第1章 晶體幾何基礎 1

1.1 晶體的定義 1

1.1.1 晶體內部結構的周期性 1

1.1.2 晶體結構與空間點陣 2

1.1.3 晶體的特性 4

1.2 晶體的宏觀對稱性 5

1.2.1 對稱概念 5

1.2.2 晶體的對稱性 5

1.2.3 宏觀對稱要素和對稱操作 6

1.3 晶體的 32 種點群及分類 9

1.3.1 對稱要素組合定理 9

1.3.2 點群 10

1.3.3 國際符號的書寫法則 11

1.4 晶體的定向素表示方法 12

1.4.1 晶體定向 12

1.4.2 結點表示方法 13

1.4.3 晶向（晶稜）表示方法 14

1.4.4 晶面表示方法 14

1.4.5 晶面指數和晶向指數的關繫 16

1.5 晶體構造的幾何規律 16

1.5.1 14 種布拉維格子 17

1.5.2 晶胞 20

1.6 晶體內部構造的對稱要素 20

1.6.1 微觀對稱要素 20

1.6.2 空間群 21

1.6.3 空間群的國際符號 24

本章小結 24

思考題與習題 25



第2章 晶體化學基礎及理想晶體結構 26

2.1 晶體化學基本原理 26

2.1.1 緊密堆積原理 26

2.1.2 配位數和配位多面體 29

2.1.3 離子半徑 30

2.1.4 離子極化 32

2.2 鮑林規則 33

2.2.1 規則（負離子配位多面體規則） 33

2.2.2 第二規則（電價規則、靜電鍵規則） 34

2.2.3 第三規則（負離子配位多面體共頂、共稜和共面規則） 34

2.2.4 第四規則（不同種類正離子配位多面體間連接規則） 35

2.2.5 第五規則（節約規則） 35

2.3 常見離子晶體 36

2.3.1 AB 型結構 36

2.3.2 AB2 型結構 39

2.3.3 A2B3 型結構 41

2.3.4 ABO3 型結構 41

2.3.5 AB2O4 型結構 43

2.4 硅酸鹽晶體 45

2.4.1 硅酸鹽晶體的一般特點及分類 45

2.4.2 島狀結構硅酸鹽 46

2.4.3 組群狀結構硅酸鹽 49

2.4.4 鏈狀結構硅酸鹽 50

2.4.5 層狀結構硅酸鹽 52

2.4.6 架狀結構硅酸鹽 56

2.5 其他常見非氧化物晶體 60

2.6 常見鋁酸鹽晶體 60

本章小結 62

思考題與習題 63



第3章 晶體結構缺陷 65

3.1 點缺陷 65

3.2 固溶體 68

3.2.1 固溶體的概念和分類 68

3.2.2 置換固溶體 69

3.2.3 間隙固溶體 70

3.2.4 固溶體的研究意義 70

3.2.5 缺陷符號及缺陷反應方程式寫法 71

3.2.6 固溶體類型的實驗判別 74

3.3 非化學計量化合物 76

3.3.1 負離子空位型（n 型） 76

3.3.2 正離子間隙型（n 型） 77

3.3.3 負離子間隙型（p 型） 78

3.3.4 正離子空位型（p 型） 78

3.4 線缺陷 79

3.4.1 刃型位錯 79

3.4.2 螺型位錯 80

3.4.3 混合位錯 81

3.4.4 伯格斯矢量 81

3.4.5 位錯的運動 82

3.4.6 位錯的連續性及位錯密度 83

3.5 面缺陷 84

3.5.1 外表面 84

3.5.2 晶界和亞晶界 84

3.5.3 晶界的特性 85

本章小結 86

思考題與習題 87



第4章 熔體和非晶態固體 88

4.1 熔體的結構 88

4.1.1 對熔體的一般認識 88

4.1.2 熔體聚合物結構理論 89

4.2 熔體的性質 91

4.2.1 黏度 92

4.2.2 表面張力 96

4.3 玻璃的形成 97

4.3.1 玻璃的通性 98

4.3.2 玻璃形成的方法 99

4.3.3 玻璃形成的熱力學條件 100

4.3.4 玻璃形成的動力學條件 100

4.3.5 玻璃形成的結晶化學條件 103

4.4 玻璃的結構 106

4.4.1 無規則網絡模型 107

4.4.2 晶子結構模型 108

4.4.3 無規密堆積模型 110

4.4.4 拓撲無序模型 110

4.5 典型的玻璃類型 110

4.5.1 硅酸鹽玻璃 110

4.5.2 硼酸鹽玻璃 113

4.5.3 其他非氧化物玻璃 114

本章小結 115

思考題與習題 115



第5章 固體表面與界面 117

5.1 固體表面特征及其結構 117

5.1.1 固體的表面特征 117

5.1.2 表面力場 118

5.1.3 表面自由能和表面張力 119

5.1.4 固體表面結構 121

