材料化学

第一篇材料化学基础

第1章材料科学基础1

1.1晶体的结构与缺陷1

1.1.1晶体结构1

1.1.2晶体缺陷6

1.2材料的亚稳态9

1.2.1非晶9

1.2.2准晶10

1.3相图与相变12

1.3.1相律及杠杆定律12

1.3.2二元相图和三元相图的表示13

1.3.3固态相变15

第2章物理化学基础17

2.1化学热力学17

2.1.1热力学第一定律17

2.1.2热力学第二定律18

2.1.3热力学第三定律19

2.1.4热力学函数的基本关系式20

2.1.5化学反应的方向与限度判定24

2.2化学反应动力学28

2.2.1化学反应速率与浓度的关系28

2.2.2反应速率方程的积分形式28

2.2.3化学反应机理30

2.3表面与界面32

2.3.1表面张力与表面能32

2.3.2分散度对体系物理化学性质的影响32

2.3.3表面现象33

2.4材料电化学基础36

2.4.1电解质溶液36

2.4.2电化学系统38

2.4.3能斯特方程38

2.4.4电化学反应的速率39

第3章高分子材料学基础41

3.1高分子材料的结构41

3.2高分子链的结构41

3.2.1高分子链的近程结构41

3.2.2高分子链结构的远程结构(二级结构)44

3.3高分子的聚集态结构48

第二篇材料化学制备原理及方法

第4章材料化学制备的基本原理55

4.1材料设计方法简介55

4.2各类材料的特点56

4.2.1金属材料的特点56

4.2.2无机非金属材料的特点57

4.2.3高分子材料的特点58

4.3材料固相反应制备的原理59

4.3.1固相反应热力学59

4.3.2固相合成方法60

4.3.3固相反应动力学61

4.4液相化学制备的原理62

4.4.1胶体化学与分散度64

4.4.2超细粉末液相制备过程中的团聚机理及控制67

4.4.3液相化学反应过程及过程控制73

4.5气相沉积75

4.5.1概述75

4.5.2物理气相沉积77

4.5.3化学气相沉积(CVD)83

4.6机械合金化87

第5章金属材料化学制备方法91

5.1金属还原过程热力学91

5.1.1还原热力学条件及判据91

5.1.2非标准条件下金属还原的热力学95

5.2金属的提炼95

5.2.1金属的热分解制备法96

5.2.2金属的热还原制备法100

5.2.3金属的电解制备法104

5.2.4水溶液电解金属提炼法和融盐电解金属提炼法实例105

5.3金属的精炼107

5.3.1铜的电解精炼107

5.3.2金属的气相精炼109

第6章无机非金属材料化学制备方法112

6.1无机材料粉体的制备方法112

6.1.1沉淀法112

6.1.2溶胶－凝胶法114

6.1.3水热及溶剂热法117

6.1.4微乳液法120

6.1.5熔盐合成法121

6.2无机材料的成形124

6.2.1普通陶瓷材料的成形124

6.2.2先进的陶瓷成形方法129

6.3无机材料的烧结132

6.3.1固相烧结过程和机理133

6.3.2固相烧结动力学135

6.3.3液相烧结139

6.3.4影响烧结的因素144

第7章高分子材料的合成方法147

7.1概论147

7.2自由基型聚合反应149

7.2.1自由基型聚合反应历程149

7.2.2自由基聚合反应的特征153

7.2.3自由基共聚合反应153

7.3离子型聚合反应156

7.3.1阳离子型聚合反应156

7.3.2阴离子型聚合反应159

7.3.3自由基聚合与离子聚合的比较163

7.4配位聚合反应164

7.4.1配位聚合反应引发剂165

7.4.2配位聚合反应机理165

7.5逐步聚合反应166

7.5.1逐步聚合的分类167

7.5.2缩聚反应的特点168

7.5.3缩聚反应的分类169

7.5.4平衡缩聚反应170

7.5.5影响缩聚产物分子量的因素173

第8章复合材料化学制备方法176

8.1复合材料概述176

8.1.1复合材料的定义176

8.1.2复合材料的特点及优点176

8.1.3复合材料发展历史177

8.1.4复合材料的分类177

8.1.5复合材料的命名178

8.2复合材料的制备方法178

8.2.1聚合物基复合材料制备178

8.2.2金属基复合材料182

8.2.3陶瓷基复合材料的制备188

8.3C/C复合材料制备197

8.3.1炭制备197

8.3.2炭材料的石墨化202

8.3.3碳纤维202

