無機(jī)材料的結(jié)構(gòu)與性能(李國華)
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《無機(jī)材料的結(jié)構(gòu)與性能》是編者長(zhǎng)期從事無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能教學(xué)和科研工作的積累,目的是剖析不同尺度下無機(jī)材料的結(jié)構(gòu)特征及其與性能的關(guān)聯(lián)性。本書在介紹無機(jī)材料及晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上,著重介紹了無機(jī)材料的表面結(jié)構(gòu)、晶格結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)及其與性能的關(guān)聯(lián)性,并將材料科學(xué)的新分支納米材料的相關(guān)內(nèi)容融入其中,然后結(jié)合科研實(shí)踐及無機(jī)材料研究的發(fā)展趨勢(shì),闡述了碳(單質(zhì))、碳化鎢(填隙結(jié)構(gòu))和二氧化鈦(二元化合物)材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)聯(lián)性,旨在為廣大讀者建立材料多尺度結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。《無機(jī)材料的結(jié)構(gòu)與性能》的讀者對(duì)象主要為高等學(xué)校無機(jī)非金屬材料專業(yè)的研究生,也可供材料專業(yè)的本科生和相關(guān)工程技術(shù)人員參考。
如何提升材料的性能,不僅是材料專業(yè)技術(shù)人員的研究工作重點(diǎn),也是材料相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員最為關(guān)心的科學(xué)問題,尤其是對(duì)高等學(xué)校材料及相關(guān)專業(yè)的研究生而言,科學(xué)地理解并掌握材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)聯(lián)性,不僅有利于提高其對(duì)學(xué)習(xí)的興趣與主觀能動(dòng)性,更有助于其今后的工作及在材料科學(xué)方面取得一定的成就。 為達(dá)到上述目標(biāo),鑒于高等學(xué)校材料及相關(guān)專業(yè)研究生的材料科學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱這一實(shí)際情況,本書詳細(xì)地闡述了無機(jī)材料及晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí),以夯實(shí)他們的材料科學(xué)基礎(chǔ),進(jìn)一步從宏觀到微觀的多尺度角度,即從材料的表面結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)等方面論述結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)聯(lián)性,并很好地將納米材料在上述幾個(gè)方面的特征,如過冷與過熱、鍵的弛豫和釘扎與極化等有機(jī)結(jié)合起來,不僅可讓研究生形成材料結(jié)構(gòu)與性能的多尺度關(guān)聯(lián)性的概念,更可讓他們由表及里地理解并掌握材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)聯(lián)性,真正領(lǐng)會(huì)結(jié)構(gòu)決定性能的材料科學(xué)真諦。 本書的第一章介紹了無機(jī)材料基礎(chǔ)知識(shí),第二章介紹了晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí),第三章到第六章分別介紹了無機(jī)材料的表面結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu),第七章介紹了納米材料的結(jié)構(gòu)與性能,第八章介紹了碳材料的結(jié)構(gòu)與性能,第九章介紹了碳化鎢的結(jié)構(gòu)與性能,第十章介紹了二氧化鈦的結(jié)構(gòu)與性能。本書的第一章和第二章主要由浙江工業(yè)大學(xué)李國華教授和施梅勤教授編寫,第三章到第八章主要由浙江工業(yè)大學(xué)李國華教授編寫,第九章由浙江工業(yè)大學(xué)吳世照助理研究員編寫,第十章由浙江工業(yè)大學(xué)施梅勤教授編寫。此外,浙江工業(yè)大學(xué)劉偉華老師全程參與了本書的文字編輯與整理工作,高靜教授、寧文生副教授、朱英紅副教授和趙峰鳴副教授也參與了本書的部分編寫工作。 作為無機(jī)材料及相關(guān)專業(yè)研究生重點(diǎn)教材,本書的編寫得到了浙江工業(yè)大學(xué)研究生院和化學(xué)工程學(xué)院的大力支持,在此深表謝意! 鑒于編寫的時(shí)間倉促,加之編者水平有限,書中難免存在不妥,望讀者給予指正! 編者 2023年3月
