信息、 能源和材料是现代社会发展的三大支柱, 而信息技术和新能源产业的发展都是以各种新材料作为支撑和基础的。材料科学与技术的发展水平已经成为衡量一个国家国防力量、 经济发展水平和综合实力的重要指标之一。材料科学与工程学科的核心是研究材料科学的四要素之间的关系, 即材料合成和过程——成分结构——性能——服役应用等之间的关系, 除了材料专业研究者在材料科学规律、 制备工艺技术、 计算模拟和实验技术四大方面对材料科学的四个要素进行全面的研究以外, 其他学科如: 物理、 化学、 机械、 生物、 电子等学科, 近年来也不断向材料科学延伸与渗透, 通过不断的交叉进一步推动了材料科学的发展, 建立了如电子半导体材料、 纳米材料和器件、 生物材料和先进工程材料等新的交叉学科。这种不同学科的交叉已经成为新材料的发现、 发展和创新的重要源泉。

材料学科的许多开拓性的发展和原始性创新都与实验技术及仪器装备的发展紧密相关。在高校中加强对学生的实验技能与创新能力, 以及综合研究能力的培养已经越来越受到重视, 许多新的实验内容和实验教学理念被不断提出。鉴于目前在综合性大学里, 材料专业使用的实验指导教材大部分是以材料工程为基本内容, 而没有一本适合材料物理与化学专业的实验指导教材, 根据教育部高等学校材料科学与工程教学指导委员会规划教材建设精神, 我们在广泛征求各参编院校多年从事材料专业实验教学教师的意见和总结多年实验教学实践经验的基础上, 结合综合性大学材料物理与化学专业的特点, 编写了本实验教程。

本实验教程是材料物理与化学专业本科生和研究生必修的一门专业实验课程。通过本教程的学习可使学生加深对材料物理与化学的基本思维方法、 分析手段和实验技能的理解,提高分析问题和解决问题的能力; 培养创新精神及严肃认真和实事求是的科学作风, 掌握自我学习方法, 为今后的学习和工作打下良好的基础。

本实验教程共分五章75个实验。第一章为“材料的物理与化学制备”部分, 主要收集了目前比较成熟的利用物理方法或化学方法制备新型功能材料技术, 包括纳米材料、 薄膜材料、 功能陶瓷材料和高分子复合材料制备等实验。第二章为“材料的物理与化学性能”部分, 主要是材料热、 声、 光、 电、 介电、 磁等物理性能, 以及光谱、 电化学、 Zeta电位、 粒度、 比表面积等化学性能的测试实验。除了保留部分传统实验以外, 还补充了如场发射、 光催化、 薄膜电性、 纳米材料的光学性质、 声子晶体及其反射与透射系数测量等新的实验内容。第三章为“材料的机械性能”部分, 收集了一些传统的重要的力学和腐蚀等实验内容。第四章为“材料的成分、 组织与结构表征”部分, 除了传统的金相、 X射线和电镜分析以外, 补充了一些新的实验技术和方法, 如背散射电子衍射(EBSD)分析、 扫描探针显微技术(SPM)分析和纳米厚度测量等内容。第五章为“综合性实验”, 它是在前四章的基础上, 根据不同材料的特点, 让学生选择某一材料体系, 然后从材料制备 → 性能测试 → 微结构表征等环节进行综合实验能力训练。每组实验按照36学时进行分配, 一般需要一个学期完成。学生可以根据兴趣选择一组进行实验, 教学单位也可以根据自身条件, 进行适当的组合和学时调整。另外, 在本教程的最后部分还列举了与实验内容相关的大量附录资料和数据, 尽量为学生提供详尽的实验内容和信息。

本实验教程遵循“厚基础、 宽专业、 多方向、 强能力”的教育思想和教育理念, 内容丰富, 编排新颖。既保留了材料专业传统的实验内容, 又增加了一些有特色、 创新性和适用性的实验, 特别是增加了一些反映现代材料发展的新实验, 如纳米材料的制备、 新型功能材料的性能测试, 以及新的材料表征技术等。各学校可以根据自身办学特色和实验条件, 有选择性的进行实验教学。

本实验教程的主要特色是:

