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出版者:

作者:刘瑾 编

出品人:

页数:540

译者:

出版时间:2008-10

价格:59.80元

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isbn号码:9787533734459

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现代材料科学导论：从原子结构到宏观性能的跨越 内容简介 《现代材料科学导论》旨在为读者构建一个全面、深入且具有前瞻性的材料科学知识体系。本书的视角超越了传统化学实验的范畴，聚焦于如何理解和设计具有特定功能和性能的物质，覆盖了从微观的原子/电子结构到宏观应用性能的全过程。本书特别强调了材料的结构、性能、加工工艺与应用之间的内在联系，这被称为材料科学的“四大支柱”。 本书结构清晰，逻辑严密，分为五个主要部分，共十八章，辅以大量最新的研究案例和工业应用实例，以激发读者的探索欲和创新思维。 --- 第一部分：材料科学的基础与原子结构 (Foundations and Atomic Structure) 本部分奠定了材料科学研究的理论基础。 第一章：材料科学概述与发展史 本章首先界定了材料科学（Materials Science and Engineering）与传统化学、物理学的区别与联系。我们探讨了材料科学如何成为21世纪高新技术发展的核心驱动力，从早期的金属冶金到当今的纳米技术和智能材料。重点阐述了材料性能的普适性原则，即结构决定性能，性能指导应用，以及加工工艺影响结构。 第二章：晶体结构与晶体缺陷 本章深入解析了固体材料的微观排列方式。详细介绍了晶体学的基本概念，包括晶胞、布拉维点阵、密堆积结构（如面心立方FCC、体心立方BCC、六方最密堆积HCP）的几何特征和空间利用率。随后，着重讨论了晶体缺陷——这是理解材料宏观行为的关键。缺陷类型包括点缺陷（空位、间隙原子、取代原子）、线缺陷（位错，重点分析刃型和螺型位错的运动学，及其对材料塑性的影响）和面缺陷（晶界、堆垛层错）。通过模拟和X射线衍射（XRD）技术，展示如何表征这些结构。 第三章：化学键与电子结构 本章回归量子力学基础，但侧重于材料应用层面。阐述了离子键、共价键、金属键和范德华力在不同材料类型中的主导作用。对于固态材料，重点讲解了能带理论（Band Theory），区分导体、半导体和绝缘体，并引入费米能级（Fermi Level）的概念。探讨了电子的有效质量和态密度（Density of States, DOS）如何影响材料的导电性和光学特性。 --- 第二部分：结构与性能的关系 (Structure-Property Relationships) 本部分是本书的核心，详细探讨了结构特征如何转化为可测量的宏观性能。 第四章：热学性能 本章分析了材料如何响应热刺激。讨论了比热容的微观来源（德拜模型与维里模型），以及热导率的机制（晶格振动——声子与自由电子的贡献）。重点比较了陶瓷、聚合物和金属在热膨胀系数和热稳定性上的差异，这对于高温工程应用至关重要。 第五章：电学与磁学性能 深入探究了电荷载流子的行为。在导体中，分析电阻率与散射机制。在半导体中，详细讲解了本征半导体与掺杂半导体的载流子浓度、迁移率，以及PN结的形成与特性。磁性方面，区分了抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性，并重点阐述了磁畴、磁滞回线（Hysteresis Loop）的形成原理及其在数据存储中的应用。 第六章：光学性能 本章研究材料与电磁波的相互作用。内容包括光的吸收、透射、反射和散射机制。讨论了材料的颜色起源、透明度（如玻璃的无晶态结构优势）、荧光与磷光现象。特别关注了等离子体激元（Plasmonics）和光子晶体（Photonic Crystals）在光通信和传感领域的应用潜力。 第七章：力学性能I：弹性与塑性 这是材料工程中最关键的章节之一。