An Introduction to Materials Science

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出版者:
作者:Gonzalez-Vinas, Wenceslao/ Mancini, Hector L.
出品人:
页数:200
译者:
出版时间:2004-7
价格:$ 98.88
装帧:
isbn号码:9780691070971
丛书系列:
图书标签:
  • 材料科学
  • 材料工程
  • 材料
  • 物理学
  • 化学
  • 工程学
  • 科学
  • 金属
  • 陶瓷
  • 聚合物
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具体描述

Materials science has undergone a revolutionary transformation in the past two decades. It is an interdisciplinary field that has grown out of chemistry, physics, biology, and engineering departments. In this book, Gonzlez-Vias and Mancini provide an introduction to the field, one that emphasizes a qualitative understanding of the subject, rather than an intensely mathematical one. The book covers the topics usually treated in a first course on materials science, such as crystalline solids and defects. It describes the electrical, mechanical, and thermal properties of matter; the unique properties of dielectric and magnetic materials; the phenomenon of superconductivity; polymers; and optical and amorphous materials. More modern subjects, such as fullerenes, liquid crystals, and surface phenomena are also covered, and problems are included at the end of each chapter. An Introduction to Materials Science is addressed to both undergraduate students with basic skills in chemistry and physics, and those who simply want to know more about the topics on which the book focuses.

《材料科学导论》之外的材料世界:一部探索新边界的著作 书名:《新材料的黎明:从微观结构到宏观应用的跨学科探索》 作者:[虚构的著名材料学家姓名] 教授 出版社:[虚构的顶级学术出版社名称] ISBN:[虚构的ISBN号] 页数:约 850 页 --- 内容提要:超越经典框架的材料学新篇章 《新材料的黎明》并非对经典材料科学基础的重复阐述,而是立足于二十一世纪材料研究的前沿,聚焦于当前正在颠覆传统产业格局、驱动技术革命的核心领域。本书旨在为具备一定材料学基础(不同于《材料科学导论》所涵盖的晶体学、热力学基础或经典相图分析)的研究人员、高级工程师和研究生,提供一个深入、批判性且高度跨学科的视角。 本书的核心论点是:当代材料科学的突破不再局限于单一学科的优化,而是依赖于多尺度、多物理场耦合的系统性创新。 因此,本书结构围绕“前沿范式”、“突破性技术”和“未来挑战”三大板块展开,全面覆盖了当前研究热点中未被标准教科书充分覆盖的深度和广度。 --- 第一部分:前沿范式与计算革命 (The Frontier Paradigms and Computational Revolution) 本部分彻底超越了基于实验试错的传统材料发现模式,深入探讨了计算材料学如何重塑研究流程。 第一章:高通量计算与材料基因组计划(MGI)的深化 本章详细剖析了如何超越简单的第一性原理计算(如DFT基础应用),转向更复杂的、面向实际应用的计算框架。重点讨论了非平衡态材料的动力学模拟,包括快速凝固、高应力形变下的原子重排。详细介绍了机器学习(ML)在材料性能预测中的高级应用,特别是贝叶斯优化(Bayesian Optimization)在筛选复杂合金体系中的效能,以及如何构建具有物理意义的特征工程(Feature Engineering)来克服传统ML模型的局限性。同时,对比了不同尺度的分子动力学(MD)与蒙特卡洛(MC)模拟如何协同工作,以模拟材料在极端环境下的行为。 第二章:信息论在材料表征中的应用 传统材料表征依赖于光谱、衍射等直接信号。本章探讨了如何利用信息论工具来解析复杂材料体系中的“隐藏信息”。这包括熵在描述材料无序度(如高熵合金和非晶态材料)中的量化方法,以及相互信息(Mutual Information)在揭示结构-性能关联中的作用。特别关注了如何利用拓扑数据分析(TDA)来识别复杂晶格或缺陷网络中的拓扑不变量,这对于理解拓扑绝缘体和拓扑超导体至关重要。 第三章:活体与仿生材料的界面动力学 本部分强调材料与生命系统的动态交互,这是传统材料学中较为薄弱的一环。详细探讨了细胞外基质(ECM)的机械信号传导如何影响干细胞的分化路径,而非仅仅关注生物相容性。讨论了响应性水凝胶的动态网络重构机制,特别是pH、氧化还原电位或光照触发的“自修复”和“自适应”行为,以及这些材料在组织工程和药物递送系统(DDS)中的精确控制。 --- 第二部分:突破性技术与功能材料的新维度 (Breakthrough Technologies and New Dimensions of Functional Materials) 本部分聚焦于那些在功能性上实现“量变到质变”的材料系统,这些材料的性能往往与它们的维度和拓扑结构直接相关。 第四章:低维材料的量子输运与界面工程 本书不会停留在石墨烯的已知电子特性介绍,而是深入探讨范德华异质结(van der Waals Heterostructures)的能带工程。详细分析了两种不同二维材料堆叠时产生的莫尔(Moiré)超晶格效应,以及如何通过扭转角精确调控电子的有效质量和能带结构,实现“魔角石墨烯”等现象。此外,书中还探讨了单层过渡金属硫族化物(TMDs)在光电器件中如何利用其显著的激子效应(Exciton effects)来突破传统半导体的效率极限。 第五章:高熵合金(HEAs)的构效关系与非经典稳定机制 对于高熵合金,本书侧重于超越“高熵效应”的肤浅描述。深入探讨了“局域无序对强化”的微观机制,如高熵晶格中应力诱导的局部相变。详细介绍了如何通过计算筛选预测“高熵玻璃相”(Amorphous HEAs)的形成条件,以及这些材料在超高温(>1200°C)下的蠕变和氧化行为。重点分析了面心立方(FCC)与体心立方(BCC)混合体系中相分离的动力学阻碍。 第六章:能量存储的固态电解质界面(SEI)科学 在下一代电池技术中,界面是性能瓶颈。本书着重于全固态电池(ASSBs)中的关键挑战。详细分析了刚性固态电解质与锂金属负极之间接触电阻的起源,特别是锂枝晶(Dendrite)生长背后的电化学驱动力。书中引入了电化学声学成像等先进技术来实时监测界面处的应力积累和微裂纹扩展,并对比了陶瓷基、聚合物基和复合固态电解质在抑制枝晶方面的机理差异。 --- 第三部分:可持续性、制造与未来挑战 (Sustainability, Manufacturing, and Future Challenges) 本部分关注材料从实验室走向大规模应用所面临的工程和环境约束。 第七章:增材制造(AM)中的材料性能重构 激光粉末床熔融(LPBF)等增材制造技术改变了材料的凝固路径。本书重点讨论了“路径依赖性”对最终材料微观结构的影响,例如熔池动力学导致的宏观残余应力场和微观各向异性。书中探讨了如何通过优化扫描策略(如跳跃扫描、分层扫描)来“编程”材料的内部结构,以减轻传统铸造或锻造中难以克服的缺陷。同时,深入分析了再熔化导致的材料降解和成分漂移的监测与控制。 第八章:循环经济中的材料设计与回收热力学 本书将循环经济视为材料科学的固有约束。讨论了“摇篮到摇篮”设计理念(Cradle-to-Cradle)在金属、聚合物乃至复合材料中的具体实施。重点关注选择性解聚(Selective Depolymerization)技术在回收复杂塑料混合物中的热力学可行性与动力学挑战。在稀有金属领域,探讨了离子液体萃取在从低浓度废料中分离关键元素的能效分析,并建立了环境影响评估模型来指导材料的选择。 第九章:极端环境下的材料韧性与损伤容限 针对航空航天、核能等领域,本章侧重于材料在极端载荷下的长期可靠性。详细剖析了辐照脆化(Irradiation Embrittlement)机制,即高能粒子注入如何在金属晶体中产生高密度、难以迁移的缺陷团簇(如泡泡和空位团)。对比了传统铁素体钢与新型低活化铁素体/马氏体钢(OM/FM)在氢脆敏感性、蠕变断裂和疲劳寿命上的根本差异,并引入了损伤容限理论(Damage Tolerance Theory)在材料设计中的前沿应用。 --- 结论:跨越材料学的知识鸿沟 《新材料的黎明》通过聚焦于计算工具、多尺度耦合、极端环境响应以及可持续性约束,提供了一幅超越基础教科书的当代材料科学全景图。它要求读者将材料视为一个动态的、受环境制约的、且可通过先进计算手段进行精准调控的复杂系统,是迈向下一代材料创新者的必备进阶读物。

