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出版者:McGraw-Hill Science/Engineering/Math

作者:William F. Smith

出品人:

页数:1056

译者:

出版时间:2005-07-30

价格:USD 152.81

装帧:Hardcover

isbn号码:9780073107639

丛书系列:

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• 材料科学
• 材料工程
• 基础
• 工程材料
• 金属材料
• 陶瓷材料
• 聚合物材料
• 复合材料
• 材料性能
• 学生资源

先进材料科学与工程导论 探索材料世界的基石与前沿 本书旨在为读者提供一个全面、深入且具有前瞻性的材料科学与工程领域的知识体系。它不仅涵盖了构成现代工程技术核心的传统材料基础，更以前瞻性的视角探讨了新兴功能材料及其在未来科技中的应用潜力。 第一部分：材料科学的基础支柱 本部分着重于构建坚实的材料科学理论框架，这是理解所有材料行为和设计的基础。 第一章：材料的结构层次：从原子到宏观性能的桥梁 本章深入探讨了材料的微观结构在决定其宏观性能中的核心作用。我们将从原子排列的几何学入手，详细分析晶体结构（如面心立方、体心立方、六方最密堆积）如何影响材料的密度和对称性。接着，过渡到更复杂的结构描述，如晶体缺陷的分类——点缺陷（空位、间隙原子、取代原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界）。对位错理论的细致阐述，是理解金属塑性变形机制的基石。此外，我们将讨论非晶态材料（如玻璃）的短程有序特性，以及聚合物链的拓扑结构如何影响其独特的粘弹性行为。本章强调，材料的性能并非均匀的内在属性，而是其特定微观结构的直接函数。 第二章：热力学与相图：驱动材料转变的引擎 材料的稳定性、相变温度和平衡态是热力学指导下的核心议题。本章从统计力学和吉布斯自由能原理出发，构建了理解材料平衡态的理论基础。重点解析了二元和三元相图的解读方法，包括杠杆原理、冷却曲线分析和“倒相律”的应用。我们将详细考察固溶体、化合物的形成、以及非平衡相（如过饱和固溶体）的形成机制。对共晶、共析和包析反应的深入分析，将为热处理工艺的设计提供理论依据。此外，还会涉及扩散理论，即菲克定律，解释原子在晶格内迁移的驱动力、机理（如格氏扩散与间隙扩散），以及其在固态反应和界面控制中的关键作用。 第三章：动力学：速率与时间的影响 如果说热力学决定了“什么能发生”，那么动力学则决定了“何时发生”。本章聚焦于相变速率和反应速率。我们详细探讨了成核与长大理论，分析了均匀成核和非均匀成核的临界条件。通过对金兹-威尔量方程（Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov, JMAK模型）的应用，读者将掌握如何量化固态相变的动力学过程。此外，本章将材料的粘滞流动和蠕变过程纳入动力学范畴，解释了材料在高温或高应力下的时间依赖性行为，这是航空航天和核工业材料设计中的关键考量。 第二部分：主要材料族的特性与加工 本部分将理论知识应用于三大类经典工程材料——金属、陶瓷和聚合物，并探讨了复合材料这一新兴领域。 第四章：金属材料：强度与韧性的平衡艺术 金属作为结构工程的支柱，其性能的调控至关重要。本章首先回顾了金属的晶体结构、晶格缺陷及其与形变的关系（位错运动、加工硬化）。随后，重点深入研究了金属的热处理技术：退火、正火、淬火和回火的微观机理，特别是碳钢中的马氏体转变——一种无扩散的、依赖剪切的相变。针对合金系统，我们将分析固溶强化、沉淀强化（如铝合金和镍基超合金的析出）、和晶界强化（晶粒细化）的定量模型。