材料化学（曾兆华）（第3版）

前言

在2013年出版的《材料化学》第2版的架构中，主要围绕材料的结构、性能、制备、应用这四个要素展开，并把化学原理和方法渗入其中，层层递进，以期构筑一个内容较为完整、结构较为明晰的材料化学体系。本次教材修订改版总体上仍保留了第2版的思路脉络，基于教材第2版出版以来的使用情况，对原教材在结构和内容上进行了适当的调整和完善。首先，把原来包含在各章节中的化学基础知识提取出来作为单独一章（第2章），并在该章中增加了电化学基础的内容，原第4章“材料化学热力学”的内容作为基础知识合并到第2章中。通过这样的调整，使教材的结构更明晰，更有层次感。其次，考虑到当今社会对于能源和环境问题的关注度越来越高，在这次修订改版中增加了能源材料（第11章）和环境材料（第12章），第3版教材在新材料领域方面将更加完备。后这次对第2版中的第6章“电子与微电子材料”和第7章“光子材料”进行了较大规模的压缩修订，着重突出这两大类材料所涉及的化学方面的内容。

与第2版类似，第3版的前5章在内容上更系统，基本上可以自成一体，因此可以把前5章作为授课主体内容。后7章涉及材料的多个领域，可以根据专业特点、授课对象的水平层次以及课时数等实际情况，有选择性地进行介绍或作为学生的扩展阅读材料。

本书第3版的第1～5章以及第8章、第10章、第12章由曾兆华编写，第6章、第7章和第9章由杨建文编写（本版中第6章、第7章由曾兆华作了修订），第11章由刘卫和黄盛共同编写。本次修订，得到了中山大学材料科学与工程学院的大力支持，考虑到材料化学课程建设的需要，邀请刘卫和黄盛两位老师参与编写，孟跃中老师和宋树芹老师对教材编写和课程建设给予了有益的建议和支持，在此感谢。

希望本书对材料化学的教学及材料领域相关工作有所帮助，也恳请各位教师、学生和其他读者对本书中的疏漏和不足给予指正。后，感谢在教学中采用本教材的师生，您的支持是我们不断改进、完善教材的动力。

编者

2022年春于中山大学康乐园

版前言

能源、信息和材料被认为是当今社会发展的三大支柱，其中材料更是科学技术发展的物质基础，没有先进的材料，就没有先进的工业、农业和科学技术。从世界科技发展史看，重大的技术革新往往起始于材料的革新，而近代新技术（如原子能、计算机、集成电路、航天工业等）的发展又促进了新材料的研制 。因此，近年来材料科学技术受到人们的普遍重视并获得迅猛发展。

材料化学伴随着材料科学的发展而诞生和成长，它是材料科学的重要组成部分，又是化学学科的一个分支。材料化学从分子水平到宏观尺度认识结构与性能的相互关系，从而调节改良材料的组成、结构和合成技术及相关的分析技术，并发展出新型的具有优异性能的先进材料。

目前很多高等学校的化学类专业开设了材料化学这门课程。我们基于几年来对这门课程的教学体会，并吸取了国内外同类教材及相关专业述著的精华，编写了这本《材料化学》。

本书的第2～5章涉及材料的结构、性能、制备等材料化学的基本内容；第6～9章则以四大类材料（金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料）为主线，对不同种类的材料进行介绍，其中涉及各种现代先进材料如高性能金属材料、功能陶瓷、电子信息材料、生物医用材料、航空航天材料、能源材料、感光材料等，叙述各种材料的性能和行为与其成分及内部组织结构之间的关系。另外，纳米材料从组成来看，可以是四大类材料（金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料）中的一种，但其尺度和特性却与传统材料有着明显的差异，因此本书后另辟一章（第10章）专门介绍纳米材料。

本书可作为高等学校材料化学课程的教材，也可作为材料科学工作者的参考书。本书第1～5章、第10章由曾兆华编写，第6～9章由杨建文编写。希望本书对材料化学的教学及材料相关工作能有所帮助，也恳请大家对本书出现的不足给予指正。

