【现货速发】材料化学

材料是人类生产和生活活动的物质基础，是生产力的标志，被看作是人类社会进步的里程碑；化学是在分子、原子水平上研究物质的组成、结构、性质与变化规律的科学，是人类理解自然、改造自然的基础。材料与化学的交叉渗透，衍生出内涵丰富、浩瀚深邃的新兴学科——材料化学。 
材料化学作为学科交叉的产物，已逐渐发展成为材料科学的核心内容之一，其涵盖的基本理论和方法为材料制备、结构分析、性能表征和实际应用提供了最为基础和关键的指导。材料化学致力于指导解决材料领域变革式发展的“大问题”，推动关乎科学技术进步的新材料研究，比如新材料的开发、新结构的设计及新应用的发掘。而新材料的研究和发展直接影响一个国家的科学技术、国民经济、国防建设现代化水平的高低和综合国力的提升。因此，材料化学这一学科对于国家发展具有战略意义。同时，该学科重在培养学生从化学角度认识并理解材料的本质，特别是材料的化学组成、结构与材料性能之间的关系，为发展变革性和战略性新材料提供重要支撑。 
本书遵循“材料化学基础—材料合成与制备—材料前沿应用”主线脉络，整体上分为三部分。第一部分（第1~6章）阐述材料化学基础，主要包括材料化学的基本理论，涉及材料的组成和结构、表面与界面性能和材料电化学。第二部分（第7~11章）是各类材料的制备原理及方法，对材料制备原理、金属材料的制备、无机非金属材料的制备、高分子材料的制备、复合材料的制备进行逐章介绍。第三部分（第12章）介绍前沿新材料。本书编写注重融入学科发展的新思想、新成果，突出前沿性、变革性，因此在最后一章中介绍量子材料、光子与光学材料、金属有机框架材料、手性材料、超材料等材料化学最新的闪光点，使课堂内容能够紧跟时代发展前沿，拓展学生的知识面，启迪学生发挥创新能力。需要注意和强调的是，在这种交叉学科、边缘学科、新兴学科的迅速兴起，“你中有我，我中有你”的大背景下，所举几类新材料无法严格归属于四大类传统材料(金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料)，其性质和性能与传统材料也有着明显的差异。对于“材料化学”课程学时少的高校，可以把第一部分和第二部分作为授课主体内容，第三部分作为拓展阅读材料。对于课时较多的高校，可以结合院校及专业特点、授课对象的水平层次等实际情况，对第三部分的内容有选择性地进行介绍。 
此外，本书在内容组织与呈现形式上结合数字化技术，在书中以二维码形式植入了彩色图像、视频资料、习题答案等数字化内容，对内容进行更生动地展示；针对“新工科”人才培养、新时代“课程思政”等需求，设置了涵盖面宽泛的“拓展阅读”，拓展专业课程的广度、深度和温度，增加课程的知识性、人文性，注重教材的可读性；另外，设有“教学要点”“思考题”等板块，方便学生阅读、理解和学习。 
材料化学知识包罗万象，本书难以囊括全部。限于篇幅，编著者力求为读者呈现材料化学最基础的知识、原理和方法，为材料学相关专业的学生及研究人员提供基本的理论参考。更期望通过介绍前瞻性新材料及变革性应用，使学生了解最先进、具有前景的新材料，激励学生向材料科学技术更高处攀登。 
本书由武汉理工大学麦立强主持，并与武汉理工大学罗雯和陈伟合作编著完成。在本书的编写过程中参阅了许多著作、文献和资料，同时参考了国内外同类教材的部分内容，在此表示诚挚的谢意！ 
本书得到高等学校材料类专业教学指导委员会规划教材建设立项支持，在此表示感谢！囿于学识和时间，书中疏漏和不妥之处在所难免，恳请读者给予批评指正。 

