《材料結構基礎與表征》的編寫主要根據(jù)成果導向教育（OBE）理念，以培養(yǎng)目標反向設計教材內容，以實現(xiàn)使學生了解結構基礎、熟悉測試技術、熟練分析方法的課程目標。本書以培養(yǎng)學生能力為主體，創(chuàng)新內容和模式，深度提煉課程思政案例，將結構化學理論、材料測試技術、材料計算模擬方法、材料結構分析案例等模塊交叉融合，形成五位一體的多維立體式教材。全書共計8章，主要包括緒論、原子結構與表征、分子結構及光譜分析、晶體結構與表征、金屬結構與表征、材料計算模擬方法、材料復雜綜合問題解決案例分析等內容。本書可作為高等學校材料類專業(yè)的本科、研究生教材，也可作為材料科學研究人員的參考書。
目前，我國普通高等教育教材建設正逐步形成反映時代特點、與時俱進的教材體系，并逐漸向立體化和數(shù)字化方向發(fā)展。同時，在新時代、新形勢下，教材建設要落實立德樹人的根本任務，體現(xiàn)科學技術的最新突破、學術研究的最新進展，及時更新修訂陳舊內容，為培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設者和接班人提供堅實有力的支撐。
新材料是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石。材料的性能由其結構組成決定，讓學生掌握材料微觀層面的結構理論基礎和表征分析方法，以培養(yǎng)學生構建起材料的晶體結構、微觀組織、化學成分、物相組成與材料制備工藝、材料性能間的關系，具備材料結構分析和表征的能力，以適應材料設計和開發(fā)的新要求，進而滿足新時代新材料領域對人才的培養(yǎng)需求。
本書在內容上先從材料結構化學基礎入手，深入介紹材料微觀測試技術手段。主要由緒論、原子結構與表征、分子結構及光譜分析、晶體結構與表征、金屬結構與表征、材料計算模擬方法、材料復雜綜合問題解決案例分析等部分組成。各章首先在本章導讀中設置思維導圖，實現(xiàn)章節(jié)知識的可視化，以便學生建立知識框架，具有良好的適教性，進而幫助學生建立知識與能力邏輯框架，提升學生學習主動性和針對性；其次在章節(jié)開頭引入思政案例，深入挖掘材料結構問題與測試技術的文化基因和價值范式，強化課程思政建設，多角度多層次地將思政教育與知識體系教育有機融合，增強學生社會主義核心價值觀。同時，書中豐富了新工科新材料的實際材料結構問題分析案例。通過研究性、創(chuàng)新性、綜合性材料分析案例的教材內容，提高課程的挑戰(zhàn)度，加大學生自學時間投入，培養(yǎng)學生高階能力；讓學生深入體會國家卡脖子技術產(chǎn)生的原因，樹立為之奮斗終身的決心；科技成果以分析案例形式呈現(xiàn)，真實且實用，提升學生學習關注度和參與度；通過深度提煉課程思政案例，將材料結構基礎、測試技術與案例分析交叉融合，以期培養(yǎng)學生開展材料科學研究和解決材料科學與工程領域相關問題的能力。最后利用課題組的研究經(jīng)歷，本書設計了三個關于醫(yī)用金屬材料、樹脂材料、無機材料綜合應用的實際案例，以實際項目給學生真實體驗，教會學生如何建立起科研思想，學會綜合應用所學知識解決科研綜合、復雜的實際問題。
本書前言、第1章和第2章由許瑩編寫，第3章和第4章由蔡艷青編寫，第5章和第6章由胡晨光編寫，第7章由陳興剛編寫，第8章由蔡艷青、陳興剛、胡晨光編寫。
本書做了一些嘗試性的工作，由于編著者的水平所限，必定還存在不足之處，熱切盼望讀者提出寶貴意見。
編著者
2025.3
第1章 緒論
【思維導圖】 001
【思政案例】 愛國奉獻科學家精神 001
1.1 材料科學的概念 001
1.2 材料結構與研究方法 002
參考文獻 003
第2章 原子結構與表征
【本章導讀】 004
【思維導圖】 004
【思政案例】 愛國奉獻兩彈一星精神 005
2.1 量子力學基礎 005
2.1.1 微觀粒子的運動特征 005
2.1.2 量子力學基本假設 008
2.1.3 箱中粒子的薛定諤方程及其解 013
2.1.4 掃描隧道顯微鏡 015
【思政案例】 勇于創(chuàng)新勇攀高峰 019
2.2 原子結構和性質 019
2.2.1 單電子原子的薛定諤方程及其解 020
2.2.2 多電子原子的結構 030
2.3 電子與固體物質的相互作用 036
【思政案例】 求真務實責任擔當 037
2.4 掃描電子顯微分析 037