李國華,浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院教授,浙江省博士后聯(lián)誼會(huì)理事、浙江工業(yè)大學(xué)博士后聯(lián)誼會(huì)副主席和常務(wù)理事,籍貫江西南康。工作簡(jiǎn)歷:2003.12~現(xiàn)在 浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工作與材料學(xué)院 教授;2008.1~2008.7 英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院 高訪;2002.4~2003.11 浙江大學(xué)化學(xué)系 博士后;1991.7~1999.8 甘肅蘭州 甘肅有色金屬地質(zhì)研究所 高工。主要研究方向:(1)無機(jī)納米材料制備與應(yīng)用研究;(2)無機(jī)非金屬礦物材料改性與除鐵技術(shù)研究;(3)光電催化與多相催化材料制備與應(yīng)用研究教學(xué)工作:(1)研究生課程《納米材料與技術(shù)》、《先進(jìn)復(fù)合材料》和《材料結(jié)構(gòu)與性能》;(2)本科生課程《納米材料與應(yīng)用》、《材料科學(xué)基礎(chǔ)》和《現(xiàn)代電化學(xué)進(jìn)展》
第一章 無機(jī)材料基礎(chǔ)知識(shí) 第一節(jié) 無機(jī)材料及其主要類型 1 一、無機(jī)材料定義與分類 1 二、無機(jī)材料的主要類型 2 第二節(jié) 無機(jī)材料的原子及其結(jié)構(gòu) 4 一、原子 4 二、原子結(jié)構(gòu) 5 三、原子中電子的運(yùn)動(dòng)和分布 6 第三節(jié) 結(jié)合鍵及其相關(guān)理論 10 一、離子晶體與靜電吸引理論 10 二、共價(jià)晶體與價(jià)鍵理論 14 三、配合物與晶體場(chǎng)理論 20 第四節(jié) 無機(jī)材料結(jié)構(gòu)特征及結(jié)構(gòu)-性能-工藝之間的關(guān)系 23 一、結(jié)構(gòu)特征 23 二、結(jié)構(gòu)-性能-工藝之間的關(guān)系 23 第五節(jié) 無機(jī)材料科學(xué)與工程 24 一、無機(jī)材料科學(xué)與工程的含義 24 二、無機(jī)材料科學(xué)與工程的主要研究對(duì)象 24 思考題 25 參考文獻(xiàn) 26 第二章 晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí) 第一節(jié) 無機(jī)物的類型 27 第二節(jié) 晶體及其結(jié)構(gòu) 29 第三節(jié) 晶體基本性質(zhì) 38 第四節(jié) 晶體的分類 42 思考題 48 參考文獻(xiàn) 48 第三章 無機(jī)材料的表面結(jié)構(gòu) 第一節(jié) 固體表面結(jié)構(gòu) 49 第二節(jié) 面缺陷 58 第三節(jié) 固液界面 58 一、過冷:表面預(yù)熔 58 二、過熱:界面效應(yīng) 60 第四節(jié) 擴(kuò)散和晶體生長(zhǎng) 61 思考題 66 參考文獻(xiàn) 66 第四章 無機(jī)材料的晶體結(jié)構(gòu) 第一節(jié) 緊密堆積 68 第二節(jié) 球體周邊的空隙結(jié)構(gòu) 69 第三節(jié) 配位數(shù)與配位多面體 70 第四節(jié) 常見晶體結(jié)構(gòu) 73 思考題 80 參考文獻(xiàn) 80 第五章 無機(jī)材料的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu) 第一節(jié) 化學(xué)鍵類型及主要特征 81 第二節(jié) 成鍵效應(yīng)與非鍵類型 82 第三節(jié) 化學(xué)吸附的成鍵環(huán)境 84 第四節(jié) 電負(fù)性元素的吸附成鍵:四面體結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵 85 第五節(jié) 化學(xué)鍵性與晶格類型 87 一、晶體的鍵性 87 二、離子的極化 88 三、結(jié)晶化學(xué)定律 89 四、鮑林法則 89 五、典型無機(jī)化合物的晶格結(jié)構(gòu) 91 第六節(jié) 表面鍵弛豫 102 思考題 104 參考文獻(xiàn) 104 第六章 無機(jī)材料的電子結(jié)構(gòu) 第一節(jié) 能帶結(jié)構(gòu) 106 一、價(jià)帶態(tài)密度特征 106 二、表面勢(shì)壘與形貌 108 第二節(jié) 斷鍵理論 109 一、勢(shì)壘限域 109 二、原子低配位 110 三、鍵長(zhǎng)與鍵能弛豫 110 四、鮑林的相關(guān)法則 112 五、BOLS的物理意義 112 六、非鍵電子極化 114 第三節(jié) 電子的釘扎與極化 115 