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出版者:中国劳动社会保障出版社

作者:阎华

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1900-01-01

价格:17.8

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isbn号码:9787504527790

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《高等材料科学与工程前沿进展》 本书简介 《高等材料科学与工程前沿进展》是一部深度聚焦于当代材料科学与工程领域最尖端、最具颠覆性技术和理论探索的综合性学术专著。本书旨在为材料学、化学、物理学、力学以及相关交叉学科的研究人员、高年级本科生和研究生提供一个全面、深入且具有前瞻性的知识平台，系统梳理过去五年中该领域内取得的标志性突破与未来十年的发展趋势。 全书共分七大部分，涵盖了从基础理论到颠覆性应用的全光谱，力求展现材料创新驱动下的工程变革。 --- 第一部分：原子尺度设计与计算材料学的新范式 本部分着重探讨了如何利用先进的计算工具，实现对材料性能的精准预测与理性设计。 1.1 密度泛函理论（DFT）的精度提升与多尺度模拟的融合： 详细介绍了如何通过引入更先进的交换关联泛函（如 $ ext{Meta-GGA}$ 泛函和混合泛函）来解决传统DFT在描述强关联体系和长程相互作用时的局限性。重点阐述了从原子尺度（$ ext{DFT}$）到介观尺度（分子动力学 $ ext{MD}$）再到宏观尺度（有限元分析 $ ext{FEA}$）的无缝衔接技术——多尺度建模框架的最新进展，尤其是在界面缺陷演化和晶界扩散动力学模拟中的应用。 1.2 基于机器学习（ML）的材料信息学（Materials Informatics）： 深入剖析了如何构建高维材料特征空间，利用高通量计算数据和实验数据库训练深度神经网络（$ ext{DNN}$）和图神经网络（$ ext{GNN}$）模型，实现对新型合金、催化剂和功能薄膜的“逆向设计”——即根据所需的性能指标反推材料的微观结构和化学组分。讨论了模型可解释性（$ ext{XAI}$）在材料科学中的重要性，以确保模型预测结果的物理合理性。 1.3 高熵合金（HEAs）的构效关系探索： 聚焦于$ ext{HEAs}$的复杂多主元体系。阐述了通过计算模拟如何精确预测固溶区稳定性（$ ext{PFS}$准则）、预测相分离的形核机制，以及如何通过构型熵和局域应变场调控其在极端温度下的塑性、蠕变和断裂韧性。 --- 第二部分：二维及低维材料的能带工程 本部分专注于原子层级厚度的材料，及其在电子学、光电子学和传感领域的巨大潜力。 2.1 新型二维（2D）材料的发现与合成： 超越石墨烯和过渡金属硫化物（$ ext{TMDs}$）。详细介绍了基于应变工程和垂直异质结构（Van der Waals heterostructures）的探索。讨论了如何通过精确控制外加应变场来“打开”原本为零带隙材料的能带，或实现狄拉克锥的线性移动。重点介绍了单层钙钛矿（$2 ext{D}$ Perovskites）在稳定性和光电转换效率方面的突破。 2.2 拓扑材料与量子输运现象： 深入探讨了拓扑绝缘体（$ ext{TIs}$）和拓扑半金属（如狄拉克/外尔半金属）的物理本质。分析了其表面态的强自旋轨道耦合效应，以及如何利用磁化作用或界面耦合来控制和拓扑保护的电荷传输，为低功耗电子学奠定基础。 2.3 低维材料的机械可靠性与界面效应： 研究了单层和纳米线材料的尺寸效应。讨论了表面悬挂键密度对机械强度和疲劳寿命的极端影响，以及在异质结界面处载流子散射和电荷转移的动力学过程。 --- 第三部分：极端环境下的结构材料与增材制造 本部分关注于服役于高应力、高温或腐蚀性环境下的先进结构材料，及其与增材制造技术的深度融合。 3.1 先进陶瓷基复合材料（$ ext{CMCs}$）的抗热震与抗氧化机制： 重点研究了下一代航空发动机和核聚变反应堆所需材料。详细分析了陶瓷基体复合材料（$ ext{CMCs}$）中纤维/基体界面渗透涂层的设计策略，以有效抑制氧化剂的侵入，并提升材料的断裂韧性，特别是针对碳化硅纤维增强$ ext{SiC}$基体（$ ext{SiC}/ ext{SiC}$）体系的寿命预测模型。 3.2 激光选区熔化（$ ext{SLM}$）中的微结构控制： 探讨了增材制造过程中熔池内瞬态液态金属行为与快速凝固速率对最终材料微观组织的影响。分析了孔隙率的成因（气孔、未熔合）及消除策略。重点讨论了如何通过优化激光扫描路径和预热温度，在镍基高温合金中实现显微组织细化和择优晶粒取向（Texture Engineering），以最大化其高温蠕变性能。 