材料科学与工程导论(刘瑞平)

“材料科学与工程导论”是高等教育材料科学与工程类相关专业的技术基础课。本书结合近年来的研究进展，先后介绍了材料的设计方法、材料的表征技术，最后介绍了不同类型的材料，包括金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料、新能源材料、纳米材料和生物医用材料等。其中，重点介绍了各种材料的定义、特点和应用等，旨在使学生对材料专业建立基础概念和激发学生对材料专业的学习兴趣。 本书可作为高等院校材料科学与工程、材料化学、复合材料、无机非金属材料、新能源材料等专业本科生、研究生的通用教材或教学参考书，也可作为相关专业的研究人员和技术人员的参考用书。

刘瑞平，中国矿业大学（北京）教授，中国矿业大学（北京）科学技术研究院副院长、材料系主任、兼任中国材料研究学会青年工作委员会理事以及超硬材料及制品专业委员会委员、中国机械工程学会工程陶瓷专业委员会理事、JournalofAdvancedceramics编委、Energy EnvironmentalMaterials、ChineseChemicalLetters和Raremetal青年编委。 先后承担了北京市教改项目材料类专业课程思政建设与样板党支部建设深度融合机制研究（2021）、煤炭学会教改项目材料科学基础一*流课程的建设与实践（2022）和学校教改项目探究式与案例式教学法在材料科学基础课程中的探索与应用（2016）、材料科学与工程创新教学团队建设（2016）、《材料科学基础》课程群教学团队建设（2018）、《材料科学基础》线上线下混合式开放课程建设（2020）、材料科学基础课程思政建设（2020）等教学改革项目，从课程教学体系改革、校内外教学团队建设、线上线下混合式课程建设、课程思政、双语课程以及课程评价等多面进行了课程建设和改革。相关成果发表教学研究论文10篇，获校级优秀教学成果二等奖2项、校优秀课程1门、校课程思政示范课一等奖1门、优秀教学质量一等奖1项、优秀教学质量二等奖1项、校本科生导师制优秀导师。 科研方面：主要从事高比能二次电池关键材料研发。先后承担国家重点研发计划项目子课题、国家自然科学基金区域创新联合基金项目子课题、国家自然科学基金面上、青年项目、北京市自然科学基金面上项目、北京市自然科学基金-海淀原始创新联合基金、河北省重点研发项目、青海省重点研发与转化项目等近20项科研项目； 先后入选北京市优秀人才青年骨干计划（2016）、北京科技新星（2017）、校越崎青年学者（2017）、北京市青年拔尖人才（2018）。主要从事高比能锂二次电池的结构设计以及关键材料开发等工作。相关研究成果曾获教育部科技进步一等奖1项、二等奖3项，获授权中国发明专利6项。以第*一作者或通讯作者在Joule、AdvancedEnergyMaterials、AdvancedFunctionalMaterials、Small、Smallmethods、JournalofMaterialsChemistryA、ChemicalEngineeringJournal、JournalofEnergyChemistry、JournalofMateriomics、Energy EnvironmentalMaterials、CarbonEnergy等国内外学术刊物上发表SCI论文70余篇。

