無機材料科學基礎(第二版)（簡體書）

第二版前言

《無機材料科學基礎》（第一版）作為普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，自2006年出版以來以其適用性、科學性廣受使用者歡迎，已多次重印。鑒於十餘年來無機材料科學技術領域發展迅速，以及教材使用過程中發現的一些問題，有必要對第一版內容進行全面的修訂和完善。

《無機材料科學基礎》（第二版）除修正了第一版中出現的錯誤外，主要在三個方面做了較大修改：第一，充實拓寬了一些新的內容；第二，適當補充加深了一些學科基礎理論。新的修改既可以使教材更好地吸收當代無機材料科學技術發展過程中積累的新理論、新知識、新概念，體現無機材料科學知識的前沿性、先進性和教材內容的現代化、體系化，也能夠更好地滿足不同類別、不同層次教材使用者（教師、學生及實際研究技術人員等）對無機材料科學基礎知識和基本理論及其技術發展的需求；第三，建設了與紙質教材配套的數字資源，其中，慕課可登陸學銀在線平臺搜索“無機材料科學基礎”觀看學習，電子課件可登陸化學工業出版社教學資源網下載使用。

《無機材料科學基礎》（第二版）仍然保留了第一版的篇章架構。全書分為無機材料概論、晶體結構、晶體結構缺陷、非晶態結構與性質、固體表面與界面、相平衡和相圖、固體中的擴散、固相反應、相變過程、燒結過程、無機材料的環境效應共11章內容。其中對部分章節做了補充和拓展，具體修改內容如下。

(1)第2章增加了新的內容2.6節“晶體場理論和配位場理論”，包括晶體場理論的基本概念、d軌道能級的晶體場分裂、晶體場穩定化能和過渡元素離子的電子構型、八面體擇位能、姜-泰勒效應、過渡元素離子有效半徑的晶體場效應、配位場理論的基本概念。

(2)第3章增加了部分新內容，包括3.5.4位錯的彈性應變能、3.5.5位錯的運動、3.6.3堆積層錯、3.6.4孿晶界、3.6.5相界、3.6.6晶界特性。

(3)第5章也增加了部分內容，包括5.2.6陶瓷晶界結構、5.2.7陶瓷晶界特征。

(4)第6章增加了新的內容6.5節“四元系統”，包括四元系統組成的表示方法、濃度四面體的性質、具有一個低共熔點的四元系統相圖、生成化合物的四元系統相圖、專業四元系統相圖舉例。

(5)第8章增加的內容體現在8.4.1插層反應對晶體結構的要求、8.4.2插層復合法制備有機-無機納米復合材料。

(6)第9章增加的內容主要是9.3.4分相對玻璃性質的影響，以及兩節新的內容“9.4馬氏體相變”，包括馬氏體相變特征、無機材料中的馬氏體相變，和“9.5有序-無序轉變”。

(7)第10章增加新的內容10.6節“特種燒結”，包括熱壓燒結、熱等靜壓燒結、無包套熱等靜壓燒結、反應燒結、電火花燒結。

為了幫助學生進一步理順知識結構，深化基礎理論，強化學習效果，增強將理論知識轉化為解決實際應用的能力，也為了便於部分使用者自學和考研復習，作者還專門同步出版了與本書配套的教學輔助教材《無機材料科學基礎輔導與習題集》。

《無機材料科學基礎輔導與習題集》的篇章編排與本書完全一致，每一章統一分為基本要求、重點內容、重要概念、例題精解、同步練習5個部分，並依章節給出了全部同步練習題的習題解答和參考答案，同時還提供了《無機材料科學基礎》(第二版)相關的重要名詞術語及解釋，以方便教師教學和學生自我練習。《無機材料科學基礎》（第二版）因此刪除了第一版中例題解析的相關內容。

本書可作為各層次高等院校無機非金屬材料各專業本科生、專科生的專業基礎課程教材或教學參考資料，以及材料科學與工程、材料學、礦物材料及相關專業本科生和研究生的課外學習參考用書，亦可供科研院所、工礦企業、公司等從事材料、無機材料、礦物材料及相關領域工作的廣大科研人員、工程技術人員、管理人員及企業家們閱讀參考。

