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《先进材料科学与工程》 内容简介： 本书深入探讨了当代材料科学与工程领域的前沿理论、实验方法和工程应用。全书结构严谨，内容涵盖了从原子尺度到宏观性能的广泛议题，旨在为研究人员、工程师和高年级本科生提供一本全面且具有深度参考价值的教材和手册。 第一部分：基础理论与材料结构 本书的开篇聚焦于材料科学的基石——原子结构与晶体缺陷。详细阐述了固体中原子排列的周期性规律，包括晶格常数、布拉格衍射的原理及其在结构分析中的应用。随后，深入剖析了各种类型的晶体缺陷，如点缺陷（空位、间隙原子、取代原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界、孪晶界）。特别强调了位错运动在金属塑性变形中的核心作用，并引入了能量学观点来解释缺陷的形成和热力学稳定性。 在电子结构方面，本书系统介绍了能带理论，对比了金属、半导体和绝缘体在费米能级和电子密度分布上的根本差异。通过紧束缚模型和自由电子模型，解释了材料宏观电学性质的微观起源。同时，内容拓展至磁性材料，详细讲解了顺磁性、抗磁性和铁磁性的量子力学基础，并对磁畴结构、磁滞回线以及软磁、硬磁材料的设计原理进行了深入剖析。 热力学与动力学是理解材料行为的另一关键支柱。本书使用相图分析（如二元和三元相图）来预测平衡态下的相变规律。着重介绍了扩散理论，包括菲克定律的推导及其在固态反应、渗碳、氧化等过程中的应用。热力学部分还涵盖了晶体形核与长大过程的动力学控制，为理解凝固和烧结奠定了理论基础。 第二部分：经典工程材料的微观机制 本部分将理论知识应用于主要的工程材料类别：金属、陶瓷和聚合物。 金属材料： 重点讨论了合金设计原理。针对钢铁材料，详细描述了碳在铁中的溶解度、奥氏体/铁素体转变，以及马氏体相变的不扩散机制。深入分析了热处理工艺，如正火、淬火、回火和固溶处理对材料机械性能的调控作用。对于有色金属合金（如铝、镁、铜合金），探讨了沉淀硬化（析出相的类型、尺寸和分布）如何大幅提高强度和韧性。塑性加工理论部分，则包含了轧制、锻造和拉伸过程中的应力-应变关系，以及加工硬化和再结晶的交互影响。 陶瓷材料： 介绍了陶瓷材料的高温稳定性、硬度和耐腐蚀性来源。强调了离子键和共价键在决定陶瓷结构和性质中的作用。详细分析了氧化物、非氧化物陶瓷（如碳化硅、氮化硅）的制备技术，特别是粉末冶金和烧结过程的致密化机制，包括液相烧结和固相烧结的动力学差异。缺陷化学在理解陶瓷电学和离子导电性中的应用是本章的亮点。 聚合物材料： 探讨了聚合物的链结构、分子量分布及其对宏观粘弹行为的影响。通过拉伸、扭转和蠕变实验，引入了粘弹性本构方程和时间-温度等效原理（Williams-Landel-Ferry方程）。分类讨论了热塑性塑料和热固性树脂的结构特征，并深入分析了纤维增强复合材料（FRP）的力学性能预测模型，如混合律和层合板理论。 第三部分：先进功能材料与交叉领域 本部分关注21世纪新兴的、具有特殊功能的材料系统，及其与现代工程技术的集成。 半导体与电子材料： 详细解析了半导体掺杂（N型和P型）的物理过程，以及PN结的形成、肖特基势垒和载流子输运机制。对薄膜技术进行了专门讨论，包括化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）的原理及在集成电路制造中的作用。内容还延伸至新型半导体材料如化合物半导体（GaAs, GaN）的特性。 功能复合材料： 重点研究了旨在实现特定耦合效应的材料。例如，压电材料（如何将机械能与电能相互转换）、热电材料（Seebeck效应和Z T值优化）、以及形状记忆合金（马氏体相变的可逆性）。对智能结构和自适应系统所需的材料性能进行了量化描述。 腐蚀与材料失效分析： 探讨了材料在环境作用下发生的退化机制，包括电化学腐蚀、高温氧化和应力腐蚀开裂（SCC）。系统介绍了保护性涂层、缓蚀剂的使用以及牺牲阳极保护法。失效分析部分，通过扫描电子显微镜（SEM）观察到的断口形貌（如疲劳纹、脆断面、蠕变断口）与材料的本征特性和载荷历史之间的联系。 第四部分：材料的计算模拟与表征技术 本书最后一部分致力于介绍现代材料研究的核心工具。 计算材料学： 介绍了从第一性原理（如密度泛函理论DFT）到介观尺度的模拟方法。重点阐述了分子动力学（MD）模拟在研究扩散、位错运动和液体结构中的优势，以及有限元分析（FEA）在预测复杂构件应力分布和结构完整性中的应用。 先进表征技术： 全面介绍了用于确定材料微观结构的实验技术。包括高分辨透射电子显微镜（HRTEM）对晶格成像的能力、X射线衍射（XRD）的定量分析、能量色散谱（EDS）和波长色散谱（WDS）对元素定性和定量的应用。此外，还涵盖了原子力显微镜（AFM）和拉曼光谱在表面形貌和化学键态分析中的作用。 全书配有大量的工程实例、习题和深入的案例分析，旨在引导读者将理论知识转化为解决实际工程问题的能力。本书的编写风格力求清晰、精确，避免模糊不清的描述，确保所传达的科学信息准确无误。
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