材料工程概论（田进涛 ）

材料工程属于研究、开发、生产和应用金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料的工程领域，主要包含各类材料的制备合成、成型加工、复合及表面强化的技术原理、工艺方法、生产过程等。随着当代新材料的发展和对传统材料要求的提高，材料工程的成材技术已成为实现高性能材料应用的基础。同时，“材料工程”课程对于培养从事新型材料的研究开发、材料制备、材料特性分析和改性、材料的有效利用等方面的高级工程技术人才也意义重大。本书编者分析了材料工程相关教材的优缺点，结合自身多年从事材料领域的教学和科研经历，在大量参考国内外相关领域研究成果的基础之上编写了本书。全书围绕金属、无机非金属、高分子、复合材料四大类材料在成材过程中的技术原理、工艺和方法，系统全面地介绍了各类材料的制备合成、成型加工、材料复合、表面处理等，使得读者在获得较为全面的材料工程知识的同时，掌握材料制备合成和加工的基本科学原理和技能，从而针对材料组成、结构、性能与应用的要求，提出材料制备加工的方案与方法。 
在本书的编写过程中，编者依据详尽的资料调研，对内容进行了科学合理的结构规划，形成了如下的编写特点。首先，本书遵循金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料的章节安排，在每一章中依次安排了基本原理、工艺方法、前沿进展，分别对应着背景知识、主要专业知识、最新拓展知识的内容介绍。上述的内容编排系统且科学，符合人们的认知习惯，便于读者理解并准确把握书中内容。其次，本书强调了专业知识的全面性。本书全面涵盖了各类材料的制备合成和成型加工。在金属熔炼中既介绍了铁的冶炼和钢的冶炼及其合金化，也介绍了有色金属冶炼，包括常见的轻金属、贵金属、重金属、稀有金属及其它有色金属等的冶炼。针对无机非金属材料，除了传统的陶瓷制粉、成型和烧结之外，还涵盖了玻璃生产与加工、水泥生产，以及最近数十年来发展迅速的新型碳材料。在高分子材料方面，系统介绍了常见且应用广的四大类有机高分子材料（工程塑料、橡胶、合成纤维、涂料和胶黏剂）的制备合成与成型加工。在复合材料方面，本书介绍了复合材料增强体及三大类复合材料的制备。针对特种材料的制备，本书除了介绍纳米粉体、一维纳米材料、薄膜材料的制备之外，还囊括了特种场合应用材料的制备（海洋工程材料）。对于3D 打印技术这一新型快速成型技术，本书也进行了介绍。显然上述内容全面涵盖了常见各类材料的制备合成与成型加工，体现了专业知识的全面性。最后，本书在介绍材料工程传统知识的同时，也注重新材料、新工艺、新方法的介绍，除了在每一章介绍相关内容的最新研究进展之外，在特种材料制备及3D 打印技术的相关章节进 一步强化了这一特点。 
本书可用于高等院校材料工程专业及相近专业的教师或学生作为教材或学习参考书，也可作为相关领域科研及工程技术人员从事科学研究、工程开发的参考用书。 
在本书编写过程中，编者以参考文献的方式引用了大量的国内外相关领域的研究成果，在此谨向这些参考文献的原作者表示敬意和感谢。另外，本书的编写得到了多位同行专家的指导和建议，多位研究生参与了资料收集与整理工作，特向他们表示衷心感谢。由于编者能力有限，书中肯定存在诸多不足之处，敬请各位读者批评指正。 

田进涛 
2022 年5 月 

本书包含材料合成、材料成型与加工、 材料复合、材料表面处理和特种材料制备五篇，每篇按照概述（基础背景介绍）、工艺方法（主要专业知识）、前沿进展（体现最新知识）展开。系统全面地介绍了各类材料的制备合成、成型加工、材料复合、表面处理等，既包括了传统材料及其工艺方法的相关内容，也涵盖了新材料、新工艺、新方法，体现出了较强的通用性。本书可用作大专院校材料工程及相近专业的研究生、本科生的教学用书或参考书，也可供相关专业的师生和工程技术人员自学与参考。

