材料性能

前言

　　本書的主題是晶體的各向異性以及性能與結構的關系。基于張量和矩陣提供的數(shù)學框架，對稱性可以幫助確定哪些（物理性能）系數(shù)是否為零，哪些系數(shù)必須相等。然而面對其性能參數(shù)的大小卻無能為力，這更多的取決于原子層面的討論。我曾經(jīng)試圖指出某些晶體化學要素（例如鍵長、配位數(shù)和電子結構）與性能參數(shù)之間的關系。這些關系提供了分子層面的定性理解，對各種工程應用中選擇材料有所幫助?！　”緯?2章，約370頁，涵蓋了材料物理性能方面豐富的主題介紹，貫穿其中的是張量和矩陣的使用。我曾經(jīng)給高年級的本科生和低年級的研究生講授這些內容。教師可以選擇部分內容講授一個學期，或者選擇全書內容講授兩個學期?！　”緯南刃抟笫谴髮W程度的物理和化學，在美國的大學里這些課程通常在第一年或第二年開設。對張量和矩陣代數(shù)沒有特殊的要求，但最好有基本的晶體學知識。　　在講授這門課程和撰寫這本書的時候，我的頭腦里產(chǎn)生了如下一些問題：　　物理性能如何依賴于晶體的方向？　　在數(shù)學上，如何描述這些性能，它們的幾何表象是什么樣的？　　矩陣表示和張量描述有什么樣的不同？　　極張量和軸張量描述的性能有什么不同？什么因素決定了張量的階數(shù)？　　如何測量物性參數(shù)？這些參數(shù)如何被溫度、頻率、壓力和外場等測量條件影響？　　對稱性如何影響物理性能？　　對稱性如何影響物性參數(shù)使其為零或兩兩相等，需要多少次測量才能完全確定材料的性能？　　各向異性如何與晶體結構及織構關聯(lián)？　　材料物性的取向特征，是否表示結構中存在對應的系列層結構？

內容概要

　　《材料性能(各向異性對稱性與結構影印版)》是世界著名材料科學家羅伯特·E·紐納姆教授為具有中等物理和化學背景的大學理工科學生所寫的一本材料科學經(jīng)典教材。它以張量、矩陣為基本數(shù)學工具，以晶體物理和化學為基礎理論，以對稱性、各向異性和結構與性能的關系為線索，配以豐富的插圖和表格，以及大量的實驗數(shù)據(jù)，系統(tǒng)闡述了晶體物理和化學的基本原理以及晶體和其他構型材料的熱力學、力學、電學、磁學、聲學和光學性能特點，仔細分析了材料的熱電、壓電、電磁、熱磁、聲電、光電等各種物理化學效應，討論了鐵性體、聲學、非線性光學等其他同類教材很少涉及的主題，介紹了材料的鏡像異構、旋光性和化學各向異性等知識。　　《材料性能(各向異性對稱性與結構影印版)》的特色在于以張量和矩陣為數(shù)學工具來處理和分析晶體的物理和化學問題，揭示物理現(xiàn)象背后的化學和結構根源，闡明其中的結構與性能的關系，并以大量實驗數(shù)據(jù)驗證所做的分析，比較各種不同的結構與性能關系，表述清晰、深入淺出、簡明易懂，是一本極為難得的經(jīng)典教材。

