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出版者:哈尔滨工业大学出版社

作者:徐瑞

出品人:

页数:257

译者:

出版时间:2005-4

价格:24.00元

装帧:平装

isbn号码:9787560321394

丛书系列:

图书标签:

• 材料科学
• 数值模拟
• 计算方法
• 有限元
• 材料计算
• 科学计算
• 工程分析
• 材料建模
• 计算物理
• 数值分析

现代材料的精微探索：先进表征与结构-性能关联 图书简介 本书旨在为材料科学、工程学以及相关领域的研究人员、工程师和高年级本科生提供一个全面、深入的视角，聚焦于现代材料体系的先进表征技术、微观结构控制以及结构-性能之间的内在关联。我们深知，理解材料的宏观行为，必须回溯到其原子、电子和微米尺度上的精妙构造。本书摒弃了对通用计算方法的赘述，而是专注于如何运用尖端实验和理论工具，揭示复杂材料体系中隐藏的物理化学机制。 本书结构分为四个主要部分，层层递进，构建起一个从表达到理解再到设计的知识框架。 --- 第一部分：高分辨率结构解析与缺陷工程 本部分着重介绍如何“看清”材料的真实面貌，特别是那些决定材料性能的关键性微观特征。我们不会讨论传统的力学测试或简单的化学分析，而是深入探讨那些能提供原子尺度信息的尖端技术。 第一章：透射电子显微镜（TEM）的深度应用 本章详述了现代TEM在解析复杂晶体结构方面的能力，重点关注球差校正电镜（Cs-corrected TEM）在识别界面结构、晶界能垒以及局部应变场方面的最新进展。我们将分析如何通过高角度环形暗场（HAADF-STEM）成像，准确测量重原子在轻基体中的偏聚行为，并结合同步辐射X射线衍射技术，研究材料在原位（in situ）极端条件（如高压、高温或电化学循环）下的动态结构演变。重点将放在如何将高分辨率图像与晶体学数据库进行精确匹配，识别非公度结构和类晶（Quasicrystalline）区域的存在。 第二章：先进光谱学揭示电子态与化学环境 本章聚焦于那些能够探测材料电子结构和化学键合的无损或准无损技术。深入讨论X射线光电子能谱（XPS）和俄歇电子能谱（AES）在高灵敏度表面分析中的应用，尤其是在半导体异质结和催化剂活性位点的表征中。详细解析近边X射线吸收精细结构（NEXAFS）如何提供关于轨道杂化和磁性顺序的定性及定量信息。此外，本章还将介绍如何利用拉曼散射光谱来区分不同类型的声子模式，从而评估材料中的晶格畸变和应力分布。 第三章：非晶态与软物质的结构特征化 针对无定形材料、高熵合金的短程有序结构以及聚合物基复合材料，本章探讨了如何有效利用小角散射技术（SAXS/SANS）来获取纳米尺度的尺寸、形状和相互作用信息。我们将深入分析中子散射在区分轻元素（如氢、锂）和区分不同同位素环境方面的独特优势，这对于理解固态电解质中的离子传输路径至关重要。 --- 第二部分：界面与边界的物理化学 材料的宏观性能往往受制于其内部的界面和边界。本部分将目光聚焦于这些维度极低的区域，探究其独特的物理化学特性。 第四章：电化学界面现象的实时监控 在能源材料（如电池、燃料电池）的研究中，固-液界面（SEI）和固-固界面的演化是决定器件寿命和效率的关键。本章讨论如何结合原位原子力显微镜（In-situ AFM）和表面等离子体共振（SPR）技术，实时追踪电化学反应过程中活性物质的沉积、溶解和重构过程。重点解析界面能垒对电荷转移速率的影响，以及界面钝化层的形成机制。 第五章：缺陷的迁移与相互作用动力学 本章深入探讨位错、空位团簇、孪晶界等晶体缺陷在外部驱动力（如温度梯度、电场、机械应力）下的运动学。内容将涉及如何利用弛豫时间谱技术来量化缺陷的激活能和扩散系数。对于多相材料，我们将分析相界面作为缺陷源或陷阱时的作用，特别是对蠕变和断裂韧性的贡献。 --- 第三部分：结构修饰与性能调控 理解了结构之后，本部分将讨论如何有目的地设计和控制结构，以实现期望的性能目标，重点在于非传统的热力学路径。 第六章：快速热处理与亚稳态材料的制备 传统的热处理往往导致热力学稳定相的形成。本章关注利用脉冲加热（如激光或焦耳热法）快速穿过相图区域，以诱导出亚稳态结构或纳米晶粒的形成。我们将分析快速热处理如何抑制粗化，并精确调控晶粒尺寸分布，以优化磁性能或光学带隙。 第七章：定向生长与各向异性材料的构筑 针对需要高度方向性的材料（如磁性薄膜、压电陶瓷），本章详细介绍分子束外延（MBE）和原子层沉积（ALD）技术在实现单晶薄膜生长和亚纳米级厚度控制方面的精妙之处。重点讨论如何通过基底选择、生长温度和气氛控制，来诱导所需的晶体取向，并精确调控磁各向异性或铁电畴排列。 --- 第四部分：多尺度性能的耦合分析 材料的性能是多尺度特征叠加的结果。本部分致力于建立从微观结构参数到宏观性能输出的桥梁。 第八章：性能的统计学与概率论描述 在复杂的结构体系中，性能的分布往往具有显著的随机性。本章介绍如何运用可靠性工程中的方法，对材料性能进行概率密度函数（PDF）描述，特别是在预测疲劳寿命和极端载荷下的失效概率时。我们将引入经验模型（Empirical Models）的局限性，并强调结构特征参数在模型中的必要性。 第九章：热-力-电耦合响应的本构关系构建 本章侧重于构建描述材料在多种场耦合作用下行为的本构方程。这包括压电效应、热电效应以及多铁性材料中的耦合机理。重点分析微观极化/应变单元的相互作用如何导致宏观的非线性响应，并探讨如何通过材料设计来增强或解耦这些耦合行为。 --- 本书的最终目标是引导读者超越对单一技术或单一材料的理解，建立一个能够系统性分析、预测和设计先进功能材料的综合性思维框架。全书内容侧重于原理的深度挖掘和先进实验的精细操作，力求为材料科学的创新研究提供坚实的知识基础。

