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出版者:高等教育

作者:大学化学实验教学组 编

出品人:

页数:346

译者:

出版时间:1999-9

价格:22.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787040076851

丛书系列:

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• 自然科学
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现代材料科学导论 本书全面深入地探讨了现代材料科学的基础理论、研究方法和前沿应用，旨在为读者构建一个系统且深入的材料科学知识体系。 --- 第一部分：材料科学的基石 第一章：材料科学的本质与范畴 材料是人类文明进步的物质载体。本章从哲学的角度审视材料在社会发展中的地位，并明确界定现代材料科学的学科范畴。材料科学不再是传统意义上的冶金学或陶瓷学，而是一个高度交叉的学科，融合了物理学、化学、工程学乃至生物学。我们详细阐述了“结构-性能-加工-应用”这四大核心要素之间的内在联系，这是理解任何材料行为的逻辑起点。 1.1 跨学科的融合： 分析材料科学如何整合原子物理学、固体化学和工程力学。介绍研究材料的微观结构（从原子排列到晶界）如何决定宏观可观测性能（如强度、导电性、耐腐蚀性）。 1.2 材料的分类系统： 传统分类（金属、陶瓷、聚合物）的局限性，引入功能材料和智能材料的新分类体系。深入讨论每类材料的典型晶体结构或分子链结构，及其与基础性能的对应关系。 1.3 实验与计算的互补： 介绍材料科学研究的两种主要途径：基于实验的表征技术（如衍射、光谱）和基于第一性原理的计算模拟方法（如密度泛函理论DFT）。强调计算模拟如何加速新材料的筛选与设计过程。 第二章：原子结构与晶体学基础 材料的宏观性能根源于其内部的原子排列。本章着重讲解晶体结构，这是理解固体材料行为的关键。 2.1 原子键合类型： 详细分析离子键、共价键、金属键和范德华力，阐述每种键合在决定材料熔点、硬度和导电性上的决定性作用。引入混合键合的概念，解释半导体材料的特殊性。 2.2 晶体结构的基本概念： 介绍晶格、晶胞、布拉维点阵等基本术语。重点解析体心立方（BCC）、面心立方（FCC）和六方紧密堆积（HCP）结构，计算其原子堆积密度（APF）。 2.3 晶体缺陷理论： 缺陷是材料性能调控的“开关”。深入探讨零维缺陷（点缺陷，如空位和间隙原子）、一维缺陷（线缺陷，如位错）和二维缺陷（面缺陷，如晶界）。着重分析位错如何解释金属的塑性变形机制，并讨论如何通过控制缺陷密度来强化或软化材料。 第二部分：材料的性能与调控 第三章：热力学与相平衡 材料的加工和使用环境都受到热力学定律的制约。本章聚焦于如何使用热力学工具预测材料的稳定性和相变行为。 3.1 材料热力学的基本定律： 概述吉布斯自由能（G）在材料相变中的核心地位。解释相变驱动力，如溶解、析出、凝固过程。 3.2 相图的解读与应用： 重点讲解单组元和二元相图（如Fe-C相图）。详细阐述杠杆定律在确定相含量和相组成中的应用。引入非平衡相变的概念，如贝氏体转变。 3.3 扩散现象： 描述原子在固态材料中的运动机制（如空位机制和间隙机制）。