第1章 绪论 001 1.1 材料的定义 001 1.2 材料的发展与人类文明 001 1.2.1 材料与人类的日常生活 001 1.2.2 材料与能源环境 002 1.2.3 材料与新技术革命 004 1.2.4 材料与国防现代化 008 1.3 材料的分类 009 1.4 材料科学与工程的基本要素 012 1.5 材料的发展趋势 012 习题 014 参考文献 014 第2章 材料设计方法 015 2.1 材料设计的定义与结构层次 015 2.1.1 材料设计的定义 015 2.1.2 材料设计的结构层次 016 2.2 材料设计的发展概况 017 2.3 材料设计的实现路径 018 2.3.1 材料知识库和数据库技术 019 2.3.2 材料设计专家系统 019 2.3.3 计算机模拟 020 2.3.4 理论计算 021 2.4 人工智能与新材料 021 2.4.1 人工智能与新材料设计数据库和计算方法 022 2.4.2 神经网络与新材料研发 022 2.4.3 传统机器学习在材料设计与加工中的应用 023 2.4.4 深度学习在材料设计与加工中的应用 028 习题 031 参考文献 032 　 第3章 材料表征技术简介 033 3.1 材料的微观形貌或结构表征 033 3.1.1 光学显微镜 034 3.1.2 透射电子显微镜 036 3.1.3 扫描电子显微镜 047 3.1.4 扫描透射电子显微镜 052 3.1.5 扫描隧道显微镜 055 3.1.6 原子力显微镜 057 3.2 X射线分析技术 059 3.2.1 X射线的产生 060 3.2.2 X射线与物质的相互作用 063 3.2.3 X射线衍射分析技术 064 3.2.4 X射线光电子能谱 073 3.2.5 X射线吸收谱 077 3.2.6 其他基于X射线的表征方法 080 3.3 化学分析检测方法 084 3.3.1 核磁共振谱 086 3.3.2 质谱 088 3.3.3 紫外光谱 092 3.3.4 红外光谱 094 3.3.5 其他波谱表征技术 096 习题 098 参考文献 099 　 第4章 金属材料 100 4.1 概述 100 4.2 金属新材料 101 4.3 高性能结构材料 102 4.3.1 钛及钛合金材料 103 4.3.2 高端特殊钢 105 4.3.3 镁及镁合金材料 108 4.3.4 硬质材料 110 4.3.5 新型铝合金 111 4.3.6 锆及锆合金材料 113 4.4 金属功能材料 114 4.4.1 稀土永磁材料 114 4.4.2 金属能源材料 115 4.4.3 信息材料 116 4.4.4 超导材料 116 4.5 金属材料的合成与制备 117 4.5.1 金属的冶炼与精炼 117 4.5.2 金属热处理 120 4.5.3 金属成型工艺 121 习题 124 参考文献 125 　 第5章 陶瓷材料 126 5.1 概述 126 5.2 普通陶瓷 127 5.2.1 普通陶瓷的制备工艺 127 5.2.2 普通陶瓷的应用 130 5.3 新型陶瓷 131 5.3.1 结构陶瓷 132 5.3.2 功能陶瓷 137 5.4 新型陶瓷的制备过程 146 5.4.1 新型陶瓷一般制备流程 146 5.4.2 原料制备 146 5.4.3 陶瓷粉料制备 150 5.4.4 陶瓷成型工艺 150 5.4.5 烧结基础理论 152 习题 161 参考文献 161 　 第6章 高分子材料 163 6.1 概述 164 6.1.1 高分子材料发展历程 164 6.1.2 基本概念 165 6.1.3 高分子材料的结构 167 6.1.4 高分子材料的制备 168 6.2 通用高分子材料 169 6.2.1 合成塑料 169 6.2.2 合成橡胶 172 6.2.3 合成纤维 175 6.3 功能高分子材料 178 6.3.1 液晶高分子材料 179 6.3.2 吸附分离功能高分子材料 183 6.3.3 电活性功能高分子材料 191 6.3.4 智能高分子材料 198 习题 206 参考文献 206 　 第7章 复合材料 208 7.1 概述 208 7.2 复合材料的定义和分类 210 7.2.1 复合材料的定义 210 7.2.2 复合材料的分类 212 7.3 复合材料的性能特点 213 7.4 聚合物基复合材料 215 7.4.1 聚合物基复合材料的发展 215 7.4.2 聚合物基复合材料的制备工艺 217 7.5 金属基复合材料 221 7.5.1 金属基复合材料的发展 221 7.5.2 金属基复合材料的制备工艺 223 7.6 陶瓷基复合材料 225 7.6.1 陶瓷基复合材料的性能 225 7.6.2 陶瓷基复合材料的制备工艺 227 7.7 碳/碳复合材料 229 7.7.1 碳/碳复合材料的发展 229 7.7.2 碳/碳复合材料的制备工艺 230 7.8 复合材料的应用 231 7.9 复合材料的进展 234 习题 235 参考文献 236 　 第8章 新能源材料 237 8.1 锂离子电池 237 8.1.1 锂离子电池概述 238 8.1.2 锂离子电池正极材料 239 8.1.3 锂离子电池负极材料 243 8.1.4 锂离子电池隔膜 246 8.1.5 锂离子电池电解质 254 8.2 锂硫电池 257 8.2.1 锂硫电池的基本原理 257 8.2.2 锂硫电池面临的技术挑战 258 8.2.3 锂硫电池正极材料 259 8.2.4 锂金属负极 261 8.3 固体氧化物燃料电池 264 8.3.1 固体氧化物燃料电池概述 264 8.3.2 固体氧化物燃料电池工作原理 264 8.3.3 固体氧化物燃料电池特点及结构类型 265 8.3.4 固体氧化物燃料电池的组成部分 266 8.3.5 固体氧化物电解池结构和工作原理 267 8.3.6 固体氧化物电解池关键材料 268 8.4 太阳能电池材料 271 8.4.1 钙钛矿太阳能电池介绍 272 8.4.2 钙钛矿太阳能电池的发展 272 8.4.3 钙钛矿太阳能电池的结构 273 8.4.4 钙钛矿太阳能电池器件材料和制备 274 8.5 热电材料 276 8.5.1 热电转换效应 276 8.5.2 热电器件 277 8.5.3 热电材料的研究进展 278 习题 282 参考文献 283 　 第9章 纳米材料 285 9.1 概述 286 9.2 纳米材料的发展 287 9.3 纳米材料的研究内容 288 9.4 纳米材料的分类 289 9.4.1 纳米粉末 289 9.4.2 纳米纤维 289 9.4.3 纳米膜 290 9.4.4 纳米块体 290 9.5 纳米材料的基本理论 291 9.5.1 小尺寸效应 291 9.5.2 表面效应 292 9.5.3 量子尺寸效应 293 9.5.4 宏观量子隧道效应 294 9.6 纳米材料的制备 295 9.6.1 机械法 295 9.6.2 化学法 297 9.6.3 物理法 299 9.6.4 光化学法 299 9.6.5 生物法 300 9.7 纳米材料的应用 300 9.7.1 材料科学 300 9.7.2 环境科学 301 9.7.3 生物医学 301 9.7.4 能源领域 301 9.7.5 电子信息 302 9.7.6 材料加工 302 习题 303 参考文献 303 　 第10章 生物医用材料 304 10.1 医用金属材料 304 10.1.1 医用金属材料的生物学要求 304 10.1.2 医用金属材料的种类 305 10.2 生物陶瓷材料 308 10.2.1 生物惰性材料 309 10.2.2 生物活性玻璃 310 10.2.3 羟基磷灰石 311 10.3 医用高分子材料 313 10.3.1 医用高分子材料的概念及发展简史 313 10.3.2 医用高分子材料的分类 314 10.3.3 医用高分子材料的基本要求 316 10.3.4 医用高分子材料举例 317 10.3.5 医用高分子材料的应用 319 习题 320 参考文献 321