Materials Science for Engineering Students

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出版者:
作者:Fischer, Traugott
出品人:
页数:600
译者:
出版时间:2008-11
价格:705.00元
装帧:
isbn号码:9780123735874
丛书系列:
图书标签:
  • 材料科学
  • 工程材料
  • 材料工程
  • 材料特性
  • 材料结构
  • 材料应用
  • 金属材料
  • 聚合物材料
  • 陶瓷材料
  • 复合材料
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具体描述

Materials Science for Engineering Students offers students of introductory materials science and engineering, and their instructors, a fresh perspective on the rapidly evolving world of advanced engineering materials. This new, concise text takes a more contemporary approach to materials science than the more traditional books in this subject, with a special emphasis on using an inductive method to first introduce materials and their particular properties and then to explain the underlying physical and chemical phenomena responsible for those properties. The text pays particular attention to the newer classes of materials, such as ceramics, polymers and composites, and treats them as part of two essential classes, structural materials and functional materials, rather than the traditional method of emphasizing structural materials alone.

*Presents balanced coverage of both structural and functional materials.

*Types of materials are introduced first, followed by explanation of physical and chemical phenomena that drive their specific properties.

*Strong focus on engineering applications of materials

*The first materials science text to include a whole chapter devoted to batteries.

*Provides clear, mathematically simple explanations of basic chemistry and physics underlying materials properties.

