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科学效应合集
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晶体缺陷对材料性能的影响现状研究
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晶体缺陷对材料性能的影响现状研究
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3秒自动关闭窗口【晶体】大致了解晶体是什么——日
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【晶体】大致了解晶体是什么——日
前段时间在百度 晶体化学吧 看到不少大神做的可爱的晶体，虽说没有太大实际用处，但作为装饰品和学习对象还是很有趣的。这些天化学上就一直在研究晶体，虽说应该在试验之前来总结，但由于中三时间原因，一直放到现在……（本文资料摘抄自网络）【百度百科——晶体】晶体（crystal）是有明确衍射图案的固体，其原子或分子在空间按一定规律周期重复地排列。晶体中原子或分子的排列具有三维空间的周期性，隔一定的距离重复出现，这种周期性规律是晶体结构中最基本的特征。& & &【概述】固态物质分为晶体和非晶体。从宏观上看——晶体都有自己独特的、呈对称性的形状，如食盐呈立方体；冰呈六角棱柱体；明矾呈八面体等。非晶体的外形则是不规则的。晶体在不同的方向上有不同的物理性质，如机械强度、导热性、热膨胀、导电性等，称为各向异性。非晶体的物理性质却表现为各向同性。晶体有固定的熔化温度——熔点（或凝固点）。非晶体则是随温度的升高逐渐由硬变软，而熔化，非晶体没有固定的熔点。
晶体和非晶体所以含有不同的物理性质，主要是由于它的微观结构不同。组成晶体的微粒──原子是对称排列的，形成很规则的几何空间点阵。——空间点阵排列成不同的形状，就在宏观上呈现为晶体不同的独特几何形状。组成点阵的各个原子之间，都相互作用着，它们的作用主要是静电力。
——对每一个原子来说，其他原子对它作用的总效果，使它们都处在势能最低的状态，因此很稳定，宏观上就表现为形状固定，且不易改变。
——晶体内部原子有规则的排列，引起了晶体各向不同的物理性质。例如原子的规则排列可以使晶体内部出现若干个晶面，立方体的食盐就有三组与其边面平行的平面。
——如果外力沿平行晶面的方向作用，则晶体就很容易滑动（变形），这种变形还不易恢复，称为晶体的弹性。
从这里可以看出沿晶面的方向，其弹性限度小，只要稍加力，就超出了其弹性限度，使其不能复原。
而沿其他方向则弹性限度很大，能承受较大的压力、拉力而仍满足胡克定律。当晶体吸收热量时，由于不同方向原子排列疏密不同，间距不同，吸收的热量多少也不同，于是表现为有不同的传热系数和膨胀系数。非晶体的内部组成是原子无规则的均匀排列，没有一个方向比另一个方向特殊，如同液体内的分子排列一样，形不成空间点阵，故表现为各向同性。当晶体从外界吸收热量时，其内部分子、原子的平均动能增大，温度也开始升高，但并不破坏其空间点阵，仍保持有规则排列。
继续吸热达到一定的温度──熔点时，其分子、原子运动的剧烈程度可以破坏其有规则的排列，空间点阵也开始解体，于是晶体开始变成液体。
在晶体从固体向液体的转化过程中，吸收的热量用来一部分一部分地破坏晶体的空间点阵，所以固液混合物的温度并不升高。当晶体完全熔化后，随着从外界吸收热量，温度又开始升高。
而非晶体由于分子、原子的排列不规则，吸收热量后不需要破坏其空间点阵，只用来提高平均动能，所以当从外界吸收热量时，便由硬变软，最后变成液体。玻璃、松香、沥青和橡胶就是常见的非晶体。多数的固体晶体属于多晶体（也叫复晶体），它是由单晶体组成的。这种组成方式是无规则的，每个单晶体的取向不同。虽然每个单晶体仍保持原来的特性，但多晶体除有固定的熔点外，其他宏观物理特性就不再存在。
