Advanced Materials and Structures for Extreme Operating Conditions pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Rustichelli, Franco

出品人:

页数:238

译者:

出版时间:

价格:$ 179.67

装帧:

isbn号码:9783540742999

丛书系列:

图书标签:

• Advanced Materials
• Extreme Environments
• Structural Integrity
• High-Temperature Materials
• Corrosion Resistance
• Fatigue
• Fracture Mechanics
• Composite Materials
• Aerospace Applications
• Materials Science

《材料科学前沿：微观结构、性能与应用》 本书聚焦于新一代功能材料在复杂环境下的设计、制备与性能调控，深入探讨了材料的微观结构如何决定宏观力学、热学、电学和化学性能。全书旨在为材料科学家、工程师以及研究生提供一个全面、深入且具有前瞻性的理论与实践框架，以应对现代工程领域对高性能、多功能材料日益增长的需求。 --- 第一部分：基础理论与前沿方法 第一章：原子尺度下的材料设计原理 本章系统回顾了凝聚态物理和固体化学的基础知识，重点阐述了电子结构理论（如密度泛函理论DFT）在预测材料稳定性和电子性质中的应用。内容涵盖晶体缺陷的分类、形成能及其对材料宏观性能的影响，特别是点缺陷、线缺陷和面缺陷如何成为控制材料塑性、导电性和催化活性的关键。同时，深入讨论了高通量计算方法在加速新材料筛选过程中的作用，以及如何利用机器学习模型来构建材料性能与结构之间的多尺度关联。 第二章：先进表征技术在材料科学中的应用 材料的微观结构是理解其性能的基础。本章详细介绍了当前最尖端的表征技术。首先，重点阐述了同步辐射光源在X射线吸收谱（XAS）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）中的应用，如何实现原子级空间分辨率和电子态的探测。其次，探讨了原位（In-situ）和动态（Operando）表征技术，例如在载荷、加热或电化学反应过程中实时监测材料的微观结构演变，为揭示反应机理和失效模式提供了直接证据。最后，讨论了利用阿贝尔反演和傅里叶变换技术从二维投影数据重建三维结构信息的先进方法。 第三章：多尺度建模与仿真技术 材料性能的理解需要跨越多个尺度的模拟手段。本章构建了一个从量子到连续体的多尺度模拟框架。内容包括：利用分子动力学（MD）模拟精确预测材料的热力学性质和扩散行为；介绍有限元分析（FEA）在模拟宏观力学响应、应力集中和断裂过程中的优势；以及如何通过介观尺度的晶格玻尔兹曼方法（LBM）来模拟流体与多孔介质的相互作用。重点讨论了如何实现不同尺度模型间信息的有效传递和耦合，以构建可靠的材料性能预测工具。 --- 第二部分：结构控制与功能集成 第四章：先进陶瓷与复合材料的界面工程 本章专注于高性能结构材料，特别是功能梯度材料（FGMs）和纳米复合材料的界面设计。详细分析了颗粒增强、纤维增强和层状结构复合材料的增韧机制，包括裂纹偏转、桥接和基体退化。深入探讨了通过化学气相沉积（CVD）和溶液法制备高强度、高韧性陶瓷涂层和基体的技术。界面设计部分，着重于如何通过控制界面能和晶格失配来优化载荷传递效率和抗疲劳性能。 第五章：新型能源材料的电化学性能调控 本部分面向储能和催化领域。针对锂离子电池、钠离子电池和固态电池，本章探讨了电极材料（如高熵氧化物、硅基负极）的体积变化抑制策略和界面稳定性研究。内容包括固态电解质与电极之间的相容性问题、界面阻抗的降低方法以及SEI（固体电解质界面）层的理性设计。在催化方面，详细解析了单原子催化剂（SACs）的制备和电子结构优化，以提升氧还原反应（ORR）和析氢反应（HER）的效率和稳定性。 第六章：智能响应性与自修复材料 本章探索了赋予材料对外界刺激（如光、热、电场、pH值）的动态响应能力。讨论了形状记忆合金（SMA）和压电材料在传感器和执行器中的应用。核心内容集中在开发具有内在自修复能力的聚合物和金属基体材料。分析了基于微胶囊破裂、本征可逆键合（如戴尔斯-阿尔德反应）和动态共价键网络实现的修复机制，并量化了修复效率与环境条件的关系。 --- 第三部分：极端环境下的材料挑战 第七章：高温与热防护材料的结构稳定性 本章重点关注材料在超高温（超过1500°C）环境下的服役问题，如燃气轮机叶片和再入飞行器热防护系统。详细研究了超高温陶瓷（UHTCs，如HfC, ZrB2）的氧化机制、相变动力学以及如何通过添加抗氧化剂（如SiC）形成保护性氧化层。内容还包括热障涂层（TBCs）的制备工艺（如真空等离子喷涂）及其在热循环下的微裂纹萌生与扩展行为。 第八章：辐照损伤与核材料科学 本章深入讨论了材料在强离子束或中子辐照下产生的复杂损伤机理。重点分析了点缺陷的聚集形成空位环、间隙团簇以及相分离如何导致材料的脆化、肿胀和蠕变。介绍了在反应堆或聚变堆环境下，如何设计具有“类惰性”的合金（如通过引入沉淀相或增加晶界密度）来有效捕获和钝化辐照缺陷，从而提高材料的抗辐照能力。 第九章：极端压力与超硬材料 本章探讨了在高压（GPa量级）条件下材料的合成与结构演化。介绍了金刚石对顶砧（DAC）技术在合成新型超硬化合物和探究物质相变边界中的应用。详细阐述了六方氮化硼（h-BN）向立方氮化硼（c-BN）的转变过程，以及如何通过计算模拟指导新型类金刚石碳材料的设计，例如超高硬度、低压缩性的新型碳基固溶体。 --- 总结与展望： 本书的最终目标是促进基础科学发现向工程应用的转化，为设计、制造和验证下一代关键工程部件所需材料提供坚实的理论基础和技术指导。它不仅涵盖了现有材料系统的优化，更着眼于通过跨学科融合，突破传统材料性能的极限。

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