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頁數:249

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出版時間:2010-2

價格:29.80元

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isbn號碼:9787122072665

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《現代材料科學導論》內容簡介 第一章 晶體結構與缺陷 本章深入探討瞭固體材料的基礎——晶體結構。我們將從宏觀的晶格概念入手，詳細解析晶體點陣、晶胞以及布拉維點陣的分類與特徵。重點內容包括常見晶體結構的幾何學描述，如麵心立方（FCC）、體心立方（BCC）以及六方緊密堆積（HCP）結構的堆積密度和配位數計算。此外，本章會係統闡述晶體缺陷的分類及其對材料宏觀性能的決定性影響。從零維缺陷（點缺陷：空位、間隙原子、取代原子）的統計熱力學模型，到綫缺陷（位錯）的類型（刃位錯、螺型位錯）及其運動機製（滑移和攀移），再到麵缺陷（晶界、孿晶界）的形成與能態，為後續理解材料的塑性變形、導電性以及擴散過程奠定堅實的微觀基礎。材料的生長過程與定嚮凝固技術也將作為案例進行介紹。 第二章 熱力學基礎與相圖 本章聚焦於材料科學的核心理論框架——熱力學。我們將迴顧和深化熱力學基本定律（特彆是第二定律在材料係統中的應用，如熵增原理和吉布斯自由能最小化原理）。重點講解化學勢、活度等概念，它們是理解多組分係統平衡的關鍵。相律（吉布斯相律）的推導及其在單組分、雙組分係統中的應用是本章的重點。我們將詳盡分析不同類型的相圖，包括一元（如水體係）和二元（如Fe-C、Cu-Ni、Pb-Sn）相圖。針對二元相圖，將深入探討其上的各種平衡過程：固溶體、化閤物的形成、共晶反應、共析反應以及包晶反應的微觀過程和熱力學驅動力。利用熱力學數據（如溶解熱、混閤焓、構型熵）對固溶體穩定性的預測，將為閤金設計提供理論指導。 第三章 動力學基礎：擴散、反應速率與相變 材料的許多性能，如燒結、蠕變、腐蝕和熱處理，都依賴於原子尺度的遷移和過程演化。本章將係統闡述材料科學中的擴散理論。我們將從非平衡態熱力學齣發，推導菲剋第一定律和第二定律，重點討論晶格擴散（取代式、間隙式）和晶界擴散機製。通過阿倫尼烏斯方程，分析擴散係數與溫度的關係，並結閤實際案例（如滲碳過程）講解擴散在工程中的應用。 隨後，本章轉嚮反應動力學。我們將介紹非平衡相變理論，特彆是成核與長大機製。從經典的拉普拉斯方程齣發，分析熱力學驅動力（過冷度）與形核率之間的關係。在相變動力學方麵，金斯通-約翰遜-安德烈斯（KJA）方程被用於定量描述相變過程隨時間的變化。最後，我們將探討熱處理過程中的時效析齣、析齣相的粗化（奧斯瓦爾德熟化）以及與擴散相關的宏觀現象，如氧化皮的生長動力學。 第四章 電子結構與電學性能 理解材料的宏觀電學性質，必須從其微觀電子結構入手。本章將介紹量子力學基礎對固體能帶理論的貢獻。重點闡述德魯德模型、索末菲模型在金屬導電性解釋上的局限性，以及布洛赫定理對電子在周期性晶格中運動的描述。通過能帶結構理論，我們將區分導體、半導體和絕緣體，並詳細分析費米能級的位置與材料導電性的關係。 對於半導體材料，本章將深入探討本徵半導體與雜質半導體的載流子濃度、遷移率計算，以及PN結的形成與肖特基勢壘。此外，本章還將涉及固態電池、電解質中的離子導電性，以及鐵電體、壓電材料的介電響應機理，為功能材料的設計提供電學基礎視角。 第五章 機械性能與本構關係 本章是材料科學中關於力學行為分析的核心章節。首先，我們將研究材料在靜力載荷下的彈性變形，推導鬍剋定律，定義楊氏模量、剪切模量和泊鬆比，並介紹應力-應變張量的具體錶達。隨後，重點轉嚮塑性變形。詳細分析位錯滑移如何導緻宏觀塑性，並探討加工硬化（應變硬化）的微觀機製。 在本章的後半部分，我們將討論斷裂力學的基礎。引入Griffith裂紋理論和應力強度因子概念，解釋材料的韌性與脆性行為的判據。重點分析疲勞斷裂的機製（包括低周和高周疲勞），並介紹蠕變（高溫下的時間依賴性變形）的穩態與瞬態階段。通過拉伸試驗、衝擊試驗等標準測試方法，將理論與實際的力學性能錶徵聯係起來。 第六章 光學與磁學性能 本章探討材料對光與磁場的響應。在光學方麵，首先分析光與物質相互作用的微觀機理，包括吸收、透射、反射和散射。講解在不同材料（金屬、介質、半導體）中光的傳播特性，如摺射率、色散關係和吸收係數。重點介紹光電器件（如LED、太陽能電池）中光激發電子的機製。 在磁學方麵，本章將從電子的軌道運動和自鏇角動量齣發，係統介紹磁性的微觀起源。詳細闡述順磁性、抗磁性和鐵磁性的物理本質。著重分析鐵磁性材料中的磁疇結構、磁疇壁運動及其對宏觀磁滯迴綫的影響。此外，還將討論軟磁材料和硬磁材料的設計原則，以及在現代信息存儲技術中應用的磁阻效應。 第七章 錶麵與界麵工程 材料的性能往往由其錶麵和界麵性質決定。本章關注錶麵敏感性。首先介紹錶麵能和錶麵張力的概念，以及它們在潤濕性、吸附和催化過程中的作用。詳細討論薄膜生長技術，包括物理氣相沉積（PVD，如濺射、蒸發）和化學氣相沉積（CVD），並分析不同生長模式（如Frank-van der Merwe, Volmer-Weber）。 界麵部分將重點分析異質結構（如晶界、相界麵）對電荷傳輸、擴散和機械強度的影響。引入界麵熱力學，解釋界麵能的貢獻。最後，本章將涉及錶麵改性技術，如離子注入和錶麵氧化，以優化材料在特定環境下的工作性能。 第八章 導論：材料的選擇、設計與可持續性 本章旨在將前述的微觀原理應用於實際的材料工程決策中。我們將討論材料的性能數據庫與材料選擇的係統方法，如米勒指數圖（Ashby Charts），如何根據給定的工程需求（如高比強度、低熱導率）篩選齣最閤適的材料體係。 此外，本章將引入材料設計的先進理念，包括復閤材料（如層狀、縴維增強復閤材料）的性能預測，以及納米結構材料（如量子點、納米綫）帶來的新穎性質。最後，探討材料生命周期評估（LCA）以及綠色化學原則在材料開發中的應用，強調資源的有效利用和環境影響最小化的重要性。

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