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出版者:John Wiley & Sons Inc

作者:Hecht, Jeff

出品人:

页数:448

译者:

出版时间:1993-12

价格:$ 79.67

装帧:Pap

isbn号码:9780780310056

丛书系列:

图书标签:

• 物理
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《跨越边界：现代工程中的材料科学与应用》 图书简介 一、 导论：新材料时代的黎明 本书深入探讨了二十一世纪工程领域的核心驱动力——先进材料科学。在全球化和技术加速迭代的背景下，对更高性能、更低能耗、更可持续的材料的需求达到了前所未有的高度。本书旨在为材料工程师、机械设计师、电子工程师以及相关领域的研究人员提供一个全面而深入的视角，阐述从原子层面设计到宏观应用的全过程。我们不仅仅停留在对现有材料的描述，更着重于材料的结构-性能关系、先进的制备技术以及面向未来的应用潜力。 本书的结构设计旨在构建一个逻辑严密的知识体系。首先，我们从基础的晶体结构、缺陷工程和热力学原理入手，奠定坚实的理论基础。随后，我们将聚焦于三大关键领域：先进金属合金、高性能聚合物与复合材料，以及功能性陶瓷与电子材料。最后，我们将探讨材料的可持续性、生命周期评估以及前沿的计算材料学方法，确保读者能够掌握面向未来的设计工具。 二、 基础支柱：原子结构与性能调控 材料的宏观性能无不根植于其微观结构。本章将系统回顾固态物理基础，重点讲解晶格振动、电子能带理论在理解导电性、光学性质和热学行为中的作用。 晶体缺陷的“双刃剑”： 我们将详细分析点缺陷（空位、间隙原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界）如何决定材料的力学响应。尤其关注位错运动在塑性变形中的核心地位，以及如何通过引入第二相粒子（沉淀物）或晶界工程来有效强化材料，例如 Hall-Petch 关系在纳米晶材料中的适用性探讨。 热力学驱动的相变： 深入解析相图的构建与应用，特别是在合金化过程中的相变动力学。聚焦于时效析出、固态扩散机制（如 Kirkendall 效应）以及相变对材料微观组织和最终性能的决定性影响。 表面科学的视角： 探讨材料表面与环境的相互作用，包括吸附、催化反应的活性位点以及表面能对润湿性和粘附性的影响。这为理解涂层、薄膜的性能和腐蚀行为提供了关键的微观基础。 三、 先进金属材料：轻量化与极端环境下的挑战 现代工业对承载能力和耐久性的要求不断提高，推动了传统金属材料的革命。本书重点介绍了下一代高熵合金（HEAs）和先进轻质合金的设计与制造。 高熵合金的复杂性与机遇： 探讨 HEAs 区别于传统合金的“高熵效应”、“迟滞效应”和“复杂性效应”。分析其在极端温度（超高温或深冷）下的力学性能、抗蠕变行为和抗辐照损伤机制。书中包含多个案例研究，说明如何通过计算热力学（CALPHAD 方法）指导 HEAs 的成分设计。 增材制造（AM）中的金属材料： 聚焦于选区激光熔化（SLM）和电子束熔化（EBM）工艺对金属微观组织的影响。探讨凝固过程中快速冷却速率导致的非平衡态组织、残余应力问题，以及后处理（热等静压 HIP 或热处理）对消除孔隙和优化晶粒结构的重要性。特别分析了 AM 对钛合金和镍基高温合金性能的独特调控作用。 疲劳与断裂的预防： 详述高周疲劳和低周疲劳的机理，重点解析裂纹萌生和扩展的微观机制。介绍先进的表面处理技术，如滚压强化（RCF）和喷丸处理，如何在不牺牲材料整体强度的前提下，显著提高其抗疲劳寿命。 四、 聚合物与复合材料：功能集成与结构创新 复合材料已成为航空航天、汽车轻量化和生物医学工程不可或缺的支柱。本书深入分析了基体材料与增强相之间的界面行为。 纤维增强复合材料（FRCs）的力学建模： 详细阐述短纤维和连续纤维复合材料的有效介质理论。重点关注先进的层合板设计，包括铺层角度对各向异性响应的影响，以及三维编织和缠绕工艺对提高抗分层性能的贡献。 智能与自修复聚合物： 探讨具有形状记忆效应、压电效应和自修复能力的新型聚合物网络。分析化学交联网络设计如何影响材料的动态力学性能和损伤恢复能力。 界面工程： 界面是决定复合材料整体性能的关键。本书详细介绍了表面改性技术（如等离子体处理、偶联剂）如何增强纤维与基体之间的化学键合或机械互锁，从而提高层间剪切强度（ILSS）和耐久性。 五、 功能性材料：能源、电子与传感 随着信息技术和清洁能源的飞速发展，材料的功能化已成为创新的核心。本部分关注材料的电学、磁学和光学特性。 半导体材料的能带工程： 深入分析 III-V 族和 IV 族半导体的载流子输运机制。重点探讨异质结（如异质结构的多量子阱）的设计原理，及其在光电器件（LED、激光器）中的应用。 先进储能材料： 聚焦于锂离子电池和下一代固态电池的关键材料。分析正极材料（如高镍三元材料、磷酸铁锂）的结构稳定性与循环性能之间的权衡；讨论固态电解质（聚合物、硫化物）的离子电导率机制及其与电极界面的阻抗问题。 功能陶瓷与压电效应： 考察压电陶瓷（如 PZT）的畴结构与宏观电学响应。分析铁电材料的居里温度、极化-电场滞后曲线，及其在传感器和执行器中的应用潜力。 六、 计算材料学与可持续性未来 现代材料研发已离不开强大的计算工具。本书最后两章着眼于前沿方法论和工程伦理。 第一性原理计算与分子动力学（MD）： 介绍密度泛函理论（DFT）如何精确预测材料的电子结构、键能和相稳定性。阐述 MD 模拟在研究扩散、位错攀移和裂纹尖端演化等瞬态或复杂微观过程中的优势，强调如何将计算结果与实验观察相结合（“材料基因组计划”）。 材料的生命周期评估（LCA）与循环经济： 探讨如何量化材料从提取、制造、使用到报废的全部环境影响。分析开发可回收、低毒性、生物可降解材料的必要性，以及材料科学在实现碳中和目标中的战略地位。 本书内容结构严谨，理论深度与工程实践紧密结合，力求使读者不仅理解“是什么”，更领悟“为什么”和“如何做”，为材料科学领域的研究人员和工程师提供一把理解和驾驭未来材料的钥匙。

