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出版者:John Wiley & Sons Inc

作者:Colombo, Paolo 编

出品人:

页数:670

译者:

出版时间:

价格:$ 428.27

装帧:HRD

isbn号码:9783527313204

丛书系列:

图书标签:

• 陶瓷
• 多孔材料
• 蜂窝陶瓷
• 生物陶瓷
• 结构陶瓷
• 材料科学
• 工程陶瓷
• 功能陶瓷
• 先进陶瓷
• 陶瓷材料

凝聚态物质的晶体结构与物性探究 一本深入探索无机非金属材料领域，聚焦于晶体结构、缺陷工程与宏观性能之间复杂关联的专著。 本书旨在为材料科学家、固体物理学家、化学工程师以及高年级本科生和研究生提供一个全面、深入的视角，用以理解和设计具有特定功能的陶瓷材料。它摒弃了传统的、侧重于宏观制备工艺的叙述方式，转而将核心聚焦于材料微观尺度的内在规律——原子排列、晶格畸变以及由此衍生的电学、力学和热学特性。 第一部分：晶体学基础与结构表征 本部分为后续深入研究奠定了坚实的理论基础。我们首先从原子尺度出发，详细阐述了晶体周期性、晶胞概念、布拉维点阵以及常见的晶体结构类型（如简单立方、体心立方、面心立方、金刚石结构以及复杂的钙钛矿和尖晶石结构）。 1.1 晶体对称性与群论在结构分析中的应用 深入探讨了晶体学的空间群、点群的概念，并引入了群论工具来系统地描述和预测材料在不同温度或应力下的对称性破缺。重点分析了对称性如何直接决定材料的本征物理性质，例如压电性、热释光能力和光学活性。 1.2 晶体缺陷的分类与热力学 陶瓷材料的性能往往被其内部的缺陷所主导。本书对点缺陷（空位、间隙原子、取代原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界、孪晶界）进行了详尽的分类和热力学分析。我们运用有效能模型（Defect Energy Minimization）来计算不同缺陷组合的热力学稳定性，并探讨了缺陷在浓度梯度驱动下的扩散机制，尤其是在高温烧结和气氛敏感的环境中。 1.3 结构表征的高级技术 着重介绍并深入解析了现代结构分析的前沿技术： 高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）与扫描透射电子显微镜（STEM）： 如何利用球差校正技术实现亚埃尺度的原子分辨成像，并结合高角度环形暗场（HAADF-STEM）技术定量分析晶格中的轻元素分布和局域电荷密度。 同步辐射X射线衍射（XRD）与中子衍射： 阐述如何利用高能X射线和中子源对复杂结构进行精细的中子飞行时间分析（TOF）和里特维尔德精修（Rietveld Refinement），以确定复杂晶体结构中轻原子（如氢、氧）的精确位置，并监测结构在原位条件下的动态变化。 第二部分：电子结构与本征物性调控 这一部分将材料的微观结构与电子能带理论相结合，解释了陶瓷材料电学和磁学特性的起源。 2.1 固态能带理论与电荷传输机制 详细阐述了紧束缚模型（Tight-Binding Model）和密度泛函理论（DFT）在预测陶瓷材料能带结构中的应用。讨论了绝缘体、半导体和导电氧化物之间的能带结构差异，并重点分析了以下关键现象： 极化激元与声子耦合： 在铁电体和半导体中，电子激发态与晶格振动（声子）之间的耦合效应如何影响光谱响应和非线性光学性质。 载流子输运的各向异性： 分析层状结构陶瓷（如某些层状钛酸盐）中，载流子在层内和层间的迁移率差异，以及晶界对宏观电导率的散射影响。 2.2 介电、压电与热释电响应 聚焦于具有高极化率的材料体系。本书深入研究了软模（Soft Mode）理论在描述这些材料中相变临界点的重要性。对于压电陶瓷，详细分析了电畴的形成、迁移机制，以及如何通过掺杂（如锆钛酸钡ZTB体系）和引入位错壁来优化其机电耦合系数 ($k_{33}$)。 2.3 磁性有序与自旋电子学基础 探讨了过渡金属氧化物和稀土化合物中的磁性起源，包括洪特规则（Hund's Rule）和超交换作用（Superexchange Interaction）。重点分析了摩尔斯转变（Mott Transition）和双交换作用（Double Exchange）如何导致材料从绝缘体转变为金属或磁性半导体，为下一代磁存储技术提供理论基础。 第三部分：晶格动力学与热力学性能 本部分着眼于材料对温度和应力的响应，这是理解材料在极端环境（如核反应堆或高温燃气轮机）中稳定性的关键。 3.1 声子谱与热输运 利用晶格动力学理论（Lattice Dynamics）推导出色散关系。详细讨论了声子（晶格振动量子）在热量传输中的作用。通过计算平均自由程（Mean Free Path）和声子散射截面，解释了晶界、点缺陷和非化学计量如何有效散射声子，从而实现超低热导率材料的设计。 3.2 机械性能的微观机制 机械强度的分析不再停留在宏观的屈服强度上。本书深入探讨了以下机制： 晶界结构对韧性的影响： 分析了晶界能、晶界扩散速率以及高熵合金体系中晶界过渡层的结构对材料断裂韧性的调节作用。 蠕变与高T断裂： 讨论了扩散蠕变（Nabarro-Herring和Coble蠕变）的激活能，并结合位错运动模型，预测材料在超高温下的长期服役性能。 结论与展望：结构-性能的智能关联 全书最后总结了结构信息（从晶格参数到缺陷浓度）如何通过先进的计算模型（如高通量计算、机器学习势能面）与宏观性能（导热系数、介电常数、弹性模量）建立起可靠的预测模型。这为材料设计者提供了一条从原子结构出发，高效筛选潜在高性能候选材料的先进路径。 本书的独到之处在于，它将传统的固体物理、晶体化学与现代的同步辐射表征、第一性原理计算紧密结合，形成了一套完整的、以结构为核心的陶瓷材料科学研究范式。它不是一本关于如何“烧结”陶瓷的工艺手册，而是一本关于如何“理解”陶瓷内在物理机制的理论指南。

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