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出版者:中国建筑工业出版社

作者:余宁

出品人:

页数:241

译者:

出版时间:2001-12-1

价格:23.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787112046492

丛书系列:

图书标签:

• 热工学
• 换热器
• 传热学
• 流体力学
• 工程热物理
• 热交换
• 工业设备
• 机械工程
• 能源工程
• 制冷空调

现代材料科学前沿进展：从纳米尺度到宏观应用 书籍简介 本书聚焦于当前材料科学领域最引人瞩目的研究方向与技术突破，旨在为材料学、化学工程、物理学以及相关领域的科研人员、工程师和高年级学生提供一份全面而深入的参考指南。全书结构严谨，内容涵盖了从基础理论到尖端应用的广泛知识体系，重点剖析了新型功能材料的设计原理、制备工艺及其在能源、环境和生物医学等关键领域的应用潜力。 第一部分：基础理论与计算模拟 本部分深入探讨了材料科学的理论基石，特别是计算材料学在现代研究中的核心地位。 第一章：原子尺度下的物质结构与性能 本章首先回顾了晶体学和非晶态结构的经典理论，并在此基础上引入了先进的表征技术，如同步辐射X射线衍射（XRD）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）。重点讨论了缺陷工程——点缺陷、位错和晶界——如何调控材料的机械、电学和热学性质。特别关注了近场扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）在原子级表面形貌和电子结构研究中的应用，强调了表面能与界面效应在纳米材料构建中的决定性作用。 第二章：第一性原理计算与材料设计 本章详细阐述了基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法在预测新材料性质中的应用。内容包括计算晶格常数、能带结构、态密度以及反应能垒的精确性与局限性。同时，引入了更高级别的计算方法，如量子蒙特卡洛（QMC）和分子动力学（MD）模拟，用以描述材料在高温、高压或动态环境下的行为，例如相变过程和扩散机制。本章强调了高通量计算筛选策略在加速材料发现过程中的效率提升。 第二部分：功能性纳米材料的合成与调控 本部分聚焦于当前研究热点——纳米材料，涵盖了从零维到二维材料的制备技术及其独特的功能展现。 第三章：零维与一维纳米结构的精密合成 本章系统介绍了量子点（QDs）、纳米线（NWs）和碳纳米管（CNTs）的合成策略。对于量子点，深入解析了热注射法、水热法等合成路线对尺寸分散性和表面钝化的影响，并讨论了表面配体化学对光物理性质的调控。对于纳米线，重点介绍了自下而上的自组装技术和模板辅助生长法，并探讨了应变工程在调控半导体纳米线带隙中的作用。在碳纳米管方面，详细分析了化学气相沉积（CVD）法的工艺优化，特别是对管径、手性选择性控制的最新进展。 第四章：二维材料的范式转变 本章将二维材料的研究提升到前沿高度。内容不仅限于传统的石墨烯，更广泛地覆盖了过渡金属硫化物（TMDs，如 $ ext{MoS}_2$, $ ext{WSe}_2$）、黑磷（Phosphorene）以及氮化硼（h-BN）等。着重阐述了机械剥离、化学气相沉积（CVD）和液相剥离等主流制备工艺的优劣。此外，本章深入分析了二维材料的层间电子耦合效应，以及如何通过“魔角堆叠”等策略诱导出新奇的超导或拓扑电子态。 第三部分：先进结构材料的性能提升 本部分关注如何通过微观结构调控来突破传统金属、陶瓷和复合材料的性能瓶颈。 第五章：超高强度与韧性的金属合金设计 本章探讨了现代冶金学如何实现强度与塑性的协同提升。详细介绍了高熵合金（HEAs）的设计理念，即通过组分无序化来稳定面心立方（FCC）或体心立方（BCC）结构，并抑制脆性相的析出。同时，深入分析了梯度结构材料（如梯度纳米晶材料）的制备技术，如增材制造（AM）过程中的梯度控制。讨论了通过引入孪晶或相变机制来提高材料的疲劳寿命和抗冲击性能。 第六章：陶瓷基复合材料与热障涂层 本章聚焦于极端环境下的结构材料，特别是航空航天领域对耐高温材料的需求。详细介绍了氧化物、非氧化物（如碳化硅、氮化硅）陶瓷的烧结工艺，并对比了液相烧结与固相烧结的微观结构控制差异。重点阐述了双层或多层热障涂层（TBCs）的设计原理，包括高熵陶瓷作为顶层材料的应用前景，以及如何通过界面工程来提高涂层与基体之间的粘结强度和抗热循环寿命。 第四部分：能源与环境应用中的新材料 本部分将理论与实践相结合，展示了新型功能材料在解决全球性挑战中的关键作用。 第七章：高性能储能电极材料 本章集中讨论了锂离子电池、钠离子电池及固态电池的电极材料创新。对于锂离子电池，深入分析了富锂锰基氧化物（LLMOs）的高电压平台机制及其结构稳定性问题。对于下一代电池，详述了金属氧化物和聚合物复合材料在提升固态电解质离子电导率方面的最新突破。同时，探讨了提高硅基负极材料体积膨胀抑制能力的表面包覆策略。 第八章：光催化与环境修复材料 本章关注利用光能驱动化学反应的材料体系。详细介绍了半导体光催化剂（如 $ ext{TiO}_2$, $ ext{g-C}_3 ext{N}_4$）的能带工程，通过掺杂、形貌控制和构建异质结来拓宽可见光吸收范围并提高载流子分离效率。讨论了污染物降解动力学，以及光催化剂在水分解制氢和二氧化碳还原中的应用潜力。 第九章：生物相容性与可降解材料 本章涉及材料学与生命科学的交叉领域。重点介绍了医用植入材料的表面改性技术，如生物活性涂层和药物缓释系统的构建。详细分析了形状记忆合金（SMA）在微创手术器械中的应用机制。此外，深入探讨了聚合物基可降解材料（如 $ ext{PLA}$, $ ext{PLGA}$）的降解速率控制及其在组织工程支架构建中的应用，强调了材料的机械性能、孔隙结构与生物诱导效应之间的复杂关系。 结语 本书的最终目标是提供一个前瞻性的视角，激励读者思考如何利用材料科学的最新成果，去解决工程领域中那些尚未被传统方法攻克的难题。全书内容紧跟国际顶级期刊的最新研究动态，力求在理论深度和应用广度之间取得完美的平衡。

