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第1章 绪论1

1.1 材料及其重要性1

1.1.1 什么是材料1

1.1.2 材料的重要性1

1.2 材料科学与工程2

1.2.1 概念2

1.2.2 两大类主要任务3

1.2.3 计算材料学与材料信息学3

1.3 本书主要内容4

推荐读物4

第2章 几何晶体学基础6

2.1 晶体概述6

2.1.1 晶体的最初概念6

2.1.2 晶体微观结构的早期探索6

2.1.3 晶体学的内容8

2.1.4 学习晶体学的意义8

2.2 面角守恒定律8

2.3 整数定律9

2.4 晶体宏观对称性10

2.4.1 对称简介10

2.4.2 晶体宏观对称要素11

2.4.3 晶体的对称分类17

2.4.4 晶带定律18

2.5 布拉维格子18

2.5.1 结点19

2.5.2 行列20

2.5.3 面网20

2.5.4 平行六面体20

2.5.5 晶体的定义21

2.5.6 平行六面体的选择21

2.5.7 单位平行六面体的形状、大小22

2.5.8 平行六面体中的结点分布23

2.5.9 布拉维格子24

2.6 晶体定向25

2.6.1 坐标系的选择25

2.6.2 布拉维法则27

2.6.3 整数定律的推导28

2.6.4 晶面符号、晶向符号29

2.6.5 晶带轴定理推导33

2.7 晶体微观对称简介36

2.7.1 空间群36

2.7.2 X射线晶体学36

2.8 准晶37

2.8.1 准晶的发展简介37

2.8.2 准晶结构的主要特点40

2.8.3 准晶的一些性质41

2.8.4 晶体的再次定义41

本章结语42

推荐读物42

第3章 晶体结构基础43

3.1 晶体化学的发展简介43

3.2 原子的堆积44

3.2.1 原子间的作用力44

3.2.2 原子的紧密堆积44

3.3 影响晶体结构的主要因素48

3.3.1 配位数与配位多面体48

3.3.2 质点的相对大小49

3.3.3 离子极化、电负性49

3.3.4 鲍林规则49

3.4 晶体结构的描述51

3.4.1 Pearson符号51

3.4.2 Strukturbericht符号52

3.4.3 坐标系方法52

3.4.4 其他描述法52

3.5 单质晶体结构53

3.5.1 Cu型53

3.5.2 α-W型54

3.5.3 Mg型54

3.5.4 金刚石型56

3.5.5 石墨型57

3.5.6 富勒烯和碳纳米管57

3.5.7 石墨烯59

3.6 AX型60

3.6.1 NaCl型60

3.6.2 CsCl型61

3.6.3 闪锌矿型62

3.6.4 纤锌矿型63

3.7 AX2型64

3.7.1 CaF2型64

3.7.2 金红石型65

3.7.3 AlB2型66

3.8 刚玉型67

3.9 ABO3型68

3.9.1 LiNbO368

3.9.2 CaTiO369

3.10 AB2O4型72

3.11 金属间化合物结构概述73

3.11.1 电子化合物73

3.11.2 尺寸因素化合物——密排相74

3.11.3 尺寸因素化合物——间隙相74

3.12 硅酸盐晶体结构75

3.12.1 概述75

3.12.2 岛状结构76

3.12.3 环状结构78

3.12.4 链状结构78

3.12.5 层状结构80

3.12.6 架状结构83

3.13 晶体结构间的联系85

本章结语86

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第4章 晶体结构中的缺陷88

4.1 概述88

4.1.1 什么是晶体的缺陷88

4.1.2 晶体结构中的理想国88

4.1.3 材料的结构敏感性89

4.1.4 研究缺陷的意义89

4.1.5 缺陷的类型90

4.2 点缺陷91

4.2.1 点缺陷简史91

4.2.2 点缺陷的类型及符号92

4.2.3 热平衡点缺陷的统计理论93

4.2.4 缺陷反应式100

4.2.5 固溶体与高熵合金103

4.2.6 固溶体的研究方法108

4.2.7 非化学计量化合物112

4.2.8 点缺陷与金属的氧化腐蚀118

4.2.9 点缺陷对晶体主要性能的影响120

4.3 线缺陷之位错121

4.3.1 单晶体的滑移122

4.3.2 位错理论提出的背景124

4.3.3 位错的基本类型125

4.3.4 Burgers矢量128

4.3.5 位错密度与晶体强度131

4.3.6 位错的运动、萌生及增殖133

4.3.7 位错的受力139

4.3.8 位错理论的主要应用148

4.4 面缺陷之晶界149

4.4.1 什么是晶界149

4.4.2 小角度晶界150

4.4.3 大角度晶界152

4.4.4 孪晶界153

4.4.5 晶界能154

4.4.6 晶界对多晶体性能的主要影响155

本章结语157

推荐读物157

第5章 表面与界面基础158

5.1 界面及其研究意义158

5.1.1 界面的类型158

5.1.2 研究界面的意义158