固体物理导论:原子、晶格与电子行为 作者: [此处可以虚构一位资深教授的名字,例如:张伟, 王芳] 出版社: [此处可以虚构一家专业科技出版社的名称,例如:现代科学出版社] 版次: 第一版 ISBN: [此处可以虚构一个ISBN号] 页数: 约650页 --- 图书简介 面向对象: 本书旨在为物理学、化学、电子工程、机械工程等理工科专业高年级本科生和研究生提供一套全面且深入的固体物理学基础知识。它着重于从微观层面理解材料的宏观性质,是深入研究凝聚态物理、半导体物理、材料科学等前沿领域的必要基石。 内容概述: 《固体物理导论》系统地阐述了晶体结构的形成、电子在周期性势场中的运动规律,以及由此衍生的材料热学、电学、磁学和光学特性。本书不直接聚焦于工程应用中的具体材料(如合金、陶瓷或聚合物的微观结构设计),而是建立起坚实的理论框架,解释为什么这些材料会表现出特定的物理行为。全书内容涵盖以下核心模块: 第一部分:晶体结构与晶格动力学 本部分从几何学的角度,对晶体的周期性结构进行了详尽的描述。 1. 晶体学的基本概念: 介绍了晶格、晶胞、布拉菲点阵的概念,详细讨论了十种主要的晶体结构类型(如面心立方、体心立方、六方紧密堆积等)及其晶体学描述(如密堆积指数、晶面指数和晶向指数)。重点解析了晶体结构的对称性及其对材料宏观性质的影响。 2. X射线衍射与倒易点阵: 深入讲解了劳厄方程和布拉格定律,阐明了X射线衍射作为确定晶体结构的主要实验手段的原理。随后引入了抽象的倒易点阵(Reciprocal Lattice)概念,这对理解电子在晶体中的能带结构至关重要。 3. 晶格振动与声子理论: 讨论了原子在晶格中的集体振动模式。从一维单原子链和双原子链的色散关系出发,推导出声子(Phonon)的概念。详细分析了声子的概念如何解释材料的比热容(如德拜模型),并探讨了声子-电子相互作用对导电性的影响。 第二部分:电子的能带理论 这是本书的核心,旨在解释为什么导体、半导体和绝缘体在电子性质上存在根本差异。 1. 自由电子模型及其局限性: 从经典和简单的量子力学角度回顾了费米气体模型,计算了费米能级、费米面和电子的比热容,并指出了该模型无法解释固体中的电学绝缘现象。 2. 周期性势场中的电子运动(布洛赫定理): 详细推导并阐述了布洛赫定理(Bloch Theorem),这是固体物理学的基石。基于该定理,引入了能带(Energy Bands)和能隙(Band Gaps)的概念,解释了电子在周期势场中运动的独特行为。 3. 近似方法与能带计算: 介绍了计算能带结构的常用方法,如紧束缚近似(Tight-Binding Approximation)和近自由电子近似(Nearly Free Electron Model)。通过分析布里渊区(Brillouin Zone)内的能量分布,直观地展示了导带、价带的形成过程。 4. 费米面与输运性质的基础: 深入分析了费米能级在不同材料中的位置,以及它如何决定材料的导电类型。解释了有效质量(Effective Mass)的概念,这是描述电子在晶格中加速行为的关键参数。 第三部分:电子的输运与热学性质 本部分将理论框架应用于解释宏观可测量的电学和热学特性。 1. 电导率与散射机制: 结合玻尔兹曼输运方程(Boltzmann Transport Equation),推导了电导率的经典表达式。详细分析了主要的电子散射机制,包括晶格缺陷散射(声子散射)和杂质散射,以及它们对电阻率随温度变化的影响。 2. 半导体的基础物理: 聚焦于本征半导体和掺杂半导体。详细讨论了载流子(电子和空穴)的产生与复合过程,以及费米能级在禁带中的漂移。重点分析了N型和P型半导体的载流子浓度计算,为后续器件物理奠定基础。 3. 热输运: 基于声子理论,讨论了材料的热导率,区分了电子对热导的贡献与声子对热导的贡献。探讨了热电效应(塞贝克效应、珀尔帖效应)的微观起源。 第四部分:磁性与光学特性 本部分扩展讨论了电子的自旋效应以及光与物质的相互作用。 1. 磁性理论基础: 从朗之万理论回顾抗磁性和顺磁性。重点深入研究铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性的微观起源,特别是泡利不相容原理和交换作用(Exchange Interaction)在铁磁有序化中的作用。引入了平均场理论对磁畴的描述。 2. 光学响应: 讨论了光子与电子的相互作用。解释了吸收、发射和透射光谱的物理机制,以及在能带理论框架下如何理解材料的颜色和透明度。简要介绍了介电函数和晶格极化对光传播的影响。 本书特色: 理论深度与严谨性: 本书在推导过程中力求完整和严谨,避免过度简化关键的量子力学概念。 强调物理图像: 尽管数学推导繁复,但作者始终致力于构建清晰的物理图像,帮助读者理解抽象概念(如倒易空间、布洛赫电子波包)的物理意义。 丰富的例题与习题: 每章末均附有大量的计算题和概念题,旨在巩固读者对核心理论的掌握,并引导其探索更深入的物理问题。 目标读者将收获: 通过系统学习本书,读者将能够熟练运用量子力学和统计物理学的工具来分析任何晶体材料的本征物理性质。读者将不再满足于将材料视为“黑箱”,而是能够从原子排列和电子能级结构的角度,解释和预测材料的导电性、导热性、磁响应和光学行为。本书为进入更高级的凝聚态物理研究、半导体器件物理设计、或先进功能材料的理论建模提供了无可替代的坚实基础。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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坦率地说,这本书在某些基础理论的深度上处理得有些过于“务实”了,这对于那些想深入探究材料本征物理机制的读者来说,可能会感到略微的不足。例如,在深入探讨半导体物理或聚合物链动力学时,作者似乎更倾向于提供一个可用的模型描述,而不是花费大量的篇幅去推导其背后的量子力学基础或是热力学涨落。我个人认为,对于想要未来从事材料研发而非单纯工程应用的人来说,这本书的理论深度略显保守。它更像是一本优秀的“工程材料速查手册”与“基础概念入门指南”的结合体,优点在于清晰、易懂、聚焦于应用结果,但缺点也很明显——当你试图深挖“为什么是这样”的根源时,书中的解释往往戛然而止,需要读者自行跳转到其他更专业的参考资料去补课。不过话说回来,考虑到其面向“工程学生”的定位,这种取舍是可以理解的。毕竟,在有限的学时内,掌握主流材料的性能边界和设计规范,比掌握复杂的推导过程可能更为重要。只是希望未来修订版中,能在一些关键的本征性质部分增加更详尽的数学或物理背景介绍,以满足不同层次读者的需求。

