具体描述
本实验教材是清华大学化学工程类系列教材的一部分。
本书从化学工程学科发展对相关实验教育所提出的要求出发，重新构造教学内容框架，突出现代化学工程从单元技术研究向化学产品为对象的综合技术研究转变的特点。本书第1部分包括典型物系热力学性质、电化学性质和生物质体系浓度分析实验；第2部分在研究不同条件下乙醇-水体系气液平衡关系变化的基础上，确定萃取精馏分离乙醇-水体系的工艺条件，将热力学原理和分离工程实践相结合；第3部分以污水处理与回用过程为研究对象，将膜分离、环流型反应器等化工新技术引入实验，内容覆盖材料科学、环境保护、计算机控制等多学科的技术领域，充分体现化工过程多学科技术综合的特点。
本书可作为高等学校化工、化学、环境、生物等专业的实验教材，也可作为过程工程等领域科研和继续教育的参考资料。
《现代材料科学基础与应用》 内容概要： 本书全面系统地介绍了现代材料科学的基础理论、实验技术及其在各个工程领域中的前沿应用。全书分为四个主要部分：材料结构与性能、先进材料设计与制备、材料表征与分析技术、以及功能材料与器件应用。旨在为材料学、化学工程、物理学及相关交叉学科的本科生、研究生以及科研人员提供一本深入且实用的参考教材。 第一部分：材料结构与性能（约350字） 本部分聚焦于材料的微观结构如何决定其宏观物理、化学和机械性能。首先，详细阐述了晶体结构、晶格缺陷（点缺陷、线缺陷、面缺陷）的类型、形成机制及其对材料力学性能的影响，特别是位错运动与塑性变形的关系。接着，深入探讨了非晶态材料的结构特征，如短程有序和长程无序，并介绍了玻璃化转变温度的概念及其重要性。 在性能方面，重点分析了金属、陶瓷和高分子材料的本征性能差异。针对金属材料，阐述了相变、析出强化、固溶强化等强化机制；对于陶瓷材料，分析了其高硬度、耐高温性背后的离子键和共价键特性，以及晶界在断裂过程中的作用。高分子部分，则侧重于链结构、结晶度、玻璃化转变和橡胶态转变对材料粘弹性行为的控制。此外，本部分还引入了计算材料学的基础概念，如第一性原理计算（DFT）在预测材料电子结构和反应活性中的应用，为后续的材料设计打下理论基础。 第二部分：先进材料设计与制备（约400字） 本部分着眼于如何根据特定需求设计和合成具有特定功能的先进材料。在设计理念上，强调“性能导向”的材料创制，介绍了高熵合金、梯度材料和纳米复合材料的构思原则。 制备技术是本部分的重点。在金属材料方面，详细介绍了快速凝固技术（如熔纺、雾化法）在细化晶粒、抑制偏析方面的优势，以及粉末冶金法在高密度、难熔材料制备中的应用。对于陶瓷材料，涵盖了固相烧结、液相烧结以及溶胶-凝胶法（Sol-Gel）在制备高纯度、高均匀性薄膜和粉体方面的应用。 高分子合成部分，不仅复习了传统的自由基聚合、缩聚反应，更侧重于精确控制聚合方法的进展，如活性/可控自由基聚合（ATRP, RAFT），以实现对分子量分布和拓扑结构（如星形、刷形聚合物）的精确调控。最后，探讨了利用3D打印（增材制造）技术，如选择性激光熔化（SLM）和立体光刻（SLA），实现复杂结构材料快速成型的最新进展及其面临的组织控制挑战。 第三部分：材料表征与分析技术（约400字） 准确的材料表征是理解和优化材料性能的关键。本部分系统介绍了现代材料科学中最常用和最先进的分析技术，并侧重于如何从获取的数据中提炼出结构信息。 结构分析方面，重点阐述了X射线衍射（XRD）在确定晶相、晶格常数和结晶度方面的应用，以及透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）在微观形貌观察、晶体结构成像和元素分析（EDS/EELS）中的核心作用。特别地，详细解析了高分辨透射电镜（HRTEM）如何用于直接观察晶格、晶界和纳米尺度的界面结构。 性能测试方面，涵盖了全面的力学性能测试，包括拉伸、压缩、冲击韧性（如Charpy和Izod测试）以及疲劳和蠕变行为的测试标准和数据解读。化学和热性能分析则包括差热分析（DSC）和热重分析（TGA）在确定相变温度、热稳定性和组分分析中的应用。此外，还介绍了光谱学技术，如傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱，用于识别分子结构和化学键合状态。 第四部分：功能材料与器件应用（约350字） 本部分将理论和制备知识应用于具有特定电、磁、光、热或生物功能的先进功能材料的开发与应用。 在电子和光学材料领域，深入探讨了半导体材料的能带理论、掺杂机制及其在晶体管和光电器件（LED, 太阳能电池）中的应用。重点分析了钙钛矿材料作为下一代光伏材料的潜力和挑战。磁性材料部分，介绍了硬磁材料和软磁材料的特性，以及磁记录和磁存储技术中的核心概念，如磁滞回线和斯皮恩电子阻抗效应。 能源材料是本部分的重要组成部分，详细讨论了锂离子电池电极材料（正极、负极、电解质）的结构要求和电化学性能，以及固态电池的发展趋势。对于催化材料，阐述了多相催化中活性位点的设计、负载型催化剂的制备策略及其在绿色化学过程中的应用。最后，探讨了生物医用材料，包括生物相容性、可降解聚合物以及用于组织工程和药物缓释系统的先进材料设计思路。本书力求全面覆盖材料科学的广度和深度，激励读者将基础知识应用于解决实际工程难题。
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