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出版者:

作者:Wulfsberg, Gary

出品人:

页数:957

译者:

出版时间:

价格:$ 110.74

装帧:

isbn号码:9781891389016

丛书系列:

图书标签:

• 无机化学
• 化学
• 高等教育
• 教科书
• 化学原理
• 金属化学
• 配位化学
• 晶体结构
• 固体化学
• 光谱学

《材料科学导论：从原子结构到宏观性能》 内容简介 本书旨在为材料科学领域的初学者和希望系统性回顾基础知识的专业人士提供一本全面、深入且易于理解的导论性教材。它不仅仅是对传统材料学科的简单罗列，更着重于构建一个跨越无机化学、物理学和工程学的知识桥梁，阐明材料的微观结构如何决定其宏观性能，以及我们如何通过设计和处理来调控这些性能以满足特定的应用需求。 全书结构严谨，逻辑清晰，从最基本的原子和晶体结构单元出发，逐步深入到材料的热力学、动力学、缺陷结构、以及在不同环境下的响应机制。我们力求用清晰的物理图像和准确的化学原理来解释复杂的现象，避免纯粹的数学推导和繁琐的化学方程式堆砌，使读者能够真正理解“为什么”材料会表现出特定的特性。 第一部分：材料的微观基础 本部分奠定了理解所有固体材料的基础。 第一章：原子结构与化学键合 本章回顾了量子力学在描述原子轨道和电子排布中的核心作用，重点讨论了周期性表中元素的电子构型如何预示其化学行为。详细探讨了离子键、共价键、金属键和范德华力这四种主要的化学键合类型。通过对比不同键合类型在键长、键能和各向异性上的差异，初步解释了材料在硬度、熔点和导电性上的巨大区别。我们引入了电负性概念，并将其应用于判断键的极性，为后续讨论材料的极性和介电性能做铺垫。 第二章：晶体结构与周期性 本章聚焦于晶体材料的几何排列。首先，详细介绍了晶格、基矢、晶胞等基本概念。随后，深入剖析了最常见的金属结构——面心立方（FCC）、体心立方（BCC）和密排六方（HCP）结构，并计算了其原子堆积密度（APF）和配位数。接着，引入了布拉维点阵和米勒指数的概念，这是描述晶面和晶向的通用语言，对于理解形貌、滑移系统和X射线衍射至关重要。本章也涵盖了非晶态和短程有序材料的结构特点，强调了长程有序和短程有序在材料性能上的重要影响。 第三章：晶体结构衍射分析 本章讲解了如何“看清”材料内部的原子排列。重点阐述了X射线衍射（XRD）的原理，包括布拉格定律的物理意义及其在确定晶体结构和晶粒尺寸中的应用。此外，还简要介绍了电子衍射和中子衍射作为互补分析手段的适用性。通过实际的衍射图谱分析，读者将学会如何从实验数据中反推出材料的晶系和晶格常数。 第二部分：材料的缺陷与热力学 任何材料的性能都受到其内部缺陷的深刻影响。本部分将缺陷视为材料设计的一部分，并从热力学的角度解释其形成和迁移。 第四章：晶体缺陷的分类与统计 详细分类讨论了点缺陷（空位、间隙原子、取代原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界、堆垛层错）。着重分析了点缺陷在平衡态下的浓度，并利用阿伦尼乌斯方程解释了温度对缺陷浓度的影响。对于位错，详细描绘了边缘位错和螺型位错的几何形态及其应力场，为后续的力学性能章节埋下伏笔。 第五章：材料的热力学基础 本章回顾了热力学第一、第二和第三定律在材料科学中的应用。重点讨论了吉布斯自由能（G）在相变和溶解度中的决定性作用。通过相图的构建和解读，例如单组元相图和二元合金相图（如Fe-C或Cu-Ni体系），读者将学会如何预测材料在不同温度和成分下的稳定相，并理解固溶体、共晶反应和共析反应的本质。熵在扩散和相变过程中的作用被赋予了核心地位。 第六章：材料的动力学与扩散 本章探讨了材料内部物质和缺陷的迁移过程。核心内容是Fick定律，包括宏观的扩散方程和微观上基于跳跃机制的扩散模型。详细分析了温度、晶体缺陷（特别是晶界和位错）对扩散系数的影响，解释了为什么在低温下宏观的扩散仍然可以发生。这些知识直接支撑了热处理、烧结和薄膜生长等关键工艺的理解。 第三部分：性能与结构的关系 本部分是连接微观结构与宏观特性的关键，涵盖了材料最基本的物理和化学性能。 第七章：机械性能 本章从位错运动的角度系统解释了材料的力学响应。讨论了强度、硬度、韧性、弹性模量和粘弹性。深入分析了屈服、加工硬化（位错的增殖与缠结）的机制。重点讲解了强化机制，如固溶强化、晶粒细化（Hall-Petch关系）、析出物强化和加工硬化，并简要介绍了疲劳和蠕变的基础。 第八章：电学与磁学性能 本章从能带理论出发，解释了导体、半导体和绝缘体的区分。详细阐述了费米能级、有效质量和载流子浓度的概念。对于半导体，重点分析了掺杂如何调节导电类型（n型和p型）。在磁性方面，本章介绍了抗磁性、顺磁性、铁磁性和反铁磁性的微观起源，讨论了磁畴、磁畴壁以及磁滞回线的形成过程。 第九章：热学与介电性能 本章关注材料对热刺激和电场的响应。热学方面，讲解了晶格振动（声子）在热传导中的作用，以及声子散射对热导率的影响。电学方面，重点讨论了电介质材料的极化机制（电子极化、离子极化、取向极化），并解释了介电常数和介电损耗，这对于电容器和绝缘材料的设计至关重要。 第十章：材料的表面与界面现象 本章将视野从材料内部扩展到其表面。讨论了表面能的概念及其对形貌演化的影响（如烧结和润湿）。详细介绍了吸附（物理吸附和化学吸附）的原理及其在催化、腐蚀和传感器中的重要性。本章强调了界面作为扩散快通道和性能突变区域的关键角色。 总结 《材料科学导论：从原子结构到宏观性能》通过这种结构化的叙事方式，确保读者在掌握特定材料（如金属、陶瓷、聚合物）的具体应用知识之前，能够对所有材料共有的基本物理化学原理有深刻的理解。本书强调了结构-性能-处理之间的内在联系，为后续深入学习如先进电子材料、生物材料或功能材料打下坚实的基础。它是一本强调跨学科思维、旨在培养材料“工程师”而非仅仅是“材料知识记忆者”的教材。

