Smart Material Systems and MEMS pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Wiley

作者:Vijay K. Varadan

出品人:

页数:418

译者:

出版时间:2006-10-23

价格:USD 150.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780470093610

丛书系列:

图书标签:

• 智能材料
• MEMS
• 微机电系统
• 材料科学
• 工程学
• 传感器
• 执行器
• 微纳技术
• 集成系统
• 智能结构

智能材料系统与微机电系统（Smart Material Systems and MEMS）——另一部力作的深度导览 本书聚焦于跨学科的前沿领域：功能性流体动力学与复杂介质的微尺度传输现象。 本书旨在深入剖析在极小尺度下，流体行为、物质传递以及热量交换的独特物理机制，并探讨这些机制在先进工程系统设计中的实际应用。我们避开了对传统意义上“智能材料”的直接定义和综述，转而将焦点投向那些能够根据外部环境变化（如压力梯度、浓度差异、温度场）表现出显著、可预测或可调控的响应特性的流体和介质系统。 第一部分：功能性流体的本构描述与宏观热力学基础 本书的第一部分奠定了理解复杂流体行为的理论基石。我们首先回顾了经典牛顿流体和不可压缩流动的基本方程，但很快便过渡到对非牛顿流体的精细刻画。书中详细阐述了剪切变稀、剪切增稠、触变性以及粘弹性等关键特性。特别是，我们用一个专门的章节深入探讨了广义本构方程（Generalized Constitutive Equations）在描述高分子溶液、悬浮液以及乳液中的应力-应变关系时的适用性与局限性。 热力学章节并未停留在理想气体和热力学第一、第二定律的常规应用上，而是侧重于非平衡态热力学在介观尺度下的初步映射。我们引入了最小熵产生原理（Principle of Minimum Entropy Production）在描述稳态下复杂传热传质过程中的应用潜力。书中包含大量的数学推导，展示了如何将边界条件和几何约束纳入到能量和质量守恒方程的求解框架中，特别是在存在化学反应或相变的系统中。 第二部分：微尺度传输现象的机理探究 本部分是本书的核心，它系统地梳理了在微米乃至纳米尺度下，热、质、量传输行为与宏观现象的显著差异。 1. 微尺度热效应与界面现象： 我们摒弃了对均匀介质中傅里叶定律的简单重复，转而深入研究热边界层（Thermal Boundary Layer）在微通道内的发展过程。书中重点讨论了热跳跃（Thermal Jump）现象，即流体与固体壁面之间的温度不连续性，并给出了求解这种非零温度梯度的解析模型。此外，对于高导热率流体在微流道中的非等温流动，我们展示了如何运用克努森数（Knudsen Number）来判断分子流与连续介质流的过渡状态，并评估分子动力学模拟（MD）结果与连续介质模型的吻合程度。 2. 扩散与对流的耦合： 在微通道中，对流效应和扩散效应的相对重要性会发生剧烈变化。本章详细分析了佩克莱特数（Peclet Number）对混合效率的影响。我们花费大量篇幅阐述电泳迁移（Electrophoretic Migration）和电渗流（Electroosmotic Flow, EOF）对微尺度化学物质输运的调控作用。书中通过具体案例（如微液滴在电场中的定向移动）展示了如何利用流体力学、电磁场理论和扩散方程的耦合求解，实现对目标分子的精确分离和汇集。 3. 复杂表面相互作用： 功能性流体系统的性能高度依赖于其与固体的界面行为。本章探讨了润湿性（Wettability）的动态变化，特别是当流体携带纳米颗粒或高分子溶质时，接触角（Contact Angle）如何随时间演化。书中不仅提供了Young方程的修正形式，还引入了与表面粗糙度和表面电荷密度相关的修正因子。我们还探讨了马兰戈尼效应（Marangoni Effect）在非均匀表面张力梯度驱动下的微尺度形变与物质重分布。 第三部分：工程应用与动态响应的建模 本书的最后一部分将理论与工程实践相结合，重点探讨了系统对外部刺激的实时、可控响应。 1. 压电/电致伸缩驱动的介质操控： 我们不关注固态材料的响应本身，而是聚焦于如何利用压电材料的形变来驱动周围流体的运动。详细分析了在交变电场下，压电泵（Piezoelectric Pump）的流场脉动特性，包括其谐振频率、流量的非线性响应曲线以及在不同负载条件下的效率分析。这部分内容侧重于流固耦合（Fluid-Structure Interaction, FSI）在动态驱动系统中的数值求解方法。 2. 响应性液体的自组装与结构化： 书中探讨了磁流体（Ferrofluids）和电活性聚合物溶胶（EAP Suspensions）在外部场作用下，如何实现自发性的结构重构。我们通过理论建模和计算流体力学（CFD）模拟，预测了磁场梯度对磁流体中链状结构（Chain Structures）形成的影响，以及这些结构如何影响整体的磁响应和传热效率。这种结构化过程被视为一种自适应的功能表现，而非单一材料属性的体现。 3. 复杂流体在多孔介质中的流动行为： 针对地质工程和储能领域的需求，本章分析了高粘度或剪切敏感流体（如泥浆或聚合物驱油介质）在非均匀孔隙结构中的渗透与滞留问题。我们运用随机网络模型（Stochastic Network Models）来模拟孔隙尺度的流动路径，并讨论了流速对非牛顿流体在弯曲通道中“堵塞”（Clogging）或“通道化”（Fingering）现象的影响，这直接关系到介质传输的整体宏观渗透率。 总结 本书面向对底层物理机制有深入探究需求的工程师、材料科学家和物理学家。它提供了一套完整的理论框架和计算工具，用以解析和设计那些依赖于流体特性、界面行为和场诱导动态重构的复杂工程系统，完全避开了对传统意义上的“智能材料”的属性罗列，专注于功能性流体动力学这一交叉学科的精微之处。

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