材料物理與化學(xué)實(shí)驗(yàn)教程

前言

　　材料是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)進(jìn)步和國(guó)家安全的物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)，材料技術(shù)已成為現(xiàn)代工業(yè)、國(guó)防和高技術(shù)發(fā)展的共性基礎(chǔ)技術(shù)，是當(dāng)前最重要、發(fā)展最快的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域之一。發(fā)展材料技術(shù)將促進(jìn)包括新材料產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的我國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的形成和發(fā)展，同時(shí)又將帶動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)的改造和產(chǎn)品的升級(jí)換代。　　“十五”期間，我國(guó)材料領(lǐng)域在光電子材料、特種功能材料和高性能結(jié)構(gòu)材料等方面取得了較大的突破，在一些重點(diǎn)方向邁入了國(guó)際先進(jìn)行列。依據(jù)國(guó)家“十一五”規(guī)劃，材料領(lǐng)域?qū)⒘⒆銍?guó)家重大需求，自主創(chuàng)新、提高核心競(jìng)爭(zhēng)力、增強(qiáng)材料領(lǐng)域持續(xù)創(chuàng)新能力將成為戰(zhàn)略重心。納米材料與器件、信息功能材料與器件、高新能源轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)能材料、生物醫(yī)用與仿生材料、環(huán)境友好材料、重大工程及裝備用關(guān)鍵材料、基礎(chǔ)材料高性能化與綠色制備技術(shù)、材料設(shè)計(jì)與先進(jìn)制備技術(shù)將成為材料領(lǐng)域研究與發(fā)展的主導(dǎo)方向。不難看出，這些主導(dǎo)方向體現(xiàn)了材料學(xué)科一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)，即材料學(xué)科正在由單純的材料科學(xué)與工程向與眾多高新科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域交叉融合的方向發(fā)展。材料領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的快速進(jìn)步，對(duì)擔(dān)負(fù)材料科學(xué)與工程高等教育和科學(xué)研究雙重任務(wù)的高等學(xué)校提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，為迎接這一挑戰(zhàn)，高等學(xué)校不但要擔(dān)負(fù)起材料科學(xué)與工程前沿領(lǐng)域的科學(xué)研究、知識(shí)創(chuàng)新任務(wù)，而且要擔(dān)負(fù)起培養(yǎng)能適應(yīng)材料科學(xué)與工程領(lǐng)域高速發(fā)展需求的、具有新知識(shí)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新型高素質(zhì)人才的重任?！　檫m應(yīng)材料領(lǐng)域高等教育的新形勢(shì)，2006—2010年教育部高等學(xué)校材料科學(xué)與工程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)積極組織了材料類高等學(xué)校教材的建設(shè)規(guī)劃工作，成立了規(guī)劃教材編審委員會(huì)，編審委員會(huì)由相關(guān)學(xué)科的分教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主任委員、委員以及全國(guó)30余所有影響力和代表性的高校材料學(xué)院院長(zhǎng)組成。編審委員會(huì)分別于2006年10月和2007年5月在湖南張家界和中南大學(xué)召開(kāi)了教材建設(shè)研討會(huì)和教材提綱審定會(huì)。經(jīng)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)和編審委員會(huì)推薦和遴選，逾百名來(lái)自全國(guó)幾十所高校的具有豐富教學(xué)與科研經(jīng)驗(yàn)的專家、學(xué)者參加了這套教材的編寫工作。歷經(jīng)幾年的努力，這套教材終于與讀者見(jiàn)面了，它凝結(jié)了全體編寫者與組織者的心血，充分體現(xiàn)了廣大編寫者對(duì)教育部“質(zhì)量工程”精神的深刻體會(huì)，對(duì)當(dāng)代材料領(lǐng)域知識(shí)結(jié)構(gòu)的牢固掌握和對(duì)高等教育規(guī)律的熟練把握，是我國(guó)材料領(lǐng)域高等教育工作者集體智慧的結(jié)晶?！　∵@套教材基本涵蓋了金屬材料工程專業(yè)的主要課程，同時(shí)還包含了材料物理專業(yè)和材料化學(xué)專業(yè)部分專業(yè)基礎(chǔ)課程，以及金屬、無(wú)機(jī)非金屬和高分子三大類材料學(xué)科的實(shí)驗(yàn)課程。整體看來(lái)，這套教材具有如下特色:①根據(jù)教育部高等學(xué)校教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)相關(guān)課程的“教學(xué)大綱”及“基本要求”編寫;②統(tǒng)一規(guī)劃，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，整套教材具有完整性、系統(tǒng)性，基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間的內(nèi)容有機(jī)銜接;③注重基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐，體現(xiàn)了科學(xué)性、實(shí)用性;④編委會(huì)及作者由材料領(lǐng)域的院士、知名教授及專家組成，確保了教材的高質(zhì)量及權(quán)威性;⑤注重創(chuàng)新，反映了材料科學(xué)領(lǐng)域的新知識(shí)、新技術(shù)、新工藝、新方法;⑥深入淺出，說(shuō)理透徹，便于老師教學(xué)及學(xué)生自學(xué)?！　〗滩牡纳υ谟谫|(zhì)量，而提高質(zhì)量是永恒的主題。希望教材的編審委員會(huì)及出版社能做到與時(shí)俱進(jìn)，根據(jù)高等教育改革和發(fā)展的形勢(shì)及材料專業(yè)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，不斷對(duì)教材進(jìn)行修訂、改進(jìn)、完善，精益求精，使之更好地適應(yīng)高等教育人才培養(yǎng)的需要，也希望他們能夠一如既往地依靠業(yè)內(nèi)專家，與科研、教學(xué)、產(chǎn)業(yè)第一線人員緊密結(jié)合，加強(qiáng)合作，不斷開(kāi)拓，出版更多的精品教材，為高等教育提供優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源和服務(wù)?！　≈孕南Ｍ@套教材能在我國(guó)材料高等教育中充分發(fā)揮它的作用，也期待著在這套教材的哺育下，新一代材料學(xué)子能茁壯成長(zhǎng)，脫穎而出。

