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出版者:

作者:Janot, C.

出品人:

页数:426

译者:

出版时间:

价格:142

装帧:

isbn号码:9780198565512

丛书系列:

图书标签:

• 准晶体
• 固体物理
• 材料科学
• 晶体学
• 非周期性
• 数学物理
• 相变
• 拓扑学
• 衍射
• 结构分析

晶体学的奇幻旅程：材料科学前沿探索 图书名称： 晶体学的奇幻旅程：材料科学前沿探索 内容简介： 本书将带领读者深入材料科学的宏伟殿堂，聚焦于晶体结构、缺陷、生长及其在现代工程技术中的应用。我们摒弃了对特定“类晶体”材料的详尽论述，转而构建一个更加宏观、基础且具有普适性的晶体学知识体系。全书旨在阐明物质的微观排列如何决定其宏观性质，为理解从传统金属到新型复合材料的性能提供了坚实的理论基础。 第一部分：晶体学的基石——有序与无序的辩证统一 本部分首先回顾了经典晶体学的基本概念，从最基本的点阵、晶胞到布拉维晶格的分类。我们详细剖析了晶体结构描述的数学工具，包括倒易点阵（Reciprocal Lattice）在X射线衍射中的核心作用。不同于聚焦于特定结构类型的讨论，本章侧重于对称性的深刻内涵。空间群理论被引入，作为描述晶体内部原子排列的终极语言。我们探讨了对称操作如何限制了材料可能拥有的物理性质，例如压电性、热电性等，这些都直接源于晶体的点群和空间群的特定组合。 随后，我们深入研究了“完美晶体”的理想状态与其在现实中的局限性。晶体生长理论是本部分的核心内容之一。我们考察了从熔融态、溶液和气相等不同相变过程中的晶核形成与长大机制。克拉特尼（Kratky）方程和赫尔曼（Hermann-Mauguin）法则在描述界面能和生长动力学中的应用被详尽讨论。读者将了解到，即使是最精确的生长控制，也无法避免生长缺陷的产生，这为下一部分做了理论铺垫。 第二部分：缺陷的艺术——从统计误差到功能核心 如果说完美晶体是理论的乌托邦，那么材料的实际性能则是由其内部的晶体缺陷所塑造的。本部分完全聚焦于这些“不完美性”。我们将缺陷分为零维、一维、二维和三维缺陷，并系统地分析它们对材料力学、电学和光学性质的影响。 零维缺陷，即点缺陷（空位、间隙原子、取代原子），是扩散现象的驱动力。我们运用统计热力学模型（如布朗-范格夫模型）来计算不同温度下缺陷的平衡浓度，并阐述了这些缺陷在金属的蠕变、半导体的掺杂效应中扮演的关键角色。 一维缺陷，即位错，是塑性变形的微观基础。本书用扎实的几何学和弹性理论来描述刃型、螺旋型和混合型位错的应力场。不同于单纯描述位错的移动，我们着重于位错的相互作用和位错源（如弗兰克-里德源）的启动机制，解释了加工硬化和晶粒细化背后的物理原理。 二维缺陷，如晶界、孪晶界和相界面，被视为“内部的晶体学森林”。我们将晶界几何描述为奥尔良环（O-lattice）理论和Csl模型的应用领域，详细分析了高角和低角晶界的能量与结构差异。特别地，我们讨论了晶界工程在提高材料性能方面的巨大潜力，例如利用晶界阻碍位错运动以增强合金强度，或利用晶界加速化学反应。 第三部分：宏观响应与结构演化 本部分将前两部分建立的微观结构知识，联系到材料的宏观可观测性质及其在复杂环境下的动态演化。 在力学响应方面，我们探讨了晶体塑性的本构模型，如自洽平均场理论（如CMT）和基于晶体的塑性模型（如CPM）。这些模型如何准确预测多晶体材料在复杂加载路径下的应力-应变响应，是本章的重点。同时，我们考察了疲劳和断裂的本质——它们是特定缺陷（如表面裂纹）在循环载荷下形核、扩展和最终失稳的宏观表现。 在电学和热学响应中，晶体结构的影响更为直接。我们使用能带理论来解释晶体周期性势场对电子运动的约束，区分了导体、半导体和绝缘体中载流子行为的根本差异。对于介电材料，我们分析了晶格振动（声子）如何影响热导率，以及电偶极矩的取向与电场响应的关系。 第四部分：前沿视野——结构控制与功能集成 最后，本书展望了当前材料科学研究中最具活力和挑战性的领域。我们聚焦于非平衡态材料的结构控制。这包括快速凝固技术如何产生具有亚稳态或非晶态结构的材料，以及如何利用超快激光处理来诱导固态相变。 我们深入探讨了界面调控在纳米结构材料中的关键作用。例如，如何通过原子层沉积（ALD）技术实现对薄膜厚度和界面化学的近乎完美的控制，从而为新型存储器、传感器和催化剂的开发奠定基础。 本书的最终目标是培养读者一种基于结构——性能——过程的系统思维模式。通过对晶体学基础、缺陷物理及结构演化的全面梳理，读者将能以更深刻的视角去理解和设计下一代高性能工程材料，即使面对那些结构尚未完全明确的复杂体系，也能找到分析问题的通用方法论。全书的讨论始终围绕着“如何通过控制原子尺度上的排列和不完美性，来指导宏观材料的创造与优化”，这是一场对物质世界的结构性探索。

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