具体描述
本书以制备—分离—鉴定为主线，主要内容有有机化学实验的一般知识、有机化合物合成的基本技术、有机化合物的分离和提纯、有机化合物物理性质测定和波谱分析、基础合成实验、天然产物的提取、提高性合成实验，其中提高性实验包含综合性、设计性和研究性实验三部分。全书有不同层次的合成和提取实验共36个，合成实验等附有红外光谱图。书后附录列出了进行各类实验可能需要的参考数据，以便查阅。同时将各类有机物官能团的定性鉴定方法单独作为附录，以供参考。
本书体现绿色化和减量化、基础性和提高性结合的原则。在实验内容、实验手段和编写方式上都做了许多有益的尝试。本书可作为高等院校应用化学、化学工程与工艺、食品科学、生物工程、轻化工程、环境工程、制药工程、材料工程等专业本科生的有机化学实验课程的教材，又可作为学生进行开放性实验和课余研究活动的主要参考书，也可供从事相关专业的科技人员参考。
现代材料科学导论 第一章：材料的分类与基本性质 本章将系统地介绍现代材料科学的基本框架。我们将从宏观到微观，深入探讨材料的四大基本类别：金属材料、高分子材料、无机非金属材料以及复合材料。 1.1 材料的定义与学科范畴 材料科学不仅仅是关于物质本身的研究，更是研究材料的结构、性能、制备工艺以及应用之间的内在联系。本章首先界定材料科学的学科边界，明确其在工程技术领域的核心地位。我们将讨论材料的生命周期——从原材料的获取、加工、使用直至最终的回收利用，展示材料科学的综合性。 1.2 金属材料的基础 金属材料因其独特的导电性、导热性和优异的机械性能，在工程领域占据核心地位。 晶体结构与缺陷： 详细阐述体心立方（BCC）、面心立方（FCC）和密排六方（HCP）等晶体结构的形成原理及其对宏观性能的影响。重点解析位错、空位、间隙原子等线缺陷和点缺陷，这些缺陷是决定金属塑性变形能力的关键因素。 相图与热处理： 深入剖析二元合金相图（如Fe-C系相图）的解读方法，理解固溶、析出、共晶等相变过程。介绍退火、正火、淬火、回火等基本热处理工艺，以及如何通过控制冷却速率和保温时间来调控材料的微观组织，从而获得所需的机械性能（如硬度、强度和韧性）。 形变与断裂： 阐述冷加工和热加工对金属晶粒尺寸和强度的影响。讨论金属的拉伸、压缩、弯曲、扭转等基本力学性能测试，并详细分析韧性断裂（纤维状）和脆性断裂（准解理）的微观机制。疲劳和蠕变现象在长期服役条件下的重要性也将被强调。 1.3 高分子材料的结构与性能 高分子材料，包括塑料、橡胶和纤维，以其轻质、易加工和可设计性强而日益重要。 分子链结构： 探讨单体的聚合反应类型（加成聚合、缩聚），以及由此形成线型、支化型和交联型高分子的结构特征。重点分析分子量及其分布对材料粘度和强度的影响。 构象与构型： 阐述高分子链的旋转异构、顺反异构和立体异构（如聚丙烯的间规、全同和无规结构），及其对材料玻璃化转变温度（Tg）和熔点（Tm）的影响。 粘弹性行为： 高分子材料的独特之处在于其兼具粘性流体和弹性固体的特性。本节详细介绍动态力学分析（DMA）等测试方法，解释模量随温度和时间变化的复杂行为。 加工技术： 介绍注塑、挤出、吹塑等主流高分子加工技术，以及如何通过添加增塑剂、稳定剂和增强纤维来改性材料性能。 1.4 无机非金属材料的特性 本类材料涵盖陶瓷、玻璃和水泥等，以其耐高温、耐腐蚀和优异的电学、光学性能著称。 陶瓷材料： 讨论氧化物陶瓷（如Al2O3, ZrO2）和非氧化物陶瓷（如SiC, Si3N4）的制备方法（粉末冶金、反应烧结）。强调陶瓷的离子键和共价键特性决定了其高硬度和脆性，并探讨增韧技术（如氧化锆的相变增韧）。 玻璃： 介绍玻璃的无序结构，以及硼硅酸盐玻璃、石英玻璃在光学和化学惰性方面的应用。 半导体材料基础： 简要引入硅、锗等半导体材料的能带理论，区分本征半导体和掺杂半导体，为后续的电子器件应用奠定基础。 1.5 复合材料的设计与优势 复合材料是将两种或两种以上性能迥异的材料结合，以实现单一材料无法达到的综合性能。 增强体与基体： 识别并分类增强体（纤维、颗粒、晶须）和基体（金属、聚合物、陶瓷）。分析纤维增强复合材料（FRC）的强度和刚度主要受纤维的体积分数、长度和取向控制。 界面科学： 强调界面在传递载荷、影响断裂模式中的决定性作用。讨论界面结合强度对宏观性能的优化。 结构与性能的耦合： 重点分析层合板（Laminate）的铺层设计如何实现各向异性的力学性能调控，例如在航空航天结构中的应用。 第二章：材料的微观结构表征技术 对材料进行精确的性能预测和优化，离不开对其微观结构的准确“看见”和“分析”。本章介绍现代材料科学中最常用和最先进的表征工具。 2.1 显微成像技术 光学显微镜（OM）： 阐述样品制备（切割、镶嵌、磨光、腐蚀）的步骤，如何利用反射光观察金属的晶粒尺寸、相界和宏观缺陷。 扫描电子显微镜（SEM）： 深入讲解电子束与样品表面的相互作用（背散射电子、二次电子），如何获得高分辨率的形貌信息。