田进涛，男，汉族，1971.8，清华大学学士、硕士、博士（1990-2000），2001-2005年先后在日本国产业技术综合研究所九州中心（AIST-KyushuCenter,Japan）、西班牙阿利坎特大学（UniversidaddeAlicante,Spain）从事高性能复合材料的研究与开发工作，现为中国海洋大学材料科学与工程学院副教授。开设的课程有研究生课程《材料学》、《材料工程基础》，本科生课程《复合材料概论》、《新型功能材料》等。本人长期从事金属的腐蚀与防护、无机及有机光功能材料、材料复合化等的教学和研究工作，内容涉及金属、陶瓷、高分子、复合材料等多个领域，积累了丰富的教学和科研经验，已主持或参与完成科研项目10余项，授权发明专利4项，发表SCI学术论文20余篇；主持省级及校级教学研究项目10项，发表教学研究论文7篇；合作出版教材一部。

第一篇 金属材料 
1 金属熔炼 002 
1.1 铁的冶炼 002 
1.1.1 铁的简介 002 
1.1.2 炼铁原料 003 
1.1.3 炼铁技术 008 
1.2 钢的冶炼及其合金化 010 
1.2.1 炼钢原料及冶炼方法 011 
1.2.2 低元素钢的冶炼 014 
1.2.3 钢的合金化 018 
1.3 有色金属的冶炼 019 
1.3.1 有色金属及其冶炼方法 019 
1.3.2 常见轻金属冶炼 022 
1.3.3 常见贵金属冶炼 026 
1.3.4 常见重金属冶炼 027 
1.3.5 稀有金属及其他有色金属冶炼 029 
参考文献 033 

2 金属铸造成型 034 
2.1 概述 034 
2.1.1 概念与特点 034 
2.1.2 发展趋势 034 
2.1.3 常见铸造材料 035 
2.2 铸造成型原理 037 
2.2.1 液态金属充型能力 037 
2.2.2 铸件凝固和结晶 038 
2.2.3 铸造成型缺陷 040 
2.3 金属铸造工艺 042 
2.3.1 砂型铸造 042 
2.3.2 特种铸造 043 
参考文献 045 

3 金属塑性加工 046 
3.1 塑性加工原理 046 
3.1.1 塑性变形实质 046 
3.1.2 塑性变形对金属的影响 048 
3.1.3 金属的可锻性 049 
3.2 塑性加工工艺 049 
3.2.1 锻造 050 
3.2.2 冲压 052 
3.2.3 特种塑性加工工艺 055 
3.3 塑性加工新技术 056 
3.3.1 激光冲击波成形 056 
3.3.2 内高压成形 057 
参考文献 057 

4 金属连接 058 
4.1 金属连接及分类 058 
4.2 栓接 058 
4.2.1 定义与分类 058 
4.2.2 连接原理与紧固方法 059 
4.3 铆接 059 
4.3.1 定义与分类 059 
4.3.2 特点与应用 060 
4.3.3 工艺过程与参数 060 
4.3.4 主要类型 060 
4.4 粘接 061 
4.4.1 定义与分类 061 
4.4.2 特点与应用 061 
4.4.3 影响粘接强度的因素 062 
4.5 焊接 063 
4.5.1 概述 063 
4.5.2 熔焊 065 
4.5.3 钎焊 068 
4.5.4 压焊 069 
参考文献 072 

5 金属热处理 073 
5.1 概述 073 
5.1.1 金属性能 073 
5.1.2 热处理原理 074 
5.1.3 热处理工艺分类 074 
5.2 金属热处理 075 
5.2.1 钢的热处理 075 
5.2.2 铸铁热处理 078 
5.2.3 有色金属热处理 080 
5.3 热处理设备分类 081 
5.3.1 热处理设备分类 081 
5.3.2 节能环保措施 082 
5.4 热处理新技术 084 
5.4.1 真空热处理 084 
5.4.2 激光热处理 084 
5.4.3 计算机技术在热处理中的应用 084 
参考文献 085 