编著者 
2023年6月

《材料化学》是高等学校材料类专业教学指导委员会规划教材，主要内容包括绪论、化学键与晶体结构、晶体的缺陷、非晶态与准晶态、材料表面与界面、材料电化学、材料制备原理、金属材料的制备、无机非金属材料的制备、高分子材料的制备、复合材料的制备、前沿新材料，全方位地阐述了材料的组成和结构、制备方法、功能特性及应用。《材料化学》是高等院校材料科学与工程、材料化学、应用化学等专业本科生或研究生的教材，也可作为材料专业从业人员的参考书。

麦立强，武汉理工大学材料学院，杰青 院长。主要学习及教育经历：2017.02-2017.08，美国加州大学伯克利分校，高*级研究学者，合作导师：美国科学院院士杨培东教授；2008 - 2011，美国哈佛大学化学与化学生物系，高*级研究学者，合作导师：美国科学院院士Charles M. Lieber教授；2006 - 2007，美国佐治亚理工学院纳米科学和技术中心，访问学者、博士后，合作导师：中科院外籍院士王中林教授；2001 - 2004，武汉理工大学，获工学博士学位，导师：陈文 教授；1998 - 2001，桂林理工大学，工学硕士学位，导师：邹正光 教授；1994 - 1998，太原理工大学，工学学士学位。主要工作经历：2019-至今，武汉理工大学，材料科学与工程学院，院长；2016-2019，武汉理工大学，材料科学与工程国际化示范学院，国际事务院长；2014-2016，武汉理工大学，材料科学与工程试点学院，执行院长；2011 - 至今，武汉理工大学，材料科学与工程学院，学科首席教授；2009 - 至今，武汉理工大学，武汉理工大学纳米重点实验室，实验室主任；2007 - 2011，武汉理工大学，材料科学与工程学院，破格晋升教授，博士生导师；2004 - 2007，武汉理工大学，材料科学与工程学院，特聘副教授。麦立强，武汉理工大学材料学科首席教授，博士生导师，武汉理工大学材料科学与工程学院院长，国家杰出青年科学基金获得者（2014），国家“万人计划”领军人才入选者（2016），英国皇*家化学学会会士，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员。2004年在武汉理工大学获工学博士学位，随后在美国佐治亚理工学院、哈佛大学、加州大学伯克利分校从事博士后、高*级研究学者研究。主要研究方向为纳米储能材料与器件。构筑了国际上第*一个单根纳米线固态储能器件，创建了原位表征材料电化学过程的普适新模型，率先实现了高性能纳米线电池及关键材料的规模化制备和应用。目前已发表包括Nature、Nature Nanotechnol.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Chem. Rev.等在内的SCI论文350余篇；获授权国家发明专利100余项。在美国MRS、ACS、ECS等重要国际会议做大会报告、主旨报告、特邀报告70余次。作为大会主席组织Nature能源材料会议、第十届中美华人纳米论坛等重要国际会议10余次。主持国家重大科学研究计划课题、国家自然科学基金重点项目等30余项。获国家自然科学奖二等奖（第*一完成人）、何梁何利基金科学与技术创新奖、科睿唯安全球高被引科学家、自然科学一等奖（第*一完成人）、英国皇*家化学会中国高被引作者、中国青年科技奖、光华工程科技奖（青年奖）、湖北省自然科学一等奖（第*一完成人）、侯德榜化工科学技术奖（青年奖）、国际电化学能源科学与技术大会卓*越研究奖，入选“国家百千万人才工程计划”，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴。任J. Energy Storage副主编，Adv. Mater.、Chem. Rev.客座编辑，Acc. Chem. Res.、Joule、ACS Energy Lett.、Adv. Electron. Mater.、Small国际编委，Nano Res.、Sci. China Mater.编委。

第1章教学要点 1 
1.1材料与化学 1 
1.2材料的发展过程 2 
1.3材料的分类 3 
1.4材料化学的研究内容 3 
1.5“材料化学”课程的特点和要求 4 
1.6材料化学在各个领域的应用 5 
拓展阅读 7 
思考题 8 
参考文献 8 

