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出版者:科学出版社

作者:王秋长

出品人:

页数:460

译者:

出版时间:2003-3

价格:43.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787030109415

丛书系列:

图书标签:

• 化学
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• 高等教育
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• 化学实验
• 基础化学

《现代材料科学导论：从微观到宏观的探索》 图书简介 导言：材料——人类文明进步的基石 自古以来，人类对更优异材料的追求从未停歇。从原始的石器到精炼的青铜，再到现代的半导体和超导材料，材料科学与工程始终是推动科技革命和社会进步的核心驱动力。本书《现代材料科学导论：从微观到宏观的探索》旨在为初学者和跨学科研究者提供一个全面、深入且前沿的视角，系统性地介绍当代材料科学的理论基础、实验方法以及新兴领域。本书不涉及化学实验的基础操作与理论，而是聚焦于材料本身的结构、性能、制备与应用之间的内在联系。 第一部分：材料的微观世界——结构与键合的奥秘 本部分是理解所有材料行为的基石。我们将从原子和电子层面出发，深入剖析材料的本质。 第一章：原子结构与晶体学基础 本章详尽阐述了原子核外电子的排布规律，重点解析了化学键的形成机制——离子键、共价键、金属键和范德华力。理解这些基本作用力如何决定材料的初始状态至关重要。随后，我们将步入固体物理的核心：晶体结构。通过介绍布拉维点阵、晶胞概念，以及密堆积结构（如面心立方FCC、体心立方BCC和六方密堆积HCP），读者将掌握描述晶体有序性的数学工具。此外，对晶体缺陷的讨论——包括点缺陷（空位、间隙原子、取代原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界）——是理解材料力学性能和扩散现象的关键。我们将运用X射线衍射（XRD）技术作为主要的晶体结构分析手段进行深入讲解。 第二章：电子结构与能带理论 材料的电、磁、光学性质都根植于其电子结构。本章将引入量子力学在固体中的应用，详细阐述能带理论的建立过程。我们将区分绝缘体、半导体和导体的根本区别，即费米能级在能带结构中的位置。对于半导体材料，我们将细致区分本征激发和掺杂行为，解释N型和P型半导体的形成机理及其载流子迁移率。对于金属，重点在于自由电子模型和能带填充情况，这直接关联到材料的导电性和延展性。 第三章：热力学与相图的解读 材料的稳定性和相变是工程设计中必须考虑的因素。本章从统计热力学和吉布斯自由能的角度，阐述相平衡的原理。核心内容是相图的构建与应用，特别是二元合金相图（如Fe-C系相图的简化分析，但侧重于相的识别和微观结构演化）。我们将讨论固溶体形成条件、共晶反应、共析反应等关键相变过程，并介绍热力学计算在预测新材料相稳定性的前沿应用。 第二部分：材料的宏观性能与结构表征 掌握了微观结构后，本部分将连接结构与宏观可观测性能之间的桥梁，并介绍关键的表征技术。 