本書由中南大學宋曉嵐和武漢理工大學黃學輝兩位教授主編。具體編寫分工為：宋曉嵐教授編寫第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；黃學輝教授編寫第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；長沙理工大學葉昌教授編寫第11章。全書由宋曉嵐教授負責統稿。

中南大學金勝明教授和北京化工大學屈一新教授審閱了本書書稿，並提出了許多寶貴意見；本書的編著獲得了中南大學精品教材建設項目資助；本書的出版得到了化學工業出版社的大力支持與協作。作者在此一並表示衷心感謝！同時，對書中所引用文獻資料的中外作者致以誠摯的謝意！

盡管作者在修訂過程中始終精益求精，但書中不妥之處恐難完全避免。懇請廣大讀者繼續提出批評意見。

作者

2019年5月於長沙岳麓山下

第一版前言

能源、信息和材料是現代國民經濟的三大支柱，但能源和信息的發展在很大程度上卻是依賴於材料的進步。材料的品種、產量和質量標志著一個國家的現代化水平。因此可以說，沒有先進的材料，就沒有先進的工業、農業和科學技術。

材料科學主要是研究材料組成與結構、合成與制備、性能以及使用效能四者之間相互關係和變化規律的一門應用基礎學科。由於各自分子或原子鍵合方式不同，金屬材料、有機高分子材料和無機非金屬材料(簡稱為無機材料)三大材料既有相同的基礎理論，也有各自獨特的結構組織以及與性質之間的關係及變化規律。無機材料是材料學的重要組成部分，它不僅是人類認識和應用最早的材料，而且具有金屬材料和高分子材料所無法比擬的優異性能，在現代科學技術中占有越來越重要的地位。傳統的無機材料主要以陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等硅酸鹽材料為主，是工業生產和基本建設所必需的基礎材料，其最重要的學科基礎理論課程為《硅酸鹽物理化學》，它是在物理化學原理的基礎上，總結了硅酸鹽工業生產的共性規律而形成，課程內容著重於闡明硅酸鹽材料組成、結構、性質三者之間的相互關係及其在生產過程中物理化學變化的基本規律。隨著現代高科技的發展，現已在傳統硅酸鹽材料基礎上開發出許多具有特殊性能的高溫高強、電子、光學以及激光、鐵電、壓電等新型無機材料，所涉及的化合物遠遠超出硅酸鹽範疇，而是整個無機非金屬體系，包括含氧酸鹽、氧化物、氮化物、碳與碳化物、硼化物、氟化物、硫系化合物等。其基礎理論，除了物理化學外，結構化學和固體物理中的基本理論也日益滲透交叉。近二十年來，由於電子工業、空間科學、計算機技術、核技術、激光技術、高能電池、太陽能利用等領域的迅速發展，對無機材料性能提出了各種新的要求，並促進了對無機材料的進一步研究，推動了無機材料基礎理論的拓展深化，為人們對無機材料的微觀結構與宏觀表現關係的認識起到巨大的作用。正是由於無機新材料的不斷涌現，新技術和新工藝的不斷發展，以及新材料、新技術對無機材料理論的迫切要求和推動作用，才使得無機材料學科得到空前發展，同時也促進無機材料的基礎理論在深度和廣度上發生前所未有的變化，從而經歷由20世紀80年代的《硅酸鹽物理化學》到20世紀90年代的《無機材料物理化學》，直至形成當前新形勢下的《無機材料科學基礎》。

《無機材料科學基礎》是無機材料科學和工程的重要理論基礎，其內容定位於將材料學的各種基礎理論，包括結晶學、晶體化學、缺陷化學、熔體化學、非晶態科學、表面與界面化學、材料熱力學和動力學中的基本知識，具體應用到實際無機材料領域，包括新型無機材料以及傳統硅酸鹽材料的制備—形成（工藝）條件—結構—性能—用途五要素之間的相互關係及制約規律，用基礎理論來闡明無機材料形成過程的本質，從無機材料的內部結構解釋其性質與行為，揭示無機材料結構與性能的內在聯系與變化關係，並從基本理論出發，指導無機材料的生產及科研，解決無機材料制備與使用過程中的實際問題，從而為認識和改進無機材料的性能以及設計、生產、研究、開發新型無機材料提供必備的科學基礎。

