【现货速发】无机材料科学基础 第2版

第二版前言

《无机材料科学基础》（版）作为普通高等教育“十一五”规划教材，自2006年出版以来以其适用性、科学性广受使用者欢迎，已多次重印。鉴于十余年来无机材料科学技术领域发展迅速，以及教材使用过程中发现的一些问题，有必要对版内容进行全面的修订和完善。

《无机材料科学基础》（第二版）除修正了版中出现的错误外，主要在三个方面做了较大修改：，充实拓宽了一些新的内容；第二，适当补充加深了一些学科基础理论。新的修改既可以使教材更好地吸收当代无机材料科学技术发展过程中积累的新理论、新知识、新概念，体现无机材料科学知识的前沿性、先进性和教材内容的现代化、体系化，也能够更好地满足不同类别、不同层次教材使用者（教师、学生及实际研究技术人员等）对无机材料科学基础知识和基本理论及其技术发展的需求；第三，建设了与纸质教材配套的数字资源，其中，慕课可登陆学银在线平台搜索“无机材料科学基础”观看学习，电子课件可登陆化学工业出版社教学资源网（www.cipedu.com.cn）下载使用。

《无机材料科学基础》（第二版）仍然保留了版的篇章架构。全书分为无机材料概论、晶体结构、晶体结构缺陷、非晶态结构与性质、固体表面与界面、相平衡和相图、固体中的扩散、固相反应、相变过程、烧结过程、无机材料的环境效应共11章内容。其中对部分章节做了补充和拓展，具体修改内容如下。

(1)第2章增加了新的内容2.6节“晶体场理论和配位场理论”，包括晶体场理论的基本概念、d轨道能级的晶体场分裂、晶体场稳定化能和过渡元素离子的电子构型、八面体择位能、姜-泰勒效应、过渡元素离子有效半径的晶体场效应、配位场理论的基本概念。

(2)第3章增加了部分新内容，包括3.5.4位错的弹性应变能、3.5.5位错的运动、3.6.3堆积层错、3.6.4孪晶界、3.6.5相界、3.6.6晶界特性。

(3)第5章也增加了部分内容，包括5.2.6陶瓷晶界结构、5.2.7陶瓷晶界特征。

(4)第6章增加了新的内容6.5节“四元系统”，包括四元系统组成的表示方法、浓度四面体的性质、具有一个低共熔点的四元系统相图、生成化合物的四元系统相图、专业四元系统相图举例。

(5)第8章增加的内容体现在8.4.1插层反应对晶体结构的要求、8.4.2插层复合法制备有机-无机纳米复合材料。

(6)第9章增加的内容主要是9.3.4分相对玻璃性质的影响，以及两节新的内容“9.4马氏体相变”，包括马氏体相变特征、无机材料中的马氏体相变，和“9.5有序-无序转变”。

(7)第10章增加新的内容10.6节“特种烧结”，包括热压烧结、热等静压烧结、无包套热等静压烧结、反应烧结、电火花烧结。

为了帮助学生进一步理顺知识结构，深化基础理论，强化学习效果，增强将理论知识转化为解决实际应用的能力，也为了便于部分使用者自学和考研复习，作者还专门同步出版了与本书配套的教学辅助教材《无机材料科学基础辅导与习题集》。

《无机材料科学基础辅导与习题集》的篇章编排与本书完全一致，每一章统一分为基本要求、重点内容、重要概念、例题精解、同步练习5个部分，并依章节给出了全部同步练习题的习题解答和参考答案，同时还提供了《无机材料科学基础》(第二版)相关的重要名词术语及解释，以方便教师教学和学生自我练习。《无机材料科学基础》（第二版）因此删除了版中例题解析的相关内容。

本书可作为各层次高等院校无机非金属材料各专业本科生、专科生的专业基础课程教材或教学参考资料，以及材料科学与工程、材料学、矿物材料及相关专业本科生和研究生的课外学习参考用书，亦可供科研院所、工矿企业、公司等从事材料、无机材料、矿物材料及相关领域工作的广大科研人员、工程技术人员、管理人员及企业家们阅读参考。