评分☆☆☆☆☆

从对比角度来看,这本书在对先进制造技术——特别是增材制造(3D打印)——的整合方面显得相对滞后和保守。尽管它提到了增材制造的重要性,但对其内在的冶金学挑战(如残余应力控制、致密度控制、层间结合强度)的探讨深度远远不如对传统铸造和锻造工艺的论述详尽。我们都知道,当前制造业的革新热点正在向增材制造倾斜,尤其是金属增材制造对材料微观组织的影响是颠覆性的。然而,这本书在描述通过激光熔池快速凝固形成的特殊非平衡态组织时,仅仅是泛泛而谈,缺乏对扫描策略、粉末特性如何影响最终宏观性能的深入解析。这使得这本书在时效性上稍逊一筹,对于那些渴望学习前沿制造技术如何与材料科学深度融合的学生来说,它提供的知识点可能很快就会过时。如果能用与探讨传统热处理同等的篇幅和深度去剖析选择性激光熔化(SLM)中的凝固与相变过程,这本书的价值无疑会大大提升,使其更具前瞻性和竞争力。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和图示设计简直是一场灾难,严重拉低了阅读体验。我们都知道,材料科学是高度依赖视觉信息的学科,晶格结构、微观形貌、应力-应变曲线,这些都需要清晰、高质量的插图来辅助理解。然而,这本书的许多插图,尤其是那些涉及到三维晶体结构的示意图,分辨率极低,线条模糊不清,配色也极其陈旧,仿佛是从上世纪八十年代的期刊上直接扫描下来的。有几次我试图对照文字描述去理解某个特定的晶界缺陷时,由于图示的模糊性,我不得不花费额外的二十分钟去网上搜索更清晰的替代图片。更令人抓狂的是,书中很多关键公式的排版也显得非常拥挤和混乱,变量下标和上标经常挤在一起,极大地增加了阅读时的认知负荷。这种对视觉呈现的漠视,对于一本旨在传授复杂结构与性能关系的教材来说,是不可原谅的失误。如果出版商能投入资源进行一次全面的图文重制,这本书的价值将至少提升一个档次。目前来看,它更像是一份快速出版的草稿,而非一本精雕细琢的教学用书。

评分☆☆☆☆☆

我必须高度赞扬这本书在“失效分析与预防”章节的处理方式。这部分内容处理得异常精彩和实用,完全体现了工程教育的核心价值——即如何避免灾难性的失败。它没有泛泛而谈,而是采用了大量的真实案例研究作为切入点,比如航空发动机叶片的热腐蚀、管道的氢脆问题,甚至是电子封装中的热膨胀失配。作者对每一种失效模式的分析都采用了非常系统化的流程:首先描述宏观现象,接着剖析微观机制(如晶间腐蚀、蠕变),最后给出实际工程中可以采取的预防措施(如表面涂层、热处理工艺优化)。这种结构化的思维训练,对于一个未来的工程师来说,比单纯记住材料性能参数重要得多。通过阅读这些案例,我学会了如何像一个“材料侦探”一样去思考:当一个结构发生故障时,应该从哪些角度入手去排查是材料选择错误、设计载荷过高,还是制造工艺引入了隐患。这种以问题为导向的教学方法,极大地激发了我主动思考材料在真实工作环境中的复杂行为模式。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直是为我这种刚踏入材料科学大门的“小白”量身定做的!我之前对那些复杂的晶体结构图和相变曲线简直是望而生畏,总觉得离实际工程应用太遥远。然而,这本书的叙述方式非常注重“工程实践”的视角,它不是一味地堆砌理论公式,而是把每一种材料的特性、制备方法和失效机制都和我们日常遇到的工程问题紧密联系起来。比如,在讲到金属疲劳时,作者并没有停留在微观裂纹扩展的细节上,而是深入分析了桥梁设计中如何通过控制应力集中来延长结构寿命,这种“知其所以然”的讲解方式,让我对材料的可靠性有了更直观的认识。特别是它对新材料如复合材料和智能材料的介绍,虽然篇幅不算特别多,但介绍的切入点非常精准,直指当前工业界最关注的性能-成本平衡问题。读完关于陶瓷部分后,我立刻能理解为什么在高温燃气轮机叶片上选择特定材料组合的关键考量了。总而言之,这本书成功地搭建了一座理论与工程应用之间的坚实桥梁,它让我不再觉得材料科学是一门高不可攀的学科,而是一门解决实际工程难题的实用工具。如果你是工程专业学生,急需一本能快速上手、指导实践的教材,这本书绝对值得拥有,它让你从“学知识”转向“用知识”。

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