第2章教学要点 9 
2.1元素及其性质 9 
2.2原子间键合与晶体 11 
2.2.1金属键与金属晶体 11 
2.2.2离子键与离子晶体 13 
2.2.3共价键与共价晶体 17 
2.2.4氢键与锂键 20 
2.2.5范德华键 21 
2.3晶体学基本概念 21 
2.3.1晶体与非晶体 22 
2.3.2空间点阵 22 
2.3.3晶胞参数 22 
2.3.4晶向指数、晶面指数和晶面间距 24 
拓展阅读 25 
思考题 25 
参考文献 25 

第3章教学要点 27 
3.1晶体缺陷的分类 27 
3.2点缺陷 28 
3.2.1点缺陷的类型 28 
3.2.2点缺陷的表示方法 29 
3.2.3点缺陷反应方程式的书写原则 30 
3.2.4点缺陷的浓度 31 
3.2.5色心 34 
3.3线缺陷与位错模型 35 
3.3.1位错的类型 36 
3.3.2位错的运动 37 
3.4面缺陷和体缺陷 37 
拓展阅读 39 
思考题 40 
参考文献 40 

第4章教学要点 41 
4.1非晶态固体的结构特征 41 
4.1.1结构特征 41 
4.1.2双体分布函数 43 
4.2非晶态材料的结构模型 44 
4.3非晶态固体的形成与稳定性 46 
4.3.1非晶态固体的形成条件 46 
4.3.2非晶态材料的稳定性 47 
4.4非晶态材料的性质 48 
4.5准晶态材料 51 
4.5.1准晶的结构特征 51 
4.5.2准晶的理论模型 52 
4.5.3准晶的特性 52 
拓展阅读 54 
思考题 57 
参考文献 57 

第5章教学要点 58 
5.1界面与表面的定义 58 
5.1.1液体表面 60 
5.1.2固体表面 60 
5.2表界面吸附 64 
5.2.1吸附类型 65 
5.2.2固-液界面吸附 66 
5.2.3表界面的气体吸附 67 
5.3固体表面润湿现象 69 
5.3.1粘湿 69 
5.3.2浸湿 70 
5.3.3铺展 70 
5.3.4杨氏方程 70 
5.3.5粗糙表面的润湿情形 71 
5.3.6吸附膜对润湿的影响 72 
5.4固体表面黏附 72 
5.4.1黏附公式 72 
5.4.2黏附理论介绍 73 
拓展阅读 74 
思考题 75 
参考文献 75 

第6章教学要点 77 
6.1电化学体系基本单元 78 
6.1.1电子导体——电极 78 
6.1.2离子导体——电解质 80 
6.2非法拉第过程 82 
6.2.1理想极化电极 83 
6.2.2电极的电容和电荷 83 
6.2.3双电层 84 
6.3法拉第过程 84 
6.3.1原电池和电解池 84 
6.3.2影响电极反应速率和电流的因素 88 
6.4物质传递形式 91 
6.4.1对流 91 
6.4.2浓差扩散 92 
6.4.3电迁移 92 
6.5化学电源材料 93 
6.5.1化学电源概述 93 
6.5.2锂离子电池 96 
6.5.3新型化学电池 101 
拓展阅读 103 
思考题 104 
参考文献 105 

第7章教学要点 106 
7.1材料设计方法 106 
7.1.1材料设计方法概述 106 
7.1.2材料设计的理论方法 107 
7.2固相化学反应 110 
7.2.1固相化学反应的分类 110 
7.2.2固相化学反应的特点 110 
7.2.3固相化学反应的过程及机理 110 
7.2.4固相化学反应的控制因素 113 
7.3液相化学反应 114 
7.3.1液相化学反应的分类 114 
7.3.2液相化学反应的特点 116 
7.3.3液相化学反应的过程及机理 116 
7.3.4液相化学反应的控制 117 
7.4气相化学反应 119 
7.4.1气相化学反应的分类 119 
7.4.2气相反应的特点 119 
7.4.3物理气相反应的过程及机理 119 
7.4.4化学气相反应的过程及机理 121 
拓展阅读 122 
思考题 123 
参考文献 123 

