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出版者:化学工业

作者:杨百勤

出品人:

页数:179

译者:

出版时间:2001-1

价格:13.00元

装帧:

isbn号码:9787502531348

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• 物理化学
• 化学实验
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• 分析化学

现代材料的制备与表征：面向前沿应用的研究方法 本书导言 在二十一世纪，材料科学与工程已成为推动技术革新和社会进步的核心驱动力之一。从能源存储到生物医学植入，从高性能结构件到智能传感系统，新材料的开发和优化是解决当代复杂工程挑战的关键。本书《现代材料的制备与表征：面向前沿应用的研究方法》旨在为高年级本科生、研究生以及科研工作者提供一套系统、深入且实用的实验技术指南，专注于非《物理化学实验》所涵盖的、更侧重于材料宏观性能调控与微观结构解析的前沿领域。 本书将聚焦于固态材料、高分子材料以及功能复合材料的设计理念、合成路径的精细控制，以及运用先进仪器对所得材料进行全方位、多尺度的结构与性能评价。我们摒视基础化学反应的精确计量与热力学平衡的验证，转而深入探讨如何通过复杂的工艺参数（如温度梯度、气氛控制、形貌诱导）来“编织”出具有特定功能（如导电性、催化活性、机械韧性）的新型物质。 --- 第一部分：先进材料的合成策略与过程控制 本部分将详细阐述当前材料科学中最具活力的几类合成方法，这些方法强调对材料化学计量比、晶体结构、缺陷工程和界面行为的精确调控。 第一章：固态合成与高温陶瓷技术 本章将完全绕开溶液化学的常规滴定与配平，转而聚焦于固相反应动力学和烧结过程的微观机制。 反应物前驱体的选择与纯化： 探讨如何通过高纯度金属氧化物、碳酸盐或有机金属化合物（如MOCVD前驱体）的预处理，来控制最终产物中杂质原子的含量和分布。强调惰性气氛或特定气氛（如还原性H2/Ar混合气）对抑制有害副反应的重要性。 粉末的形貌与粒度控制： 详细介绍溶胶-凝胶法（Sol-Gel）在制备纳米级、高均匀性粉体中的应用，重点分析醇解速率、pH值对凝胶网络结构和最终烧结活性的影响。此外，还将介绍共沉淀法和自蔓延高温合成（SHS）在快速制备复杂化合物方面的应用，着重于反应温度的实时监控与热点控制。 烧结工艺的优化： 深入分析液相烧结与固相烧结的差异。重点讨论活化能、晶界迁移率与孔隙率消除之间的关系。讲解如何利用冷等静压（CIP）和热等静压（HIP）技术，在不破坏材料内部结构的前提下，实现高致密化。 薄膜沉积技术（非气相色谱相关）： 重点阐述脉冲激光沉积（PLD）和磁控溅射（Sputtering）在生长具有特定晶向、梯度成分或超晶格结构功能薄膜时的参数优化，如靶材电压、工作压力与衬底加热温度对薄膜应力和界面结合力的影响。 第二章：高分子材料的精密聚合与结构导向 本章将聚焦于如何精确构建分子量分布、拓扑结构和链段序列，以实现对聚合物宏观机械和电学性能的定制。 活性/可控自由基聚合（CRP）： 详细解析原子转移自由基聚合（ATRP）和可逆加成-断裂链转移聚合（RAFT）的机理，说明如何利用催化剂体系（如铜盐/配体）和链转移剂的浓度，实现对分子量和分散度（Đ）的精确调控。 开环易位聚合（ROP）与环加成聚合： 探讨新型有机小分子催化剂（如有机胺或金属有机骨架催化剂）在合成可降解聚酯（如PLA, PCL）时的活性与选择性。强调反应中水或醇对链终止的抑制策略。 嵌段共聚物与超分子组装： 介绍如何通过两步或多步聚合方法，合成具有明确相分离结构的嵌段共聚物。