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出版者:河海大学出版社

作者:赵振兴

出品人:

页数:340

译者:

出版时间:2005-1

价格:38.00元

装帧:平装

isbn号码:9787563017300

丛书系列:

图书标签:

• 流体力学
• 工程
• 物理
• 数学
• 机械
• 水力学
• 气力学
• 传热
• 流体动力学
• 计算流体力学

现代材料科学导论：从原子结构到宏观性能 摘要 本书旨在为材料科学领域的研究人员、工程师和高年级本科生提供一个全面而深入的导论。内容涵盖材料的微观结构、电子结构、热力学性质、动力学行为以及宏观力学、电学、光学和热学性能之间的内在联系。本书特别侧重于现代材料的理性设计与开发，探讨了从纳米尺度到工程尺度的多尺度建模方法，并深入剖析了先进功能材料（如半导体、压电材料、高熵合金和生物医用材料）的设计原理和应用前景。通过大量的案例分析和前沿研究进展的梳理，读者将建立起一个扎实的理论框架，以应对当前工程领域中对高性能、多功能材料日益增长的需求。 --- 第一章 绪论：材料科学的核心与范畴 1.1 材料的四个基本要素 本章首先界定材料科学（Materials Science）作为一门交叉学科的地位，它位于化学、物理学、工程学和数学的交汇点。我们将材料的性质（Properties）、结构（Structure）、制备（Processing）和性能（Performance）视为理解和设计材料的四大支柱。深入探讨这四要素如何相互制约与促进，是掌握材料学精髓的关键。 1.2 材料的分类与演变 我们将对传统材料分类（金属、陶瓷、聚合物）进行回顾，并引入现代材料的分类框架，包括复合材料、智能材料、纳米材料以及先进功能材料。通过历史的视角，展示材料技术如何驱动人类文明的进步，从青铜时代到信息时代的演变历程。 1.3 尺度效应与多尺度分析 材料的行为是尺度依赖性的。本章将介绍从原子/电子尺度（皮米级）到微观结构尺度（微米级）、宏观尺度（毫米至米级）的分析方法。重点讨论如何通过跨尺度的理论模型（如密度泛函理论与有限元分析的耦合）来预测材料的宏观性能。 --- 第二章 材料的微观结构基础 2.1 晶体结构与晶体学基础 本章深入探讨固体材料的周期性排列——晶体结构。详细介绍布拉维点阵、晶体学符号（Miller指数）、晶体结构类型（如面心立方、体心立方、六方最密堆积）。通过几何学方法解析晶体结构与宏观性质（如密度、弹性模量）的关系。 2.2 晶体缺陷的类型与影响 晶体中的非周期性结构，即缺陷，是决定材料实际性能的关键因素。本章系统分类和分析点缺陷（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）。特别关注位错理论在解释金属塑性变形和强化机制中的核心作用。 2.3 非晶态结构与准晶体 对于玻璃、非晶金属和聚合物等无长程有序的材料，本章探讨了短程有序的特征，如径向分布函数（RDF）的解析，并介绍自由体积理论在描述非晶态材料粘滞流动中的应用。同时，简要介绍准晶体这一奇特的非周期性结构。 --- 第三章 材料的热力学与相图解析 3.1 统计热力学基础 材料的热力学性质决定了其稳定性和反应倾向。本章复习吉布斯自由能、焓和熵的概念，并将其应用于材料体系。重点介绍统计力学在计算原子排列、振动能和电子能量中的应用。 3.2 相图的构建与解读 相图是材料工程师的蓝图。本章详细阐述单组元和多组元相图的绘制原理（如杠杆定律、冷却曲线分析）。深入解析二元合金系统中的固溶体、化合物形成、共晶与共熔反应，并探讨相变动力学对最终组织的影响。 3.3 热力学驱动的相变 本章关注驱动材料结构演变的内在热力学力量。讨论扩散控制的相变（如析出、长大）与无扩散相变（如马氏体转变）。利用吉布斯-汤姆森效应解释纳米尺度下形核的特殊性。 --- 第四章 材料的动力学行为与传输现象 4.1 扩散理论与原子迁移 扩散是材料微观结构演化的核心驱动力。本章详细介绍Fick扩散定律，区分固态扩散的机制（空位机制、间隙机制）。通过爱因斯坦关系式和Nernst-Einstein关系，连接扩散系数与材料的微观结构参数。 