目前，我国普通高等教育教材建设正逐步形成反映时代特点、与时俱进的教材体系，并逐渐向立体化和数字化方向发展。同时，在新时代、新形势下，教材建设要落实立德树人的根本任务，体现科学技术的最新突破、学术研究的最新进展，及时更新修订陈旧内容，为培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人提供坚实有力的支撑。
新材料是战略性新兴产业发展的基石。材料的性能由其结构组成决定，让学生掌握材料微观层面的结构理论基础和表征分析方法，以培养学生构建起材料的晶体结构、微观组织、化学成分、物相组成与材料制备工艺、材料性能间的关系，具备材料结构分析和表征的能力，以适应材料设计和开发的新要求，进而满足新时代新材料领域对人才的培养需求。
本书在内容上先从材料结构化学基础入手，深入介绍材料微观测试技术手段。主要由绪论、原子结构与表征、分子结构及光谱分析、晶体结构与表征、金属结构与表征、材料计算模拟方法、材料复杂综合问题解决案例分析等部分组成。各章首先在本章导读中设置思维导图，实现章节知识的可视化，以便学生建立知识框架，具有良好的适教性，进而帮助学生建立知识与能力逻辑框架，提升学生学习主动性和针对性；其次在章节开头引入思政案例，深入挖掘材料结构问题与测试技术的文化基因和价值范式，强化课程思政建设，多角度多层次地将思政教育与知识体系教育有机融合，增强学生社会主义核心价值观。同时，书中丰富了新工科新材料的实际材料结构问题分析案例。通过研究性、创新性、综合性材料分析案例的教材内容，提高课程的挑战度，加大学生自学时间投入，培养学生高阶能力；让学生深入体会国家卡脖子技术产生的原因，树立为之奋斗终身的决心；科技成果以分析案例形式呈现，真实且实用，提升学生学习关注度和参与度；通过深度提炼课程思政案例，将材料结构基础、测试技术与案例分析交叉融合，以期培养学生开展材料科学研究和解决材料科学与工程领域相关问题的能力。最后利用课题组的研究经历，本书设计了三个关于医用金属材料、树脂材料、无机材料综合应用的实际案例，以实际项目给学生真实体验，教会学生如何建立起科研思想，学会综合应用所学知识解决科研综合、复杂的实际问题。
本书前言、第1章和第2章由许莹编写，第3章和第4章由蔡艳青编写，第5章和第6章由胡晨光编写，第7章由陈兴刚编写，第8章由蔡艳青、陈兴刚、胡晨光编写。
本书做了一些尝试性的工作，由于编著者的水平所限，必定还存在不足之处，热切盼望读者提出宝贵意见。
编著者
2025.3
第1章 绪论
【思维导图】 001
【思政案例】 爱国奉献科学家精神 001
1.1 材料科学的概念 001
1.2 材料结构与研究方法 002
参考文献 003
第2章 原子结构与表征
【本章导读】 004
【思维导图】 004
【思政案例】 爱国奉献两弹一星精神 005
2.1 量子力学基础 005
2.1.1 微观粒子的运动特征 005
2.1.2 量子力学基本假设 008
2.1.3 箱中粒子的薛定谔方程及其解 013
2.1.4 扫描隧道显微镜 015
【思政案例】 勇于创新勇攀高峰 019
2.2 原子结构和性质 019
2.2.1 单电子原子的薛定谔方程及其解 020
2.2.2 多电子原子的结构 030
2.3 电子与固体物质的相互作用 036
【思政案例】 求真务实责任担当 037
2.4 扫描电子显微分析 037
2.4.1 扫描电子显微镜原理 037
2.4.2 扫描电镜主要结构 038
2.4.3 扫描电镜主要指标 040
2.4.4 扫描电子显微镜在材料分析中的应用 041
【思政案例】 独出新材绿色低碳 049
2.5 电子探针X 射线显微分析 049
2.5.1 电子探针的构造和工作原理 049
2.5.2 电子探针在材料分析中的应用 054
思考题 058
参考文献 059
第3章 分子结构及光谱分析（一）
【本章导读】 060
【思维导图】 060
【思政案例】 求真务实化学键理论的发展史 061
3.1 化学键概述 061
3.2 H2 的分子轨道和共价键的本质 061
