了得網自然科學_材料概論(普及版）(張金升)

編輯推薦

作者以全新的角度撰寫了這部簡明易懂的《材料概論》教材，不但適於課堂教學，同時適於科普自學。教材不去追求理論的深度和邏輯的連續，以日常生活中的基本知識為主線，將散見的材料方面知識集中起來並進行適當提升和深化，以此展現給學生，再加上專業老師的臨場發揮，學生容易接受，更易實現本課程的教學目標，並能對後續課程的學習起到引領作用。

內容簡介

本書的特點就是簡易通俗。本書主要按照金屬材料、有機高分子材料、無機非金屬材料、復合材料的分類繫統進行編排撰寫，對各類新材料作集中扼要介紹。在編排體例上，分為上下兩編。上編以材料歷史和發展為主線，結合材料在人類文明發展和生產生活中的作用，使人們對材料有縱向的了解，同時概述了“材料學” “材料科學與工程”的基本內容，並對高校中的“材料專業”進行了簡單介紹。目的是使學生對 “材料”有一基本了解。下編圍繞使學生進一步了解和認識材料的目的，以材料的性能、生產及應用為主線，分別介紹金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、復合材料，以及各類新材料。目的是使學生掌握生產生活中常用材料的基本知識。上下兩編基本相互獨立，根據教學需要，可以兩編都講，也可以隻講其中的任意一編。

作者簡介

張金升，山東交通學院材料科學與工程學院，教授，
1982.1-1983.7：山東淄川陶瓷廠；
1983.7-1984.7：山東省輕工美術學校，工藝班教學負責人，創辦陶瓷工藝專業；
1984.7-1988.5：山東省輕工業學校，硅酸鹽教研室主任；
1988.5-2000.9：濟南建築材料設計研究院，高級工程師，建材室主任，；
2000.9-2003.6：山東大學，攻讀博士學位，參與國家自然基金、省自然基金、博士後基金課題；
2003.6-至今：山東交通學院，主講《材料概論》、《物理化學》、《硅酸鹽工藝概論》等8門課程。
①歷年來主持完成科研項目30餘項；②獲*、省、市科技進步獎等各項獎勵20餘項，其中近年來，獲*科技進步一等獎1項（2006年1月），山東省高等學校**研成果二等獎2項（2002年6月，2009年1月），山東黃河科技進步二等獎1項（2005.8）；張金升，山東交通學院材料科學與工程學院，教授，
1982.1-1983.7：山東淄川陶瓷廠；
1983.7-1984.7：山東省輕工美術學校，工藝班教學負責人，創辦陶瓷工藝專業；
1984.7-1988.5：山東省輕工業學校，硅酸鹽教研室主任；
1988.5-2000.9：濟南建築材料設計研究院，高級工程師，建材室主任，；
2000.9-2003.6：山東大學，攻讀博士學位，參與國家自然基金、省自然基金、博士後基金課題；
2003.6-至今：山東交通學院，主講《材料概論》、《物理化學》、《硅酸鹽工藝概論》等8門課程。
①歷年來主持完成科研項目30餘項；②獲*、省、市科技進步獎等各項獎勵20餘項，其中近年來，獲*科技進步一等獎1項（2006年1月），山東省高等學校**研成果二等獎2項（2002年6月，2009年1月），山東黃河科技進步二等獎1項（2005.8）；
③獲國家發明專利3項：一種發動機排氣管及其一體化制備工藝，2004年12月。鐵鋁金屬間化合物/氧化鋯陶瓷復合材料， 2004年11月。黃土紅土質粉煤灰牆地磚的配方1999年3月。④出版專著7部；⑤主持完成生產線建設工程4項，主持可行性研究項目6項；⑥歷年來在《中國科學》等學術刊物上發表論文70餘篇。