本书由中南大学宋晓岚和武汉理工大学黄学辉两位教授主编。具体编写分工为：宋晓岚教授编写第1章，第2章2.2、2.3、2.6，第3章3.2、3.5、3.6，第4章，第5章，第6章，第7章7.2、7.4、7.5，第9章9.4、9.5，第10章10.6、10.7；黄学辉教授编写第2章2.1、2.4、2.5，第3章3.1、3.3、3.4，第7章7.1、7.3，第8章，第9章9.1、9.2、9.3，第10章10.1、10.2、10.3、10.4、10.5；长沙理工大学叶昌教授编写第11章。全书由宋晓岚教授负责统稿。

中南大学金胜明教授和北京化工大学屈一新教授审阅了本书书稿，并提出了许多宝贵意见；本书的编著获得了中南大学精品教材建设项目资助；本书的出版得到了化学工业出版社的大力支持与协作。作者在此一并表示衷心感谢！同时，对书中所引用文献资料的中外作者致以诚挚的谢意！

尽管作者在修订过程中始终精益求精，但书中不妥之处恐难完全避免。恳请广大读者继续提出批评意见。

作者

2019年5月于长沙岳麓山下

版前言

能源、信息和材料是现代国民经济的三大支柱，但能源和信息的发展在很大程度上却是依赖于材料的进步。材料的品种、产量和质量标志着一个国家的现代化水平。因此可以说，没有先进的材料，就没有先进的工业、农业和科学技术。

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。由于各自分子或原子键合方式不同，金属材料、有机高分子材料和无机非金属材料(简称为无机材料)三大材料既有相同的基础理论，也有各自独特的结构组织以及与性质之间的关系及变化规律。无机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，在现代科学技术中占有越来越重要的地位。传统的无机材料主要以陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等硅酸盐材料为主，是工业生产和基本建设所必需的基础材料，其重要的学科基础理论课程为《硅酸盐物理化学》，它是在物理化学原理的基础上，总结了硅酸盐工业生产的共性规律而形成，课程内容着重于阐明硅酸盐材料组成、结构、性质三者之间的相互关系及其在生产过程中物理化学变化的基本规律。随着现代高科技的发展，现已在传统硅酸盐材料基础上开发出许多具有特殊性能的高温高强、电子、光学以及激光、铁电、压电等新型无机材料，所涉及的化合物远远超出硅酸盐范畴，而是整个无机非金属体系，包括含氧酸盐、氧化物、氮化物、碳与碳化物、硼化物、氟化物、硫系化合物等。其基础理论，除了物理化学外，结构化学和固体物理中的基本理论也日益渗透交叉。近二十年来，由于电子工业、空间科学、计算机技术、核技术、激光技术、高能电池、太阳能利用等领域的迅速发展，对无机材料性能提出了各种新的要求，并促进了对无机材料的进一步研究，推动了无机材料基础理论的拓展深化，为人们对无机材料的微观结构与宏观表现关系的认识起到巨大的作用。正是由于无机新材料的不断涌现，新技术和新工艺的不断发展，以及新材料、新技术对无机材料理论的迫切要求和推动作用，才使得无机材料学科得到空前发展，同时也促进无机材料的基础理论在深度和广度上发生前所未有的变化，从而经历由20世纪80年代的《硅酸盐物理化学》到20世纪90年代的《无机材料物理化学》，直至形成当前新形势下的《无机材料科学基础》。

《无机材料科学基础》是无机材料科学和工程的重要理论基础，其内容定位于将材料学的各种基础理论，包括结晶学、晶体化学、缺陷化学、熔体化学、非晶态科学、表面与界面化学、材料热力学和动力学中的基本知识，具体应用到实际无机材料领域，包括新型无机材料以及传统硅酸盐材料的制备—形成（工艺）条件—结构—性能—用途五要素之间的相互关系及制约规律，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。

