无机材料的结构与性能（李国华）

如何提升材料的性能，不仅是材料专业技术人员的研究工作重点，也是材料相关专业技术人员最为关心的科学问题，尤其是对高等学校材料及相关专业的研究生而言，科学地理解并掌握材料结构与性能的关联性，不仅有利于提高其对学习的兴趣与主观能动性，更有助于其今后的工作及在材料科学方面取得一定的成就。 
为达到上述目标，鉴于高等学校材料及相关专业研究生的材料科学基础相对薄弱这一实际情况，本书详细地阐述了无机材料及晶体学基础知识，以夯实他们的材料科学基础，进一步从宏观到微观的多尺度角度，即从材料的表面结构、晶体结构、化学键结构和电子结构等方面论述结构与性能的关联性，并很好地将纳米材料在上述几个方面的特征，如过冷与过热、键的弛豫和钉扎与极化等有机结合起来，不仅可让研究生形成材料结构与性能的多尺度关联性的概念，更可让他们由表及里地理解并掌握材料结构与性能的关联性，真正领会“结构决定性能”的材料科学真谛。 
本书的第一章介绍了无机材料基础知识，第二章介绍了晶体学基础知识，第三章到第六章分别介绍了无机材料的表面结构、晶体结构、化学键结构和电子结构，第七章介绍了纳米材料的结构与性能，第八章介绍了碳材料的结构与性能，第九章介绍了碳化钨的结构与性能，第十章介绍了二氧化钛的结构与性能。本书的第一章和第二章主要由浙江工业大学李国华教授和施梅勤教授编写，第三章到第八章主要由浙江工业大学李国华教授编写，第九章由浙江工业大学吴世照助理研究员编写，第十章由浙江工业大学施梅勤教授编写。此外，浙江工业大学刘伟华老师全程参与了本书的文字编辑与整理工作，高静教授、宁文生副教授、朱英红副教授和赵峰鸣副教授也参与了本书的部分编写工作。 
作为无机材料及相关专业研究生重点教材，本书的编写得到了浙江工业大学研究生院和化学工程学院的大力支持，在此深表谢意！ 
鉴于编写的时间仓促，加之编者水平有限，书中难免存在不妥，望读者给予指正！ 

编者 
2023年3月

《无机材料的结构与性能》是编者长期从事无机材料结构与性能教学和科研工作的积累，目的是剖析不同尺度下无机材料的结构特征及其与性能的关联性。本书在介绍无机材料及晶体学基础知识的基础上，着重介绍了无机材料的表面结构、晶格结构、化学键结构和电子结构及其与性能的关联性，并将材料科学的新分支——纳米材料的相关内容融入其中，然后结合科研实践及无机材料研究的发展趋势，阐述了碳（单质）、碳化钨（填隙结构）和二氧化钛（二元化合物）材料结构与性能的关联性，旨在为广大读者建立材料多尺度结构与性能的关系。《无机材料的结构与性能》的读者对象主要为高等学校无机非金属材料专业的研究生，也可供材料专业的本科生和相关工程技术人员参考。

李国华，浙江工业大学化学工程与材料学院教授，浙江省博士后联谊会理事、浙江工业大学博士后联谊会副主席和常务理事，籍贯江西南康。工作简历：2003.12~现在 浙江工业大学化学工作与材料学院 教授；2008.1~2008.7 英国纽卡斯尔大学化学工程与材料学院 高访；2002.4~2003.11 浙江大学化学系 博士后；1991.7~1999.8 甘肃兰州 甘肃有色金属地质研究所 高工。主要研究方向：（1）无机纳米材料制备与应用研究；（2）无机非金属矿物材料改性与除铁技术研究；（3）光电催化与多相催化材料制备与应用研究教学工作：（1）研究生课程《纳米材料与技术》、《先进复合材料》和《材料结构与性能》；（2）本科生课程《纳米材料与应用》、《材料科学基础》和《现代电化学进展》

