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出版者:

作者:邢存章 编

出品人:

页数:178

译者:

出版时间:2010-7

价格:25.00元

装帧:

isbn号码:9787122080172

丛书系列:

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• 应用化学
• 化学实验
• 高等教育
• 大学教材
• 实验教学
• 化学分析
• 仪器分析
• 物理化学
• 无机化学
• 有机化学

现代材料科学导论 书籍简介 一、 概述与定位 《现代材料科学导论》是一本面向材料科学、化学工程、物理学及相关交叉学科领域本科高年级学生和初级研究人员的权威教材与参考手册。本书旨在系统、深入地介绍当代材料科学的基石理论、关键材料体系及其前沿应用。本书摒弃了传统材料学教材中侧重于单一学科（如冶金学或高分子化学）的局限性，采用多尺度、跨学科的视角，构建起一个涵盖从原子结构到宏观性能的完整知识体系。 核心特点： 本书的重点在于阐释材料的“结构-性能-加工-应用”之间的内在联系，强调计算模拟与实验验证相结合的研究范式，并紧密追踪近年来快速发展的纳米材料、生物材料和功能材料领域。 二、 详细内容结构 本书共分为五大部分，二十个章节，总计约1500页（假设为一本厚重的专著）： 第一部分：材料科学基础（Fundamental Principles of Materials Science） 本部分奠定了理解所有工程材料的基础，侧重于原子和微观尺度的理论构建。 第1章：材料科学的范式与跨学科性 简述材料科学的诞生、发展历程及其在现代工程中的战略地位。 介绍材料性能评价的维度：力学、热学、电学、磁学、光学和化学稳定性。 探讨计算材料学（ICM）在材料设计中的初步作用。 第2章：晶体结构与点缺陷 深入解析晶体学的基本概念，包括布拉维格子、晶体符号（Miller Indices）和空间群。 详细阐述体心立方（BCC）、面心立方（FCC）、六方密堆积（HCP）等常见晶胞的几何特征。 重点讲解热力学驱动下的点缺陷（空位、间隙原子、取代原子）的形成能与平衡浓度计算，及其对材料扩散行为的影响。 第3章：线缺陷与面缺陷 引入位错理论，详细分析刃型位错、螺旋位错和混合位错的 Burgers 矢量和应力场分布。 阐述位错的运动（滑移和攀移）及其在塑性变形中的核心作用。 讨论晶界（包括小角度晶界与大角度晶界）、堆垛层错、孪晶界等平面缺陷的结构特征及其对材料强度的影响。 第4章：扩散与动力学 阐述固态扩散的基本机制：费克定律（Fick’s Laws）的数学推导及其应用。 分析扩散路径（晶格扩散、晶界扩散、快速扩散）对反应速率的影响。 介绍 Arrhenius 关系在描述温度依赖性反应（如相变、烧结）中的应用。 第二部分：结构-性能关系（Structure-Property Relationships） 本部分将基础理论应用于具体的材料体系，侧重于宏观性能的形成机制。 第5章：机械性能与断裂力学 细致区分弹性形变（胡克定律）与粘塑性形变。 深入分析加工硬化、冷变形与回复、再结晶过程。 引入经典断裂力学：Griffith 裂纹扩展理论、应力强度因子 ($K_I$) 和韧性 ($J$ 积分) 的计算与应用。 第6章：热力学与相图 巩固热力学基础：吉布斯自由能、化学势与相平衡条件。 详细解析单组元、二元相图（如杠杆原理、冷却曲线分析）。 重点讨论固溶体的形成、析出强化机制（如GP区、有序相析出）。 第7章：电学与磁学性质 针对金属、半导体和绝缘体，阐述能带理论（以晶体周期势为基础）。 深入分析自由电子模型、德鲁德模型在电阻率中的应用。 磁性材料：铁磁性、反铁磁性与顺磁性的微观起源，畴结构与磁滞回线。 第三部分：关键工程材料体系（Major Engineering Material Systems） 本部分聚焦于三大类核心工程材料的特性、制备与改性技术。 第8章：金属与合金 铁碳合金体系： 深入分析奥氏体、铁素体、渗碳体和贝氏体，重点讲解正火、淬火、回火的热处理工艺及其对机械性能的调控。 非铁金属： 铝、钛、镁合金的微观结构特点、轻量化优势及应用。 