上篇物理基础理论
　　第1章材料概述
　　1.1材料的历史进程
　　材料是人类文明的里程碑，是人类赖以生存和得以发展的重要物质基础.正是材料的发现、发明和使用，才使人类在与自然界的斗争中，走出混沌蒙昧的时代，发展到科学技术高度发达的现代社会.今天，材料已深入我们生活的方方面面.无论是交通运输、住房、服装、通信、娱乐，还是航空航天甚至食品包装，都和材料息息相关.人类在各个时期所使用的材料，决定了其文明程度.因此，在材料学家看来，人类的文明史就是材料的发展史，并往往以不同特征的材料划分人类不同的历史时代，诸如石器时代(含陶器)、青铜时代、铁器时代、硅时代和碳时代等.
　　1.1.1石器时代
　　在石器时代，人类为了生存，使用天然石器和经过简单打磨的石器作为劳动工具和防卫武器.石器时代又分为旧石器时代和新石器时代，这是一个极其漫长的历史时期，大致可以追溯到约250万年前.从树上下到地面、开始直立行走的人类祖先，为了生存—抵御猛兽袭击和猎取食物，逐渐学会使用天然的材料—木棒、石块等.然而，这种纯天然的材料，使用起来并不得心应手，也不够犀利.图1.1为阿舍利手斧.
　　旧石器时代，是以使用打制石器为标志的人类物质文明发展阶段.
　　原始社会时期人类的生产活动受到自然条件的极大限制，制造石器一般都是就地取材，从附近的河滩上或者从熟悉的岩石区捡拾石块，打制成合适的工具.到了原始社会晚期，随着生活环境的变迁和生产经验的积累，这种捡拾的方法有时不能满足生产和生活上的要求，在有条件时，人类便从适合制造石器的原生岩层开采石料，制造石器.于是开始了人工打制石器—石矢、石儀、石铲、石凿、石斧、石球等.打制石器用的材料大多数是石英石，少部分是燧石(俗称火石).燧石是一种发火材料，猛烈敲击能发出火星.燧石的使用，是人类文明的一个重要里程碑.
　　旧石器是利用一块较硬的石头砍砸另一块较软的石头打击而成的，所以称为砍砸器，其形状既不规则，又不固定，加工十分粗糙.但不管怎么说，这是人类制造的第一种原始材料.
　　新石器时代，是考古学家设定的另一个时间区段，大约从一万多年前开始，结束时间距今5000多年.新石器时代是石器时代的*后一个阶段，是以使用磨制石器为标志的人类物质文化发展阶段.
　　新石器时代的标志为：打制的石器更加精美，陶器和玉器工艺品相继出现，用石头和砖瓦作建筑材料.例如，湖北屈家岭文化遗址出土的距今约5000年的精细石铲、圭形石凿；还有钻了孔的石斧等，在钻孔中装上木柄，使用更方便.
　　在新石器时代，人类用石头作建筑材料，用土制作砖瓦.人类很早就已学会使用稻草作增强材料，掺入黏土中，再用太阳晒干制砖(可以认为这是*早出现的复合材料)，以后又学会了火烧制砖.原始人利用石头和砖瓦，创造了辉煌的历史，这不禁让人感叹古人使用材料技术的智慧.
　　新石器时代，生产力发展的显著标志就是农业的起源.农业的需要呼唤着新型的工具，随后陶器和青铜器逐渐登上历史舞台.
　　1.1.2陶器时代
　　陶器的发明是人类利用化学变化改变天然材料性质的开端，是人类社会由旧石器时代发展到新石器时代的标志之一.
　　在新石器时代后期，人类就发明了用黏土作原料烧制陶器.陶器是由黏土或以黏土、长石、石英等为主的混合物，经成型、干燥、烧制(烧制温度低于1200℃)而成的制品的总称.陶土可塑性强，可以获得人们希望形状的器物.陶器的出现，使蒸煮食物更为方便，人们得到了丰富的养分，增强了体能，促进了人类的健康发展.陶俑的出现，代替了以人殉葬的野蛮做法.那时的陶器不但用作器皿，而且也是装饰品，这无疑对人类文明是一大推进.
　　一般认为*早的陶器是手制的，并用篝火烧制，烧制时间短，但火达到的*高温度可以很高，约在900℃，而且达到的速度很快.黏土与沙、沙砾、打碎的贝壳调和后会被用来烧制陶器，这是因为它们提供了一个开放的坯体质地，令水及其他挥发性成分可以轻易离开.黏土中较粗糙的粒子在冷却时限制陶器坯体内部收缩，此过程以缓慢速度进行，并减低热应力及破裂的可能.