第8章教学要点 124 
8.1金属材料概述 124 
8.2金属的热分解制备 125 
8.3金属的热还原制备 130 
8.3.1常压下的金属热还原 131 
8.3.2真空下的金属热还原 133 
8.4金属的电解制备 136 
8.5金属的精炼 139 
8.6合金制备 141 
8.6.1低共熔混合物 142 
8.6.2金属固溶体 142 
8.6.3金属化合物 143 
拓展阅读 143 
思考题 144 
参考文献 144 

第9章教学要点 145 
9.1无机非金属材料概述 145 
9.2无机非金属材料粉体的制备方法 146 
9.2.1机械法 146 
9.2.2化学合成法 147 
9.3无机非金属材料的成型 153 
9.3.1可塑成型 153 
9.3.2注浆成型 154 
9.3.3胶态成型 155 
9.3.4玻璃的熔制与成型 156 
9.4无机非金属材料的烧结 157 
9.4.1烧结的定义 157 
9.4.2烧结的原理 158 
9.4.3烧结的分类 160 
拓展阅读 162 
思考题 165 
参考文献 165 

第10章教学要点 166 
10.1高分子材料概述 166 
10.2聚合物的结构特征 167 
10.2.1结构特征概述 167 
10.2.2聚合物的结构 169 
10.2.3聚合物的立体异构现象 169 
10.2.4聚合物中的分子运动 171 
10.3自由基聚合 172 
10.3.1自由基聚合概述 172 
10.3.2自由基聚合机理 173 
10.3.3自由基聚合引发剂 175 
10.3.4其他引发作用 176 
10.4离子聚合 178 
10.4.1阴离子聚合 178 
10.4.2阳离子聚合 181 
10.5配位聚合 184 
10.6逐步聚合 186 
10.6.1线形缩聚机理 187 
10.6.2缩聚中的副反应 188 
10.6.3逐步聚合的实施方法 188 
10.7聚合物的老化与稳定 189 
拓展阅读 190 
思考题 191 
参考文献 192 

第11章教学要点 193 
11.1复合材料概述 193 
11.1.1复合材料的分类 194 
11.1.2复合材料的命名 194 
11.2聚合物基复合材料的制备 195 
11.2.1聚合物基复合材料概述 195 
11.2.2预浸料 预混料的制备 195 
11.2.3聚合物基复合材料的成型工艺 196 
11.3金属基复合材料的制备 197 
11.3.1金属基复合材料概述 197 
11.3.2固态法 198 
11.3.3液态法 198 
11.3.4沉积法 198 
11.3.5原位复合法 198 
11.4陶瓷基复合材料的制备 199 
11.4.1陶瓷基复合材料概述 199 
11.4.2粉末冶金法 199 
11.4.3浆体法（湿态法） 199 
11.4.4反应烧结法 200 
11.4.5直接氧化沉积法 200 
11.4.6化学气相沉积法 200 
11.4.7化学气相渗透法 201 
11.4.8溶胶-凝胶法 201 
11.4.9前驱体热解法 202 
11.5有机-无机杂化材料的制备 202 
11.5.1有机-无机杂化材料概述 202 
11.5.2在无机材料中引入有机相 202 
11.5.3在有机材料中引入无机相 203 
11.5.4两相交联的有机-无机材料 204 
11.5.5溶胶-凝胶过程制备有机-无机材料 205 
拓展阅读 205 
思考题 207 
参考文献 207 

