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出版者:

作者:Harris, Bryan

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页数:0

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价格:100

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isbn号码:9781861250322

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• 复合材料
• 工程材料
• 材料科学
• 力学
• 结构工程
• 航空航天
• 汽车工程
• 聚合物
• 复合材料设计
• 材料力学

深入解析先进结构材料的理论与实践 书名：Advanced Structural Materials: From Fundamentals to Frontier Applications --- 内容简介 《先进结构材料：从基础理论到前沿应用》是一本全面深入探讨现代工程领域至关重要的结构材料体系的专著。本书旨在为材料科学家、结构工程师、机械设计师以及相关领域的研究生提供一个系统、前沿且实用的知识框架，涵盖从基础材料科学原理到尖端工程应用的全过程。全书结构严谨，内容详实，重点突出关键性能的微观机制、宏观表征以及设计优化策略。 第一部分：基础材料科学的重塑与深化 本部分首先回顾了传统金属材料的局限性，并迅速过渡到现代结构材料的分类、演变历程及其在现代工业中的战略地位。 第一章：结构材料的演进与分类 详细阐述了从第一代合金到新一代功能复合材料的演变轨迹。重点讨论了结构材料的四大主要类别：先进金属合金（如高熵合金、梯度材料）、高性能陶瓷（结构陶瓷与功能结构一体化）、聚合物基体材料（特种树脂与高性能纤维）以及多相与结构复合材料。每一类材料的引入都伴随着对其核心优势和固有挑战的辩证分析。 第二章：材料的微观结构与宏观性能的耦合 本章深入探究了决定材料性能的关键微观尺度特征。内容覆盖晶体学、晶界工程、缺陷动力学（位错、空位、裂纹尖端塑性区）的控制策略。特别强调了先进表征技术（如高分辨透射电镜、同步辐射散射）如何揭示材料在应力、温度和环境载荷下的实时行为，为性能预测提供微观基础。 第三章：热力学与相变动力学 详尽解析了多组分系统的相图构建原理与热力学稳定性分析。侧重于扩散控制与界面反应在材料形成过程中的作用，如固态扩散、析出相的形核与长大、以及相变诱导的塑性（如TRIP/TWIP效应）。理解相变动力学是控制材料最终微观结构和热力学稳定性的核心。 第二部分：高性能结构材料体系的精细化设计 本部分聚焦于几种对现代工业至关重要的具体材料体系，深入探讨其制备工艺、性能优化和失效机制。 第四章：先进金属合金的突破 重点分析了新型结构钢（如贝氏体钢、马氏体钢的超细化）、镍基和钛基高温合金的强化机制（如$gamma'$相的精确控制）。本书详细阐述了如何通过添加稀土元素、精确控制晶粒尺寸（超细晶粒或纳米晶）来突破传统强度-韧性矛盾。此外，对用于增材制造（AM）的金属粉末的冶金特性及其成形过程中的缺陷控制进行了专题讨论。 第五章：工程陶瓷与它们的韧化挑战 本章全面覆盖了氧化物、氮化物和碳化物等结构陶瓷的制备技术，包括热压、放电等离子烧结（SPS）和化学气相沉积（CVD）。核心内容在于陶瓷的增韧策略，如裂纹偏转、桥接（纤维增韧）和转化增韧（如部分稳定化氧化锆，PSZ），并讨论了陶瓷在极端温度下的蠕变与抗氧化性能。 第六章：高性能纤维与增强机制 聚焦于用于提高结构部件性能的关键增强体，如碳纤维（石墨化程度、表面改性）、玻璃纤维和特种陶瓷纤维（如SiC纤维）。本章详细解释了纤维/基体界面在载荷传递中的关键作用，以及如何通过界面涂层工程来优化复合材料的层间剪切强度和抗疲劳性能。 第三部分：结构材料的先进制造、表征与服役可靠性 本部分将理论与工程实践紧密结合，探讨材料的制造过程如何影响最终性能，以及如何确保材料在真实工况下的长期可靠性。 第七章：先进制造技术对微观结构的影响 探讨了增材制造（如选区激光熔化SLM、电子束熔化EBM）在金属和陶瓷结构件制造中的应用。详细分析了增材制造过程中特有的热历史、快速凝固速率、残余应力分布以及由此导致的孔隙率和各向异性问题，并提出了相应的后处理（如热等静压HIP）优化方案。 第八章：结构材料的失效分析与寿命预测 深入剖析了主要的失效模式，包括疲劳（低周疲劳LCF与高周疲劳HCF）、断裂韧性、蠕变与应力腐蚀开裂（SCC）。本章侧重于损伤容限设计理念，并介绍了基于物理机制的疲劳寿命预测模型（如Paris定律的修正形式）和断裂力学（如弹塑性断裂力学，EPFM）在工程评估中的应用。 第九章：极端环境下的材料行为与防护 讨论了材料在高温、高湿、辐射和腐蚀等严苛环境下的行为。专题研究了超高温陶瓷（UHTCs）在再入飞行器中的应用潜力，以及如何通过表面涂层技术（如热障涂层TBCs、抗氧化涂层）来延长关键部件的使用寿命。 第十章：结构材料的数字化与智能设计 展望了材料科学的未来方向，包括计算材料学（第一性原理计算、分子动力学模拟）在材料发现中的作用，以及如何利用机器学习和数据驱动方法来加速新材料的筛选和性能预测。同时，讨论了自修复材料和传感集成结构的潜力。 --- 本书通过严谨的科学叙述、丰富的工程案例和大量的图表数据，为读者构建了一个从原子尺度到宏观结构的全景式理解，是研究和应用高性能结构材料的必备参考书。