这是因为组成多晶体的单晶体仍保持着分子、原子有规则的排列，温度达不到熔解温度时不会破坏其空间点阵，故仍存在熔解温度。而其他方面的宏观性质，则因为多晶体是由大量单晶体无规则排列成的，单晶体各方向上的特性平均后，没有一个方向比另一个方向上更占优势，故成为各向同性。各种金属就属于多晶体。它们没有固定的独特形状，表现为各向同性。& & &【特征】晶体拥有整齐规则的几何外形，即晶体的自范性。晶体拥有固定的熔点，在熔化过程中，温度始终保持不变。晶体有各向异性的特点。晶体可以使X光发生有规律的衍射。
宏观上能否产生X光衍射现象，是实验上判定某物质是不是晶体的主要方法。晶体相对应的晶面角相等，称为晶面角守恒。& & &【结构】晶体按其结构粒子和作用力的不同可分为四类：离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体，如食盐、金刚石、干冰和各种金属等。&&固体可分为晶体、非晶体和准晶体三大类。
具有整齐规则的几何外形、固定熔点和各向异性的固态物质，是物质存在的一种基本形式。固态物质是否为晶体，一般可由X射线衍射法予以鉴定。晶体内部结构中的质点（原子、离子、分子、原子团）有规则地在三维空间呈周期性重复排列，组成一定形式的晶格，外形上表现为一定形状的几何多面体。
组成某种几何多面体的平面称为晶面，由于生长的条件不同，晶体在外形上可能有些歪斜，但同种晶体晶面间夹角（晶面角）是一定的，称为晶面角不变原理。晶体按其内部结构可分为七大晶系和14种晶格类型。晶体都有一定的对称性，有32种对称元素系，对应的对称动作群称做晶体系点群。& & &【几何形状】晶体通常呈现规则的几何形状，就像有人特意加工出来的一样。其内部原子的排列十分规整严格，比士兵的方阵还要整齐得多。
如果把晶体中任意一个原子沿某一方向平移一定距离，必能找到一个同样的原子。
而玻璃、珍珠、沥青、塑料等非晶体，内部原子的排列则是杂乱无章的。
准晶体是发现的一类新物质，其内部排列既不同于晶体，也不同于非晶体。当用X光对固体进行结构分析，你很快就会发现，晶体和非晶体、准晶体是截然不同的三类固体。为了描述晶体的结构，我们把构成晶体的原子当成一个点，再用假想的线段将这些代表原子的各点连接起来，就绘成了像图中所表示的格架式空间结构。这种用来描述原子在晶体中排列的几何空间格架，称为晶格。&&
由于晶体中原子的排列是有规律的，可以从晶格中拿出一个完全能够表达晶格结构的最小单元，这个最小单元就叫作晶胞。
许多取向相同的晶胞组成晶粒，由取向不同的晶粒组成的物体，叫做多晶体，而单晶体内所有的晶胞取向完全一致，常见的单晶如单晶硅、单晶石英。大家最常见到的一般是多晶体。&&& &【特性】晶体的分布非常广泛，自然界的固体物质中，绝大多数是晶体。气体、液体和非晶物质在一定的合适条件下也可以转变成晶体。长程有序：晶体内部原子在至少在微米级范围内的规则排列。均匀性：晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。
——因为晶体是具有格子构造的固体，同一晶体的各个部分质点分布是相同的，所以同一晶体的各个部分的性质是相同的，此即晶体的均一性各向异性：晶体中不同的方向上具有不同的物理性质。
——同一晶体格子中，在不同的方向上质点的排列一般是不相同的，晶体的性质也随方向的不同而有所差异，此即晶体的异向性对称性：晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。
