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出版者:

作者:赵起勋 编

出品人:

页数:260

译者:

出版时间:2007-9

价格:29.00元

装帧:

isbn号码:9787122009838

丛书系列:

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• 材料设计教程
• 实用
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材料设计与性能调控：从微观结构到宏观应用 一、 绪论：材料科学的新范式 本教材旨在系统阐述现代材料设计的基本原理、核心方法论以及前沿应用。随着科技的飞速发展，对材料性能的需求已不再局限于单一维度的提升，而是追求多功能集成、环境友好和极端条件下的可靠性。传统的“试错法”已难以满足当前工业与科研的迫切需求。因此，本教程将重点聚焦于如何运用先进的理论计算、计算模拟以及数据驱动的方法，实现对材料微观结构到宏观性能的精准、高效调控，构建一套完整的“材料基因”设计体系。 我们将从材料科学的哲学基础出发，探讨材料的“结构-性能-处理-性能”关系链条中的关键环节。内容涵盖了材料设计在能源存储与转化（如高密度电池电极、高效催化剂）、生物医用材料（如可降解支架、靶向药物载体）以及先进结构材料（如超高比强度合金、智能复合材料）等领域的应用。本书强调跨学科知识的融合，要求读者具备扎实的物理化学基础，并能熟练运用计算工具辅助设计决策。 二、 计算材料学基础与模拟技术 材料设计的精准性依赖于可靠的理论模型和高效的计算工具。本章深入探讨了从原子尺度到介观尺度的多尺度模拟方法。 2.1 量子力学基础在材料设计中的应用 详细介绍密度泛函理论（DFT）的基本原理及其在计算材料性质中的优势与局限。重点讨论如何利用DFT计算电子结构、能带、态密度、晶格常数、缺陷形成能以及反应势垒，为理解材料的本征电学、磁学和反应活性提供第一性原理的支撑。内容将包括选择合适的泛函（GGA, LDA, meta-GGA）以提高预测精度，以及计算材料的弹性模量和硬度。 2.2 分子动力学模拟（MD） 阐述牛顿运动方程在模拟材料体系中的应用，并详细剖析势函数的构建——从经验型势场（如嵌入原子法EAM、Lennard-Jones）到从头算分子动力学（AIMD）的过渡。通过具体的案例研究，展示MD在模拟材料的相变、扩散行为、界面摩擦学、高熵合金中短程有序性的形成过程，以及在极端温度和压力下的动态演化。 2.3 介观尺度的建模与模拟 针对复杂体系，如高分子网络、多孔材料和复合材料，介绍介观尺度的模拟方法，包括蒙特卡洛（MC）、相场法（Phase Field）和格子玻尔兹曼方法（LBM）。重点解析如何利用这些方法模拟微观结构对宏观性能的起控作用，例如孔隙率分布对渗流行为的影响，以及纤维/基体界面对层合板力学性能的贡献。 三、 结构-性能导向的材料逆向设计 传统的材料研发是从已知结构出发预测性能，而逆向设计则要求根据所需的特定性能，反推或筛选出合适的材料结构。本章是本书的核心创新点之一。 3.1 性能指标的量化与建模 建立结构特征参数（如晶粒尺寸、位错密度、化学组分偏析程度、界面能等）与目标性能（如断裂韧性、导电率、催化活性、生物相容性）之间的数学映射关系。介绍张量分析在描述各向异性材料性能时的应用。 3.2 机器学习与数据驱动的材料筛选 系统介绍如何构建和管理材料信息学数据库（Materials Informatics Database）。深入探讨监督学习（如支持向量机、随机森林）和深度学习（如卷积神经网络CNN用于图像识别微观结构、图神经网络GNN用于分子结构预测）在加速材料筛选中的应用。着重阐述特征工程（Feature Engineering）的重要性，即将复杂的物理信息转化为可供模型学习的有效特征。讨论贝叶斯优化等主动学习策略，以最小化实验或昂贵模拟的次数。 3.3 拓扑优化与增材制造中的结构设计 结合先进制造技术，介绍拓扑优化（Topology Optimization）算法，用于在给定的载荷和边界条件下，设计出满足特定力学性能（如最大刚度、最小应力集中）的材料内部或宏观结构。讨论如何将优化得到的复杂几何结构与增材制造（3D打印）工艺的约束条件相结合，实现功能梯度材料和晶格材料的精确构筑。 四、 案例分析：面向极端环境的材料设计 本章通过具体应用场景，展示前述理论与方法的集成应用。 4.1 高温与抗辐照材料设计 针对核能、航空航天领域对材料的严苛要求，探讨如何设计具有高蠕变抗性和优良抗辐照损伤性能的合金。这包括利用位错动力学模拟研究辐照诱导的气泡形核与迁移，以及通过成分设计调控晶界扩散速率，从而提高材料的长期稳定性。 4.2 界面工程与异质结设计 界面是材料性能的决定性因素。本章聚焦于如何通过精确控制不同材料的接触界面，实现新颖的功能。例如，设计半导体异质结以优化光电转换效率，或通过在金属/陶瓷界面引入缓冲层来提高复合材料的抗热震性能。讨论了原子层沉积（ALD）等先进技术在界面厚度和化学计量精确控制中的作用。 4.3 智能响应材料的设计 探讨如何设计具有环境敏感响应能力的材料，如形状记忆合金、压电材料和磁弹性材料。重点分析其刺激响应机制，例如，如何通过设计晶体结构中的特定缺陷或引入响应性相，来调控其电场、温度或应力场下的可逆转变过程，实现传感、驱动或自修复功能。 五、 结论与未来展望 本教程的总结部分将回顾材料设计范式的演变，并展望未来材料科学的挑战与机遇。重点讨论如何实现从“材料加速平台”（MAP）到“自主材料发现系统”的跨越，以及在可持续性、循环经济背景下，如何将“设计可回收性”和“环境影响最小化”纳入初始设计目标，推动材料科学向更绿色、更智能化的方向发展。 读者对象： 材料科学、化学、物理学、机械工程、电子工程等相关专业的高年级本科生、研究生，以及从事材料研发和性能优化的工程师与研究人员。 学习目标： 读者在学完本教程后，应能独立构建材料性能预测模型，理解并运用多尺度模拟工具解决实际设计问题，并能将计算结果与实验验证有效结合，加速新材料的研发进程。