5.2 晶態固體界面及其結構 125

5.2.1 陶瓷晶界的結構特征 125

5.2.2 多晶組織 126

5.2.3 晶界應力 128

5.3 界面行為 129

5.3.1 彎曲表面效應 130

5.3.2 潤濕與黏附 133

5.3.3 吸附與表面改性 136

5.4 黏土-水繫統膠體化學 137

5.4.1 黏土的荷電性 137

5.4.2 黏土的離子吸附與交換 139

5.4.3 黏土膠體的電動性質 142

5.4.4 黏土-水繫的膠體性質 145

5.4.5 瘠性料的懸浮與塑化 153

本章小結 155

思考題與習題 156



第6章 熱力學應用 157



第7章 相平衡狀態圖 158

7.1 相平衡概述及其研究方法 158

7.1.1 熱力學平衡態與非平衡態 159

7.1.2 基本概念 159

7.1.3 相平衡的研究方法 161

7.繫統 164

7.2.1 水型物質與硫型物質 164

7.2.2 具有同質多晶轉繫統相圖 165

7.2.3 SiO2 繫統 165

7.2.4 ZrO2 繫統 167

7.繫統 168

7.3.凝聚繫統相圖的基本類型 168

7.3.繫統相圖的舉例 176

7.繫統 181

7.4.相圖一般原理 181

7.4.2 濃度三角形的幾個基本規則 182

7.4.相圖的基本類型和基本規律 187

7.4.4 相圖及其應用 205

7.交互繫統 219

本章小結 219

思考題與習題 219



第8章 擴散 222

8.1 固體中的擴散特點 222

8.2 擴散的宏觀動力學方程 223

8.2.1 菲克定律 223

8.2.2 菲克第二定律 224

8.3 擴散的熱力學理論（擴散的推動力）225

8.4 擴散的布朗運動理論 227

8.5 擴散機構與擴散繫數 229

8.5.1 固體擴散的機構 229

8.5.2 擴散繫數與擴散機構的關繫 230

8.5.3 擴散繫數的測定 233

8.5.4 擴散過程術語和概念 234

8.6 影響擴散的因素 235

8.6.1 溫度 235

8.6.2 雜質 236

8.6.3 氣氛 236

8.6.4 固溶體類型 237

8.6.5 擴散物質性質與結構的影響 237

8.6.6 結構缺陷對擴散的影響 238

本章小結 240

思考題與習題 240



第9章 固相反應 242

9.1 固相反應的定義、分類與特點 242

9.1.1 固相反應的定義及研究對像 242

9.1.2 固相反應的分類 243

9.1.3 固相反應的特點 244

9.1.4 固相反應的熱力學 246

9.2 固相反應機理 247

9.2.1 界面上的化學反應機理 248

9.2.2 相界面上反應和離子擴散的關繫 249

9.2.3 中間產物和連續反應 250

9.3 固相反應動力學 251

9.3.1 固相反應一般動力學關繫 251

9.3.2 化學動力學範圍 253

9.3.3 擴散動力學範圍 256

9.3.4 通過流體相傳輸的固相反應和動力學方程 262

9.3.5 過渡範圍 265

9.4 固相反應應用 267

9.4.1 高嶺土的莫來石化過程 267

9.4.2 高嶺土的脫水反應 267

9.5 影響固相反應的因素 269

9.5.1 反應物化學組成與結構的影響 269

9.5.2 反應物顆粒尺寸及分布的影響 269

9.5.3 反應溫度、壓力與氣氛的影響 270

9.5.4 礦化劑及其他影響因素 271

本章小結 272

思考題與習題 272



第10章 相變 273

10.1 相變的分類 273

10.1.1 按熱力學分類 274

10.1.2 按相變方式分類 275

10.1.3 按質點遷移特征分類 275

10.2 液-固相變過程 276

10.2.1 液-固相變過程熱力學 276

10.2.2 液-固相變過程動力學 279

10.3 液-液相變過程 287

10.3.1 液相的不混溶性（玻璃的分相） 288

10.3.2 分相本質 290

10.3.3 分相範圍 291

10.3.4 分相機理 291

10.3.5 分相對玻璃性質的影響 291

10.4 固-固相變過程 292

10.4.1 固-固相變的形核過程 292

10.4.2 同質多晶轉變 294

10.4.3 有序-無序轉變 294

10.4.4 馬氏體相變 295

10.4.5 鐵電相變 296

10.4.6 多晶轉變動力學過程示例 297

