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出版者:Alphascript Publishing

作者:Miller, Frederic P.; Vandome, Agnes F.; McBrewster, John

出品人:

页数:76

译者:

出版时间:2009-11-24

价格:USD 51.00

装帧:Paperback

isbn号码:9786130216917

丛书系列:

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先进材料科学：从原子结构到宏观性能的探索 内容提要： 本书系统梳理了现代材料科学的核心概念、前沿研究方向及其在工程实践中的广泛应用。全书聚焦于材料的微观结构如何决定其宏观性能，深入剖析了从原子尺度到晶体学、缺陷工程，再到复杂复合材料设计的全链条知识体系。内容涵盖了金属、陶瓷、聚合物、半导体及新型功能材料的制备技术、表征手段、性能评估及其在航空航天、能源存储、生物医学等关键领域的突破性进展。本书旨在为材料科学、化学工程、物理学以及相关交叉学科的研究人员和高年级本科生提供一部全面、深入且具有前瞻性的参考著作。 --- 第一部分：材料科学的基础与微观结构决定论 第一章：材料科学的基石与历史演进 本章首先界定了材料科学的范畴，阐述了其作为一门跨学科领域（融合了物理学、化学、工程学）的核心地位。我们将回顾材料科学的发展历程，从早期对天然材料的经验性使用，到20世纪中叶晶体学、相图理论的建立，直至当前以计算模拟和高通量实验驱动的“设计驱动型”材料开发范式。重点讨论了“结构-性能-加工-应用”的闭环思维模式，强调理解材料的微观世界是实现宏观性能优化的前提。 第二章：原子键合与晶体结构 深入探讨构成物质的基本力量——原子间相互作用力（离子键、共价键、金属键、范德华力及氢键）。本章将详尽分析不同键合类型对材料热学、电学和力学特性的决定性影响。随后，系统介绍晶体结构基础，包括晶格常数、晶胞、布拉维点阵的概念。重点解析体心立方（BCC）、面心立方（FCC）以及六方密堆积（HCP）等常见金属晶体结构的几何特征、密堆积效率及其在塑性变形中的意义。内容延伸至晶体学基础，如晶面指数（密勒指数）的确定与应用，以及如何利用X射线衍射（XRD）技术对晶体结构进行精确表征。 第三章：晶体缺陷的物理化学 晶体缺陷是材料性能差异的根本来源，也是实现材料功能调控的关键。本章细致剖析了零维（点缺陷，如空位、间隙原子）、一维（线缺陷，如位错）、二维（面缺陷，如晶界、堆垛层错）及三维（体缺陷）缺陷的形成机理、结构特征及其对材料宏观性能（如强度、导电性、扩散速率）的影响。特别关注位错理论在解释金属塑性流动和加工硬化中的核心作用，以及晶界在材料介观尺度下的能垒效应。 第四章：非晶态与准晶材料 区别于长程有序的晶体材料，本章探讨了玻璃态和非晶态材料的结构特征（短程有序但缺乏长程有序）。内容涵盖了玻璃转变温度（Tg）的物理意义、粘弹性行为及弛豫过程。同时，引入准晶的概念，分析其独特的五重或十重对称性如何打破传统晶体学的限制，并讨论非晶合金（金属玻璃）在制备技术和潜在应用（如高弹性、高耐磨性）方面的最新进展。 --- 第二部分：材料的加工、表征与性能优化 第五章：材料的制备与加工技术 本章侧重于如何将基础原材料转化为具有特定形状和性能的工程部件。内容覆盖冶金学中的凝固理论，包括枝晶生长、偏析现象及铸造缺陷的控制。详细介绍塑性加工方法，如锻造、轧制、挤压和拉拔对材料微观组织和力学性能的重塑作用。此外，还涵盖了粉末冶金技术（烧结过程、致密度控制）和先进增材制造（3D打印）技术中材料熔化与凝固行为的研究。 第六章：材料的性能表征与分析 系统介绍现代材料科学中不可或缺的表征工具。重点讲解电子显微镜技术（SEM/TEM）在微观形貌观察、晶格成像及元素定性定量分析中的应用。深入探讨光谱学方法，如能量色散X射线光谱（EDS）、电子能量损失谱（EELS）在化学态分析上的优势。此外，对热分析技术（DSC, TGA）、机械性能测试（拉伸、压缩、疲劳、蠕变）的原理与数据解读进行详尽阐述。 第七章：热力学与相图解析 材料的稳定性和相变行为由热力学规律主导。本章从吉布斯自由能最小化原理出发，构建二元和三元相图的基本框架。重点解析了相平衡、相变动力学（成核与长大理论），以及固溶体、化合物、共晶点、包晶点等重要结构单元。教授如何利用相图指导合金设计和热处理工艺，以精确控制材料的组织结构。 第八章：扩散与动力学过程 扩散是材料科学中许多重要过程（如合金化、氧化、高温蠕变）的驱动力。本章详述菲克扩散定律，区分成分扩散与自身扩散，并解析扩散系数的温度依赖性（阿伦尼乌斯关系）。重点讨论晶界扩散、短程扩散通道在快速材料输运中的重要性，以及在特定气氛下材料表面的化学反应动力学。 --- 第三部分：特定材料体系与前沿功能材料 第九章：金属材料：强度与韧性的平衡 本章聚焦于工程中最常用的金属及其合金。内容包括铁碳合金（钢、铸铁）的组织演变（珠光体、贝氏体、马氏体转变），以及热处理（淬火、回火、退火）对性能的调控。深入探讨了高性能结构钢（如高强钢、马氏体时效钢）的设计原理。同时，涵盖了非铁金属合金（如铝、钛、镍基超合金）在抗腐蚀、耐高温和轻量化应用中的独特优势。 第十章：陶瓷与玻璃：硬度与耐热性 研究以离子键和共价键为主的无机非金属材料。详细分析了陶瓷材料的高硬度、高熔点、化学惰性以及脆性失效的内在原因。内容包括氧化物陶瓷（氧化铝、氧化锆）、非氧化物陶瓷（碳化硅、氮化硅）的制备工艺（如热压、反应烧结）。针对陶瓷的韧性提升策略，如裂纹偏转和增韧机制，进行专题讨论。 第十一章：聚合物科学与工程 从分子层面解析聚合物的结构（线型、支化、交联），高分子链的构象与自由体积理论。重点讨论了聚合物的粘弹性行为、蠕变与应力松弛现象，以及对温度敏感的转变点（Tg和Tm）。本章还将介绍合成方法、加工成型技术，以及如何通过共混、填充、纤维增强等手段设计高性能塑料、弹性体和复合纤维。 第十二章：半导体与电子材料 阐述半导体材料的基本物理特性——能带结构、载流子（电子和空穴）的产生与迁移。深入分析了掺杂的机制及其对导电率的控制。内容涵盖硅基半导体材料的制备（从晶体生长到薄膜沉积），以及在集成电路、光电器件（LED、光伏电池）中关键材料的性能要求和技术挑战。 第十三章：先进功能材料与交叉领域 本章作为前沿展望，探讨了当前研究热点。包括磁性材料（铁磁性、反铁磁性、磁阻效应）、压电/热释电材料（传感与驱动应用）、以及新型能源材料（电池电极材料、燃料电池催化剂）。特别关注智能材料，如形状记忆合金、自修复材料的原理与应用前景。 总结与展望： 全书最后总结了材料科学在应对全球挑战（如可持续发展、能源转型、先进制造）中的核心作用，并指出现代材料研究正向着多尺度模拟、人工智能辅助设计以及极端环境材料开发等方向快速迈进。

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