分析溶剂极性、退溶剂温度对形成自组装结构（如球状、柱状、层状）的影响及其在纳米光刻中的应用潜力。 --- 第二部分：先进材料的功能性表征技术 本部分侧重于使用高分辨率、高灵敏度的分析工具，来探究材料的微观结构、化学态、界面特性以及动态响应，这些表征手段往往超越了基础化学实验中常用的分光光度法或滴定分析。 第三章：结构与形貌的深度解析 本章深入探讨如何通过先进的显微成像技术，获取材料在纳米尺度上的结构信息。 高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）的应用： 不仅描述TEM的成像原理，更侧重于如何利用晶带图分析（Selected Area Electron Diffraction, SAED）来确定材料的晶体结构（如衍射峰与晶格常数）。讲解球差校正TEM在分辨原子尺度的晶格缺陷（如位错、孪晶界）和界面结构中的关键作用。 扫描电子显微镜（SEM）与能谱分析（EDS/EBSD）： 讲解二次电子（SE）和背散射电子（BSE）信号对形貌和元素分布的区分。重点介绍电子背散射衍射（EBSD）在获得材料晶粒取向、晶界分布和织构信息方面的能力，这对理解材料的力学性能至关重要。 原子力显微镜（AFM）的形貌与力学成像： 阐述接触模式、轻敲模式的切换及其对样品破坏性的影响。介绍力谱曲线分析如何用于提取材料的局部杨氏模量、粘附力和表面粗糙度，尤其适用于聚合物和软物质。 第四章：材料的化学态与电子结构探究 本章聚焦于表征材料内部原子是如何结合的，以及电子的能级分布如何决定其电学和光学性质。 X射线光电子能谱（XPS）的深度剖析： 详细解析XPS的激发原理、光电子谱峰的结合能漂移与化学位移现象，强调其在确定元素价态、氧化程度及表面化学环境中的不可替代性。讲解如何通过氩离子溅射配合XPS进行深度剖析，揭示材料表层与内部的化学差异。 拉曼光谱与傅里叶变换红外光谱（FTIR）的分子振动指纹： 对比两者在识别高分子链结构（如官能团、双键或晶格振动）上的优势。重点分析应力诱导的拉曼峰位移在研究材料内部应力分布中的应用，以及FTIR在确定聚合物结晶度上的定量分析方法。 介电谱与阻抗谱分析： 探讨如何通过改变交流电场的频率和温度，测量材料的介电常数、损耗因子和电导率。这对于评估电容器材料、电池电解质或半导体材料的性能至关重要。解析Cole-Cole图在分离不同极化机制（如界面极化、偶极子弛豫）中的作用。 --- 第三部分：性能评价与功能性测试 本书的最后一部分将把制备好的材料投入实际应用场景中进行性能验证，这些测试方法强调对材料在特定环境下的动态响应进行量化。 第五章：机械性能与疲劳行为的评估 万能材料试验机的高级应用： 讲解拉伸、压缩、弯曲试验的标准流程。重点分析应力-应变曲线的非线性区域如何反映材料的塑性变形机制或粘弹性行为。介绍冲击韧性（如Izod/Charpy测试）中能量吸收与断裂模式的关联。 动态机械分析（DMA）： 详细介绍DMA如何通过扫描温度或频率，测量聚合物和复合材料的储能模量（E'）、损耗模量（E''）以及tan δ，从而确定玻璃化转变温度（Tg）、松弛过程及材料的粘弹性窗口。 第六章：电化学与催化性能的界面研究 循环伏安法（CV）与电化学阻抗谱（EIS）： 在电化学储能（电池、电容器）和电催化领域，CV用于确定氧化还原电位窗口和反应动力学。EIS则用于分离固态电解质界面（SEI）电阻、体相电阻和电荷转移电阻，为电池性能的优化提供关键的阻抗信息。 --- 结语 本书提供的方法论和实验流程，均以现代材料科学研究的前沿性和交叉性为导向，力求将复杂的合成工艺与尖端的表征手段紧密结合，确保读者不仅掌握“如何做实验”，更能理解“为什么选择这种方法”以及“如何从复杂数据中提炼出材料设计的指导原则”。本书的内容深度和技术广度，完全超越了基础化学实验教学大纲所涵盖的范畴。