3.2.1 氢分子离子的薛定谔方程 062
3.2.2 变分原理与线性变分法 062
3.2.3 H2 的变分原理 063
3.2.4 关于特殊积分的讨论和H2 能量曲线 064
3.3 分子轨道理论 066
3.3.1 简单分子轨道理论 066
3.3.2 分子轨道的分类和分布特点 066
3.3.3 同核双原子分子的结构 069
3.3.4 异核双原子分子的结构 072
3.3.5 双原子分子的光谱项 073
3.4 双原子分子光谱 074
【思政案例】 勇于创新光谱分析的起源故事 074
3.4.1 分子光谱简介 074
3.4.2 双原子分子的转动光谱 076
3.4.3 双原子分子的振动光谱 078
3.4.4 双原子分子的振动-转动光谱 081
3.5 多原子分子的结构和性质 082
3.5.1 价电子对互斥理论（VSEPR） 082
3.5.2 杂化轨道理论 083
3.5.3 离域分子轨道理论 084
3.5.4 休克尔分子轨道法（HMO 法） 084
3.6 多原子分子光谱概论 084
【思政案例】 爱国奉献青春中国，光谱计划 084
3.6.1 多原子分子光谱的分类 085
3.6.2 多原子分子的振动光谱 085
思考题 086
参考文献 086
第4章 分子结构及光谱分析（二）
【本章导读】 087
【思维导图】 087
4.1 拉曼散射光谱 088
【思政案例】 求真务实拉曼光谱铸慧眼 088
4.1.1 拉曼散射光谱概述 088
4.1.2 拉曼散射的条件 088
4.1.3 拉曼散射光谱的应用 089
4.1.4 拉曼散射光谱技术的特点 089
4.1.5 拉曼散射光谱在材料研究中的应用 090
4.2 光电子能谱 097
【思政案例】 爱国奉献中国光谱新时代 098
4.2.1 光电子能谱简介 098
4.2.2 光电子能谱实验技术 101
4.2.3 光电子能谱在材料研究中的应用 106
4.3 紫外可见吸收光谱 110
4.3.1 紫外可见吸收光谱简介 110
4.3.2 紫外可见吸收光谱仪 110
4.3.3 紫外可见吸收光谱分类 110
4.3.4 紫外可见吸收光谱测定试样制备 113
4.3.5 紫外可见吸收光谱在材料研究中的应用 113
4.4 红外吸收光谱 117
【思政案例】 勇于创新红外光谱的发现史 117
4.4.1 红外光谱概述 117
4.4.2 傅里叶红外吸收光谱仪 119
4.4.3 红外测试试样制备 119
4.4.4 红外光谱解析 120
4.4.5 红外光谱在材料研究中的应用 124
4.5 俄歇电子能谱 131
【思政案例】 勇于创新俄歇电子能谱的奠基人皮埃尔·俄歇 131
4.5.1 俄歇电子能谱概述 131
4.5.2 俄歇电子能谱分析 134
4.5.3 俄歇电子能谱在材料研究中的应用 138
4.6 核磁共振吸收波谱 140
4.6.1 核磁共振基本原理及核磁共振波谱仪 140
4.6.2 试样制备 141
4.6.3 化学位移与自旋分裂 141
4.6.4 核磁共振氢谱及应用 143
思考题 145
参考文献 146
第5章 晶体结构与表征
【本章导读】 147
【思维导图】 147
【思政案例】 爱国奉献科技报国 148
5.1 晶体 148
5.1.1 晶体的形成 148
5.1.2 点阵、结构基元和晶胞 148
5.1.3 点阵参数和晶胞参数 149
5.2 晶面与晶向 151
5.2.1 晶面指数与晶向指数 151
5.2.2 晶面间距、晶面夹角 153
5.2.3 倒点阵（倒格子） 155
5.3 X 射线衍射几何条件 158
5.3.1 Bragg 定律 159
5.3.2 倒易空间与衍射条件（厄瓦尔德图解） 161
5.4 X 射线衍射仪法分析 163
5.4.1 衍射仪法 163
5.4.2 衍射仪的调整与工作方式 168
5.4.3 X 射线衍射分析在材料分析中的应用 169
5.5 透射电子显微分析 174
【思政案例】 勇于创新勇攀高峰 174
5.5.1 透射电子显微镜结构 174
