Integrated Design of Multiscale, Multifunctional Materials and Products pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:McDowell, David L./ Panchal, Jitesh/ Choi, Hae-jin/ Seepersad, Carolyn

出品人:

页数:392

译者:

出版时间:2009-11

价格:$ 92.95

装帧:

isbn号码:9781856176620

丛书系列:

图书标签:

材料设计
多尺度
多功能材料
产品设计
集成设计
先进材料
工程材料
创新设计
材料科学
跨学科设计

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具体描述

Integrated Design of Multiscale, Multifunctional Materials and Products is the first of its type to consider not only design of materials, but concurrent design of materials and products. In other words, materials are not just selected on the basis of properties, but the composition and/or microstructure iw designed to satisfy specific ranged sets of performance requirements. This book presents the motivation for pursuing concurrent design of materials and products, thoroughly discussing the details of multiscale modeling and multilevel robust design and provides details of the design methods/strategies along with selected examples of designing material attributes for specified system performance. It is intended as a monograph to serve as a foundational reference for instructors of courses at the senior and introductory graduate level in departments of materials science and engineering, mechanical engineering, aerospace engineering and civil engineering who are interested in next generation systems-based design of materials.

Key Features:

* First of its kind to consider not only design of materials, but concurrent design of materials and products.

* Treatment of uncertainty via robust design of materials

* Integrates the "materials by design approach" of Olson/Ques Tek LLC with the "materials selection" approach of Ashby/Granta

* Distinquishes the processes of concurrent design of materials and products as an overall systems design problem from the field of multiscale modeling

* Systematic mathematical algorithms and methods are introduced for robust design of materials, rather than ad hoc heuristics--it is oriented towards a true systems approach to design of materials and products