《無機材料科學基礎》是高等院校無機材料學科課程體系中重要的主幹課程，也是學生較先接觸的必修學科基礎課和碩士研究生入學考試課程，其教材內容和質量對學生的知識結構、後續專業課的學習及學習興趣的培養等都有著重要的影響，對培養學生科學的思維方法和創新能力以及運用基礎理論解決實際問題的能力，構建無機材料科學研究和工程技術人員的專業知識體系具有主導和奠基作用，在無機材料專業教材建設中都占有特別重要的地位。本書作為中南大學新世紀本科教育教學改革立項的重點資助項目，是作者在課程改革與建設研究中，結合多年的教學實踐經驗，根據當前無機材料學科的發展和無機材料創新人才培養的需要編著而成。本書共11章，內容包括無機材料概論、晶體結構、晶體結構缺陷、非晶態結構與性質、固體表面與界面、相平衡和相圖、固體中的擴散、固相反應、相變過程、燒結過程、無機材料的環境效應。

本書編寫的宗旨：一方面，從材料共性的科學原理和方法來闡述無機材料結構（包括電子結構、空間質點排列、顯微結構和相結構等結構層次）、性質和性能相互關係，以及靜態、動態條件下解決無機材料制備和加工等相關工程問題的科學基礎；另一方面，強調在建立無機材料領域科學基礎的同時，通過科學思維方法的訓練，達到提高運用科學原理解決實際問題的能力。本書在內容的精選和組織上，既注重無機材料研究與開發的基礎研發過程，又重視無機材料加工和使用過程中的性能變化及環境行為效應，以調控無機材料開發—使用—消亡的整個循環過程。

本書的特點表現在以下幾個方面。

① 較全面地涵蓋無機材料科學和工程的基礎理論。無機材料的發展與無機材料理論密切相關，如果說早期傳統硅酸鹽材料的制備或生產主要依靠經驗和手藝，那麼當代新型無機材料的研究和開發則必然更多地依賴理論指導。

② 注重科學原理，強化工程意識。以無機材料制備加工過程中的基本原理和共性規律為主，兼顧無機材料應用過程中的環境行為效應，使科學和工程融為一體。

③ 突出認識論的規律性。遵循從理想到實際、從規則到不規則、從靜態到動態、從宏觀到微觀再到宏觀的原則，循序漸進地介紹無機材料的組成、制備、結構、性能的依從性。

④ 強調思維方法和分析能力的培養。在闡述基礎理論時，通過問題提出、例題解析、討論提示的方式，突出科學的創新性思維方法的培養；每章末尾附有與實際結合緊密的思考題和習題，以加深對基本概念的理解和應用，提高分析解決實際問題的能力。

⑤ 選材組織與結構編排上突出新穎性、易讀性和普適性。注重新概論、新理論、新工藝、新材料以及不同學科知識的融合交叉，內容豐富，結構新穎，深廣度適中，力求既能反映無機材料學科當代發展水平，又能適應專業基礎課程教學。

本書可作為高等院校無機非金屬材料各專業本科生的專業基礎課程教材，亦可用作材料科學與工程、材料學、礦物材料及相關專業本科生和研究生的教學用書和參考書，並可供科研院所、廠礦企業、公司等從事材料、無機材料、礦物材料及相關領域工作的廣大科研人員、工程技術人員、管理人員及企業家們的閱讀參考。

本書由中南大學宋曉嵐和武漢理工大學黃學輝兩位教授主編，其中宋曉嵐編寫第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，黃學輝編寫第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；長沙理工大學葉昌教授編寫了第11章。全書由宋曉嵐負責統稿及例題、習題的擇選。

中南大學梁叔全教授和武漢理工大學餘海湖教授審閱了本書書稿，並提出了許多寶貴的意見；本書的出版得到了化學工業出版社的大力支持與協作，作者在此一並表示衷心的感謝！同時，對書中所引用文獻資料的中外作者致以誠摯的謝意！