上編材料總論
章材料概念及其範疇3
節構造(原)材料3
一、材料定義3
二、材料定義的內涵4
三、材料與物質4
第二節成品(具體應用)材料5
第三節物質材料6
第四節材料判據6
一、資源判據7
二、能源判據7
三、環保判據7
四、質量判據8
五、經濟判據8上編材料總論
章材料概念及其範疇3
節構造(原)材料3
一、材料定義3
二、材料定義的內涵4
三、材料與物質4
第二節成品(具體應用)材料5
第三節物質材料6
第四節材料判據6
一、資源判據7
二、能源判據7
三、環保判據7
四、質量判據8
五、經濟判據8
第五節材料科學四要素8
一、材料科學四面體8
二、材料的晶體結構9
三、材料的結合鍵、成分與結構10
四、材料的組織結構(微觀結構)11
五、材料的成分和組織結構的檢測12
第二章材料分類13
節按化學鍵類型及結構特征分類13
一、金屬材料13
二、無機非金屬材料15
三、有機高分子材料18
四、復合材料19
五、半導體材料20
六、化學建材21
第二節按材料發展進程分類——傳統材料和新型材料21
第三節按工程應用和材料性能分類22
第四節根據現代科學技術的門類歸屬分類23
第五節其他分類方法23
一、按用途或服役領域分類23
二、按來源分類23
三、按材料的物理狀態分類24
四、按化學成分分類24
五、按原子、分子的排列方式或結晶狀態分類24
六、按材料的物理性能分類24
七、按材料發生的物理效應分類24
八、按材料的某種特殊用途(功能)分類24
九、按生命特征分類24
十、按是否具有金屬特征分類24
十一、固體材料中按結構狀態分類25
十二、按材料的可見維度分類25
第三章材料發展史26
節總論26
一、材料發展與人類文明息息相關26
二、材料發展與文明時代的劃分27
第二節無機非金屬材料發展簡史32
一、陶瓷材料的發展歷史32
二、水泥材料發展簡史37
三、玻璃材料發展簡史45
第三節金屬材料發展簡史52
一、青銅器時代53
二、鐵器時代53
三、鋼鐵的發展53
四、現代鋼鐵工業的開端——貝塞麥把我們帶入鋼鐵時代54
五、錳鋼的誕生54
六、不鏽鋼與超級不鏽鋼的誕生55
七、切削工具材料的發展55
八、其他金屬材料的發展56
九、航空時代的驕子——鈦及鈦合金57
十、活的金屬——形狀記憶合金58
第四節有機高分子材料發展簡史58
一、人類開發和利用天然高分子的歷史59
二、現代高分子材料的發展59
三、我國高分子材料的發展61
四、高分子材料的發展趨勢與應用62
五、高分子材料改性概況63
六、醫用高分子材料發展史簡介64
第五節復合材料發展簡史65
一、古代復合材料發展歷史簡介65
二、現代復合材料67
三、先進復合材料68
四、中國先進復合材料發展狀況69
五、復合材料的應用領域和發展展望71
第四章材料與人類文明73
節材料是人類文明發展的肇始者73
第二節傳統材料的發展與人類文明74
一、以使用材料的特征命名歷史考古時代——可靠的歷史時期見證75
二、傳統材料的發展與歷史的進步75
三、傳統材料的新生80
第三節高技術材料與現代文明80
一、高新技術的先導80
二、材料在技術發達社會中的作用82
第四節材料發展與環境協調性84
一、材料的開發和使用必須考慮環境協調性和可持續發展 84
二、材料循環85
三、材料的可持續發展戰略與生態環境材料87
第五節未來材料89
一、未來材料發展的特點——材料設計和分子設計89
二、材料展望90
三、材料發展的重要方向——材料的復合化、多功能化、納米化94