第四章：机械性能——强度、韧性与塑性 本章聚焦于材料承受外力时的响应。我们将详细探讨应力-应变关系，定义弹性模量、屈服强度和断裂韧性。塑性变形机制，特别是位错的运动（攀移、交滑移）是本章的重点。我们将分析加工硬化、固溶强化、晶粒细化强化等主要的强化机制。最后，对材料失效模式——疲劳、蠕变和断裂——进行深入分析，引入关键的断裂力学参数如应力强度因子 $K_{ ext{IC}}$。 第五章：电学、磁学与光学性质 本章深入探讨了特定功能材料的特性。在电学方面，除了半导体外，还将介绍高介电常数材料和铁电体的基本机理。在磁学方面，我们将区分抗磁性、顺磁性、铁磁性和反铁磁性，并解释磁畴结构、矫顽力和剩磁等关键参数。光学性质方面，重点在于光吸收、透射和反射的机理，特别是用于光电子器件的光敏材料和发光材料的工作原理。 第六章：材料的表征技术 现代材料研究离不开先进的表征手段。本章不会涉及化学定性或定量分析，而是专注于结构和形貌的获取。详细介绍透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）在微观形貌观察和晶格分析中的应用；拉曼光谱和红外光谱（FTIR）在分子和晶格振动分析中的作用；以及原子探针层析（APT）等高空间分辨率技术的最新进展。 第三部分：核心材料体系与前沿进展 本部分将应用前述理论知识，系统梳理三大类核心材料体系以及未来发展的方向。 第七章：金属与合金——从传统到先进 本章回顾了常见金属（如铁、铝、钛）的晶体结构和主要强化方法。重点在于高性能合金的设计理念，例如超高强度钢、耐热镍基高温合金以及轻质镁合金的制备技术。同时，本章介绍先进制造技术如粉末冶金和增材制造（3D打印）对金属微观结构和宏观性能的独特影响。 第八章：陶瓷与玻璃——结构与极端环境下的行为 陶瓷以其高硬度、耐高温和耐腐蚀性著称。本章讨论氧化物、氮化物和碳化物陶瓷的化学计量学、晶体结构特点，以及它们为什么具有高脆性（脆性断裂机制）。玻璃作为非晶固体，其玻璃化转变温度（$T_g$）和粘度行为是本章的重点。此外，将介绍功能陶瓷，如压电陶瓷和燃料电池中的固体电解质。 第九章：聚合物材料——结构、形变与应用 聚合物材料因其轻质、易加工和可调控的性能而占据重要地位。本章区别于有机合成，专注于聚合物的物理化学特性。讨论聚合物的分子量分布、拓扑结构（线性、支化、交联）。重点阐述聚合物的粘弹性行为，包括玻璃化转变（$T_g$）和熔点，以及如何通过拉伸、取向等加工手段赋予其优异的力学性能。 第十章：新兴与智能材料 本章展望材料科学的未来方向。包括：纳米材料（如量子点、纳米线）的尺寸效应及其在催化和传感中的应用；复合材料的设计策略，特别是纤维增强复合材料的界面设计；以及智能材料的概念，例如形状记忆合金、压电材料和自修复材料的工作原理和实际工程挑战。 总结 《现代材料科学导论》力求在广度上覆盖材料科学的主要分支，在深度上确保对基本物理化学原理的严谨阐述。本书的结构设计旨在引导读者从原子尺度的基本规律出发，逐步理解宏观材料的复杂行为，并能够批判性地分析和设计满足未来技术需求的先进材料。它是一本关于“材料如何成为我们所见之物”的深入探讨，完全独立于化学实验操作和基础化学理论教学体系。