一、芯能級(jí)偏移 115 二、經(jīng)典模型 117 三、哈密頓量和能級(jí)分裂 118 四、配位數(shù)效應(yīng)解析 120 五、配位數(shù)與電子結(jié)合能 121 第四節(jié) 量子釘扎與極化 126 一、Au和Ag 126 二、Rh和W 128 第五節(jié) 帶寬和帶尾 128 一、帶寬:電荷致密化 128 二、帶尾與表面態(tài) 129 三、GNR的帶隙展寬 130 思考題 134 參考文獻(xiàn) 134 第七章 納米材料的結(jié)構(gòu)與性能 第一節(jié) 納米材料及其主要效應(yīng) 136 一、納米材料與納米科技 136 二、納米材料的主要效應(yīng) 137 第二節(jié) 納米材料面臨的沖突與挑戰(zhàn) 142 一、與傳統(tǒng)概念的沖突 142 二、面臨的挑戰(zhàn) 144 第三節(jié) 納米材料的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)與性能 147 一、可能的物理機(jī)制 148 二、鍵弛豫(BOLS)表述 149 三、應(yīng)變誘導(dǎo)的剛度強(qiáng)化 151 四、能量釘扎 151 五、總結(jié) 152 第四節(jié) 納米材料的電子結(jié)構(gòu)與性能(形狀與尺寸效應(yīng)) 152 一、核殼模型:表體比 152 二、局域鍵平均近似 152 三、尺度關(guān)系 154 四、總結(jié) 155 第五節(jié) 納米固體的電子釘扎與極化 156 一、納米固體的芯能級(jí)偏移 156 二、電親和勢(shì)與功函數(shù) 161 第六節(jié) 量子釘扎的應(yīng)用與討論 165 一、釘扎無極化的Co和Pt 165 二、單層石墨和石墨帶邊界 166 三、總結(jié) 168 思考題 169 參考文獻(xiàn) 169 第八章 碳材料的結(jié)構(gòu)與性能 第一節(jié) 金剛石 171 一、概述 171 二、金剛石的分類 173 三、金剛石的化學(xué)組成 177 四、金剛石的結(jié)構(gòu) 179 五、金剛石的性質(zhì) 185 第二節(jié) 石墨 187 一、天然石墨的分類 188 二、晶體結(jié)構(gòu) 188 三、石墨的性質(zhì) 190 第三節(jié) 石墨烯 194 一、石墨烯的結(jié)構(gòu) 194 二、石墨烯的基本性能 198 第四節(jié) 碳納米管 204 一、碳納米管的發(fā)現(xiàn) 204 二、碳納米管的結(jié)構(gòu) 204 三、碳納米管的基本性質(zhì) 207 第五節(jié) 富勒烯 217 第六節(jié) 石墨炔 220 一、石墨炔的分類 220 二、石墨炔的性質(zhì) 221 第七節(jié) 石墨烷 223 第八節(jié) 石墨酮 223 思考題 224 參考文獻(xiàn) 224 第九章 碳化鎢的結(jié)構(gòu)與性能 第一節(jié) 碳化鎢的晶體結(jié)構(gòu) 227 第二節(jié) 碳化鎢納米顆粒的結(jié)構(gòu)與電催化性能 228 一、碳化鎢納米顆粒的制備 229 二、碳化鎢納米顆粒的分析與表征 229 三、碳化鎢納米顆粒的電催化性能 231 第三節(jié) 火柴棒型碳化鎢納米棒的結(jié)構(gòu)與電催化性能 233 一、火柴棒型碳化鎢納米棒的制備 234 二、火柴棒型碳化鎢納米棒分析與表征 234 三、火柴棒型碳化鎢納米棒的電催化性能 237 第四節(jié) 介孔碳化鎢納米片的結(jié)構(gòu)與電催化性能 237 一、介孔碳化鎢納米片的制備 237 二、介孔碳化鎢納米片的分析與表征 238 三、介孔碳化鎢納米片的電催化性能 242 第五節(jié) 自支撐介孔碳化鎢納米片 電極的結(jié)構(gòu)與電催化性能 243 一、自支撐介孔碳化鎢納米片電極的制備 243 二、自支撐介孔碳化鎢納米片電極的分析與表征 243 三、自支撐介孔碳化鎢納米片電極的電催化性能 248 第六節(jié) 分析與討論 249 思考題 250 參考文獻(xiàn) 250 第十章 二氧化鈦的結(jié)構(gòu)與性能 第一節(jié) 二氧化鈦的晶體結(jié)構(gòu) 252 一、二氧化鈦的晶體結(jié)構(gòu)特征 252 二、二氧化鈦的非晶態(tài) 254 三、二氧化鈦的表面結(jié)構(gòu) 255 第二節(jié) 半導(dǎo)體的能帶理論及光催化機(jī)理 257 第三節(jié) 材料的維度與性質(zhì) 260 第四節(jié) 一維二氧化鈦的結(jié)構(gòu)與性能 261 第五節(jié) 二維二氧化鈦的結(jié)構(gòu)與性能 263 一、二維材料 263 二、二維二氧化鈦的結(jié)構(gòu)與性能 265 三、面缺陷的設(shè)計(jì)與催化性能 266 第六節(jié) 特殊結(jié)構(gòu)二氧化鈦的結(jié)構(gòu)與性能 267 一、核殼結(jié)構(gòu) 267 二、異質(zhì)結(jié)構(gòu) 267 三、復(fù)雜多級(jí)結(jié)構(gòu) 268 思考題 268 參考文獻(xiàn) 269