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出版者:高等教育出版社

作者:黄汉平、蔡福安、廖雨郊 编

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1900-01-01

价格:6

装帧:

isbn号码:9787040051919

丛书系列:

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• 物理化学
• 化学实验
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• 教学参考书
• 分析化学

现代材料科学基础：从微观结构到宏观性能 书籍简介 一、 导论：材料世界的宏伟蓝图 本书旨在为读者构建一个全面而深入的现代材料科学知识体系。我们不再将材料视为孤立的实体，而是将其置于一个由原子排列、晶体结构、热力学驱动力和动力学过程共同构成的动态系统中进行考察。 本书的起点是晶体结构与缺陷理论。我们将详细剖析常见的晶体系统（如立方、六方、四方等），并运用群论的初步概念来理解晶体的对称性。重点在于晶体缺陷——点缺陷（空位、间隙原子、取代原子）、线缺陷（位错）、面缺陷（晶界、孪晶界）以及体缺陷的形成机制、能垒和它们对材料宏观性能的决定性影响。例如，理解位错的滑移和交滑移如何控制金属的塑性变形能力，是深入研究材料加工工艺的基石。 随后，我们将转向热力学与相图。材料的稳定性和相变是理解其加工和服役行为的关键。本书将系统阐述非均匀体系的热力学基础，包括吉布斯自由能的最小化原理、化学势的定义。深入探讨二元和三元相图的解析方法，重点聚焦于平衡结晶、固溶体的形成、共晶、共析反应等。运用热力学模型（如Hillert-Jönsson模型）来预测相的溶解度与稳定性，对于合金设计至关重要。 二、 动力学驱动：扩散、反应与微观结构演化 材料的性能并非一成不变，而是随时间推移而演化的。本书的第二部分聚焦于材料的动力学过程，特别是扩散理论。我们将从Fick定律出发，结合统计力学解释原子在晶格中的扩散机制（间隙扩散、空位机制、塞勒机制）。计算不同温度下扩散系数的依赖关系，并结合Kirkendall效应等实验现象，揭示扩散在材料科学中的核心地位，例如在渗碳、氧化膜形成过程中的作用。 热处理与微观结构控制是动力学应用的集中体现。本书将详细探讨退火、正火、淬火和回火等基本热处理工艺对钢铁材料微观结构（铁素体、奥氏体、贝氏体、马氏体）的影响。通过理解相变动力学（如冷却速率、形核率、长大速率），读者可以精确控制最终材料的硬度、韧性与强度。对于陶瓷和聚合物材料，我们将探讨非晶态物质的玻璃化转变温度（Tg）及其与冷却速率的关系，以及固态反应动力学。 三、 功能性材料的电、磁与光学特性 现代材料科学越来越侧重于材料的特定功能。本书将从物理学原理出发，深入解析电子结构与电学性质。对于导体、半导体和绝缘体，我们将应用能带理论（Bloch定理、有效质量概念）来解释它们的电导率差异。对于半导体，将详细讨论掺杂机制、载流子迁移率、PN结的形成及其在电子器件中的应用。此外，对离子导体的电化学行为也将进行讨论。 磁性材料部分将系统阐述铁磁性、反铁磁性与顺磁性的微观机制，重点分析磁畴结构、磁化过程、磁滞回线以及磁记录技术所需的高矫顽力材料的特点。 光学性质部分将涵盖光与物质的相互作用。从经典电磁理论到量子力学的解释，我们将探讨材料的吸收、反射和透射光谱，深入理解半导体带隙与光电转换效率的关系，这对于太阳能电池和光电器件的开发至关重要。 四、 结构材料的力学行为与失效分析 力学性能是传统材料科学的核心。本书将提供比入门级教材更深入的分析。在弹性与粘弹性方面，我们将引入各向异性材料的应力-应变张量关系和弹性常数（杨氏模量、泊松比、剪切模量）的测量方法。 塑性变形的讨论将侧重于位错动力学。通过Orowan方程，我们将量化加工硬化率。更进一步，本书将引入断裂力学的基础，包括Griffith裂纹理论、应力强度因子（K）、弹塑性断裂的J积分概念。读者将学会如何根据材料的断裂韧性（Kc）来评估结构安全。 疲劳与蠕变是服役可靠性的关键挑战。我们将区分高周疲劳（HCF）和低周疲劳（LCF），并介绍S-N曲线的构建与Basquin/Coffin-Manson关系。蠕变现象的分析将结合稳态、瞬态蠕变阶段，并引入Norton指数来描述高温下的时间依赖性变形。 五、 先进材料合成与表征技术 要理解材料，必须能“看”到它的微观结构。本书的最后一部分将介绍现代材料科学中不可或缺的表征技术。 在微观结构分析方面，我们将详细阐述透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）的工作原理，包括背散射电子（BSE）、二次电子（SE）成像，以及能量色散X射线谱（EDS）和波长色散X射线谱（WDS）在元素定性和定量分析中的应用。我们将探讨如何利用高分辨率TEM（HRTEM）来观察晶格像和界面结构。 对于相鉴定，X射线衍射（XRD）的原理、布拉格定律的应用以及谢勒公式在晶粒尺寸估算中的作用将被详尽讲解。 最后，我们将讨论先进材料的制备方法，包括薄膜技术（如PVD, CVD），粉末冶金过程，以及快速凝固技术在制备非晶合金中的应用。 总结 《现代材料科学基础》旨在提供一个跨越结构、热力学、动力学和功能性的统一视角。它不仅是理论的阐述，更是将基础物理化学原理应用于解决实际工程问题的桥梁，为有志于从事材料研发、失效分析和先进器件设计的读者奠定坚实的科学基础。全书结构严谨，逻辑清晰，力求展现材料科学的深度与广度。