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这本书的习题和讨论部分，更是让我感到失望透顶。理论部分讲得不够细，习题却要求得非常高。很多题目都是基于对书本上未曾深入讲解的理论点进行的反推，或者直接就是要求进行复杂的误差分析，而书中关于如何系统地识别和量化系统误差与随机误差的指导几乎没有。我尝试解答一个关于仪器校准的计算题，发现需要用到一个特定公式，但在整个实验指导过程中，该公式从未被明确介绍或推导。这感觉就像是老师在考试中出了一个他从未教过的知识点，让人感到无所适从。如果这本《基础化学实验》的目标是培养具有批判性思维的实验人员，那么它应该在“如何设计实验”和“如何解释异常结果”这两个环节下功夫，而不是仅仅停留在“如何完成既定步骤”的层面。目前来看，它更像是一本合格的“操作规程汇编”，但距离一本优秀的“实验思维培养指南”相去甚远。

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从排版和结构来看，这本书的逻辑性亟待加强。它似乎没有清晰地定义“基础”实验的边界，一会儿讲到一些非常初级的物理性质测定，一会儿又突然冒出一个需要精细控温和惰性气体保护的高级合成步骤，让人应接不暇。更糟糕的是，实验的背景介绍部分，常常被冗长且晦涩的物理化学理论淹没，读者需要花费大量时间去梳理哪些是实验操作的必需信息，哪些是可有可无的理论支撑。例如，在介绍定性分析部分时，各种离子沉淀的颜色变化被写成了一张密密麻麻的表格，缺乏直观的图示辅助记忆。我宁愿看到每个重要的反应都有一个清晰的“预期现象”和“对比图”，而不是一堆枯燥的文字描述。这种信息密度的不均衡，极大地削弱了学习的效率，使得我不得不依赖网络资源来补充缺失的视觉化和流程化的学习材料，这完全违背了购买一本实验教材的初衷。

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翻开这本《基础化学实验》，我原本满怀期待，希望能在其中找到那些经典、扎实、能真正帮我建立起实验思维的指导。然而，读完之后，我最大的感受是——“空”。这本书似乎更像是一本理论知识的堆砌，而非实用的实验手册。比如，在讲解酸碱滴定时，书里花了大量篇幅去介绍理论背景和计算公式，但真正关于如何选择指示剂、如何校准滴定管、以及如何应对实际操作中可能出现的误差和混浊现象的“诀窍”却寥寥无几，甚至可以说是不值一提。我记得我在一个章节中寻找关于气体制备与收集方法的详细图解，结果发现里面的插图极其简陋，甚至有些图示的装置根本不符合现代实验室的安全规范。对于初学者而言，这些“只说不练”的描述，实在让人摸不着头脑。我更希望看到的是，实验步骤能够像烹饪食谱一样清晰、细致，每一步的“为什么”和“怎么办”都能得到充分的解答，而不是仅仅罗列步骤然后期望读者能自行领悟。这种过于抽象的叙述方式，对于需要动手能力的化学实验来说，无疑是一种巨大的障碍，让人感觉像是拿着一份写给专家的摘要在尝试进行新手入门操作。

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这本书给我的感觉是，它试图涵盖太多，结果是什么都没讲透。内容组织显得非常松散和跳跃，仿佛是把不同年份、不同级别的实验报告随意拼凑在了一起。拿有机合成的章节来说吧，涉及了几个看似重要的反应，但对于关键的后处理环节，比如萃取的效率优化、重结晶的温度控制，或者纯化过程中如何识别和去除特定杂质的“经验之谈”，几乎是空白。我尝试按照书中的指导去做一个简单的酯化反应，结果产率低得惊人。回顾书本，才发现它完全没有提及催化剂的活化问题，也没有强调反应过程中水分的控制对平衡移动的影响。这就像一个经验丰富的老厨师在教徒弟做菜，他默认你已经知道所有基础的火候和食材处理技巧，但对我这个刚踏入厨房的新人来说，这些“常识”恰恰是我最需要的“金玉良言”。这本书更像是写给已经掌握了扎实基础、只需要一本参考资料库的人，对于真正需要建立实验逻辑的门外汉，它显得太过冷漠和傲慢。

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最让我感到困惑的是，这本书在安全规范和仪器使用的描述上，明显存在滞后。在讲解涉及高温和腐蚀性物质的实验时，关于个人防护装备（PPE）的要求仅仅是一句“佩戴护目镜和实验服”，这在今天的实验室环境中是远远不够的。例如，在处理浓硫酸时，如何正确地进行稀释、如何应对意外泼溅的紧急处理流程，书里完全没有展开讨论。我记得有一张关于玻璃仪器清洗的插图，用的还是那种老式的、效率极低的刷洗方法，而对于超声波清洗仪的使用方法和适用范围则只字未提。这让读者很难将书中的知识与现代高标准的实验室操作流程对接起来。化学实验的魅力很大一部分来自于严谨的安全文化，如果一本“基础”教材在安全教育上如此敷衍，那么它培养出的将是充满潜在风险的操作者。这本书似乎停留在几十年前的教学标准，对于追求精确和安全的当代实验工作来说，显得格格不入，甚至可以说是误导。

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