编者

2008年1月

第二版前言

本书自2008年出版以来，已有5年时间。鉴于材料科学领域近年来发展迅速，以及本书使用过程中发现的一些问题，有必要对本书加以修订。

本书第二版的基本架构与版相同，但在内容上做了适当调整。整体上仍然分为两部分，部分（第2～5章）主要包含材料化学的基本内容，涉及材料的结构、性能、制备和材料化学热力学；第二部分（第6～10章）具体介绍各类高性能材料或功能材料。其中在第二部分的内容上调整较大。版的第二部分按四大类材料（金属材料、无机非金属材料、高分子材料以及高性能复合材料）和纳米材料进行逐章介绍，内容上较系统，但有些宽泛。在第二版中，我们主要是按材料的不同应用领域分章介绍，包括电子与微电子材料、光子材料、生物医用材料这些当今应用广泛和备受关注的新型材料，加上版原有的高性能复合材料和纳米材料，共5章。此外，第二版中的部分的内容进行了相应的调整充实。例如在原版的第6～8章中包含有金属材料、无机非金属材料、高分子材料的结构和制备的相关内容，而在第二版中都融合到部分相应章节中；考虑到材料界面和表面特性在材料研究和应用中的重要性，在第4章“材料化学热力学”中增加了“材料界面热力学”；在第5章“材料的制备”中增加了“自组装技术”。这样，第二版的前5章在内容上更系统，基本上可以自成一体。对于少课时（36课时及以下）的材料化学课程来说，可以把前5章作为授课主体内容，后5章作为扩展阅读材料。对于较多课时的课程来说，可以根据专业特点、授课对象的水平层次以及课时数等实际情况，对后5章的内容有选择性地进行介绍。

本书第二版的第1～5章以及第8章、第10章由曾兆华编写，第6章、第7章和第9章由杨建文编写。希望本书对材料化学的教学及材料领域相关工作有所帮助，也恳请教师和读者对本书出现的不足给予指正。特别是对于一直使用本书版作为授课教材的各校教师，如果对改版后本书在内容和结构上的改变有不同看法，希望大家给予意见及建议。正是大家对本书（版）的认可和采用，并给予了不少宝贵建议，使我们有动力投入时间和精力对本书进行了较系统和细致的修订。

编者

2013年春于中山大学

《材料化学》（第3版）主要围绕材料的结构、性能、制备、应用这四个要素展开，介绍了材料化学的基础知识，并把化学原理和方法渗入其中，层层递进，构筑一个内容完整、结构明晰的材料化学体系。具体内容包括绪论、材料中的化学、材料的结构、材料的性能、材料的制备、电子与微电子材料、光子材料、生物医用材料、高性能复合材料、纳米材料、能源材料、环境材料。《材料化学》（第3版）可供高等院校材料类、化学化工相关专业师生教学使用，也可供相关专业从业人员参考。

《材料化学》（第3版）主要围绕材料的结构、性能、制备、应用这四个要素展开，介绍了材料化学的基础知识，并把化学原理和方法渗入其中，层层递进，构筑一个内容完整、结构明晰的材料化学体系。具体内容包括绪论、材料中的化学、材料的结构、材料的性能、材料的制备、电子与微电子材料、光子材料、生物医用材料、高性能复合材料、纳米材料、能源材料、环境材料。《材料化学》（第3版）可供高等院校材料类、化学化工相关专业师生教学使用，也可供相关专业从业人员参考。

