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出版者:Wiley-VCH

作者:Irving J. Dunn

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2003-09-19

价格:USD 280.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9783527307593

丛书系列:

图书标签:

• 教材
• GBA
• 生物反应工程
• 生物化学工程
• 反应动力学
• 生物过程
• 酶工程
• 代谢工程
• 生物技术
• 化工工程
• 过程控制
• 数学建模

现代材料科学与工程：从基础到前沿应用 本书旨在为材料科学与工程领域的学生、研究人员以及专业工程师提供一本全面、深入且紧跟时代步伐的教材与参考手册。内容覆盖材料的微观结构、性能、加工工艺以及在各个高技术领域的应用，强调理论基础与实际工程问题的紧密结合。 --- 第一部分：材料科学基础与热力学（Foundations of Materials Science and Thermodynamics） 本部分将构建读者理解材料行为的基石，重点关注材料的原子尺度结构、键合特性以及驱动材料转变的热力学原理。 第一章：材料的原子结构与键合（Atomic Structure and Bonding） 原子结构基础： 深入探讨原子轨道理论、电子排布及其在元素周期表中的位置。着重分析晶体结构（晶胞、晶格、布拉格衍射原理），涵盖金属、陶瓷和聚合物的典型晶体结构（如面心立方、体心立方、六方密堆积）。 化学键合类型： 详细阐述离子键、共价键、金属键和范德华力（包括偶极-偶极力和伦敦分散力）。通过分析键能、键长和键角，解释不同键合类型如何决定材料的宏观特性，例如熔点、硬度和导电性。 短程与长程有序： 对非晶态材料（如玻璃）和晶态材料的结构差异进行对比分析，引入短程有序参数的概念，为后续的扩散和相变章节做铺垫。 第二章：材料的热力学与相平衡（Thermodynamics of Materials and Phase Equilibria） 热力学基本原理在材料中的应用： 重新审视吉布斯自由能（G）、焓（H）和熵（S）的概念。讨论化学势及其在多组分体系中的重要性。 相图的解读与构建： 详尽阐述单组分和双组分相图（如Fe-C体系的简化图）。重点解析杠杆定律（Lever Rule）和冷却曲线的分析，用于确定特定温度和成分下的相含量和相组成。引入伊尔格拉姆图（Tilt Diagram）在复杂体系中的应用。 扩散现象： 深入探讨材料中固态扩散的机理，包括间隙扩散、替换扩散和“蠕行”机制。详述菲克第一定律和第二定律，并讨论温度、晶界和位错密度对扩散系数的影响，这对于材料的热处理设计至关重要。 --- 第二部分：结构性能的调控（Control of Structure and Properties） 本部分将连接微观结构与宏观机械、电学和热学性能，聚焦于如何通过工程手段控制和优化材料的性能。 第三章：晶体缺陷与机械性能（Crystalline Defects and Mechanical Properties） 点缺陷、线缺陷与面缺陷： 系统分类和描述空位、间隙原子、位错（刃型、螺型、混合型）以及晶界。计算缺陷的浓度和能垒。 位错运动与塑性形变： 详细解释位错的滑移和攀移机制，引入临界分切应力（CRSS）。讨论加工硬化（Work Hardening）的原理，包括位错缠结和加工硬化曲线的分析。 强化机制： 全面介绍多种工程强化策略，包括晶粒细化（Hall-Petch关系）、固溶强化、沉淀强化（如析出相的Orowan环机制）和孪晶强化。 第四章：热处理与微结构演化（Heat Treatment and Microstructural Evolution） 退火、正火与淬火： 针对金属合金（特别是钢和铝合金）的热处理工艺进行深入分析。