1. 注重物理与化学基本概念的描述, 根据该专业学生以物理和化学为基础的特点, 结合材料科学技术发展的最新动态, 以加强基础、 拓宽专业知识结构为基本原则。

2. 反映了现代材料科学与技术发展中的新概念、 新知识、 新理论、 新技术, 充分体现出了实验技术的现代性。

3. 除了结合本学科的特点以外, 还兼顾材料工程类学科的实验内容。共性与个性相结合, 体现了多学科、 知识多元化的交叉与渗透。

4. 注重实验教学内容深度与广度适中, 以够用和实用为原则, 坚持理论与实际相结合。

5. 吸收了国内外同类实验教材的精华, 尽量做到内容丰富、 概念清晰、 深入浅出、 简明扼要、 重点突出。

本书由武汉大学潘春旭教授任主编, 武汉大学方鹏飞副教授和汪大海高级工程师任副主编。参加编写的有武汉大学潘春旭(实验4, 5~10, 12~20, 21~26, 28, 31, 34, 36, 40, 43, 47, 55~60, 70~75)、 方鹏飞(实验15, 18, 19, 22,23, 25, 30, 39, 48, 54, 61, 62, 64, 66, 68, 70~75)、 汪大海(实验1~4, 11, 21, 40, 49~53, 70~75)、 陈万平(实验9, 29)、 吴奕初(实验69)、 魏建红(实验17)、 张国栋(实验6, 7)、 徐晟(实验60, 67)、 傅强(实验56)、 柯满竹(实验8, 32)、 张翔(实验37, 38)、 黄亚敏(实验5, 28, 58, 59)、 廖灵敏(实验20, 34~36)、 张峻(实验12)、 余雯(实验63, 65)、廖蕾(实验11, 31)、 高远鹏(实验15); 清华大学齐建全(实验16); 华东师范大学余家会(实验63, 65);北京科技大学张国庆(实验13, 33); 湖北工业大学王立世(实验14, 41~47); 武汉理工大学刘日利(实验13, 26, 27); 武汉工程大学陈(实验19, 22, 23); 三峡大学黄祥平(实验39); 湖南科技大学黄宗玉(实验24)。附录由博士生祁祥同学收集和整理。全文由潘春旭教授统筹和修改。中南大学汪明朴教授对全书进行审定。

本书在编写过程中, 参考了武汉大学物理科学与技术学院所使用的实验指导书、 其他兄弟院校的实验教材以及相关的专著、 手册、 刊物论文、 学位论文和网络资源等, 并受到2007年湖北省高等学校省级教学研究项目“综合性大学材料专业复合型人才的培养改革与实践”(编号: 20070021)的资助, 谨此表示感谢。

由于编者水平有限, 实践经验不足, 书中难免有不妥之处, 恳请大家批评指正。

编 者

2008年9月于武汉大学

材料是国民经济、 社会进步和国家安全的物质基础与先导, 材料技术已成为现代工业、 国防和高技术发展的共性基础技术, 是当前最重要、 发展最快的科学技术领域之一。发展材料技术将促进包括新材料产业在内的我国高新技术产业的形成和发展, 同时又将带动传统产业和支柱产业的改造和产品的升级换代。“十五”期间, 我国材料领域在光电子材料、 特种功能材料和高性能结构材料等方面取得了较大的突破, 在一些重点方向迈入了国际先进行列。依据国家“十一五”规划, 材料领域将立足国家重大需求; 自主创新、 提高核心竞争力、 增强材料领域持续创新能力将成为战略重心。纳米材料与器件、 信息功能材料与器件、 高新能源转换与储能材料、 生物医用与仿生材料、 环境友好材料、 重大工程及装备用关键材料、 基础材料高性能化与绿色制备技术、 材料设计与先进制备技术将成为材料领域研究与发展的主导方向。不难看出, 这些主导方向体现了材料学科一个重要发展趋势, 即材料学科正在由单纯的材料科学与工程向与众多高新科学技术领域交叉融合的方向发展。材料领域科学技术的快速进步, 对担负材料科学与工程高等教育和科学研究双重任务的高等学校提出了严峻的挑战, 为迎接这一挑战, 高等学校不但要担负起材料科学与工程前沿领域的科学研究、 知识创新任务, 而且要担负起培养能适应材料科学与工程领域高速发展需求的、 具有新知识结构的创新型高素质人才的重任。

为适应材料领域高等教育的新形势, 2006—2010年教育部高等学校材料科学与工程教学指导委员会积极组织了材料类高等学校教材的建设规划工作, 成立了规划教材编审委员会, 编审委员会由相关学科的分教学指导委员会主任委员、 委员以及全国30余所有影响力和代表性的高校材料学院院长组成。编审委员会分别于2006年10月和2007年5月在湖南张家界和中南大学召开了教材建设研讨会和教材提纲审定会。经教学指导委员会和编审委员会推荐和遴选, 逾百名来自全国几十所高校的具有丰富教学与科研经验的专家、 学者参加了这套教材的编写工作。历经几年的努力, 这套教材终于与读者见面了, 它凝结了全体编写者与组织者的心血, 充分体现了广大编写者对教育部“质量工程”精神的深刻体会, 对当代材料领域知识结构的牢固掌握和对高等教育规律的熟练把握, 是我国材料领域高等教育工作者集体智慧的结晶。

这套教材基本涵盖了金属材料工程专业的主要课程, 同时还包含了材料物理专业和材料化学专业部分专业基础课程, 以及金属、 无机非金属和高分子三大类材料学科的实验课程。整体看来, 这套教材具有如下特色: ①根据教育部高等学校教学指导委员会相关课程的“教学大纲”及“基本要求”编写; ②统一规划, 结构严谨, 整套教材具有完整性、 系统性, 基础课与专业课之间的内容有机衔接; ③注重基础, 强调实践, 体现了科学性、 实用性; ④编委会及作者由材料领域的院士、 知名教授及专家组成, 确保了教材的高质量及权威性; ⑤注重创新, 反映了材料科学领域的新知识、 新技术、 新工艺、 新方法; ⑥深入浅出, 说理透彻, 便于老师教学及学生自学。

教材的生命力在于质量, 而提高质量是永恒的主题。希望教材的编审委员会及出版社能做到与时俱进, 根据高等教育改革和发展的形势及材料专业技术发展的趋势, 不断对教材进行修订、 改进、 完善, 精益求精, 使之更好地适应高等教育人才培养的需要, 也希望他们能够一如既往地依靠业内专家, 与科研、 教学、 产业第一线人员紧密结合, 加强合作, 不断开拓, 出版更多的精品教材, 为高等教育提供优质的教学资源和服务。

衷心希望这套教材能在我国材料高等教育中充分发挥它的作用, 也期待着在这套教材的哺育下, 新一代材料学子能茁壮成长, 脱颖而出。

黄伯云

2008年9月