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我是在一个研讨会上偶然听到同行提到这本书的，当时他们讨论的焦点在于纳米增强复合材料的制备工艺控制。我对这方面的内容尤其感兴趣，因为我们实验室正在攻克一个提高复合材料导电性的难题。这本书的深度远超我的预期，尤其是关于“智能复合材料”那一章，简直是打开了新世界的大门。作者没有停留在传统的力学性能讨论上，而是花费了大量的篇幅探讨了如何通过功能性填料（如碳纳米管、石墨烯片层）的引入，来实现材料对外界刺激（温度、应力、电磁波）的响应和自我修复能力。书中详细对比了不同分散技术对纳米填料均匀性的影响，这直接关系到宏观性能的稳定性。我注意到，作者在介绍超临界流体辅助浸渍工艺时，给出了非常具体的温度和压力参数范围，这比查阅零散的期刊论文要高效得多。这本书的排版也值得称赞，公式推导清晰，图表质量极高，很多复杂的微观形貌图都打印得非常锐利。读完后，我感觉自己对下一代复合材料的研发方向有了更明确的判断，不再局限于传统思维的框架里，这本书成功地将材料学、化学和工程学进行了完美的跨界融合。

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我是一名结构工程师，主要负责大型基础设施的疲劳分析和寿命预测，对材料的长期服役性能非常关注。这本书中关于“环境影响下的材料老化”那一章，简直是为我量身定做的。特别是对于海洋环境和高温高湿环境下树脂基复合材料的溶胀、水解以及纤维腐蚀的耦合作用分析，书中给出的加速老化实验设计方案非常具有实操价值。作者不仅描述了现象，更深入探究了化学机理，解释了水分子如何攻击酯键或醚键，从而降低了材料的玻璃化转变温度和力学强度。我尤其欣赏作者对“寿命外推法”的批判性分析，指出了线性外推模型的缺陷，并推荐了更可靠的基于概率的寿命模型。这本书的案例分析环节做得尤为出色，它选取了几个典型的工程应用失败案例（当然是匿名化处理的），反向分析了设计和制造过程中可能存在的缺陷，这比纯粹的理论阐述更具警示意义。读完后，我立即在项目审查中引入了书中建议的湿度梯度修正系数，这在以往的分析中是被忽略的。这本书在工程应用落地性上，做得非常出色，真正实现了从实验室到工程现场的桥梁作用。

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这本书的封面设计得非常有特色，那种深沉的蓝配上一些金属质感的纹理，初看之下就给人一种专业、严谨的感觉。我最近在着手一个关于新型结构件的项目，急需深入了解先进复合材料的基体设计和界面优化。这本书的目录结构非常清晰，从基础的材料科学原理讲起，循序渐进地深入到热固性树脂、热塑性树脂的微观结构影响，再到纤维增强机制。我特别欣赏作者在讲解玻纤、碳纤以及芳纶纤维的本构关系时，引用的那些经典实验数据和最新的研究进展。例如，关于层合板在冲击载荷下的损伤容限评估部分，作者用非常生动的方式阐述了基体开裂、脱粘合的物理过程，并给出了几种常用的有限元分析模型的适用场景和局限性。这对于我进行实际的工程设计模拟至关重要，它不仅仅是一本理论教科书，更像是一个经验丰富的工程师的实践指南，充满了解决实际问题的智慧。我打算将书中关于疲劳寿命预测的章节拿出来，结合我们自己的测试数据进行交叉验证，相信能大大提升我们产品可靠性的评估精度。总而言之，对于从事航空航天、汽车轻量化领域的专业人士来说，这本书是案头必备的工具书，内容详实且前沿。

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这本书的价值，在我看来，很大程度上在于它对“新一代高性能纤维”的系统梳理。作为一名材料采购和选型人员，我每天都在和各种参数表打交道，但往往缺乏对这些参数背后物理本质的深刻理解。这本书花费了相当大的篇幅来比较Kevlar、Spectra以及新一代的超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）的分子链排列特性、密度对拉伸模量的影响。作者用图表清晰地展示了不同拉伸比对纤维取向度的影响，并解释了为什么某些纤维在低应变率下的性能表现会优于高应变率。更重要的是，它没有局限于单一材料，而是将这些纤维与碳化硅晶须、氮化铝等陶瓷增强体进行复合后的性能变化进行了深入探讨。我在阅读过程中，反复查阅了书中关于“界面传荷效率”的章节，这直接决定了我们混杂纤维铺层设计的合理性。这本书的语言风格非常精准和客观，像是顶级学术期刊的综述，但又比综述更具连贯性和教学性，它为我提供了一个全面的知识框架，让我能够更自信、更有深度地与研发团队进行技术对话，不再仅仅停留在数据的表面比对上。

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坦白说，我最初买这本书是抱着将信将疑的心态，因为市面上关于工程材料的书籍太多，但真正能深入浅出讲解“尺度效应”的却凤毛麟角。我主要关注的是复合材料的宏观性能与微观组分之间的定量关系。这本书在这方面的处理堪称教科书级别。它没有回避复杂的数学模型，而是选择性地引入了经典的平均场理论（如自洽模型），并清晰地展示了如何将这些理论应用于预测多相复合材料的有效模量和泊松比。更让我惊喜的是，作者在讨论界面粘结强度时，引入了分子动力学模拟的结果来佐证宏观测试数据，这种多尺度的论证方式极大地增强了结论的可信度。我在阅读关于界面损伤演化路径分析时，甚至停下来，重新回顾了自己之前在硕士阶段遗漏的一些关键概念。这本书的写作风格非常沉稳，仿佛一位德高望重的教授在不疾不徐地传授毕生所学，没有华而不实的辞藻，每一句话都承载着实质性的知识点。它要求读者有一定的数学基础，但一旦跨过这个门槛，收获将是巨大的，它为我理解材料失效的根本原因提供了坚实的理论框架。

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