讲解不同冷却速率对微观结构（如珠光体、贝氏体、马氏体）形成的影响及其对应的力学性能变化。 时效与回复过程： 阐述回复（恢复）、再结晶和晶粒长大过程的热力学驱动力和动力学。重点讨论时效处理在硬化铝合金和不锈钢中的应用，包括析出相的形核与长大。 相变动力学： 引入高温显微镜和差热分析（DSC）等表征技术，结合非均匀形核理论（如Avrami方程），精确模拟相变过程的时间依赖性。 第五章：电学、磁学与热学性能（Electrical, Magnetic, and Thermal Properties） 电学性质： 解释导体、半导体和绝缘体中电荷载流子的传输机制（能带理论基础）。重点讨论掺杂对半导体导电性的影响，并分析电阻率随温度的变化规律。 磁性材料： 区分抗磁性、顺磁性和铁磁性。深入分析铁磁畴的形成、磁畴壁的运动，以及磁滞回线（矫顽力、剩磁）对软磁和硬磁材料性能的影响。讨论磁存储和磁传感器中的应用。 热学性能： 分析晶格振动（声子）在材料中热传导中的作用。对比金属、陶瓷和聚合物的热导率差异。讨论热膨胀系数及其对复合材料和电子封装的意义。 --- 第三部分：先进材料与工程应用（Advanced Materials and Engineering Applications） 本部分将聚焦于现代工业和尖端技术中不可或缺的几类关键材料及其定制化应用。 第六章：陶瓷材料与生物医用材料（Ceramics and Biomaterials） 结构与传统陶瓷： 探讨氧化物（如Al₂O₃, ZrO₂）、非氧化物（如SiC, Si₃N₄）的制备工艺（如粉末冶金、热压铸造）。分析陶瓷材料的脆性断裂机制和增韧技术（如韧性相变增韧）。 功能陶瓷： 介绍压电陶瓷、铁电陶瓷和离子导体（如燃料电池电解质）的工作原理及其在传感器、换能器中的应用。 生物相容性材料： 讨论植入式材料对生物环境的响应，包括生物惰性、生物活性和生物可降解材料。重点分析羟基磷灰石和医用钛合金的表面改性技术。 第七章：高分子材料与复合材料（Polymeric Materials and Composites） 聚合物结构与粘弹性： 解释聚合物的分子链结构、拓扑结构（线性、支化、交联）和分子量分布。深入分析高分子材料的粘弹性行为、玻璃化转变温度（Tg）和熔点（Tm），以及动态机械分析（DMA）的应用。 纤维增强复合材料（FRC）： 详细介绍层压板的力学分析，包括各向异性材料的应力-应变关系。分析短纤维和连续纤维增强体系中载荷传递的效率，重点讨论碳纤维、玻璃纤维在航空航天结构中的应用。 基体材料选择： 比较热塑性与热固性树脂基体的选择标准，并探讨纤维/基体界面结合对整体性能的决定性作用。 第八章：纳米材料与表面工程（Nanomaterials and Surface Engineering） 量子尺寸效应： 概述纳米材料（如量子点、纳米线、石墨烯）的独特物理化学性质，解释其与传统块材性质的根本区别。讨论纳米材料的合成方法（自上而下与自下而上）。 表面改性技术： 详细介绍用于提高材料耐磨性、耐腐蚀性和摩擦学性能的表面工程技术，包括化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）和离子注入技术。 腐蚀与防护： 分析金属腐蚀的热力学和动力学基础。重点研究不同环境下的电化学腐蚀机制（点蚀、缝隙腐蚀）。介绍牺牲阳极保护、阴极保护以及先进的缓蚀剂技术。 --- 本书特点： 量化分析： 每一章节均包含大量的工程实例和详细的数学模型推导，强调对材料性能的定量预测能力。 跨学科融合： 强调材料科学与化学、物理学、生物学以及现代信息技术的交叉融合。 前沿导向： 对增材制造（3D打印）中材料的微结构控制、能源材料（电池电极、催化剂载体）的性能设计进行了专门讨论。 本书将帮助读者建立起一个从原子尺度到宏观应用的全方位、系统化的材料科学知识体系，为解决21世纪复杂的工程挑战奠定坚实的理论基础。

