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出版者:Computational Mechanics

作者:Brebbia, C. A. (EDT)/ DeGiorgi, V. G. (EDT)/ Adey, R. A. (EDT)

出品人:

页数:245

译者:

出版时间:

价格:147

装帧:HRD

isbn号码:9781845640125

丛书系列:

图书标签:

• 电化学
• 模拟
• 过程
• 电化学工程
• 数值模拟
• 腐蚀
• 电池
• 电极反应
• 界面电化学
• 能量存储

《现代材料科学与工程：跨学科前沿探索》 图书简介 导言：面向未来的材料革命 在二十一世纪，人类社会的发展与进步越来越依赖于对物质世界的深刻理解和精准调控。从能源转型到信息技术，从生物医学到航空航天，新材料的出现和应用是驱动这些领域实现跨越式发展的核心动力。《现代材料科学与工程：跨学科前沿探索》一书，旨在系统梳理和深入剖析当前材料科学与工程领域中最具活力和潜力的前沿方向，尤其聚焦于那些尚未被传统电化学过程模拟研究完全覆盖的、需要多尺度、多物理场耦合分析的复杂系统。 本书并非对某一特定技术或现象（如电化学过程的模拟）的深入探讨，而是提供一个广阔的视野，涵盖材料设计、制备、表征及其在极端环境或复杂功能集成中的行为。我们的核心目标是构建一座连接基础科学原理、先进制造技术与实际工程应用的桥梁。 第一部分：先进功能材料的结构与性能关联 本部分聚焦于理解和设计具有特定宏观功能的新型材料，强调原子尺度结构如何决定宏观性能的这一核心科学问题。 第一章：纳米结构材料的设计与控制 本章深入探讨了尺寸效应在材料性能中的关键作用。我们将详细分析如何通过精确控制晶体尺寸、形貌和表面能，来调控半导体量子点、金属纳米颗粒和二维材料（如石墨烯、过渡金属硫化物）的光学、催化和力学特性。内容涵盖原子层沉积（ALD）和化学气相沉积（CVD）等先进薄膜生长技术中的动力学控制，以及如何利用机器学习模型预测特定纳米结构下的本征缺陷对整体性能的影响。重点在于理解如何突破传统体材料的性能限制，实现功能性的“量身定制”。 第二章：高熵合金与复杂相材料的热力学稳定性 本章将研究近年来快速发展的多主元合金体系。高熵合金（HEAs）以其独特的晶体结构和多组分特性，展现出卓越的耐高温、抗辐照和高强度性能。我们将剖析其热力学稳定性的驱动因素，包括构型熵、价电子浓度（CCC）模型以及短程有序/无序的相互作用。此外，本书还会探讨相分离的临界条件和微观结构演化路径，这些是传统合金设计方法难以有效预测的领域。对于陶瓷基复合材料（CMCs）和功能梯度材料（FGMs），本章也将分析其界面热力学和结构完整性在极端热负荷下的保持机制。 第三部分：跨尺度材料表征与先进成像技术 材料的性能源于其内部结构的复杂性。本部分侧重于介绍和应用最先进的表征手段，以获取从亚原子到宏观尺度的完整信息链。 第三章：同步辐射与电子显微学的前沿应用 我们详细介绍了同步辐射光源在材料科学中的关键应用，特别是X射线吸收精细结构（XANES）和扩展X射线吸收边结构（EXAFS）如何用于确定材料中瞬态物种和局域原子环境。在透射电子显微镜（TEM）方面，本书着重讨论了球差校正TEM（STEM）在原子分辨率成像中的技术突破，以及原位（In-situ）电镜技术如何实现对材料在真实工作条件下（如高应力加载、高温反应）的动态观测。强调如何通过这些高能探针技术，揭示传统静态分析无法捕捉到的结构变化机制。 第四章：非破坏性评估与多物理场耦合成像 本章探讨了无损检测技术在评估大型或复杂结构材料完整性中的作用。超声波检测、声发射以及聚焦超声波成像技术（FUSI）被用于探测材料内部的微裂纹、孔隙度和应力集中区域。更进一步，本书将介绍先进的光学成像技术，如拉曼光谱成像和光致发光（PL）成像，如何与电学或机械测试耦合，实现对材料响应的快速空间映射。这些技术在评估疲劳损伤累积和热点区域的形成方面具有不可替代的优势。 第三部分：先进制造与增材制造的科学基础 现代材料工程越来越依赖于精确的制造工艺来构建具有定制化内部结构的材料。 第五章：增材制造（AM）中的冶金与热管理 增材制造（如激光粉末床熔融L-PBF和电子束熔融EBM）正在彻底改变复杂零件的制造方式。本章聚焦于增材制造过程中的瞬态热历史对最终微观结构和残余应力的影响。我们将深入分析熔池的液态动力学、凝固速率与枝晶生长之间的相互作用。特别关注打印过程中特有的快速冷却速率如何导致不同于传统铸造和锻造的特殊微观结构（如柱状晶转印、微孔隙的捕获）。同时，本书也探讨了如何通过优化工艺参数（如激光功率、扫描策略）来主动控制这些结构，从而减轻残余应力并提升零件的机械性能。 第六章：自适应与智能材料的构建 本章超越了传统静态材料的设计，转向具有环境响应能力和自修复潜能的智能材料系统。内容包括形状记忆合金（SMAs）的应力诱导相变机制，压电/热电材料中跨尺度效应的工程化，以及响应式水凝胶和可逆共价键网络的设计。重点在于如何设计材料体系中的“开关”或“传感器”，使其能够在特定外部刺激（温度、pH值、电场）下，实现可预测的功能转变或损伤自我修复，从而延长设备的使用寿命并提升安全性。 第四部分：材料在极端环境中的长期可靠性 材料的性能评估必须延伸至其服务寿命，特别是面对苛刻的操作条件。 第七章：高温与腐蚀的界面行为 本章关注材料在热机械耦合载荷下的老化和失效机理。对于涡轮叶片和反应堆部件，高温蠕变和氧化/热腐蚀是主要的失效模式。本书详细分析了氧化皮的形成动力学、内部氧化物的形核与长大，以及这些过程如何加速基体材料的机械性能退化。讨论了保护涂层（如热障涂层TBCs）的失效机制，包括热应力导致的剥落和界面化学反应对涂层稳定性的影响。 第八章：面向能源转化的材料：催化与储能载体 虽然本书不侧重于电化学模拟，但本章将从材料结构的角度审视与能源转化相关的载体材料。探讨了燃料电池中的高效膜电极结构设计，固态电解质的离子传导机制，以及储氢材料（如金属有机框架MOFs和新型氢化物）的吸附/解吸动力学。强调材料的孔隙率、比表面积和表面功能化对催化活性位点密度和反应速率的决定性影响。这部分着眼于宏观材料性能对微观缺陷的敏感性。 结论：迈向多功能集成系统 《现代材料科学与工程：跨学科前沿探索》的最终目标是培养读者从“单一材料”思维转向“功能系统”思维的能力。未来的工程挑战要求材料不仅要具备卓越的单一性能，更要能实现多功能的集成、自适应和长效可靠性。本书提供了理解和驾驭这些复杂系统的必要工具和理论框架，为材料科学家和工程师探索下一代高性能、可持续的工程解决方案指明了方向。

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