Advanced Environmental, Chemical, And Biological Sensing Technologies Ii pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Society of Photo Optical

作者:Vo-Dinh, Tuan (EDT)

出品人:

页数:160

译者:

出版时间:

价格:70

装帧:HRD

isbn号码:9780819455390

丛书系列:

图书标签:

• Environmental sensing
• Chemical sensing
• Biological sensing
• Sensors
• Environmental monitoring
• Chemical analysis
• Biosensors
• Detection technologies
• Analytical chemistry
• Environmental science

现代材料科学：从基础理论到前沿应用 第一卷：量子力学基础与固态物理 本书作为《现代材料科学》系列的首卷，旨在为读者构建一个坚实的理论基础，深入剖析构成材料行为的微观世界。全书分为三个主要部分：量子力学基础、晶体结构与衍射技术，以及电子结构理论。 第一部分：量子力学基础 本部分从经典物理学的局限性出发，引入了普朗克能量量子化概念，逐步过渡到波粒二象性、德布罗意波和不确定性原理。我们详尽阐述了薛定谔方程（时间相关和时间无关形式）的数学结构及其在描述原子和分子系统中的应用。重点讨论了氢原子能级、角动量算符及其在理解电子轨道结构中的核心作用。此外，还引入了量子态的狄拉克符号表示法，为后续的固态理论打下必要的数学工具基础。教材中穿插了大量实例，例如量子阱、量子点（二维、一维和零维）的能级计算，帮助读者直观理解量子效应在纳米尺度下的体现。 第二部分：晶体结构与衍射技术 材料的宏观性质与其内部的周期性排列——晶体结构——息息相关。本部分首先系统介绍了晶体学的基本概念，包括晶格、晶基、布拉维点阵以及米勒指数。对立方晶系、六方晶系等常见晶体结构的几何特性进行了深入分析。随后，我们详细探讨了晶体缺陷的分类（点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷）及其对材料力学、电学性能的影响机制。 至关重要的一环是对X射线、电子束和中子的衍射理论的全面阐述。我们推导了布拉格定律，并讨论了如何利用这些技术来确定材料的晶体结构和取向。对于透射电子显微镜（TEM）中的选区电子衍射（SAED）和暗场成像，提供了详尽的操作原理和图像解析指南，这是研究微观结构形貌和缺陷分布的关键手段。 第三部分：电子结构理论 本部分是连接微观结构与材料功能特性的桥梁。我们从能带理论的视角出发，阐述了实空间晶格周期性如何导致电子能级的离散化，形成能带结构。重点讨论了紧束缚模型（Tight-Binding Model）和布洛赫定理在解释金属、半导体和绝缘体导电性质上的优越性。通过费米能级、电子有效质量和态密度（DOS）的概念，我们解释了材料电学性能的根本差异。 此外，本卷还涵盖了磁性材料（顺磁性、抗磁性、铁磁性）的微观起源，以及光学性质（吸收、反射、透射）与电子跃迁过程的关联。理论推导与实际材料案例（如硅、砷化镓、铜的能带结构图）相结合，确保读者能将抽象的量子概念转化为对实际材料性能的深刻理解。 --- 第二卷：热力学、动力学与相变行为 本卷将理论视角从静态的电子结构拓展到描述材料在温度、压力和时间影响下行为的热力学和动力学过程。 第一部分：材料热力学原理 本部分严格依据吉布斯热力学框架，阐述了材料体系中的能量、熵和自由能。重点关注相平衡的判据，包括克劳修斯-克拉佩龙方程的应用以及多相平衡的吉布斯相律。我们深入探讨了溶液热力学，包括活度、化学势以及在非理想固溶体中偏离理想行为的原因。