介绍高温合金（定向凝固、单晶结构）的蠕变机理。 第9章：陶瓷材料 陶瓷的粘结类型（离子键和共价键为主）与结构特点。 介绍氧化物（如 $ ext{Al}_2 ext{O}_3$, $ ext{ZrO}_2$）和非氧化物陶瓷（如 $ ext{SiC}$, $ ext{Si}_3 ext{N}_4$）的制备技术（粉末冶金、反应烧结）。 重点讨论陶瓷的脆性断裂、抗热震性及功能性陶瓷（如压电陶瓷）的工作原理。 第10章：高分子材料 聚合物的分子结构：链的构象、分子量分布与拓扑结构（线型、支化、交联）。 强调粘弹行为：玻璃化转变温度 ($T_g$) 和熔点 ($T_m$) 的测定与影响因素。 经典热塑性塑料与热固性树脂的结构差异及其应用领域。 第11章：复合材料 复合材料的分类：增强型（纤维增强、颗粒增强）与界面效应。 重点分析层合板的各向异性力学行为（如层合板的经典层合板理论基础）。 介绍金属基复合材料（MMC）和陶瓷基复合材料（CMC）的制备挑战。 第四部分：前沿功能材料与纳米科学（Advanced Functional Materials and Nanoscience） 本部分聚焦于本世纪以来发展最快的材料分支。 第12章：半导体材料与器件 深入探讨本征与非本征半导体（N型与P型掺杂）。 PN结的形成、载流子输运机理与二极管、三极管的工作原理。 介绍宽禁带半导体（如 $ ext{GaN}$, $ ext{SiC}$）及其在电力电子领域的应用。 第13章：功能薄膜与表面工程 介绍薄膜的生长方法：物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。 讨论薄膜的应力、界面结合强度及其对器件性能的影响。 表面改性技术：渗碳、离子注入与表面熔覆。 第14章：纳米材料的特性 尺寸效应：量子限域效应、表面能主导。 介绍零维（量子点）、一维（纳米线、碳纳米管）、二维（石墨烯）材料的结构与独特的电子/光学性质。 探讨纳米材料的增效机理（如催化活性增强）。 第15章：智能材料与响应性材料 形状记忆合金（SMA）：马氏体相变与双向形状记忆效应。 压电、焦电与铁电材料的本征机理。 介绍自修复材料和变色材料的基础科学。 第五部分：材料的制备、加工与可持续性（Processing, Characterization, and Sustainability） 本部分涵盖材料从原料到最终成品的流程，并探讨环境影响。 第16章：材料的连接与连接技术 焊接冶金：熔池的凝固过程、热影响区（HAZ）的微观结构演变。 胶粘剂在工程中的应用：界面作用力与老化机制。 介绍先进的连接技术（如搅拌摩擦焊）。 第17章：材料的表征技术 I：微观结构分析 光学显微镜（OM）： 样品制备与成像原理。 扫描电子显微镜（SEM）： 背散射电子（BSE）与二次电子（SE）成像，EDS元素分析。 透射电子显微镜（TEM）： 会聚束电子衍射（CBED）与高分辨成像（HRTEM）。 第18章：材料的表征技术 II：物性与成分分析 X射线衍射（XRD）： 晶体学参数的精确测定与织构分析。 光谱技术： 拉曼散射、X射线光电子能谱（XPS）在表面化学态分析中的应用。 热分析技术： DSC、TGA在相变与热稳定性评估中的作用。 第19章：材料的腐蚀与防护 电化学腐蚀理论：电化学电池、能斯特方程与塔菲尔曲线。 腐蚀类型：均匀腐蚀、点蚀、应力腐蚀开裂（SCC）。 防护技术：缓蚀剂、电化学保护（牺牲阳极与外加电流）。 第20章：可持续性与绿色材料 材料生命周期评估（LCA）方法论。 循环经济在材料设计中的体现：可回收合金、生物降解高分子。 新型能源材料（储能、光伏）对环境影响的考量。 三、 教学特色与目标读者 本书配备了大量的习题、案例研究和计算建模示例（使用 MATLAB/Python 脚本辅助理解），旨在培养读者的材料思维能力。 目标读者： 1. 材料科学与工程专业本科生（大三、大四）。 2. 化学、物理学、机械工程专业希望深入了解工程材料的师生。 3. 从事材料研发、工艺控制和质量检测的工程师。 本书不仅教授“已知”的材料知识，更重要的是指导读者如何运用科学原理去“设计”和“创造”具有特定性能的新材料。

