第1章緒論

1.1材料與化學/1

1.2材料的分類/3

1.3材料化學的特點/4

1.4材料化學在各個領域的應用/5

1.4.1生物醫藥領域/5

1.4.2電子信息領域/6

1.4.3環境和能源領域/6

1.4.4結構材料領域/6

1.5材料化學的主要內容/6

參考文獻/8

思考題/8



第2章材料中的化學

素和化學鍵/9

2.素及其性質/9

2.1.2原子間的鍵合/10

2.1.3原子間的相互作用與鍵能/12

2.2晶體學基本概念/14

2.2.1晶體和非晶體/15

2.2.2晶格、晶胞和晶格參數/16

2.2.3晶向指數和晶面指數/16

2.2.4晶面間距/18

2.2.5晶繫/18

2.3晶體缺陷/19

2.3.1點缺陷/20

2.3.2線缺陷和位錯/23

2.3.3面缺陷/26

2.3.4體缺陷/28

2.4化學熱力學基礎及應用/28

2.4.1化學熱力學回顧/28

2.4.2化學熱力學在材料研究中的應用/30

2.5材料界面熱力學/35

2.5.1表面張力和表面能/35

2.5.2潤濕和接觸角/38

2.5.3彎曲表面熱力學/42

2.5.4固體表面的吸附/44

2.6電化學基礎/46

2.6.1原電池基本概念/46

2.6.2原電池的熱力學——能斯特方程/47

2.6.3電極電勢/48

2.6.4電解/49

2.7相圖及其應用/52

2.7.1相平衡與相律/53

2.7.2相圖/53

參考文獻/64

思考題/65



第3章材料的結構

3.1金屬材料的結構/67

3.1.1金屬晶體/67

3.1.2多晶結構/70

3.1.3固溶體/70

3.2無機非金屬材料的結構/73

3.2.1離子晶體/74

3.2.2硅酸鹽結構/82

3.2.3共價晶體/87

3.3高分子材料的結構/87

3.3.1高分子鏈的化學組成/88

3.3.2高分子鏈的鍵接方式/89

3.3.3高分子鏈的幾何形態/89

3.3.4高分子鏈的構型/90

3.3.5高分子鏈的柔順性/91

3.3.6聚合物的晶態結構/92

參考文獻/93

思考題/94



第4章材料的性能

4.1化學性能/95

4.1.1耐氧化性/95

4.1.2耐酸堿性/96

4.1.3耐有機溶劑性/97

4.1.4耐老化性/97

4.2力學性能/98

4.2.1材料的強度/99

4.2.2材料的硬度/101

4.2.3疲勞性能/101

4.3熱性能/102

4.3.1比熱容/102

4.3.2熱膨脹/102

4.3.3熱傳導/104

4.4電性能/105

4.4.1導電性能/105

4.4.2介電性能/107

4.4.3鐵電性與壓電性/108

4.5磁性/109

4.5.1磁性的基本概念/109

4.5.2磁性的種類/109

4.5.3磁疇和磁化曲線/110

4.6光學性能/111

4.6.1光的吸收和透過/111

4.6.2光的反射和折射/113

4.6.3材料的顏色/113

參考文獻/114

思考題/114



第5章材料的制備

5.1金屬材料的制備/116

5.1.1冶金工藝/116

5.1.2金屬材料熱處理/118

5.1.3非晶金屬材料的制備/119

5.2陶瓷工藝/120

5.2.1原材料/121

5.2.2陶瓷粉體的制備/123

5.2.3陶瓷的燒結/124

5.3高分子材料制備/125

5.3.1自由基型聚合反應/126

5.3.2離子型聚合反應/127

5.3.3縮合聚合/129

5.3.4聚合實施方法/131

5.4晶體生長技術/133

5.4.1熔體生長法/133

5.4.2溶液生長法/136

5.5氣相沉積法/137

5.5.1物理氣相沉積法/137

5.5.2化學氣相沉積法/140

5.6溶膠凝膠法/147

5.6.1溶膠凝膠法的基本原理/147

5.6.2溶膠凝膠法的應用/149

5.6.3溶膠凝膠法的優點和弱點/150

5.7液相沉澱法/150

5.7.1直接沉澱法/150

5.7.2共沉澱法/151

5.7.3均勻沉澱法/151

5.8固相反應/151

5.8.1固相反應分類/152

5.8.2固相反應的特點/152

5.8.3固相反應的過程和機理/152

5.8.4影響固相反應的因素/153

5.8.5固相反應實例/154

5.9插層法和反插層法/155

5.10自蔓延高溫合成法/156

5.10.1自蔓延高溫合成法機理/157

