无机材料科学基础（韩兵强）

材料科学主要是研究材料组成与结构、合成与制备、性能以及使用效能四者之间相互关系和变化规律的一门应用基础学科。无机非金属材料是材料学的重要组成部分，它不仅是人类认识和应用早的材料，而且具有一些金属材料和高分子材料所无法比拟的优异性能，在现代科学技术和国民经济中占有越来越重要的地位。传统的无机非金属材料主要以陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等硅酸盐材料为主，是工业和基本建设所必需的基础材料。 “无机材料科学基础”是介绍无机非金属材料的形成规律、微观结构和性能以及它们之间相互关系的一门重要基础理论课程。

本书主要涉及无机材料的形成规律和微观结构等相关内容，主要包括无机晶体的结构与缺陷，非晶态固体，材料表面与界面，无机材料热力学以及无机材料制备过程中的物质传递、相平衡、相与相之间的转变、固体与固体反应形成新的固体和粉末的烧结等。在编写过程中，编者注重用基础理论来阐明无机材料形成过程的本质，从无机材料的内部结构解释其性质与行为，揭示无机材料结构与性能的内在联系与变化关系，并从基本理论出发，指导无机材料的生产及科研，解决无机材料制备与使用过程中的实际问题，从而为认识和改进无机材料的性能以及设计、生产、研究、开发新型无机材料提供的科学基础。在编写过程中还注重吸收国内外的成果。

本书可作为高等院校材料科学与工程专业或无机非金属材料工程专业学生系统学习无机非金属材料学科相关基础知识的教材或教学参考书，也可供无机非金属材料科技工作者，特别是从事耐火材料生产与研究的人员参考。 

本书由武汉科技大学无机非金属材料工程系的几位教师编写。全书共11章，第1～3章由韩兵强编写；第4～6章由李淑静编写；第7章由梁永和与聂建华编写；第8～11章由聂建华编写。全书由韩兵强负责统稿。

本书在编写过程中得到各方面同志的大力支持，他们提出许多宝贵意见并提供了有关资料，特在此表示衷心感谢。

由于编者水平所限，书中难免存在疏漏，敬请读者指正。

编者

2022年1月

“无机材料科学基础 ”是无机非金属材料工程课程体系中重要的学科基础课程。本书涉及无机非金属材料科学与工程的重要基础理论知识，系统研究无机非金属材料的组成、结构、形态与基本物理化学性能之间的关系。 本书共 11章：晶体几何基础、晶体化学基础及理想晶体结构、晶体结构缺陷、熔体和非晶态固体、固体表面与界面、热力学应用、相平衡状态图、扩散、固相反应、相变和烧结。 本书可作为高等院校无机非金属材料工程专业本科生的教材，也可作为材料科学与工程、材料学、矿物材料及相关专业本科生和研究生的教学用书和参考书，也适合相关科研工作者参考。

“无机材料科学基础 ”是无机非金属材料工程课程体系中重要的学科基础课程。本书涉及无机非金属材料科学与工程的重要基础理论知识，系统研究无机非金属材料的组成、结构、形态与基本物理化学性能之间的关系。 本书共 11章：晶体几何基础、晶体化学基础及理想晶体结构、晶体结构缺陷、熔体和非晶态固体、固体表面与界面、热力学应用、相平衡状态图、扩散、固相反应、相变和烧结。 本书可作为高等院校无机非金属材料工程专业本科生的教材，也可作为材料科学与工程、材料学、矿物材料及相关专业本科生和研究生的教学用书和参考书，也适合相关科研工作者参考。

韩兵强，武汉科技大学，系主任、教授，主要从事无机非金属专业教学、科研工作，多年来承担了《无机材料科学基础》《无机材料工艺学》《耐火材料新技术》《无机材料热力学》等课程的教学工作。科研方面主要研究方向为冶炼新技术用耐火材料、耐火材料的资源化再利用等。先后获得省部级科技进步一等奖三项、自然科学二等奖一项，三等奖二项。发表论文五十余篇，做为主要作者出版各类专著6部。