——晶体的对称表现在晶体中相等的晶面，晶棱和角顶有规律的重复出现。这是由于它具有规律的格子构造。是其在三维空间周期性重复的体现。既晶体的对称性不仅表现在外部形态上，而且其内部构造也同样也是对称的。在晶体的外形以及其他宏观表现中还反映了晶体结构的对称性。晶体的理想外形或其结构都是对称图象。这类图象都能经过不改变其中任何两点间距离的操作后复原。这样的操作称为对称操作,平移、旋转、反映和倒反都是对称操作。能使一个图象复原的全部不等同操作，形成一个对称操作群。在晶体结构中空间点阵所代表的是与平移有关的对称性，此外，还可以含有与旋转、反映和倒反有关并能在宏观上反映出来的对称性，称为宏观对称性，它在晶体结构中必须与空间点阵共存，并互相制约。制约的结果有二：（1）晶体结构中只能存在1、2、3、4和6次对称轴，（2）空间点阵只能有14种形式。n次对称轴的基本旋转操作为旋转360°/n，因此，晶体能在外形和宏观中反映出来的轴对称性也只限于这些轴次。自限性：晶体具有自发地形成封闭几何多面体的特性。解理性：晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质。最小内能：成型晶体内能最小。
——晶体与同种物质的非晶体、液体、气体比较，具有最小内能。晶体是具有格子构造的固体，其内部质点作规律排列。这种规律排列的质点是质点间的引力与斥力达到平衡，使晶体的各个部分处于位能最低的结果。晶面角守恒：属于同种晶体的两个对应晶面之间的夹角恒定不变。& &&&【种类】晶体的一些性质取决于将分子联结成固体的结合力。这些力通常涉及原子或分子的最外层的电子（或称价电子）的相互作用。如果结合力强，晶体有较高的熔点。如果它们稍弱一些，晶体将有较低的熔点，也可能较易弯曲和变形。
如果它们很弱，晶体只能在很低温度下形成，此时分子可利用的能量不多。有四种主要的晶体键。离子晶体由正离子和负离子构成，靠不同电荷之间的引力（离子键）结合在一起。氯化钠是离子晶体的一例。原子晶体（共价晶体）的原子或分子共享它们的价电子（共价键）。钻石、锗和硅是重要的共价晶体。金属晶体是金属的原子变为离子，被自由的价电子所包围，它们能够容易地从一个原子运动到另一个原子，可形象的描述为沉浸在自由电子的海洋里（金属键）。当这些电子全在同一方向运动时，它们的运动称为电流。分子晶体的分子完全不分享它们的电子。它们的结合是由于从分子的一端到另一端电场有微小的变动。因为这个结合力很弱（范德华力和氢键），这些晶体在很低的温度下就熔化，且硬度极低。典型的分子结晶如固态氧和冰。& & &【缺陷】& & &由于原子并不处于静止状态，存在着外来原子引起的点阵畸变以及一定的缺陷，基本结构虽然仍符合上述规则性，但绝不是如设想的那样完整无缺，存在数目不同的各种形式的晶体缺陷。
& & &另外还必须指出，绝大多数工业用的金属材料不是只由一个巨大的单晶所构成，而是由大量小块晶体组成,即多晶体。& & &在整块材料内部，每个小晶体（或称晶粒）整个由三维空间界面与它的近邻隔开。这种界面称晶粒间界，简称晶界。晶界厚度约为两三个原子。
& & &大多数天然晶体都是一个原子接一个原子或一个分子接一个分子来完成的但是JillianBanfield和同事们发现了一些晶体，它们是由含有成百上千个原子的“预制”纳米晶体装配而成。据一篇相关的研究评述，这种晶体的块生长方式可能会对制造用于光学和电子设备(比如激光或硬盘)的人工材料有用。
& & &水铁石（ferrihydrite）的天然的预制晶体是由细菌合成的，在被水淹了的矿的烂泥里能找到，水铁石靠排列的纳米晶体连接起来而生长。这种生长晶体的方式引入特有的缺陷，可能会影响晶体在以后反应中的性质。& & &【结晶】& & &结晶分两种，一种是降温结晶，另一种是蒸发结晶。
