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出版者:7-122

作者:杜登学

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页数:317

译者:

出版时间:2007-8

价格:29.80元

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isbn号码:9787122009142

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现代材料科学进展与前沿技术应用 （本书不含《基础化学实验简明教程》中的任何基础化学实验内容） 内容简介 本书旨在全面梳理和深入探讨当前材料科学领域的核心进展、新兴理论框架以及突破性的工程应用。我们聚焦于那些驱动下一代技术革命的关键材料体系，从原子和分子层面解析其结构-性能关系，并探讨如何通过先进的合成方法和表征技术实现对材料的精准调控。 全书共分为五大部分，共十七章，涵盖了从基础理论到尖端应用的广阔范围。 --- 第一部分：先进结构材料的调控与性能（第1-4章） 第一章：高熵合金（HEAs）的构筑原理与热力学挑战 本章深入剖析了高熵合金（HEAs）的非传统合金设计理念。重点讨论了在多主元体系中，熵效应如何主导微观结构的形成，包括面心立方（FCC）、体心立方（BCC）以及复杂相的演化路径。我们详细考察了“迷宫效应”和“迟滞效应”对材料力学性能（如高韧性、超塑性）的影响机制。内容包括基于密度泛函理论（DFT）的局域结构模拟，以及使用透射电子显微镜（TEM）对纳米尺度的短程有序（SRO）和长程有序（LRO）结构的表征技术。 第二章：新型陶瓷基复合材料的设计与界面工程 本章聚焦于结构陶瓷在极端环境下的应用潜力，特别是陶瓷基复合材料（CMCs）的开发。详细介绍了纤维增韧机制，如裂纹偏转、桥接和基体拔出。重点讨论了界面粘结强度的精确调控——如何通过涂层技术（如反应屏障层）来平衡材料的抗氧化性和抗热震性。本章提供了一系列先进的非破坏性评估技术（NDT），用于评估烧结过程中引入的微裂纹和孔隙率。 第三章：纳米晶体材料的塑性变形机制 针对晶粒尺寸低于100纳米的材料，本章探讨了传统的Hall-Petch关系失效后的新机制。内容涉及晶界滑移、晶界扩散以及晶界作为位错源和汇集的关键作用。我们将对比纳米孪晶结构（NTSs）与等轴纳米晶体的疲劳寿命差异，并探讨高压扭转（HPT）等极端塑性变形方法对材料内应力状态的重塑效果。 第四章：功能梯度材料（FGM）的制造与梯度设计 本章阐述了功能梯度材料中材料组分和性能（如弹性模量、热膨胀系数）沿空间连续变化的原理。详细介绍了梯度层的最佳分布函数设计，以优化特定载荷条件下的应力分布。制造工艺方面，重点讨论了定向凝固技术、激光熔覆（LMD）以及粉末冶金结合增材制造技术在构筑精确梯度结构中的应用与挑战。 --- 第二部分：能源转换与存储材料（第5-8章） 第五章：固态电解质的离子传输动力学与界面稳定性 本书将固态电池作为核心议题。本章详细分析了不同类型固态电解质（如硫化物、氧化物和聚合物基）的离子电导率。关键讨论点在于电极/电解质界面的阻抗分析，如何利用X射线光电子能谱（XPS）和中子衍射技术来监测界面副反应产物的形成。同时，探讨了界面接触压力对固态电池实际性能的影响。 第六章：高效光催化剂的载体效应与量子效率提升 针对太阳能驱动的水分解和污染物降解，本章深入研究了新型光催化剂的设计。侧重于如何通过异质结构建（如Z型或Type-II结）来优化载流子分离效率。内容包括贵金属纳米粒子（如Pt, Au）在半导体（如$ ext{g-C}_3 ext{N}_4$, $ ext{TiO}_2$）表面的表面等离子体制备，以及如何利用光致发光（PL）光谱评估载流子的复合率。 