8.3.4气相炭化机理203

8.3.5固相炭化机理203

8.3.6C/C复合材料的制备工艺204

8.4有机?无机杂化材料的制备206

8.4.1溶胶?凝胶法206

8.4.2插层复合技术209

8.4.3无机粒子的表面改性211

8.4.4共混法213

第9章材料的腐蚀与防护216

9.1金属材料腐蚀分类及表达216

9.1.1金属材料腐蚀分类216

9.1.2腐蚀速度的标定218

9.2电极过程动力学219

9.2.1电极/溶液界面剩余电荷分布的静电模型结构与电极过程219

9.2.2电极过程220

9.2.3电极极化220

9.3腐蚀理论224

9.3.1E-pH图225

9.3.2析氢与吸氧腐蚀过程227

9.3.3金属的钝化230

9.3.4局部腐蚀机理231

9.3.5应力作用下的腐蚀234

9.3.6高温氧化236

9.3.7非金属材料的腐蚀241

9.4腐蚀的防护原理与方法243

9.4.1电化学保护243

9.4.2环境治理244

9.4.3物理性保护245

第三篇材料化学在新材料研究开发中的应用

第10章纳米材料249

10.1纳米材料的结构与性能特点249

10.1.1纳米材料的概念249

10.1.2纳米材料的结构249

10.1.3纳米固体材料的结构缺陷250

10.1.4纳米效应251

10.1.5纳米材料的性能特点252

10.2纳米材料的制备与改性254

10.2.1纳米粉末的制备254

10.2.2纳米薄膜的制备255

10.2.3纳米块体的制备256

10.2.4纳米粉体的表面改性258

10.3纳米材料的应用260

第11章化学电源与能源材料265

11.1化学电源265

11.2电极的组成、结构和成型方法267

11.3电极材料269

第12章生物植入材料279

12.1金属植入材料279

12.1.1不锈钢279

12.1.2Co基合金280

12.1.3钛和钛合金280

12.1.4齿科用金属281

12.1.5Ni－Ti合金281

12.1.6金属植入材料的腐蚀282

12.2陶瓷植入材料283

12.2.1氧化铝283

12.2.2磷酸钙陶瓷283

12.2.3氧化锆、铝酸钙生物陶瓷286

12.2.4碳素材料286

12.2.5生物陶瓷应用286

12.3医用高分子植入材料287

12.3.1尼龙287

12.3.2聚乙烯288

12.3.3聚丙烯289

12.3.4聚丙烯酸酯289

12.3.5碳氟聚合物290

12.3.6橡胶291

12.3.7聚合物的破坏291

第13章环境材料294

13.1环境材料294

13.1.1环境材料的历史背景及其概念294

13.1.2环境材料的研究内容295

13.2可降解高分子材料299

13.2.1高分子降解性的基本概念300

13.2.2高分子结构与降解性的关系301

13.2.3常见高分子材料的生物降解机理303

13.2.4典型的生物降解高分子材料及应用304

参考文献310

　　本书着重介绍材料化学的原理与方法。全书分为三个部分，第一篇分别从材料科学基础、物理化学基础、高分子材料学基础介绍材料化学的学科基础，以便读者根据自己的情况有选择地自学、完善所需的基础知识。第二篇着重阐述材料的化学合成与制备原理，这是材料化学的中心内容。第4章介绍了固相、液相、气相化学合成的原理与方法，第5～8章分别介绍了金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料的化学制备原理与方法，第9章介绍材料在化学环境中的行为及化学处理方法。第三篇以几类目前研究热门的新材料(纳米材料、能源材料、生物材料、环境材料)为例，揭示材料的组成、化学制备及处理与材料的结构、性能之间的关系，以期读者对材料化学应用领域及其独特优势起到管中窥豹的作用，在编写过程中我们注意收集了近年的学术论文和科研成果，尽量向读者介绍材料化学的最新发展。　　本书首先系统地介绍了材料化学的基础内容，然后重点介绍了材料的化学制备原理，详细讨论了金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料的不同制备方法以及材料的腐蚀与防护，最后有选择性地介绍了当今各种新材料(包括纳米材料、化学电源与能源材料、生物植入材料以及环境材料)的制备方法、应用和发展前景。本书不仅可作为高校材料专业的基础教材，同时也为行业技术人员了解材料科学基础、新材料制备技术与应用前景提供了较好的参考资料。