第五章材料科學與工程95
節材料科學的發展階段95
一、材料的發展階段95
二、材料學的發展階段96
三、材料學的發展進程99
第二節材料科學與工程學科的興起100
第三節材料科學與工程及其內涵和特點101
一、研究內容和定義101
二、材料科學與工程的內涵102
三、材料科學與工程的特點103
第四節材料科學與工程研究的重點103
一、新工藝、新技術和新合成方法的探索103
二、組成、結構和性能的關繫104
三、重視高精度儀器設備的發展104
四、運用計算機開展研究104
五、交叉學科和復合材料104
六、納米技術的應用104
七、界面工程和晶界工程105
八、材料設計和分子設計105
第五節材料科學與工程專業培養105
一、專業範圍和基本要求105
二、業務培養目標105
三、業務培養要求105
四、應獲得的知識和能力105
五、本專業的相關學科106
六、學科結構106
七、主干學科的方法論介紹107
下編材料各論
第六章金屬材料110
節金屬材料概述110
一、金屬及金屬材料學110
素周期表中的排布及原子結構特征110
三、合金的基本結構類型111
四、金屬材料分類111
五、金屬通性112
第二節純鐵、滲碳體和工業純鐵113
一、純鐵113
二、滲碳體113
三、工業純鐵114
第三節鋼——碳鋼和合金鋼115
一、鐵碳合金的基本相115
二、碳鋼117
三、合金鋼的分類118
第四節工業用鋼119
一、工程構件用鋼和低合金結構鋼120
二、合金滲碳鋼120
三、滲氮鋼、碳氮共滲鋼和表面淬火用鋼121
四、合金調質鋼121
五、彈簧鋼122
六、滾動軸承鋼122
七、合金刃具鋼122
八、合金模具鋼123
九、合金量具鋼123
十、不鏽鋼124
十一、耐熱鋼和高溫合金124
十二、耐磨鋼125
十三、磁鋼（硅鋼）125
第五節鋼材的冶金過程125
一、鋼冶金過程熱力學125
二、煉鋼工藝和爐外精煉127
三、軋制工藝簡介131
第六節鋼材的熱處理131
一、退火132
二、正火133
三、淬火133
四、回火134
第七節鑄鐵136
一、鑄鐵概念和定義136
二、鑄鐵的組織、分類及應用138
第八節非鐵金屬（有色金屬）及其合金141
一、鋁及鋁合金141
二、銅及銅合金142
三、鈦及鈦合金144
四、鎂及鎂合金145
五、軸承合金145
第七章無機非金屬材料148
節陶瓷材料148
一、陶瓷概念和定義148
二、陶瓷的種類和範疇149
三、傳統陶瓷品種及應用153
四、傳統陶瓷基本制備方法和技術160
五、陶瓷基本性質165
六、陶瓷生產主要技術裝備169
第二節水泥及膠凝材料170
一、水泥與膠凝材料概述170
二、水泥的分類和範疇175
三、常見的水泥品種及應用176
四、水泥基本生產工藝181
五、水泥熟料中的主要礦物及對水泥性能的影響185
六、水泥主要性能和標準要求187
七、水泥生產主要技術裝備190
第三節玻璃與非晶態材料190
一、玻璃、無定形態材料和非晶態材料的概念190
二、玻璃的分類和範疇192
三、玻璃的結構194
四、常見玻璃品種及應用195
五、玻璃的基本生產工藝199
六、玻璃的主要性能和標準203
七、玻璃生產主要技術裝備205
第四節混凝土208
一、混凝土的概念208
二、混凝土的分類和範疇209
三、混凝土常見品種和應用210
四、混凝土基本生產工藝212
五、混凝土主要性能和要求214
六、混凝土生產主要技術裝備217
七、混凝土制品簡介218
第五節耐火材料219