5.10.2自蔓延高溫合成法的化學反應類型/158

5.10.3自蔓延高溫合成技術類型/159

5.11自組裝技術/161

5.11.1自組裝的種類/161

5.11.2自組裝膜/162

5.11.3自組裝膠體晶體/162

參考文獻/164

思考題/164



第6章電子與微電子材料

6.1導電材料/166

6.1.1金屬導電材料/167

6.1.2快離子導體/167

6.1.3聚合物導電材料/170

6.1.4電阻材料/172

6.2介電材料/174

6.2.1材料的介電性及介電材料/174

6.2.2壓電材料/175

6.2.3熱釋電材料/176

6.2.4鐵電材料/177

6.3半導體材料/178

6.3.1半導體材料概述/178

6.3.2半導體分類及特點/178

6.3.3單質硅半導體材料/180

6.3.4重要的化合物半導體/182

6.3.5半導體材料的應用/184

6.4微電子材料/185

6.4.1IC襯底材料/185

6.4.2柵結構材料/186

6.4.3存儲電容材料/186

6.4.4局域互聯材料/187

6.4.5光刻膠/187

6.4.6電子封裝材料/190

參考文獻/194

思考題/194



第7章光子材料

7.1概述/195

7.2光纖材料/195

7.2.1光纖的基本構造/196

7.2.2光纖材料的分類/196

7.2.3石英光纖制作/198

7.3光子晶體/199

7.3.1光子晶體概念與特性/199

7.3.2光子晶體材料與制作/200

7.3.3光子晶體應用/201

7.4液晶材料/202

7.4.1液晶分類/203

7.4.2液晶的分子結構特征/204

7.4.3液晶材料應用/205

7.5光學透明導電材料/207

7.5.1金屬透明導電薄膜/207

7.5.2金屬氧化透明導電膜/207

7.5.3石墨烯/209

7.5.4透明導電膜應用/209

7.6非線性光學材料/209

7.6.1無機非線性光學材料/210

7.6.2有機非線性光學材料/210

7.6.3其他非線性光學材料/211

7.7發光材料/212

7.7.1發光過程與發光材料/212

7.7.2光致發光/213

7.7.3陰極射線發光材料/218

7.7.4電致發光材料/218

7.8激光材料/222

7.8.1激光晶體的發光原理/222

7.8.2固體激光器材料/223

7.8.3氣體激光器材料/224

7.8.4染料激光/224

7.8.5半導體激光/225

參考文獻/225

思考題/226



第8章生物醫用材料

8.1生物醫用材料概述/227

8.1.1生物醫用材料的內涵/227

8.1.2生物醫用材料的分類/227

8.1.3生物醫用材料的基本要求/228

8.2生物醫用材料表面改性/229

8.2.1材料表面形貌控制/229

8.2.2生物醫用材料的表面修飾/230

8.2.3等離子體表面處理/231

8.2.4離子注入表面改性/231

8.2.5自組裝單分子層/231

8.3生物醫用金屬材料/232

8.3.1生物醫用金屬材料的性能要求/232

8.3.2常用生物醫用金屬材料/232

8.4生物陶瓷/235

8.4.1生物陶瓷的種類和特點/236

8.4.2生物陶瓷的制備/238

8.5生物醫用高分子材料/241

8.5.1生物醫用高分子材料的種類/241

8.5.2生物醫用高分子材料的要求/242

8.5.3生物可降解高分子材料及其應用/243

8.5.4醫藥高分子/246

8.6納米生物材料/251

8.6.1納米生物材料的分類/252

8.6.2納米載體/252

8.6.3納米細胞分離技術/254

8.6.4染色納米材料/255

8.6.5納米抗菌藥及創傷敷料/256

8.6.6組織工程中的納米生物材料/256

參考文獻/256

思考題/257



第9章高性能復合材料

9.1復合材料概述/258

9.2復合材料的命名與分類/259

9.3復合材料的基體材料/260

9.3.1金屬基體材料/260

9.3.2無機非金屬材料（陶瓷）/261

9.3.3聚合物基體材料/262

9.4復合材料的增強相/264

9.4.1纖維增強體/265

9.4.2晶須增強體/269

9.4.3顆粒增強體/270

9.5復合材料主要性能與制造/271

9.5.1聚合物基復合材料/271

9.5.2金屬基復合材料/273

9.5.3陶瓷基復合材料/276

參考文獻/277