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从实用性的角度来看，这本书在安全规范和误差分析方面的详尽程度，是其他任何我见过的教材都无法比拟的。它对于危险化学品的处理和应急预案的描述，细致到了令人称赞的地步，每一个步骤都仿佛配上了红色的警示标志。我特别欣赏它对“系统误差”和“随机误差”的区分和处理方法的细化。书中不仅给出了标准差、不确定度传播等计算方法，更重要的是，它提供了大量的实例，教你如何通过修改实验设计（比如更换仪器、调整环境参数）来**主动降低**误差的来源，而不是仅仅在最后计算一个不好看的相对误差百分比。这种对实验严谨性的强调，让我对任何实验数据都抱持着一种审慎的态度。它真正做到了，让读者不仅学会了如何得到一个数据，更重要的是，学会了如何去**质疑和捍卫**这个数据的可靠性。这对于未来从事任何科研工作都是至关重要的品质。

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我个人认为，这本书的结构编排逻辑非常具有前瞻性和系统性，它没有采用那种传统的“先理论后实验”的僵硬模式，而是采取了一种高屋建瓴、螺旋上升的布局。开篇就用非常简洁的语言勾勒出了物理化学核心概念的宏观框架，为后续所有实验都设定了一个坚实的理论基石。随后，当你进入具体的实验模块时，会发现理论知识与实际操作的结合是如此的紧密和自然。例如，它在介绍气体扩散实验时，先抛出了基于菲克定律的定量模型，然后立刻引导你去思考如何设计实验来分离、测量和消除空气流速等干扰变量。这种“先提出问题，再用实验去解决问题”的路径，极大地培养了读者的主动学习能力。不像很多教材那样，理论和实验内容像两个独立的模块，这本书的内容是彼此嵌入、相互成就的，让你在动手操作中反过来加深对理论的理解，形成了一个良性的学习闭环。

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这本书的插图和图表简直是教科书级别的典范！色彩运用得恰到好处，既能清晰地展示复杂的分子结构和反应机理，又不会让人感到视觉疲劳。特别是关于热力学过程的那些三维图示，简直是化腐朽为神奇，让那些抽象的概念变得触手可及。我记得有一次为一个复杂的相平衡问题焦头烂额，翻开这本书的对应章节，那张巧妙绘制的吉布斯自由能等高线图，瞬间就点亮了我的思路。作者在设计这些视觉辅助材料时，显然是下了大功夫，他们深知“一图胜千言”的道理。很多实验手册为了节省成本，往往只用粗糙的黑白线条图，但这本书完全没有这种敷衍，即便是关于电化学电池内部电荷转移路径的示意图，也处理得极为精细和专业。这不仅仅是一本教材，更像是一本精美的科学艺术品集，让我在阅读过程中充满了愉悦感。我甚至会时不时地去翻看那些图，不仅仅是为了理解内容，也是为了欣赏那种严谨的美学。对于需要通过图像来建立空间想象力的学习者来说，这本书的视觉呈现简直是无价之宝，极大地降低了理解曲线和模型的门槛。

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这本书的叙事风格，尤其是在介绍实验设计理念的部分，简直像一位经验丰富的导师在耳边娓娓道来，充满了人文关怀和实战智慧。它不像许多冷冰冰的公式堆砌，而是侧重于解释“为什么”要这样做，而不是仅仅告诉你“该怎么”做。作者在描述每一个基础实验时，都会穿插一些历史背景或者早期研究者的探索历程，这让原本枯燥的步骤变得有血有肉，仿佛能感受到科学探索的激情与曲折。比如，在描述滴定终点的判断时，作者不仅仅列出了酸碱指示剂的选择标准，还深入探讨了不同指示剂的变色机理和pH敏感区间背后的理论依据，甚至还提到了早期科学家如何利用天然植物提取物来近似判断酸碱度的趣闻轶事。这种叙事方式极大地激发了我对实验细节的探究欲，让我不再满足于机械地重复操作，而是开始思考如何根据具体条件来优化实验方案。它教会我的，不仅是操作技能，更是一种科学的批判性思维和对实验过程的敬畏心。

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这本书的语言风格呈现出一种令人耳目一新的学术幽默感和极强的可读性，这在技术类书籍中是相当罕见的。作者在阐述那些晦涩难懂的概念时，常常会使用一些非常贴近生活的比喻或者类比，一下子就能抓住读者的注意力。比如，在解释熵增定律时，作者没有直接抛出复杂的数学推导，而是用整理一个极度混乱的大学宿舍作为引子，让“混乱度增加是自然趋势”这一概念瞬间变得直观可感。这种“去学术化包装”的表达方式，极大地缓解了学习过程中的枯燥感。我发现，很多我曾经觉得无比困难的理论点，通过这些巧妙的类比，一下子就变得豁然开朗。它似乎在告诉读者：“是的，这个知识点很难，但没关系，我们一起用最接地气的方式来攻克它。” 这种亲切但不失深度的交流方式，使得学习过程不再是一种负担，而更像是一场与知识的有趣对话。

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