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这本书的叙事风格非常沉稳、专业，透着一股老派工程科学的严谨气息。它几乎不涉及任何花哨的“前沿技术抢跑”，而是稳扎稳打地夯实了数值模拟的基石——离散化、边界条件处理、收敛性判断这些核心概念。我最喜欢的一点是，作者在介绍每一个数值方法时，都会首先追溯到其背后的物理定律，比如将热传导的有限差分格式与傅里叶定律直接挂钩，这种“溯源”的教学方式，极大地加深了我对数值近似本质的理解。这使得即便是对某些特定软件不熟悉的人，也能快速掌握任何新软件或新模型的内在逻辑。这本书的价值不在于教会你使用某个特定的商业软件（比如Abaqus或ANSYS），而在于让你拥有独立构建或验证任何材料模拟模型的能力。它需要的不仅仅是阅读，更需要边读边在纸上演算，非常适合那些希望真正掌握计算物理而非仅仅停留在“模型调用”阶段的研究者。

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读完这本厚厚的《材料科学中数值模拟与计算》，我的第一感受是：这本书的深度和广度令人印象深刻，但对于初学者而言，可能需要极大的毅力去啃食。它涵盖了从第一性原理计算到宏观连续介质力学模型的整个光谱，理论推导极其严谨，每一个公式的推导过程都毫不含糊，这对于想深入理解“为什么”而不是仅仅停留在“怎么做”的科研人员来说，是无价之宝。然而，书中在介绍CASTEP或VASP等主流第一性原理软件的具体操作步骤时，显得相对简略，更多的是侧重于背后的物理化学原理和矩阵求解方式。例如，关于赝势选择对计算结果影响的讨论，虽然理论上非常深入，但缺少一些具体的案例来展示不同赝势包（如PAW与Ultrasoft）在计算石墨烯电子结构时的实际偏差和计算成本的权衡。总而言之，它更像是一部面向博士后或资深研究员的参考书，可以用来查阅特定理论模型的严格数学描述，但如果期待一本手把手教你跑出一个稳定模拟的“傻瓜指南”，可能会感到有些吃力。

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这本《材料科学中数值模拟与计算》简直是为我这种理论基础扎实，但对计算工具应用感到吃力的工科生量身定制的！我原本以为它会是一本晦涩难懂的纯数学推导手册，没想到作者在开篇就用非常清晰的脉络，将复杂的有限元方法（FEM）和分子动力学（MD）理论，与实际的材料性能预测紧密地结合起来。特别是关于晶格缺陷模拟的部分，书中详细阐述了如何通过调整势函数参数，精确捕捉位错的滑移行为，这对我正在研究的金属疲劳问题提供了极具操作性的指导。我特别欣赏其中关于“网格划分敏感性分析”的章节，它不是简单地告诉我们网格要密，而是深入剖析了不同边界条件下，网格质量对计算结果稳定性和收敛性的影响机制，配上那些经典的二维和三维案例对比图，让我一下子明白了为什么我的上一个模拟结果总是跑飞。更别提那几段关于高性能计算（HPC）资源配置的实用建议，对于我们实验室有限的计算资源来说，简直是雪中送炭，直接提高了我的项目效率至少30%。这本书的实用性，远超我预期的教科书范畴，更像是一本高级工程师的实战手册。

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说实话，我入手这本书是冲着它关于“多尺度耦合”的章节去的，但坦率地说，这部分内容的处理略显保守和概念化。作者详细介绍了从原子尺度到介观尺度的信息传递机制，理论上无可指摘，但当涉及到实际的桥接方法——比如如何有效地将MD的结果映射到FEM的输入参数中，以避免信息丢失——时，笔墨显得有些单薄。我期待看到更多关于“粗粒化（Coarse-Graining）”技术的详细对比，比如Martyna-Tobias或Eshelby理论在不同晶体结构下的适用性分析及其计算误差的量化。书中只是泛泛地提到了这些方法的重要性，但没有提供足够的数学工具或案例研究来指导读者如何选择和实施。这使得这本书在处理跨尺度问题时，更像是一份理论综述，而不是一本可操作的“蓝图”。对于我们这些试图构建一个从纳米到宏观完整力学模型的团队来说，这部分内容的深度略显不足。

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这本书的排版和图表质量，确实让人眼前一亮，体现了出版方对专业书籍的重视。特别是色彩运用和图例标注的清晰度，在处理复杂的应力-应变张量可视化时显得尤为出色。我尤其赞赏作者在“相场法（Phase-Field Modeling）”部分的处理方式。以往很多教材对相场法的介绍都停留在概念层面，但此书详细展示了如何利用Cahn-Hilliard方程对合金凝固过程中的界面演化进行建模，并配上了动态的、随时间变化的界面形态图。这些图示不仅美观，而且信息密度极高，让人能直观感受到形核、长大和粗化这三个过程是如何耦合在一起的。如果说有什么可以改进的地方，那就是关于Python或MATLAB在后处理阶段的应用实例可以再多一些。目前书中的示例代码多集中于Fortran或C++的编译执行，对于习惯于脚本化数据分析的年轻一代研究者来说，增加一些与现代科学计算平台结合的章节，会使这本书的适用范围更广。

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