Innovative Surface Structures

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出版者:Taylor & Francis
作者:Martin Bechthold
出品人:
页数:240
译者:
出版时间:2008-3-26
价格:USD 165.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9780415419666
丛书系列:
图书标签:
  • 结构
  • 建筑
  • 表面工程
  • 结构创新
  • 材料科学
  • 纳米技术
  • 生物材料
  • 功能材料
  • 先进制造
  • 界面科学
  • 涂层技术
  • 微纳结构
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具体描述

The book focuses on the recent innovations in computational techniques, material and digital fabrication technology that are revolutionizing the design, analysis and construction of surface structures. Powerful analysis tools now enable the accurate prediction of structural behaviour and manufacturing processes. Material innovations in the area of cementitious and other composites, glass, or smart materials, to just name a few, are challenging architects to find appropriate forms and applications. Digitally supported fabrication technology has taken a quantum leap since the time of the master shell builders 40 years ago, unfolding new potential to realize complex structural shapes in new and innovative ways. These innovations are presented in the context of an in-depth introduction to the fundamentals of surface structures providing the necessary knowledge for the successful design of shells and tensile systems in a broad variety of materials. Many of the principles are demonstrated using new material of some of the masterpieces in surface architecture. The book is structured into three parts. The first part familiarizes the reader with the topic of surface structures. It provides a historic overview and explains the underlying structural principles and traditional construction techniques. Part II introduces design methods, emphasizing recent developments in computational design and analysis that have greatly facilitated the design and construction of surface structures. Part III presents case studies demonstrating use of innovative and emerging materials.

《卓越纹理:材料表面科学的创新应用》 内容简介 《卓越纹理:材料表面科学的创新应用》是一本深入探索材料表面结构如何驱动前沿技术进步的权威著作。本书并非聚焦于某个单一的“表面结构”概念,而是以广阔的视野,系统梳理了当前材料科学领域中,通过精确设计和调控材料表面纹理所带来的革命性应用。全书围绕“表面”这一核心,从微观的原子排列到宏观的功能化设计,全方位展现了表面科学的魅力与潜力。 本书首先为读者构建了一个坚实的理论基础。在开篇几章,作者详细阐述了不同尺度下表面结构的物理和化学特性,包括晶体结构、晶界、表面缺陷、纳米纹理的形成机制及其对材料整体性能的影响。读者将了解到,材料的“表面”远非一个简单的界面,而是集成了能量、化学活性、光学性质、力学行为等多重信息的关键区域。作者运用清晰的图示和生动的案例,解释了诸如表面能、润湿性、粘附性、催化活性等基本概念,并引申出这些特性如何被表面形貌所调控。 随后,本书的重点转向了表面结构在各个关键技术领域的创新应用。其中,“仿生学与超疏水/超亲水表面”章节是本书的一大亮点。作者深入分析了自然界中如荷叶、蝴蝶翅膀、壁虎脚垫等表面结构如何实现令人惊叹的功能,例如自清洁、防污、高效附着等。在此基础上,本书详细介绍了人工设计和制造这些仿生表面的方法,包括微纳加工技术、自组装技术以及化学修饰等。读者将了解到如何通过精确控制表面粗糙度、润湿角等参数,实现对液体行为的精妙调控,从而在涂层、防污、微流控芯片等领域开辟新的可能性。 在“光学与光电子领域的表面工程”中,本书揭示了表面结构如何成为操控光的重要手段。作者详细阐述了表面等离激元共振、光子晶体结构、衍射光学元件等概念,并介绍了如何通过设计特定的表面纳米结构来增强光的吸收、反射、散射或聚焦。这些技术在太阳能电池效率提升、新型显示技术、光学传感器、防伪技术等方面展现出巨大的应用潜力。例如,对太阳能电池表面进行纹理化处理,可以有效增加光在电池内部的传播路径,提高光电转换效率;而设计特定图案的表面,则可以实现全息成像或精确的光束整形。 “生物医学与健康领域的表面创新”章节则聚焦于表面科学在生命科学中的突破性进展。本书探讨了如何通过设计生物相容性优异、能够与生物分子或细胞进行特异性相互作用的表面,来改善植入物性能、开发新型药物载体、构建诊断平台以及用于细胞培养和组织工程。例如,纳米结构的表面可以模拟细胞外基质,为细胞提供良好的生长环境;而功能化的表面则可以特异性地吸附病原体或生物标志物,用于疾病的早期诊断。本书还讨论了抗菌表面、抗凝血表面等重要研究方向。 此外,本书还探讨了“催化与能源储存的表面设计”。作者详细介绍了多相催化中活性位点、表面缺陷以及载体材料表面结构对催化反应速率和选择性的影响。本书展示了如何通过优化催化剂的纳米形貌和表面化学环境,来提高能源转化效率,例如在燃料电池、电催化、光催化制氢等领域。在能源储存方面,表面结构对电极材料的比表面积、孔隙率和导电性起着至关重要的作用,这直接影响着电池和超级电容器的能量密度和功率密度。 本书的另一重要特色在于,作者在各个章节都深入探讨了“表面结构的可控制造与表征技术”。本书介绍了包括光刻、电子束光刻、聚焦离子束刻蚀、原子层沉积、化学气相沉积、模板法、自组装等多种先进的表面加工技术,并对各种表征手段,如原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等进行了详尽的阐述,强调了精确控制和全面表征表面结构对于实现预期功能的重要性。 《卓越纹理:材料表面科学的创新应用》不仅为材料科学家、化学家、物理学家和工程师提供了前沿的知识和研究思路,也为对高科技材料应用感兴趣的读者提供了一个全面而深入的视角。本书以其严谨的学术内容、丰富的案例分析和前瞻性的观点,必将成为该领域不可或缺的参考资料,激励更多创新研究的产生。