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这本书的排版和视觉设计，绝对是教科书级别的反叛者。市面上大多数的实验书籍，为了追求信息密度，往往把页面挤得满满当当，图表和文字混杂在一起，让人望而生畏。但这本书，它懂得“呼吸感”的重要性。留白的处理简直是艺术品，它为每一个关键的理论阐述和图示提供了足够的空间去“沉淀”。我尤其欣赏它对实验仪器描述的深度。它不仅仅是列出了仪器的名称和基本功能，而是深入挖掘了这些工具背后的工程学原理，比如一个精密的恒温水浴如何通过复杂的反馈系统来保证温度的稳定，或者光谱仪中光源的选择对最终数据精确度的决定性影响。读完后，我感觉自己对实验室里那些“冰冷”的设备产生了一种近乎亲切的敬意，因为我明白了它们是如何“思考”和“工作”的。这种对工具的敬畏，远比死记硬背操作规程要宝贵得多。

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从文风上看，这本书有一种独特的、近乎散文化的魅力。它避免了那种官方、生硬的学术腔调，行文流畅自然，偶尔还会穿插一些作者对于化学哲学或实验伦理的深刻见解。比如，在讨论定量分析的精度时，作者不仅仅是给出了标准差的计算公式，而是引用了康德关于确定性的讨论，将实验的精确性与人类认知边界的探索联系起来。这种跨学科的引用和探讨，极大地拓宽了阅读的广度。我感觉自己读的不仅仅是一本关于化学实践的书，更像是在跟随一位博学的导师进行深入的、跨越学科的对话。它成功地将枯燥的“动手操作”提升为一种高层次的“认知活动”，激发了持久的学习热情，远超出了应付考试的需求。

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我必须承认，这本书在逻辑推演上的严密性，远超出了我以往接触的任何同类书籍。它不是一个简单的“菜谱集合”，而更像是一部结构精巧的交响乐章。每一个实验单元的设置，似乎都经过了深思熟虑的布局，前一个实验的结果和数据处理方法，都会自然而然地导向下一个更复杂、更深入的探究主题。这种层层递进的结构，极大地增强了学习的连贯性。我发现，当我遇到一个看似棘手的概念时，翻开后面的章节，作者总能找到一种巧妙的方式，用一个已经学过的、更基础的实验原理来对其进行类比和解释。这种“融会贯通”的体验，是碎片化学习永远无法提供的。它强迫读者构建一个完整、有机的知识体系，而不是仅仅满足于完成一项又一项孤立的任务。

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这本书最让我耳目一新的是它对“失败”和“意外”的包容态度。在很多教材中，实验成功的流程被描绘得过于理想化，仿佛只要严格遵循步骤，结果就唾手可得。但现实往往是，实验失败才是常态。这本书却非常坦诚地开辟了专门的章节来讨论“异常结果的分析”。它不是简单地归咎于操作失误，而是引导读者去思考：如果结果与预期偏差较大，这本身是否揭示了我们对体系理解的某个盲点？书中提供的故障排除指南，更像是资深研究员的经验总结，充满了实践智慧，比如如何判断是试剂纯度出了问题，还是环境湿度干扰了称量精度。这种对科学实践中“不确定性”的坦诚，极大地缓解了初学者的焦虑感，让我觉得，犯错不是终点，而是通往真正理解的必经之路。

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这本书，坦率地说，完全颠覆了我对“实验”二字的传统认知。我原本以为这会是一本枯燥乏味的、充满着繁琐步骤和复杂公式的指导手册，就像我过去翻阅的那些化学教材一样，只负责冷冰冰地告诉你“怎么做”，却从未真正触及实验的灵魂。然而，这本书的叙事方式，更像是一场精心编排的、引人入胜的科学探险。它没有急于展示那些最终的、看似完美的结果，而是花了大量的篇幅去探讨“为什么”我们要做这个实验，以及在历史长河中，化学家们是如何一步步摸索出这些方法的。阅读过程中，我仿佛能感受到那些先驱者在面对未知的恐惧与发现新知时的狂喜。尤其对实验误差的讨论部分，作者的处理手法极其细腻，不只是简单地罗列误差来源，而是将其提升到了哲学层面——即认识论的局限性，这让我对科学的严谨性有了更深层次的理解。书中对一些经典实验的背景介绍，如同侦探小说般层层剥茧，让人在理解实验操作的同时，也获得了极大的智力满足。

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