4.2 弛豫、蠕变与粘弹性 针对聚合物和非晶态材料，本章探讨时间-温度等效原理（Time-Temperature Superposition Principle, TTSP）。详细分析高分子链的运动、弛豫过程（如玻璃化转变）以及蠕变和应力松弛现象，为高分子工程设计提供依据。 4.3 界面迁移与烧结 在粉末冶金和陶瓷制造中，界面动力学至关重要。本章分析颗粒间的接触角、表面能对烧结过程的驱动作用，并探讨液相辅助烧结中液-固界面的迁移机制。 --- 第五章 机械性能与本征响应 5.1 弹性、粘性与粘弹性 本章精确定义材料的弹性模量、泊松比和剪切模量。引入广义胡克定律，并结合赫尔曼-魏斯模型（Hermann-Weis Model）描述复杂应力状态下的弹性响应。对于聚合物，解析Voigt和Maxwell模型的适用性。 5.2 塑性变形与强化机制 深入探讨金属材料的宏观塑性变形——剪切和孪生。详细分析晶体塑性理论，重点阐述位错滑移的几何必需性。系统介绍提高材料强度的主要工程手段：固溶强化、加工硬化（形变强化）、晶粒细化强化（Hall-Petch关系）和沉淀强化。 5.3 强度、韧性与断裂力学 区分强度（Yield Strength）与韧性（Toughness）。本章引入关键的断裂力学概念，如应力强度因子 ($K_I$)、断裂韧度 ($K_{IC}$)、裂纹扩展的吉芬-格里菲斯能量准则。分析疲劳（循环载荷下的损伤累积）和蠕变断裂的机制。 --- 第六章 功能材料的电子结构与电学特性 6.1 固体中的电子结构理论 本章是理解功能材料的关键。详细介绍能带理论的形成（Bloch定理），区分导体、半导体和绝缘体。运用费米能级和电子密度状态（DOS）的概念来解释电导率的温度依赖性。 6.2 半导体材料的掺杂与器件基础 重点分析硅基半导体的本征与外禀性质。深入探讨施主和受主杂质的引入如何调控载流子浓度，以及PN结的形成与肖特基势垒。简要概述现代集成电路中晶体管的工作原理。 6.3 介电、铁电与压电材料 讨论电极化现象，包括偶极矩的来源（离子位移、电子云变形）。解析介电常数、电滞回线。详细介绍压电效应（机械能到电能的转换）及其在传感器和执行器中的应用，并讨论铁电材料的畴结构与反转。 --- 第七章 磁性与光学材料 7.1 磁性理论与分类 阐述磁性的微观来源——电子自旋和轨道角动量。系统分类和比较抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性。详细分析畴壁运动和磁滞回线，探讨磁记录材料的设计原则。 7.2 软磁与硬磁材料的应用 区分软磁材料（低矫顽力，用于变压器和电感器）与硬磁材料（高矫顽力，用于永磁体）。介绍现代高性能稀土永磁体（如NdFeB）的结构特点和热稳定性。 7.3 光的吸收、发射与透射 光学材料的性能由电子的能带结构决定。讨论光吸收的机制（本征吸收、杂质吸收），以及在介质中光的传播、折射和散射现象。介绍透明陶瓷、光纤材料和选择性吸收涂层的设计原理。 --- 第八章 高级材料设计与前沿课题 8.1 复合材料的界面设计 复合材料通过将两种或多种材料组合以获得超常性能。本章重点研究纤维增强复合材料（FRC）和颗粒增强复合材料（PRC）的增强机制。深入分析增强体与基体之间的界面结合强度对宏观力学性能（特别是疲劳寿命）的决定性作用。 8.2 纳米材料的尺寸效应 探讨当材料尺寸进入纳米尺度时，其原子表面能、电子能带结构和光学响应发生的显著变化。以量子点、纳米线和石墨烯为例，阐述量子限域效应和表面效应如何开启新的功能。 8.3 生物医用材料与腐蚀防护 介绍生物惰性材料（如钛合金、羟基磷灰石）与生物活性材料在植入体中的应用要求，特别是生物相容性和抗磨损性能。同时，深入探讨金属和合金的电化学腐蚀机制，以及钝化层、阻挡涂层在腐蚀防护中的作用。 --- 结论：面向未来的材料工程 本书最后总结了材料科学的研究范式，强调计算材料学（如高通量计算和机器学习在材料筛选中的应用）正在如何加速新材料的发现。展望未来在能源存储（固态电池电解质）、可持续性材料（可降解聚合物）和极端环境材料（超高温陶瓷）领域的研究方向。 --- 附录 材料性能数据表（常用金属、陶瓷、聚合物） 晶体学符号与计算指南 有限元分析基础回顾