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读后感

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用户评价

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这本书绝对是工程领域的一股清流,读完之后,我感觉自己像是给老旧的知识体系做了一次彻底的“系统升级”。它不仅仅是一本教科书,更像是一本为前沿技术人员量身定制的“实战手册”。作者在讲解材料科学与结构设计交叉领域时,那种深入骨髓的洞察力让人印象深刻。比如,书中对新型复合材料在极端环境下的力学响应分析,其模型构建的严谨性和仿真结果的可信度,都达到了一个极高的水准。我尤其欣赏作者在探讨“自适应结构”时的那种前瞻性思维,他没有停留在理论的象牙塔中,而是巧妙地将热力学、电磁学与结构拓扑优化结合起来,描绘出未来建筑和航空航天器可能具备的“生命力”。书中对“超材料”的介绍更是精彩绝伦,那些反直觉的物理特性是如何通过精确的几何构型实现的,作者用清晰的数学语言和丰富的图示将其一一拆解,让人茅塞顿开。对于那些希望在材料创新领域有所突破的工程师和研究人员来说,这本书提供的不仅仅是知识点,更是一种看待和解决复杂工程问题的全新视角,它激发了我对传统设计规范进行颠覆性思考的欲望。读罢全书,那种知识爆炸后的充实感和对未知领域探索的兴奋感,久久不能平复。

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拿到这本书的时候,我原本以为又是一本枯燥的学术专著,堆砌着各种晦涩的公式和概念。没想到,它居然以一种近乎“叙事”的方式,将复杂的结构工程原理娓娓道来。作者的叙事节奏掌握得炉火纯青,他总能在关键的理论节点处,穿插一些历史上的工程案例作为引子,这极大地增强了阅读的代入感。比如,在讲解薄壳结构稳定性时,他没有直接抛出欧拉公式,而是从古罗马的万神殿谈起,探讨了人类在早期是如何凭直觉和经验逼近最优解的,这种“古今对话”的处理手法,让原本冰冷的力学变得有温度、有故事性。此外,书中对于“拓扑优化”算法的讲解,也充满了艺术气息。他将复杂的迭代过程比喻成“雕塑家剔除冗余材料的过程”,这种形象化的比喻,使得即便是对编程和优化不太熟悉的读者也能迅速把握核心思想。全书的排版设计也极其用心,大量留白和高质量的渲染图,使得阅读体验丝毫不费力,完全不像是在啃一本硬邦邦的专业书。我感觉自己像是在一位经验丰富的大师的私人工作室里,听他分享多年积累下来的设计哲学,而不是在听一场填鸭式的讲座。