內(nèi)容概要

　　《材料物理與化學(xué)實(shí)驗(yàn)教程》為教育部高等學(xué)校材料科學(xué)與工程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)規(guī)劃教材，根據(jù)教育部高等學(xué)校材料科學(xué)與工程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)本課程“教學(xué)基本要求”編寫?！恫牧衔锢砼c化學(xué)實(shí)驗(yàn)教程》以材料物理與化學(xué)專業(yè)主干課程：材料科學(xué)基礎(chǔ)、固體物理、材料物理學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、材料化學(xué)、材料性能學(xué)、新型功能材料、材料近代分析測(cè)試方法、材料制備技術(shù)等為基礎(chǔ)，使學(xué)生在學(xué)完這些課程后能在實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力方面得到進(jìn)一步的培養(yǎng)與訓(xùn)練。教程內(nèi)容以材料的物理方法與化學(xué)方法制備、物理與化學(xué)性能測(cè)試、微結(jié)構(gòu)表征等為主，以機(jī)械性能測(cè)試和工藝實(shí)驗(yàn)為輔，收集整理了目前比較成熟的有關(guān)材料制備、表征與性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并設(shè)計(jì)了若干綜合性實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)主要包含實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、問(wèn)題與討論，以及參考文獻(xiàn)等內(nèi)容，旨在為學(xué)生和指導(dǎo)教師提供盡可能完備與系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。另外，本教程還列舉了與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)的大量附錄資料和數(shù)據(jù)?！　　恫牧衔锢砼c化學(xué)實(shí)驗(yàn)教程》可作為高等院校材料物理與材料化學(xué)專業(yè)，以及物理、化學(xué)、機(jī)械和其他材料類等專業(yè)本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)用書，各學(xué)?？梢愿鶕?jù)自身實(shí)驗(yàn)條件和學(xué)科特點(diǎn)有選擇性地開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)。此外，本教程也可供研究生在進(jìn)行科學(xué)研究中作為實(shí)驗(yàn)手冊(cè)使用，對(duì)于有關(guān)教師和工程技術(shù)人員也有參考價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介