第一章　无机材料基础知识 
第一节 无机材料及其主要类型 1 
一、无机材料定义与分类 1 
二、无机材料的主要类型 2 
第二节 无机材料的原子及其结构 4 
一、原子 4 
二、原子结构 5 
三、原子中电子的运动和分布 6 
第三节 结合键及其相关理论 10 
一、离子晶体与静电吸引理论 10 
二、共价晶体与价键理论 14 
三、配合物与晶体场理论 20 
第四节 无机材料结构特征及结构-性能-工艺之间的关系 23 
一、结构特征 23 
二、结构-性能-工艺之间的关系 23 
第五节 无机材料科学与工程 24 
一、无机材料科学与工程的含义 24 
二、无机材料科学与工程的主要研究对象 24 
思考题 25 
参考文献 26 

第二章　晶体学基础知识 
第一节 无机物的类型 27 
第二节 晶体及其结构 29 
第三节 晶体基本性质 38 
第四节 晶体的分类 42 
思考题 48 
参考文献 48 

第三章　无机材料的表面结构 
第一节 固体表面结构 49 
第二节 面缺陷 58 
第三节 固液界面 58 
一、过冷:表面预熔 58 
二、过热:界面效应 60 
第四节 扩散和晶体生长 61 
思考题 66 
参考文献 66 

第四章　无机材料的晶体结构 
第一节 紧密堆积 68 
第二节 球体周边的空隙结构 69 
第三节 配位数与配位多面体 70 
第四节 常见晶体结构 73 
思考题 80 
参考文献 80 

第五章　无机材料的化学键结构 
第一节 化学键类型及主要特征 81 
第二节 成键效应与非键类型 82 
第三节 化学吸附的成键环境 84 
第四节 电负性元素的吸附成键:四面体结构化学键 85 
第五节 化学键性与晶格类型 87 
一、晶体的键性 87 
二、离子的极化 88 
三、结晶化学定律 89 
四、鲍林法则 89 
五、典型无机化合物的晶格结构 91 
第六节 表面键弛豫 102 
思考题 104 
参考文献 104 

第六章　无机材料的电子结构 
第一节 能带结构 106 
一、价带态密度特征 106 
二、表面势垒与形貌 108 
第二节 断键理论 109 
一、势垒限域 109 
二、原子低配位 110 
三、键长与键能弛豫 110 
四、鲍林的相关法则 112 
五、BOLS的物理意义 112 
六、非键电子极化 114 
第三节 电子的钉扎与极化 115 
一、芯能级偏移 115 
二、经典模型 117 
三、哈密顿量和能级分裂 118 
四、配位数效应解析 120 
五、配位数与电子结合能 121 
第四节 量子钉扎与极化 126 
一、Au和Ag 126 
二、Rh和W  128 
第五节 带宽和带尾 128 
一、带宽:电荷致密化 128 
二、带尾与表面态 129 
三、GNR的带隙展宽 130 
思考题 134 
参考文献 134 

第七章　纳米材料的结构与性能 
第一节 纳米材料及其主要效应 136 
一、纳米材料与纳米科技 136 
二、纳米材料的主要效应 137 
第二节 纳米材料面临的冲突与挑战 142 
一、与传统概念的冲突 142 
二、面临的挑战 144 
第三节 纳米材料的化学键结构与性能 147 
一、可能的物理机制 148 
二、键弛豫(BOLS)表述 149 
三、应变诱导的刚度强化 151 
四、能量钉扎 151 
五、总结 152 
第四节 纳米材料的电子结构与性能(形状与尺寸效应)  152 
一、核壳模型:表体比 152 
二、局域键平均近似 152 
三、尺度关系 154 
四、总结 155 
第五节 纳米固体的电子钉扎与极化 156 
一、纳米固体的芯能级偏移 156 
二、电亲和势与功函数 161 
第六节 量子钉扎的应用与讨论 165 
一、钉扎无极化的Co和Pt  165 
二、单层石墨和石墨带边界 166 
三、总结 168 
思考题 169 
参考文献 169 