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这本书的封面设计简直是教科书级别的典范，那种沉稳中带着一丝未来感的蓝色调，光是看着就让人对即将揭开的知识充满期待。内页的排版极其考究，字体选择既保证了阅读的舒适度，又不会显得过于老旧，清晰的图表和插图贯穿始终，很多复杂的概念通过精心绘制的示意图瞬间变得直观易懂。我尤其欣赏作者在处理理论深度与可读性之间的平衡技巧，即便是初次接触光学或量子物理的读者，也能凭借这份详尽的引导，稳步攀登知识的高峰。它不像某些晦涩难懂的学术专著，让人望而却步；相反，它像一位耐心且博学的导师，循循善诱，步步为营地铺陈出激光技术从基本原理到实际应用的宏伟蓝图。在细节处理上，例如对不同类型激光器（如气体激光、半导体激光）工作原理的剖析，作者都投入了极大的心力，每一个公式的推导都清晰可见，注解也非常到位，让人感觉这不是一份冷冰冰的技术手册，而是一部倾注了匠人精神的作品。这种对细节的尊重，无疑极大地提升了阅读体验，让学习的过程本身也成为一种享受。

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初次翻开这本书时，我原以为会陷入一片充斥着冗长数学推导和专业术语的泥潭，但实际体验却令人惊喜。作者的叙事风格极其生动流畅，仿佛在讲述一个引人入胜的科学侦探故事，层层剥开激光技术背后的奥秘。他不仅仅罗列事实，更擅长将历史背景、关键科学家的贡献穿插其中，使得每一项技术的突破都拥有了鲜活的“生命力”。例如，在讲解受激辐射的突破性发现时，那种描述彷佛能让人置身于当时的实验室，感受到科学家们面对未知时的激动与探索的艰辛。这种文学性和科学性的完美结合，极大地降低了学习的心理门槛。读这本书的过程，更像是一次跨越时空的思维漫游，从麦克斯韦的电磁理论，到爱因斯坦的量子洞察，再到梅曼的首次演示，作者构建了一个完整且逻辑严密的知识链条，让读者深刻理解了“为什么”和“如何”——远超出了简单了解其“是什么”的范畴。

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阅读这本书的过程，我最大的感受是其结构上的严谨性达到了近乎苛刻的程度。每一章节的衔接都像是经过精密计算的齿轮咬合，确保了知识体系的无缝对接。章节的组织逻辑非常清晰：从基础的光与物质相互作用的基本原理开始，稳步过渡到光腔设计、增益介质的选择，再到模式控制与光束质量的评估，每一步都建立在坚实的前置知识之上。作者似乎深谙学习者的认知负荷规律，从不一次性抛出过多复杂信息，而是采用“分而治之”的策略，将宏大的概念拆解成易于消化的模块。即便是对于那些对物理学基础有所遗忘的读者，书中也会在需要时提供必要的复习提示或背景知识回顾，这种无微不至的关怀，使得阅读体验极其顺畅，几乎没有“卡壳”的感觉。这与其说是一本专业书，不如说是一套设计精良的知识导航系统。

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这本书在对激光应用领域的覆盖面上展现出惊人的广度与深度。我特别关注了其中关于精密测量和材料加工的部分，发现其论述远比我之前接触的任何资料都要细致入微。它没有停留在对“激光切割很锋利”这种肤浅的描述上，而是深入探讨了不同波长、不同脉冲模式激光在处理不同材料时所产生的微观物理效应，例如等离子体的形成、热影响区的控制等。对于那些希望将理论知识转化为实际工程应用的读者来说，这简直是一座宝库。书中的案例分析非常具有说服力，它们不仅展示了激光技术强大的“肌肉”，更揭示了其背后的精妙控制艺术。我甚至发现了一些在行业内都鲜有提及的、前沿的非线性光学应用案例，这表明作者的知识储备绝非止于基础教材的水平，而是紧跟世界科技发展的前沿。这种对实际应用的深刻洞察力，让这本书的实用价值飙升。

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与其他同类书籍相比，这本书最让我印象深刻的一点是其对未来趋势和潜在挑战的探讨。在收尾部分，作者并未草草收场，而是将目光投向了下一代激光技术的发展方向，如超快激光、阿秒脉冲的产生以及量子信息处理中的应用潜力。这种前瞻性的视角，让这本书的价值超越了对现有技术的介绍，更像是对未来科技领域的一次深刻预言和路线图指引。作者在讨论这些尖端领域时，依然保持了其一贯的清晰度和严谨性，没有陷入空洞的炒作，而是基于现有的物理学瓶颈和技术挑战进行了审慎的分析。这不仅满足了求知欲，更激发了读者对于参与未来科技创新的渴望。这本书不仅仅教会你如何理解和使用现有的激光器，更重要的是，它启发你思考：激光技术的下一个重大突破点会在哪里？它为你打开了一扇通往更深远科学探索的大门。

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