材料科学导论 融贯的论述PDF电子书下载

综览 1

第1篇 材料的结构 17

第1章 结构问题的不同侧面 17

1.1 健合 17

1.1.1 原子结构和周期表 17

1.1.2 离子键 20

1.1.3 共价键 23

1.1.4 分子 25

1.1.5 金属键 27

1.1.6 弱键 28

1.2 对称性 29

1.2.1 对称操作 29

1.2.2 对称与不对称 30

1.2.3 对称元素的组合 31

1.3 对称破缺--无序与有序 34

1.3.1 概念的引入 34

1.3.2 从概念到现实--有序-无序转变的实例 35

1.3.3 能与熵的角逐--有序-无序转变的物理根源 38

1.3.4 实际结构--有序相中的缺陷 40

1.4 结构与信息 41

1.4.1 信息 41

1.4.2 遗传信息的载体--DNA分子 42

1.4.3 蛋白质分子 44

参考文献 46

2.1 周期结构和点阵 47

16.1 吉布斯相律 47

第2章 晶态 47

2.1.1 点阵 48

2.1.2 点阵与点群的类型 49

2.1.3 点阵的几何关系 53

2.1.4 对称性对物性常量的制约 54

2.2 空间群 55

2.2.1 晶体的微观对称性 55

2.2.2 空间群 56

2.2.3 空间群的国际符号 57

2.2.4 晶体结构的描述 58

2.3 若干晶体结构的实例 60

2.3.1 堆积结构 60

2.3.2 键联结构 62

2.3.3 钙钛矿结构及其家族 65

2.4 超出空间群的结构 67

2.4.1 色群和磁结构 67

2.4.2 无公度调制结构 67

2.4.3 准晶和Penrose拼砌 68

参考文献 70

第3章 非晶态与液晶态 71

3.1 导向非晶态 71

3.1.1 熔化 71

3.1.2 玻璃化转变 73

3.1.3 位置无序的统计描述 75

3.2 无机玻璃 78

3.2.1 无规密堆模型 78

3.2.2 无规网络模型 79

3.2.3 硫系玻璃 81

3.3 聚合物 82

3.3.1 聚合物的结构和构型 82

3.3.2 无规行走的线团模型 84

3.3.3 溶胀的线团 85

3.3.4 交联 87

3.4 液晶态 88

3.4.1 概述 88

3.4.3 近晶相和柱状相 91

3.4.2 向列相和胆甾相 91

3.4.4 溶致液晶(自组装膜的有序结构) 92

3.4.5 聚合物的有序结构 94

参考文献 96

第4章 点缺陷 97

4.1 空位与填隙原子 97

4.1.1 热平衡态的点缺陷浓度 97

4.1.2 点缺陷的形成能 98

4.1.3 点缺陷的迁移激活能 99

4.2 点缺陷的产生 100

4.3 离子晶体中的点缺陷与色心 103

4.3.1 离子晶体中的点缺陷 103

4.3.2 离子导电和超离子导电现象 104

4.3.3 色心 105

4.4 杂质原子 108

参考文献 110

第5章 位错与向错 111

5.1 晶体中位错的几何特征 112

5.2 位错的弹性性质 116

5.3 位错核心结构 118

5.4 位错与其他缺陷之间的交互作用 121

5.4.1 位错间的交互作用 122

5.4.2 位错与溶质原子间的交互作用 123

5.4.3 位错与自由表面的交互作用 124

5.5 位错的产生和增殖 126

5.5.1 位错的产生 126

5.5.2 位错的增殖 128

5.6 向错 131

参考文献 134

6.1.1 晶体外形与表面微观形貌 135

第6章 表面与界面 135

6.1 晶体的表面 135

6.1.2 表面弛豫与重构 138

6.1.3 技术晶体的表面 141

6.1.4 纳米粒子的表面 142

6.2 平移界面 143

6.2.1 堆垛层错 143

6.2.2 反相畴界 147

6.2.3 晶体学切变面 150

6.3.1 反映孪晶界面 152

6.3 孪晶界面 152

6.3.2 旋转孪晶界面 155

6.3.3 铁电畴界 155

6.4 晶界 158

6.4.1 小角度晶界 158

6.4.2 大角度晶界 162

6.5 相界 164

参考文献 166

7.1.1 概述 168

7.1 非均质材料 168

第7章 多层次与非均质材料 168

7.1.2 非均质材料的微结构特征 169

7.1.3 有效媒质近似--二相合金微结构与物性关联问题处理实例 173

7.1.4 非均质介观结构实例 174

7.2 结构的几何相变：逾渗 183

7.2.1 逾渗的概念 183

7.2.2 逾渗的若干实例 185

7.3 无规结构：分形几何 186

7.3.1 支离破碎世界的描述 186

7.3.2 物质结构中的分形 188

参考文献 190

10.4 磁化动力学与铁磁共振 190