最后，本章将讨论金属的断裂力学基础，包括应力强度因子、断裂韧性（$K_{Ic}$）的测量，以及疲劳裂纹的萌生、扩展与最终断裂的机制。 第五章：陶瓷材料：刚性、耐热性与电子特性 陶瓷以其优异的耐高温性、高硬度和化学惰性著称，但其固有的脆性构成了设计挑战。本章详细解析了离子键和共价键在陶瓷结构中的主导地位，以及这对材料的低延展性的影响。我们分类讨论了氧化物（如氧化铝、氧化锆）、非氧化物（如碳化硅、氮化硅）以及玻璃陶瓷的晶体结构和玻璃化转变温度。重点在于理解陶瓷的断裂机制——受制于微观孔隙和微裂纹，以及如何利用增韧技术（如第二相粒子引入或相变增韧，如氧化锆的Tetragonal-to-Monoclinic转变）来提升其断裂抗力。本章还将介绍陶瓷在电子、光学和生物医学领域中的特定功能化应用。 第六章：聚合物材料：从分子链到宏观柔性 聚合物是现代轻量化和柔性电子设备不可或缺的材料。本章从高分子化学的角度出发，介绍聚合反应的类型（加聚与缩聚）和分子量分布的意义。我们将深入探讨聚合物的构象和构型（如顺式与反式异构），以及这些分子尺度上的差异如何影响链的缠结程度。宏观性能的理解依赖于“粘弹性”概念，本章会用Voigt模型和Maxwell模型来描述聚合物对时间和温度的敏感性。此外，半结晶聚合物的球晶结构分析、玻璃化转变温度（$T_g$）和熔点（$T_m$）的测量及其对应用的影响，是本章的核心内容。 第七章：复合材料：性能的协同效应 复合材料通过结合不同基体（金属、聚合物或陶瓷）与增强相（纤维、颗粒或层片）来获得传统单一材料无法比拟的性能。本章系统地介绍了材料的混合法则（如泊松比混合律、模量混合律），并着重分析了各向异性对宏观力学性能的影响。重点研究了纤维增强复合材料（如碳纤维增强环氧树脂）的界面行为，界面是载荷传递的关键区域。本章还将探讨复合材料的制造过程中的残留应力控制，以及其在疲劳和蠕变环境下的失效模式。 第三部分：功能材料与现代工程挑战 本部分将视野扩展到二十一世纪材料科学的前沿领域，关注材料如何响应电、磁、光等外部刺激。 第八章：半导体与电子材料：信息时代的基石 本章深入剖析了固态电子学的理论基础。首先，通过能带理论（价带、导带、禁带宽度）解释导体、半导体和绝缘体的根本区别。随后，详细分析了本征半导体和掺杂（N型和P型）机制，以及费米能级的移动。重点探讨了PN结的形成、二极管和晶体管的工作原理。此外，本章还涉及新兴的化合物半导体（如GaAs, GaN）及其在光电子设备（LED、激光器）中的应用，以及薄膜沉积技术（如CVD、PVD）在微电子制造中的重要性。 第九章：磁性材料与电介质 本章围绕材料的电磁响应特性展开。对于磁性材料，我们将阐述顺磁性、抗磁性、铁磁性（磁畴结构、磁化过程）和反铁磁性。重点分析了磁滞回线、矫顽力、剩磁和磁导率，并讨论了硬磁材料（用于永磁体）和软磁材料（用于变压器和存储器）的设计原则。在电介质方面，讨论了极化机制（取向极化、离子极化、电子极化）以及介电常数和损耗因子。压电效应和焦电效应的物理本质及其在传感器和能量收集器中的应用将被详细介绍。 第十章：先进与智能材料：应对未来的挑战 本章展望材料科学的未来方向。内容包括： 1. 形状记忆合金 (SMA)：如NiTi合金，深入探讨其马氏体相变的可逆性和伪弹性行为，以及在医疗器械和执行器中的应用。 2. 功能梯度材料 (FGM)：材料成分和结构在空间上连续变化的材料设计理念，旨在解决界面应力集中的问题。 3. 生物材料：探讨与生物系统兼容的材料（生物相容性、生物可降解性），如用于骨替代、药物缓释的先进聚合物和陶瓷。 4. 纳米材料：讨论量子尺寸效应、高比表面积对催化和储能的影响，以及碳纳米管、石墨烯等二维材料的独特电学和力学特性。 本书结构严谨，内容兼顾理论深度和工程实践，致力于培养读者运用材料科学的基本原理来解决复杂工程问题的能力，为致力于材料研发、产品设计和制造领域的专业人士提供一份不可或缺的参考指南。