3.3 梯度功能材料（$ ext{FGM}$）与残余应力管理： 介绍了在增材制造过程中，通过连续改变激光功率和送粉速率来制造材料成分或晶粒尺寸沿厚度方向连续变化的结构。探讨了如何利用这些梯度结构来有效缓冲热膨胀失配和凝固收缩引起的残余应力，避免分层和开裂。 --- 第四部分：能源转换与存储材料的界面化学 本部分聚焦于推动可持续能源技术发展的关键材料体系的深入机理研究。 4.1 固态电解质与锂/钠离子电池的界面稳定： 深入分析了全固态电池（$ ext{ASSB}$）面临的固-固界面阻抗问题。研究了陶瓷电解质（如$ ext{LLZO}$）表面改性策略（如原位涂覆阻挡层）以抑制界面锂枝晶的生长，并详细阐述了使用原位光谱技术（如同步辐射$ ext{XPS}$）对固体电解质界面（$ ext{SEI}$）在充放电循环中动态演化的监测方法。 4.2 钙钛矿太阳能电池（$ ext{PSCs}$）的长期稳定性： 剖析了导致$ ext{PSCs}$降解的核心化学机制，包括水、氧气和热诱导下的碘离子迁移与相变。重点介绍了二维化改性（$2 ext{D}$ Capping Layers）和无机钝化剂（Inorganic Passivation）策略，用以有效封堵材料缺陷位点，提高器件的$ ext{T}80$寿命。 4.3 电催化剂的活性位点调控： 针对析氢反应（$ ext{HER}$）和析氧反应（$ ext{OER}$）。探讨了通过纳米结构工程（如单原子催化剂 $ ext{SACs}$）和配体效应，精确控制活性中心的电子态和几何构型，以降低反应能垒并提高选择性。 --- 第五部分：生物相容性与再生医学材料 本部分关注材料科学如何与生物学、医学深度交叉，实现精准治疗和组织修复。 5.1 可注射水凝胶（Injectable Hydrogels）的动态交联机制： 详细介绍了利用化学反应动力学（如点击化学、光交联）设计具有剪切稀化（Shear-thinning）和自修复（Self-healing）特性的生物支架。讨论了如何调控水凝胶的孔隙结构、杨氏模量和降解速率，以精确模拟特定组织（如软骨或神经）的微环境。 5.2 活性生物医用植入物与表面生物活性调控： 研究了如何通过材料表面涂层技术实现对细胞行为（增殖、分化、迁移）的引导。重点介绍了利用电化学沉积和等离子体诱导接枝技术，在金属或陶瓷植入物表面构建梯度生物活性层，促进骨组织或血管的再生。 5.3 智能药物递送载体（$ ext{IDDS}$）： 探讨了基于$ ext{pH}$敏感、温度敏感或外部磁场/光照响应的纳米载体。分析了药物在载体内部的封装效率、释放动力学，以及如何通过靶向配体（Targeting Ligands）实现药物在病灶区域的特异性富集。 --- 第六部分：先进表征技术与原位分析 本部分强调了在真实工作条件下理解材料行为的重要性。 6.1 高分辨电子显微镜（$ ext{HR-TEM/STEM}$）的定量分析： 介绍了像差校正扫描透射电子显微镜在原子尺度识别晶格畸变、掺杂原子位置和界面化学梯度方面的最新应用。重点讨论了环形暗场像（$ ext{ADF}$）和差分相位像（$ ext{DPC}$）在解析原子级别电荷密度分布中的作用。 6.2 原位拉伸/加热同步实验： 详细描述了如何将机械加载平台、加热台与同步辐射光源（$ ext{X}$-ray Diffraction/Scattering）或原位电子显微镜联用。分析了这些技术如何揭示材料在塑性变形过程中，位错的形核、滑移、缠结以及微裂纹的萌生与扩展的动态过程。 6.3 超快瞬态光谱： 探讨了飞秒激光结合泵浦-探测技术在研究电子-声子耦合、载流子弛豫时间以及光激发下的相变动力学中的应用，尤其适用于理解半导体和磁性材料的光响应机制。 --- 第七部分：功能材料的跨尺度耦合效应 本部分总结了如何将不同尺度的特性联系起来，以设计出具备新颖多功能性的材料系统。 7.1 压电/热电材料的本征性能与复合增强： 研究了非中心对称晶体结构中的压电效应与介电响应。讨论了如何通过纳米复合技术（如将高介电常数颗粒嵌入低介电常数基体）来优化材料的能量密度和效率，并分析了热电材料中塞贝克系数（$S$）、电导率（$sigma$）和热导率（$kappa$）之间的“矛盾”调控策略。 7.2 磁性马氏体与应力诱导相变： 聚焦于镍锰镓（$ ext{Ni-Mn-Ga}$）等合金中的磁致伸缩效应。分析了磁场与机械应力在驱动材料相变中的协同作用，及其在智能驱动器和能量收集器件中的应用潜力。 7.3 智能传感与仿生材料： 探讨了基于应变敏感的纳米填料（如碳纳米管、石墨烯片）构建的压阻式柔性传感器，如何实现对压力、弯曲和温度的灵敏、可逆感知。并以章末总结的形式，展望了在人工智能驱动下，材料设计将如何实现对复杂环境刺激的自主响应与适应。