针对合金系统，详细分析了二元系相图的构建原理，重点解读了共晶、共熔、包析和固溶线等关键相变点。 第二部分：材料动力学与传输现象 材料性能的实现往往依赖于原子或离子的迁移过程。本部分聚焦于扩散理论，从菲克的定律出发，推导出扩散系数的温度依赖性（阿伦尼乌斯关系）。讨论了晶体中点缺陷（空位和间隙原子）对扩散机制的控制作用，并对比了晶界和位错作为快速扩散路径的特性。 随后，本卷深入研究了热力学驱动下的动力学过程。这包括形核理论（拉普拉斯方程、临界半径）和生长机制（攀晶生长、层状生长），这些是理解沉淀、析出和晶化过程的关键。此外，还涉及电迁移、离子导电性以及与热力学驱动力相关的材料蠕变行为。 第三部分：相变、微观结构演化与热处理 本部分将理论动力学应用于实际的材料工程过程。我们详细分析了固态相变，如马氏体转变（无扩散型相变）的形核与生长机制，以及铁碳合金中奥氏体向珠光体、贝氏体的转变过程。 热处理是控制材料微观结构和最终性能的核心手段。本部分详述了退火、正火、淬火和回火等经典热处理工艺对亚结构（晶粒尺寸、位错密度、第二相粒子分布）的调控机理。特别强调了时效析出强化（过饱和固溶体的时效过程分析）和晶粒细化对机械强度的贡献。通过案例分析，展示了如何利用热力学驱动力和动力学速率控制来设计具有特定微观结构的工程材料。 --- 第三卷：工程应用与功能材料的性能设计 本卷将前两卷的理论知识系统地应用于三大类关键工程材料：金属、陶瓷和聚合物，并拓展到高性能功能材料的设计与表征。 第一部分：金属材料的力学行为与结构设计 本部分聚焦于金属材料的本构关系和失效分析。从弹性形变、塑性形变到断裂过程，全面覆盖了材料力学行为。详细阐述了位错运动（滑移、攀移）在晶体塑性中的核心作用，以及加工硬化、晶界强化和固溶强化机制。 在断裂力学方面，本书引入了线弹性断裂力学（Griffith理论、应力强度因子$K$）和弹塑性断裂力学（J积分、裂纹尖端张开位移CTOD），用以预测和控制材料的韧性与抗脆性。此外，深入分析了疲劳失效（S-N曲线、疲劳裂纹萌生与扩展）和蠕变损伤的物理本质。结合热处理和成分设计，探讨了高强度钢、铝合金、钛合金等先进结构材料的优化策略。 第二部分：陶瓷与聚合物：结构与性能的耦合 先进陶瓷： 讨论了离子键和共价键占主导地位的陶瓷材料的独特结构特点。重点分析了陶瓷的室温脆性、高温蠕变，以及如何通过引入晶界工程（如晶界粘结相控制）和第二相增强（如SiC颗粒、ZrO2增韧）来提高其断裂韧性。对氧化铝、氮化硅、碳化硅等结构陶瓷的制备与性能进行了深入评述。 聚合物科学： 阐述了聚合物的长链结构、分子量分布和拓扑结构（线性、支化、交联）。详细讨论了聚合物的热转变（玻璃化转变温度$T_g$、熔点$T_m$）及其对粘弹特性的影响。通过蠕变、应力松弛、粘弹性模量等概念，解释了聚合物在不同应变速率下的动态响应。内容涵盖了橡胶弹性、结晶聚合物的形态控制和复合材料中的界面效应。 第三部分：功能材料的设计与表征 本卷的最后部分侧重于现代工程所需的高附加值功能材料。 电学与介电材料： 探讨了半导体掺杂机制、PN结的形成和光电器件中的载流子输运。对高介电常数材料（铁电体、压电体）的本征机制和畴壁运动进行了深入分析，并讨论了其在存储和传感器中的应用。 磁性材料： 深入分析了磁畴、磁畴壁动力学、以及磁各向异性的起源。涵盖了软磁材料（高磁导率）和硬磁材料（高矫顽力）的设计原理，并介绍了磁记录和磁阻效应（GMR/TMR）的基础。 复合材料设计： 探讨了纤维增强复合材料（MMC, CMC, PMC）的界面粘合强度和各向异性力学性能的建模。重点分析了纳米增强（如碳纳米管、石墨烯）如何通过界面控制来实现性能的突破性提升。 全书的每一个章节都配有大量的工程实例、数据图表和关键的计算练习，旨在培养读者将材料的微观结构知识转化为解决实际工程问题的能力。

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