& & &降温结晶：首先加热溶液，蒸发溶剂成饱和溶液，此时降低热饱和溶液的温度，溶解度随温度变化较大的溶质就会呈晶体析出，叫降温结晶。& &&&蒸发结晶：蒸发溶剂，使溶液由不饱和变为饱和，继续蒸发，过剩的溶质就会呈晶体析出，叫蒸发结晶。【维基百科——晶体】& & &晶体是原子、离子或分子按照一定的周期性，在结晶过程中，在空间排列形成具有一定规则的几何外形的固体。& & &晶体的分布非常广泛，自然界的固体物质中，绝大多数是晶体。气体、液体和非晶物质在一定的合适条件下也可以转变成晶体。& & &晶体内部原子或分子排列的三维空间周期性结构，是晶体最基本的、最本质的特征，并使晶体具有下面的通性：- 均匀性，即晶体内部各处宏观性质相同；- 各向异性，即晶体中不同的方向上性质不同；- 能自发形成多面体外形；- 有确定的、明显的熔点；- 有特定的对称性；- 能对X射线和电子束产生衍射效应等。& & &【种类】& & &晶体的一些性质取决于将分子联结成固体的结合力（原子之间的吸引力）。这些力通常涉及原子或分子的最外层的电子（或称价电子）的相互作用。& & &如果结合力强，晶体有较高的熔点。如果结合力弱，晶体则有较低的熔点，也可能较易弯曲和变形。如果它们很弱，晶体只能在很低温度下形成，此时分子可利用的能量不多。& & &有三种主要的晶体键。离子晶体由正离子和负离子构成，靠不同电荷之间的引力结合在一起。氯化钠是离子晶体的一例。共价晶体的原子或分子共享它们的价电子。钻石、锗和硅是重要的共价晶体。金属的原子变为离子，被自由的价电子所包围。这些价电子能够容易地从一个原子运动到另一个原子。分子晶体的分子不分享电子。它们的结合是由于从分子的一端到另一端电场有微小的变动。因为这个结合力很弱，这些晶体在很低的温度下就熔化。典型的分子结晶如固态氧和冰。在离子晶体中，电子从一个原子转移到另一个原子。共价晶体的原子分享它们的价电子。金属原子释放一些电子在四周自由地运动，分子晶体中每个分子的一端有少量的负电荷，另一端有少量的正电荷。一个弱的电引力使分子就位。& & &【性质】& & &金属的电阻受到它接近晶体结构的完善程度的影响。当正离子处于规则点阵的一角时，电流中的电子不会因它们而发生散射。如果离子不在规则点阵的位置上，电流中的电子会发生散射，不规则的晶体如合金黄铜和不锈钢是相对的不良电子导体。而纯铜和纯银是远比它们为好的导体。& & &压电现象是直接从晶体结构引起的。某些晶体在受到压缩或拉伸时就出现电极化。相反地，在电场的影响下，它们会变形。这些压电晶体用于一些收音机的耳机把电能转换为机械能，也用于电唱机的拾声器，将机械能转换为电能。& & &压电效应取决于缺少一种对称——反演对称。图形的反演有点像它的镜中像把上下颠倒。如果一个图形，例如一个立方体，它和它的反演像看上去是一样的，这个图形就有反演对称。如果是四面体，看上去就不一样了，这个图形就没有反演对称性。缺少反演对称性的晶体通常能被压缩，使得原子的正负电荷的位移不相等，就产生了电场。& & &【缺陷】& & &完全没有缺陷的晶体是不存在的。某些缺陷是产生晶体许多观察到的晶体性质的原因。控制但不消除某一缺陷是固体物理学的一项主要技术。点缺陷
- 晶格空位：一个晶格格位上缺失了一个粒子（原子，离子甚至分子）。如果有其他的杂质原子或离子占据了这个空位，就会形成了替代式杂质。晶体的许多光学性质，例如着色就由于这类缺陷。
- 间隙缺陷：晶体本身的游离或杂质离子（或原子）也可能占据晶格间的一个位置，形成间隙缺陷。
- 有时，晶体中的一个原子或离子的价电子或多或少于占据了晶格格位的份额。如果有多余电子，这个缺陷简单地称为电子；如果失去电子，这个缺陷就称为空穴。在半导体设备的运行中，电子和空穴起了重要作用。
- 弗仑克尔缺陷：由一对晶格空位和间隙缺陷组成的缺陷对线缺陷
- 刃位錯：由一个额外的原子平面部分地伸入晶体中产生的。它使晶体平面易于滑移，弱化了晶体。把杂质引入金属的晶体点阵常能增加金属的强度。杂质原子填满了位錯周围的空隙，阻止了位錯的运动。
- 螺旋位錯：被认为可用来解释晶体的生长。晶体中一个平面上的一列原子和在其上的平面的原子相联。这使晶体表面上出现螺旋花纹。理论上晶体不能像实际情况下长得那样快，因为当长满一个平面后，要起动一个新平面是困难的。螺型位錯的存在意味着平面永远不会长满。