第二篇 无机非金属材料 
6 陶瓷粉体制备 088 
6.1 陶瓷粉体特性 088 
6.1.1 形态特性 088 
6.1.2 几何特性 090 
6.1.3 填充与堆积特性 092 
6.1.4 粉体特性影响 093 
6.2 机械制粉 093 
6.2.1 传统破碎设备 094 
6.2.2 传统粉磨设备 096 
6.2.3 超细粉碎设备 097 
6.3 物理制粉 097 
6.3.1 蒸发-冷凝法 097 
6.3.2 溶剂蒸发法 098 
6.4 化学制粉 098 
6.4.1 液相法制粉 098 
6.4.2 气相法制粉 103 
6.4.3 固相法制粉 104 
6.5 特种陶瓷粉体制备 106 
6.5.1 Si3N4 粉体 106 
6.5.2 SiC 粉体 106 
6.5.3 TiB2 粉体 107 
参考文献 107 

7 陶瓷成型 109 
7.1 概述 109 
7.1.1 陶瓷定义与分类 109 
7.1.2 陶瓷成型及要求 109 
7.1.3 成型分类与选择 110 
7.2 成型方法 110 
7.2.1 压制成型法 110 
7.2.2 浆料成型法 112 
7.2.3 可塑成型法 116 
7.3 成型技术比较 119 
参考文献 119 

8 陶瓷烧结 121 
8.1 概述 121 
8.1.1 工艺流程 121 
8.1.2 驱动力 122 
8.1.3 分类 122 
8.2 烧结影响因素 123 
8.3 烧结原理 124 
8.3.1 致密化过程 124 
8.3.2 物质传递方式 125 
8.4 烧结工艺 126 
8.4.1 常压烧结 126 
8.4.2 热压烧结 127 
8.4.3 热等静压烧结 127 
8.4.4 气氛烧结 128 
8.4.5 自蔓延烧结 128 
8.4.6 放电等离子烧结 129 
8.4.7 微波烧结 129 
8.5 烧结设备 129 
8.5.1 间歇式窑炉 129 
8.5.2 连续式窑炉 130 
参考文献 132 

9 玻璃生产与加工 133 
9.1 概述 133 
9.1.1 定义与分类 133 
9.1.2 玻璃通性 133 
9.2 玻璃生产工艺 134 
9.2.1 生产玻璃的原料 134 
9.2.2 配合料的制备 136 
9.2.3 玻璃液的熔制 136 
9.2.4 玻璃的退火与淬火 136 
9.2.5 玻璃的缺陷 137 
9.2.6 玻璃的冷热加工 138 
9.3 普通平板玻璃的生产 138 
9.3.1 原料与熔制 138 
9.3.2 成型工艺 139 
9.4 浮法玻璃生产及其深加工 140 
9.4.1 浮法玻璃生产 140 
9.4.2 浮法玻璃深加工 145 
参考文献 148 

10 水泥生产 150 
10.1 概述 150 
10.1.1 定义 150 
10.1.2 分类 150 
10.2 水泥组成与制备原理 151 
10.2.1 生料组成 151 
10.2.2 制备原理 153 
10.2.3 熟料组成 155 
10.3 水泥生产工艺 156 
10.3.1 生产方法 156 
10.3.2 工艺流程 157 
参考文献 161 

11 碳材料制备 162 
11.1 第一代碳材料 162 
11.1.1 木炭用途 162 
11.1.2 生产工艺 162 
11.2 第二代碳材料 163 
11.2.1 炭黑 163 
11.2.2 石墨 164 
11.3 第三代碳材料 165 
11.3.1 金刚石 165 
11.3.2 碳纤维 165 
11.3.3 碳/碳复合材料 166 
11.4 新型碳材料 167 
11.4.1 富勒烯 167 
11.4.2 石墨烯 168 
11.4.3 碳量子点 170 
11.4.4 碳气凝胶 172 
11.4.5 碳包覆纳米金属颗粒 172 
参考文献 173 