《无机材料科学基础》是高等院校无机材料学科课程体系中重要的主干课程，也是学生较先接触的必修学科基础课和硕士研究生入学考试课程，其教材内容和质量对学生的知识结构、后续专业课的学习及学习兴趣的培养等都有着重要的影响，对培养学生科学的思维方法和创新能力以及运用基础理论解决实际问题的能力，构建无机材料科学研究和工程技术人员的专业知识体系具有主导和奠基作用，在无机材料专业教材建设中都占有特别重要的地位。本书作为中南大学新世纪本科教育教学改革立项的重点资助项目，是作者在课程改革与建设研究中，结合多年的教学实践经验，根据当前无机材料学科的发展和无机材料创新人才培养的需要编著而成。本书共11章，内容包括无机材料概论、晶体结构、晶体结构缺陷、非晶态结构与性质、固体表面与界面、相平衡和相图、固体中的扩散、固相反应、相变过程、烧结过程、无机材料的环境效应。

本书编写的宗旨：一方面，从材料共性的科学原理和方法来阐述无机材料结构（包括电子结构、空间质点排列、显微结构和相结构等结构层次）、性质和性能相互关系，以及静态、动态条件下解决无机材料制备和加工等相关工程问题的科学基础；另一方面，强调在建立无机材料领域科学基础的同时，通过科学思维方法的训练，达到提高运用科学原理解决实际问题的能力。本书在内容的精选和组织上，既注重无机材料研究与开发的基础研发过程，又重视无机材料加工和使用过程中的性能变化及环境行为效应，以调控无机材料开发—使用—消亡的整个循环过程。

本书的特点表现在以下几个方面。

① 较全面地涵盖无机材料科学和工程的基础理论。无机材料的发展与无机材料理论密切相关，如果说早期传统硅酸盐材料的制备或生产主要依靠经验和手艺，那么当代新型无机材料的研究和开发则必然更多地依赖理论指导。

② 注重科学原理，强化工程意识。以无机材料制备加工过程中的基本原理和共性规律为主，兼顾无机材料应用过程中的环境行为效应，使科学和工程融为一体。

③ 突出认识论的规律性。遵循从理想到实际、从规则到不规则、从静态到动态、从宏观到微观再到宏观的原则，循序渐进地介绍无机材料的组成、制备、结构、性能的依从性。

④ 强调思维方法和分析能力的培养。在阐述基础理论时，通过问题提出、例题解析、讨论提示的方式，突出科学的创新性思维方法的培养；每章末尾附有与实际结合紧密的思考题和习题，以加深对基本概念的理解和应用，提高分析解决实际问题的能力。

⑤ 选材组织与结构编排上突出新颖性、易读性和普适性。注重新概论、新理论、新工艺、新材料以及不同学科知识的融合交叉，内容丰富，结构新颖，深广度适中，力求既能反映无机材料学科当代发展水平，又能适应专业基础课程教学。

本书可作为高等院校无机非金属材料各专业本科生的专业基础课程教材，亦可用作材料科学与工程、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，并可供科研院所、厂矿企业、公司等从事材料、无机材料、矿物材料及相关领域工作的广大科研人员、工程技术人员、管理人员及企业家们的阅读参考。

本书由中南大学宋晓岚和武汉理工大学黄学辉两位教授主编，其中宋晓岚编写第1章，第2章2.2、2.3，第3章3.2、3.5、3.6，第4章，第5章，第6章，第7章7.2、7.4、7.5，黄学辉编写第2章2.1、2.4、2.5，第3章3.1、3.3、3.4，第7章7.1、7.3，第8章，第9章，第10章；长沙理工大学叶昌教授编写了第11章。全书由宋晓岚负责统稿及例题、习题的择选。

中南大学梁叔全教授和武汉理工大学余海湖教授审阅了本书书稿，并提出了许多宝贵的意见；本书的出版得到了化学工业出版社的大力支持与协作，作者在此一并表示衷心的感谢！同时，对书中所引用文献资料的中外作者致以诚挚的谢意！

鉴于作者水平所限，书中不妥之处在所难免，恳请广大读者批评指正。

作者

2005年7月

“无机材料科学基础”是无机材料学科课程体系中重要的主干课程和必修的学科基础课程。本书系统论述了无机材料科学与工程的重要基础理论及其应用，全书包括11章内容：无机材料概论、晶体结构、晶体结构缺陷、非晶态结构与性质、固体表面与界面、相平衡和相图、固体中的扩散、固相反应、相变过程、烧结过程、无机材料的环境效应。