- 混合位錯& &&&【属性】&【维基百科——晶体结构】晶体结构是指晶体的周期性结构。固体材料可以分为晶体、准晶体和非晶体三大类，其中，晶体内部原子的排列具有周期性，外部具有规则外形，比如钻石（图）。Hauy最早提出晶体的规则外型是因为晶体内部原子分子呈规则排列，比如钻石所具有的完美外形和优良光学性质就可以归结为其内部原子的规则排列。20世纪初期，劳厄发明X射线衍射法，从此人们可以使用X射线来研究晶体内部的原子排列，其研究结果进而证实了Hauy的判断。晶体内部原子排列的具体形式一般称之为晶格，不同的晶体内部原子排列称为具有不同的晶格结构。各种晶格结构又可以归纳为七大晶系，各种晶系分别与十四种空间格（称作布拉维晶格）相对应，在宏观上又可以归结为三十二种空间点群，在微观上可进一步细分为230个空间群。对于晶体结构的研究是研究固体材料的宏观性质及各种微观过程的基础。专门研究分子结晶结构的科学称为晶体学，经常应用在化学、生物化学与分子生物学。
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电介质极化
电介质极化是指外电场作用下，电介质显示电性的现象。理想的内部没有，实际的电介质内部总是存在少量自由电荷，它们是造成电介质漏电的原因。 一般情形下，未经电场作用的电介质内部的正负束缚电荷平均说来处处抵消，宏观上并不显示电性。在外电场的作用下，束缚电荷的局部移动导致宏观上显示出电性，在电介质的表面和内部不均匀的地方出现电荷，这种现象称为，出现的电荷称为极化电荷。这些极化电荷改变原来的电场。充满电介质的电容器比的电容大就是由于电介质的。
电介质极化基本含义
根据电介质中的分布特征，可将组成电介质的分子分为和两类。尤极分子是指电介质内部的束缚电荷分布对称．与负电简的中心重合，对外产生的合成电场为0，对外不显电特性的分子；有极分子是指其内部束缚电荷分布不对称，正电荷与负电荷的中心不重合，本身构成一个(简称电矩)的分子，或称为。[1]
无外加电场时，无极分子电介质中的分子没有电矩。有外加电场时，每个无极分子在外电场作用下使得正、负电荷的中心被拉开微小的距离，电荷的中心产生位移，形成了一个电偶极子。产生一个电矩，电矩的方向与外电场的方向平行。外电场越强，分子中电荷的中心位移越大．电介质中分子电矩的矢量和也越大。无极分子电介质的这种特性称为。[1]
无外加电场时，有极分子电介质中的分子具有一个固有。但是由于电介质内部分子的无规则热运动，使得每个具有电矩的极性分子分布无规则，因此电介质中所有分子电矩的矢量和为0，对外产生的合成电场为0，对外也不显电特性。有外加电场时．每个有极分子的电矩都受到一个外电场力矩作用．使得有极分子的电矩在一定程度上转向外电场方向．最终使得电介质中分子电矩的矢量和不等于0。外电场越强，分子电矩排列越整齐，电　　介质中分子电矩的矢量和也越大。有极分子电介质的这种特性称为取向极化。外加电场作用下．电介质中无极分子的束缚电荷发生位移产生的位移极化，以及有极分子的固有电矩的取向趋于电场方向而产生的取向极化统称为的极化。[1]
电介质的极化使得电介质内分子的正负电荷发生位移或取向变化，电介质内部出现许多按外电场方向排列的电偶极子，这些电偶极子改变了整个电介质原来的电场分布。在电介质内部可能出现的电荷分布，同时在电介质的表面上有电荷分布，这种电介质表面上的电荷称为极化电荷。极化电荷与导体中的自由电荷不同，不能自由移动，因此也称为束缚电荷。但是极化电荷也是电荷，它与自由电荷一样是产生电场的源，极化电荷对原电场有影响，会引起整个电介质电场的变化。[1]
电介质极化极化强度
不同电介质的极化程度是不一样的。为了分析电介质极化的宏观效应，常引入极化强度P这一物理量来表征电介质的极化特性。极化强度是一个矢量，定义单位体积内电偶极子电矩的矢量和为极化强度。
电介质极化极化电荷密度