第三篇 高分子材料 
12 高分子聚合 176 
12.1 概述 176 
12.1.1 聚合物概念 176 
12.1.2 聚合物分类 176 
12.1.3 聚合物性能 178 
12.2 高分子的聚合工艺 180 
12.2.1 聚合工艺特征 180 
12.2.2 自由基聚合 181 
12.2.3 离子聚合 185 
12.2.4 配位聚合 186 
12.2.5 缩合聚合 186 
12.2.6 基团转移聚合 189 
12.2.7 开环易位聚合 190 
12.3 高分子聚合新技术 191 
12.3.1 模板聚合 191 
12.3.2 超临界聚合 192 
12.3.3 辐射聚合 193 
参考文献 193 

13 工程塑料成型 195 
13.1 概述 195 
13.1.1 定义 195 
13.1.2 用途 195 
13.1.3 分类 196 
13.2 成型工艺与设备 198 
13.2.1 注射成型 198 
13.2.2 挤出成型 201 
13.2.3 热成型 203 
13.2.4 压缩模塑 204 
13.2.5 中空成型 205 
13.3 工程塑料改性 207 
参考文献 207 

14 橡胶合成与加工 209 
14.1 概述 209 
14.1.1 定义与特性 209 
14.1.2 常用橡胶介绍 210 
14.2 单体合成与聚合及后处理 211 
14.2.1 单体合成与精制 211 
14.2.2 聚合过程 211 
14.2.3 后处理 211 
14.3 橡胶材料的配合体系 212 
14.3.1 母体材料 212 
14.3.2 硫化体系 212 
14.3.3 防护体系 214 
14.3.4 补强填充体系 214 
14.3.5 软化增塑体系 214 
14.3.6 其他助剂 215 
14.4 橡胶制品的生产 215 
14.4.1 生胶预处理 215 
14.4.2 塑炼 216 
14.4.3 混炼 218 
14.4.4 成型 220 
14.4.5 硫化 221 
参考文献 223 

15 合成纤维制备 225 
15.1 概述 225 
15.1.1 定义与分类 225 
15.1.2 “六大纶”简介 226 
15.2 合成纤维制备工艺 227 
15.2.1 原料制备 227 
15.2.2 纺丝 228 
15.2.3 后加工 231 
15.2.4 染色 233 
15.2.5 主要品质指标 234 
15.3 常见合成纤维制备 238 
15.3.1 腈纶制备 238 
15.3.2 涤纶制备 239 
15.3.3 锦纶制备 240 
15.3.4 维纶制备 241 
参考文献 242 

16 涂料和胶黏剂制备 243 
16.1 涂料制备 243 
16.1.1 定义与分类 243 
16.1.2 主要组成 244 
16.1.3 成膜机理 244 
16.1.4 主要品种 245 
16.1.5 制备工艺 246 
16.1.6 生产过程 247 
16.2 胶黏剂制备 247 
16.2.1 定义与分类 247 
16.2.2 主要组成 248 
16.2.3 性能特点 248 
16.2.4 胶黏理论 249 
16.2.5 制备工艺 250 
16.2.6 主要应用 251 
参考文献 252 

第四篇 复合材料 
17 复合材料及增强体制备 254 
17.1 复合材料及其效应 254 
17.1.1 复合材料概述 254 
17.1.2 复合效应 255 
17.1.3 界面效应 256 
17.2 增强体制备 256 
17.2.1 纤维 256 
17.2.2 颗粒 261 
17.2.3 晶须 263 
17.2.4 微珠 265 
17.2.5 其他增强体 265 
参考文献 266 

18 聚合物基复合材料制备 267 
18.1 概述 267 
18.1.1 定义和分类 267 
18.1.2 性能特点 267 
18.1.3 聚合物基体和增强体 267 
18.1.4 工艺特点 268 
18.2 热塑性聚合物基复合材料制备 268 
18.2.1 热塑性聚合物基复合材料的特性 268 
18.2.2 短纤维增强热塑性聚合物基复合材料制备 269 
18.2.3 长纤维增强热塑性聚合物基复合材料制备 270 
18.3 热固性聚合物基复合材料制备 272 
18.3.1 手糊成型 273 
18.3.2 模压成型 274 
18.3.3 层压成型 276 
18.3.4 缠绕成型 277 
18.3.5 树脂传递成型 277 
参考文献 278 