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我一直在寻找一本能够涵盖从基础微生物生长动力学到高级生物催化剂回收技术的综合性著作，这本书在这方面表现得非常出色，它就像一个详尽的知识地图。最让我印象深刻的是作者对可持续性和绿色化学的融入。在讨论产物分离纯化时，书中并未局限于传统的液-液萃取或层析，而是重点探讨了离子液体、超临界流体等新型分离介质在生物体系中的适用性和挑战，这体现了强烈的现代工程责任感。章节的组织结构清晰，每部分都以一个工业案例作为引子，这使得理论的引入显得水到渠成，而不是生硬的逻辑植入。虽然内容深度要求读者投入大量时间精力，但其带来的知识回报是巨大的。对我而言，这本书最大的价值在于它提供了一套完整的思维框架，让我能够系统性地评估一个生物过程的每一个环节，而不是仅仅优化某一个孤立的步骤。这是一部需要细细品味、反复研读的深度参考书。

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我最近在整理手头的专业书籍时，这本书以其独特的结构和扎实的理论基础吸引了我的全部注意力。与其他强调热力学平衡的传统教科书不同，这本书将重点放在了“动态过程”的控制与优化上，这对于理解生物过程的瞬态行为至关重要。尤其令人称道的是，作者引入了先进的非线性控制理论来处理生物反应器中常见的扰动和不确定性，这在传统的生物化工著作中是相对少见的。比如，针对发酵过程中pH值和溶解氧波动的实时校正策略，书中不仅给出了严谨的数学模型，还展示了如何利用先进过程控制（APC）技术实现稳定操作，极大地提高了产率。我个人认为，这本书的价值不仅仅在于传授知识，更在于培养读者解决复杂、高维系统问题的工程直觉。它的文字风格非常严谨且富有逻辑性，每一章的过渡都像是精心编排的乐章，层层递进，将读者引向更深层次的理解。对于从事生物制药领域工艺开发的人来说，这本书无疑是一本不可或缺的“作战指南”。

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这本书的内容真是让人耳目一新，尤其是关于酶催化反应动力学的深入探讨，简直是化学工程领域的教科书级别！它没有流于表面的公式堆砌，而是将复杂的生物化学过程与工程放大设计紧密结合起来。我特别欣赏作者在阐述反应器设计优化时所采用的迭代思维，那种从微观分子层面到宏观工程应用的无缝衔接，让原本枯燥的计算变得生动起来。举个例子，在讨论固定化酶反应器效率时，作者详细分析了传质阻力与反应速率之间的权衡，并给出了多种案例分析，这些实例的选取非常贴合工业实际，让我对如何在新药研发和生物能源领域应用这些理论有了更直观的认识。这本书的图表制作水平极高，清晰度无可挑剔，很多示意图甚至可以作为我未来工作报告的直接参考素材。阅读过程中，我感觉自己不只是在学习知识，更是在与一位经验丰富的反应工程专家对话，他对细节的把控和对潜在问题的预判能力，确实值得我们这些后学者深入学习和效仿。总而言之，这是一部深度与广度兼备的杰作。

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这本专业著作的排版和专业术语的统一性做得堪称典范，这对于需要频繁引用和交叉参考的读者来说，简直是福音。我尤其欣赏作者在介绍复杂生物化学网络时，所采用的系统生物学视角。它不仅仅是描述单个反应的速率常数，而是着眼于整个代谢通路的反馈抑制和协同作用。书中对代谢流分析（MFA）在优化目标产物合成路线中的应用描述得尤为透彻，通过对碳源分配的精确调控，指导了菌株的工程改造方向，这已经超越了传统反应工程的范畴，触及了合成生物学的核心。我尝试用书中的方法分析了一个我正在处理的非天然氨基酸发酵项目，结果发现通过调整某个看似次要的营养因子添加速率，可以显著提高目标产物的摩尔产率，效果立竿见影。这本书的严谨性要求读者必须具备扎实的背景知识，但对于有志于在生物制造领域取得突破的工程师和研究人员来说，它是打开新视野的钥匙。

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说实话，一开始我有些担心这本书会过于偏重理论推导而忽略实际操作的应用。然而，当我翻阅到关于生物膜反应器（MBR）和膜分离技术结合的部分时，这种顾虑完全消除了。这本书非常出色地平衡了理论的深度和工程实践的广度。作者对不同类型反应器中生物质的生长模型和代谢路径的耦合分析，处理得极为精妙。特别是关于生物反应器放大效应（Scale-up effect）的章节，它不像其他书籍那样只是简单地提及，而是通过详细的CFD模拟结果和实验验证数据，剖析了混合效率和剪切力对敏感细胞系的影响，这种实证导向的写作方式极大地增强了可信度。我发现，很多我在实验室中遇到的“瓶颈”问题，在这本书中都能找到对应的理论解释和潜在的解决方案路径。此外，书中对过程分析技术（PAT）在生物反应器在线监测中的应用也进行了前瞻性的讨论，显示出作者紧跟行业前沿的敏锐度。

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