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出版者:冶金工业出版社

作者:曲永印 编

出品人:

页数:242

译者:

出版时间:2002-8

价格:28.00元

装帧:

isbn号码:9787502430481

丛书系列:

图书标签:

• 电力电子
• 变流技术
• 电力变换
• 开关电源
• 逆变器
• 整流器
• 电机控制
• 新能源
• 电力系统
• 电路分析

《现代材料科学与工程前沿》 导言：跨越材料边界的探索 在二十一世纪的科技浪潮中，材料科学与工程无疑扮演着核心驱动力的角色。从微观的原子排列到宏观的结构设计，新材料的诞生和性能的优化，正以前所未有的速度推动着航空航天、信息技术、生物医药乃至能源领域的革新。《现代材料科学与工程前沿》一书，正是立足于这一时代背景，旨在系统梳理和深入剖析当前材料领域最尖端、最具潜力的研究方向与技术突破。本书并非对传统材料学基础知识的简单重复，而是聚焦于“前沿”二字，力求呈现一个动态、交叉、面向未来的材料学科图景。 全书结构围绕材料的“设计-制备-表征-应用”这一核心链条展开，但每一个环节都深度融入了计算模拟、人工智能辅助设计以及极端环境适应性等现代要素。我们力求通过严谨的学术论述和丰富的工程实例相结合的方式，为读者，特别是高年级本科生、研究生以及从事研发工作的工程师和科研人员，提供一个全面而深入的参考。 --- 第一部分：计算材料学与人工智能驱动的材料发现 本部分着重探讨信息技术如何深度融入材料科学的研究范畴，实现材料从经验试错向理性设计的范式转变。 第一章：第一性原理计算与高通量筛选 本章首先回顾了密度泛函理论（DFT）在预测材料电子结构和基本性能方面的基础应用。重点剖析了如何结合量子蒙特卡洛（QMC）等高精度方法，解决传统DFT在描述强关联体系时的局限性。随后，引入高通量计算框架（High-Throughput Computation）的概念，阐述如何构建大规模材料数据库（如Materials Project）以及利用自动化流程快速筛选具有特定功能（如催化活性、离子电导率）的候选材料。讨论了计算成本与计算精度之间的权衡艺术。 第二章：机器学习在材料科学中的应用 本章是本书的亮点之一，聚焦于材料基因组计划（Materials Genome Initiative）的实现路径。详细介绍了监督学习（如支持向量机、随机森林）在预测材料合成参数、晶体稳定性方面的应用案例。更进一步，深入探讨了深度学习（Deep Learning），特别是图神经网络（GNNs）在处理非结构化晶体结构数据上的优势，以及如何利用生成模型（如变分自编码器VAE、生成对抗网络GANs）主动设计出具有理想性能指标的新型化合物或晶体结构。讨论了数据稀疏性对模型泛化的挑战及应对策略。 --- 第二部分：面向极端条件的先进功能材料 材料的性能往往在其服役环境中受到严峻考验。本部分专注于开发能在高温、高压、高辐射、高腐蚀等极端环境下保持稳定性的先进材料。 第三章：高温结构材料的演进 重点关注航空发动机和核能领域对超高温服役材料的需求。详尽分析了单晶镍基高温合金的微观强化机制（如$gamma/gamma'$相的优化、晶界抑制技术），以及陶瓷基复合材料（CMCs）在耐氧化性和热震性方面的突破。深入讨论了高熵合金（HEAs）这一新兴领域，阐释其“等原子比”设计理念如何带来优异的强度、韧性和耐蠕变性能，并展望其在下一代核反应堆中的应用潜力。 第四章：高能密度与储能材料的挑战 聚焦于能源存储和转换领域对轻质、高能量密度材料的需求。在电池方面，详细考察了固态电解质的离子传导机制研究进展，特别是对玻璃态、晶态及复合固态电解质的界面阻抗控制技术。在超级电容器领域，探讨了2D材料（如石墨烯、MXenes）在提高比容量和循环寿命方面的结构设计策略，包括孔隙率调控和表面功能化。此外，对新型热电材料（Thermoelectrics）的ZT值提升路径进行了深入剖析。 --- 第三部分：二维材料与低维结构调控 二维材料的出现极大地拓宽了材料科学的维度，本部分聚焦于原子级厚度材料的独特物理化学特性及其器件化前景。 第五章：二维材料的精细化制备与异质结 系统介绍了化学气相沉积（CVD）、分子束外延（MBE）等制备高质量、大面积单层/少层二维晶体的先进工艺。核心内容放在范德华异质结（vdW Heterostructures）的设计与构筑上。讨论了如何通过堆叠不同类型的二维材料（如过渡金属硫化物TMDs、氮化硼h-BN）来“搭积木式”地调控电子带结构，从而实现光电、拓扑等新奇功能。 第六章：低维纳米结构的功能化 探讨了量子点（Quantum Dots, QDs）在尺寸效应下的光发射特性调控，特别是对消除表面缺陷和提高量子产率的钝化技术。对纳米线（Nanowires）和纳米带（Nanoribbons）的生长机理进行了深入分析，阐明了其在自旋电子学（Spintronics）中作为信息载体或存储单元的潜力，并探讨了如何利用表面/界面效应来增强其磁学或催化活性。 --- 第四部分：先进表征技术与材料-器件界面 理解材料的“为什么”和“如何做”离不开先进的表征手段。本部分关注如何利用尖端技术揭示材料在真实工作状态下的微观动态行为。 第七章：原位与活体表征技术 强调了从静态结构研究到动态过程研究的转变。详尽介绍了原位透射电子显微镜（In-situ TEM）技术，包括如何实现对电池充放电过程、催化反应活性位点形成的实时观察。讨论了同步辐射光源（Synchrotron Light Source）在X射线吸收谱（XAS）和光电子能谱（XPS）中提供的超高空间和能量分辨率，如何用于解析复杂材料体系（如多孔电极、生物矿化过程）的界面化学变化。 第八章：材料与器件界面的能级调控 本章聚焦于性能瓶颈往往出现在材料交界面处这一事实。系统分析了有机半导体、钙钛矿材料与电极界面处的能级失配问题。探讨了利用界面修饰层（Interfacial Layers），如超薄氧化物层或分子自组装膜，对功函数、载流子注入/抽取效率进行精确调控的策略。讨论了如何通过先进的表面分析技术（如开尔文力显微镜KPFM）来映射界面电势分布，指导器件优化。 --- 结论：未来材料科学的交叉与融合 全书最终总结了当前材料科学正以前所未有的速度向跨学科领域融合的趋势。计算模型正变得更可靠，制备技术正变得更精细，而表征手段正变得更原位化和动态化。未来的材料研究将更加依赖于数据驱动的反馈循环，以及对多尺度耦合效应的深刻理解。本书旨在为读者构建一个坚实的知识框架，以迎接材料科学领域更加激动人心的挑战与机遇。

