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出版者:重庆大学出版社

作者:吕守祥

出品人:

页数:238

译者:

出版时间:2004-7

价格:21.00元

装帧:

isbn号码:9787562431107

丛书系列:

图书标签:

• 机械制图
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• 工业设计

现代材料科学与工程：从原子到宏观性能的深度剖析 本书聚焦于当代材料科学领域的前沿进展与核心理论，旨在为工程技术人员、科研工作者及高年级本科生提供一套全面、深入且具有实践指导意义的材料学知识体系。本书摒弃了传统材料学中过于侧重经验和基础的叙述模式，转而采用基于第一性原理的计算模拟与实验验证相结合的研究范式，深入探讨材料的结构、性能、加工与服役行为之间的复杂耦合关系。 全书共分为七大部分，结构清晰，逻辑严谨，覆盖了从基础理论到尖端应用的广泛内容。 --- 第一部分：材料的微观结构与电子结构基础 (Foundations of Microstructure and Electronic Structure) 本部分是理解材料宏观性能的基石。我们首先从量子力学的角度审视晶体结构，详细阐述了布拉菲点阵、密堆积结构以及缺陷（点缺陷、线缺陷、面缺陷）对材料力学性能的本质影响。 核心内容聚焦于： 1. 电子结构理论： 深入解析能带理论在金属、半导体和绝缘体分类中的决定性作用。重点讨论了费米能级、态密度和电子的有效质量概念，并结合第一性原理计算方法（如密度泛函理论DFT）来预测材料的初始电子态和化学键合特性。 2. 晶体生长动力学： 探讨成核和长大过程中的热力学驱动力与动力学限制。详细分析了外延生长、快速凝固技术（如非晶态合金的制备）中，微观形核率与界面迁移速度的相互制约关系。 3. 缺陷工程： 阐述如何通过精确控制缺陷浓度和分布来调控材料性能。例如，利用辐照或掺杂技术在陶瓷和半导体中诱导生成特定类型的空位或间隙原子，进而优化其导电性或硬度。 --- 第二部分：先进金属材料的塑性形变与本构关系 (Plastic Deformation and Constitutive Relations in Advanced Metallic Systems) 本部分将研究重点从传统的铁碳合金扩展至高性能的镍基高温合金、钛合金以及先进的金属间化合物。 关键章节包括： 1. 位错动力学与加工硬化： 详细分析了不同晶体结构中位错的滑移、交滑移和缠结机制。引入了基于非线性动力学的本构模型，用以描述材料在高速加载（如冲击或爆炸）条件下的应变率敏感性。 2. 高温蠕变与疲劳： 聚焦于高温应用中的关键失效模式。深入探讨了扩散蠕变（Nabarro-Herring, Coble蠕变）与位错蠕变在不同应力温度区间的竞争机制。在疲劳方面，本书引入了基于裂纹尖端塑性区的本构描述（如小裂纹模型），而非传统的应力强度因子。 3. 相变强化机制： 以形状记忆合金和马氏体钢为例，探讨了相变导致的巨量应变和超弹性行为。分析了晶格畸变、孪晶界形成以及热力学驱动的相变速率控制。 --- 第三部分：陶瓷、玻璃与复合材料的界面科学 (Interface Science in Ceramics, Glasses, and Composites) 本部分关注无机非金属材料及其异质结构体系，强调界面对宏观性能的控制作用。 1. 结构陶瓷的韧化途径： 重点讨论了裂纹偏转、桥接和纤维/基体脱粘等增韧机制。详细分析了氧化锆增韧氧化铝（ZTA）和碳化硅纤维增强碳化硅（SiC/SiC）复合材料中的增韧定量模型。 2. 玻璃态材料的弛豫与转变： 探讨了亚稳态玻璃的结构演化，特别是玻璃化转变温度（Tg）的精确测定及其与冷却速率、加压速率的关系。引入了自由体积理论和粘滞流模型来描述玻璃的长期稳定性。 3. 