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出版者:Thomson Learning

作者:Penrod, Shelley/ Maxwell, Ann/ Taylor, Jane B./ Jackson, John D.

出品人:

頁數:381

译者:

出版時間:

價格:49.95

裝幀:Pap

isbn號碼:9780495019701

叢書系列:

圖書標籤:

• Human Biology
• Anatomy
• Physiology
• Health
• Science
• Medicine
• Cells
• Body Systems
• Genetics
• Evolution

《星際航行的材料科學與工程》 導言：超越已知疆域的材料革命 隨著人類文明觸角不斷延伸至太陽係邊緣乃至更遠的星際空間，傳統材料學已無法滿足極端環境下的嚴苛需求。本領域研究的核心目標，在於突破現有材料性能的瓶頸，為星際飛船的結構完整性、推進係統的效率、生命維持係統的可靠性以及深空輻射防護提供堅實可靠的物質基礎。《星際航行的材料科學與工程》匯集瞭當前最前沿的理論探索與工程實踐，旨在構建一個麵嚮未來的、適應超遠距離航行挑戰的材料體係。 本書深入探討瞭在極端溫度梯度、高能粒子輻照、微重力/零重力效應以及超長服役期限等綜閤約束條件下，新一代結構材料、功能材料和智能材料的設計、製備與性能錶徵。我們將重點關注如何利用先進的計算模擬方法，如密度泛函理論（DFT）和分子動力學（MD），預測和優化材料在苛刻太空環境下的長期行為。 第一部分：極端環境下的結構完整性 星際航行對飛船的結構材料提齣瞭前所未有的挑戰。材料必須能夠在數十年乃至上百年的航行周期內，抵抗疲勞損傷、蠕變、輻照脆化以及熱應力。 第一章：超高溫與超低溫下的結構陶瓷與復閤材料 星際探測器在穿越恒星風暴區或靠近高能天體（如脈衝星或中子星）時，可能遭遇極高熱流。本章首先分析瞭碳化矽（SiC）、氮化硼（BN）基復閤材料以及高熵陶瓷（HECs）在數韆攝氏度下的熱力學穩定性與燒蝕特性。重點研究瞭多孔陶瓷的微觀結構對熱導率的調控機製，旨在設計齣輕質且具有優異隔熱性能的耐熱護盾。 隨後，內容轉嚮絕對零度附近的環境。對於那些需要部署在柯伊伯帶之外的探測器，材料的低溫韌性至關重要。我們考察瞭具有低溫相變可控性的鎳-鈦（Ni-Ti）基形狀記憶閤金（SMA）在液氦溫度下的應力-應變響應，並探討瞭如何通過引入納米晶粒來抑製低溫脆性斷裂的發生。 第二章：高能粒子輻照損傷與自修復機製 深空環境充斥著高能質子、重離子和中子，這些粒子對材料晶格結構造成難以逆轉的損傷（空位、間隙、位錯環的形成）。本章詳細剖析瞭等效劑量（dpa）與材料性能衰退（如楊氏模量下降和電導率變化）之間的定量關係。 重點介紹瞭一類新型“輻照容忍型”閤金，例如通過閤金化或引入特定晶界相來促進缺陷的快速遷移和湮滅。此外，我們引入瞭“智能自修復”概念，探討瞭將封裝的修復劑（如熔點極低的金屬或響應性聚閤物）嵌入結構基體中的技術，使其在損傷形成時能通過局部加熱或壓力釋放進行初步恢復，延長材料的有效壽命。 第三章：微重力與零重力下的增材製造 傳統地麵製造工藝在零重力環境下會因浮力效應和對流換熱差異而導緻缺陷。本章聚焦於空間原位製造（In-Situ Manufacturing）所需的先進增材技術，特彆是激光粉末床熔融（LPBF）和定嚮能量沉積（DED）在空間站或小行星基地中的應用。我們分析瞭零重力下金屬粉末的堆積密度、熔池的錶麵張力控製，以及如何通過電磁場輔助來抑製孔隙形成，以保證打印件的宏觀力學性能與地麵標準一緻。 第二部分：推進係統與能源轉換材料 星際航行對推進係統提齣瞭能源密度和比衝的極限要求。材料科學是實現高效率、長壽命推進器的關鍵。 第四章：聚變反應堆與先進磁約束材料 對於依賴核聚變推進（如D-He3或D-T反應）的星際飛船，反應堆堆芯材料必須承受極高的中子通量和熱負荷。本章評估瞭鎢（W）基閤金、反應堆級石墨以及先進的氧化物分散強化（ODS）閤金在苛刻等離子體邊界環境下的耐受性。特彆關注瞭氚的滲透與庫存問題，以及如何設計具有低氚俘獲截麵的陶瓷內襯材料。 第五章：高效率能源轉換材料 長距離航行需要穩定、高功率的能源供應。本書深入研究瞭下一代同位素熱電材料（RTGs）和先進光伏（PV）陣列的性能提升。在熱電領域，我們探討瞭碲化鍺（SiGe）晶體結構的超晶格化設計，以有效散射聲子，顯著降低熱導率而保持電子遷移率，從而提升塞貝剋係數。在光伏方麵，分析瞭多結砷化鎵（GaAs）電池在深空低照度環境下的光譜匹配優化，以及柔性、自清潔的超輕薄膜太陽能電池在船體錶麵的集成技術。 第三部分：生命維持與輻射防護係統 船員的安全與健康是星際任務的首要考量。材料需要為創造和維持類地環境提供保障。 第六章：先進的輻射屏蔽材料 宇宙射綫（GCRs）和太陽高能粒子（SEPs）是船員麵臨的主要威脅。傳統屏蔽材料（如鋁）易産生次級輻射。本章詳細闡述瞭以氫元素為核心的高效屏蔽策略。研究瞭富含氫的聚閤物復閤材料，如聚乙烯（PE）與硼化聚乙烯（BPE）的結構設計，以最大化質子散射和中子吸收。此外，還探討瞭利用主動磁屏蔽技術輔助下，基於超導材料設計輕質的等離子體偏轉層。 第七章：閉環生態係統的功能材料 生命維持係統（ECLSS）依賴於高效的化學反應器和分離膜。本章著重於新型膜分離技術，例如用於CO2捕獲和水迴收的金屬有機骨架材料（MOFs）和石墨烯氧化物（GO）膜。我們分析瞭MOFs在低壓和零重力下吸附/解吸的動力學模型，以及如何通過孔隙工程來增強對特定揮發性有機物（VOCs）的去除效率，確保艙內空氣質量的長期穩定。 結論：麵嚮未來的材料探索路徑 《星際航行的材料科學與工程》不僅總結瞭現有技術，更指明瞭未來十年的研究方嚮：從材料的宏觀性能轉嚮原子尺度的精確調控，從被動防護轉嚮主動適應與自適應。通過跨學科的深度融閤——計算模擬、先進製造與原位錶徵——我們將能夠設計齣真正能夠支撐人類文明踏入銀河係的物質基礎。本書是為空間工程師、材料科學傢以及所有緻力於深空探索事業的研究人員提供的關鍵參考。

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