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从一个渴望获取实践指导的工程师的角度来看，这本书的实用价值是其核心竞争力。理论固然重要，但如何将这些理论转化为可操作的工程决策才是关键。这本书在处理材料性能与结构关系时，展现出了极高的工程敏感度。例如，在讨论缺陷和强化机制时，它没有停留在抽象的位错理论，而是详细探讨了如何通过晶粒细化、固溶强化或加工硬化来提高金属的屈服强度和韧性。更进一步，它似乎还兼顾了现代材料研究的前沿动态，比如在聚合物部分，对高分子结构与性能的关联分析得非常深入，这对于设计新型复合材料或先进塑料制品至关重要。阅读过程中，我常常会停下来思考，如何将书中的模型应用于我目前遇到的具体问题，比如一个需要耐高温和抗蠕变的合金选择。这种潜移默化的引导，让读者不自觉地从一个被动的知识接收者，转变为一个主动的问题解决者。它提供的不仅仅是“是什么”，更重要的是“为什么是这样”以及“如何去改变它”。

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初次接触这本教材时，我主要关注的是它的叙事逻辑和知识的组织方式。很多理工科教材的通病是内容堆砌，缺乏平滑的过渡，让人在不同章节间感到跳跃和迷失，但这本书在这方面处理得相当老道。它似乎是按照一个非常严谨的、循序渐进的教学大纲来构建的。开篇从最基础的原子键合和晶体结构讲起，像剥洋葱一样，层层递进地引入热力学、动力学概念，然后才自然地过渡到具体的材料类型，比如金属、陶瓷和聚合物。作者在引入新概念时，总是会先回顾上一个章节的关键点，并明确指出新知识与旧知识之间的内在联系，这极大地降低了学习曲线的陡峭程度。我特别欣赏它在处理复杂理论时所采用的类比和实际应用案例的穿插。它不仅仅是罗列公式，而是会解释这些公式在工程实践中是如何被应用的，比如解释相变时，会立刻关联到热处理工艺的重要性。这种结构上的连贯性和内在逻辑的严密性，使得即便是初学者，也能构建起一个扎实、完整的材料科学知识框架，而不是零散的知识点集合。

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与其他同类书籍相比，这本书在覆盖的材料种类广度和深度上，展现出一种罕见的平衡感和包容性。很多教材会偏向于某一大类材料，比如厚厚的篇幅都集中在金属学，而对新兴的或非金属材料着墨不多。但这本书似乎努力提供了一个全面的视角，从经典的金属学原理出发，稳健地扩展到陶瓷材料的热力学稳定性、玻璃转变温度等关键特性，再到高分子材料的粘弹性行为和老化机制。这种广度保证了读者无论未来是专注于传统制造业还是高新技术领域，都能找到适用的基础知识。更重要的是，它并没有为了追求广度而牺牲深度，例如，在处理半导体材料的能带结构时，它用非常精炼的篇幅阐述了核心概念，足以让读者理解其导电性的本质。这种全面而又不失焦点的叙事策略，使得这本书更像是一张材料科学的“全景地图”，为读者指明了探索各个领域的有效路径，极大地拓宽了我对“材料”这个概念的理解边界。

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这本书的装帧和印刷质量实在令人印象深刻。拿到手时，首先感受到的是那种沉甸甸的质感，纸张的厚度适中，拿在手里有分量，但翻阅起来又不会觉得笨重。封面设计简约而不失专业感，色彩搭配沉稳大气，很符合材料科学这门学科的严肃性。内页的排版布局非常清晰，字体选择合理，即便是涉及大量复杂公式和图表的部分，阅读起来也毫不费力。尤其值得称赞的是那些插图和示意图的印刷效果，线条锐利，色彩还原真实，这对理解微观结构和复杂的晶体学概念至关重要。很多教材为了控制成本会牺牲印刷质量，但这本书在这方面看得出是用心了，即便是扫描和显微镜下的图像，细节也保留得非常到位，这对于自学和深入研究的读者来说，简直是福音。我可以想象，在实验室或者课堂上，反复翻阅这本书时，它能经受住考验，不易损坏，这无疑延长了它的使用寿命，也提升了阅读体验。从一个注重细节的读者的角度来看，这本书的外在品质完全匹配了其内容的深度和广度，这使得学习过程本身也成为一种享受，而不是仅仅忍受一本印刷粗糙的工具书。

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这本书在处理数学模型和理论推导时所采取的态度，非常符合我这种对细节有洁癖的科研工作者的偏好。很多教科书为了简化内容，会直接跳过关键的推导步骤，只给出最终结果，这使得读者在尝试复现或深入理解时感到困惑。然而，这本书在关键的、决定性的公式推导上，通常会给出详尽的步骤，每一步的物理意义都解释得十分到位。例如，在描述扩散现象或相场模型时，相关的偏微分方程的建立和求解过程，都被清晰地展示了出来。这使得读者不仅能够应用这些公式，更能理解它们背后的物理基础和限制条件。同时，它并没有陷入过度繁琐的数学泥潭，对于一些过于复杂的背景数学知识，它会适当地进行总结或引用，明确告知读者哪些是需要背景知识，哪些是核心内容。这种平衡——既保证了理论的深度和可验证性，又避免了不必要的数学障碍——使得它成为一个非常可靠的参考工具书，而不是一本只能照本宣科的入门读物。

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