第1章 晶体几何基础 1

1.1 晶体的定义 1

1.1.1 晶体内部结构的周期性 1

1.1.2 晶体结构与空间点阵 2

1.1.3 晶体的特性 4

1.2 晶体的宏观对称性 5

1.2.1 对称概念 5

1.2.2 晶体的对称性 5

1.2.3 宏观对称要素和对称操作 6

1.3 晶体的 32 种点群及分类 9

1.3.1 对称要素组合定理 9

1.3.2 点群 10

1.3.3 国际符号的书写法则 11

1.4 晶体的定向和点阵元素表示方法 12

1.4.1 晶体定向 12

1.4.2 结点表示方法 13

1.4.3 晶向（晶棱）表示方法 14

1.4.4 晶面表示方法 14

1.4.5 晶面指数和晶向指数的关系 16

1.5 晶体构造的几何规律 16

1.5.1 14 种布拉维格子 17

1.5.2 晶胞 20

1.6 晶体内部构造的对称要素 20

1.6.1 微观对称要素 20

1.6.2 空间群 21

1.6.3 空间群的国际符号 24

本章小结 24

思考题与习题 25

第2章 晶体化学基础及理想晶体结构 26

2.1 晶体化学基本原理 26

2.1.1 紧密堆积原理 26

2.1.2 配位数和配位多面体 29

2.1.3 离子半径 30

2.1.4 离子极化 32

2.2 鲍林规则 33

2.2.1 规则（负离子配位多面体规则） 33

2.2.2 第二规则（电价规则、静电键规则） 34

2.2.3 第三规则（负离子配位多面体共顶、共棱和共面规则） 34

2.2.4 第四规则（不同种类正离子配位多面体间连接规则） 35

2.2.5 第五规则（节约规则） 35

2.3 常见离子晶体 36

2.3.1 AB 型结构 36

2.3.2 AB2 型结构 39

2.3.3 A2B3 型结构 41

2.3.4 ABO3 型结构 41

2.3.5 AB2O4 型结构 43

2.4 硅酸盐晶体 45

2.4.1 硅酸盐晶体的一般特点及分类 45

2.4.2 岛状结构硅酸盐 46

2.4.3 组群状结构硅酸盐 49

2.4.4 链状结构硅酸盐 50

2.4.5 层状结构硅酸盐 52

2.4.6 架状结构硅酸盐 56

2.5 其他常见非氧化物晶体 60

2.6 常见铝酸盐晶体 60

本章小结 62

思考题与习题 63

第3章 晶体结构缺陷 65

3.1 点缺陷 65

3.2 固溶体 68

3.2.1 固溶体的概念和分类 68

3.2.2 置换固溶体 69

3.2.3 间隙固溶体 70

3.2.4 固溶体的研究意义 70

3.2.5 缺陷符号及缺陷反应方程式写法 71

3.2.6 固溶体类型的实验判别 74

3.3 非化学计量化合物 76

3.3.1 负离子空位型（n 型） 76

3.3.2 正离子间隙型（n 型） 77

3.3.3 负离子间隙型（p 型） 78

3.3.4 正离子空位型（p 型） 78

3.4 线缺陷 79

3.4.1 刃型位错 79

3.4.2 螺型位错 80

3.4.3 混合位错 81

3.4.4 伯格斯矢量 81

3.4.5 位错的运动 82

3.4.6 位错的连续性及位错密度 83

3.5 面缺陷 84

3.5.1 外表面 84

3.5.2 晶界和亚晶界 84

3.5.3 晶界的特性 85

本章小结 86

思考题与习题 87

第4章 熔体和非晶态固体 88

4.1 熔体的结构 88

4.1.1 对熔体的一般认识 88

4.1.2 熔体聚合物结构理论 89

4.2 熔体的性质 91

4.2.1 黏度 92

4.2.2 表面张力 96

4.3 玻璃的形成 97

4.3.1 玻璃的通性 98

4.3.2 玻璃形成的方法 99

4.3.3 玻璃形成的热力学条件 100

4.3.4 玻璃形成的动力学条件 100

4.3.5 玻璃形成的结晶化学条件 103

4.4 玻璃的结构 106

4.4.1 无规则网络模型 107

4.4.2 晶子结构模型 108