　　陶器可以说是人类创造的首例无机非金属材料.这个划时代的发明不仅意味着使用材料的变化，而且比这更深远重要的是，人类第一次有意识地创造发明了自然界没有的，并且性能全新的“新”材料.从此人类能离开上天的赐予而进入自主创造材料的时代.
　　1.1.3青铜时代
　　新石器时代后，人类使用打磨精细的组合型石器，开始从打猎转向畜牧、农业，并在石器加工和烧制陶器过程中认识了采冶技术.大约从公元前4000年开始，世界各地先后出现青铜器.青铜的冶炼成功提高了农业和手工业的生产力水平，人类物质生活逐渐丰富.
　　青铜时代是以使用青铜器为标志的人类物质文化发展阶段.青铜是紫铜(纯铜)与锡或铅的合金，埋在土里后，因氧化其颜色变成青灰色，故名青铜.青铜的熔点为700～900℃，比紫铜的熔点(1083℃)低.含锡10%的青铜，硬度为紫铜的4.7倍，性能更优良.青铜时代初期青铜器具的比重较小，甚或以石器为主；进入中后期，比重逐步增加.随后，农业和手工业的生产力水平提高，物质生活条件也渐渐丰富.青铜出现后，对提高社会生产力起了划时代的作用.
　　在众多的青铜器中，商后母戊鼎是已知中国古代*重的青铜器(图1.2)，在塑造泥模、灌注等环节中，存在一系列复杂的技术问题.商后母戊鼎的铸造，充分说明商代后期的青铜铸造不仅规模宏大，而且组织严密，分工细致，足以代表高度发达的商代青铜文化.
　　1.1.4铁器时代
　　人们*早知道的铁是陨石中的铁.当人们在冶炼青铜的基础上逐渐掌握了冶炼铁的技术之后，铁器时代就到来了.铁器时代是人类发展史中一个极为重要的时代.春秋战国时期，在冶铜术的基础上出现了生铁冶炼技术.人类开始大量使用铁水浇铸成的农具、工具和铁器.铁材料使得人类可以大力从事农业生产活动.
　　铁农具的使用极大地促进了生产力，铁材料的存在衍生出了钢材.铁、钢和煤促成了蒸汽机的诞生，并加快了工业革命技术发展.工业革命技术带动了机器的发展，机器促使农业和手工业生产发生重大飞跃.
　　在铁中掺入质量分数介于0.02%～2.11%的碳，得到的合金就是钢.钢的化学成分可以有很大变化，只含碳元素的钢称为碳素钢(碳钢)或普通钢；在实际生产中，可以在铁中根据不同的用途掺入不同的合金元素，如锰、镍、钒等.人类对钢的应用和研究历史相当悠久，但是直到19世纪贝氏炼钢法发明之前，钢的制取都是一项高成本低效率的工作.如今，钢以其低廉的价格、可靠的性能成为世界上使用*多的材料之一，是建筑业、制造业和人们日常生活中不可或缺的材料.可以说钢是现代社会的物质基础.
　　1.1.5硅时代
　　20世纪后半叶以来，计算机技术和互联网技术引领了社会的快速发展.这个时期，计算机芯片的主要成分硅元素无疑是*闪亮的，因此有“硅时代”之称，见图1.3.“硅时代”的各种高科技推动了社会的快速进步，物质和资源的稀缺问题逐渐得到解决.
　　硅作为半导体材料的使用，经历了以下几个阶段：
　　1950年，制出第一只硅晶体管；
　　1952年，用直拉法成功培育硅单晶；
　　1953年，用无坩埚区域熔化法拉制单晶；
　　20世纪60年代，硅外延生长单晶技术和硅平面工艺，硅晶体管制造技术趋于成熟，集成电路迅速发展；
　　20世纪80年代初，全世界多晶硅产量达2500t.
　　2014～2021年全球工业硅产能和产量信息如表1.1所示.
　　1.1.6碳时代
　　21世纪，人们越来越重视生命质量和健康水平，生命科学技术得到了长足发展，生命健康领域的服务需求和产品需求也越来越大.有机物和生命的核心元素是碳元素，人类社会不期然地进入了“碳时代”，见图1.4.
　　区分有机物和无机物，是否含有碳元素是一个重要标准.碳作为硅的同族元素，相较硅原子，碳原子具有更加丰富的成键方式.碳原子相互之间及与其他原子之间，可以形成各种各样的链状和环状结构.所形成的环可以是单环，也可以是多环，环可大可小；链可长可短，支链可多可少等.碳原子数量可以是几个，也可以是成千上万，许多聚合物甚至可以有几十万个碳原子.此外，有机化合物中同分异构现象非常普遍，这也是有机化合物数目繁多的原因之一.碳原子的这些特性，使得有机物的种类相对于无机物大大丰富，也带来了无限的可能性.可以说，生命的起源，生命的多样性和灵动性，与以碳为核心元素的多种有机物构成有必然的联系.
