 237 6相平衡和相图 6.1相平衡及其研究方法/ 238 6.1.1相平衡的基本概念/ 238 6.1.2相律/ 241 6.1.3相平衡的研究方法/ 242 6.1.4应用相图时需注意的几个问题/ 247 6.2单元系统/ 248 6.2.1具有多晶转变的单元系统相图/ 248 6.2.2专业单元系统相图举例/ 252 6.3二元系统/ 259 6.3.1二元系统相图的表示方法及杠杆规则/ 259 6.3.2二元系统相图的基本类型/ 260 6.3.3专业二元系统相图举例/ 271 6.4三元系统/ 282 6.4.1三元系统组成表示法/ 282 6.4.2浓度三角形的性质/ 283 6.4.3三元系统相图的基本类型/ 286 6.4.4专业三元系统相图/ 304 6.5四元系统/ 325 6.5.1四元系统组成的表示方法/ 325 6.5.2浓度四面体的性质/ 326 6.5.3具有一个低共熔点的四元系统相图/ 326 6.5.4生成化合物的四元系统相图/ 328 6.5.5专业四元系统相图举例/ 332 本章小结/ 338 7固体中的扩散 7.1扩散动力学方程——菲克定律/ 339 7.1.1晶体中扩散的特点/ 339 7.1.2菲克第一定律/ 340 7.1.3菲克第二定律/ 342 7.2菲克定律的应用举例/ 344 7.2.1稳定扩散/ 344 7.2.2非稳定扩散/ 347 7.3固体扩散机构与扩散系数/ 349 7.3.1无序扩散系数与自扩散系数/ 349 7.3.2固体扩散机构/ 351 7.3.3扩散机构与扩散系数的关系/ 354 7.3.4扩散系数的测定/ 356 7.4多元系统的扩散/ 357 7.5影响扩散系数的因素/ 360 7.5.1温度的影响/ 361 7.5.2杂质（第三组元）的影响/ 362 7.5.3气氛的影响/ 362 7.5.4固溶体类型的影响/ 362 7.5.5扩散物质性质与结构的影响/ 363 7.5.6结构缺陷对扩散的影响/ 364 本章小结/ 366 8固相反应 8.1固相反应的分类与特征/ 367 8.1.1固相反应的分类/ 367 8.1.2固相反应的特征/ 368 8.2固相反应机理/ 369 8.2.1相界面上化学反应机理/ 369 8.2.2相界面上反应和离子扩散的关系/ 370 8.2.3中间产物和连续反应/ 370 8.2.4不同反应类型和机理/ 371 8.3固相反应动力学/ 373 8.3.1一般动力学关系/ 373 8.3.2化学动力学范围/ 374 8.3.3扩散动力学范围/ 376 8.3.4通过流体相传输的反应和动力学表达式/ 381 8.3.5过渡范围/ 385 8.4材料制备中的插层反应/ 386 8.4.1插层反应对晶体结构的要求/ 386 8.4.2插层复合法制备有机-无机纳米复合材料/ 387 8.5影响固相反应的因素/ 389 8.5.1反应物化学组成的影响/ 389 8.5.2反应物颗粒及均匀性的影响/ 389 8.5.3反应温度的影响/ 390 8.5.4压力和气氛的影响/ 390 8.5.5反应物活性的影响/ 391 本章小结/ 391 9相变过程 9.1相变的分类与条件/ 393 9.1.1相变的分类/ 393 9.1.2相变的条件/ 396 9.2液-固相变——成核-生长机理/ 398 9.2.1晶核生成速率/ 398 9.2.2晶体生长速率/ 402 9.2.3总的结晶速率/ 405 9.2.4影响结晶速率的因素/ 407 9.3液-液相变——调幅分解机理/ 408 9.3.1液相的不混溶现象（玻璃的分相）/ 408 9.3.2调幅分解动力学/ 411 9.3.3分相的结晶化学观点/ 414 9.3.4分相对玻璃性质的影响/ 416 9.4马氏体相变/ 417 9.4.1马氏体相变特征/ 418 9.4.2无机材料中的马氏体相变/ 419 9.5有序-无序转变/ 420 本章小结/ 421 10烧结过程 10.1烧结概述/ 422 10.1.1烧结理论的研究与发展/ 422 10.1.2烧结的基本类型/ 424 10.2烧结过程及机理/ 425 10.2.1烧结过程/ 425 10.2.2烧结推动力/ 426 10.2.3烧结机理/ 427 10.3固相烧结/ 430 10.3.1烧结初期/ 430 10.3.2烧结中期/ 435 10.3.3烧结末期/ 437 10.4再结晶和晶粒长大/ 437 10.4.1初次再结晶/ 438 10.4.2晶粒长大/ 438 10.4.3二次再结晶/ 441 10.5液相烧结/ 442 10.5.1液相烧结的特点/ 442 10.5.2颗粒重排/ 443 10.5.3溶解-沉淀传质/ 443 10.5.4黏性或塑性流动传质/ 445 10.6特种烧结/ 447 10.6.1热压烧结/ 447 10.6.2热等静压烧结/ 447 10.6.3无包套热等静压烧结/ 448 10.6.4反应烧结/ 448 10.6.5电火花烧结/ 449 10.7影响烧结的因素/ 449 10.7.1物料活性的影响/ 450 10.7.2添加物的影响/ 451 10.7.3气氛的影响/ 452 10.7.4压力的影响/ 454 本章小结/ 455 11无机材料的环境效应 11.1无机材料的腐蚀/ 456 11.1.1腐蚀产生的原因/ 457 11.1.2腐蚀对无机材料性能的影响/ 461 11.2无机材料的疲劳/ 463 11.2.1疲劳的基本概念/ 464 11.2.2疲劳裂纹扩展的力学行为与特征/ 466 11.2.3无机材料的高温蠕变/ 467 11.3无机材料的再生与利用/ 473 11.3.1无机材料生命周期评估和生态设计/ 474 11.3.2环境协调无机材料/ 475 11.3.3无机材料的再生与利用/ 481 本章小结/ 483 附录Ⅰ 单位换算和基本物理常数 附录Ⅱ 元素的离子半径表 参考文献