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我本以为会在这本书里找到关于现代分析技术在不同领域应用的案例研究，尤其是在环境监测和材料科学中应用化学的前沿实践。比如，如何利用原子吸收光谱法快速检测水样中的重金属，或者如何通过热重分析法评估聚合物的热稳定性。然而，书中内容似乎停滞在了上世纪八九十年代的经典分析方法上。虽然经典方法依旧是基础，但对于快速发展的化学前沿而言，这些内容显得有些滞后和保守。书中花了大量篇幅讲解传统的重量分析和容量分析，这些方法虽然严谨，但在效率和灵敏度上已经远远落后于现代仪器分析技术。我期待的“应用”部分，更像是对过去技术的追溯，而不是对未来趋势的展望。缺乏对高分辨率质谱、核磁共振波谱等现代表征手段的实验流程介绍，使得这本书在“应用化学”这个宏大的主题下，显得视野不够开阔，更多地是在巩固基础，而非探索前沿应用的可能性。

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这本书的排版和插图质量简直是上个世纪的复刻品。那些示意图，线条僵硬，缺乏立体感，很多复杂的化学反应装置图看起来就像是CAD软件的早期草稿，让人很难清晰地捕捉到实际操作中的空间关系。特别是涉及到一些气相色谱或液相色谱仪器的内部结构图示，关键部件的标记模糊不清，我得反复对照书本和网络上的现代仪器图才能勉强理解其工作原理。更令人抓狂的是，很多关键的公式推导和数据处理表格，字体大小不一，间距随意，阅读起来非常费力，眼睛很容易就疲劳了。我尝试在笔记本上复印一些图表进行标注，但由于原图清晰度的问题，放大后失真严重，根本无法用于实际参考。这不禁让我怀疑，出版方是否只是简单地扫描了旧版教材进行再印刷，而没有进行任何现代化的校对和优化。在如今这个追求视觉效率的时代，阅读体验的糟糕直接影响了学习的效率和兴趣，一本好的实验书，图文并茂、清晰直观是基本要求，这本书在这方面表现得实在是不尽如人意。

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这本书的封面设计相当有年代感，那种经典的教材风格，拿在手里沉甸甸的，感觉内容会非常扎实。我原本是冲着那些传说中“必学”的经典实验去的，毕竟在我的专业学习中，理论知识的印证总是离不开实际操作。然而，当我翻开目录时，心中不免升起一丝疑惑。那些我期待中能看到复杂仪器操作流程、精细数据分析步骤的章节，似乎被一些更侧重于基础原理阐述的部分占据了篇幅。例如，关于电化学分析那一块，我本以为会详细介绍如何搭建一个精确的电化学工作站，如何控制扫描速度和电位窗口，但呈现给我的更多是关于能斯特方程的推导和电极反应的平衡论述，这更像是《物理化学》或者《电化学原理》的内容，而非我所期望的“实验”指导。实验步骤描述得过于简略，很多关键的“诀窍”——比如如何避免滴定终点判断的系统误差，或者如何正确清洗容量瓶以保证测量的准确性——都没有被深入探讨，留下大片空白等待读者自己去摸索。这让我感觉这本书更像是一本理论辅导材料，而非一本实用型的实验手册，对急需上手操作的初学者来说，可能会感到无从下手，只能在理论的海洋中摸索实践的方法。

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这本书的实验设计逻辑性似乎存在一些跳跃。在某些章节，作者似乎默认读者已经掌握了某些高级的实验室安全规范和基本的玻璃器皿操作技巧，直接切入了相对复杂的合成步骤。比如，在进行一个需要惰性气体保护的有机合成实验时，书中仅仅用一句话带过了“在氮气保护下进行反应”，却没有详细说明如何有效排除反应体系中的氧气和水汽，如何安全地连接气路，以及在进行后处理时如何安全地解除惰性气氛。对于缺乏系统实验训练的人来说，这种跳跃式的叙述是极其危险的。反观一些细节，比如试剂的纯度要求，它只会简单地写“使用分析纯试剂”，却很少说明在特定反应中，哪种杂质可能导致反应失败或者生成难以分离的副产物，以及如何通过简单的预处理来提高试剂的适用性。这种对实践细节的忽视，使得实验指导书的指导性大打折扣，更像是一份写给经验丰富的研究人员看的流程备忘录，而不是给学生准备的教学材料。

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关于实验结果的数据处理和误差分析部分，这本书的处理方式显得过于理想化和简化。它似乎假设所有操作都是完美无缺的，所有的测量值都符合正态分布。例如，在计算收率和分析纯度时，通常只要求计算绝对误差和相对误差的百分比，对于如何识别和剔除显著的异常数据点（离群值），如何进行更深层次的系统误差和偶然误差的归因分析，着墨不多。更重要的是，书中对于如何将实验结果与理论模型进行有效的对比和讨论，缺乏深入的引导。很多时候，实验结果与理论预测值之间存在一定的偏差，这恰恰是学习化学实验的精髓所在——探究偏差来源。然而，这本书仅仅满足于得出一个“合格”的结果，对于“为什么不是一个更完美的结果”这个问题，没有提供任何有效的思考工具和分析框架，使得实验的教育价值局限在了机械重复的验证层面，未能真正培养起批判性思维和严谨的科学态度。

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