19 金属基复合材料制备 279 
19.1 概述 279 
19.1.1 定义与特性 279 
19.1.2 分类 279 
19.2 金属基复合材料制备 280 
19.2.1 固态法 280 
19.2.2 液态法 281 
19.2.3 其他制备方法 283 
19.3 金属基复合材料加工 286 
19.3.1 半固态铸造成型 286 
19.3.2 塑性加工 287 
19.3.3 连接 287 
19.3.4 机械加工 288 
参考文献 288 

20 陶瓷基复合材料制备 290 
20.1 概述 290 
20.1.1 定义与分类 290 
20.1.2 性能与应用 290 
20.2 陶瓷基复合材料增韧机理 290 
20.2.1 纤维增韧 291 
20.2.2 晶须增韧 291 
20.2.3 相变增韧 291 
20.2.4 颗粒增韧 292 
20.3 陶瓷基复合材料制备 292 
20.3.1 纤维增强陶瓷基复合材料制备 292 
20.3.2 颗粒增强陶瓷基复合材料制备 293 
20.3.3 晶须增强陶瓷基复合材料制备 294 
20.4 陶瓷基复合材料制备新工艺 294 
20.4.1 化学气相沉积法 294 
20.4.2 化学气相渗透法 295 
20.4.3 定向凝固法 295 
参考文献 295 

第五篇 材料表面改性及材料防腐蚀 
21 材料表面改性 298 
21.1 概述 298 
21.1.1 表面改性目的 298 
21.1.2 表面改性手段与作用 298 
21.2 表面形变强化 298 
21.2.1 强化原理 298 
21.2.2 喷丸强化 299 
21.2.3 滚压强化 300 
21.2.4 内挤压强化 301 
21.3 表面相变强化 301 
21.3.1 感应加热表面淬火 301 
21.3.2 火焰加热表面淬火 302 
21.3.3 激光表面淬火 303 
21.4 高能束表面改性 303 
21.4.1 激光束表面改性 303 
21.4.2 电子束表面改性 304 
21.4.3 离子注入表面改性 305 
21.5 表面化学热处理 306 
21.5.1 工艺流程 306 
21.5.2 渗碳 306 
21.5.3 渗氮 308 
21.6 表面电镀和化学镀 309 
21.6.1 电镀 309 
21.6.2 化学镀 310 
21.7 表面气相沉积 311 
21.7.1 物理气相沉积 311 
21.7.2 化学气相沉积 311 
21.8 表面电火花沉积 312 
参考文献 312 

22 材料腐蚀与防护 314 
22.1 概述 314 
22.1.1 表面破坏与防护 314 
22.1.2 材料腐蚀 314 
22.1.3 腐蚀分类 315 
22.2 金属的腐蚀与防护 316 
22.2.1 金属的全面腐蚀和局部腐蚀 316 
22.2.2 金属在自然环境中的腐蚀与防护 319 
22.2.3 金属在典型工业环境中的腐蚀与防护 321 
22.2.4 金属防护技术 322 
22.3 非金属的腐蚀与防护 325 
22.3.1 硅酸盐类材料的腐蚀与防护 325 
22.3.2 木质材料的腐蚀与防护 328 
22.3.3 有机高分子的腐蚀与防护 328 
参考文献 330 

第六篇 特种材料制备及3D 打印技术 
23 纳米粉体制备 332 
23.1 概述 332 
23.1.1 定义与性质 332 
23.1.2 分类 332 
23.2 物理法 333 
23.2.1 机械法 333 
23.2.2 物理气相沉积法 333 
23.3 化学法 334 
23.3.1 气相法 334 
23.3.2 液相沉淀法 334 
23.3.3 溶胶-凝胶法 335 
23.3.4 水热法 337 
2