具体描述
This series provides the chemical physics field with a forum for critical, authoritative evaluations of advances in every area of the discipline. This stand-alone special topics volume reports recent advances in electron-transfer research with significant, up-to-date chapters by internationally recognized researchers.
深入探索现代材料科学与工程：性能、结构与应用的前沿进展 书籍名称： 现代材料科学与工程：性能、结构与应用的前沿进展 (Advances in Modern Materials Science and Engineering: Frontiers in Performance, Structure, and Applications) ISBN 预估： 978-1-0715-XXXX-X 开本/页数预估： 精装，约 850 页 --- 内容简介 本书旨在为材料科学、化学工程、机械工程以及相关跨学科领域的研究人员、高级本科生和研究生提供一个全面且深入的视角，聚焦于当前材料科学与工程领域最活跃、最具变革性的前沿进展。本书不关注传统的化学物理理论基础，而是侧重于宏观性能的实现、微观结构的精确调控以及在极端环境下的实际工程应用。 全书共分为六个核心部分，涵盖了从基础设计原理到尖端制造技术的完整链条，旨在构建一座连接基础科学发现与工业化突破的桥梁。 --- 第一部分：先进结构材料的韧性与失效机制 (Toughness and Failure Mechanisms in Advanced Structural Materials) 本部分重点讨论下一代结构材料，如高熵合金（HEAs）、先进陶瓷基复合材料（CMCs）以及超高分子量聚合物的性能极限。 第一章：高熵合金的本构关系与蠕变行为 深入探讨了面心立方（FCC）和体心立方（BCC）高熵合金的晶格畸变对塑性流动的影响。详细分析了在高温和高应力作用下，孪晶界扩散、位错源激发与吸收的动力学过程。重点阐述了如何通过元素设计调控室温韧性与高温蠕变寿命之间的权衡。引入了基于密度泛函理论（DFT）计算的缺陷形成能与扩散速率模型，用于指导新型 HEA 体系的筛选。 第二章：陶瓷基复合材料（CMCs）的断裂容错设计 聚焦于 CMCs 在航空航天热端部件中的应用。详细剖析了纤维/基体界面设计（如热解碳层或 BN 涂层）对裂纹偏转、桥接和纤维拉出的影响。讨论了静态疲劳、热循环损伤累积模型，特别是多轴应力状态下孔隙萌生与扩展的概率分析方法。展示了利用原位拉伸-X射线断层扫描技术（in-situ stretching-CT）对裂纹扩展路径的实时追踪案例。 第三章：聚合物与复合材料的动态力学响应 研究高分子材料在冲击载荷下的非线性粘弹性行为。采用大变形有限元分析（FEA）模拟纤维增强复合材料（FRCs）在冲击事件中的能量耗散机制，如基体剪切带形成和纤维断裂模式的转变。对比了不同交联密度和分子量分布对材料冲击吸收效率的实际影响。 --- 第二部分：能源储存与转换材料的界面工程 (Interface Engineering in Energy Storage and Conversion Materials) 本部分聚焦于电池、燃料电池和光催化领域中，界面结构对电荷传输和界面稳定性至关重要的材料系统。 第四章：固态电解质的离子传导机制与界面接触优化 详尽阐述了基于硫化物、氧化物和聚合物固态电解质的快离子导体特性。重点分析了固-固界面处电荷转移能垒的来源，包括应力诱导的局部结构重排和化学失配。探讨了薄层缓冲层技术（如原子层沉积 ALD 的应用）如何有效抑制界面副反应，从而实现高倍率充放电性能。 第五章：高效电催化剂的表面活性位点调控 讨论了贵金属替代品（如过渡金属氮化物、磷化物和单原子催化剂）的设计原理。通过 X 射线吸收精细结构（XAFS）和表面等离子体共振（SPR）技术，确定活性位点的电子结构与几何构型。重点分析了氧还原反应（ORR）和析氢反应（HER）中的局域电荷密度如何影响中间产物的吸附自由能，并介绍了电化学循环稳定性测试标准。 第六章：下一代光伏材料的缺陷工程 专注于钙钛矿太阳能电池（PSCs）中的非辐射复合中心控制。系统梳理了表面钝化剂（如有机胺盐和无机盐）对缺陷态密度的影响。深入分析了光致水解、热诱导的碘空位迁移问题，并介绍了通过引入稳定化双阳离子体系来提升器件长期运行稳定性的最新进展。 --- 第三部分：增材制造（AM）中的材料行为与过程控制 (Material Behavior and Process Control in Additive Manufacturing) 本部分关注增材制造带来的材料微结构各向异性问题，以及如何通过过程参数实现性能的均一化。 