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读完这本《工程流体力学》，我感觉自己对很多工业设计和工程实践有了全新的认识。以前我可能只是看到一个东西的成品，但现在我能够去思考它背后的流体动力学原理。比如，我看到风力发电机，脑子里立刻就会浮现出叶片如何切割空气，产生旋转力矩的画面；看到汽车尾翼，我也会想到它在高速行驶时如何通过改变气流来增加下压力，提高车辆稳定性。这本书在讲解理论知识的同时，非常注重理论与实际应用的结合，这一点是我非常看重的。 作者在书中穿插了大量的工程案例，从管道输送、泵的设计，到河流治理、空气动力学应用，几乎涵盖了工程领域中流体力学的主要应用方向。他会详细地分析这些案例中的具体问题，然后用流体力学的原理来解释解决方案，甚至还会探讨不同方案的优缺点。这种“理论+实践”的学习模式，让我的学习过程变得非常有成就感。我还特别喜欢书中关于数值模拟方法的那部分，虽然有些计算量大，但作者的讲解清晰明了，让我看到了现代工程技术是如何借助计算机来解决复杂流体问题的。

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这本《工程流体力学》真的让我大开眼界！我之前对流体方面的知识了解得非常有限，基本上就是知道水会流动，空气有风。但这本书就像打开了一个全新的世界。它没有上来就抛出复杂的公式和抽象的概念，而是从一些非常贴近生活、又极具启发性的例子入手，比如讲解水管中的水流阻力，还有飞机翅膀如何产生升力，甚至还提到了生活中常见的马桶排水设计背后的原理。这些例子都非常生动形象，让我一下子就觉得流体力学不再是遥不可及的学科，而是与我们的日常生活息息相关。 而且，作者的叙述方式也很有意思。他会用一种非常耐心、一步步引导的方式来讲解，就像是一位经验丰富的老师在身边手把手教你。遇到一些难理解的地方，他不会直接给出结论，而是会先分析清楚问题，然后一点点地推导出答案。我特别喜欢他讲解伯努利方程那一部分，一开始我觉得它听起来很玄乎，但通过作者的详细拆解和几个不同场景的应用，我才真正理解了它的物理意义，以及它在解决实际工程问题中的强大作用。书中的插图和图表也设计得相当精美，它们不是为了装饰而存在的，而是真正起到了辅助理解的作用，清晰地展示了各种流体现象的本质。

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说实话，我拿到这本《工程流体力学》的时候，心里还是有点打鼓的。毕竟“工程”和“流体力学”这两个词听起来就不是轻松的学科，我担心自己会看得云里雾里。但出乎意料的是，这本书的语言风格非常地道，一点都不生硬。作者好像真的懂我作为一个初学者的困惑，他会用很多比喻和类比来解释那些复杂的概念。比如说，他讲到粘性的时候，就拿蜂蜜和水来对比，形象地说明了粘度的差异。他还花了相当多的篇幅去讲解各种流体模型，从理想流体到真实流体，再到可压缩和不可压缩流体，每一种都分析得很透彻，并且说明了它们分别适用于什么样的工程场景。 我印象最深的是关于边界层理论的那一部分。这个概念一开始听起来就有点复杂，但作者通过讲解飞机起飞时空气流过机翼的现象，一步步地引导我们理解边界层是如何形成的，以及它对整体气动性能有着怎样的影响。他甚至还提到了蝴蝶效应，用一种更加宏观的视角来阐述微小扰动在流体运动中的潜在放大作用。这些内容让我觉得，这本书不仅仅是在教授知识，更是在培养一种分析和解决问题的思维方式。书后的习题也很有针对性，能够帮助我巩固所学知识，并且在练习中发现自己理解上的盲点。

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这本书的整体风格非常务实，它不是一本泛泛而谈的科普读物，而是真正聚焦于工程应用。作者在处理每一个流体现象时，都非常注重其在实际工程中的指导意义。比如，他在讲解流体测量的各种仪器时，不仅仅是列出仪器的名称和原理，还会详细说明它们各自的适用范围、精度限制，以及在不同工程场景下的优缺点。这一点对于我这样希望将流体力学知识应用于实际工作的人来说，是非常宝贵的。 我特别喜欢书中关于阀门和管道系统设计的部分。这些看似简单的问题，背后却蕴含着丰富的流体力学知识。作者通过对不同类型阀门的水力特性进行分析，并结合管道流动的阻力计算，为我们提供了一套非常实用的设计指导。他还对如何优化管道系统，减少能量损失提出了很多具体的建议。另外，书中对不同材料在流体作用下的性能分析也写得非常到位，这对于在实际工程中选择合适的材料非常有帮助。这本书真的就像一本工具书，当你遇到工程问题时，翻开它，总能找到一些启发和解决方案。

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老实说，我之前对流体力学一直抱着一种敬畏的态度，总觉得它是非常高深、难以掌握的学问。但《工程流体力学》这本书彻底改变了我的看法。作者的写作风格非常独特，他善于将枯燥的理论知识用一种非常有趣、甚至带点幽默的方式呈现出来。他会时不时地穿插一些历史典故，或者提到一些科学家的趣闻轶事，让整个阅读过程充满了乐趣，一点都不会感到枯燥乏味。 而且，他讲解问题的逻辑性非常强。在介绍每一个新的概念之前，都会先铺垫好相关的背景知识，让你知道为什么需要学习这个概念，以及它在整个流体力学体系中扮演着怎样的角色。我特别欣赏他关于湍流的那部分讲解。湍流一直是流体力学中的一个难题，但作者通过一些形象的比喻和清晰的图示，让我对湍流的混沌和复杂性有了一个初步的认识，并且了解了科学家们正在如何努力去理解它。这本书真的让我觉得，学习流体力学不应该是痛苦的，而应该是一个探索和发现的过程。

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