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这本《机械基础》实在是让人大开眼界，简直就像是拿到了一把开启精密世界大门的钥匙。我原本对机械设计和理论一直抱有一种敬而远之的态度，总觉得那些复杂的公式和图纸是工程师的专属领域，与我这样的“小白”无缘。然而，这本书的叙述方式却异常亲切和引人入胜。它没有一开始就抛出那些令人头疼的理论，而是从最基础的机械概念入手，比如简单的杠杆、轮轴，如何巧妙地将人力转化为效率的飞跃。作者似乎深谙读者的心理，总能用生动的比喻将抽象的力学原理具象化。举个例子，书中讲解摩擦力时，不像教科书那样干巴巴地给出一个公式，而是通过描述一个老旧的自行车链条如何因为缺乏润滑而变得难以下坡，再引申到静摩擦与动摩擦的区别，读起来一点都不枯燥，反而让人在日常生活中都能找到对应的实例。更让我惊喜的是，它对材料特性的探讨也十分到位，不是简单地罗列钢材的牌号，而是深入浅出地解释了为什么不同的受力情况下需要选用不同的金属结构，这种深度与广度的完美结合，让我对“机械”这两个字有了全新的理解。我甚至开始对身边那些习以为常的机器产生了好奇心，想去探究它们内部是如何协同工作的。