第七章：高容量负极材料的体积膨胀抑制策略 本章聚焦于锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）中，硅基和锡基负极材料面临的巨大体积变化问题。探讨了通过碳包覆、多孔结构设计和纳米复合技术来缓解应力集中，延长循环寿命的先进策略。重点分析了原位 TEM观测到的锂/钠离子插层脱嵌过程中的相变和微裂纹萌生。 第八章：热电材料的塞贝克系数与声子输运调控 本章阐述了热电材料（将热能直接转化为电能的材料）的性能指标——ZT值（综合性能因数）。核心在于如何解耦电子输运性能和热输运性能。详细介绍了通过点缺陷工程和纳米结构引入非晶化边界来有效散射长波声子（降低晶格热导率）的微观机制，同时保持高电子迁移率。 --- 第三部分：功能性与智能响应材料（第9-12章） 第九章：拓扑绝缘体与磁性材料的耦合效应 本章介绍了在拓扑绝缘体（TIs）表面，由于强自旋轨道耦合引起的特殊电子态。着重讨论了如何通过磁性掺杂或表面磁性薄膜沉积，实现从绝缘体到磁性拓扑材料的转变，及其在低能耗电子学和斯格明子（Skyrmion）器件中的潜在应用。 第十章：形状记忆合金（SMAs）的应力诱发马氏变换动力学 深入研究了镍钛（NiTi）等形状记忆合金在温度和应力耦合作用下的复杂相变行为。本章定量分析了逆弹性（Superelasticity）行为中，应力诱发马氏体（$B2 o R o B19'$）的形核、长大和晶体学取向关系。探讨了超声波辅助退火对回复率和疲劳寿命的改善作用。 第十一章：有机-无机钙钛矿太阳能电池的稳定性挑战 本章关注于快速发展的钙钛矿材料（如$ ext{MAPbI}_3$）。主要内容是导致其光热和湿气不稳定的内在机制，包括离子迁移和晶格缺陷的扩散。探讨了二维/三维异质结构钝化技术，以及分子层沉积（ALD）技术在构筑稳定界面封装层中的应用。 第十二章：磁致伸缩与电磁耦合的智能驱动器 本章分析了巨磁阻材料（GMR）和磁致伸缩材料（如Terfenol-D）的工作原理，以及它们在传感器和执行器中的应用。重点阐述了磁场下磁畴壁运动的粘滞效应，以及如何利用高频交变磁场来优化材料的响应速度和效率。 --- 第四部分：先进表征与计算模拟（第13-15章） 第十三章：同步辐射光源下的高分辨率光谱技术 本章详细介绍了利用同步辐射光源进行的高级谱学研究方法，包括软X射线吸收谱（XAS）和共振非弹性X射线散射（RIXS）。解释了这些技术如何提供元素特异性的、高空间分辨率的电子结构和磁性信息，尤其适用于研究界面和缺陷态。 第十四章：球差校正电镜（STEM）的定量成像与谱学分析 本章聚焦于现代透射电子显微镜（STEM）的定量能力。讨论了高角度环形暗场（HAADF）成像、环形明场（ADF）成像在原子尺度分辨率下的衬度理论，以及利用EELS（电子能量损失谱）和EDS（能量分散X射线谱）进行三维元素分布重构的方法。 第十五章：第一性原理计算在材料预测中的应用 本章阐述了基于密度泛函理论（DFT）和量子蒙特卡洛方法在预测新材料性质中的作用。内容包括计算晶格常数、形成焓、电子带结构以及声子色散关系。特别讨论了如何通过计算方法筛选具有特定拓扑性质或催化活性的材料位点。 --- 第五部分：材料制造与可持续性（第16-17章） 第十六章：增材制造（AM）中的冶金学控制与缺陷控制 本章专注于金属和陶瓷的增材制造过程，如选区激光熔化（SLM）和电子束熔化（EBM）。核心在于理解快速凝固过程中的冶金行为：液滴的再分配、枝晶生长竞争，以及如何通过优化扫描策略来控制残余应力、孔隙率和微观偏析。 第十七章：循环经济视角下的材料回收与绿色合成 本章探讨材料科学在可持续发展中的角色。内容包括贵金属（如稀土元素、铂族金属）从报废电子产品中高效分离的技术，如离子液体萃取和选择性络合技术。同时，介绍了在水相或低能耗条件下合成高性能材料的绿色化学路径，如溶剂热法和机械化学法。 --- 本书面向材料科学、化学工程、物理学及相关领域的研究人员、高级本科生和研究生。通过整合理论、实验和计算工具，本书为读者提供了一个理解和设计下一代先进材料的综合性知识框架。