8.1.1 波粒二象性 191

第8章 理解物性的基本概念 191

8.1 量子特征 191

第2篇 材料的物性 191

8.1.2 经典统计与量子统计 193

8.2 固态电子理论 198

8.2.1 金属自由电子理论 198

8.2.2 能带概念的引入 199

8.2.3 布里渊区与能态密度 202

8.3.1 简谐近似 205

8.3 晶格振动理论 205

8.3.2 爱因斯坦模型与德拜模型 206

8.3.3 格波与晶格振动模 208

8.4 相互作用的电子体系 210

8.4.1 准粒子体系 210

8.4.2 强磁性与超导电性 211

8.4.3 强关联电子体系 214

参考文献 216

第9章 输运性质 217

9.1 金属与合金的输运性质 217

9.1.1 经典电导理论 218

9.1.2 量子电导理论简介 219

9.1.3 电导的实验研究 221

9.1.4 热电效应 223

9.2 半导体的输运性质 224

9.2.1 半导体的能带 225

9.2.2 载流子和费米能级 226

9.2.3 迁移率和散射 230

9.2.4 霍尔效应 231

9.2.5 p-n结 233

9.2.6 金属与半导体接触 235

9.2.7 光电导与光伏效应(太阳能电池) 238

9.2.8 晶体管 239

9.2.9 量子半导体器件 242

9.3 聚合物、非晶态材料等的输运性质 244

9.3.1 导电聚合物 244

9.3.2 非晶态半导体 248

9.3.3 离子晶体 251

参考文献 253

第10章 磁学性质 254

10.1 材料磁性来源与分类 255

10.1.1 原子磁矩 255

10.1.2 材料磁性概述和分类 258

10.2.1 铁磁有序 264

10.2 磁有序与交换作用 264

10.2.2 反铁磁和亚铁磁性 268

10.2.3 交换作用 272

10.2.4 强磁材料的本征性能 277

10.3 强磁材料的磁畴与磁化 280

10.3.1 影响磁畴结构的能量 280

10.3.2 强磁体中的磁畴结构 283

10.3.3 磁化曲线与磁滞回线 285

10.4.1 磁化进动及转动 290

10.4.2 张量磁化率和铁磁共振 291

10.4.3 自旋波共振 292

10.4.4 磁化与反磁化的动态过程 293

10.5 强磁材料及应用 295

10.5.1 强磁材料按组成与结构的分类 295

10.5.2 强磁材料的应用 296

10.6 巨磁电阻效应和磁电子学 303

10.6.1 磁电阻和巨磁电阻 303

10.6.2 自旋相关导电 304

10.6.3 磁电子学和巨磁电阻的应用 308

参考文献 310

第11章 铁电性质 311

11.1 电介质的极化与铁电性 311

11.1.1 电介质的极化 311

11.1.2 自发极化与铁电性 314

11.2 压电性与热释电性 323

11.2.1 压电性与压电材料 323

11.2.2 热释电性与热释电材料 330

参考文献 332

第12章 超导电性质 333

12.1 引言 333

12.2.1 零电阻效应 334

12.2 超导电性的基本特征 334

12.2.2 迈斯纳效应 336

12.2.3 超导体临界参数 337

12.3 超导体的热力学性质 338

12.3.1 自由能 338

12.3.2 熵 340

12.3.3 潜热 340

12.3.4 比热容 340

12.4.1 二流体模型 341

12.4 迈斯纳态的电磁性质 341

12.3.5 超导能隙 341

12.4.2 London理论 342

12.4.3 G-L理论 344

12.4.4 相干长度 345

12.4.5 表面能 346

12.4.6 磁通量子化 347

12.5 第二类超导体 348

12.6 超导隧道效应 350

12.7 超导电性的微观图像 352

12.7.1 实验和理论的启示 353

12.7.2 电子-声子机制 355

12.7.3 Cooper对 355

12.7.4 BCS理论图像 356

12.8.1 强磁砀超导材料 357

12.8 超导材料 357

12.8.2 超导电子材料 358

12.8.3 高温超导材料 359

参考文献 362

第13章 光学性质 363

13.1 光波在线性介质中的传播 363

13.1.1 光波在均匀的各向同性电介质中的传播 364

13.1.2 光波在导体中的传播 365

13.1.3 光波在各向异性介质中的传播 365

13.1.4 光波在平面介质薄膜波导中的传播 370

13.1.5 光波在光纤中的传播 372

13.1.6 光波在光子晶体中的传播 374

13.2 光发射 376

13.2.1 光的自发辐射和受激跃迁 377