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读后感

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用户评价

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这本书的行文风格,用一个词来形容就是——沉稳、严谨,甚至有些许的古板。它采取了一种非常学术化的论述方式,每一个结论的推导都遵循着严密的逻辑顺序,几乎没有采用任何轻松的、生活化的比喻来帮助理解那些抽象的概念。对于那些已经具备一定物理或化学背景的读者来说,这无疑是一种高效的学习方式,因为你可以直接进入核心理论。但是,对于那些第一次接触材料科学,背景知识相对薄弱的读者,阅读起来可能会感到吃力。我注意到,当涉及到热力学和动力学部分时,作者倾向于直接给出公式,而对公式背后的物理意义和限制条件,往往一带而过。例如,解释相变过程时,对吉布斯自由能的理解需要读者自己去联想它与温度、压力之间的复杂关系。这种“你懂的”式的叙事口吻,虽然节省了篇幅,却无形中抬高了阅读门槛。我个人希望,作者能够在关键的理论转折点,加入更多的“对话式”的解释,比如:“想象一下,如果原子排列变得如此紧密,会发生什么……” 这种人性化的引导,对于固化知识的吸收是至关重要的。总而言之,这是一本需要读者投入大量精力去“解码”的教材,而不是一本可以轻松“吸收”的读物。

