具体描述
本书共分7章，主要阐述了钢铁冶金、铸造、锻压、焊接、金属材料热处理、表面工程技术、非金属材料的基本涵义、分类、应用和发展，介绍了相关学科的某些基本概念和理论，分析了某些学科和专业的特点和适用范围。
本书是有关材料科学与工程相关专业的一本专业知识教材，可供各大专院校有关专业师生使用。
铸就未来：现代材料科学与工程前沿探索 本书并非聚焦于“材料工程导论”这类基础性的入门教材，而是深入剖析当前材料科学与工程领域最尖端、最具变革潜力的研究方向与工程应用。它旨在为具备一定材料学基础的读者提供一个高屋建瓴的视角，理解驱动下一代技术革命的核心物质基础。 --- 第一部分：超越经典——新型结构与功能材料的突破 本部分将带领读者跨越传统金属、陶瓷和高分子材料的界限，探索那些在原子尺度上被精确设计、具备超常性能的新型材料体系。 第一章：二维世界的极致伸展——石墨烯及其衍生材料的深度应用 虽然石墨烯的概念已广为人知，但本书将着重探讨其从实验室走向工业化的关键瓶颈及其突破口。内容将细致分析： 高质量单层与少层石墨烯的规模化制备技术： 重点对比化学气相沉积（CVD）的精确控制、外延生长法的缺陷控制，以及电化学剥离法的提纯工艺。 石墨烯在能源存储中的“量子隧穿”效应： 探讨掺杂、氧化还原态石墨烯（GO/rGO）在超级电容器和固态电池中的电荷转移机制，以及如何通过结构调控实现超高能量密度和功率密度。 石墨烯基复合材料的增韧与导电协同： 研究如何利用石墨烯片层在高分子基体中实现均匀分散，尤其关注界面粘结力的优化技术，以突破传统增强材料的性能上限。 第二章：拓扑绝缘体与超导材料的量子工程 本章将深入讲解材料的拓扑性质如何影响其电子输运特性，这是量子计算和高效能电子设备的基础。 拓扑材料的边界态与狄拉克锥： 详细阐述Bismuth Selenide (${ ext{Bi}}_2{ ext{Se}}_3$) 等经典拓扑绝缘体中，表面态电子的无损耗传输机制，及其在低功耗晶体管中的潜在应用。 高温超导体的材料设计与机理争议： 聚焦于铁基和铜氧化物超导体，分析其晶格振动（声子）、电子配对机制以及临界温度（$T_c$）的瓶颈。讨论如何通过应力工程和异质结界面来诱导或增强高温超导电性。 量子反常霍尔效应材料的器件化挑战： 探讨如何利用磁性掺杂和精确的薄膜生长技术，实现室温下的量子霍尔效应，为片上集成提供可能。 第三章：高熵合金（HEAs）的“性能海洋”导航 高熵合金以其多主元体系带来的巨大构型熵，彻底颠覆了传统合金设计理念。本书将聚焦于如何驾驭这种复杂性。 相稳定性的热力学与动力学控制： 分析高熵合金中“无偏向扩散”的独特现象，以及如何通过计算热力学（如CALPHAD方法）预测和调控FCC/BCC/金属间相的形成区域。 极端环境下的力学响应： 重点研究高熵合金在低温脆性（尤其是在液氢/液氦环境）的克服，以及在高温蠕变和辐照损伤下的自修复能力。 功能集成型高熵合金的开发： 探索将磁性、催化活性或记忆效应集成到结构高熵合金中的前沿尝试，例如结合磁热效应的高熵磁性材料。 --- 第二部分：生物与环境的材料接口 本部分关注材料科学如何解决人类健康、可持续发展以及环境保护等重大社会挑战。 第四章：自适应与可降解生物医用材料的精准制造 本书将超越生物相容性的讨论，深入到材料与活体系统的动态交互层面。 动态水凝胶与刺激响应性药物递送系统： 详述pH、温度、酶或光照敏感的聚合物网络结构，及其在肿瘤微环境下的靶向释放动力学建模。 再生医学中的支架材料的“生物印迹”技术： 探讨3D/4D生物打印技术如何实现对细胞外基质（ECM）微环境的仿生复制，特别关注打印过程中生物活性因子的保护与活性维持。 可控降解速率的植入物设计： 分析聚酯类（如PLGA）降解速率与分子量、共聚单体比例的非线性关系，以及如何通过表面修饰技术精确调控体内吸收时间。 第五章：可持续能源转化材料的催化与光捕获 本章着眼于如何利用先进材料实现能源的清洁捕获、储存和高效转化。 钙钛矿太阳能电池的界面稳定性工程： 深入剖析水汽侵蚀、离子迁移是导致钙钛矿电池衰退的核心机制，重点介绍钝化层（Passivation Layers）的设计，如有机/无机混合物的界面调控策略。 电催化析氢与二氧化碳还原（${ ext{CO}}_2$RR）： 探讨纳米结构催化剂（如单原子催化剂）如何通过调控活性位点的电子结构，降低能垒，提高法拉第效率和选择性。 固态电解质的离子传导机制： 对比陶瓷（如LLZO）和聚合物固态电解质，研究晶界电阻、界面副反应以及如何利用应力工程来抑制锂枝晶的生长。 --- 第三部分：智能感知与计算驱动的材料设计 本部分探讨材料科学如何与信息技术深度融合，实现材料的“智能”化和设计流程的根本变革。 第六章：信息存储材料的瓶颈与新范式 随着摩尔定律的放缓，下一代信息存储技术对材料提出了全新的要求。 阻变存储器（RRAM）中的缺陷工程： 详细解析氧化物薄膜中氧空位迁移与形成导电丝（Filament）的动力学过程，并讨论如何通过引入特定金属离子来稳定开关窗口。 铁电与反铁电材料的多重存储潜力： 阐述如何利用材料的自发极化状态进行非易失性存储，以及铁电隧道结（FTJ）在低功耗计算中的优势。 自旋电子学材料的输运机理： 聚焦于磁性隧道结（MTJ）中的隧道磁阻效应（TMR）及其在磁随机存取存储器（MRAM）中的应用，重点分析界面自旋轨道耦合对电子穿透的影响。 第七章：计算材料学与高通量实验的协同进化 本书的收官部分将展望材料发现的未来模式——由数据和算法驱动的“材料基因组计划”（Materials Genome Initiative）。 基于密度泛函理论（DFT）的性质预测： 展示如何利用第一性原理计算来精确预测新化合物的晶格常数、能带结构和弹性模量，而非单纯依赖经验公式。 机器学习在相图构建中的应用： 探讨如何将高通量实验数据输入到贝叶斯优化或高斯过程回归模型中，快速收敛到最佳合金成分或反应条件，极大缩短研发周期。 高通量筛选平台的集成与自动化： 介绍机器人自动化合成与表征技术如何与计算模型形成闭环反馈系统，实现材料性能的快速迭代和优化。 --- 本书力求通过对上述尖端领域的细致梳理，帮助读者构建起一个跨越宏观、微观乃至量子尺度的材料科学知识体系，为推动未来工程技术进步提供深厚的理论与实践支撑。 目标读者： 材料科学、化学、物理学、电子工程等相关领域的研究人员、高级工程师及高年级研究生。
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