分析菲克第一定律和第二定律，并探讨温度和缺陷浓度对外扩散速率的影响，这对于热处理和界面反应至关重要。 第四章：机械性能与变形机制 本章深入探讨材料抵抗外力作用的能力，以及其变形和断裂的微观机制。 4.1 弹性形变与粘弹性： 定义杨氏模量、剪切模量和泊松比，解释胡克定律在弹性范围内的适用性。对于聚合物和生物材料，详细分析粘弹性行为，引入蠕变和应力松弛的概念。 4.2 塑性变形： 重点回到位错理论，解释滑移系、临界分切应力（CRSS）。阐述金属加工硬化（冷加工）的微观基础——位错的缠结和增殖。 4.3 强度提高的途径： 系统介绍提高材料强度的主要工程手段，包括晶粒细化（Hall-Petch关系）、固溶强化、沉淀强化（如合金中的第二相粒子）和加工硬化。 4.4 断裂力学基础： 区分韧性断裂和脆性断裂。引入应力强度因子（K）和断裂韧性（KIC）的概念，解释裂纹扩展的判据，并讨论疲劳和蠕变断裂的特殊性。 第五章：电学、磁学与光学性质 功能材料的研究是现代材料科学的核心领域。本章详细剖析了材料的电子结构如何决定其电、磁和光响应特性。 5.1 电子结构与导电性： 引入能带理论，解释导体、半导体和绝缘体之间的本质区别。深入分析本征半导体和掺杂半导体的工作原理，介绍P型和N型掺杂对费米能级的调控。 5.2 铁电性与铁磁性： 阐述磁畴、居里温度和磁化过程。重点讨论软磁材料和硬磁材料的应用区别。对于铁电体，解析其电畴的翻转机制及其在存储器件中的潜力。 5.3 光学特性： 讨论光吸收、透射和散射的物理机制。重点介绍半导体材料的光激发、载流子复合（发光材料基础）以及透明陶瓷和光纤材料的制备挑战。 第三部分：先进材料的设计与前沿 第六章：先进加工技术与材料设计 先进材料的性能往往依赖于其精准的微观结构控制。本章侧重于现代材料制备中的关键技术。 6.1 固态反应与粉末冶金： 讲解高纯度粉末的制备方法（如雾化法、化学沉淀法）。深入探讨烧结过程中的致密化机理、液相烧结的优势，以及如何控制残余孔隙率。 6.2 薄膜技术： 详细介绍物理气相沉积（PVD，如溅射、蒸镀）和化学气相沉积（CVD）的原理、优缺点和过程控制。讨论薄膜内应力与附着力的重要性。 6.3 增材制造（3D打印）中的材料挑战： 分析金属激光熔融沉积（SLM）和定向能量沉积（DED）中的快速凝固效应、熔池对流、以及由此产生的残余应力和微观组织偏析问题，这与传统铸造材料的组织有显著区别。 第七章：特种材料的应用与展望 本章聚焦于几种对现代高科技产业至关重要的材料体系。 7.1 复合材料的结构设计： 分析纤维增强复合材料（FRPs）和颗粒增强复合材料的性能提升原理。讲解界面结合的优化策略，强调纤维/基体界面对整体性能的控制作用。 7.2 生物材料与组织工程： 探讨材料的生物相容性、生物活性和生物可降解性。介绍应用于骨替代、血管支架和药物缓释系统的先进聚合物和陶瓷材料。 7.3 纳米材料的独特效应： 解释尺寸效应如何改变材料的性质，如表面能的增加和量子尺寸效应。讨论量子点、纳米线和石墨烯等二维材料在电子学和催化领域的突破性进展，以及其规模化生产面临的挑战。 --- 本书通过严谨的理论分析和丰富的工程实例相结合的方式，旨在培养读者从原子尺度理解材料行为，并能够运用材料科学原理解决实际工程问题的能力。每一章节都强调了当前研究的热点与未解决的科学难题，为后续深入研究奠定坚实的基础。