思考題/278



第10 章納米材料

10.1納米材料的種類/280

10.1.1零維納米材料/281

10.1.2一維納米材料/282

10.1.3二維納米材料/283

10.1.4納米固體材料/285

10.1.5納米復合材料/285

10.2納米材料的特性/285

10.2.1納米效應/286

10.2.2納米材料的特殊性質/287

10.3納米材料的制備/289

10.3.1物理方法/289

10.3.2化學方法/292

10.3.3納米體的分散及穩定化/297

10.4納米材料的應用/299

10.4.1結構材料領域/299

10.4.2光學特性材料領域/300

10.4.3生物醫學領域/300

10.4.4磁性材料領域/300

10.4.5催化方面的應用/301

10.4.6塗料領域的應用/301

10.4.7其他精細化工中的應用/302

參考文獻/302

思考題/303



第11章能源材料

11.1概述/304

11.1.1能源材料的種類/304

11.1.2能源材料的發展現狀/304

11.2儲氫材料/305

11.2.1儲氫方式/306

11.2.2主要儲氫材料/307

11.3二次電池材料/310

11.3.1二次電池工作原理簡介/310

11.3.2鋰離子電池的特點/310

11.3.3鋰離子電池的組成和材料/311

11.4燃料電池材料/317

11.4.1燃料電池概述/317

11.4.2質子交換膜燃料電池材料/317

11.4.3熔融碳酸鹽燃料電池材料/319

11.4.4固體氧化物燃料電池材料/320

11.4.5堿性燃料電池材料/321

11.4.6磷酸燃料電池材料/321

11.5太陽能電池/322

11.5.1太陽能電池材料概述/322

11.5.2硅基太陽能電池/323

11.5.3化合物太陽能電池/324

11.5.4新型太陽能電池/325

11.6核能材料/325

11.6.1概述/325

11.6.2裂變反應堆材料/326

11.6.3核聚變材料/329

參考文獻/331

思考題/331



第12章環境材料

12.1綠色包裝材料/333

12.1.1重復再用和再生的包裝材料/333

12.1.2可降解包裝材料/335

12.2綠色建築材料/336

12.2.1建築材料與環境/336

12.2.2生態水泥/336

12.2.3生態混凝土/338

12.2.4生態玻璃/339

12.3環境可降解材料/341

12.3.1光降解高分子材料/341

12.3.2生物降解高分子材料/343

12.4環境淨化材料/349

12.4.1顆粒物過濾材料/349

12.4.2吸附分離材料/352

12.4.3膜分離材料/355

12.4.4環境淨化光催化劑/362

參考文獻/366

思考題/366

前言

在2013年出版的《材料化學》第2版的架構中，主要圍繞材料的結構、性能、制備、應用這四個要素展開，並把化學原理和方法滲入其中，層層遞進，以期構築一個內容較為完整、結構較為明晰的材料化學體繫。本次教材修訂改版總體上仍保留了第2版的思路脈絡，基於教材第2版出版以來的使用情況，對原教材在結構和內容上進行了適當的調整和完善。首先，把原來包含在各章節中的化學基礎知識提取出來作為單獨一章（第2章），並在該章中增加了電化學基礎的內容，原第4章“材料化學熱力學”的內容作為基礎知識合並到第2章中。通過這樣的調整，使教材的結構更明晰，更有層次感。其次，考慮到當今社會對於能源和環境問題的關注度越來越高，在這次修訂改版中增加了能源材料（第11章）和環境材料（第12章），第3版教材在新材料領域方面將更加完備。後這次對第2版中的第6章“電子與微電子材料”和第7章“光子材料”進行了較大規模的壓縮修訂，著重突出這兩大類材料所涉及的化學方面的內容。

與第2版類似，第3版的前5章在內容上更繫統，基本上可以自成一體，因此可以把前5章作為授課主體內容。後7章涉及材料的多個領域，可以根據專業特點、授課對像的水平層次以及課時數等實際情況，有選擇性地進行介紹或作為學生的擴展閱讀材料。

本書第3版的第1～5章以及第8章、第10章、第12章由曾兆華編寫，第6章、第7章和第9章由楊建文編寫（本版中第6章、第7章由曾兆華作了修訂），第11章由劉衛和黃盛共同編寫。本次修訂，得到了中山大學材料科學與工程學院的大力支持，考慮到材料化學課程建設的需要，邀請劉衛和黃盛兩位老師參與編寫，孟躍中老師和宋樹芹老師對教材編寫和課程建設給予了有益的建議和支持，在此感謝。