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读完这套书，我最大的感受是它极大地拓展了我对电力电子系统鲁棒性和可靠性的认知。作者在讨论故障诊断与容错控制这一块的内容非常出色。书中详细介绍了基于观测器原理的状态估计方法，比如卡尔曼滤波在电流和电压参数在线辨识中的应用，这对于处理传感器噪声和系统不确定性非常有帮助。此外，针对并联逆变器系统的环流抑制和均流控制策略，作者提供了多种成熟的解决方案，包括基于虚拟同步环路（VSG）的虚拟阻抗控制，这在微电网和柔性直流输电等领域是核心技术。这本书没有回避实际工程中的难题，例如大功率器件的驱动电路设计中的共模干扰抑制，以及如何利用先进的半导体封装技术来降低热阻。从设计的角度看，它提供了一个从系统级架构到器件级细节的完整视角，是一部非常实事求是的工程参考手册。

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这本书的编排结构有一种老派的严谨感，仿佛在阅读一本经典著作。我尤其关注了其中关于新型半导体器件应用的章节。作者对SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）器件的特性做了细致的对比，不仅仅停留在理论层面，还深入探讨了它们在实际高功率密度应用中遇到的热管理挑战。书中对MOSFET和IGBT的开关损耗模型进行了细致的推导，并引入了先进的建模技术来预测器件在不同工作状态下的寿命，这对于设计需要长期稳定运行的工业级变流器至关重要。更令人称赞的是，书中对无电解电容技术的探讨，例如采用薄膜电容或新型储能元件的方案，展现了作者对未来技术趋势的敏锐洞察。虽然某些高级控制理论的数学推导略显繁复，但详尽的图示和清晰的变量定义，使得跟随推导过程并不感到吃力。它更像是一本“内功心法”，强调的是底层原理的透彻理解而非表面的应用技巧堆砌。

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这本书的内容确实非常广泛，涉及了电力电子领域多个前沿课题。例如，我特别欣赏作者在介绍高频开关技术时，那种深入浅出的讲解方式。从基础的器件选型到复杂的拓扑结构设计，每一步的逻辑推导都非常清晰。书中详细分析了不同调制策略（如SVPWM、空间矢量脉宽调制）在三相逆变器中的应用效果和局限性，并结合实际案例展示了如何通过优化控制算法来提高系统的动态响应和效率。特别是对于无源谐振型变换器部分，作者不仅描述了其工作原理，还给出了详细的等效电路模型和设计流程，这对于初学者来说无疑是一份宝贵的参考资料。此外，作者对现代电力电子系统中的电磁兼容性（EMC）问题也给予了足够的重视，提出了多项有效的滤波和布局建议，这在很多教材中是被忽略的环节。整体来看，这本书的学术性和实用性达到了一个很好的平衡，适合作为研究生课程的教材或工程师的工具书。

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这本书的特点在于其跨学科的融合能力，它不仅仅局限于电力电子本身，而是将控制理论、电磁场理论以及新兴的计算能力紧密结合起来。我印象深刻的是关于“智能化”变流器的探讨。作者提及了如何利用机器学习模型来预测关键组件的退化趋势，实现基于状态的维护（CBM），这无疑是未来电力电子运维的大方向。在控制部分，书中对模型预测控制（MPC）在变流器中的应用进行了深入阐述，对比了其相对于传统PID控制在处理约束条件和多目标优化时的巨大优势。虽然MPC的计算复杂度较高，但作者随后介绍了如何利用FPGA和DSP的并行处理能力来加速算法的执行，提供了从理论到硬件实现的桥梁。这种前瞻性视角，将电力电子系统置于更广阔的能源互联网和智能电网的背景下进行审视，使得这本书的价值远超一般的技术手册。

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这本书的叙述风格非常注重工程实践中的量化分析。我花了大量时间研究了其中关于“效率优化”和“谐波抑制”的章节。作者对变流器损耗的分类非常精细，将传导损耗、开关损耗和磁性元件损耗进行了模块化的分析，并给出了基于MATLAB/Simulink的环境下的仿真验证流程。特别值得一提的是，在讲解无源和有源滤波器设计时，书中提供了详细的阻抗匹配准则，这对于设计出低谐波畸变率（THD）的系统至关重要。作者没有满足于传统的傅里叶分析，而是引入了瞬时无功功率理论来指导控制器的设计，这使得对动态工况下的谐波特性分析更加准确。对于任何需要通过严格标准（如IEEE Std 519）的用户来说，这本书提供的设计工具和方法论是非常直接和高效的，它教你如何用数学语言去量化“好”的设计与“坏”的设计之间的区别。

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