　　潘春旭，武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 教授、博士生導(dǎo)師、副院長(zhǎng)、材料科學(xué)系主任（兼）；“全國(guó)（百篇）優(yōu)秀博士學(xué)位論文”獲得者、973課題負(fù)責(zé)人。1983和1988年畢業(yè)于武漢大學(xué)物理系，獲理學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位，1998年畢業(yè)于武漢交通科技大學(xué)（現(xiàn)武漢理工大學(xué)），獲工學(xué)博士學(xué)位，博士論文被評(píng)為“2002年全國(guó)（百篇）優(yōu)秀博士學(xué)位論文”。1993年任副教授，1998年任教授，1999年被交通部遴選為博士生指導(dǎo)教師和交通部跨世紀(jì)學(xué)術(shù)帶頭人。1997年赴日本參加JICA項(xiàng)目學(xué)習(xí)，1999-2001在美國(guó)肯塔基大學(xué)進(jìn)行合作研究。主要學(xué)術(shù)兼職有：教育部材料科學(xué)與工程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員、中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)理事、中國(guó)電子顯微鏡學(xué)會(huì)理事、中西部地區(qū)理化檢驗(yàn)聯(lián)合會(huì)副理事長(zhǎng)、湖北省電子顯微鏡學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、湖北省機(jī)械工程學(xué)會(huì)理化檢驗(yàn)專業(yè)委員會(huì)理事長(zhǎng)、湖北省物理學(xué)會(huì)常務(wù)理事秘書長(zhǎng)、《納米科技》和《材料保護(hù)》編委，以及J Phys. Chem.、J. Mater. Sci.、J. Am. Ceram. Soc.、Mater. Sci. Engin. B、Chem. Mater.、金屬學(xué)報(bào)、無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)、中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)等二十多種國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物的審稿人。長(zhǎng)期從事電子顯微學(xué)、材料微結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系、低維納米材料、科技考古等方面的教學(xué)和科研工作。先后主持和完成973項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)和面上項(xiàng)目、教育部全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論文作者專項(xiàng)資金項(xiàng)目、教育部高校博士點(diǎn)基金、以及橫向合作等項(xiàng)目三十多項(xiàng)。獲“湖北省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)”各1項(xiàng)；出版專著和教材2部，獲國(guó)家發(fā)明專利2項(xiàng)，在Appl. Phys. Lett.、Chem. Mater.、J. Phys. Chem.、Carbon、Nanotechnology等國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文180多篇，有100多篇被SCI、EI等收錄。