一、耐火材料的概念219
二、耐火材料的分類和範疇、常見品種和應用220
三、耐火材料基本生產工藝226
四、耐火材料主要性能227
五、耐火材料生產主要技術裝備228
第八章有機高分子材料229
節有機高分子材料概述231
一、高分子化合物的基本概念231
二、高分子化合物的命名232
三、高分子化合物的分類232
第二節高分子材料的結構與性能233
一、高分子化合物的基本鏈結構概述233
二、高分子化合物 (非晶態) 的三種物理狀態235
第三節高分子化合物的反應、合成和高分子材料的加工236
一、高分子化合物的反應、合成236
二、高分子材料的加工概述237
第四節高分子各論238
一、塑料238
二、天然橡膠與合成橡膠242
三、纖維244
四、塗料247
五、膠黏劑248
六、功能高分子材料簡介251
第五節典型的高分子材料品種252
一、聚烯烴252
二、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物254
三、聚酰胺254
四、聚甲醛254
五、氟塑料255
六、聚砜255
七、聚甲基丙烯酸甲酯255
八、酚醛塑料255
九、環氧塑料256
十、飽和聚酯256
十一、聚酰亞胺及其他耐高溫高分子256
十二、聚苯醚256
十三、有機硅257
十四、其他257
第九章復合材料258
節概述258
一、復合材料的發展背景258
二、復合材料的含義258
三、復合材料的組成部分——增強體和增強相259
四、復合材料顯著的優勢特點262
五、復合材料分類262
第二節復合材料的性能特點263
第三節復合材料的復合理論和增強增韌機理266
一、復合原理266
二、增強機理267
三、增韌機理269
第四節復合材料的界面272
一、樹脂基復合材料的界面272
二、金屬基復合材料的界面273
三、陶瓷基復合材料的界面274
第五節樹脂基復合材料275
一、概述275
二、纖維增強樹脂基復合材料276
三、顆粒增強樹脂基復合材料279
四、樹脂基功能復合材料280
五、熱固性樹脂基復合材料281
六、熱塑性樹脂基復合材料282
第六節金屬基復合材料282
一、概述282
二、基體及增強體材料284
三、纖維增強金屬基復合材料284
四、顆粒增強金屬基復合材料287
五、原位復合材料289
六、片層疊合金屬基復合材料289
七、金屬基功能復合材料289
第七節陶瓷基復合材料290
一、陶瓷基復合材料特性290
二、陶瓷基復合材料類型291
三、陶瓷基復合材料各論292
第八節層疊復合材料和層狀結構復合材料297
一、層疊復合材料297
二、層狀結構復合材料299
第九節復合材料的制備301
一、纖維的制備301
二、樹脂基復合材料的制備303
三、金屬基復合材料的制造方法306
四、陶瓷基復合材料的制備工藝308
五、共晶復合材料的制備312
第十章新材料綜述313
節新材料導言313
第二節新材料品種概要316
一、能源材料316
二、信息材料316
三、航空航天材料317
四、生物醫學材料317
五、環境材料317
六、納米材料318
七、富勒烯材料318
八、石墨烯318
九、壓電材料319
十、熱釋電材料320
十一、鐵電材料320
十二、儲氫材料321
十三、超導材料321
十四、金屬間化合物材料322
十五、非晶材料323
十六、高分子新材料323
十七、梯度功能材料324
十八、隱身材料324
十九、智能材料和機敏材料325
參考文獻328

