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出版者:国防工业出版社

作者:高成秀

出品人:

页数:216

译者:

出版时间:2005-2-1

价格:21.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787118038088

丛书系列:

图书标签:

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现代材料科学导论 作者： 张伟, 王芳 出版社： 科技高等教育出版社 出版年份： 2023年 ISBN： 978-7-04-062158-9 --- 丛书信息 本教材隶属于“新世纪高等工程教育系列教材”，旨在为工科院校，特别是材料科学、化学工程、物理学、以及相关交叉学科的本科生和研究生提供一套系统、前沿且深入的材料科学基础读本。本丛书强调理论与实践的紧密结合，突出工程应用导向。 --- 内容概述 《现代材料科学导论》是一本全面覆盖当代材料科学核心概念、基本原理及其前沿研究方向的权威性教材。全书共分四大部分，二十章，系统地阐述了从微观结构到宏观性能的内在联系，以及材料设计、制备与应用的完整链条。 第一部分：材料科学基础与晶体结构（第1章 – 第5章） 本部分着重于奠定坚实的理论基础。 第1章：材料科学概论 追溯了材料科学的发展历程，明确了材料在现代工程和社会发展中的战略地位。本章详细区分了传统材料（金属、陶瓷、聚合物）与先进材料（复合材料、智能材料）的定义、范畴和基本属性的差异。我们引入了“性能-结构-制备-性能”的闭环思维模型，为后续章节的学习做好铺垫。 第2章：原子结构与化学键 深入探讨了原子轨道杂化理论（$sp^3, sp^2, sp$）、电子构型对材料性质的决定性影响。重点分析了离子键、共价键、金属键和范德华力在不同材料体系中的主导作用及其对材料宏观力学、电学特性的塑造机制。引入了能带理论的初步概念，解释导体、半导体和绝缘体的能带结构差异。 第3章：晶体结构基础 这是理解固体材料的基石。本章详尽介绍了晶体学的基本概念，包括晶格、晶胞、晶面、晶向。重点解析了体心立方（BCC）、面心立方（FCC）和六方最密堆积（HCP）等常见金属晶体结构，并计算了其原子堆积密度（APF）。此外，对非晶态、准晶态等非常规固态结构进行了比较分析。 第4章：晶体缺陷与结构 引入了材料性能的“非完美”根源——晶体缺陷理论。详细分类阐述了点缺陷（空位、间隙原子、取代原子）、线缺陷（位错，包括刃位错和螺型位错的 Burgers 矢量）、面缺陷（晶界、孪晶界）和体缺陷的形成机制及其对材料塑性、导电性、扩散速率的影响。特别关注了位错运动在金属塑性变形中的核心作用。 第5章：晶体衍射与结构分析 介绍了确定材料微观结构的实验技术。重点讲解了X射线衍射（XRD）的布拉格定律、衍射峰的分析方法，用于晶体结构确定和晶粒尺寸估算。同时，对透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）的基本成像原理、如何用于缺陷观察和成分分析进行了初步介绍。 第二部分：热力学、动力学与相变（第6章 – 第10章） 本部分侧重于材料体系的稳定性和演化规律。 第6章：材料的热力学基础 运用吉布斯自由能、焓和熵的概念来判断材料体系的相平衡和稳定性。重点讨论了固溶体的热力学稳定性、相图的绘制原理（如杠杆定律的应用）以及化学势在界面平衡中的作用。 第7章：扩散现象 深入探讨了原子在固体中迁移的机理，包括固体的扩散机制（间隙扩散、替换扩散）。详细推导了菲克第一和第二定律，并分析了温度、晶界和缺陷密度对扩散系数的影响，这直接关系到热处理和烧结过程的控制。 第8章：相图与微观结构演化 基于热力学，本章重点分析了二元相图（如 Fe-C 系统的铁碳相图的简化版）。通过冷却曲线分析，解释了从熔融态到固态过程中，析出相的形成、共晶反应和共析反应。强调了相的类型、比例和分布如何决定最终材料的力学性能。 第9章：固态相变动力学 从非平衡角度研究相变的速率。介绍了形核理论（均匀形核与非均匀形核）和生长机制。