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出版者:科學齣版社

作者:張建國

出品人:

頁數:288

译者:

出版時間:2004-1

價格:30.00元

裝幀:

isbn號碼:9787030140647

叢書系列:

圖書標籤:

• 工程材料
• 材料科學
• 成形工藝
• 機械工程
• 製造工程
• 金屬材料
• 高分子材料
• 復閤材料
• 材料選擇
• 工藝參數

現代材料科學與工程前沿綜述 本書導言 在人類文明的演進曆程中，材料的發現與應用始終是推動社會進步的核心動力。從燧石的敲擊到矽基芯片的誕生，每一次材料科學的突破都伴隨著生産力的巨大飛躍和生活方式的深刻變革。本書《現代材料科學與工程前沿綜述》並非聚焦於傳統金屬學或特定成形技術的具體操作指南，而是旨在為讀者構建一個宏大、前瞻性的視角，審視當前材料科學領域最具創新性和顛覆性的發展方嚮，以及這些新材料如何重塑未來的工程實踐。 本書將深入探討跨學科研究的交匯點，聚焦於材料設計、製備、性能調控與應用開發的最新範式轉變。我們將把重點放在那些正在改變我們對物質極限認知的領域，而非既有成熟工藝的詳盡描述。 --- 第一部分：先進功能材料的結構與性能調控 本部分將著重分析那些因其特殊結構而展現齣非凡電、光、磁、熱等功能的新型材料體係。 第一章：低維與二維材料的量子效應工程 本章將跳脫齣體相材料的傳統限製，深入研究單層或超薄層材料所展現齣的奇異物理特性。我們將詳細剖析石墨烯（Graphene）、過渡金屬硫化物（TMDs，如 $ ext{MoS}_2$）以及黑磷（Phosphorene）等體係的電子結構。重點討論如何通過精確控製層數、晶界工程和錶麵功能化來調控其帶隙、載流子遷移率以及光電響應特性。例如，我們將探討利用範德華異質結構（van der Waals Heterostructures）構建具有特定能帶排列的界麵，實現高效的能量轉換或信息存儲。材料的製備不再是簡單的冶金或鑄造，而是依賴於原子尺度的精準沉積和自組裝技術，如化學氣相沉積（CVD）和原子層沉積（ALD）。 第二章：智能與自適應材料係統 本章聚焦於那些能夠對外部環境刺激（如溫度、應力、光照、pH值等）做齣可逆響應的材料。重點分析形狀記憶閤金（SMA）的超彈性機製、壓電/熱釋電材料在能量收集中的潛力，以及電活性聚閤物（EAP）在軟體機器人和人工肌肉中的應用。此外，我們將探討自修復材料的分子機理，即通過引入微膠囊或動態共價鍵網絡，使材料在損傷後能夠自主恢復其結構完整性和功能性。這要求材料設計者必須將“時間”和“動態變化”作為核心設計參數，而非僅僅關注靜態強度。 第三章：拓撲材料與量子計算的基石 拓撲材料是凝聚態物理領域革命性的分支，本章將介紹其獨特的拓撲保護的錶麵態和邊緣態。重點剖析拓撲絕緣體（Topological Insulators）和拓撲半金屬（如狄拉剋半金屬和外爾半金屬）的能帶結構特徵。討論如何利用這些材料的無耗散的電子傳輸特性，為下一代低功耗電子器件和拓撲量子計算單元提供物質基礎。本章將強調材料的晶體對稱性和自鏇-軌道耦閤在決定拓撲性質中的關鍵作用。 --- 第二部分：極端環境下的結構材料設計與製備新範式 本部分將轉嚮宏觀結構材料，探討如何突破現有材料在高溫、高應力或極端腐蝕環境下的性能瓶頸，並介紹革命性的製備方法。 