缺陷化学概论

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出版者:武汉理工大学出版社
作者:于长凤
出品人:
页数:0
译者:
出版时间:2006-09-01
价格:25
装帧:
isbn号码:9787562924555
丛书系列:
图书标签:
  • 缺陷化学
  • 固体物理
  • 材料科学
  • 晶体学
  • 化学热力学
  • 相平衡
  • 材料缺陷
  • 点缺陷
  • 位错
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具体描述

《材料科学前沿与应用展望》 内容简介 本书深入探讨了当代材料科学领域的前沿研究方向、关键技术突破及其在工业、能源、生物医学等多个领域的广泛应用前景。全书内容紧密结合当前科技发展趋势,力求在理论深度与工程实践之间搭建有效的桥梁。 第一部分:新型结构材料的构筑与性能调控 本部分聚焦于宏观结构、微观晶体结构与介观形貌如何协同决定材料的整体性能。 第一章:高熵合金的结构演变与性能优化 高熵合金(HEAs)因其独特的晶体结构和元素配比,在耐高温、抗辐照和高强度方面展现出巨大潜力。本章首先回顾了高熵合金的相稳定性理论,重点分析了 BCC、FCC 及复杂多相结构形成的热力学与动力学机制。随后,详细阐述了通过晶界工程、析出强化以及引入位错补偿机制来精细调控其塑性、韧性与蠕变性能的最新进展。特别关注了在极端服役条件下(如超高温、高应力集中区域)高熵合金的微观失效模式,并提出了基于原位表征技术对这些复杂过程进行实时监测的新方法。本章涵盖了从初级凝固到长期热暴露过程中,元素偏聚、短程有序的形成与演化如何影响材料的机械性能。 第二章:二维材料的规模化制备与异质结构建 二维材料,如过渡金属硫化物(TMDs)、六方氮化硼(h-BN)以及MXenes,因其原子级厚度和优异的电学、光学特性,是未来电子器件和能量存储设备的核心。本章系统梳理了化学气相沉积(CVD)、机械剥离和液相剥离等主流制备方法的优缺点,并重点介绍了实现厘米级、晶畴结构可控的规模化生长技术。核心内容在于二维材料异质结的构建。通过精确控制界面能、范德华力以及层间耦合效应,可以设计出具有特定能带排列的新型异质结,从而实现电荷分离效率的极大提升或光电响应的定向调控。本章详细分析了界面缺陷(如空位、取代杂质)对载流子输运的影响,并探讨了如何利用表面功能化策略来稳定和优化异质结的长期工作稳定性。 第三部分:能源存储与转换材料的革命 本部分集中探讨了支撑可持续能源技术发展的关键材料体系,侧重于其储能密度、循环寿命和安全性提升的瓶颈突破。 第三章:下一代固态电解质的界面兼容性挑战 锂离子电池向固态电池(SSBs)的演进,要求电解质必须兼具高离子电导率和优异的电化学稳定性。本章深入剖析了硫化物、氧化物以及聚合物固态电解质的微观结构特征与离子迁移机制。焦点放在固-固界面问题上,即电极/电解质界面的化学反应、应力累积和锂枝晶的形核与生长。通过引入原位拉曼光谱和X射线光电子能谱(XPS)技术,研究了界面固态电解质相(SEI/SSEI)的形成过程及其对界面阻抗的影响。本章提出了通过界面缓冲层设计(如引入柔性界面层或局部润湿剂)来缓解界面应力、拓宽电化学稳定窗口的策略。 第四章:高效光催化剂的活性位点设计与稳定性提升 环境净化和太阳能燃料转化对高性能光催化剂提出了迫切需求。本章围绕光催化剂的活性位点进行系统梳理,从传统的半导体材料(如 $mathrm{TiO}_2, mathrm{g}-mathrm{C}_3 mathrm{N}_4$)的缺陷工程,到金属有机框架(MOFs)和共价有机框架(COFs)的结构导向合成。重点讨论了如何通过控制载流子分离效率和光生电子的氧化还原能力来提高催化活性。在稳定性方面,本章分析了光腐蚀和活性位点中毒的机理,并探讨了通过表面包覆、构建核壳结构或引入助催化剂来钝化缺陷和稳定活性中心的先进技术。此外,还涉及了在可见光区驱动的 $mathrm{CO}_2$ 还原制备清洁燃料的最新进展。 第三部分:生物医用与智能响应材料 本部分关注材料与生命系统、环境因素的交互作用,展示了材料在精准医疗和智能制造领域的应用潜力。 第五章:可降解生物医用植入材料的力学匹配与代谢控制 开发与体内环境(如骨骼、心血管组织)力学性能相匹配且可控降解的生物材料是植入医学的关键。本章详细讨论了聚合物基复合材料(如PLLA/HAp)的制备工艺,如何通过调控纤维取向和填充物尺寸来精确控制材料的杨氏模量和屈服强度。在生物相容性方面,本章着重研究了降解速率与细胞外基质(ECM)的自修复速度之间的匹配问题。通过引入酶敏感性交联点或 $mathrm{pH}$ 响应性单元,实现了植入体在完成生理功能后,按预设时间窗口进行安全、无毒性残留的降解。本章还探讨了这些材料作为药物缓释载体在局部精准治疗中的应用。 第六章:多功能刺激响应性高分子网络 智能材料能够根据外部环境信号(如温度、 $mathrm{pH}$、光照、电场)发生显著形变或功能转变。本章聚焦于具有超高灵敏度和可逆性的高分子网络。详细阐述了形状记忆聚合物(SMPs)中的多重刺激响应机制,特别是如何利用光热效应或电场驱动的离子迁移来实现快速、精确的形状恢复。对于电活性材料,本章分析了离子凝胶和导电聚合物在人工肌肉和软体机器人中的应用,研究了应变与电荷传输之间的非线性关系。本章的理论基础部分着重于高分子链段的弛豫过程和网络拓扑结构对响应速度的影响,为设计下一代高效率软体执行器提供了理论指导。 总结与展望 本书的最后部分对上述领域的交叉融合趋势进行了预测,强调了计算材料学(如高通量计算、机器学习)在加速新材料发现和优化合成路径中的决定性作用。展望未来,材料科学将更加注重功能集成化、环境可持续性和与生物系统的深度耦合,以解决人类社会面临的能源、环境和健康方面的重大挑战。本书旨在为材料学、化学、物理学以及相关工程领域的研究人员和高年级学生提供一个全面且具有前瞻性的参考框架。

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