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现代材料科学与工程导论 图书简介 本书旨在为初学者提供一个全面而深入的现代材料科学与工程领域的导论。它不仅涵盖了传统材料的基本原理，更着重介绍了近年来涌现出的新型功能材料及其在各个高科技领域的应用，旨在培养读者对材料世界的宏观认识与微观理解。 本书结构清晰，内容丰富，共分为五大部分，共十六章。 第一部分：材料科学基础 本部分聚焦于材料科学的基石知识，为后续深入学习打下坚实的基础。 第一章：材料的分类与基本性质 本章从宏观角度对材料进行系统分类，包括金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料以及新兴的功能材料。重点阐述了材料的机械性能（如强度、硬度、韧性、疲劳）、热学性能（如导热性、热膨胀系数）、电学性能（如导电性、介电常数）、磁学性能和光学性能，并解释了这些宏观性质与材料微观结构之间的内在联系。本章特别强调了性能评价的标准和测试方法的重要性。 第二章：材料的微观结构 微观结构是决定材料性能的关键。本章深入探讨了材料的晶体结构，包括晶格常数、晶系、晶向和晶面指数的表示方法。详细介绍了晶体缺陷理论，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、孪晶界）的形成、运动及其对材料力学行为的影响。同时，非晶态和准晶态材料的结构特征也被引入，拓宽了读者的视野。 第三章：材料的热力学与相变 本章是理解材料稳定性和演化过程的核心。通过热力学基本定律，解释了材料体系的平衡状态和相图的构建原理。详细分析了固溶体形成、化合物生成等相平衡过程。重点阐述了相变动力学，包括形核与长大机制，如奥斯汀相变、共晶、共析等反应，以及这些相变过程如何通过热处理来调控材料的最终性能。 第四章：材料的动力学过程 材料的许多重要特性是在非平衡条件下或随时间演化而获得的。本章探讨了扩散理论在材料科学中的应用，包括菲克定律及其在固态反应、热处理过程中的应用。此外，本章还介绍了晶界迁移、位错攀移和蠕变等重要的动力学过程，这些过程是理解材料在高温或长期应力下行为的关键。 第二部分：金属材料的深入研究 本部分集中探讨在工程中应用最广泛的金属材料及其加工工艺。 第五章：纯金属与简单合金 本章回顾了常见金属（如铁、铜、铝）的晶体结构和基本性能。着重讲解了二元合金相图的解读，特别是铁碳合金（钢和铸铁）的冷却组织和相变，如珠光体、贝氏体、马氏体等微观结构的形成及其对强度的贡献。 第六章：钢材的强化原理与热处理 这是关于现代工程材料的核心章节。详细阐述了提高钢材强度的主要机制：固溶强化、晶粒细化强化、加工硬化（形变强化）和沉淀强化。深入解析了退火、正火、淬火和回火等四大基础热处理工艺，解释了不同热处理状态下钢材的组织-性能曲线。引入了先进的热处理技术，如等温淬火和渗碳淬火。 第七章：铝合金、钛合金与高温合金 本章介绍了高性能结构材料。着重分析了铝合金（如2XXX、7XXX系）的析出强化机制及其在航空航天领域的应用。详细讨论了钛合金的相结构（$alpha, eta, alpha+eta$）及其优异的比强度和耐腐蚀性。最后，探讨了镍基、钴基高温合金的抗蠕变机制，这对于燃气轮机叶片等极端环境应用至关重要。 第三部分：无机非金属材料 本部分涵盖了陶瓷和玻璃等具有独特热学和电学性能的材料。 第八章：陶瓷材料的结构与制造 陶瓷材料因其高硬度、耐高温和耐腐蚀性而备受关注。本章介绍了氧化物陶瓷（如氧化铝、氧化锆）和非氧化物陶瓷（如碳化硅、氮化硅）的化学键特征和晶体结构。详细阐述了粉末冶金和烧结工艺，解释了烧结过程中材料的致密化过程，以及气孔率对材料性能的决定性影响。 第九章：先进结构陶瓷与功能陶瓷 本章关注高性能陶瓷。重点讨论了氧化锆增韧氧化铝（ZTA）等复合陶瓷的增韧机理。深入研究了铁电陶瓷（如PZT）的电畴行为及其在传感器和执行器中的应用。此外，还介绍了高温超导陶瓷和透明陶瓷的最新研究进展。 第十章：玻璃与玻璃陶瓷 本章探讨了无定形固体的特性。详细分析了玻璃的形成、结构松散性和粘滞流变行为。重点讨论了玻璃的性能调控，如离子交换强化（如手机屏幕玻璃）。玻璃陶瓷则被视为玻璃和晶体的结合体，本章阐述了其析晶过程和独特的低热膨胀系数特性。 第四部分：高分子材料科学 本部分专注于有机材料，即塑料、橡胶和纤维。 第十一章：高分子结构的化学基础 高分子材料的性能与其长链结构息息相关。本章从化学角度解释了聚合反应（如加聚、缩聚），并介绍了聚合物的分子量分布、支化度和构型（如顺式/反式、等规/无规）。重点分析了分子链间的相互作用力（范德华力、氢键）如何影响宏观性能。 第十二章：高分子材料的形变与粘弹性 本章是理解高分子力学行为的关键。详细区分了高分子的弹性（弹性链段的伸展）和粘性（链段的扩散和缠结）。全面介绍了粘弹性理论，包括蠕变、应力松弛和动态力学分析（DMA），解释了温度和频率对高分子行为的影响。 第十三章：高分子材料的加工与应用 本章侧重于工程应用。介绍了聚合物的常见加工方法，如注塑、挤出、吹塑和压延。对热塑性塑料（如PE, PP, PVC, PET）和热固性塑料（如环氧树脂、酚醛树脂）的性能差异进行了对比。同时，探讨了橡胶的硫化交联机制及其在弹性体中的重要作用。 第五部分：新兴材料与工程实践 本部分面向未来，介绍交叉学科领域的前沿材料。 第十四章：复合材料的设计与制造 复合材料通过结合不同基体和增强体的优点，实现性能优化。本章详细介绍了纤维增强复合材料（FRP，如碳纤维、玻璃纤维）和颗粒增强复合材料的界面效应。重点讨论了层合板的力学分析方法，并介绍了树脂传递模塑（RTM）等先进制造工艺。 第十五章：半导体材料与电子器件 本章从材料角度审视现代电子技术。深入讲解了半导体的能带理论，区分了本征半导体、N型和P型掺杂半导体。详细分析了PN结的形成、整流特性及在二极管和晶体管中的应用原理。简要介绍了硅基和新型宽禁带半导体材料（如GaN, SiC）的优势。 第十六章：纳米材料与功能化表面 纳米技术是当前材料科学的前沿阵地。本章介绍了纳米材料（如量子点、纳米颗粒、碳纳米管）的特殊尺寸效应和高比表面积特性。讨论了表面工程技术，如薄膜沉积、表面改性和涂层技术，它们对提高材料的耐磨性、抗腐蚀性和功能性至关重要。 本书通过整合结构、性能、加工和应用四大要素，为读者构建了一个完整、逻辑严密的现代材料科学知识体系。内容深入浅出，辅以大量实例和图表，适合作为高等工科院校材料科学、机械工程、化学工程等专业的基础教材或参考书。
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