希望本書對材料化學的教學及材料領域相關工作有所幫助，也懇請各位教師、學生和其他讀者對本書中的疏漏和不足給予指正。後，感謝在教學中采用本教材的師生，您的支持是我們不斷改進、完善教材的動力。



編者

2022年春於中山大學康樂園





版前言

能源、信息和材料被認為是當今社會發展的三大支柱，其中材料更是科學技術發展的物質基礎，沒有先進的材料，就沒有先進的工業、農業和科學技術。從世界科技發展史看，重大的技術革新往往起始於材料的革新，而近代新技術（如原子能、計算機、集成電路、航天工業等）的發展又促進了新材料的研制 。因此，近年來材料科學技術受到人們的普遍重視並獲得迅猛發展。

材料化學伴隨著材料科學的發展而誕生和成長，它是材料科學的重要組成部分，又是化學學科的一個分支。材料化學從分子水平到宏觀尺度認識結構與性能的相互關繫，從而調節改良材料的組成、結構和合成技術及相關的分析技術，並發展出新型的具有優異性能的先進材料。

目前很多高等學校的化學類專業開設了材料化學這門課程。我們基於幾年來對這門課程的教學體會，並吸取了國內外同類教材及相關專業述著的精華，編寫了這本《材料化學》。

本書的第2～5章涉及材料的結構、性能、制備等材料化學的基本內容；第6～9章則以四大類材料（金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料）為主線，對不同種類的材料進行介紹，其中涉及各種現代先進材料如高性能金屬材料、功能陶瓷、電子信息材料、生物醫用材料、航空航天材料、能源材料、感光材料等，敘述各種材料的性能和行為與其成分及內部組織結構之間的關繫。另外，納米材料從組成來看，可以是四大類材料（金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料）中的一種，但其尺度和特性卻與傳統材料有著明顯的差異，因此本書後另闢一章（第10章）專門介紹納米材料。

本書可作為高等學校材料化學課程的教材，也可作為材料科學工作者的參考書。本書第1～5章、第10章由曾兆華編寫，第6～9章由楊建文編寫。希望本書對材料化學的教學及材料相關工作能有所幫助，也懇請大家對本書出現的不足給予指正。



編者

2008年1月





第二版前言

本書自2008年出版以來，已有5年時間。鋻於材料科學領域近年來發展迅速，以及本書使用過程中發現的一些問題，有必要對本書加以修訂。

本書第二版的基本架構與版相同，但在內容上做了適當調整。整體上仍然分為兩部分，部分（第2～5章）主要包含材料化學的基本內容，涉及材料的結構、性能、制備和材料化學熱力學；第二部分（第6～10章）具體介紹各類高性能材料或功能材料。其中在第二部分的內容上調整較大。版的第二部分按四大類材料（金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料以及高性能復合材料）和納米材料進行逐章介紹，內容上較繫統，但有些寬泛。在第二版中，我們主要是按材料的不同應用領域分章介紹，包括電子與微電子材料、光子材料、生物醫用材料這些當今應用廣泛和備受關注的新型材料，加上版原有的高性能復合材料和納米材料，共5章。此外，第二版中的部分的內容進行了相應的調整充實。例如在原版的第6～8章中包含有金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料的結構和制備的相關內容，而在第二版中都融合到部分相應章節中；考慮到材料界面和表面特性在材料研究和應用中的重要性，在第4章“材料化學熱力學”中增加了“材料界面熱力學”；在第5章“材料的制備”中增加了“自組裝技術”。這樣，第二版的前5章在內容上更繫統，基本上可以自成一體。對於少課時（36課時及以下）的材料化學課程來說，可以把前5章作為授課主體內容，後5章作為擴展閱讀材料。對於較多課時的課程來說，可以根據專業特點、授課對像的水平層次以及課時數等實際情況，對後5章的內容有選擇性地進行介紹。

本書第二版的第1～5章以及第8章、第10章由曾兆華編寫，第6章、第7章和第9章由楊建文編寫。希望本書對材料化學的教學及材料領域相關工作有所幫助，也懇請教師和讀者對本書出現的不足給予指正。特別是對於一直使用本書版作為授課教材的各校教師，如果對改版後本書在內容和結構上的改變有不同看法，希望大家給予意見及建議。正是大家對本書（版）的認可和采用，並給予了不少寶貴建議，使我們有動力投入時間和精力對本書進行了較繫統和細致的修訂。



編者

2013年春於中山大學