5.5.2 透射电镜的主要性能指标 178
5.5.3 电子衍射 179
5.5.4 透射电子显微镜在材料分析中的应用 181
5.6 热分析技术 182
5.6.1 差热分析 183
5.6.2 差示扫描量热分析 187
5.6.3 热重分析 190
5.6.4 热分析技术的应用 194
思考题 200
参考文献 201
第6章 金属的结构与表征
【本章导读】 202
【思维导图】 202
【思政案例】 独出新材钢渣碳中和 203
6.1 金属的性质 203
6.1.1 金属键的自由电子模型 203
6.1.2 固体能带理论 204
6.2 等径圆球的密堆积 206
6.2.1 等径圆球的最密堆积 206
6.2.2 等径圆球的体心立方密堆积 209
6.2.3 等径圆球密堆积中空隙的大小和分布 209
6.3 合金的结构和性质 210
6.3.1 金属固溶体 211
6.3.2 金属化合物 212
6.3.3 金属间隙化合物 213
6.4 固体的表面结构和性质 213
6.5 场离子显微镜 214
【思政案例】 求真务实踏实肯干 214
6.5.1 场离子显微镜的结构和成像原理 215
6.5.2 场离子显微镜的应用 215
6.6 离子散射谱 218
6.6.1 低能离子散射与高能离子散射 218
6.6.2 低能离子散射谱仪 219
6.6.3 LEISS 应用 220
6.7 穆斯堡尔谱法 222
6.7.1 穆斯堡尔效应 222
6.7.2 穆斯堡尔效应的测量 223
6.7.3 化学位移 224
6.7.4 四极分裂 224
6.7.5 磁超精细场 225
6.7.6 穆斯堡尔谱的应用 226
思考题 229
参考文献 229
第7章 材料计算模拟方法
【本章导读】 230
【思维导图】 230
【思政案例】 爱国奉献邓稼先科学家的计算焦虑 231
7.1 计算机模拟的起源 231
7.2 第一性原理计算密度泛函理论 233
7.2.1 密度泛函理论背景 233
【思政案例】 独出新材第一性原理计算2019-nCoV 病毒分子3CL 水解酶结构 234
7.2.2 密度泛函理论基础 234
7.2.3 第一性原理的研究现状及计算常用软件 243
7.2.4 第一性原理在材料研究中的应用 245
7.3 分子动力学 251
7.3.1 分子动力学基本原理 252
7.3.2 分子动力学方法在材料研究中的应用 259
7.4 蒙特卡洛法 269
7.4.1 基本思想和一般过程 269
7.4.2 随机数与伪随机数 270
7.4.3 随机抽样 277
7.4.4 蒙特卡洛法的精度与改进 285
7.4.5 蒙特卡洛法在材料研究中的应用 287
思考题 289
参考文献 290
第8章 材料复杂综合问题解决案例分析
【本章导读】 292
【思维导图】 292
8.1 医用钛合金梯度复合材料复杂综合问题解决实操案例 293
8.1.1 工程问题案例背景 293
8.1.2 问题分析总体思路 293
8.1.3 拟采用的测试手段 294
8.1.4 与专业知识点关系 294
8.1.5 实操过程分析结果 295
8.1.6 案例分析总结反思 304
8.2 耐高温聚苯腈合金树脂复杂综合问题解决实操案例 306
8.2.1 工程问题案例背景 306
8.2.2 问题分析总体思路 306
8.2.3 拟采用的测试手段 306
8.2.4 与专业知识点关系 306
8.2.5 实操过程分析结果 306
8.2.6 案例分析总结反思 319
8.3 钢渣捕获二氧化碳材料复杂综合问题解决实操案例 319
8.3.1 工程问题案例背景 319
8.3.2 问题分析总体思路 319
8.3.3 拟采用的测试手段 319
8.3.4 与专业知识点关系 319
8.3.5 实操过程分析结果 320
8.3.6 案例分析总结反思 330
思考题 330
参考文献 330
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