极化电荷密度电介质在外电场作用下发生极化后．若电介质内部极化均匀，则电介质内的极化电荷等于0，电介质内不会存在极化电荷的体分布；若电介质内部极化不均匀，则电介质内的极化产生的电偶极子的分布也不均匀，电介质内的极化电荷不等于0，电介质内部存在极化电荷的体分布。无论电介质内均匀极化或非均匀极化，电介质的表面都会有极化电荷存在。[1]
我们知道，电介质极化会产生极化电荷，而极化强度又是表征电介质的极化程度的物理量，这二者之问必有一定的关系。在电介质中的任意闭合面S内作一面积元dE，其法向单位矢量为P。[1]
电介质极化极化机制
电介质极化电子、离子位移极化
电子位移极化在外电场作用下，原子外围的电子轨道相对于原子核发生，原子中的正、负电荷重心产生相对位移。这种极化称为电子位移极化(也称电子形变极化)。[2]
离子位移极化离子在电场作用下偏移的移动，相当于形成一个感生偶极矩；也可以理解为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长，例如碱卤化物晶体就是如此。根据经典弹性振动理论可以估计出离子位移极化率。[2]
电介质极化电介质极化弛豫极化
这种极化机制也是由外加电场造成的，但与带电质点的热运动状态密切相关。例如，当材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子等弛豫质点时，温度造成的热运动使这些质点分布混乱，而电场使它们有序分布，平衡时建立了极化状态。这种极化具有统计性质，称为热弛豫(松弛)极化。极化造成带电质点的运动距离可与分子大小相比拟，甚至更大。由于是一种弛豫过程，建立平衡极化时间约为101~102s，并且由于创建平衡要克服一定的位能，故吸收一定能量。因此，与位移极化不同，弛豫极化是一种非可逆过程。[2]
弛豫极化包括电子弛豫极化、离子弛豫极化、偶极子弛豫极化。它多发生在分子、缺陷区或玻璃体内。[2]
电介质极化取向极化
沿外场方向取向的偶极子数大于与外场反向的偶极子数，因此电介质整体出现宏观偶极矩，这种极化称为取向极化。[2]
这是极性电介质的一种极化方式。在无外电场时，由于分子的热运动，的取向是无序的，所以总的平均偶极矩较小，甚至为0。而组成电介质的极性分子在电场作用下，除贡献电子极化和离子极化外，其固有的电偶极矩沿外电场方向有序化。在这种状态下的极性分子的相互作用是一种长程作用。尽管固体中极性分子不能像液态和气态电介质中的极性分子那样自由转动，但取向极化在固态电介质中的贡献是不能忽略的。对于离子晶体，由于空位的存在，电场可导致离子位置的跃迁，如玻璃中的钠离子可能以跳跃方式使偶极子趋向有序化。[2]
电介质极化电介质极化空间电荷极化
众所周知，离子多晶体的晶界处存在空间电荷。实际上不仅晶界处存在空间电荷，其他二维、三维缺陷皆可引入空间电荷，可以说空间电荷极化常常发生在不均匀介质中。这些混乱分布的空间电荷，在外电场作用下，趋向于有序化，即空间电荷的正、负电荷质点分别向外电场的负、正极方向移动，从而表现为极化。[2]
宏观不均匀性，例如夹层、气泡等也可形成空间电荷极化，因此，这种极化又称界面极化。由于空间电荷的积聚，可形成很高的与外场方向相反的电场，故而有时又称这种极化为高压式极化。[2]
空问电荷极化随温度升高而下降。这是因为温度升高，离子运动加剧，离子容易扩散，因而空间电荷减小。空间电荷极化需要较长时间，大约几秒到数十分钟，甚至数十小时，因此空间电荷极化只对直流和低频下的极化强度有贡献。[2]
张瑜，李雪萍，付喆．电磁场与电磁波基础：西安电子科技大学出版社，2016.04
刘强，黄新友．材料物理性能：化学工业出版社，2009.07
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上海交通大学
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