第四章：超高溫陶瓷與先進復閤材料的輕量化 針對航空航天、核能等領域的嚴苛需求，本章將詳細闡述高熵陶瓷（High-Entropy Ceramics, HECs）的設計原理。HECs通過在晶格中引入五種或五種以上等摩爾的元素，極大地提高瞭材料的熱穩定性和抗氧化性。同時，本書將深度剖析先進縴維增強復閤材料（如 $ ext{SiC}/ ext{SiC}$ 陶瓷基復閤材料 $ ext{CMCs}$）的微觀結構演化。探討如何使用先進的滲透技術（如反應滲透法 $ ext{RI}$）來控製縴維與基體之間的界麵反應，以優化斷裂韌性和蠕變壽命。 第五章：增材製造（3D 打印）中的材料科學挑戰 本書不側重於具體的打印機操作，而是關注增材製造（AM）帶來的材料性能異質性與控製難題。我們將分析選擇性激光熔化（SLM）和電子束熔化（EBM）過程中，金屬粉末的快速凝固速率如何導緻非平衡態微觀結構的形成，例如細小的胞狀或枝晶結構。重點討論如何通過優化激光掃描策略和後處理熱循環，來消除或控製增材製造特有的缺陷，如殘餘應力、孔隙率和各嚮異性，以實現與傳統鍛造材料相當甚至更優的疲勞性能。 第六章：高熵閤金的構效關係與設計空間探索 高熵閤金（HEAs）代錶瞭閤金設計思想的重大轉變，從傳統的有序相設計轉嚮無序性驅動的設計。本章將深入探討高熵閤金中“高熵效應”、“遲滯效應”、“遺忘效應”和“嚴重不均勻畸變效應”對材料力學性能的影響。我們將介紹計算熱力學和高通量實驗篩選的方法，用以在廣闊的化學空間中快速定位具有優異強度、延展性和抗輻照損傷潛力的復雜閤金體係。 --- 第三部分：可持續性、計算與數據驅動的材料發現 本部分關注材料科學的未來發展趨勢，即如何利用計算模擬和人工智能加速新材料的發現與應用。 第七章：第一性原理計算與材料的虛擬篩選 本章將介紹密度泛函理論（DFT）等第一性原理計算方法在材料科學研究中的核心地位。重點闡述如何利用這些方法精確預測材料的晶格常數、電子態密度、彈性模量以及反應能壘。我們將展示如何結閤計算模擬，對數百萬種潛在化閤物進行虛擬篩選，從而大幅度縮短從理論提齣到實驗驗證的周期，特彆是在催化劑和電池電極材料的設計中。 第八章：材料基因組計劃與數據科學驅動 材料基因組倡議（MGI）正引領材料發現進入大數據時代。本章將介紹如何構建和利用高質量的材料信息數據庫。討論機器學習（ML）模型，如神經網絡和高斯過程迴歸，如何在海量實驗數據和模擬數據中學習復雜的構效關係。重點案例包括利用 ML 預測材料的相變溫度、優化材料的閤成參數，以及實現對復雜多相材料的微觀結構演化進行實時監控和反饋控製。 第九章：生物相容性材料與仿生結構設計 最後，本書將探討材料與生命係統之間的接口。我們將分析醫用植入物（如鈦閤金、可降解聚閤物）的生物惰性與生物活性要求。重點介紹仿生學的概念，例如模仿骨小梁結構以提高植入物的機械匹配度，或模仿荷葉錶麵的超疏水機製來設計自清潔和抗生物膜材料。這要求材料科學傢不僅要掌握物理化學原理，還要深入理解生物學的復雜性。 --- 總結 《現代材料科學與工程前沿綜述》旨在引導讀者超越對單一材料體係的局限性認識，培養一種係統性的、跨學科的材料思維。全書強調的是設計理念的變革、前沿工具的應用以及麵嚮未來挑戰的材料解決方案。讀者將從中獲得理解當代工程挑戰背後的基礎科學驅動力，並為未來的技術創新奠定堅實的理論基礎。

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