融汇精微，创领未来：多尺度、多功能材料与产品的集成设计在当今飞速发展的科技浪潮中，创新不再是单点突破的零星闪光，而是系统性、协同性的深刻变革。正如宏伟建筑依赖于精密的结构和高效的协作，现代工业的进步也越来越倚重于将不同层级的智慧巧妙融汇，以实现前所未有的性能与价值。本书，《融汇精微，创领未来：多尺度、多功能材料与产品的集成设计》，正是聚焦于这一前沿领域，深入探讨如何通过集成化的设计理念，将微观的材料特性、中观的结构构建与宏观的产品应用需求有机结合，从而驱动材料科学与工程的革命性发展，塑造更具竞争力、可持续性和人性化的未来产品。我们生活的世界，从最基本的原子分子排列，到我们日常使用的工具，再到支撑城市运转的庞大系统，无不体现着“尺度”的概念。微观尺度下的材料结构，决定了其基本属性——强度、韧性、导电性、光学特性等等。而这些微观属性，又通过精巧的中观结构设计，如晶格、纤维、复合界面等，被放大和定制，最终服务于宏观产品的功能实现。传统的研发模式往往将材料开发、结构设计与产品应用视为相对独立的环节，各自为政，造成信息孤岛，效率低下，难以突破性能瓶颈。《融汇精微，创领未来》则打破了这种壁垒，将这三者置于一个统一的设计框架之下，强调在设计的初始阶段就考虑材料、结构与功能的相互作用，实现“由内而外”与“由外而内”的协同优化。本书的核心思想在于“集成设计”。这并非简单的叠加，而是一种深度的融合与耦合。它意味着我们在设计一款高性能传感器时，不仅要选择合适的压电材料，还要考虑该材料在微纳米尺度下的晶体取向如何影响其应力-电荷转换效率；同时，还需要设计精密的微结构，例如微梁或微悬臂，以放大微弱的形变，并确保其与电路的可靠连接。再者，产品的整体形态和工作环境，例如其所需承受的外部载荷、温度变化等，也会反过来影响对材料和微结构的要求。集成设计正是要在这个错综复杂的反馈循环中，找到最优的解。具体而言，本书将从以下几个关键维度展开深入探讨：一、多尺度相互作用的精细刻画与调控：材料的性能并非均一不变，而是与尺度息息相关。例如，块体材料的力学性能在纳米尺度下可能展现出截然不同的表现，这源于表面效应、量子尺寸效应等。书中将详细阐述如何利用先进的表征技术，如透射电子显微镜（TEM）、扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）等，精确捕捉材料在不同尺度下的微观结构特征，并理解这些特征如何影响宏观性能。更重要的是，本书将重点介绍如何通过设计手段，主动调控材料的微观结构，例如通过精确控制晶粒尺寸、引入第二相粒子、构建有序纳米结构等，从而实现目标性能的定制化。这涉及到对材料合成方法、热处理工艺、形变加工等关键环节的深刻理解和精妙运用。二、功能集成化的策略与实现路径：现代产品往往需要集多种功能于一身，以应对日益复杂的使用场景。例如，智能手机需要兼具显示、通信、传感、存储等多种功能，而航空航天器则需要轻质高强、耐高温、抗腐蚀、具备能量收集等多种能力。本书将深入探讨如何通过材料设计和结构优化，实现功能的集成。这可能包括：复合材料的多功能设计：通过合理选择基体材料和增强体材料，并精确控制界面性能，赋予复合材料超越单一组分的性能。例如，将导电填料引入聚合物基体，可以同时实现结构强度和电磁屏蔽功能。多层结构的设计：通过巧妙堆叠不同特性的薄膜或层状材料，可以实现协同效应，产生新的功能。例如，光学薄膜可以通过精确控制层数和厚度，实现增透、反射、滤光等多种光学功能。微纳结构的功能化：设计具有特定形貌的微纳结构，例如多孔结构、表面纹理、周期性阵列等，可以赋予材料特殊的功能，如超疏水、自清洁、催化活性、光子晶体效应等。智能材料的应用：介绍形状记忆合金、压电陶瓷、热敏聚合物等智能材料在集成设计中的潜力，以及如何将它们与传统材料相结合，实现环境响应性、自修复等高级功能。三、集成设计方法学与工具链的构建：实现有效的集成设计，离不开先进的方法学和强大的工具链支持。本书将引导读者掌握：正向设计与逆向设计的协同：既可以从目标产品功能出发，反向推导所需的材料和结构参数，也可以从现有材料出发，探索其潜在的应用领域。计算模拟与数据驱动：详细介绍有限元分析（FEA）、分子动力学模拟（MD）、密度泛函理论（DFT）等计算方法，用于预测材料性能、优化结构设计。同时，也将探讨如何利用大数据和机器学习技术，加速设计过程，发现新的设计规律。实验验证与迭代优化：强调实验在设计过程中的重要性，通过原型制造、性能测试来验证设计模型的准确性，并根据实验结果进行迭代优化，形成闭环设计。跨学科协同的沟通平台：鼓励不同领域专家（材料科学家、机械工程师、电子工程师、产品设计师等）之间的紧密合作，建立有效的沟通机制，打破知识壁垒。四、面向未来的应用前景与挑战：本书的终极目标是为读者描绘集成设计在各个领域的广阔应用前景，并分析未来发展中可能遇到的挑战。我们将涵盖但不限于：航空航天：轻质高强、耐极端环境的结构材料，以及具备自监测、自修复功能的先进部件。能源领域：高效太阳能电池、先进储能材料、能量收集装置等。生物医学：生物相容性材料、药物输送系统、组织工程支架、高性能医疗器械等。电子信息：高速低功耗半导体材料、柔性电子器件、微型传感器网络等。可持续发展：可回收、可降解的环保材料，以及实现资源高效利用的设计方案。在肯定集成设计巨大潜力的同时，本书也将审视其面临的挑战，例如：如何实现微观结构的可控制造？如何评估多尺度、多功能材料的可靠性和寿命？如何建立统一的评价标准和协同设计平台？如何应对知识产权和市场推广的复杂性？《融汇精微，创领未来：多尺度、多功能材料与产品的集成设计》，旨在成为一本集理论深度、方法指导和案例启发于一体的参考书籍。它面向高等院校相关专业的学生、科研人员、工程师以及对材料创新和产品研发充满热情的研究者。我们希望通过本书的阅读，读者能够深刻理解集成设计的核心理念，掌握相关的分析工具和设计方法，并能够将这些知识融会贯通，在各自的研究和实践领域，开创出更加激动人心的科技成果，共同塑造一个更加智能、高效、可持续的美好未来。