2.4.1 掃描電子顯微鏡原理 037
2.4.2 掃描電鏡主要結構 038
2.4.3 掃描電鏡主要指標 040
2.4.4 掃描電子顯微鏡在材料分析中的應用 041
【思政案例】 獨出新材綠色低碳 049
2.5 電子探針X 射線顯微分析 049
2.5.1 電子探針的構造和工作原理 049
2.5.2 電子探針在材料分析中的應用 054
思考題 058
參考文獻 059
第3章 分子結構及光譜分析（一）
【本章導讀】 060
【思維導圖】 060
【思政案例】 求真務實化學鍵理論的發(fā)展史 061
3.1 化學鍵概述 061
3.2 H2 的分子軌道和共價鍵的本質 061
3.2.1 氫分子離子的薛定諤方程 062
3.2.2 變分原理與線性變分法 062
3.2.3 H2 的變分原理 063
3.2.4 關于特殊積分的討論和H2 能量曲線 064
3.3 分子軌道理論 066
3.3.1 簡單分子軌道理論 066
3.3.2 分子軌道的分類和分布特點 066
3.3.3 同核雙原子分子的結構 069
3.3.4 異核雙原子分子的結構 072
3.3.5 雙原子分子的光譜項 073
3.4 雙原子分子光譜 074
【思政案例】 勇于創(chuàng)新光譜分析的起源故事 074
3.4.1 分子光譜簡介 074
3.4.2 雙原子分子的轉動光譜 076
3.4.3 雙原子分子的振動光譜 078
3.4.4 雙原子分子的振動-轉動光譜 081
3.5 多原子分子的結構和性質 082
3.5.1 價電子對互斥理論（VSEPR） 082
3.5.2 雜化軌道理論 083
3.5.3 離域分子軌道理論 084
3.5.4 休克爾分子軌道法（HMO 法） 084
3.6 多原子分子光譜概論 084
【思政案例】 愛國奉獻青春中國，光譜計劃 084
3.6.1 多原子分子光譜的分類 085
3.6.2 多原子分子的振動光譜 085
思考題 086
參考文獻 086
第4章 分子結構及光譜分析（二）
【本章導讀】 087
【思維導圖】 087
4.1 拉曼散射光譜 088
【思政案例】 求真務實拉曼光譜鑄慧眼 088
4.1.1 拉曼散射光譜概述 088
4.1.2 拉曼散射的條件 088
4.1.3 拉曼散射光譜的應用 089
4.1.4 拉曼散射光譜技術的特點 089
4.1.5 拉曼散射光譜在材料研究中的應用 090
4.2 光電子能譜 097
【思政案例】 愛國奉獻中國光譜新時代 098
4.2.1 光電子能譜簡介 098
4.2.2 光電子能譜實驗技術 101
4.2.3 光電子能譜在材料研究中的應用 106
4.3 紫外可見吸收光譜 110
4.3.1 紫外可見吸收光譜簡介 110
4.3.2 紫外可見吸收光譜儀 110
4.3.3 紫外可見吸收光譜分類 110
4.3.4 紫外可見吸收光譜測定試樣制備 113
4.3.5 紫外可見吸收光譜在材料研究中的應用 113
4.4 紅外吸收光譜 117
【思政案例】 勇于創(chuàng)新紅外光譜的發(fā)現(xiàn)史 117
4.4.1 紅外光譜概述 117
4.4.2 傅里葉紅外吸收光譜儀 119
4.4.3 紅外測試試樣制備 119
4.4.4 紅外光譜解析 120
4.4.5 紅外光譜在材料研究中的應用 124
4.5 俄歇電子能譜 131
【思政案例】 勇于創(chuàng)新俄歇電子能譜的奠基人皮埃爾·俄歇 131
4.5.1 俄歇電子能譜概述 131
4.5.2 俄歇電子能譜分析 134
4.5.3 俄歇電子能譜在材料研究中的應用 138
4.6 核磁共振吸收波譜 140
4.6.1 核磁共振基本原理及核磁共振波譜儀 140
4.6.2 試樣制備 141
4.6.3 化學位移與自旋分裂 141
4.6.4 核磁共振氫譜及應用 143
思考題 145
參考文獻 146
第5章 晶體結構與表征
【本章導讀】 147
【思維導圖】 147
【思政案例】 愛國奉獻科技報國 148
5.1 晶體 148
5.1.1 晶體的形成 148
5.1.2 點陣、結構基元和晶胞 148
5.1.3 點陣參數(shù)和晶胞參數(shù) 149
5.2 晶面與晶向 151
5.2.1 晶面指數(shù)與晶向指數(shù) 151
5.2.2 晶面間距、晶面夾角 153
5.2.3 倒點陣（倒格子） 155
5.3 X 射線衍射幾何條件 158