本书在概述无机材料的分类与特点、阐明无机材料学科内涵及其结构-性能-工艺与环境之间的关系、分析无机材料的地位与作用、提出无机材料的选择原则、综述无机材料的研究现状与发展趋势以初步建立起对无机材料感性认识的基础上，以无机材料组成-结构-性能-应用关系为主线，从结晶学和晶体化学基本原理出发，系统介绍了理想晶体、实际晶体、非晶态、表面及界面的结构、性能及其控制；以固体热力学理论为基础，详细论述了凝聚单元到多元系统相图的基础知识、基本类型、基本规律、分析方法和实际相图在无机材料研究和生产方面的应用；由固体动力学理论，着重阐述了无机材料制备中物理化学变化过程，包括：固体中质点扩散，固相反应，相变，烧结的本质、机理、过程动力学以及影响因素；从固体在环境介质中的腐蚀和载荷作用下疲劳的角度，分析讨论了无机材料使用过程中的环境效应。

本书可作为高等院校无机非金属材料各专业本科生的专业基础课程教材，亦可用作材料科学与工程、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，并可供科研院所、厂矿企业、公司等从事材料、无机材料、矿物材料及相关领域工作的广大科研人员、工程技术人员、管理人员及企业家们阅读参考。

“无机材料科学基础”是无机材料学科课程体系中重要的主干课程和必修的学科基础课程。本书系统论述了无机材料科学与工程的重要基础理论及其应用，全书包括11章内容：无机材料概论、晶体结构、晶体结构缺陷、非晶态结构与性质、固体表面与界面、相平衡和相图、固体中的扩散、固相反应、相变过程、烧结过程、无机材料的环境效应。

本书在概述无机材料的分类与特点、阐明无机材料学科内涵及其结构-性能-工艺与环境之间的关系、分析无机材料的地位与作用、提出无机材料的选择原则、综述无机材料的研究现状与发展趋势以初步建立起对无机材料感性认识的基础上，以无机材料组成-结构-性能-应用关系为主线，从结晶学和晶体化学基本原理出发，系统介绍了理想晶体、实际晶体、非晶态、表面及界面的结构、性能及其控制；以固体热力学理论为基础，详细论述了凝聚单元到多元系统相图的基础知识、基本类型、基本规律、分析方法和实际相图在无机材料研究和生产方面的应用；由固体动力学理论，着重阐述了无机材料制备中物理化学变化过程，包括：固体中质点扩散，固相反应，相变，烧结的本质、机理、过程动力学以及影响因素；从固体在环境介质中的腐蚀和载荷作用下疲劳的角度，分析讨论了无机材料使用过程中的环境效应。

本书可作为高等院校无机非金属材料各专业本科生的专业基础课程教材，亦可用作材料科学与工程、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，并可供科研院所、厂矿企业、公司等从事材料、无机材料、矿物材料及相关领域工作的广大科研人员、工程技术人员、管理人员及企业家们阅读参考。

宋晓岚，中南大学资源加工与生物工程学院，教授，博士生导师，副院长，教指委委员

  *高校青年骨干教师、*材料类教指委无机非金属材料分委员会委员、*材料类专业工程教育认证专家组长、中国化工学会无机酸碱盐专业委员会学术带头人、长沙市色谱学会理事长。

  自1987年以来一直从事无机非金属材料教学和科研工作。主讲“无机材料科学基础”“无机材料工艺学”“无机材料物理性能”“纳米材料”和“硅酸盐工厂设计及CAD技术”等本科生课程，“固体材料化学”“材料合成与制备”“微电子材料及加工”和“非晶态材料”等研究生课程。作为课程负责人的“无机材料科学基础”为国家精品课程和国家资源共享精品课程。

  

  主编出版教材和参编著作22部，包括《无机材料科学基础》《无机材料工艺学》《无机材料工厂工艺设计概论》《无机材料专业实验》《新型无机材料》《材料科学基础》《矿物材料加工学》等，其中《无机材料科学基础》为“十一五”国家规划教材，获湖南省优 秀教材奖。承担*及湖南省教研教改项目11项，以第 一作者或通讯作者在《高等工程教育》《理工高教》《创新创业教育》等刊物上发表教改论文17篇，获湖南省教学成果一等奖3项，其中“无机非金属材料专业创新人才培养教学体系整体优化与实践”项目获2010年湖南省教学成果一等奖，排名第 一。

