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出版者:Springer Verlag

作者:Hartsuijker, C./ Welleman, J. w.

出品人:

页数:896

译者:

出版时间:2006-6

价格:$ 101.64

装帧:HRD

isbn号码:9781402041235

丛书系列:

图书标签:

• 工程力学
• 力学
• 工程
• 物理学
• 大学教材
• 高等教育
• 静力学
• 动力学
• 材料力学
• 结构力学

现代材料科学进展：从基础理论到前沿应用 本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，探索现代材料科学领域的最新发展、核心理论及其在各个工程和科技领域中的前沿应用。 本书聚焦于材料的微观结构、宏观性能之间的内在联系，并着重介绍如何通过材料设计和制备工艺的创新来突破现有技术的瓶颈。 --- 第一部分：材料科学基础与前沿理论 本部分奠定了理解现代材料行为的理论基石，并引入了驱动当前材料科学革命的几个关键概念。 第一章：晶体结构与缺陷工程 本章详细阐述了固体材料的晶体学基础，从布拉维点阵到密堆积结构，并深入分析了不同晶体缺陷（点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷）对材料力学、电学和热学性能的决定性影响。重点讨论了非平衡态缺陷的调控技术，例如通过快速凝固或辐照诱导的亚稳态结构，及其在提高材料硬度和韧性方面的潜力。我们探讨了位错理论的最新发展，包括高熵合金中复杂位错网络的形成与运动机制，以及如何利用这些机制实现超高强度与良好塑性的协同优化。 第二章：热力学与相图的现代诠释 材料的稳定性和相变行为是其应用潜力的核心。本章超越了传统的吉布斯自由能概念，引入了统计力学在材料系统中的应用，特别是蒙特卡洛模拟和分子动力学方法在预测复杂多组分体系相图中的作用。我们详细分析了非理想溶液的热力学处理，如亚稳态的识别与稳定化，以及相变动力学（形核与长大理论）在快速冷却或高压条件下如何被重塑。特别关注了梯度材料和多相复合材料中的界面热力学效应。 第三章：量子力学与材料性质的预测 本部分是理解材料本征性质的关键。我们聚焦于第一性原理计算（如密度泛函理论，DFT）在预测电子结构、能带结构、缺陷形成能和化学键合方面的强大能力。详细阐述了如何利用这些计算工具来设计具有特定电子、光学和磁学特性的新型功能材料，如拓扑绝缘体和二维材料。此外，本章还探讨了从头算方法在模拟原子尺度反应、催化剂表面吸附动力学中的应用。 --- 第二部分：先进功能材料的创新与制备 本部分着眼于当前科研和工业界最关注的一类具有特定宏观功能的材料，以及实现这些功能所需的先进制造技术。 第四章：高熵与多主元合金的复杂性 传统合金设计依赖于主元素和少量添加剂的模式，而高熵合金（HEAs）的出现彻底改变了这一范式。本章深入探讨了HEAs的“高熵效应”和“迟滞效应”，以及如何通过组元数量和比例的组合来获得面心立方（FCC）、体心立方（BCC）或有序化合物等结构。重点剖析了HEAs在极端温度（高温蠕变和低温韧性）下的独特性能表现，并介绍了增材制造（3D打印）技术在制备成分均匀、组织受控的复杂HEAs部件中的优势与挑战。 第五章：能源存储与转换材料 本章聚焦于可持续能源领域的核心材料。对于电池技术，我们详述了固态电解质的离子导电机制、界面阻抗问题，以及硅基负极材料的体积膨胀控制策略。在光伏领域，重点分析了钙钛矿材料的缺陷钝化技术，以解决其长期稳定性和湿度敏感性问题。此外，本章还介绍了用于高效电催化和燃料电池的纳米结构催化剂的设计原则，特别是单原子催化剂的构筑方法。 第六章：智能与自适应材料系统 本章关注那些能够对外界刺激（如温度、应力、电场、光照）做出响应并改变其自身性质的材料。详细讨论了形状记忆合金（SMAs）和压电/电活性聚合物的工作机理，以及如何利用微流控技术精确控制这些智能材料的微结构以优化响应速度和循环稳定性。特别探讨了自修复材料的动态共价键网络设计和微胶囊破裂释放修复剂的机制，以延长结构件的使用寿命。 --- 第三部分：先进表征技术与计算模拟的融合 要理解和设计新材料，必须依赖于精确的表征手段和可靠的预测模型。本部分介绍了当前最尖端的实验技术及其与计算科学的深度结合。 第七章：原子尺度成像与谱学分析 本章详细介绍了球差校正透射电子显微镜（STEM/TEM）在实现原子级分辨率成像和元素空间分布分析中的最新进展，特别是高角度环形暗场（HAADF）和环形明场（ADF）成像的定量分析。同时，重点介绍了同步辐射光源技术在原位（in-situ）X射线吸收谱（XAS）和散射（XRS）中的应用，使我们能够在真实工作条件下（如电化学循环中）实时监测材料的结构演变和化学态变化。 第八章：计算材料学与材料基因组计划 本章探讨了如何利用高通量计算（High-Throughput Computing）和机器学习（ML）来加速新材料的发现流程。详细介绍了如何构建和训练机器学习模型，利用现有的材料数据库（如Materials Project）来预测新的稳定相、优化合金成分，或建立性能-结构关系。讨论了贝叶斯优化在寻找最佳工艺参数方面的应用，以及如何确保计算预测结果能够被实验可靠地验证。 第九章：界面与表面的控制工程 材料的性能往往受限于其界面和表面。本章深入研究了薄膜沉积技术（如原子层沉积ALD和脉冲激光沉积PLD）对界面能、应力匹配和异质结形成的影响。讨论了表面能对纳米粒子形貌控制的重要性，以及如何利用等离子体增强技术在分子层面调控材料表面化学活性，以优化其在催化、传感器和生物医学植入物中的性能。 --- 结语：面向未来的多尺度材料设计范式 本书的最终目标是引导读者建立一种多尺度、跨学科的材料设计思维。从量子力学的基本方程出发，通过分子动力学模拟过渡到微观结构演化，最终通过先进制造技术实现宏观工程应用。本书不仅是理论的汇编，更是对如何利用跨越多个数量级（从皮米到米）的知识体系来解决21世纪工程挑战的系统性探讨。 本书适合于材料科学、化学工程、机械工程、物理学及相关领域的本科高年级学生、研究生以及致力于材料创新和工艺优化的专业工程师和研究人员阅读。

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