第12章教学要点 208 
12.1量子材料 209 
12.1.1量子材料概述 209 
12.1.2超导电性和超导材料 210 
12.1.3关联电子物理与材料 212 
12.1.4拓扑量子物理和材料 216 
12.1.5量子材料的制备方法 220 
12.1.6量子材料的应用 222 
拓展阅读 225 
12.2光子与光学材料 226 
12.2.1光学材料概述 226 
12.2.2感光材料 226 
12.2.3发光材料 227 
12.2.4光学玻璃 228 
12.2.5光学晶体 230 
12.2.6光学塑料 231 
12.2.7光学膜材料 232 
12.2.8前沿光学材料的应用 232 
拓展阅读 235 
12.3金属有机框架（MOFs）材料 235 
12.3.1MOFs材料的结构特点 236 
12.3.2MOFs材料的种类 237 
12.3.3MOFs材料的制备方法 242 
12.3.4 MOFs材料的应用 242 
拓展阅读 247 
12.4手性材料 248 
12.4.1手性材料概述 248 
12.4.2手性材料的合成 249 
12.4.3手性材料的应用 252 
拓展阅读 260 
12.5超材料 261 
12.5.1超材料概述 261 
12.5.2超材料分类 264 
12.5.3超材料设计与基因工程 266 
12.5.4超材料的应用 267 
拓展阅读 269 
思考题 270 
参考文献 271 

《材料化学》是高等学校材料类专业教学指导委员会规划教材，主要内容包括绪论、化学键与晶体结构、晶体的缺陷、非晶态与准晶态、材料表面与界面、材料电化学、材料制备原理、金属材料的制备、无机非金属材料的制备、高分子材料的制备、复合材料的制备、前沿新材料，全方位地阐述了材料的组成和结构、制备方法、功能特性及应用。《材料化学》是高等院校材料科学与工程、材料化学、应用化学等专业本科生或研究生的教材，也可作为材料专业从业人员的参考书。

麦立强，武汉理工大学材料学院，杰青 院长。主要学习及教育经历：2017.02-2017.08，美国加州大学伯克利分校，高*级研究学者，合作导师：美国科学院院士杨培东教授；2008 - 2011，美国哈佛大学化学与化学生物系，高*级研究学者，合作导师：美国科学院院士Charles M. Lieber教授；2006 - 2007，美国佐治亚理工学院纳米科学和技术中心，访问学者、博士后，合作导师：中科院外籍院士王中林教授；2001 - 2004，武汉理工大学，获工学博士学位，导师：陈文 教授；1998 - 2001，桂林理工大学，工学硕士学位，导师：邹正光 教授；1994 - 1998，太原理工大学，工学学士学位。主要工作经历：2019-至今，武汉理工大学，材料科学与工程学院，院长；2016-2019，武汉理工大学，材料科学与工程国际化示范学院，国际事务院长；2014-2016，武汉理工大学，材料科学与工程试点学院，执行院长；2011 - 至今，武汉理工大学，材料科学与工程学院，学科首席教授；2009 - 至今，武汉理工大学，武汉理工大学纳米重点实验室，实验室主任；2007 - 2011，武汉理工大学，材料科学与工程学院，破格晋升教授，博士生导师；2004 - 2007，武汉理工大学，材料科学与工程学院，特聘副教授。麦立强，武汉理工大学材料学科首席教授，博士生导师，武汉理工大学材料科学与工程学院院长，国家杰出青年科学基金获得者（2014），国家“万人计划”领军人才入选者（2016），英国皇*家化学学会会士，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员。2004年在武汉理工大学获工学博士学位，随后在美国佐治亚理工学院、哈佛大学、加州大学伯克利分校从事博士后、高*级研究学者研究。主要研究方向为纳米储能材料与器件。构筑了国际上第*一个单根纳米线固态储能器件，创建了原位表征材料电化学过程的普适新模型，率先实现了高性能纳米线电池及关键材料的规模化制备和应用。目前已发表包括Nature、Nature Nanotechnol.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Chem. Rev.等在内的SCI论文350余篇；获授权国家发明专利100余项。在美国MRS、ACS、ECS等重要国际会议做大会报告、主旨报告、特邀报告70余次。作为大会主席组织Nature能源材料会议、第十届中美华人纳米