書籍目錄

第一章 材料的物理與化學(xué)制備實(shí)驗(yàn)一 電子束蒸發(fā)薄膜的制備實(shí)驗(yàn)二 磁控濺射薄膜的制備實(shí)驗(yàn)三 激光脈沖沉積（PLD）薄膜的制備實(shí)驗(yàn)四 放電等離子體燒結(jié)（SPS）樣品制備實(shí)驗(yàn)五 材料的自蔓延高溫合成實(shí)驗(yàn)六 材料的激光表面相變硬化處理實(shí)驗(yàn)七 非晶薄帶材料的制備實(shí)驗(yàn)八 聲子晶體的制備實(shí)驗(yàn)九 功能陶瓷材料的制備實(shí)驗(yàn)十 巨磁電阻材料（體材、薄膜）的制備實(shí)驗(yàn)十一 氧化鋅（ZnO）納米線的制備實(shí)驗(yàn)十二 碳納米管的制備實(shí)驗(yàn)十三 電沉積納米晶薄膜的制備實(shí)驗(yàn)十四 陽(yáng)極氧化物薄膜的制備實(shí)驗(yàn)十五 水熱法調(diào)控制備不同形貌的納米材料實(shí)驗(yàn)十六 鈦酸鋇納米粉體的水熱合成法制備實(shí)驗(yàn)十七 溶膠-凝膠法納米材料（薄膜、粉末和復(fù)合粒子）的制備實(shí)驗(yàn)十八 原位聚合法制備碳納米管/聚合物復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)十九 熔融法制備聚合物納米復(fù)合材料第二章 材料的物理與化學(xué)性能實(shí)驗(yàn)二十 材料彈性模量的測(cè)量實(shí)驗(yàn)二十一 材料的綜合熱分析實(shí)驗(yàn)二十二 材料動(dòng)態(tài)熱力學(xué)分析實(shí)驗(yàn)二十三 材料線膨脹系數(shù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)二十四 材料熱電勢(shì)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)二十五 表面接觸角的測(cè)量實(shí)驗(yàn)二十六 材料介電、壓電性能的測(cè)量實(shí)驗(yàn)二十七 材料變溫電導(dǎo)率的測(cè)量實(shí)驗(yàn)二十八 陶瓷材料熱穩(wěn)定性的測(cè)量實(shí)驗(yàn)二十九 陶瓷電容器的電化學(xué)失效實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)三十 循環(huán)伏安特性的測(cè)量實(shí)驗(yàn)三十一 納米線陣列的場(chǎng)發(fā)射性能測(cè)量實(shí)驗(yàn)三十二 聲子晶體透射系數(shù)與反射系數(shù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)三十三 材料磁電阻性質(zhì)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)三十四 金屬薄膜電阻率的測(cè)量實(shí)驗(yàn)三十五 半導(dǎo)體薄膜霍爾效應(yīng)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)三十六 超導(dǎo)薄膜臨界轉(zhuǎn)變溫度TC的測(cè)量實(shí)驗(yàn)三十七 納米顆粒復(fù)合材料光吸收譜的測(cè)量實(shí)驗(yàn)三十八 半導(dǎo)體納米材料非線性光學(xué)性質(zhì)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)三十九 納米二氧化鈦光催化性能的測(cè)量第三章 材料的機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)四十 材料的硬度實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)四十一 材料的靜拉伸實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)四十二 材料斷裂韌性KIc的測(cè)量實(shí)驗(yàn)四十三 材料的沖擊實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)四十四 材料的疲勞實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)四十五 材料的磨損實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)四十六 材料腐蝕速度的測(cè)量實(shí)驗(yàn)四十七 薄膜-基體界面結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)量第四章 材料的成分、組織與結(jié)構(gòu)表征實(shí)驗(yàn)四十八 材料化學(xué)成分定量分析實(shí)驗(yàn)四十九 材料的熱處理實(shí)驗(yàn)五十 材料的金相樣品制備實(shí)驗(yàn)五十一 材料的金相顯微分析實(shí)驗(yàn)五十二 X射線衍射儀（XRD）與物相分析實(shí)驗(yàn)五十三 X射線衍射儀晶體點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定實(shí)驗(yàn)五十四 X射線光電子能譜（XPS）分析實(shí)驗(yàn)五十五 電鏡樣品的制備實(shí)驗(yàn)五十六 掃描電子顯微鏡（SEM）分析實(shí)驗(yàn)五十七 透射電子顯微鏡（TEM）分析實(shí)驗(yàn)五十八 材料化學(xué)成分的能譜（EDS）分析實(shí)驗(yàn)五十九 材料結(jié)構(gòu)的背散射電子衍射（EBSD）分析實(shí)驗(yàn)六十 掃描探針顯微鏡（SPM）分析實(shí)驗(yàn)六十一 核磁共振波譜（NMR）分析實(shí)驗(yàn)六十二 紅外光譜（IR）分析實(shí)驗(yàn)六十三 熒光光譜分析實(shí)驗(yàn)六十四 激光拉曼光譜分析實(shí)驗(yàn)六十五 小角激光光散射（SALS）分析實(shí)驗(yàn)六十六 激光粒度分析與Zeta電位測(cè)量實(shí)驗(yàn)六十七 輪廓儀法薄膜厚度的測(cè)量實(shí)驗(yàn)六十八 BET法測(cè)定固體材料的比表面積實(shí)驗(yàn)六十九 正電子在材料中湮沒(méi)的壽命測(cè)量及分析第五章 綜合性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)七十 金屬材料的制備、表征和性能測(cè)試綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)七十一 納米材料的制備、表征和性能測(cè)試綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)七十二 功能陶瓷材料的制備、表征和性能測(cè)試綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)七十三 高分子復(fù)合材料的制備、表征和性能測(cè)試綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)七十四 薄膜材料的制備、表征和性能測(cè)試綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)七十五 無(wú)機(jī)粉體材料的化學(xué)制備、表征和性能研究綜合實(shí)驗(yàn)附錄附錄一 常用物理基本常數(shù)表附錄二 國(guó)際單位制（SI）基本單位附錄三 磁性的單位（高斯制和國(guó)際單位制）附錄四 20℃ 時(shí)常用的固體和液體密度附錄五 常見(jiàn)固體和液體的比熱容附錄六 幾種常用熱電偶的賽貝克系數(shù)值附錄七 常用材料的彈性模量及泊松比附錄八 常用范圍的鋼材抗拉強(qiáng)度與維氏硬度、布氏硬度、洛氏硬附錄九 某些物質(zhì)的特征溫度（Θ）附錄十 各種點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)附錄十一 多晶體衍射的多重性因子（PHKL）附錄十二 立方系晶面間夾角附錄十三 常見(jiàn)晶體標(biāo)準(zhǔn)電子衍射花樣附錄十四 紅外光譜常用表附錄十五 核磁共振常用表

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