5.2 表面科学的形成159

5.2.1 表面的定义159

5.2.2 表面科学的形成159

5.3 材料表面的结构160

5.3.1 理想表面160

5.3.2 清洁表面160

5.3.3 表面二维格子163

5.3.4 晶体表面的缺陷165

5.3.5 粉体和纳米晶粒的表面167

5.3.6 晶体表面的吸附168

5.3.7 固体表面的不均匀性171

5.4 界面能172

5.4.1 表面能和表面张力172

5.4.2 界面能与界面构型173

5.4.3 界面粗糙度与润湿176

5.5 界面的结合178

5.5.1 高温液相的润湿性178

5.5.2 热膨胀系数的差异179

5.5.3 提高界面结合力的主要途径181

本章结语184

推荐读物184

第6章 玻璃结构基础185

6.1 玻璃的出现185

6.2 什么是玻璃185

6.2.1 玻璃、晶体与非晶体185

6.2.2 玻璃化转变温度186

6.3 玻璃结构学说187

6.3.1 X射线衍射简介187

6.3.2 结构的长程序和短程序188

6.3.3 晶子假说的依据及不足188

6.3.4 无规则网络假说190

6.3.5 Warren的实验及观点192

6.3.6 金属玻璃的无规密堆模型195

6.3.7 玻璃化转变的实质197

6.3.8 玻璃及非晶结构小结198

6.4 玻璃及非晶体的形成方法198

6.4.1 熔融冷却法198

6.4.2 溶胶-凝胶法199

6.4.3 气相沉积法199

6.4.4 固相法199

6.5 玻璃的形成条件199

6.5.1 热力学条件199

6.5.2 动力学条件200

6.5.3 Goldschmidt的观点203

6.5.4 Zachariasen的观点203

6.5.5 化学键的影响204

6.6 非晶材料领域的科学问题206

6.6.1 非晶的本质和玻璃化转变206

6.6.2 非晶体结构方面的问题206

6.6.3 非晶物质的失稳207

6.6.4 非晶体的形成能力和制备207

6.7 典型玻璃材料207

6.7.1 硅酸盐玻璃207

6.7.2 硼硅酸盐玻璃209

6.7.3 磷酸盐玻璃209

6.7.4 金属玻璃209

本章结语210

推荐读物211

第7章 扩散212

7.1 扩散概述212

7.1.1 什么是扩散212

7.1.2 扩散的分类212

7.1.3 扩散对材料学科的意义212

7.1.4 扩散研究简史213

7.2 扩散微分方程213

7.2.1 基本概念214

7.2.2 基本定律214

7.2.3 扩散偏微分方程215

7.2.4 一维稳态扩散微分方程217

7.2.5 一维非稳态扩散微分方程221

7.2.6 扩散微分方程数值分析简介225

7.3 扩散驱动力226

7.4 多元系统中的扩散227

7.4.1 互扩散和自扩散简介227

7.4.2 分扩散与自扩散系数227

7.4.3 扩散系数与浓度231

7.4.4 Kirkendall效应及其提出过程232

7.4.5 Darken方程236

7.5 扩散的微观理论236

7.5.1 原子跃迁与扩散系数237

7.5.2 Einstein方程240

7.6 晶体中的扩散机制241

7.6.1 扩散途径和活化能241

7.6.2 扩散的几种微观机制242

7.7 反应扩散244

7.8 影响扩散的主要因素244

7.8.1 温度的影响244

7.8.2 化学成分的影响246

7.8.3 材料结构的影响249

7.8.4 晶体缺陷的影响249

7.8.5 气氛的影响250

7.8.6 玻璃中的扩散250

本章结语250

推荐读物250

第8章 相平衡252

8.1 相平衡理论简介252

8.1.1 岩石和人造材料的宏观结构252

8.1.2 显微镜开始用于材料研究253

8.1.3 Gibbs的贡献253

8.1.4 其他人的贡献254

8.1.5 相图的两大类理论研究254

8.1.6 相图的意义255

8.1.7 热力学平衡255

8.1.8 应用相图的主要事项256

8.2 相律概述256

8.2.1 基本概念回顾256

8.2.2 相律258

8.3 单元相图258

8.3.1 概述258

8.3.2 相图中的区域、线条和点259

8.3.3 可逆和不可逆多晶转变260

8.3.4 SiO2的相图261

8.3.5 碳的相图262

8.3.6 ZrO2、Fe和H2O的相图263

8.3.7 p-T相图对新材料研发的启示263

8.4 二元相图264

8.4.1 概述264

8.4.2 杠杆规则265

8.4.3 具有低共熔点的简单系统266

8.4.4 具有一致熔化合物的系统269

8.4.5 具有不一致熔化合物的系统271

8.4.6 简单匀晶相图274

8.4.7 材料的提纯与区域熔炼275

8.4.8 具有共晶、共析转变的系统276

8.4.9 具有包晶、包析转变的系统286

8.4.10 其他类型的相图289

8.4.11 SiO2-Al2O3相图291

8.4.12 Cu-Zn相图294