  主要研究方向为高性能无机功能材料、纳米组装与分散、纳米晶粒生长动力学、材料电化学、化学机械抛光、矿物材料及复合材料等。主持或参与国家863、国家军工配套、国家自然科学基金、科技部国际科技合作重点项目、国家计委、*高校青年骨干教师基金、湖南省自然科学基金，湖南省国土资源厅科技开发、广东省省重点科技攻关、湖南省高校青年骨干教师基金等国家和省部级30余项科研课题。以第 一作者或通讯作者在国内外重要学术期刊和国际会议上发表学术论文110篇，其中SCI、EI和ISTP收录86篇，获中国硅酸盐学会建筑材料科学技术奖二等奖2项，湖南省科学技术奖三等奖1项，授权国家发明专利6项。

1无机材料概论

1.1无机材料的分类/ 001

1.1.1传统无机材料/ 001

1.1.2新型无机材料/ 002

1.2无机材料的特点/ 004

1.3无机材料组成、结构、性能、工艺及其与环境的关系/ 005

1.3.1无机材料学科内涵/ 005

1.3.2无机材料结构-性能-工艺之间的关系/ 006

1.3.3无机材料的环境效应/ 009

1.4无机材料的选用原则/ 010

1.5无机材料的地位与作用/ 011

1.6无机材料的研究与发展/ 014

本章小结/ 017

2晶体结构

2.1结晶学基础/ 018

2.1.1空间点阵/ 018

2.1.2结晶学指数/ 020

2.1.3晶向与晶面的关系及晶带轴定理/ 023

2.2晶体化学基本原理/ 023

2.2.1晶体中质点间的结合力与结合能/ 023

2.2.2晶体中质点的堆积/ 031

2.2.3化学组成与晶体结构的关系/ 033

2.2.4同质多晶与类质同晶/ 038

2.2.5晶体结构的描述方法/ 039

2.3非金属单质晶体结构/ 039

2.3.1惰性气体元素的晶体/ 039

2.3.2非金属元素的晶体结构/ 039

2.4无机化合物晶体结构/ 041

2.4.1AX型结构/ 042

2.4.2AX2型结构/ 044

2.4.3A2X3型结构/ 047

2.4.4AX3型和A2X5型结构/ 049

2.4.5ABO3型结构/ 049

2.4.6ABO4型结构/ 053

2.4.7AB2O4型结构/ 054

2.4.8石榴石结构/ 056

2.4.9鲍林规则/ 057

2.5硅酸盐晶体结构/ 058

2.5.1硅酸盐晶体的组成表示、结构特点及分类/ 058

2.5.2岛状结构/ 059

2.5.3组群状结构/ 061

2.5.4链状结构/ 063

2.5.5层状结构/ 065

2.5.6架状结构/ 069

2.6晶体场理论和配位场理论/ 075

2.6.1晶体场理论的基本概念/ 075

2.6.2d轨道能级的晶体场分裂/ 076

2.6.3晶体场稳定化能和过渡元素离子的电子构型/ 078

2.6.4八面体择位能/ 080

2.6.5姜-泰勒效应/ 081

2.6.6过渡元素离子有效半径的晶体场效应/ 082

2.6.7配位场理论的基本概念/ 083

本章小结/ 084

3晶体结构缺陷

3.1晶体结构缺陷的类型/ 086

3.1.1按缺陷的几何形态分类/ 086

3.1.2按缺陷产生的原因分类/ 087

3.2点缺陷/ 090

3.2.1点缺陷的Krǒger-Vink符号表示法/ 090

3.2.2缺陷反应的表示法/ 091

3.2.3热缺陷浓度的计算/ 093

3.2.4热缺陷在外力作用下的运动/ 096

3.2.5点缺陷对晶体性能的影响/ 098

3.3固溶体/ 099

3.3.1固溶体的分类/ 100

3.