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《先进材料科学与工程应用》 第一部分：新材料的理论基础与前沿探索 第1章：新材料的结构与性能 本章深入探讨了构成现代工程材料的原子、分子和晶体结构。重点解析了先进材料（如纳米材料、复合材料和智能材料）在微观尺度下的构型特征，以及这些结构如何决定宏观力学、热学、电学和光学性能。涵盖了材料表征技术（如X射线衍射、透射电镜和原子力显微镜）在理解材料行为中的关键作用。 第2章：计算材料学与材料基因组计划 本章聚焦于现代计算模拟方法在材料科学中的应用。我们将详细介绍密度泛函理论（DFT）、分子动力学（MD）模拟以及相场法（Phase-Field Method）如何用于预测新材料的合成路径和性能。讨论材料基因组计划（Materials Genome Initiative）如何加速材料发现过程，通过高通量计算和数据驱动的机器学习方法优化材料设计空间。 第3章：环境友好型与可持续材料 随着全球对可持续发展的日益关注，本章系统介绍了可再生、可回收和低能耗的先进材料。内容包括生物基聚合物、绿色溶剂合成的无机材料，以及在能源存储（如固态电池电解质）和污染物治理（如高效吸附剂）中应用的创新材料体系。探讨了材料全生命周期评估（LCA）对环境影响的量化分析。 第二部分：功能性与结构性先进材料 第4章：高性能结构复合材料的设计与制造 本章侧重于航空航天、汽车和土木工程领域所需的先进结构材料。详细阐述了纤维增强复合材料（如碳纤维/环氧树脂、陶瓷基复合材料）的增强机制、界面设计与失效分析。特别关注了多尺度建模技术在预测复杂载荷下复合材料疲劳寿命和损伤容限方面的应用。 第5章：能源转换与存储材料 本章深入研究了驱动能源革命的关键材料。内容涵盖了高效光伏电池（如钙钛矿和有机光伏）的半导体材料、燃料电池的催化剂与质子交换膜，以及下一代储能技术（如锂硫电池、钠离子电池和超级电容器）的电极和电解质材料。强调了材料的电化学循环稳定性和能量密度提升的瓶颈。 第6章：智能与响应性材料系统 本章探讨了能够对外部刺激（如温度、光、电场、磁场或化学环境）作出可逆响应的材料。详细分析了形状记忆合金（SMA）、压电/铁电陶瓷、电活性聚合物以及光致变色材料的工作原理和在传感器、执行器和自修复结构中的前沿应用。 第三部分：材料加工、表征与应用工程 第7章：先进材料的增材制造（3D打印）技术 本章专注于增材制造技术如何改变先进材料的加工范式。探讨了选择性激光烧结（SLS）、电子束熔融（EBM）和光聚合技术在制造具有复杂内部结构和梯度材料方面的优势与挑战。重点分析了不同打印工艺对材料微观结构演变和最终性能的影响。 第8章：材料的表面工程与涂层技术 材料的性能往往受其表面状态决定。本章全面介绍了用于增强耐磨性、耐腐蚀性、生物相容性或特定光学性质的先进表面改性技术。涵盖了物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、离子注入以及等离子体增强技术在功能涂层制备中的最新进展。 第9章：材料的无损检测与寿命预测 本章讨论了确保高可靠性工程结构安全的关键技术。详细介绍了超声波检测（UT）、声发射（AE）、涡流检测（ET）等无损评估方法在早期缺陷识别中的应用。同时，探讨了基于数据科学的材料疲劳和蠕变寿命预测模型，以及如何将实时监测数据集成到结构健康监测（SHM）系统中。 第十章：生物医学与植入材料 本章关注生命科学与材料科学的交叉领域。深入研究了用于组织工程支架、药物缓释载体和生物植入器件的先进生物材料，包括生物可降解聚合物、生物活性陶瓷和类骨材料。讨论了材料的生物相容性、生物降解速率的调控以及材料表面与细胞的相互作用机制。 总结 本书旨在为材料科学家、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，涵盖从基础理论到尖端制造和应用的整个材料科学谱系。它强调跨学科整合，旨在培养读者解决复杂工程问题的能力，推动新材料在可持续发展、能源、信息技术和生命健康等关键领域的应用。
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