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isbn号码:9787500579908

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现代材料科学前沿探索 第一部分：纳米材料的奇迹 本书深入探讨了纳米材料领域的最新突破与未来潜力。我们聚焦于石墨烯及其衍生物在能源存储和电子器件中的颠覆性应用。材料的维度被缩减至十亿分之一米时，其宏观性质发生了根本性的改变，量子效应和表面效应占据了主导地位。 1.1 石墨烯家族的结构与特性 详细解析了单层石墨烯的二维晶格结构，以及由此带来的超高电子迁移率和优异的机械强度。随后，我们扩展至氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）的制备工艺，重点讨论了化学插层法和溶剂热法对材料孔隙率和导电性的精细调控。材料表面官能团的存在，使得这些二维材料能够与其他物质进行有效的化学锚定和复合。 1.2 能源领域的突破：超级电容器与锂离子电池 在储能技术方面，本书阐述了如何利用纳米结构的优越比表面积来提升电化学活性。针对超级电容器，我们分析了基于多孔碳纳米片构建的三维导电网络，这种结构极大地缩短了离子扩散路径，从而实现了超快充放电速率。在下一代锂离子电池中，硅基负极材料因其极高的理论容量而备受关注，但其巨大的体积膨胀问题是工程上的巨大挑战。我们详细介绍了通过碳纳米管或金属氧化物纳米颗粒进行缓冲和导电增强的复合策略，旨在稳定电极结构，延长循环寿命。 1.3 生物医学应用的潜力 纳米材料在生物成像和药物递送中展现出独特的优势。例如，量子点（QDs）凭借其窄带发射和高光稳定性，正逐步取代传统的荧光染料用于活细胞标记。本书探讨了如何通过表面功能化（如PEG化）来提高量子点的生物相容性和靶向性。此外，磁性纳米颗粒在磁热疗法中的应用机制也被深入剖析，即通过交变磁场诱导颗粒产热，选择性地破坏癌细胞。 第二部分：先进复合材料的设计与力学行为 复合材料是工程领域不可或缺的一部分，其性能由基体、增强相及其界面共同决定。本部分着重于高性能纤维增强复合材料的微观力学建模与宏观性能预测。 2.1 界面工程：性能的关键所在 复合材料的性能往往受制于增强相与基体之间的界面粘结强度。我们引入了分子动力学模拟方法，来预测不同表面处理剂（如硅烷偶联剂）对纤维表面能和界面剪切强度的影响。界面处的应力传递效率直接决定了材料的疲劳寿命和断裂韧性。 2.2 金属基与陶瓷基复合材料的极端环境适应性 针对航空航天和核能领域对轻量化和耐高温材料的需求，本书系统性地介绍了金属基复合材料（MMCs）和陶瓷基复合材料（CMCs）的制备技术，如粉末冶金法和化学气相渗透（CVI）。CMC，特别是碳化硅纤维增强的陶瓷基体，展示了极佳的抗氧化性和热震稳定性。我们采用纤维/基体/界面三相模型，对这些材料在超高温下的蠕变和断裂行为进行了细致的分析。 2.3 智能响应型材料 关注于材料在受到外部刺激（如温度、应力、电场）时能主动改变自身性能的“智能”特性。形状记忆合金（SMA）的相变机制，特别是奥氏体到马氏体的可逆转变，被详细解释。同时，压电材料在传感器和能量收集领域的应用，如利用PZT（锆钛酸铅）薄膜捕获微小的机械振动能，形成了闭环的能量转化系统。 第三部分：计算材料学与高通量筛选 现代材料发现已不再是完全依赖于耗时的试错法，计算模拟正在成为加速研发的核心驱动力。 3.1 密度泛函理论（DFT）的应用 DFT是预测材料电子结构、能带结构和晶格常数的强大工具。本书展示了如何利用DFT计算新合金的形成能，从而筛选出热力学上稳定的候选材料。特别是在催化剂设计中，通过计算反应能垒和吸附能，可以精确预测催化剂的活性位点和反应路径。 3.2 机器学习在材料信息学中的整合 材料信息学（Materials Informatics）是本领域的前沿。我们介绍如何构建和训练机器学习模型（如随机森林和神经网络），利用已有的材料数据库（如OQMD或Materials Project）来预测尚未合成材料的特定性能（如硬度、熔点）。高通量计算和实验相结合的流程（High-Throughput Computing and Experimentation），极大地缩短了从概念到实物的周期。 3.3 缺陷工程与材料性能调控 材料的宏观性能往往由其微观缺陷（如空位、间隙原子、位错）所决定。通过计算模拟，可以精确量化这些缺陷的形成能和迁移能。例如，在半导体材料中，精确控制掺杂原子的位置和浓度，是实现P型或N型导电性的关键，这完全可以通过计算模型进行预先优化。 本书旨在为材料科学、化学工程及相关领域的科研人员和高级学生提供一个全面、深入的知识框架，聚焦于当前最活跃的研究热点和最具前景的工程应用。对传统知识的复习被精简，重点在于前沿技术的解析和未来发展趋势的预判。

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