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这本书的独特之处在于其强烈的跨学科融合倾向，它将先进的控制理论和信息技术完美地融入到传统的工程优化问题中。在探讨过程控制的章节里，书中引入了模型预测控制（MPC）的概念，并详细演示了如何利用实时传感器数据和模糊逻辑算法，对大型工业过程中的多个耦合变量进行最优解的在线寻优。作者并未停留在理论层面，而是设计了一个模拟的化工装置，通过对比传统的PID控制和MPC的性能，清晰地展示了后者在应对非线性、时滞系统时的巨大优势。此外，书中关于数据挖掘在设备状态监测中的应用也极为前沿，它教授读者如何从海量的历史运行数据中，提取出设备早期故障的微弱信号，从而实现真正意义上的预防性维护。这种将“工程实践”与“尖端信息科学”结合的视角，让我重新审视了现代工程管理的新范式，它强调的不再是单纯的“稳态运行”，而是“智能适应性”。

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这本书的最后几章，风格陡然转向了工程伦理与社会责任，这在我阅读技术类书籍时是极少见的深刻反思。作者以极其批判性的视角，审视了工业革命以来人类对自然资源的过度索取所带来的后果，并提出了“低熵工程”的理念。这个理念强调在设计任何工程系统时，必须将能量的耗散和废弃物的产生降到最低，追求接近于自然界的可逆过程。书中通过几个著名的工程事故案例，剖析了技术决策背后的非技术因素，如成本压力、监管缺失和短视行为是如何导致灾难性后果的。特别是关于生命周期评估（LCA）的讨论，它不再仅仅是计算能量得失，而是扩展到了对生态系统服务价值的量化。阅读这些章节，我感受到了一种强烈的使命感，它提醒着每一个工程师，我们手中的工具不仅可以创造价值，也可能带来深远的负面影响，技术的光芒必须由人文的关怀来平衡与引导。

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这本书的叙事节奏处理得相当巧妙，它并非一本枯燥的教科书，更像是一部关于能源转型与可持续发展的宏大叙事。作者用一种近乎散文诗的笔调，将历史上的能源危机与当代的清洁能源技术发展脉络紧密地联系在一起。例如，在讨论太阳能电池板效率提升的章节中，作者没有直接堆砌公式，而是通过追溯半导体物理学的发展史，阐述了材料科学的每一次飞跃如何为能源获取提供了新的可能。书中关于生物质能转化的部分，尤其引人入胜，它详细描述了从农业废弃物到高价值燃料的全生命周期评估，其中对酶促反应动力学的分析，展现了生物化学与工程学的完美结合。此外，作者还穿插了大量的案例研究，比如某个北欧国家如何通过智能电网和储能技术，成功实现了电能供应的碳中和目标。读完这部分，我深刻体会到，技术革新背后，是对整个社会系统和生态平衡的深刻理解与敬畏。

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我惊喜地发现，《热工学与换热器》中竟有一大块内容聚焦于流体力学在非牛顿流体中的应用。这对我这个常年处理高分子溶液和悬浮液的研发人员来说，简直是意外的宝藏。书中的理论部分对柯西应力张量在复杂流场中的修正进行了深入推导，特别是针对剪切增稀和剪切变稠现象在管道输送中的影响，作者给出了非常实用的经验公式和模拟验证结果。书中花费了大量篇幅介绍的湍流模型，不再是传统的RANS模型，而是转向了更先进的LES（大涡模拟）和DNS（直接数值模拟）方法，并特别强调了这些方法在微通道内复杂流动结构解析上的优势。最让我感到震撼的是关于声学与流体耦合的章节，它解释了如何在超声波辅助下，有效降低高粘度流体的流动阻力，这在精细化工产品的混合与分散过程中具有极大的指导意义。整本书的数学推导严谨而不失清晰，注释详尽，对于有志于深入研究计算流体力学（CFD）的读者来说，绝对是不可多得的参考资料。

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这本书的书名是《热工学与换热器》，但读完之后，我发现它更像是一部深入探讨机械设计与材料科学前沿的力作。作者在开篇便着重阐述了现代制造业中材料性能极限的突破，特别是对于高温合金在极端工况下的应用潜力进行了详尽的分析。书中花费了大量篇幅讨论了新型复合材料的制备工艺，比如碳纳米管增强的金属基复合材料，这些内容对于理解精密仪器制造中的热应力管理至关重要。书中对于不同材料在不同应力场下的微观结构演变描述得极为细致，配图质量极高，许多显微镜下的晶格结构图令人印象深刻。其中一章专门探讨了增材制造技术（3D打印）在复杂几何结构部件制造中的热管理挑战，详细列举了激光熔池的温度梯度如何影响最终部件的缺陷率，并提出了一套基于实时反馈控制的优化方案。整个阅读体验就像是跟随一位资深工程师进行了一次高难度的工程项目会诊，对于提升实际工程分析能力帮助巨大，远远超出了我对一本基础理论书籍的预期。

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