鑒於作者水平所限，書中不妥之處在所難免，懇請廣大讀者批評指正。

作者

2005年7月

1無機材料概論
1．1無機材料的分類/ 001
1．1．1傳統無機材料/ 001
1．1．2新型無機材料/ 002
1．2無機材料的特點/ 004
1．3無機材料組成、結構、性能、工藝及其與環境的關係/ 005
1．3．1無機材料學科內涵/ 005
1．3．2無機材料結構-性能-工藝之間的關係/ 006
1．3．3無機材料的環境效應/ 009
1．4無機材料的選用原則/ 010
1．5無機材料的地位與作用/ 011
1．6無機材料的研究與發展/ 014
本章小結/ 017

2晶體結構
2．1結晶學基礎/ 018
2．1．1空間點陣/ 018
2．1．2結晶學指數/ 020
2．1．3晶向與晶面的關係及晶帶軸定理/ 023
2．2晶體化學基本原理/ 023
2．2．1晶體中質點間的結合力與結合能/ 023
2．2．2晶體中質點的堆積/ 031
2．2．3化學組成與晶體結構的關係/ 033
2．2．4同質多晶與類質同晶/ 038
2．2．5晶體結構的描述方法/ 039
2．3非金屬單質晶體結構/ 039
2．3．1惰性氣體元素的晶體/ 039
2．3．2非金屬元素的晶體結構/ 039
2．4無機化合物晶體結構/ 041
2．4．1AX型結構/ 042
2．4．2AX2型結構/ 044
2．4．3A2X3型結構/ 047
2．4．4AX3型和A2X5型結構/ 049
2．4．5ABO3型結構/ 049
2．4．6ABO4型結構/ 053
2．4．7AB2O4型結構/ 054
2．4．8石榴石結構/ 056
2．4．9鮑林規則/ 057
2．5硅酸鹽晶體結構/ 058
2．5．1硅酸鹽晶體的組成表示、結構特點及分類/ 058
2．5．2島狀結構/ 059
2．5．3組群狀結構/ 061
2．5．4鏈狀結構/ 063
2．5．5層狀結構/ 065
2．5．6架狀結構/ 069
2．6晶體場理論和配位場理論/ 075
2．6．1晶體場理論的基本概念/ 075
2．6．2d軌道能級的晶體場分裂/ 076
2．6．3晶體場穩定化能和過渡元素離子的電子構型/ 078
2．6．4八面體擇位能/ 080
2．6．5姜-泰勒效應/ 081
2．6．6過渡元素離子有效半徑的晶體場效應/ 082
2．6．7配位場理論的基本概念/ 083
本章小結/ 084

3晶體結構缺陷
3．1晶體結構缺陷的類型/ 086
3．1．1按缺陷的幾何形態分類/ 086
3．1．2按缺陷產生的原因分類/ 087
3．2點缺陷/ 090
3．2．1點缺陷的Krǒger-Vink符號表示法/ 090
3．2．2缺陷反應的表示法/ 091
3．2．3熱缺陷濃度的計算/ 093
3．2．4熱缺陷在外力作用下的運動/ 096
3．2．5點缺陷對晶體性能的影響/ 098
3．3固溶體/ 099
3．3．1固溶體的分類/ 100
3．3．2置換型固溶體/ 101
3．3．3間隙型固溶體/ 103
3．3．4形成固溶體後對晶體性質的影響/ 104
3．3．5固溶體的研究方法/ 105
3．4非化學計量化合物/ 109
3．4．1負離子空位型/ 109
3．4．2間隙正離子型/ 110
3．4．3正離子空位型/ 111
3．4．4間隙負離子型/ 112
3．5線缺陷/ 113
3．5．1位錯理論的產生/ 113
3．5．2位錯的類型/ 115
3．5．3伯格斯矢量及位錯的性質/ 116
3．5．4位錯的彈性應變能/ 118
3．5．5位錯的運動/ 121
3．6面缺陷/ 124
3．6．1表面/ 124
3．6．2晶界/ 124
3．6．3堆積層錯/ 128
3．6．4孿晶界/ 130
3．6．5相界/ 131
3．6．6晶界特性/ 133
本章小結/ 133