第1章绪论

1.1材料与化学/1

1.2材料的分类/3

1.3材料化学的特点/4

1.4材料化学在各个领域的应用/5

1.4.1生物医药领域/5

1.4.2电子信息领域/6

1.4.3环境和能源领域/6

1.4.4结构材料领域/6

1.5材料化学的主要内容/6

参考文献/8

思考题/8

第2章材料中的化学

2.1元素和化学键/9

2.1.1元素及其性质/9

2.1.2原子间的键合/10

2.1.3原子间的相互作用与键能/12

2.2晶体学基本概念/14

2.2.1晶体和非晶体/15

2.2.2晶格、晶胞和晶格参数/16

2.2.3晶向指数和晶面指数/16

2.2.4晶面间距/18

2.2.5晶系/18

2.3晶体缺陷/19

2.3.1点缺陷/20

2.3.2线缺陷和位错/23

2.3.3面缺陷/26

2.3.4体缺陷/28

2.4化学热力学基础及应用/28

2.4.1化学热力学回顾/28

2.4.2化学热力学在材料研究中的应用/30

2.5材料界面热力学/35

2.5.1表面张力和表面能/35

2.5.2润湿和接触角/38

2.5.3弯曲表面热力学/42

2.5.4固体表面的吸附/44

2.6电化学基础/46

2.6.1原电池基本概念/46

2.6.2原电池的热力学——能斯特方程/47

2.6.3电极电势/48

2.6.4电解/49

2.7相图及其应用/52

2.7.1相平衡与相律/53

2.7.2相图/53

参考文献/64

思考题/65

第3章材料的结构

3.1金属材料的结构/67

3.1.1金属晶体/67

3.1.2多晶结构/70

3.1.3固溶体/70

3.2无机非金属材料的结构/73

3.2.1离子晶体/74

3.2.2硅酸盐结构/82

3.2.3共价晶体/87

3.3高分子材料的结构/87

3.3.1高分子链结构单元的化学组成/88

3.3.2高分子链结构单元的键接方式/89

3.3.3高分子链的几何形态/89

3.3.4高分子链的构型/90

3.3.5高分子链的柔顺性/91

3.3.6聚合物的晶态结构/92

参考文献/93

思考题/94

第4章材料的性能

4.1化学性能/95

4.1.1耐氧化性/95

4.1.2耐酸碱性/96

4.1.3耐有机溶剂性/97

4.1.4耐老化性/97

4.2力学性能/98

4.2.1材料的强度/99

4.2.2材料的硬度/101

4.2.3疲劳性能/101

4.3热性能/102

4.3.1比热容/102

4.3.2热膨胀/102

4.3.3热传导/104

4.4电性能/105

4.4.1导电性能/105

4.4.2介电性能/107

4.4.3铁电性与压电性/108

4.5磁性/109

4.5.1磁性的基本概念/109

4.5.2磁性的种类/109

4.5.3磁畴和磁化曲线/110

4.6光学性能/111

4.6.1光的吸收和透过/111

4.6.2光的反射和折射/113

4.6.3材料的颜色/113

参考文献/114

思考题/114

第5章材料的制备

5.1金属材料的制备/116

5.1.1冶金工艺/116

5.1.2金属材料热处理/118

5.1.3非晶金属材料的制备/119

5.2陶瓷工艺/120

5.2.1原材料/121

5.2.2陶瓷粉体的制备/123

5.2.3陶瓷的烧结/124

5.3高分子材料制备/125

5.3.1自由基型聚合反应/126

5.3.2离子型聚合反应/127

5.3.3缩合聚合/129

5.3.4聚合实施方法/131

5.4晶体生长技术/133

5.4.1熔体生长法/133

5.4.2溶液生长法/136

5.5气相沉积法/137

5.5.1物理气相沉积法/137

5.5.2化学气相沉积法/140

5.6溶胶凝胶法/147

5.6.1溶胶凝胶法的基本原理/147

5.6.2溶胶凝胶法的应用/149

5.6.3溶胶凝胶法的优点和弱点/150

5.7液相沉淀法/150

5.7.1直接沉淀法/150

5.7.2共沉淀法/151

5.7.3均匀沉淀法/151

5.8固相反应/151

5.8.1固相反应分类/152

5.8.2固相反应的特点/152

5.8.3固相反应的过程和机理/152

5.8.4影响固相反应的因素/153

5.8.5固相反应实例/154

5.9插层法和反插层法/155

5.10自蔓延高温合成法/156

5.10.1自蔓延高温合成法机理/157