作者簡介

　　羅伯特·E·紐納姆（Robert E.Newnham，1929-2009）博士生前是美國賓夕法尼亞州立大學材料研究所的Alcoa固態(tài)科學榮譽退休教授，美國國家工程院院士，國際陶瓷科學院院士，美國陶瓷學會榮譽終身會士。他是復合壓電傳感器的奠基人，在鐵電材料領域做出了享譽世界的研究工作。他一生獨立或合作發(fā)表了500多篇學術論文，出版了5部學術著作，持有20多項專利，獲得了數(shù)十項學術或教育獎。他在上世紀五十年代早期從哈特威克學院獲得了數(shù)學學士學位，從科羅拉多州立大學獲得了物理學碩士學位，并于1956年獲得賓夕法尼亞州立大學物理學博士學位，1960年獲得英國劍橋大學晶體學博士學位。他曾在劍橋大學卡文迪許實驗室和在麻省理工學院電氣工程系工作了10年，自1966年起在賓夕法尼亞州立大學任教。　　叢書主編簡介：　　姚熹，1935年生于中國江蘇蘇州，1957年畢業(yè)于交通大學電機系，1982年獲美國賓夕法尼亞州立大學固態(tài)科學博士學位，1957年至今在西安交通大學任教，1984年起任西安交通大學教授、姚熹教授1989年當選國際陶瓷科學院首批院士，1991年當選中國科學院院士，2002年當選美國陶瓷學會會士，2007年因”在電子陶瓷科學和工程創(chuàng)新方面做出了杰出貢獻”當選美國國家工程院外籍院士。

書籍目錄

1 緒論1.1 概要1.2 結構一性能關系1.3 物理性能的對稱性1.4 原子級的觀點：密度2 變換2.1 為什么要變換2.2 坐標變換2.3 正交性2.4 常規(guī)旋轉（歐拉角）3 對稱性3.1 對稱操作3.2 對稱元素和極射赤面投影3.3 點群及其極射赤面投影圖3.4 晶體學術語3.5 全體點群4 對稱元素的變換操作4.1 晶體學對稱元素的變換操作4.232 個晶族的變換操作4.3 標準設定4.4 居里群對稱性5 張量和物理性能5.1 物理性能5.2 極張量和張量性能5.3 軸張量性能5.4 幾何表示5.5 諾依曼原理5.6 諾依曼原理的解析形式6 熱力學關系6.1 線性系統(tǒng)6.2 耦合作用：麥克斯韋關系6.3 測量條件7 比熱和熵7.1 固體比熱7.2 晶格振動7.3 熵和磁卡效應8 熱電性8.1 熱電和電卡張量8.2 對稱性限制8.3 極軸8.4 幾何表示8.5 熱電測量8.6 初級和二級熱電效應8.7 熱電材料8.8 溫度依賴性8.9 應用9 介電常數(shù)9.1 介電常數(shù)的起因9.2 介電張量9.3 對稱性的影響9.4 實驗方法9.5 幾何表示9.6 多晶電介質9.7 結構一陛能關系10 應力和應變10.1 機械應力10.2 應力變換10.3 應變張量10.4 應變的矩陣變換11 熱膨脹11.1 對稱性的影響11.2 熱膨脹測量11.3 結構-性能關系11.4 溫度依賴性12 壓電性12.1 張量和矩陣形式12.2 矩陣變換和諾依曼原理12.3 壓電對稱群12.4 實驗技術12.5 結構一性能關系12.6 靜水壓電效應12.7 壓電陶瓷12.8 實際壓電體：石英晶體13 彈性13.1 張量和矩陣系數(shù)13.2 張量和矩陣變換13.3 剛度一柔順度關系13.4 對稱性的影響13.5 工程參數(shù)和測量方法13.6 各向異性和結構一性能關系13.7 壓縮率13.8 多晶平均13.9 溫度系數(shù)13.10 石英晶體諧振器14 磁現(xiàn)象14.1 基本概念和單位14.2 磁結構和時間反演14.3 磁點群14.4 磁軸矢量14.5 飽和磁化和熱磁性14.6 磁化率和磁導率14.7 抗磁和順磁晶體14.8 磁化率測量14.9 磁電性14.10 壓磁性14.11 小結15 非線性現(xiàn)象15.1 非線性介電現(xiàn)象15.2 非線性彈性性能15.3 電致伸縮15.4 磁致伸縮15.5 磁致伸縮建模15.6 磁致伸縮致動器15.7 電磁致伸縮和贗壓電性16 鐵性晶體16.1 自由能表達式16.2 鐵彈性16.3 鐵磁性16.4 磁各向異性16.5 鐵電性16.6 二階鐵性體：鐵雙電性和鐵雙磁性16.7 二階鐵性體：鐵雙彈性和鐵彈電性16.8 二階鐵性體：鐵磁電體和鐵磁彈體16.9 序參量17 電阻率17.1 張量和矩陣關系17.2 電阻率測量17.3 電極金屬17.4 各向異性導體17.5 半導體和絕緣體17.6 帶隙和遷移率17.7 非線性行為：壓敏電阻和熱敏電阻17.8 準晶18 熱導率18.1 張量本質和實驗18.2 結構一性能關系18.3 溫度依賴性18.4 場依賴性19 擴散和離子電導率19.1 定義和張量表達式19.2 結構一性能關系19.3 離子電導率19.4 快離子導體……20 電磁和熱磁現(xiàn)象21 熱電性22 壓阻性23 聲波（一）24 聲波（二）25 晶體光學26 色散和吸收27 光彈性和聲光學28 電光現(xiàn)象29 非線性光學30 旋光性和鏡像異構性31 磁光學32 化學各向導性深化閱讀索引