13.2.2 激光产生的原理 379

13.2.3 典型的三能级和四能级激光系统 381

13.2.4 Nd:YVO4和半导体激光器 382

13.2.5 一种新的激光发射机理与材料--纳米硅发光 386

13.3 激光频率变换 387

13.3.1 非线性极化 387

13.3.2 块状晶体中的光频变换 389

13.3.3 光学超晶格中的光频变换 393

13.4 非线性折射率与非线性吸收 397

13.4.1 非线性折射率 397

13.4.2 非线性吸收 403

参考文献 407

第14章 力学性质 409

14.1 弹性与广义弹性 410

14.1.1 弹性参量 410

14.1.2 常规弹性的物理本质 413

14.1.3 高弹性的物理本质 415

14.1.4 粘弹性 417

14.2.1 晶体的理论屈服强度 419

14.2 塑性形变与粘性流变 419

14.2.2 晶体塑性形变的几何学与结晶学关系 423

14.2.3 塑性流变--从低温到高温 426

14.2.4 高聚物粘性流变 430

14.3 断裂 437

14.3.1 理论断裂强度 437

14.3.2 格里菲斯裂纹理论 438

14.3.3 脆性与韧性 441

14.4.1 金属材料的强化 442

14.4 材料的强化和增韧 442

14.4.2 陶瓷材料的增韧 449

14.4.3 复合材料 453

参考文献 455

第3篇 材料制备的科学基础 457

第15章 材料制备的概述 457

15.1 材料合成与加工的意义和内涵 457

15.2 基于液相-固相转变的材料制备 458

15.2.1 从熔体制备单晶材料 458

15.2.2 从熔体制备非晶材料 459

15.2.3 溶液法材料制备 460

15.2.4 溶胶-凝胶法 461

15.3.1 固相反应法制备粉末 463

15.3 基于固相-固相转变的材料制备 463

15.3.2 陶瓷成型和烧结 464

15.3.3 固相外延 465

15.3.4 高压制备 465

15.4 基于气相-固相转变的材料制备 466

15.4.1 真空蒸发镀膜 466

15.4.2 溅射和激光脉冲沉积 467

15.4.3 化学气相沉积 469

15.4.4 分子束外延 470

参考文献 475

第16章 相图原理 476

16.2 杠杆定律 478

16.3 单元体系的温度～压力图(P-T图) 479

16.4.1 匀晶相图 480

16.4 二元相图 480

16.4.2 共晶相图与包晶相图 482

16.4.3 具有中间化合物的相图 484

16.4.4 偏晶相图与综晶相图 486

16.5 三元相图 487

16.5.1 三元相图的表示法 487

16.5.2 三元相图的分类 493

参考文献 499

第17章 固体中的扩散、化学反应与烧结 502

17.1 固体中的扩散 502

17.1.1 扩散的基本特点与唯象理论 502

17.1.2 质点迁移的微观机构与扩散系数 509

17.1.3 扩散的热力学理论 514

17.1.4 短路扩散与非平衡态下点缺陷的扩散 517

17.1.5 带电质点的扩散行为 520

17.1.6 金属中的电迁移和热迁移 521

17.2 固相化学反应 522

17.2.1 固相反应动力学的基本特征 522

17.2.2 固相反应动力学方程 523

17.2.3 影响固相反应的因素 529

17.3 固态烧结 532

17.3.1 固态烧结的初期动力学 533

17.3.2 固态烧结中、后期动力学模型 536

17.3.3 烧结过程中的晶粒生长与二次再结晶 537

17.3.4 液相烧结和热压烧结 539

参考文献 540

第18章 相变的基本原理 541

18.1.1 重构型相变和位移型相变 542

18.1 相变的基本结构特征 542

18.1.2 马氏体型相变 544

18.1.3 有序-无序相变 545

18.1.4 其他形式相变 546

18.2 相变热力学 548

18.2.1 重要的热力学函数 548

18.2.2 一级相变与高级相变 549

18.2.3 朗道相变理论简介 552

18.2.4 朗道理论的推广 554

18.3 固态相变动力学 555

18.3.1 新相胚核形成过程 555

18.3.2 胚核生长和粗化过程 562

18.3.3 相变动力学速率形式理论 568

18.3.4 成核-生长和失稳分解过程 575

18.3.5 失稳分解的动力学方程 579

18.4 结语 584

参考文献 586

第19章 薄膜的外延生长 587

19.1 外延的基本物理过程 587

19.1.1 基本概念 587

19.1.2 表面成核 589

19.1.3 表面动力学 592