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这本书的语言风格极其精炼，没有过多华丽或冗余的修饰词，直击核心，非常符合理工科教材的特点。它的叙述方式更像是经验丰富的老教授在口头指导，简短有力，逻辑性极强。尤其是在描述一些精细的操作技巧时，例如滴定管的润洗、天平的校准等，那种“言简意赅”的表达方式，反而更容易被大脑快速吸收和记忆。我发现，当我需要快速回忆某个步骤时，脑海中浮现的往往是这本书上那些简洁的短句，而不是长篇大论的段落。这种高效的信息传递方式，极大地提高了学习效率，真正做到了“教程”的本质——快速指导实践。

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这本书的排版真是让人眼前一亮。那种清晰的布局，字体的选择，以及合理的图表穿插，都极大地提升了阅读体验。我拿到手的时候，光是翻阅的舒适感就觉得物超所值了。尤其是那些关键公式和实验步骤的标注，用加粗或者不同颜色的字体做了区分，即便是在光线不好的环境下，也能迅速定位重点，这对于需要快速查阅资料的实验者来说，简直是福音。而且，这本书的开本设计也非常人性化，既不太大，方便携带去实验室，又不会因为太小而牺牲了阅读的舒适度，很多细节处理得恰到好处，能感觉到编者在设计之初就充分考虑到了实际使用者的需求，而不是仅仅把它当成一份冰冷的教材来对待。这种对细节的执着，让一本专业的实验指导书读起来不再枯燥乏味，反而有种赏心悦目的感觉。

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我对这本教材的实验设计深度感到非常满意。它没有流于表面，仅仅停留在那些人尽皆知的“入门级”操作上，而是巧妙地融入了一些需要深入思考和数据分析的环节。例如，在热力学部分的实验中，它要求我们不仅要测出数据，还要对误差来源进行详细的定性和定量的分析，这一点对于培养真正的科研思维至关重要。很多基础教材往往只要求“算出结果”，而这本书却要求我们去“理解结果背后的不确定性”。这种教学理念的转变，极大地激发了我对实验背后原理的探索欲。每完成一个实验，都会有一种扎实的成就感，而不是简单地完成了一项任务，这种深度是很多同类书籍所缺乏的，真正做到了理论与实践的深度融合。

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不得不提的是，这本书在安全规范和操作注意事项的强调上，简直是做到了“事无巨细”的地步。翻开任何一个实验章节，最先映入眼帘的不是繁复的理论推导，而是醒目的安全警示和个人防护要求。这对于初次接触化学实验的学生来说，提供了极大的心理保障。它不仅列出了常见的危险品标识，还配有详细的应急处理流程图，甚至连通风橱的使用技巧和废液分类处理的规范都讲解得一丝不苟。这种对细节的重视，体现了编者强烈的责任心，也潜移默化地教会了我们严谨的科学态度。我个人认为，一本优秀的实验教程，安全教育永远是排在第一位的，这本书在这方面做得极其出色，让人用着放心。

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从整体的章节组织来看，这本书的逻辑递进关系设计得非常科学合理。它不是简单地按照元素周期表或者酸碱性来划分实验，而是遵循了能力培养的曲线。开篇的几个实验，聚焦于基础的仪器使用和数据采集，非常稳固地打下了基础；随后进入到较为复杂的定性和定量分析；最后引入的综合性实验，则要求读者将前面学到的所有技能融会贯通。这种循序渐进的设置，有效避免了“前面没学会，后面就无法进行”的窘境。每学习完一个模块，我都能明显感觉到自己的实验技能上了一个台阶，而不是感觉被知识点堆砌所淹没，这套科学的课程编排体系，是这本书能够脱颖而出的关键所在。

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