重点介绍能谱分析（EDS）在元素定性和半定量分析中的应用。 透射电子显微镜（TEM）： 探讨高能电子束穿透极薄样品后形成的衍射图样和成像原理。TEM在观察晶体缺陷（如位错、堆垛层错）和纳米尺度结构方面的无与伦比的能力。 2.2 衍射技术与晶体结构分析 X射线衍射（XRD）： 基于布拉格定律，详细解析XRD如何用于确定材料的晶体结构、晶格常数、相组成和结晶度。介绍粉末法和单晶法在材料分析中的区别与侧重。 电子衍射（SAED）： 在TEM内部进行的衍射分析，用于确定微区晶体取向和晶格参数，特别适用于分析纳米颗粒和薄膜。 2.3 光谱分析技术 拉曼光谱与红外光谱（FTIR）： 分析分子振动模式，用于鉴定高分子材料的官能团、聚合程度以及晶态/非晶态比例。 X射线光电子能谱（XPS）： 探讨高能X射线激发出的光电子的能量，用于确定材料表面的元素价态和化学环境，是表面分析的关键工具。 第三章：材料的电学、热学与磁学性能 材料的宏观功能往往源于其微观电子结构和原子排列。本章聚焦于与能量转换和信息技术密切相关的三大功能性质。 3.1 电学性能 导电性机制： 区分金属导体、半导体和绝缘体，基于能带理论解释电荷载流子（电子和空穴）的迁移率和浓度。 介电性能： 阐述电场作用下材料的极化现象。介绍介电常数、介质损耗和击穿强度，及其在电容器和绝缘材料中的重要性。 导电高分子： 简要介绍有机半导体材料的结构与电荷传输机制。 3.2 热学性能 热容量与热导率： 解释晶格振动（声子）对材料热性能的贡献。讨论金属、陶瓷和高分子材料在导热性上的差异。 热膨胀： 介绍线性热膨胀系数，及其在多层结构（如半导体封装）中引起的应力问题。 3.3 磁学性能 磁畴与磁化强度： 阐述铁磁性、顺磁性和抗磁性的微观根源（电子的自旋）。 软磁与硬磁材料： 区分高磁导率、低矫顽力的软磁材料（用于变压器铁芯）和高矫顽力的硬磁材料（用于永磁体），并讨论磁滞回线（B-H曲线）的物理意义。 第四章：材料的制备与加工工艺 材料的性能在很大程度上依赖于其制备过程。本章聚焦于如何将原材料转化为具有特定形状和微观结构的工程部件。 4.1 铸造与凝固 凝固过程： 深入分析液态到固态转变的驱动力，以及形核与长大理论。 铸造缺陷： 讨论缩孔、气孔、晶粒粗大等常见铸造缺陷的形成机理及其控制方法。 4.2 成形与塑性加工 塑性变形原理： 再次回顾位错运动在金属塑性加工中的核心作用。 压力加工： 介绍轧制、锻造、挤压等主要工艺，以及如何利用这些工艺来细化晶粒结构并提高材料的力学性能。 4.3 粉末冶金技术 粉体制备与压实： 介绍机械合金化、雾化法等粉体制备技术，以及干压、注射成形等压实技术。 烧结过程： 详细阐述烧结过程中，粉末颗粒间的接触、扩散和孔隙率的消除机制，这是制造高精度、复杂形状金属和陶瓷部件的关键。 4.4 薄膜技术与表面工程 真空镀膜： 介绍物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）的基本原理，用于制备具有特定光学、电学或耐磨特性的功能薄膜。 表面改性： 探讨渗碳、渗氮、离子注入等热化学和离子束处理技术，用于提高材料表面的硬度和耐腐蚀性。 第五章：材料的服役行为与失效分析 理解材料在实际工作环境中的响应，是保障工程安全的关键。本章关注材料的长期稳定性、环境交互作用和最终的失效模式。 5.1 腐蚀与防护 电化学腐蚀： 详细解释金属在湿润环境中的阳极和阴极反应，以及原电池和浓差电池的腐蚀机理。 腐蚀类型： 分析点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂（SCC）等局部腐蚀形式的特点。 防护策略： 介绍阴极保护、缓蚀剂、涂层保护和合金化设计在腐蚀控制中的应用。 5.2 机械可靠性与断裂力学 疲劳（Fatigue）： 阐述交变应力下材料的疲劳过程（裂纹萌生、扩展、最终断裂），并引入S-N曲线和Paris定律进行定量分析。 蠕变（Creep）： 讨论高温下材料在恒定载荷作用下随时间发生的塑性变形，重点分析扩散蠕变和位错蠕变机制。 断裂韧性（KIC）： 引入线性弹性断裂力学的基本概念，用于评估材料抵抗裂纹扩展的能力。 5.3 环境影响下的老化 高分子老化： 讨论热氧化、光降解（紫外线）对高分子材料链结构的影响，导致其脆化和机械性能下降。 辐射损伤： 简要介绍高能辐射对晶体结构（如位错形成、辐照脆化）的影响，尤其在核工程领域的意义。 结语：面向未来的材料设计 本课程的收尾将展望材料科学的前沿领域，包括纳米材料的设计原理（量子尺寸效应）、生物医用材料的界面兼容性，以及如何利用计算材料学（如密度泛函理论）来加速新材料的发现和性能预测。
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