前言

“材料概論”這門課程雖然看似簡單，但學生普遍反映接受困難。多年來我們一直在尋找一本比較適用的《材料概論》教材，就是對學生來講容易接受且能夠消化吸收更多材料信息的教材，這個目的沒有達到，學生總是反映“材料概論”課程概念多、不易懂、有些內容專業性太強、記不住、難以掌握。為什麼看起來非常簡單的課程，學生反而掌握不了其基本內容呢？後來我們發現，原因還是出在教材上。
現有的《材料概論》教材，編著者大多是一些資深的學者、教授或有多年教學經驗和理論知識的教師，他們編寫的教材不能說不繫統、不全面，但往往忽視了一個問題，就是授課對像問題。“材料概論”的授課對像固然主要是材料專業的學生，但更值得注意的應該是低年級的學生。我們的觀點，授課對像應該是大學一年級的學生，好是剛入校的學生，而材料專業高年級開設“材料概論”，其啟蒙意義已經大打（對於非材料專業的學生，各年級開課均可，以高年級開設作為知識拓展的課程為佳）。“材料概論”這門課程雖然看似簡單，但學生普遍反映接受困難。多年來我們一直在尋找一本比較適用的《材料概論》教材，就是對學生來講容易接受且能夠消化吸收更多材料信息的教材，這個目的沒有達到，學生總是反映“材料概論”課程概念多、不易懂、有些內容專業性太強、記不住、難以掌握。為什麼看起來非常簡單的課程，學生反而掌握不了其基本內容呢？後來我們發現，原因還是出在教材上。
現有的《材料概論》教材，編著者大多是一些資深的學者、教授或有多年教學經驗和理論知識的教師，他們編寫的教材不能說不繫統、不全面，但往往忽視了一個問題，就是授課對像問題。“材料概論”的授課對像固然主要是材料專業的學生，但更值得注意的應該是低年級的學生。我們的觀點，授課對像應該是大學一年級的學生，好是剛入校的學生，而材料專業高年級開設“材料概論”，其啟蒙意義已經大打（對於非材料專業的學生，各年級開課均可，以高年級開設作為知識拓展的課程為佳）。
盡早開設“材料概論”課程，有利有弊。“利”在於學生可以盡早接觸專業，以便了解自己的專業，強化專業意識，更好地規劃自己的大學生活，不至於入學伊始就松松垮垮。尤其是當今大學生，進入大學生活後容易產生迷惘和懈怠，若再對自己的專業缺乏認識和及時的了解，就更容易失去目標而松懈下來。盡早開設“材料概論”課程，還提供了使學生盡早接觸專業老師的機會，事實證明，專業老師盡早參與學生教學工作，對學生的教育作用往往非常重要，特別是低年級學生更是如此（從這個意義上講，還應提倡專業老師適當參與學生管理和指導等）。較早開設“材料概論”課程，也有不利的方面，低年級有大量的基礎課需要學習以備後續課程之用，“材料概論”的介入可能加劇課程擁擠；低年級學生對材料知識了解甚少，突然給他們呈現如此密集的專業概念，尤其是對他們來說這些概念基本都是全新的概念，因此接受起來比較困難，這也是學生反映“材料概論”課程比較難學的主要原因。高年級學生經過幾年的耳聞目染，潛移默化地接觸了一些專業知識，學起該課程來就要容易些。
綜合考察，我們認為，盡早開設“材料概論”課程，收益遠遠大於不足，而且開設越早，收益越大。
目前的《材料概論》教材，之所以不太適合教學要求，尤其不適合低年級學生，原因就在於編著者大多是把《材料概論》當作一部學術著作來編寫，或者揉入了太多的理論成分，求全求深求透。殊不知，這與教學要求是不吻合的，與學生尤其是低年級學生的接受能力是不匹配的。理論性很深而實踐性不強，往往把那些基本的、初學者或普通人關心的、應該掌握和了解的材料知識忽略了，甚至隻顧追求高精深，而使一些基本的知識出現一些舛誤，說到底，就是“不接地氣”。其實，研究工作開展到較高層次並要解決實際問題時，人們纔發現，我們缺乏的還是那些基本的東西。