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这本新近出版的《材料设计教程》确实是当前材料科学领域的一股清流，它没有将重点过多地放在那些已经烂熟于心的基础理论上，而是大刀阔斧地将视角投向了未来——**计算模拟与数据驱动的材料发现**。我之前读过不少关于晶体结构和相图解析的教材，那些书读起来总像是被困在了一个巨大的、密不透风的实验室里，充满了繁琐的公式推导和近乎僵死的实验步骤。但这本书的厉害之处在于，它用一种非常直观且具有前瞻性的方式，引导读者理解如何利用先进的计算工具，如密度泛函理论（DFT）和分子动力学模拟，去“设计”出具有特定功能的材料。例如，书中对高熵合金的结构稳定性预测那一章，简直是教科书级别的范例，它没有停留在传统的“试错法”，而是详细阐述了如何通过第一性原理计算，快速筛选出具有潜在应用价值的组合。对于一个希望站在材料设计前沿的研究者来说，这本书提供了急需的“工具箱”和“思维框架”，远比那些仅仅罗列已知材料性质的书籍来得有价值。它成功地架起了理论与工程实践之间的鸿沟，让抽象的计算结果真正转化为可操作的设计指导。

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坦率地说，我本来对市面上层出不穷的“设计”类教材持保留态度，总觉得它们卖的噱头大于实质内容，尤其是涉及跨学科交叉领域的书籍。然而，《材料设计教程》在**材料与环境的相互作用**这一块的处理，让我耳目一新。它没有将材料的性能孤立地看待，而是深入探讨了材料在真实、复杂服役环境下的动态响应。我特别欣赏它对腐蚀、疲劳和辐射损伤这些“顽疾”的系统性梳理。不同于传统材料学书籍那种偏重于机理的叙述，这本书更侧重于“防护策略”的设计。比如，在介绍表面工程时，它不仅提到了常用的涂层技术，还结合了最新的纳米结构设计理念，探讨如何通过调控界面能垒来抑制裂纹的萌生和扩展。这本书的叙述风格非常“务实”，夹杂着许多实际工程案例的分析，使得那些原本晦涩的失效分析变得生动起来。读完之后，我感觉自己对如何提升材料的长期可靠性有了一个全新的、更具结构化的认识，这是很多其他教材所缺乏的深度。

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这本书的编辑和排版风格也值得称道，它展现出一种**严谨而不失活泼**的学术气息。对于一个需要大量图示和数据支撑的专业书籍而言，《材料设计教程》在这方面做得非常出色。它的插图不仅仅是简单的示意图，很多都是作者精心制作的复杂三维模型或者数据可视化结果，清晰地展示了微观结构与宏观性能之间的多尺度关联。尤其是在讲解**结构-性能关系**时，书中大量使用对比鲜明的图表来凸显不同设计路径的优劣。相比于某些老旧教材那种黑白打印、公式堆砌的排版，这本书的彩色印刷和清晰的图注极大地减轻了阅读的疲劳感。更重要的是，它在关键概念的引入和总结上做得很有节奏感，不会让初学者感到信息过载。这种对阅读体验的重视，无疑提升了教材的教学效率和学习兴趣，让人愿意反复翻阅其中的关键章节。

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从教学法的角度来看，《材料设计教程》的**知识体系构建逻辑**非常清晰且具有极强的可迁移性。它似乎采取了一种“自下而上，再自上而下”的螺旋上升式教学法。开始部分可能从最基本的原子排列和能带结构入手，确保读者对材料的本征属性有扎实的理解。然后，它迅速过渡到如何通过调控这些基本属性来实现特定功能（例如，导电性、光电响应）。最精彩的是，它没有止步于对单一材料体系的深入剖析，而是通过一系列**案例研究**，展示了如何将不同尺度的设计策略（从纳米尺度到宏观结构）有机地整合起来，以满足复杂工程需求。这种整合性的训练，对于那些需要跨领域合作的科研项目尤为重要。这本书的结构设计，使得读者在学习过程中能够不断地回顾和应用先前学到的知识，形成一个紧密的知识网络，而不是孤立的知识点集合。我强烈推荐给任何希望建立完整、现代材料设计知识体系的学习者。

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我一直认为，好的教材应该具备**启发性**和**批判性思维的引导**。《材料设计教程》在这方面做得相当到位，它没有给我“标准答案”，而是不断地抛出“待解决的问题”。这本书的视角非常开阔，它不仅关注现有材料的优化，更将大量篇幅投向了**前沿概念的引入**，比如拓扑绝缘体、超材料以及自修复材料的构筑逻辑。读到后面，你会发现作者鼓励读者跳出传统的材料分类体系，用更基础的物理和化学原理去构思全新的功能载体。这种引导极其宝贵，它培养的不是一个只会套用公式的工程师，而是一个能够提出创新性材料解决方案的“设计师”。我个人特别喜欢它在每章末尾设置的“未来展望”部分，那里的讨论往往充满了思辨性，迫使读者去思考当前技术的局限性以及下一代材料可能的发展方向。这远超出了教科书的范畴，更像是一份给未来科学家的行动纲领。

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