弹性变形基于键的伸长，引入了杨氏模量、剪切模量和泊松比。塑性变形则聚焦于位错的滑移和攀移，详细分析了加工硬化、固溶强化、细晶强化等机制。引入了应力-应变曲线的分析，包括屈服强度、抗拉强度和韧性。 第八章：力学性能II：断裂与疲劳 本章处理材料的失效机制。引入了Griffith裂纹扩展理论和线弹性断裂力学（LEFM），特别是应力强度因子（K）的概念。讲解了韧性断裂与脆性断裂的区别。疲劳是结构失效的主要原因，分析了低周疲劳与高周疲劳，以及S-N曲线的构建与预测。蠕变（Creep）则作为高温力学问题的重点进行讨论。 --- 第三部分：材料的分类与设计 (Material Classes and Engineering) 本部分将理论知识应用于具体的材料体系。 第九章：金属与合金 聚焦于金属的晶体结构特性。详细分析了二元和三元合金的相图（Phase Diagrams），如Fe-C相图，及其热处理对微观结构（如铁素体、奥氏体、珠光体、马氏体）的调控。探讨了强化合金钢、铝合金和钛合金在航空航天中的应用。 第十章：陶瓷材料 陶瓷作为无机非金属材料，其高硬度、耐高温和化学惰性是核心优势。讨论了离子键和共价键主导的结构特性，如氧化物、非氧化物陶瓷。着重分析了陶瓷的固有脆性，以及通过引入第二相或纳米结构来提高其断裂韧性的策略。 第十一章：聚合物与复合材料 聚合物的特性源于其长链结构和缠结。本章讲解了聚合反应、分子量分布、玻璃化转变温度（Tg）和聚合物的粘弹性行为。复合材料部分，侧重于增强相（如纤维、颗粒）和基体（树脂或金属）的有效性，分析了各向异性和界面作用对整体性能的决定性影响。 第十二章：半导体材料与器件 本书对半导体材料的讨论更侧重于其应用集成。细致分析了硅基材料的生长、掺杂技术，以及集成电路中薄膜沉积和刻蚀工艺。讨论了III-V族半导体（如GaAs）在光电子学中的地位。 --- 第四部分：材料的加工与制造 (Processing and Fabrication) 本部分关注如何将理想的材料结构转化为实际可用的部件。 第十三章：材料的热加工与塑性成形 热加工主要包括铸造（凝固过程中的缺陷控制）和塑性加工（锻造、轧制、挤压）。讲解了加工过程中的相变和晶粒细化机制，以及残余应力的产生与消除。 第十四章：材料的连接与表面工程 焊接、钎焊和胶接技术是连接工艺的核心。表面工程则关注如何通过热喷涂、化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）等技术，在不改变主体材料宏观性能的前提下，赋予材料特殊的表面功能（如耐磨、抗腐蚀）。 第十五章：薄膜与纳米材料的制备 纳米材料因其独特的量子尺寸效应，成为前沿研究热点。本章系统介绍自下而上（自组装）和自上而下（刻蚀、研磨）的制备方法。重点讨论了量子点、纳米线和石墨烯的合成与结构控制。 --- 第五部分：前沿与展望 (Frontiers and Perspectives) 本部分展望了材料科学的未来方向。 第十六章：生物医用材料 探讨了材料在人体环境中的兼容性（生物惰性、生物活性、生物可吸收性）。研究了骨替代材料、药物缓释载体以及植入物表面的抗血栓和抗菌涂层设计。 第十七章：智能与功能材料 重点介绍了能够响应外部刺激（光、电、热、力）而改变自身性能的材料。包括形状记忆合金（SMA）、压电材料、电活性聚合物和自修复材料。 第十八章：可持续性与绿色材料 面对资源限制和环境挑战，本章讨论了材料的生命周期评估（LCA）。关注点包括材料的回收技术、可降解聚合物的开发、以及利用生物质和低能耗工艺制备新型催化剂和储能材料。 --- 贯穿全书的特色： 本书通过大量的计算材料学（Computational Materials Science）方法介绍，包括分子动力学模拟（MD）和第一性原理计算（DFT）在预测材料特性中的应用，使读者了解现代材料设计不再仅仅依赖试错法，而是通过精确的计算模型指导实验方向。 目标读者： 本书适用于材料科学与工程、化学工程、物理学、机械工程等相关专业的高年级本科生及研究生，以及从事材料研发和技术工作的工程师。它提供了坚实的理论深度，同时确保了与工业应用的紧密结合。