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最让我印象深刻的是，这本书在介绍酸碱理论时，并没有局限于传统的 Arrhenius 理论，而是拓展到了 Brønsted-Lowry 和 Lewis 酸碱理论。作者通过清晰的化学方程式和反应机理图，展示了不同理论在解释化学反应时各自的优势和适用范围。例如，在解释 Lewis 酸碱理论时，书中用一个简单的例子，说明了 BF3 如何与 NH3 形成加合物，BF3 作为 Lewis 酸接受电子对，NH3 作为 Lewis 碱提供电子对，这比单纯记忆定义要来得直观和易于理解。这本书的逻辑链条非常完整，从宏观的物质性质到微观的电子行为，再到各种化学理论的建立和演变，都展现了科学探索的严谨过程。

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我对这本书的评价绝不仅仅是“好读”，更在于它所展现出的严谨性和深度。在学习金属的性质时，书中不仅列举了常见金属的物理化学性质，更深入地探讨了它们在周期表中的位置如何决定了它们的反应活性和氧化态。比如，当讲到过渡金属时，书中详细阐述了 d 轨道的电子排布如何影响它们的配位能力和催化活性，并配以大量的实例，比如在工业生产中，某些过渡金属催化剂如何能够显著提高反应速率，节约能源。书中还提及了稀土元素的神奇之处，它们独特的电子结构使其在现代科技领域，如永磁材料、发光材料等方面发挥着不可替代的作用。这些内容让我惊叹于化学世界的奇妙规律，也深刻理解了无机物背后蕴含的深刻科学原理。

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总而言之，《无机化学》这本书为我打开了一扇通往物质世界奥秘的大门。它不仅仅是一本教科书，更像是一本启迪思维的指南。书中对于化学反应机理的细致解析，对于不同元素和化合物性质的系统性归纳，都让我对无机化学有了全新的认识。我特别欣赏书中对于一些看似简单的现象，比如水垢的形成，也能从化学键和离子平衡的角度进行解释，将抽象的理论与生活实际紧密联系起来。这本书的语言风格流畅易懂，排版精美，加上丰富的插图和表格，使得阅读过程既富有挑战性又不失乐趣，我真心推荐给所有对探索物质本质感兴趣的读者。

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这本书给我最大的惊喜在于它对于无机材料在现代社会中的应用的详尽介绍。当我读到关于半导体材料的部分时，书中不仅介绍了硅和锗的晶体结构，还深入探讨了掺杂技术如何改变它们的导电性能，从而为电子工业奠定了基础。书中还列举了许多新型无机材料，比如高性能陶瓷、功能性纳米材料等，并简要介绍了它们的制备方法和潜在应用。这让我意识到，无机化学远不止是实验室里的理论推导，它更是驱动现代科技发展的强大引擎。我尤其对书中关于催化剂的部分感到着迷，了解到许多日常生活中习以为常的化学过程，背后都有无机化学家的智慧结晶。

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作为一个对化学一直抱有浓厚兴趣的学生，当我偶然翻开《无机化学》这本书时，我被它对物质世界最基本组成单元的探索深深吸引。书中并没有一开始就抛出艰涩的理论，而是循序渐进地从原子结构这个基础讲起，通过清晰的图示和生动的比喻，我仿佛能看到电子在原子核周围的奇妙舞动，感受到不同原子如何通过共享或转移电子形成千变万化的化学键。例如，作者在讲解离子键时，并没有枯燥地罗列定义，而是通过钠原子和氯原子之间电子的“易主”过程，形象地描绘了正负离子如何因为静电吸引而紧密结合，形成稳定的食盐晶体。这种深入浅出的讲解方式，极大地降低了我对无机化学的畏难情绪。

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