章節(jié)摘錄

　　6.3 Measurement conditions　　Fig. 7.1 shows the specific heat measured under two different boundary conditions: at constant pressure p, and constant volume V. Over much of the temperature range Ce and Cv are nearly equal but the two curves begin to diverge above room temperature. Typically they differ by a few percent. Other boundary conditions become important for electrical and magnetic measurements, and for ultrasonic and optical experiments carried out at higher frequencies.　　Experimentalists often find it difficult to maintain ideal measurement conditions. Isothermal （T constant） experiments are carried out slowly to keep the sample in equilibrium with its surroundings at all times. Adiabatic （S constant） measurements are conducted in such a way that heat does not flow in or out of the specimen. This can be done by thermally isolating the sample from the environment or by making measurements faster than the times needed for heat transfer. These adiabatic experiments are referred to as dynamic, in contrast with the static isothermal tests.　　Speed is also important in meeting mechanical boundary constraints. In a mechanically free or unclamped （constant stress X） test, the sample is allowed to slowly deform. Deformation takes time because strain travels with the speed of sound. By careful control of the mounting scheme it is possible to carry out such tests under static conditions. Mechanically clamped （constant strain x） experiments are difficult at low frequencies because they require that the crystal be surrounded by a medium of infinite stiffness. Normally they are carried out at high frequencies in which the deformations are too slow to follow the external fields or forces.　　Magnetic and electric boundary conditions are sometimes important as well. Electrically free （E constant） conditions are met by keeping the surface at a constant potential. Short-circuiting the sample with a metal coating accomplishes this result. Embedding the specimen within a high permeability matrix ensures a magneticaUy free （ H constant） environment. Electrically clamped （ P constant） or magnetically clamped （I constant） boundary conditions are not easy to satisfy since some polarization and magnetization mechanisms are capable of following very high frequencies. Working under open-circuit conditions is often the best that can be done. Mobile domain walls make significant contributions to the polarization and magnetization in ferroelectric and ferromagnetic substances. The nucleation and growth process involved in wall motion requires time so that this process is effectively clamped at high frequencies.

編輯推薦

　　本書以張量、矩陣為基本數(shù)學工具，以晶體物理和化學為基礎理論，以對稱性、各向導性和結構與性能的關系為線索，配以豐富的插圖和表格，以及大量的實難數(shù)據(jù)，系統(tǒng)闡述了品體物理和休學的基本原理以及晶體和其他構型材料的熱力學、力學、電學、磁學、聲學和學光生能特點仔細分析了材料的熱電、壓電、電磁、熱磁、聲電、光電等各種物理化學效應，討論了鐵性體、聲學、非線性光學等其他同類教材很少涉及的主題，介紹了材料的鏡像異構、旋光性和化學各向異性等知識。

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