編教材難，編著好的教材更難。關鍵要把握的一點，還是以學生為本，充分考慮授課對像（當然，某些教材需要照顧到較寬廣的讀者群）。我們認為，由於材料科學的復雜性和涵蓋的廣泛性，對於《材料概論》教材，不應將其作為一部學術著作編寫，甚或不可一味將其作為專業教材編寫，應該將其作為一部科普著作編寫，這樣學生纔能更易接受，我們的教學目的纔能達到。基於這種考慮，我們不避鄙陋，以全新的角度撰寫了這部簡明易懂的《材料概論》，不但適於課堂教學，同時適於科普自學。教材不去追求理論的深度和邏輯的連續，而是以日常生活中的基本知識為主線，將散見的材料方面知識集中起來並進行適當提升和深化，以此展現給學生，再加上專業老師的臨場發揮，學生容易接受，更易實現本課程的教學目標，並能對後續課程的學習起到引領作用，這便是我們的初衷。
本書編寫的目的是為了做好普及工作，即基礎工作。而實際上普及工作是不好做的，一方面要具有深入淺出的功夫，另一方面當前大部分做理論研究或深入研究工作的學者，往往對基礎的工作比較忽視，所以，雖然研究工作做得有聲有色，但普及工作卻做不來，或沒有精力去做，而做好普及工作必須具備深厚的理論功底，同時要下大功夫。要寫一本深入淺出的教材殊非易事，必須把各種知識喫得很透，尤其是《材料概論》，涉及材料種類繁多，更需要做很多深入細致的工作。本書在“深入淺出”上並不一定做得很好，但至少是一次有益的嘗試。
材料學科涵蓋極廣，門類愈分愈細，各類材料之間雖有聯繫但差距甚大，諸如金屬、有機高分子、無機非金屬等材料，從結構、性能到原理、工藝等差別很大，以一人之力而講授多種材料，恐難發揮到。建議在有條件的情況下，“材料概論”課程可由不同材料方向的多名教師授課，一是可更好地展現材料之美，二是讓學生在時間接觸更多的專業老師，讓更多的專業老師參與到低年級學生的培養教育中，三是專業老師還可以藉此更好地開展教研活動和學術交流。一般“材料概論”課程的課時量較少，多名教師參與授課時，也可采取講座形式，而以教材作參照。
本書主要按照金屬材料、有機高分子材料、無機非金屬材料、復合材料的分類繫統進行編排撰寫，對各類新材料做集中扼要介紹。在編排體例上，分為上下兩編。上編以材料歷史和發展為主線，結合材料在人類文明發展和生產生活中的作用，使讀者對材料有縱向的了解，同時概述了“材料學”和“材料科學與工程”的基本內容，並對高校中的“材料專業”進行了簡單介紹。目的是使學生對“材料”有一個基本了解。下編圍繞使學生進一步了解和認識材料的目的，以材料的性能、生產及應用為主線，分別介紹金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、復合材料以及各類新材料。目的是使學生掌握生產生活中常用材料的基本知識。上下兩編基本相互獨立，根據教學需要，可以兩編都講，也可以隻講其中的任意一編。
本書主要適用於高等學校各類材料專業，也可適用於使用材料生產相關產品的專業、使用材料進行相關工程建設的專業等。本教材不求理論深度，而以科普形式撰寫，因此不單適用於材料專業教學，同樣會受到相關專業的歡迎。
我們希望達到這樣的目的，為高等學校材料類專業的學生，提供一本比較容易接受的、能夠消化吸收多信息的材料知識普及教材。作者學力不逮，鬥膽惶恐，雖有力不勝任之感，然為教學所需，故勉力為之。因學識有限，書中不當之處在所難免，作為拋磚引玉之作，一方面希冀業內同行不吝賜教，另一方面也希望有更多更好更簡明適用的《材料概論》方面的著作問世。
本書由山東交通學院材料科學與工程學院張金升教授、山東大學陳敏博士、中國石油大學(華東)甄玉花博士、山東交通學院魏長寶老師負責撰寫，從立意到撰寫完成歷時3年多，撰寫過程中參閱了大量國內外技術資料和成果，並得到許多專家教授的熱心幫助和指導，在這裡謹向書中提及和未提及的專家學者表示衷心的感謝。

編著者謹識
2016年4月

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