第八章　碳材料的结构与性能 
第一节 金刚石 171 
一、概述 171 
二、金刚石的分类 173 
三、金刚石的化学组成 177 
四、金刚石的结构 179 
五、金刚石的性质 185 
第二节 石墨 187 
一、天然石墨的分类 188 
二、晶体结构 188 
三、石墨的性质 190 
第三节 石墨烯 194 
一、石墨烯的结构 194 
二、石墨烯的基本性能 198 
第四节 碳纳米管 204 
一、碳纳米管的发现 204 
二、碳纳米管的结构 204 
三、碳纳米管的基本性质 207 
第五节 富勒烯 217 
第六节 石墨炔 220 
一、石墨炔的分类 220 
二、石墨炔的性质 221 
第七节 石墨烷 223 
第八节 石墨酮 223 
思考题 224 
参考文献 224 

第九章　碳化钨的结构与性能 
第一节 碳化钨的晶体结构 227 
第二节 碳化钨纳米颗粒的结构与电催化性能 228 
一、碳化钨纳米颗粒的制备 229 
二、碳化钨纳米颗粒的分析与表征 229 
三、碳化钨纳米颗粒的电催化性能 231 
第三节 火柴棒型碳化钨纳米棒的结构与电催化性能 233 
一、火柴棒型碳化钨纳米棒的制备 234 
二、火柴棒型碳化钨纳米棒分析与表征 234 
三、火柴棒型碳化钨纳米棒的电催化性能 237 
第四节 介孔碳化钨纳米片的结构与电催化性能 237 
一、介孔碳化钨纳米片的制备 237 
二、介孔碳化钨纳米片的分析与表征 238 
三、介孔碳化钨纳米片的电催化性能 242 
第五节 自支撑介孔碳化钨纳米片 
电极的结构与电催化性能 243 
一、自支撑介孔碳化钨纳米片电极的制备 243 
二、自支撑介孔碳化钨纳米片电极的分析与表征 243 
三、自支撑介孔碳化钨纳米片电极的电催化性能 248 
第六节 分析与讨论 249 
思考题 250 
参考文献 250 

第十章　二氧化钛的结构与性能 
第一节 二氧化钛的晶体结构 252 
一、二氧化钛的晶体结构特征 252 
二、二氧化钛的非晶态 254 
三、二氧化钛的表面结构 255 
第二节 半导体的能带理论及光催化机理 257 
第三节 材料的维度与性质 260 
第四节 一维二氧化钛的结构与性能 261 
第五节 二维二氧化钛的结构与性能 263 
一、二维材料 263 
二、二维二氧化钛的结构与性能 265 
三、面缺陷的设计与催化性能 266 
第六节 特殊结构二氧化钛的结构与性能 267 
一、核壳结构 267 
二、异质结构 267 
三、复杂多级结构 268 
思考题 268 
参考文献 269

《无机材料的结构与性能》是编者长期从事无机材料结构与性能教学和科研工作的积累，目的是剖析不同尺度下无机材料的结构特征及其与性能的关联性。本书在介绍无机材料及晶体学基础知识的基础上，着重介绍了无机材料的表面结构、晶格结构、化学键结构和电子结构及其与性能的关联性，并将材料科学的新分支——纳米材料的相关内容融入其中，然后结合科研实践及无机材料研究的发展趋势，阐述了碳（单质）、碳化钨（填隙结构）和二氧化钛（二元化合物）材料结构与性能的关联性，旨在为广大读者建立材料多尺度结构与性能的关系。《无机材料的结构与性能》的读者对象主要为高等学校无机非金属材料专业的研究生，也可供材料专业的本科生和相关工程技术人员参考。

李国华，浙江工业大学化学工程与材料学院教授，浙江省博士后联谊会理事、浙江工业大学博士后联谊会副主席和常务理事，籍贯江西南康。工作简历：2003.12~现在 浙江工业大学化学工作与材料学院 教授；2008.1~2008.7 英国纽卡斯尔大学化学工程与材料学院 高访；2002.4~2003.11 浙江大学化学系 博士后；1991.7~1999.8 甘肃兰州 甘肃有色金属地质研究所 高工。主要研究方向：（1）无机纳米材料制备与应用研究；（2）无机非金属矿物材料改性与除铁技术研究；（3）光电催化与多相催化材料制备与应用研究教学工作：（1）研究生课程《纳米材料与技术》、《先进复合材料》和《材料结构与性能》；（2）本科生课程《纳米材料与应用》、《材料科学基础》和《现代电化学进展》