4.4.3 无规密堆积模型 110

4.4.4 拓扑无序模型 110

4.5 典型的玻璃类型 110

4.5.1 硅酸盐玻璃 110

4.5.2 硼酸盐玻璃 113

4.5.3 其他非氧化物玻璃 114

本章小结 115

思考题与习题 115

第5章 固体表面与界面 117

5.1 固体表面特征及其结构 117

5.1.1 固体的表面特征 117

5.1.2 表面力场 118

5.1.3 表面自由能和表面张力 119

5.1.4 固体表面结构 121

5.2 晶态固体界面及其结构 125

5.2.1 陶瓷晶界的结构特征 125

5.2.2 多晶组织 126

5.2.3 晶界应力 128

5.3 界面行为 129

5.3.1 弯曲表面效应 130

5.3.2 润湿与黏附 133

5.3.3 吸附与表面改性 136

5.4 黏土-水系统胶体化学 137

5.4.1 黏土的荷电性 137

5.4.2 黏土的离子吸附与交换 139

5.4.3 黏土胶体的电动性质 142

5.4.4 黏土-水系的胶体性质 145

5.4.5 瘠性料的悬浮与塑化 153

本章小结 155

思考题与习题 156

第6章 热力学应用 157

第7章 相平衡状态图 158

7.1 相平衡概述及其研究方法 158

7.1.1 热力学平衡态与非平衡态 159

7.1.2 基本概念 159

7.1.3 相平衡的研究方法 161

7.2 单元系统 164

7.2.1 水型物质与硫型物质 164

7.2.2 具有同质多晶转变的单元系统相图 165

7.2.3 SiO2 系统 165

7.2.4 ZrO2 系统 167

7.3 二元系统 168

7.3.1 二元凝聚系统相图的基本类型 168

7.3.2 二元系统相图的举例 176

7.4 三元系统 181

7.4.1 三元相图一般原理 181

7.4.2 浓度三角形的几个基本规则 182

7.4.3 三元相图的基本类型和基本规律 187

7.4.4 实际三元相图及其应用 205

7.5 三元交互系统 219

本章小结 219

思考题与习题 219

第8章 扩散 222

8.1 固体中的扩散特点 222

8.2 扩散的宏观动力学方程 223

8.2.1 菲克定律 223

8.2.2 菲克第二定律 224

8.3 扩散的热力学理论（扩散的推动力）225

8.4 扩散的布朗运动理论 227

8.5 扩散机构与扩散系数 229

8.5.1 固体扩散的机构 229

8.5.2 扩散系数与扩散机构的关系 230

8.5.3 扩散系数的测定 233

8.5.4 扩散过程术语和概念 234

8.6 影响扩散的因素 235

8.6.1 温度 235

8.6.2 杂质 236

8.6.3 气氛 236

8.6.4 固溶体类型 237

8.6.5 扩散物质性质与结构的影响 237

8.6.6 结构缺陷对扩散的影响 238

本章小结 240

思考题与习题 240

第9章 固相反应 242

9.1 固相反应的定义、分类与特点 242

9.1.1 固相反应的定义及研究对象 242

9.1.2 固相反应的分类 243

9.1.3 固相反应的特点 244

9.1.4 固相反应的热力学 246

9.2 固相反应机理 247

9.2.1 界面上的化学反应机理 248

9.2.2 相界面上反应和离子扩散的关系 249

9.2.3 中间产物和连续反应 250

9.3 固相反应动力学 251

9.3.1 固相反应一般动力学关系 251

9.3.2 化学动力学范围 253

9.3.3 扩散动力学范围 256

9.3.4 通过流体相传输的固相反应和动力学方程 262

9.3.5 过渡范围 265

9.4 固相反应应用 267

9.4.1 高岭土的莫来石化过程 267

9.4.2 高岭土的脱水反应 267

9.5 影响固相反应的因素 269

9.5.1 反应物化学组成与结构的影响 269