功能梯度材料 (FGM) 的设计： 研究如何通过材料组分在空间上的连续变化来消除界面应力集中。详细推导了具有不同弹性模量和热膨胀系数梯度分布的FGM在热冲击下的应力场分布。 --- 第四部分：高分子材料的构象与流变学 (Conformation and Rheology of Polymeric Materials) 本部分深入探讨高分子材料独特的长链结构带来的宏观行为，侧重于分子运动与加工性能的关系。 1. 统计力学模型： 使用高斯链模型、齐心模型（Zimm Model）和爱德华链模型来描述高分子溶液和熔体的拓扑结构和构象熵。 2. 黏弹性本构理论： 详细阐述了Maxwell模型、Voigt模型以及更先进的Prony级数模型，用以精确拟合动态机械分析（DMA）和流变学实验数据。重点分析了缠结分子量（$M_e$）对材料剪切变稀行为的影响。 3. 降解与老化机理： 探讨了热氧化降解、光降解和机械降解（如剪切诱导断链）的动力学模型，并提出了延缓高分子材料寿命的添加剂设计策略。 --- 第五部分：能源与环境材料的电化学行为 (Electrochemical Behavior of Energy and Environmental Materials) 本部分专注于材料在能量转换和储存设备中的应用，强调界面电荷转移和离子传输。 1. 电池电极材料： 深入研究锂离子电池中正负极材料的晶体结构稳定性、锂离子扩散系数（利用GITT/PITT技术获得）以及固态电解质界面（SEI）的形成与演变。 2. 光电转换材料： 侧重于钙钛矿太阳能电池和染料敏化电池的电荷分离效率。分析了载流子在吸收层、传输层和电极之间的弛豫时间，以及缺陷对复合速率的贡献。 3. 催化材料的多相界面： 讨论了负载型纳米催化剂的表面活性位点工程，结合表面敏感技术（如XPS、UPS）揭示反应中间体在金属-载体界面上的吸附能和反应路径。 --- 第六部分：先进表征技术与计算模拟 (Advanced Characterization Techniques and Computational Modeling) 本部分介绍了现代材料研究中不可或缺的实验和理论工具。 1. 同步辐射与中子散射： 详细解释了高能X射线衍射（XRD/GIXRD）和小角散射（SAXS/SANS）在实时原位监测材料相变和纳米结构演化中的优势。 2. 场发射扫描/透射电镜 (FE-STEM/TEM)： 重点讨论了高分辨球差校正电镜在原子尺度上对晶格畸变和界面结构分析的应用，特别是EELS（电子能量损失谱）在化学态分析中的定量能力。 3. 多尺度模拟方法： 介绍如何整合从头算（DFT）、分子动力学（MD）到有限元法（FEM）的模拟流程。通过耦合模型预测宏观应力场下材料内部的微观损伤演化路径。 --- 第七部分：材料的可靠性与损伤容限设计 (Material Reliability and Damage Tolerance Design) 本部分旨在将理论知识转化为工程实践，关注材料在实际工况下的长期服役安全。 1. 断裂韧性与裂纹扩展的数值模拟： 采用内聚力模型（Cohesive Zone Model, CZM）和XFEM（扩展有限元法）对复杂载荷下的裂纹扩展路径进行精确预测，尤其适用于复合材料和焊接结构。 2. 结构完整性评估 (SIA)： 详细介绍基于概率的结构可靠性理论（PFM），将材料性能的随机性纳入安全因子设计中，而非传统的确定性安全系数。 3. 增材制造材料的残余应力和各向异性控制： 针对选择性激光熔化（SLM）等增材制造过程，分析热梯度导致的残余应力分布，并提出通过优化扫描策略来控制最终部件的各向异性力学性能。 本书的特点在于其高度的理论深度和对现代计算工具的融合，它不仅是知识的汇编，更是一套解决复杂材料问题的思维框架。

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