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这本书的封面设计实在是太吸引人了，那种简约中带着一丝深邃的蓝色调，让我想起了实验室里那些闪烁着神秘光芒的试剂瓶。迫不及待地翻开，我原本以为会看到一堆密密麻麻的公式和理论，结果却发现内容组织得非常清晰，条理分明。作者在引言部分就非常坦诚地表达了编写这本书的初衷，不是为了堆砌知识点，而是为了引导读者真正理解化学实验的内在逻辑。特别是关于安全操作的那一章，图片和文字的结合简直是教科书级别的示范，让我这个化学小白都感到信心倍增。书中对一些常见实验的原理剖析得极其透彻，不会一上来就抛出复杂的化学方程式，而是先从生活中的现象入手，逐步引导我们理解背后的科学原理。这种循序渐进的方式，极大地降低了学习的门槛，也让枯燥的实验步骤变得生动起来。我尤其喜欢其中关于误差分析的部分，它不像其他教材那样只是简单地罗列几种误差来源，而是深入探讨了如何通过严谨的记录和反思来最大程度地减少它们，这对于培养科学研究的态度至关重要。

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这本书的排版和印刷质量也值得称赞，这对于一本需要经常在实验台上翻阅的书来说非常重要。纸张的厚度适中，既保证了阅读的舒适度，又不会因为过度反光而影响观察实验现象。章节标题和关键术语的加粗、着重处理，使得在查找特定信息时能够快速定位，大大提高了学习效率。我注意到，在介绍一些较为复杂的仪器操作时，作者并没有直接使用晦涩难懂的专业术语，而是采用了一种非常口语化但又不失严谨的描述方式，就像是前辈在耳边分享他的独家秘笈。例如，在处理气敏性物质的称量环节，它没有简单地说“快速称量”，而是详细描述了如何通过构建一个微环境来隔离空气流动对质量读数的影响。这种对细节的极致关注，体现了编者深厚的教学经验和对实验工作者的尊重。它让我感觉到，编写者是真正走上过实验台，经历过挫折和成功的，而不是闭门造车。

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这本书的结构安排有一种独特的节奏感，它似乎深谙学习者的心理曲线。开篇的几个基础实验虽然简单，但却通过巧妙的设计，让你在完成它们的同时，已经掌握了贯穿后续复杂实验的核心技能。然后，随着篇幅的推进，实验的难度和设计复杂度稳步提升，但每一次提升都有清晰的理论支撑和详尽的步骤解析作为后盾，让人始终保持一种“我可以做到”的积极心态。最让我印象深刻的是，它在每个单元的结尾都设置了“反思与拓展”的环节。这个环节不是布置作业，而是引导我们思考：如果改变某个条件，结果会怎样？我们能否设计一个更优化的实验路径？这种开放式的提问，极大地激发了我的好奇心和批判性思维，让我不再满足于机械地重复步骤，而是开始主动地去思考和创新。这本教材真正做到了“授人以渔”，它教给我们的不仅仅是知识，更是一种解决问题的思维框架。

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我必须强调一下这本书在理论与实践之间的平衡把握。很多实验教材要么过于偏重理论推导，让实践操作变成一种插曲；要么又过于注重操作流程，对背后的化学原理轻描淡写。而这本书巧妙地在每一个实验步骤的关键点，嵌入了对应的理论解释，但又不会打断实验的流畅性。比如，在进行pH值的测定实验时，它在介绍缓冲溶液的配制后，会立刻用一个小框的形式，回顾了亨德森-哈塞尔巴赫方程的应用，但这些理论讲解是高度精炼且直指核心的，确保读者不会因为沉迷于公式而忘记了手上的滴定管。更妙的是，它还穿插了一些“历史小花絮”，讲述了某个经典实验的发现过程或者某个科学家的趣闻轶事，这些小插曲像调味剂一样，让漫长的实验学习过程变得轻松愉悦，极大地增强了阅读的连贯性和趣味性。总而言之，这是一本能让人真正爱上动手做实验的指南。

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读完这本教材的几章内容后，我最大的感受是“实用性”和“启发性”的完美结合。它不是那种只停留在理论层面、让你读完后依然觉得“实验操作离我很遥远”的书。恰恰相反，它仿佛一位经验丰富的老教授，坐在你身边手把手地教你如何精确地配制溶液，如何判断滴定终点的细微变化。书中的每一个实验步骤都被拆解得非常精细，对于每一个关键操作，都有相应的“注意事项”或“关键点提示”，这些小小的提示，往往是我们在实际操作中极易忽略但却能决定实验成败的关键所在。例如，关于沉淀的洗涤步骤，书中详细解释了为什么不能用纯水而是要用稀释的电解质溶液，这背后的溶解度和表面吸附原理被讲得浅显易懂。此外，书中对于实验数据的处理和图表的绘制也给予了相当的篇幅，这种对数据科学精神的强调，远超出了普通实验指导书的范畴，更像是一本关于“如何进行严谨科学探究”的入门手册。

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