8.4.13 Fe-Fe3C相图295

8.5 三元相图299

8.5.1 三元相图的表示299

8.5.2 浓度三角形规则301

8.5.3 具有低共熔点的简单系统303

8.5.4 具有一个一致熔二元化合物的系统306

8.5.5 具有一个不一致熔二元化合物的系统307

8.5.6 具有一个低温稳定、高温分解二元化合物的系统310

8.5.7 具有一个低温分解、高温稳定二元化合物的系统311

8.5.8 具有一个一致熔三元化合物的系统312

8.5.9 具有一个不一致熔三元化合物的系统312

8.5.10 CaO-Al2O3-SiO2相图314

8.5.11 K2O-Al2O3-SiO2相图317

8.5.12 三元相图在配方中的应用319

本章结语323

推荐读物323

第9章 相变基础324

9.1 相变概述324

9.1.1 什么是相变324

9.1.2 相变的重要性324

9.1.3 什么是显微结构325

9.2 相变分类325

9.2.1 按物质状态分类325

9.2.2 按质点迁移特征分类326

9.2.3 按化学键的重建与否分类326

9.2.4 按热力学特征分类327

9.2.5 按相变方式分类329

9.3 相变驱动力329

9.3.1 相平衡化学势329

9.3.2 切线法确定化学势330

9.3.3 相平衡的公切线定则331

9.3.4 G-x曲线上的相变驱动力332

9.3.5 相变的外界条件333

9.4 晶核的形成和生长335

9.4.1 形成的热力学条件335

9.4.2 均匀形核338

9.4.3 非均匀形核338

9.4.4 晶体的生长340

9.4.5 总结晶速率340

9.4.6 质点的堆砌与晶体长大342

9.4.7 材料的固化方式简介344

9.5 液固相变344

9.5.1 金属的凝固344

9.5.2 定向凝固与单晶制备346

9.5.3 乳浊釉与结晶釉348

9.5.4 均相沉淀349

9.6 固态相变349

9.6.1 固态相变的特点349

9.6.2 碳钢中的固态相变351

9.6.3 材料中的脱溶相变361

9.6.4 无机材料强韧化367

9.6.5 玻璃陶瓷372

9.7 Spinodal分解与分相374

9.7.1 分相相图及其G-x线374

9.7.2 Spinodal分解及其条件375

9.7.3 玻璃的分相376

9.7.4 Spinodal分解在多孔玻璃中的应用377

9.7.5 陶瓷釉层中的分相378

9.7.6 合金中的Spinodal分解380

9.8 相变储能材料简介381

9.8.1 储存能量的原因及方式381

9.8.2 相变储能的方式381

9.8.3 几种相变储能材料381

本章结语382

推荐读物383

第10章 烧结、再结晶与晶粒生长384

10.1 什么是烧结384

10.1.1 粉末成型概述384

10.1.2 烧结的定义385

10.1.3 烧结与熔融385

10.1.4 烧结与固相反应386

10.1.5 烧结理论的研究对象和目的386

10.1.6 烧结理论的发展历程386

10.2 烧结驱动力387

10.2.1 烧结的一般过程387

10.2.2 粉末的烧结驱动力387

10.2.3 验证烧结驱动力的实验388

10.3 烧结的扩散理论基础389

10.3.1 描述烧结速率的方法389

10.3.2 蒸发-凝聚机制390

10.3.3 扩散传质机制392

10.4 烧结的流动理论基础396

10.4.1 几个流变学概念396

10.4.2 黏性流动机制398

10.4.3 塑性流动机制400

10.4.4 蠕变流动机制401

10.5 强化烧结的措施403

10.5.1 液相强化403

10.5.2 压力强化404

10.5.3 活化强化405

10.6 材料的回复406

10.6.1 塑性变形材料退火的原因406

10.6.2 回复机制407

10.6.3 回复过程的特点408

10.7 再结晶408

10.7.1 再结晶形核409

10.7.2 再结晶晶核长大410

10.7.3 影响再结晶晶粒大小的主要因素411

10.7.4 再结晶温度及影响因素411

10.7.5 再结晶过程特点412

10.7.6 再结晶与相变412

10.7.7 材料的冷、热加工413

10.8 晶粒生长414

10.8.1 晶粒生长的驱动力414

10.8.2 晶界几何构型417

10.8.3 影响晶粒生长的因素418

10.8.4 晶粒生长的方式423

10.8.5 Ostwald熟化427

10.9 材料中的织构430

10.9.1 织构及其形成430

10.9.2 织构的描述431

10.9.3 织构对材料性能的影响432

本章结语433

推荐读物434

附录435

附录1 晶体的对称分类435

附录2 14种布拉维格子436

附录3 部分常见离子的半径437

附录4 部分晶体结构的Strukturbericht结构编号和Pearson符号439

附录5 材料学科部分中英文期刊439

参考文献441