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现代材料科学基础：从原子到宏观性能的探索 图书简介 《现代材料科学基础：从原子到宏观性能的探索》是一本全面深入探讨材料科学核心概念、结构-性能关系及其在现代工程技术中应用的权威著作。本书旨在为材料科学、化学工程、物理学以及相关交叉学科的本科高年级学生和研究生提供坚实的理论基础和广阔的视野，同时也是一线科研人员和工程师深入理解和解决实际材料问题的宝贵参考书。 本书的结构设计遵循了逻辑递进的清晰脉络：从最基础的原子结构和键合原理出发，逐步过渡到晶体学、缺陷理论，再到材料的微观结构演变和宏观性能的表征与调控。我们强调材料科学的跨学科本质，将物理学原理、化学热力学与动力学、工程应用紧密结合起来，致力于揭示“结构决定性能”这一核心思想的深刻内涵。 --- 第一部分：材料的微观基石——结构与键合 本部分为理解所有材料行为奠定了量子力学的基石。 第一章：原子结构与电子排布 深入探讨原子核外电子的能级结构、量子数及其对元素化学性质的决定性影响。详细分析了不同元素（尤其是过渡金属和稀土元素）的电子组态，为理解金属、陶瓷和聚合物的特性差异打下基础。 第二章：化学键合的本质与分类 全面阐述了离子键、共价键、金属键和范德华力（包括氢键）的形成机理、能量特征和空间取向。重点讨论了键合类型对材料熔点、硬度、电学和磁学性质的直接影响。例如，通过分子轨道理论解析共价网络的强度和各向异性。 第三章：晶体结构与晶格几何 这是理解固态材料宏观有序性的关键章节。详细介绍了晶体学的基本概念，包括布拉维格子、晶胞、密堆积结构（如FCC、BCC、HCP）。内容涵盖了晶体结构决定论，如如何根据原子半径比和电荷平衡预测晶体结构类型。此外，本书还引入了描述晶体对称性的点群和空间群理论，这对于理解材料的光学和压电效应至关重要。 第四章：晶体缺陷理论 材料性能的真正决定者往往是缺陷。本章系统梳理了点缺陷（空位、间隙原子、取代原子、Schottky缺陷和Frenkel缺陷）的热力学和统计分布。随后，深入讲解线缺陷（位错）的几何特征、应力场分布及其在塑性变形中的核心作用（如滑移和攀移）。层错、堆垛层错和晶界等二维缺陷的能量、结构及其对材料力学和电学性能的调控机制也被详尽讨论。 --- 第二部分：热力学、动力学与相变 本部分关注材料系统如何达到平衡状态以及如何随时间演化。 第五章：材料热力学导论 应用热力学三大定律分析材料体系的能量状态。重点介绍了吉布斯自由能在相平衡中的核心地位，包括相图的绘制与解读。详细分析了固溶体的形成条件（如Hume-Rothery规则）以及化合物的稳定性。 第六章：扩散与反应动力学 扩散是材料科学中实现微观结构演变的主要驱动力。本章深入讲解Fick定律及其在固体中的应用，区分了原子扩散机制（空位机制、间隙机制）。同时，结合Arrhenius方程分析扩散系数的温度依赖性，并将扩散与化学反应速率论相结合，为理解烧结、氧化和相变速率提供工具。 第七章：相图与微观结构控制 本章将热力学与动力学相结合，重点分析二元和三元相图。详细阐述了共晶、共熔、包析和固溶线附近的微观结构形成过程。内容深入到凝固过程中的枝晶生长、偏析现象及其控制策略，为铸造和焊接工艺的优化提供理论支持。 --- 第三部分：材料的本征性能与工程应用 本部分将微观结构与宏观可测性能直接关联起来，涵盖金属、陶瓷、聚合物和复合材料。 第八章：力学性能与塑性变形 详细阐述了材料的弹性（杨氏模量、泊松比）和粘弹性行为。在塑性变形方面，本书超越了简单的屈服强度概念，深入分析了加工硬化、蠕变（高温下）和疲劳（循环载荷下）的微观机制。特别关注了位错运动的阻力（如钉扎、绕越），以及如何通过固溶强化、晶粒细化和第二相粒子来提高强度。 第九章：电学与磁学性能 探讨了电子在晶体中的能带结构理论，区分了导体、半导体和绝缘体的能带图。重点分析了半导体的掺杂效应、载流子迁移率和PN结的形成。在磁学方面，介绍了铁磁性、抗磁性和顺磁性的起源，以及磁畴、磁滞回线和磁性材料（如永磁体、软磁材料）的应用设计。 第十/十一章：热学与光学性能 分析了晶格振动（声子）在热导和比热中的作用。区分了晶格热传导和电子热传导。光学部分则侧重于材料对电磁波的选择性吸收、透射和反射，这对于功能材料（如透明导电氧化物、光伏材料）的设计至关重要。 第十二章：先进材料体系与前沿方向 本章将前面学到的知识应用于新兴领域： 高分子材料： 讨论链结构、构象、玻璃化转变温度（Tg）和结晶度对机械性能的影响。 陶瓷材料： 聚焦于高强度、耐高温和电绝缘特性，以及韧性增强的策略（如裂纹偏转）。 复合材料： 阐述增强相（纤维或颗粒）与基体之间的界面作用及其对整体性能的贡献。 纳米材料： 探讨尺寸效应如何颠覆传统体材料的性能，并简要介绍了薄膜技术。 --- 本书特色 1. 深度与广度的完美结合： 理论推导严谨，同时辅以大量的工程实例和案例分析，确保知识的实用性。 2. 定量分析强调： 引入了关键的量化模型（如Hall-Petch关系、扩散方程），鼓励读者进行数值分析和预测。 3. 结构-性能映射清晰： 每一章都明确指出所讨论的微观特征如何直接转化为宏观可测的工程性能指标。 4. 丰富的插图与图表： 大量使用高质量的晶体结构图、能带图、相图和性能曲线，辅助复杂概念的理解。 《现代材料科学基础》不仅是一本教科书，更是一扇通往理解物质世界深层规律的窗口，旨在培养下一代能够设计、制造并应用具有特定功能的创新型材料的科学家和工程师。
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