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这本书的语言风格非常严谨又不失亲和力，这是一种很难拿捏的平衡感。在描述核心理论和精确操作时，用词准确、逻辑清晰，几乎没有歧义，完全符合学术规范。然而，当作者在解释为什么需要进行某一步骤，或者分析某个实验现象背后的微观机制时，他们的文字又变得十分生动和具有启发性。我尤其喜欢它在“讨论”部分对实验误差来源的分析，它没有采用那种冷冰冰的数学模型，而是用非常形象的比喻来解释系统误差和随机误差对结果的影响，就像一位经验丰富的老教授在耳边娓娓道来。这种文字上的温度感，让学习过程变得不再枯燥，它成功地将枯燥的化学定律转化成了可以被理解和热爱的科学探索过程，使得阅读体验如同进行了一次高质量的思维对话。

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我必须得提一下这本书在安全教育方面的深度和广度，这一点远远超出了我的预期。很多实验书只是在开篇用一页纸简单罗列了“禁止事项”，但《大学化学实验》则将安全理念融入了每一个具体的实验模块之中。在涉及强酸强碱或易燃溶剂的实验部分，它不仅仅告知了防护要求，还配有详细的应急处理流程图，甚至是特定化学品泄露后，应该使用哪种中和剂、如何快速隔离污染区域的流程描述。此外，书中还专门辟出了一章，深入探讨了“实验室文化与职业素养”的重要性，这让我意识到，化学实验不仅仅是技术的堆砌，更是一种严谨的职业态度和对生命的尊重。这种将安全和职业道德提升到核心地位的编写理念，对于培养未来科研工作者和工程师的综合素质，具有不可估量的价值。

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从工具书的角度来看，这本书的附录部分简直是“宝藏”级别的存在，我敢说，很多其他教材的附录部分远不如它丰富和实用。它没有堆砌那些陈词滥调的物理常数表，而是精选了当前大学实验中最常遇到的、但往往需要额外查找的“冷门”数据和规范。比如，关于常见缓冲溶液的精确配制指南、不同型号天平的校准方法、甚至还有不同品牌标准仪表的常见故障排查速查表。最让我惊喜的是，它对新标准和规范的引用非常及时，我对比了一下我大一时用的旧版手册，这本书里收录的溶剂纯度等级划分和危险品分类都更新到了最新的国家或国际标准，这对于保证实验结果的准确性和合规性至关重要。可以说，这本书的附录，让它从一本“教材”升级成了一本“案头必备的实验参考手册”。

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这本书的装帧设计真是让人眼前一亮，封面那种哑光的质感，加上烫金的字体，透着一股沉稳又不失精致的感觉，拿在手里就觉得分量十足。我特意去书店摸了摸市面上其他几本同类教材，相比之下，这本《大学化学实验》在视觉呈现上明显高了一个档次。内页的纸张选择也很有考究，不是那种泛着廉价油光的纸张，而是偏向于米白色的纸张，对眼睛非常友好，长时间阅读也不会感到疲劳。而且，书中的插图和流程图排版得极其清晰、专业，即便是那些复杂的仪器结构图，也能一眼看出关键部件的相对位置和连接关系，这对于初次接触实验操作的学生来说，无疑是极大的帮助。我注意到一个细节，很多步骤的配图都采用了立体透视图，而不是简单的平面示意图，这极大地弥补了文字描述的局限性，让抽象的化学过程变得具体可感。这种对细节的把控，让我对这本书的编纂质量充满了信心，感觉它不仅仅是一本工具书，更像是一件精心打磨的艺术品，让人愿意时常翻阅和把玩。

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这本书的内容组织逻辑简直是教科书级别的典范，完全不同于我之前接触过的那种流水账式的实验手册。它采用了“理论导向—原理剖析—操作规范—数据处理”的完整闭环结构，每一个实验都不是孤立存在的，而是紧密联系着特定的化学原理和学科前沿。比如讲解滴定实验时，它会先用一小段引人入胜的篇幅，穿插介绍该方法在实际工业生产或生命科学研究中的应用案例，一下子就提升了实验的“意义感”，而不是单纯停留在“完成任务”的层面。更值得称赞的是，对于那些容易出错的关键步骤，作者们显然是下了苦心的，他们不是简单地用“注意”两个字带过，而是详细分析了操作失败的可能原因（比如试剂纯度、温度波动、操作速率等），并提供了多套备选的应急处理方案。这种预判性和风险规避的教学设计，体现了作者深厚的教学经验，让学生在心理上感觉自己是被充分保护和引导的，大大降低了实验失败带来的挫败感。

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