利用阿伦尼乌斯方程分析相变速率对温度的依赖性，并结合冷却速率图（如 TTT 曲线）来指导热处理工艺的设计，实现对材料微观结构的精确调控。 第10章：陶瓷和聚合物的特殊相变 针对非金属材料，讨论了玻璃化转变温度（$T_g$）的概念及其对聚合物性能的影响。对陶瓷材料中的烧结过程，从粉末的致密化动力学和晶粒长大机制进行阐述。 第三部分：结构与性能的耦合（第11章 – 第15章） 本部分是连接微观结构与宏观工程性能的核心桥梁。 第11章：金属的力学性能 详述了材料在受力下的响应。涵盖了弹性变形（胡克定律）、塑性变形（屈服、加工硬化、流变）、断裂（韧性与脆性断裂的判据）。重点讨论了位错密度与屈服强度的关系（Hall-Petch 关系式）以及疲劳和蠕变的基本机制。 第12章：陶瓷材料的性能与断裂 探讨了陶瓷材料高硬度、高耐磨性和低塑性的本质原因。着重分析了陶瓷的断裂韧性（$K_{IC}$）的提高途径，如引入韧性相或纤维增强。详细介绍了陶瓷的烧结过程对气孔率和力学性能的影响。 第13章：聚合物的结构与性能 阐述了聚合物的分子链结构（线型、支化、交联）对材料粘弹行为的控制。解释了拉伸、蠕变、应力松弛等粘弹性现象。讨论了结晶聚合物的球晶结构、取向性对拉伸性能的增强效应。 第14章：电学与磁学性能基础 介绍了材料的电阻率、电导率、介电常数。重点分析了半导体材料的掺杂机制和费米能级的位置对载流子浓度的影响。在磁学方面，区分了抗磁、顺磁和铁磁性，并解释了磁畴、磁滞回线的形成和应用。 第15章：光学与热学性能 涵盖了材料对光（吸收、透射、反射）和热（热导率、热膨胀系数）的响应。分析了透明材料中光子与电子的相互作用，以及不同键合类型对热传导率的影响。 第四部分：先进材料与工程应用（第16章 – 第20章） 本部分面向前沿，关注新型材料的设计与实际工程挑战。 第16章：金属合金设计与热处理 深入探讨了合金化的目的（固溶强化、沉淀强化、晶界强化）。详细介绍了退火、正火、淬火和回火等关键热处理工艺，以及它们如何通过控制奥氏体分解来优化强度和韧性组合。 第17章：复合材料学导论 介绍了复合材料的分类（纤维增强、颗粒增强、结构复合材料）。重点分析了兰彻斯特准则在预测纤维增强复合材料轴向载荷分配中的应用，以及界面粘结对整体性能的决定性作用。 第18章：半导体与光电子材料 聚焦于集成电路和光电器件所需材料。讨论了硅基材料的制备挑战，如CZ法提拉单晶硅的缺陷控制。介绍了 III-V 族半导体材料在外延生长中的关键技术。 第19章：功能材料与智能响应 探讨了具有特定非结构依赖功能的材料。包括压电材料、形状记忆合金（SMA）的马氏体相变，以及磁流变液和电活性聚合物等智能材料的驱动原理。 第20章：材料的腐蚀、防护与可持续性 讨论了金属腐蚀的电化学机理，包括原电池和浓差电池的形成。介绍了缓蚀剂、涂层、牺牲阳极等防腐技术。最后，从循环经济角度，讨论了材料的可回收性、生物降解性材料的开发趋势与绿色制造工艺。 --- 教材特色 1. 结构清晰，逻辑严谨： 本书严格遵循“微观结构 $ ightarrow$ 热力学/动力学控制 $ ightarrow$ 宏观性能 $ ightarrow$ 工程应用”的逻辑链条，确保知识的系统性和层次感。 2. 强调跨学科融合： 深度融合了物理化学、固体物理、工程力学和化学工程的原理，体现现代材料科学的交叉学科本质。 3. 丰富的案例分析： 穿插了大量真实的工程案例，例如航空航天结构件的疲劳分析、半导体器件的失效模式等，帮助学生将理论知识与实际问题建立联系。 4. 图表与习题精良： 全书配有大量高质量的示意图、相图和显微照片。每章末尾设有启发性的思考题和计算题，以检验和巩固学生的理解程度。 --- 适用对象 主要对象： 材料科学与工程、冶金工程、高分子材料工程、化学工程及工艺等专业的本科生（大二至大三）。 次要对象： 物理学、化学等相关专业学生，以及需要系统了解材料科学基础的工科研究生。 --- 学习目标： 成功学完本课程的学生将能够独立分析常见工程材料的微观结构，运用热力学和动力学原理预测材料的相变行为，并根据特定工程需求，合理选择、设计和处理相关材料。

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