材料化学9787122432513

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。

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

1.1材料与化学

物质是否就是材料？这个问题看似钻牛角尖，但对于材料类专业的学生很有必要弄清楚。物质是客观存在的，自然界的所有一切都是由物质构成的。而材料是由原材料中取得的，为生产半成品、工件、部件和成品的初始物料，如金属、石材、木材、皮革、塑料、天然纤维和化学纤维等。显然，材料是物质，是具有了特定意义的物质，即可为社会接受而又能经济地制造有用器件的物质叫材料。

在很多情况下，同一种物质可成为有多种用途的材料。以碳（C)元素为例，具有层状结构的石墨，质软润滑可作为润滑材料使用，良好的导电性和高熔点又可用作高温(2000℃)发热体；将石墨在高温、高压下处理可转变为金刚石，成分不变但性质与石墨完全不同。金刚石是目前报道的硬度最大的材料之一，可用作优质耐磨材料，同时也是优良的绝缘材料。这种从微观上研究材料的组成、结构和性质以及相互转变的科学即为材料化学。

事实上，材料化学的发展与材料的制备、加工和利用密不可分。如今“材料化学”作为材料和化学领域的重要研究方向，已成为一门以材料为研究对象和研究目的的科学。材料化学的学科内涵是运用化学原理、方法和技术，在原子、分子及聚集态尺度上研究材料的组成、结构、制备、表征、性能及应用，具有明显的交叉学科性质。该学科为发展变革性和战略性材料体系奠定科学基础，是信息、能源、医学、环境、制造和国防等领域中至关重要的先导学科。

……

《材料化学》是教育部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。