5.10.2自蔓延高温合成法的化学反应类型/158

5.10.3自蔓延高温合成技术类型/159

5.11自组装技术/161

5.11.1自组装的种类/161

5.11.2自组装膜/162

5.11.3自组装胶体晶体/162

参考文献/164

思考题/164

第6章电子与微电子材料

6.1导电材料/166

6.1.1金属导电材料/167

6.1.2快离子导体/167

6.1.3聚合物导电材料/170

6.1.4电阻材料/172

6.2介电材料/174

6.2.1材料的介电性及介电材料/174

6.2.2压电材料/175

6.2.3热释电材料/176

6.2.4铁电材料/177

6.3半导体材料/178

6.3.1半导体材料概述/178

6.3.2半导体分类及特点/178

6.3.3单质硅半导体材料/180

6.3.4重要的化合物半导体/182

6.3.5半导体材料的应用/184

6.4微电子材料/185

6.4.1IC衬底材料/185

6.4.2栅结构材料/186

6.4.3存储电容材料/186

6.4.4局域互联材料/187

6.4.5光刻胶/187

6.4.6电子封装材料/190

参考文献/194

思考题/194

第7章光子材料

7.1概述/195

7.2光纤材料/195

7.2.1光纤的基本构造/196

7.2.2光纤材料的分类/196

7.2.3石英光纤制作/198

7.3光子晶体/199

7.3.1光子晶体概念与特性/199

7.3.2光子晶体材料与制作/200

7.3.3光子晶体应用/201

7.4液晶材料/202

7.4.1液晶分类/203

7.4.2液晶的分子结构特征/204

7.4.3液晶材料应用/205

7.5光学透明导电材料/207

7.5.1金属透明导电薄膜/207

7.5.2金属氧化透明导电膜/207

7.5.3石墨烯/209

7.5.4透明导电膜应用/209

7.6非线性光学材料/209

7.6.1无机非线性光学材料/210

7.6.2有机非线性光学材料/210

7.6.3其他非线性光学材料/211

7.7发光材料/212

7.7.1发光过程与发光材料/212

7.7.2光致发光/213

7.7.3阴极射线发光材料/218

7.7.4电致发光材料/218

7.8激光材料/222

7.8.1激光晶体的发光原理/222

7.8.2固体激光器材料/223

7.8.3气体激光器材料/224

7.8.4染料激光/224

7.8.5半导体激光/225

参考文献/225

思考题/226

第8章生物医用材料

8.1生物医用材料概述/227

8.1.1生物医用材料的内涵/227

8.1.2生物医用材料的分类/227

8.1.3生物医用材料的基本要求/228

8.2生物医用材料表面改性/229

8.2.1材料表面形貌控制/229

8.2.2生物医用材料的表面修饰/230

8.2.3等离子体表面处理/231

8.2.4离子注入表面改性/231

8.2.5自组装单分子层/231

8.3生物医用金属材料/232

8.3.1生物医用金属材料的性能要求/232

8.3.2常用生物医用金属材料/232

8.4生物陶瓷/235

8.4.1生物陶瓷的种类和特点/236

8.4.2生物陶瓷的制备/238

8.5生物医用高分子材料/241

8.5.1生物医用高分子材料的种类/241

8.5.2生物医用高分子材料的要求/242

8.5.3生物可降解高分子材料及其应用/243

8.5.4医药高分子/246

8.6纳米生物材料/251

8.6.1纳米生物材料的分类/252

8.6.2纳米载体/252

8.6.3纳米细胞分离技术/254

8.6.4染色纳米材料/255

8.6.5纳米抗菌药及创伤敷料/256

8.6.6组织工程中的纳米生物材料/256

参考文献/256

思考题/257

第9章高性能复合材料

9.1复合材料概述/258

9.2复合材料的命名与分类/259

9.3复合材料的基体材料/260

9.3.1金属基体材料/260

9.3.2无机非金属材料（陶瓷）/261

9.3.3聚合物基体材料/262

9.4复合材料的增强相/264

9.4.1纤维增强体/265

9.4.2晶须增强体/269

9.4.3颗粒增强体/270

9.5复合材料主要性能与制造/271

9.5.1聚合物基复合材料/271

9.5.2金属基复合材料/273

9.5.3陶瓷基复合材料/276

参考文献/277

思考题/278