9.5.2 反应物颗粒尺寸及分布的影响 269

9.5.3 反应温度、压力与气氛的影响 270

9.5.4 矿化剂及其他影响因素 271

本章小结 272

思考题与习题 272

第10章 相变 273

10.1 相变的分类 273

10.1.1 按热力学分类 274

10.1.2 按相变方式分类 275

10.1.3 按质点迁移特征分类 275

10.2 液-固相变过程 276

10.2.1 液-固相变过程热力学 276

10.2.2 液-固相变过程动力学 279

10.3 液-液相变过程 287

10.3.1 液相的不混溶性（玻璃的分相） 288

10.3.2 分相本质 290

10.3.3 分相范围 291

10.3.4 分相机理 291

10.3.5 分相对玻璃性质的影响 291

10.4 固-固相变过程 292

10.4.1 固-固相变的形核过程 292

10.4.2 同质多晶转变 294

10.4.3 有序-无序转变 294

10.4.4 马氏体相变 295

10.4.5 铁电相变 296

10.4.6 多晶转变动力学过程示例 297

10.5 气-固（液）相变过程 299

10.5.1 凝聚和蒸发平衡 299

10.5.2 蒸发 300

10.5.3 凝聚 300

10.5.4 物理气相沉积技术 301

10.5.5 化学气相沉积技术 301

本章小结 301

思考题与习题 302

第11章 烧结 303

11.1 烧结概述 304

11.1.1 烧结的定义及研究对象 304

11.1.2 烧结理论的研究与发展 304

11.1.3 烧结分类 305

11.1.4 与烧结相关的一些概念 306

11.1.5 烧结模型 307

11.2 烧结过程、烧结过程热力学和烧结机理 308

11.2.1 烧结过程 308

11.2.2 烧结过程的热力学 310

11.2.3 烧结传质过程 314

11.3 固相烧结机理 318

11.3.1 蒸发-凝聚传质 318

11.3.2 扩散传质 320

11.4 液相烧结机理 326

11.4.1 液相烧结特点 326

11.4.2 流动传质机理 327

11.4.3 溶解-沉淀传质机理 329

11.4.4 各种传质机理分析比较 331

11.5 烧结过程中的晶粒长大和二次再结晶 332

11.5.1 初次再结晶 332

11.5.2 晶粒长大 333

11.5.3 二次再结晶 337

11.5.4 晶界在烧结中的作用 338

11.6 强化烧结 339

11.6.1 缺陷强化烧结 339

11.6.2 液相强化烧结 342

11.6.3 压力强化烧结 343

11.6.4 特殊烧结技术 345

11.7 烧结过程中的计算机模拟理论与实践 347

11.7.1 计算机模拟技术 347

11.7.2 烧结过程的计算机模拟 348

11.8 影响烧结的因素 349

11.8.1 原始粉料的粒度 349

11.8.2 外加剂的作用 349

11.8.3 烧结温度和保温时间 350

11.8.4 盐类的选择和煅烧条件 351

11.8.5 气氛的影响 351

11.8.6 压力的影响 352

本章小结 353

思考题与习题 353

附 录 355

附录 1 基本物理常数和单位换算 355

附录 2 热容 355

附录 3 一些物质的熔点、熔化热、沸点、蒸发热 358

附录 4 一些单质和化合物的标准生成焓、标准生成吉布斯自由能与标准熵值（101.325kPa、298K） 361

附录 5 一些化合物的标准生成吉布斯自由能与 T 的关系 365

附录 6 由氧化物生成复合氧化物的标准吉布斯自由能与 T 的关系 368

参考文献 371

“无机材料科学基础 ”是无机非金属材料工程课程体系中重要的学科基础课程。本书涉及无机非金属材料科学与工程的重要基础理论知识，系统研究无机非金属材料的组成、结构、形态与基本物理化学性能之间的关系。 本书共 11章：晶体几何基础、晶体化学基