10.5 氣-固（液）相變過程 299

10.5.1 凝聚和蒸發平衡 299

10.5.2 蒸發 300

10.5.3 凝聚 300

10.5.4 物理氣相沉積技術 301

10.5.5 化學氣相沉積技術 301

本章小結 301

思考題與習題 302



第11章 燒結 303

11.1 燒結概述 304

11.1.1 燒結的定義及研究對像 304

11.1.2 燒結理論的研究與發展 304

11.1.3 燒結分類 305

11.1.4 與燒結相關的一些概念 306

11.1.5 燒結模型 307

11.2 燒結過程、燒結過程熱力學和燒結機理 308

11.2.1 燒結過程 308

11.2.2 燒結過程的熱力學 310

11.2.3 燒結傳質過程 314

11.3 固相燒結機理 318

11.3.1 蒸發-凝聚傳質 318

11.3.2 擴散傳質 320

11.4 液相燒結機理 326

11.4.1 液相燒結特點 326

11.4.2 流動傳質機理 327

11.4.3 溶解-沉澱傳質機理 329

11.4.4 各種傳質機理分析比較 331

11.5 燒結過程中的晶粒長大和二次再結晶 332

11.5.1 初次再結晶 332

11.5.2 晶粒長大 333

11.5.3 二次再結晶 337

11.5.4 晶界在燒結中的作用 338

11.6 強化燒結 339

11.6.1 缺陷強化燒結 339

11.6.2 液相強化燒結 342

11.6.3 壓力強化燒結 343

11.6.4 特殊燒結技術 345

11.7 燒結過程中的計算機模擬理論與實踐 347

11.7.1 計算機模擬技術 347

11.7.2 燒結過程的計算機模擬 348

11.8 影響燒結的因素 349

11.8.1 原始粉料的粒度 349

11.8.2 外加劑的作用 349

11.8.3 燒結溫度和保溫時間 350

11.8.4 鹽類的選擇和煆燒條件 351

11.8.5 氣氛的影響 351

11.8.6 壓力的影響 352

本章小結 353

思考題與習題 353



附 錄 355

附錄 1 基本物理常數和單位換算 355

附錄 2 熱容 355

附錄 3 一些物質的熔點、熔化熱、沸點、蒸發熱 358

附錄 4 一些單質和化合物的標準生成焓、標準生成吉布斯自由能與標準熵值（101.325kPa、298K） 361

附錄 5 一些化合物的標準生成吉布斯自由能與 T 的關繫 365

附錄 6 由氧化物生成復合氧化物的標準吉布斯自由能與 T 的關繫 368



參考文獻 371

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繫和變化規律的一門應用基礎學科。無機非金屬材料是材料學的重要組成部分，它不僅是人類認識和應用早的材料，而且具有一些金屬材料和高分子材料所無法比擬的優異性能，在現代科學技術和國民經濟中占有越來越重要的地位。傳統的無機非金屬材料主要以陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等硅酸鹽材料為主，是工業和基本建設所必需的基礎材料。 “無機材料科學基礎”是介紹無機非金屬材料的形成規律、微觀結構和性能以及它們之間相互關繫的一門重要基礎理論課程。

本書主要涉及無機材料的形成規律和微觀結構等相關內容，主要包括無機晶體的結構與缺陷，非晶態固體，材料表面與界面，無機材料熱力學以及無機材料制備過程中的物質傳遞、相平衡、相與相之間的轉變、固體與固體反應形成新的固體和粉末的燒結等。在編寫過程中，編者注重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繫與變化關繫，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的科學基礎。在編寫過程中還注重吸收國內外的成果。

本書可作為高等院校材料科學與工程專業或無機非金屬材料工程專業學生繫統學習無機非金屬材料學科相關基礎知識的教材或教學參考書，也可供無機非金屬材料科技工作者，特別是從事耐火材料生產與研究的人員參考。

本書由武漢科技大學無機非金屬材料工程繫的幾位教師編寫。全書共11章，第1～3章由韓兵強編寫；第4～6章由李淑靜編寫；第7章由梁永和與聶建華編寫；第8～11章由聶建華編寫。全書由韓兵強負責統稿。

本書在編寫過程中得到各方面同志的大力支持，他們提出許多寶貴意見並提供了有關資料，特在此表示衷心感謝。

由於編者水平所限，書中難免存在疏漏，敬請讀者指正。



編者

2022年1月