　　以上材料使用阶段的划分，并不是绝对的，常常是某一时期几种材料同时在使用.

目录
前言
上篇 物理基础理论
第1章 材料概述 2
1.1 材料的历史进程 2
1.1.1 石器时代 2
1.1.2 陶器时代 3
1.1.3 青铜时代 3
1.1.4 铁器时代 4
1.1.5 硅时代 4
1.1.6 碳时代 5
1.2 材料的分类 6
1.2.1 按材料的性质分类 6
1.2.2 按材料的用途分类 9
1.3 几种材料简述 9
1.3.1 生物材料 9
1.3.2 能源材料 11
1.3.3 陶瓷材料 14
1.3.4 高熵合金材料 15
第2章 量子力学基础 18
2.1 量子论 18
2.1.1 黑体辐射 18
2.1.2 旧量子论 21
2.1.3 波粒二象性和物质波 21
2.2 不确定性原理 23
2.3 薛定谔方程及其求解 23
2.3.1 波函数与薛定谔方程 23
2.3.2 定态薛定谔方程 25
2.3.3 一维无限深方势阱 25
2.3.4 算符与角动量算符 27
2.3.5 氢原子 29
2.4 近似方法 31
2.4.1 非简并定态微扰法 31
2.4.2 简并定态微扰法 34
2.5 泡利不相容原理与自旋 35
2.5.1 泡利不相容原理 35
2.5.2 自旋 35
习题 38
第3章 晶体的物理性质 39
3.1 晶体结构周期性 40
3.2 布拉维格子与晶系 40
3.3 晶向与晶面指数 42
3.3.1 分数坐标 42
3.3.2 晶向指数 43
3.3.3 晶面指数 43
3.3.4 晶面间距 44
3.3.5 晶面夹角 44
3.4 常见的晶体结构及其类型 45
3.4.1 常见单质晶体结构 45
3.4.2 AB型结构 51
3.4.3 AB2型结构 53
3.4.4 A2B3型结构 54
3.5 倒格子 54
3.6 晶体结合、密堆积与配位 56
3.6.1 金属键和金属晶体 57
3.6.2 离子键和离子晶体 57
3.6.3 共价键和共价晶体 60
3.6.4 分子间作用力和分子型晶体 63
3.6.5 氢键和氢键型晶体 64
3.6.6 混合键 65
3.6.7 密堆积与配位数 66
3.7 应变、应力和胡克定律 69
3.7.1 应变 69
3.7.2 应力 71
3.7.3 胡克定律 72
3.8 晶体的弹性模量 73
3.8.1 体积模量 73
3.8.2 杨氏模量 75
3.8.3 剪切模量和扭转模量 75
习题 75
第4章 晶格振动和能带理论 76
4.1 晶格振动 76
4.1.1 一维晶格的线性振动 76
4.1.2 晶格振动的量子化、声子 81
4.1.3 固体的比热 84
4.2 能带理论 89
4.2.1 布洛赫定理 89
4.2.2 能带周期性 90
4.2.3 能带对称性 90
4.2.4 解析方法 91
4.2.5 态密度与费米能级 98
4.2.6 布里渊区与费米面 100
习题 105
下篇 材料的物理性能
第5章 材料的力学性能 108
5.1 变形 109
5.1.1 弹性变形 109
5.1.2 黏弹性变形 119
5.1.3 塑性变形 125
5.2 断裂 133
5.2.1 断裂的类型及其机理 134
5.2.2 断裂强度 146
5.2.3 断裂韧性 150
5.3 疲劳 159
5.3.1 疲劳概述 160
5.3.2 疲劳的宏观表征 165
5.3.3 疲劳断裂的微观过程 184
习题 190
第6章 材料的热学性能 193
6.1 热容 193
6.1.1 热力学基础 194
6.1.2 热容的定义 196
6.1.3 晶态固体热容的实验规律及理论 198
6.1.4 实际材料的热容 199
6.2 材料的热膨胀 203
6.2.1 热膨胀系数 204
6.2.2 热膨胀的物理本质 205
6.2.3 热膨胀系数与其他物理参量的关系 208
6.2.4 影响热膨胀的因素 210
6.3 材料的热传导 215
6.3.1 表征热传导的相关物理参量 216
6.3.2 材料热传导的微观机制 219
6.3.3 实际材料的导热性及其影响因素 223
6.4 材料的热稳定性 232
6.4.1 热稳定性的表示方法 232
6.4.2 热应力 233
6.4.3 抗热冲击断裂性能 235
6.4.4 抗热冲击损伤性 239
6.5 材料的热电性 240
6.5.1 热电效应 241
6.5.2 热电性的应用 246
习题 246
第7章 材料的电学性能 249