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我是一个对细节有着近乎偏执追求的人，而这本《机械基础》在细节处理上的严谨性，完全符合我的高标准。它在阐述每一个设计准则时，都清晰地标明了其背后的理论依据和潜在的失效模式。比如在讨论紧固件连接时，书中不仅讲解了螺纹的基本知识，还深入分析了预紧力对连接稳定性的决定性影响，甚至提及了不同工作环境下（如高温、振动）螺栓可能出现的松动风险及相应的预防措施。这种近乎“吹毛求疵”的讲解方式，反而让人感到无比踏实，因为它让你意识到，在机械设计中，任何一个小小的疏忽都可能导致灾难性的后果。很多其他书籍往往在基础概念结束后就戛然而止，只停留在“是什么”的层面，而这本书则进一步探讨了“为什么会这样”以及“如何避免出错”。这种前瞻性的风险意识，对于任何想要从事或了解精密制造领域的人来说，都是无价的财富。我感觉自己像是在一位经验丰富的老工程师的指导下学习，他不仅教你如何做对，更重要的是教你如何避开所有已知的陷阱。

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说实话，拿到这本《机械基础》时，我抱着试试看的心态，毕竟市面上讲机械的书籍太多，很多都是冗长、晦涩的“专业人士圣经”。但这本书的排版和内容的逻辑性，简直是为自学者量身定做的。它的章节过渡极其自然流畅，每一个知识点都像是精心铺设的路基，为下一个更复杂的概念做好了充分的准备。我特别喜欢它在讲解机构运动学时的处理手法。那些关于曲柄摇杆、齿轮传动系的描述，往往伴随着清晰的手绘草图，这些图示并非那种冷冰冰的工程制图，而是更偏向于示意图，直观地展示了各个部件是如何相互咬合、实现特定运动轨迹的。我过去在其他地方看到这些内容时，脑海里总是像打结一样，但读完这一章后，我竟然能在脑海中“播放”出这些机构运转的动态过程。这种“视觉化”的学习体验，极大地降低了我的理解门槛。而且，书中的习题设计也十分巧妙，它们大多是情景化的，比如“设计一个能提升重物的简单起重装置”，而不是单纯的数值计算，这迫使我必须将理论知识应用到实际问题解决中去，真正培养了工程思维。

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我过去曾尝试过几本号称是“零基础入门”的机械书籍，但最终都因为内容过于跳跃或过于侧重单一分支（比如只讲强度分析而不涉及机构设计）而束之高阁。然而，《机械基础》这本书展现出的是一种宏大的全景式视角。它非常全面地覆盖了机械系统的各个核心要素：从静力学、材料、机构、到动力学，最后还简要触及了控制系统的基础概念。最让我赞赏的是，它在全书贯穿了一个理念：机械系统是一个不可分割的整体。例如，在讲解轴承设计时，它不会孤立地讨论承载能力，而是会同时联系到轴的刚度、润滑油的选择（材料与环境因素），以及最终的振动特性（动力学因素）。这种跨领域的知识整合能力，让我深刻体会到现代工程设计的复杂性和系统性。这本书没有将知识点割裂开来，而是构建了一个互相印证、互相影响的知识网络，使得所学内容真正融会贯通，构建起一个坚实、立体的知识框架。它绝不仅仅是一本工具书，更像是一部引导读者建立完整机械工程世界观的启蒙之作。

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这本书的语言风格，用一个词来形容，就是“精确而不失温度”。它避免了那种高高在上的学术腔调，但又不失其应有的专业性。我印象最深的是它在介绍机械动力学部分时，处理能量守恒和动量守恒的方式。作者没有直接跳入复杂的微分方程求解，而是先用一个非常生活化的例子——比如一个掉落的皮球，如何通过弹性形变和反弹来展示能量的转化——来铺垫概念的直观感受。随后，再将这些感受逐步抽象、提升到数学模型的高度。这种由感性认知向理性分析的递进过程，极大地增强了阅读的连贯性。我感觉自己不是在被动地接收信息，而是在和作者一起进行一场智力上的探险。书中的插图和图表也达到了极高的水准，色彩搭配和布局都经过深思熟虑，即便是复杂的多自由度系统分析图，也能让人一眼看出关键的受力路径和运动关系。总而言之，这是一本能让人在学习中感受到乐趣，同时又能获得扎实理论支撑的优质读物。

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