4非晶態結構與性質
4．1熔體的結構/ 135
4．1．1對熔體的一般認識/ 135
4．1．2硅酸鹽熔體結構的聚合物理論/ 137
4．2熔體的性質/ 141
4．2．1黏度/ 141
4．2．2表面張力/ 148
4．3玻璃的形成/ 151
4．3．1玻璃的通性/ 151
4．3．2玻璃的轉變/ 153
4．3．3玻璃的形成/ 154
4．4玻璃的結構/ 162
4．4．1微晶學說/ 162
4．4．2無規則網絡學說/ 164
4．4．3兩大學說的比較與發展/ 166
4．5典型玻璃類型/ 167
4．5．1硅酸鹽玻璃/ 167
4．5．2硼酸鹽玻璃/ 170
4．5．3其他氧化物玻璃/ 171
本章小結/ 172

5固體表面與界面
5．1固體的表面及其結構/ 173
5．1．1固體的表面/ 173
5．1．2固體的表面結構/ 179
5．1．3固體表面活性/ 186
5．2固體界面及其結構/ 188
5．2．1陶瓷晶界/ 188
5．2．2晶界構形/ 189
5．2．3晶界應力/ 191
5．2．4晶界電荷/ 193
5．2．5晶界偏析/ 194
5．2．6陶瓷晶界結構/ 194
5．2．7陶瓷晶界特征/ 198
5．3界面行為/ 198
5．3．1彎曲表面效應/ 199
5．3．2吸附與固體表面改性/ 203
5．3．3潤濕與黏附/ 207
5．4黏土-水系統性質/ 217
5．4．1黏土膠體/ 217
5．4．2黏土的離子吸附與交換/ 220
5．4．3泥漿的穩定與聚沉/ 223
5．4．4泥漿的流動性/ 226
5．4．5泥漿的濾水性/ 231
5．4．6泥漿的觸變性/ 231
5．4．7泥團的可塑性/ 232
5．4．8瘠性料的懸浮與塑化/ 235
本章小結/ 237

6相平衡和相圖
6．1相平衡及其研究方法/ 238
6．1．1相平衡的基本概念/ 238
6．1．2相律/ 241
6．1．3相平衡的研究方法/ 242
6．1．4應用相圖時需注意的幾個問題/ 247
6．2單元系統/ 248
6．2．1具有多晶轉變的單元系統相圖/ 248
6．2．2專業單元系統相圖舉例/ 252
6．3二元系統/ 259
6．3．1二元系統相圖的表示方法及杠桿規則/ 259
6．3．2二元系統相圖的基本類型/ 260
6．3．3專業二元系統相圖舉例/ 271
6．4三元系統/ 282
6．4．1三元系統組成表示法/ 282
6．4．2濃度三角形的性質/ 283
6．4．3三元系統相圖的基本類型/ 286
6．4．4專業三元系統相圖/ 304
6．5四元系統/ 325
6．5．1四元系統組成的表示方法/ 325
6．5．2濃度四面體的性質/ 326
6．5．3具有一個低共熔點的四元系統相圖/ 326
6．5．4生成化合物的四元系統相圖/ 328
6．5．5專業四元系統相圖舉例/ 332
本章小結/ 338

7固體中的擴散
7．1擴散動力學方程——菲克定律/ 339
7．1．1晶體中擴散的特點/ 339
7．1．2菲克第一定律/ 340
7．1．3菲克第二定律/ 342
7．2菲克定律的應用舉例/ 344
7．2．1穩定擴散/ 344
7．2．2非穩定擴散/ 347
7．3固體擴散機構與擴散系數/ 349
7．3．1無序擴散系數與自擴散系數/ 349
7．3．2固體擴散機構/ 351
7．3．3擴散機構與擴散系數的關係/ 354
7．3．4擴散系數的測定/ 356
7．4多元系統的擴散/ 357
7．5影響擴散系數的因素/ 360
7．5．1溫度的影響/ 361
7．5．2雜質（第三組元）的影響/ 362
7．5．3氣氛的影響/ 362
7．5．4固溶體類型的影響/ 362
7．5．5擴散物質性質與結構的影響/ 363
7．5．6結構缺陷對擴散的影響/ 364
本章小結/ 366