7.1 材料的导电性 250
7.1.1 电阻率和电导率 250
7.1.2 载流子及其迁移 250
7.1.3 载流子的物理效应 251
7.1.4 材料导电性的分类 253
7.2 材料导电性的能带理论解释 255
7.2.1 电子填充能带的情况与导电性 255
7.2.2 空穴的导电性 256
7.2.3 导体、半导体、绝缘体的能带结构 258
7.3 金属的导电性 259
7.3.1 金属的导电机理 260
7.3.2 影响金属导电性的因素 263
7.4 半导体的导电性 275
7.4.1 本征半导体 276
7.4.2 杂质半导体 281
7.4.3 非简并和简并半导体 288
7.5 离子晶体的导电性 289
7.5.1 离子载流子浓度 289
7.5.2 离子电导机制 290
7.5.3 扩散与离子电导 293
7.5.4 影响离子导电性的因素 295
7.5.5 快离子电导 296
7.6* 超导电性 297
7.6.1 超导现象 297
7.6.2 超导电性的基本性质 298
7.6.3 超导体的三个性能指标 301
7.6.4 超导体的分类 302
7.6.5 超导现象的物理本质 306
7.6.6 超导体的应用 311
习题 312
第8章 材料的介电学性能 315
8.1 介电性及电介质的极化 316
8.1.1 介电性的概念及表征 316
8.1.2 极化的概念及相关的物理参量 318
8.1.3 电介质的极化机制 321
8.1.4 宏观极化强度与微观极化率的关系 327
8.2 交变电场中的电介质 329
8.2.1 交变电场下的电介质极化过程 329
8.2.2 交变电场下电介质的复介电常量和介电损耗 330
8.2.3 电介质弛豫和频率响应 333
8.3 介电击穿 336
8.3.1 热击穿 337
8.3.2 电击穿 338
8.3.3 化学击穿 341
8.3.4 实际材料的击穿 341
8.4 压电性 344
8.4.1 压电效应 344
8.4.2 压电性表征 346
8.4.3 压电效应的应用 347
8.5 热释电性 348
8.5.1 热释电效应 348
8.5.2 热释电效应本质及表征 348
8.5.3 热释电效应的应用 349
8.6 铁电性 349
8.6.1 铁电性的基本概念 349
8.6.2 铁电性的微观理论 350
8.6.3 铁电体的类型 353
习题 354
第9章 材料的磁学性能 356
9.1 磁现象及其相关表征参量 356
9.1.1 磁场 357
9.1.2 微观参量 357
9.1.3 磁极化强度、磁化强度 358
9.1.4 磁化率和磁导率 359
9.1.5 静磁能 360
9.2 孤立原子的本征磁矩 360
9.2.1 电子磁矩 361
9.2.2 原子核的磁矩 363
9.2.3 本征磁矩 363
9.3 材料磁性的分类 366
9.4 抗磁性和顺磁性理论 368
9.4.1 抗磁性理论 368
9.4.2 顺磁性理论 370
9.5 铁磁性理论、反铁磁性理论和亚铁磁性理论 376
9.5.1 铁磁性理论 377
9.5.2 反铁磁性理论 385
9.5.3 亚铁磁性理论 390
9.6 铁磁性及亚铁磁性材料的特性 393
9.6.1 磁化曲线、磁滞回线 393
9.6.2 磁晶各向异性和磁晶各向异性能 395
9.6.3 形状各向异性和退磁能 397
9.6.4 磁致伸缩与磁弹性能 399
9.7 磁畴的结构 401
9.7.1 磁畴 401
9.7.2 畴壁 402
9.7.3 磁畴结构 404
9.8* 技术磁化及其微观机制 408
9.8.1 技术磁化 408
9.8.2 技术磁化的微观机制 409
9.9* 动态磁化 411
9.9.1 动态磁化过程与交流回线 411
9.9.2 复数磁导率411
9.9.3 交变磁场下的能量损耗 413
习题 416
第10章 材料的光学性能 418
10.1 光的基本性质 418
10.2 光与材料的相互作用 419
10.2.1 光的折射 421
10.2.2 光的反射 426
10.2.3 光的吸收 428
10.2.4 光的散射 435
10.2.5 光的透射 438
10.2.6 材料的颜色 440
10.3* 材料的发光 441
10.3.1 荧光和磷光 441
10.3.2 发光的物理机制 444
10.3.3 激光 446
10.3.4 光导纤维 451
习题 456
基本物理常量表 458
参考文献 459