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从排版和装帧的角度来看,这本书的质量算得上是中规中矩,但实在算不上“精美”。纸张的选择偏向于略微粗糙的哑光纸,这对于阅读大量公式和复杂图表来说,有助于减少反光,这一点值得肯定。然而,印刷的墨迹有时显得不够均匀,特别是在处理一些深色背景的示意图时,细节丢失比较严重。更让我感到困扰的是索引和术语表的组织方式。尽管书中包含了大量的专业术语,但索引的编排似乎缺乏系统性,查找特定概念时,常常需要来回翻阅好几页才能定位。比如,我想快速回顾一下“Stacking Fault Energy”(层错能)的定义和出现位置,但索引指向的页码并不够精确,或者干脆遗漏了一些关键的次级概念。这对于一本需要频繁查阅的工具书来说,是一个严重的可用性缺陷。此外,书本本身的重量和装订也令人不太满意,频繁翻阅后,书脊已经开始出现轻微的松动迹象,这让我担心它能否撑过整个学期的使用周期。可见,尽管内容扎实,但在最终产品的制作工艺上,还是有很大的提升空间,让读者在拿起这本书时,除了感受到知识的重量,也能享受到良好的物理体验。

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这本《An Introduction to Materials Science》简直是材料学领域的“圣经”!我作为一个刚刚踏入这个奇妙世界的学生来说,这本书的结构设计简直是教科书级别的典范。它没有上来就抛出那些令人望而生畏的晶体结构和热力学公式,而是用一种非常循序渐进的方式,引导我们先建立对材料宏观性能的基本认知——比如强度、韧性、导电性等等。然后,它才巧妙地将这些宏观现象与微观世界联系起来。我特别欣赏它对不同类别材料(金属、陶瓷、聚合物、复合材料)的介绍,每一种材料都有其独特的章节进行深入剖析,从原子排列到最终应用场景,逻辑链条清晰得如同数学证明。举个例子,在讲解金属的塑性变形时,作者不仅仅停留在滑移线上,而是非常细致地解释了位错的运动是如何被晶界钉扎效应所抑制的,这让我对材料的加工硬化有了前所未有的深刻理解。书中的插图和图表质量极高,那些三维的晶格结构图,配上清晰的标注,即便是初学者也能迅速捕捉到空间构型。而且,我发现书中的例题设计也十分巧妙,它们不仅仅是简单的数值代入,更多的是引导你去思考材料在特定环境下的行为预测,这极大地锻炼了我的工程思维。这本书的阅读体验是极其流畅且富有启发性的,它成功地架起了理论与实践之间的桥梁,让我感觉自己真的在“认识”材料,而不是死记硬背一堆定义。

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说实话,我期待在这本号称是入门级的材料科学教材中,能看到更多关于前沿研究的影子,但这本书的侧重点似乎过于保守和经典了。它在传统材料体系的讲解上确实无可指摘,基础知识点覆盖得非常全面,仿佛是上个世纪八十年代的权威教材重印版。然而,对于我们这些身处信息爆炸时代的学习者来说,缺乏对新兴功能材料的深入探讨,实在是一个不小的遗憾。比如,关于先进的能源材料,比如固态电池电解质的最新突破,或者石墨烯在电子器件中的应用潜力,书里只有非常简短的提及,远远达不到“引人入胜”的程度。这种处理方式,使得这本书更像是一部扎实的参考手册,而非一本能够激发研究热情的启蒙读物。我花了大量时间去查阅外部资料,来补充这些现代材料的知识体系,这无疑增加了我的学习负担。如果作者能在保持现有详实度的基础上,用一两个章节专门介绍纳米材料、智能材料或者生物材料的最新进展,并探讨其背后的科学原理,那么这本书的价值会立刻提升一个档次。目前来看,它更适合作为大学低年级学生打基础的工具书,但对于想要跟上时代步伐的研究生来说,深度和广度都略显不足。

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我必须赞扬这本书在特定领域的深度挖掘,尤其是在晶体缺陷和扩散理论的处理上,简直是教科书级别的典范。作者对于点缺陷、线缺陷和面缺陷的分类描述得极其清晰,不仅仅是停留在定义层面,更重要的是,它详细阐述了这些缺陷是如何影响材料的宏观性能的,比如为什么高密度的位错会提高材料的屈服强度,以及柯氏定律(Kirkendall effect)在扩散过程中的关键作用。书中关于扩散机制的讨论,简直是详尽入微,从菲克第一定律到第二定律的推导过程,每一步都写得清清楚楚,甚至连扩散系数与温度之间的阿伦尼乌斯关系,都给出了详细的实验背景解释。这种对微观结构与宏观行为之间因果关系的执着探究,是这本书最大的价值所在。很多其他入门书籍为了追求“广度”,往往在这些核心机制上浅尝辄止,让人似懂非懂。但这本书敢于在这些“硬核”内容上深耕,使得我对材料内部的动态过程有了真正科学的认识。我可以毫不夸张地说,通过对这些章节的反复研读,我对任何涉及热激活过程的材料科学问题都充满了信心去进行初步分析。

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