Principles of Inorganic Materials Design

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出版者:John Wiley & Sons Inc
作者:Lalena, John N./ Cleary, David A.
出品人:
页数:419
译者:
出版时间:2005-3
价格:$ 146.90
装帧:HRD
isbn号码:9780471434184
丛书系列:
图书标签:
  • 无机材料
  • 材料设计
  • 固体化学
  • 晶体结构
  • 材料科学
  • 化学键
  • 电子结构
  • 合成方法
  • 性能调控
  • 功能材料
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具体描述

A unique interdisciplinary approach to inorganic materials design Textbooks intended for the training of chemists in the inorganic materials field often omit many relevant topics. With its interdisciplinary approach, this book fills that gap by presenting concepts from chemistry, physics, materials science, metallurgy, and ceramics in a unified treatment targeted towards the chemistry audience. Semiconductors, metal alloys and intermetallics, as well as ceramic substances are covered. Accordingly, the book should also be useful to students and working professionals in a variety of other disciplines. This book discusses a number of topics that are pertinent to the design of new inorganic materials but are typically not covered in standard solid-state chemistry books. The authors start with an introduction to structure at the mesoscopic level and progress to smaller-length scales. Next, detailed consideration is given to both phenomenological and atomistic-level descriptions of transport properties, the metal-nonmetal transition, magnetic and dielectric properties, optical properties, and mechanical properties. Finally, the authors present introductions to phase equilibria, synthesis, and nanomaterials. Other features include: Worked examples demonstrating concepts unfamiliar to the chemist Extensive references to related literature, leading readers to more in-depth coverage of particular topics Biographies introducing the reader to great contributors to the field of inorganic materials science in the twentieth century With their interdisciplinary approach, the authors have set the groundwork for communication and understanding among professionals in varied disciplines who are involved with inorganic materials engineering. Armed with this publication, students and researchers in inorganic and physical chemistry, physics, materials science, and engineering will be better equipped to face today's complex design challenges. This textbook is appropriate for senior-level undergraduate and graduate course work.

晶体结构与材料性能的桥梁:无机材料设计原理的深入探究 引言 本教材旨在为读者提供一个全面、深入且具有高度实践指导意义的无机材料设计框架。我们将从最基本的晶体化学原理出发,系统地剖析原子、离子及分子层面上的相互作用如何宏观地决定材料的物理、化学和机械性能。本书摒弃了单纯的性质罗列,而是聚焦于“设计”的内在逻辑——如何根据预期的功能需求,反向推导或正向构建出具有特定结构的无机化合物。 第一部分:无机结构化学的基石 第一章:原子与化学键的视角 本章深入探讨了构成无机材料的基本单元——原子的电子结构。我们将详细阐述周期性表背后的量子力学基础,特别是价电子的排布对成键的影响。重点内容包括: 化学键的类型与强度: 离子键、共价键、金属键以及范德华力的定量描述与混合特性。通过鲍林电负性标度和穆里肯-桑德森电荷转移模型,预测键的极性和强度对晶格能的贡献。 有效核电荷与原子/离子尺寸: 解释原子半径和离子半径如何影响晶胞参数、堆积密度以及材料的熔点和硬度。 第二章:晶体学的几何语言 无机材料的性能几乎完全依赖于其周期性排列。本章构建了理解和描述三维点阵的数学和几何工具: 点群与空间群: 详细介绍布拉维点阵(Bravais Lattices)的分类,并系统梳理14种布拉维点阵和230个空间群的特征。强调对称性在预测材料光学、压电性和铁电性等各向异性性质中的决定性作用。 晶体缺陷的类型与热力学: 缺陷是决定材料实用性的关键。我们区分了点缺陷(空位、间隙、取代原子、施特略基缺陷)、线缺陷(位错)和面缺陷(晶界)。通过热力学模型(如范特霍夫方程),计算不同温度下特定缺陷浓度的平衡状态,并讨论缺陷如何影响扩散、电导率和机械强度。 第三部分:结构-性质关系的系统化建模 第三章:堆积规则与结构选择 本部分将理论知识转化为设计工具。 离子晶体结构类型: 聚焦于最常见的几何结构——CsCl, NaCl, ZnS, 刚玉(Al₂O₃)和钙钛矿(ABO₃)结构。运用玻恩-兰德(Born-Landé)方程计算晶格能,并利用有效半径比法(Radius Ratio Rule)预测特定阳离子与阴离子组合倾向于形成的几何构型。 共价网络结构: 探讨硅酸盐、磷酸盐和碳化物等材料中,键角和配位多面体(如SiO₄四面体)的连接方式如何形成二维层状或三维骨架结构,进而决定其热稳定性和化学惰性。 第四章:电子结构与材料功能 无机材料的功能性源于其电子能带结构。 能带理论基础: 运用紧束缚近似(Tight-Binding Approximation)和晶体场理论(Crystal Field Theory),解释如何从原子轨道叠加预测金属导体、半导体和绝缘体的能带结构(带隙大小、载流子有效质量)。 结构畸变与电子性质: 深入分析杰恩-泰勒效应(Jahn-Teller Distortion),阐述局部结构畸变如何导致对称性降低并显著改变材料的磁性、颜色和电荷转移特性。 第四部分:动态过程与材料性能调控 第五章:扩散、相变与动力学 材料的长期稳定性和加工工艺依赖于其原子动力学。 扩散机制: 详细讨论固态扩散的机制(间隙扩散、空位机制),并应用阿伦尼乌斯方程描述扩散系数与温度的关系。重点分析化学梯度和电场对扩散通量的影响。 固态相变: 区分涉及原子重排的重建(Reconstructive)相变和位移(Displacive)相变。运用吉布斯自由能最小化原则,预测材料在温度和压力下的相稳定性图(P-T相图),并讨论铁弹性体中畴壁移动的动力学。 第六章:材料设计中的热力学约束 本章提供指导材料合成窗口的工具。 相图的构建与解读: 侧重于二元和三元体系的相图分析。利用吉布斯相律确定体系的自由度,并详细解读液相线、固溶体区间和共晶点的意义。这对于陶瓷烧结和薄膜沉积工艺至关重要。 亚稳态材料的生成: 讨论如何通过快速淬火、溶胶-凝胶法等非平衡工艺,在热力学上避免形成稳定的传统相,从而获取具有优异性能的亚稳态或非晶态材料(如玻璃态金属)。 结论:面向应用的理性设计路径 本书最后总结了一个结构化的无机材料设计流程:从明确应用需求(如高介电常数、特定催化活性或高强度),到反演所需的基本结构特征(如高配位数、特定的离子极化率或低位错密度),最终利用结构-性质关系和热力学/动力学约束来指导合成路线的选择与优化。本书强调,成功的材料设计是基于对基本物理化学原理的深刻理解,而非简单的试错法。

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