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这本书的结构组织简直是教科书级别的典范,逻辑链条严密到让人挑不出任何瑕疵。它不是简单地罗列知识点,而是构建了一个从宏观到微观,再到应用实践的完美闭环。开篇对“功能导向设计”的哲学阐述,为全书定下了高屋建瓴的基调。随后,作者非常系统地将结构复杂性分为几个层次,从简单的晶格结构到复杂的层级嵌套系统,每深入一层,都会精确地指出其面临的主要挑战和对应的数学工具。我特别赞赏它对“计算建模”部分的详尽介绍,它并没有局限于单一的有限元方法,而是详细对比了离散元法、势流理论在处理不同尺度问题上的适用性和局限性,这对于指导研究人员选择正确的仿真工具至关重要。在应用实例部分,作者更是大手笔地展示了多个跨学科项目的蓝图,例如生物启发式结构在流体控制中的应用,以及智能材料在振动抑制方面的最新进展。这些案例的选取极具代表性,并且都附带有详细的参数说明和结果分析,为读者提供了可以直接借鉴的研究起点。这种从理论基石到前沿实践的无缝衔接,使得这本书的知识密度极高,但阅读起来却毫不费力,因为它每一步都有清晰的“导航”。

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我必须坦诚地说,这本书的深度远超出了我最初的预期,它更像是一份面向博士后研究人员的“参考手册”,而不是面向普通工程师的入门指南。对于那些习惯于简单查阅公式和规范的人来说,这本书可能会带来一定的“认知冲击”。作者对材料本构关系,特别是非线性蠕变和疲劳损伤模型的阐述,已经深入到了量子化学和原子尺度的模拟层面,涉及大量的偏微分方程和张量分析,没有扎实的数理基础,理解起来确实颇有难度。然而,对于真正有志于在结构材料领域做出原创性贡献的人来说,这种挑战正是其价值所在。书中对于“缺陷容忍度”和“概率设计”的论述,体现了作者对工程安全性和可靠性的极致追求。他没有回避那些最棘手的问题,反而将这些不确定性纳入模型框架进行量化处理,这体现了一种非常成熟和审慎的工程观。与其说是在学习知识,不如说是在学习一种如何面对和量化工程世界固有不确定性的高级思维训练。它迫使你跳出“理想化”的框架,去思考真实世界中材料的退化过程和系统的脆弱性,这种严谨到近乎苛刻的态度,是这本书最宝贵的财富。

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这本书给我最直观的感受是其强烈的“未来感”和“跨界融合”的特质。它完全打破了传统结构工程的界限,将目光投向了生物工程、纳米技术和信息科学的交汇点。作者在探讨“活性结构”时,引用了大量关于细胞骨架和生物矿化的最新研究成果,试图从自然界中寻找更高效、更具韧性的设计灵感。这种生物仿生的思路被用来设计新型的自修复材料和按需响应的机械装置,令人叹为观止。书中的信息图表制作精良,特别是那些关于“多尺度建模”的流程图,清晰地展示了如何将纳米尺度的微观行为传递到宏观的结构响应中去,这对于目前急需打破学科壁垒的研究团队来说,提供了极佳的整合框架。更重要的是,它强调了数字化制造(如增材制造)对结构设计带来的颠覆性影响。书中讨论了如何利用3D打印的自由度来制造传统工艺无法企及的复杂内部晶格结构,并详细分析了这些新结构在轻量化和性能优化上的潜力。这本书无疑是在为下一代工程师绘制一张通往未来基础设施的路线图,它不仅仅关注“结构是什么”,更关注“结构可以成为什么”。

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