5.3.1 Bragg 定律 159
5.3.2 倒易空間與衍射條件（厄瓦爾德圖解） 161
5.4 X 射線衍射儀法分析 163
5.4.1 衍射儀法 163
5.4.2 衍射儀的調整與工作方式 168
5.4.3 X 射線衍射分析在材料分析中的應用 169
5.5 透射電子顯微分析 174
【思政案例】 勇于創(chuàng)新勇攀高峰 174
5.5.1 透射電子顯微鏡結構 174
5.5.2 透射電鏡的主要性能指標 178
5.5.3 電子衍射 179
5.5.4 透射電子顯微鏡在材料分析中的應用 181
5.6 熱分析技術 182
5.6.1 差熱分析 183
5.6.2 差示掃描量熱分析 187
5.6.3 熱重分析 190
5.6.4 熱分析技術的應用 194
思考題 200
參考文獻 201
第6章 金屬的結構與表征
【本章導讀】 202
【思維導圖】 202
【思政案例】 獨出新材鋼渣碳中和 203
6.1 金屬的性質 203
6.1.1 金屬鍵的自由電子模型 203
6.1.2 固體能帶理論 204
6.2 等徑圓球的密堆積 206
6.2.1 等徑圓球的最密堆積 206
6.2.2 等徑圓球的體心立方密堆積 209
6.2.3 等徑圓球密堆積中空隙的大小和分布 209
6.3 合金的結構和性質 210
6.3.1 金屬固溶體 211
6.3.2 金屬化合物 212
6.3.3 金屬間隙化合物 213
6.4 固體的表面結構和性質 213
6.5 場離子顯微鏡 214
【思政案例】 求真務實踏實肯干 214
6.5.1 場離子顯微鏡的結構和成像原理 215
6.5.2 場離子顯微鏡的應用 215
6.6 離子散射譜 218
6.6.1 低能離子散射與高能離子散射 218
6.6.2 低能離子散射譜儀 219
6.6.3 LEISS 應用 220
6.7 穆斯堡爾譜法 222
6.7.1 穆斯堡爾效應 222
6.7.2 穆斯堡爾效應的測量 223
6.7.3 化學位移 224
6.7.4 四極分裂 224
6.7.5 磁超精細場 225
6.7.6 穆斯堡爾譜的應用 226
思考題 229
參考文獻 229
第7章 材料計算模擬方法
【本章導讀】 230
【思維導圖】 230
【思政案例】 愛國奉獻鄧稼先科學家的計算焦慮 231
7.1 計算機模擬的起源 231
7.2 第一性原理計算密度泛函理論 233
7.2.1 密度泛函理論背景 233
【思政案例】 獨出新材第一性原理計算2019-nCoV 病毒分子3CL 水解酶結構 234
7.2.2 密度泛函理論基礎 234
7.2.3 第一性原理的研究現(xiàn)狀及計算常用軟件 243
7.2.4 第一性原理在材料研究中的應用 245
7.3 分子動力學 251
7.3.1 分子動力學基本原理 252
7.3.2 分子動力學方法在材料研究中的應用 259
7.4 蒙特卡洛法 269
7.4.1 基本思想和一般過程 269
7.4.2 隨機數(shù)與偽隨機數(shù) 270
7.4.3 隨機抽樣 277
7.4.4 蒙特卡洛法的精度與改進 285
7.4.5 蒙特卡洛法在材料研究中的應用 287
思考題 289
參考文獻 290
第8章 材料復雜綜合問題解決案例分析
【本章導讀】 292
【思維導圖】 292
8.1 醫(yī)用鈦合金梯度復合材料復雜綜合問題解決實操案例 293
8.1.1 工程問題案例背景 293
8.1.2 問題分析總體思路 293
8.1.3 擬采用的測試手段 294
8.1.4 與專業(yè)知識點關系 294
8.1.5 實操過程分析結果 295
8.1.6 案例分析總結反思 304
8.2 耐高溫聚苯腈合金樹脂復雜綜合問題解決實操案例 306
8.2.1 工程問題案例背景 306
8.2.2 問題分析總體思路 306
8.2.3 擬采用的測試手段 306
8.2.4 與專業(yè)知識點關系 306
8.2.5 實操過程分析結果 306
8.2.6 案例分析總結反思 319
8.3 鋼渣捕獲二氧化碳材料復雜綜合問題解決實操案例 319
8.3.1 工程問題案例背景 319
8.3.2 問題分析總體思路 319
8.3.3 擬采用的測試手段 319
8.3.4 與專業(yè)知識點關系 319
8.3.5 實操過程分析結果 320
8.3.6 案例分析總結反思 330
思考題 330
參考文獻 330
書單推薦