第七章：金属粉末床熔融（PBF-LBW）中的凝固动力学 运用高速度热电偶和原位光学监测技术，详细分析了激光熔池内液相-固相界面的瞬态行为。讨论了过热度、冷却速率与最终晶粒尺寸和相分离（如宏观偏析）之间的复杂关系。着重分析了再熔池与初熔池重叠区域的残余应力分布与微裂纹形成。 第八章：高复杂度几何形状的残余应力建模与消除 建立了一种基于热机耦合的残余应力预测模型，考虑了不同构建方向（Build Orientation）对各向异性冷却速率的影响。探讨了后处理热处理（如热等静压 HIP）对消除残余应力场和优化微观结构均匀性的有效性。展示了针对薄壁结构和悬空结构的应力释放策略。 第九章：基于过程反馈的 AM 质量保证 介绍了熔池形貌、飞溅物和孔隙率的实时光学和红外成像检测技术。阐述了如何将实时反馈数据（如能量密度波动）输入到闭环控制系统中，动态调整激光功率或扫描策略，以维持材料的既定性能窗口。 --- 第四部分：智能与响应性材料的设计 (Design of Smart and Responsive Materials) 本部分探索材料如何与外部刺激（如光、电、磁、热）发生可逆、可控的结构和功能变化。 第十章：形状记忆合金（SMAs）的本构粘塑性模型 超越传统的四边形应力-应变曲线，引入了基于微观晶体学转变的粘塑性本构模型。重点分析了低温下马氏体相变与超弹性行为的耦合，以及如何通过合金化（如 Ni-Ti-Hf 系）来提升热循环次数下的疲劳寿命。 第十一章：光驱动和电驱动水凝胶的体积变化 讨论了在水凝胶网络中嵌入光敏或电活性聚合物侧链的设计策略。量化了电场梯度或光照强度对水凝胶溶胀/收缩速率的影响，探讨了这些材料在微流控器件和软机器人技术中的应用潜力。 第十二章：磁流变液（MRF）的微观结构与流变学 分析了外部磁场下铁磁颗粒在载液中的链状聚集行为（磁畴结构）。通过旋转流变仪和透射电镜（TEM）的同步测试，建立了链结构形成时间与屈服应力之间的定量关系，并讨论了其在主动阻尼系统中的性能优化。 --- 第五部分：生物界面材料与组织工程 (Biointerfacial Materials and Tissue Engineering) 本部分专注于材料与活体系统的兼容性、功能性以及可降解性。 第十三章：植入物表面的抗生物膜与生物活性涂层 评估了表面微纳结构（如粗糙度、孔隙率）对蛋白质吸附和细菌粘附的影响。详细介绍了药物洗脱涂层（Drug-Eluting Coatings）的设计，包括聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）基质中抗生素的扩散动力学。讨论了活性钙磷酸盐涂层在促进骨整合方面的最新进展。 第十四章：可生物降解支架材料的机械性能衰减 研究了聚己内酯（PCL）和天然高分子（如胶原蛋白、壳聚糖）基支架在体内酶解和水解过程中的机械性能退化路径。提出了基于动态模量测量的体内降解速率预测模型，以确保支架在组织再生过程中能提供恰当的机械支持。 第十五章：细胞-材料相互作用的力学信号传导 探讨了细胞外基质（ECM）模拟材料的动态模量如何影响干细胞的命运决定（如成骨分化或脂肪分化）。介绍了利用微接触印刷技术（Microcontact Printing）在材料表面精确图案化细胞粘附配体（如 RGD 肽段）的策略。 --- 第六部分：计算材料学的先进方法论 (Advanced Methodologies in Computational Materials Science) 本部分介绍如何利用高性能计算工具来加速材料发现和性能预测。 第十六章：机器学习在材料筛选中的应用 系统介绍了高通量计算数据（例如基于 DFT 的数据库）的构建。重点讨论了图神经网络（GNN）在预测晶体结构稳定性、催化剂活性以及聚合物玻璃化转变温度（Tg）方面的优势。阐述了数据偏差和特征工程对模型泛化能力的关键影响。 第十七章：介观尺度模拟：相场法与元动力学 专注于模拟复杂的多相材料演化过程，如合金的析出、晶界迁移和多孔介质的渗透。详细介绍了相场模型（Phase Field Method）在描述界面能和扩散驱动下的微结构演变中的数学框架。 第十八章：第一性原理计算在界面化学中的应用 阐述了计算电化学模型如何结合 Kohn-Sham 密度泛函理论来精确计算电极/电解质界面的电荷转移和势垒高度。通过实例展示了如何利用范德华修正（DFT-D3）提高对吸附能和界面层结构的预测精度。 --- 目标读者： 材料科学家、化学工程师、物理学家、机械工程师、生物医学工程师、研究生及相关领域的工业研发人员。 本书特色： 本书严格聚焦于性能、结构与应用之间的工程转化关系，提供大量真实的实验数据、先进的表征技术应用案例和前沿的计算模型，是理解和推动现代材料科学工程向前发展的必备参考书。
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