19.1.4 外延界面的结构 593

19.2 同质外延 595

19.2.1 同质外延的生长模式 595

19.2.2 杂质分凝与控制 596

19.2.3 Si和GaAs的同质外延 596

19.3.1 异质外延系统的结构与分类 597

19.3 异质外延 597

19.3.2 应变层的稳定性 600

19.3.3 异质外延的生长模式 601

参考文献 602

第20章 生长界面的稳定性--枝晶生长和分形生长 603

20.1 引言 603

20.2 生长界面的稳定条件 605

20.2.1 温度梯并对界面稳定性的影响 605

20.2.2 浓度梯度对界面稳定性的影响 606

20.2.3 界面能对界面稳定性的影响 608

20.2.4 平界面的失稳条件 608

20.3 枝晶生长 611

20.3.1 控制枝晶生长的几个物理因素 612

20.3.2 枝晶主干的生长--针状晶体的生长 614

20.4.1 分形形态的表征 618

20.4 分形的概念和分形聚集 618

20.4.2 由扩散控制的分形聚集过程 620

20.4.3 界面能对聚集形态的影响 622

参考文献 623

第21章 软物质的自组织 624

21.1 引言 624

21.1.1 什么是软物质 624

21.1.2 软物质怎样表现 627

21.2 自组织的原理和控制 628

21.2.1 自组织趋向有序途径 628

21.2.2 软物质自组织的形式 630

21.2.3 控制和设计自组织形貌的途径 639

21.3.1 软物质复相分离的热力学 641

21.3 软物质的复相分离 641

21.3.2 软物质复相分离的动力学 648

21.4 结语：自组装的基本问题和研究前沿 650

参考文献 653

第4篇 展望 654

第22章 材料表征及其进展 654

22.1 性能检测 654

22.2 显微组织分析原理 655

22.2.1 电子与样品相互作用 655

22.2.2 X射线与物质的相互作用 657

22.2.3 离子束分析 658

22.2.4 中子衍射与小角度中子散射 659

22.3.2 结构测定 660

22.3.1 形貌观察 660

22.3 显微结构表征 660

22.3.3 化学组分分析 662

22.4 从材料出发的综合分析 664

22.5 材料性能与组织表征技术发展展望 665

22.5.1 分析技术的交叉与综合 665

22.5.2 分析结果的定量化与可视化 666

22.5.3 低维材料制备与分析测试结合 667

参考文献 668

第23章 材料设计及其进展 669

23.1 什么是材料设计 669

23.2 材料设计的发展概况 670

23.2.1 前期研究的回顾 670

23.2.2 当前面临的挑战 671

23.3 材料设计的范围与层次 672

23.4 材料设计的主要途径 674

23.4.1 材料知识库和数据库技术 674

23.4.2 材料设计专家系统 676

23.4.3 材料设计中的计算机模拟 677

23.4.4 基于第一性原理的计算 679

23.5 基于第一性原理的主要计算方法 680

23.5.1 密度泛函理论 681

23.5.2 准粒子方程，GW近似 682

23.5.3 Car-Parrinello方法 684

23.6 国外研究动态与展望 685

23.6.1 1995年美国NRC的专门报告 685

23.6.2 美国能源部的SSI计划 690

23.6.3 美国西北大学SRG的工作 693

23.7 我国材料设计研究的进展概况 694

参考文献 695

第24章 计算相图及其进展 697

24.1 相图计算的基本原理--Gibbs法则 699

24.2 纯物质的自由能--点阵稳定性常数 700

24.2.1 温度关系模型 700

24.2.2 压力关系模型 701

24.2.3 纯组元相图的计算 701

24.3 热力学模型 702

24.3.1 二元化学计量比相的热力学模型 702

24.3.2 替换溶液模型 702

24.3.3 准化学模型 705

24.3.4 缔合物模型 705

24.3.6 亚点阵模型 707

24.3.5 团簇变分法(CVM法) 707

24.4 相图优化和计算过程 716

24.5 材料优化设计实例--双相不锈钢的成分设计 716

参考文献 721

第25章 材料前沿的若干问题 723

25.1 科学、技术与材料 723

25.1.1 技术对材料研制的促进 723

25.1.2 当代技术的挑战与机遇 724

25.2 新材料发展的主要动向 727

25.2.1 开拓超微结构的领域 727

25.2.2 探测电子关联体系中的宝藏 732

25.2.3 开拓有机材料的新领域 735

25.3 结语 740

参考文献 741