8固相反應
8．1固相反應的分類與特征/ 367
8．1．1固相反應的分類/ 367
8．1．2固相反應的特征/ 368
8．2固相反應機理/ 369
8．2．1相界面上化學反應機理/ 369
8．2．2相界面上反應和離子擴散的關係/ 370
8．2．3中間產物和連續反應/ 370
8．2．4不同反應類型和機理/ 371
8．3固相反應動力學/ 373
8．3．1一般動力學關係/ 373
8．3．2化學動力學範圍/ 374
8．3．3擴散動力學範圍/ 376
8．3．4通過流體相傳輸的反應和動力學表達式/ 381
8．3．5過渡範圍/ 385
8．4材料制備中的插層反應/ 386
8．4．1插層反應對晶體結構的要求/ 386
8．4．2插層復合法制備有機-無機納米復合材料/ 387
8．5影響固相反應的因素/ 389
8．5．1反應物化學組成的影響/ 389
8．5．2反應物顆粒及均勻性的影響/ 389
8．5．3反應溫度的影響/ 390
8．5．4壓力和氣氛的影響/ 390
8．5．5反應物活性的影響/ 391
本章小結/ 391

9相變過程
9．1相變的分類與條件/ 393
9．1．1相變的分類/ 393
9．1．2相變的條件/ 396
9．2液-固相變——成核-生長機理/ 398
9．2．1晶核生成速率/ 398
9．2．2晶體生長速率/ 402
9．2．3總的結晶速率/ 405
9．2．4影響結晶速率的因素/ 407
9．3液-液相變——調幅分解機理/ 408
9．3．1液相的不混溶現象（玻璃的分相）/ 408
9．3．2調幅分解動力學/ 411
9．3．3分相的結晶化學觀點/ 414
9．3．4分相對玻璃性質的影響/ 416
9．4馬氏體相變/ 417
9．4．1馬氏體相變特征/ 418
9．4．2無機材料中的馬氏體相變/ 419
9．5有序-無序轉變/ 420
本章小結/ 421

10燒結過程
10．1燒結概述/ 422
10．1．1燒結理論的研究與發展/ 422
10．1．2燒結的基本類型/ 424
10．2燒結過程及機理/ 425
10．2．1燒結過程/ 425
10．2．2燒結推動力/ 426
10．2．3燒結機理/ 427
10．3固相燒結/ 430
10．3．1燒結初期/ 430
10．3．2燒結中期/ 435
10．3．3燒結末期/ 437
10．4再結晶和晶粒長大/ 437
10．4．1初次再結晶/ 438
10．4．2晶粒長大/ 438
10．4．3二次再結晶/ 441
10．5液相燒結/ 442
10．5．1液相燒結的特點/ 442
10．5．2顆粒重排/ 443
10．5．3溶解-沉澱傳質/ 443
10．5．4黏性或塑性流動傳質/ 445
10．6特種燒結/ 447
10．6．1熱壓燒結/ 447
10．6．2熱等靜壓燒結/ 447
10．6．3無包套熱等靜壓燒結/ 448
10．6．4反應燒結/ 448
10．6．5電火花燒結/ 449
10．7影響燒結的因素/ 449
10．7．1物料活性的影響/ 450
10．7．2添加物的影響/ 451
10．7．3氣氛的影響/ 452
10．7．4壓力的影響/ 454
本章小結/ 455

11無機材料的環境效應
11．1無機材料的腐蝕/ 456
11．1．1腐蝕產生的原因/ 457
11．1．2腐蝕對無機材料性能的影響/ 461
11．2無機材料的疲勞/ 463
11．2．1疲勞的基本概念/ 464
11．2．2疲勞裂紋擴展的力學行為與特征/ 466
11．2．3無機材料的高溫蠕變/ 467
11．3無機材料的再生與利用/ 473
11．3．1無機材料生命周期評估和生態設計/ 474
11．3．2環境協調無機材料/ 475
11．3．3無機材料的再生與利用/ 481
本章小結/ 483

附錄Ⅰ 單位換算和基本物理常數

附錄Ⅱ 元素的離子半徑表

參考文獻