具体描述
纳米，ISBN：9787118029109，作者：李凤生 杨毅
智能制造中的先进材料与结构设计 本书概要 本书深入探讨了在当代智能制造领域中，先进材料的选择、设计、制备及其在复杂系统集成中的关键作用。聚焦于材料科学的前沿进展与工程应用的紧密结合，本书旨在为读者提供一个全面的视角，理解如何利用新型功能材料来突破传统制造的瓶颈，实现更高性能、更可靠的智能产品与系统。 全书内容围绕“材料-结构-性能-功能”的逻辑链展开，系统地梳理了从微观尺度材料的本征特性到宏观系统集成的全过程。 --- 第一部分：基础理论与前沿材料体系 第一章：智能制造的材料基石 本章首先界定了智能制造对材料提出的新要求，特别是对多功能性、自适应性、轻量化以及环境友好性的迫切需求。重点剖析了现有传统材料（如标准金属合金、通用聚合物）在面对高精度、高动态响应要求的智能装备时所暴露的局限性。 1.1 智能系统对材料特性的新诉求： 探讨了材料在温度、应力、电磁场等外部刺激下表现出可控响应能力的重要性。 1.2 经典材料的性能边界： 分析了传统材料在疲劳寿命、极端环境适应性以及多物理场耦合效应下的理论极限。 1.3 功能梯度材料（FGM）的理论基础： 引入FGM的基本概念，解释其如何通过材料成分或微结构的梯度变化来平抑界面应力、优化热力学性能。 第二章：高性能结构陶瓷与金属基复合材料 本章聚焦于在极端载荷和高温环境中展现出卓越性能的先进结构材料。 2.1 先进工程陶瓷的制备与改性： 详细介绍氧化物、氮化物和碳化物陶瓷的烧结技术（如固相烧结、液相烧结、放电等离子烧结-SPS），以及通过晶界工程提高其断裂韧性的方法。重点讨论了用于航空航天和核能领域的特种陶瓷。 2.2 金属基复合材料（MMC）的界面控制： 深入分析如何通过纤维（如碳化硅纤维、氧化铝晶须）或颗粒（如石墨烯、碳纳米管）增强铝、钛、镍基体，形成的高强度、高刚度复合材料。着重阐述了基体与增强相之间的界面反应控制技术，这是决定MMC长期可靠性的核心因素。 2.3 增材制造对结构材料的影响： 探讨选择性激光熔化（SLM）和电子束熔化（EBM）等增材技术如何改变MMC和陶瓷的微观组织，以及由此带来的性能各向异性问题和解决方案。 第三章：先进功能高分子与智能软材料 本章关注能够响应外部刺激并实现主动功能的聚合物体系，这些材料是柔性电子和生物医学工程的基础。 3.1 导电高分子与有机半导体： 阐述聚苯胺、聚吡咯等导电聚合物的电化学掺杂机制，以及它们在传感器和有机发光二极管（OLED）中的应用潜力。 3.2 形状记忆聚合物（SMP）： 深入解析SMP的热致、光致或溶剂致的相变机制，包括其固定态、回复态的应力-应变行为，以及在自修复和可重构结构中的应用潜力。 3.3 压电与热释电高分子材料： 讨论聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物在能量收集和超声换能器中的应用，重点分析其分子极化与宏观电学性能的关系。 --- 第二部分：材料的微观调控与界面工程 第四章：纳米尺度材料的生长与表征 本章将视角聚焦到材料的纳米尺度，探讨如何精确控制原子和分子级别的结构来实现宏观尺度的功能提升。 4.1 薄膜沉积技术： 详述化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）以及原子层沉积（ALD）在制备超薄、高纯度功能薄膜中的技术优势与挑战。特别关注ALD在实现三维结构内表面均匀沉积的能力。 4.2 纳米晶粒材料的塑性行为： 讨论当晶粒尺寸进入纳米尺度后，材料的力学行为（如Hall-Petch关系失效）的变化规律，以及如何通过退火和晶粒生长控制来稳定其性能。 4.3 量子点与二维材料的基础物理： 介绍半导体量子点（QDs）的量子限域效应，以及石墨烯、过渡金属硫化物（TMDs）在电子学和催化领域的独特性能。 第五章：界面与杂化结构设计 界面是决定复合材料性能和多功能集成效果的关键区域。本章强调界面工程在材料性能放大中的核心地位。 5.1 固态反应与界面反应动力学： 分析在高温处理过程中，基体与增强相之间可能发生的有害相变反应，并介绍如何通过添加“反应阻挡层”来有效钝化界面。 5.2 结构与功能的耦合界面： 研究如何设计具有特定化学或物理梯度的界面，以实现热电耦合、磁电耦合等跨场效应的增强。 5.3 仿生结构与分级设计： 借鉴自然界中如贝壳、骨骼等的分级结构设计原理，探讨如何构建多尺度的、具有优异韧性和抗疲劳性能的仿生杂化结构。 --- 第三部分：材料在先进系统中的集成与应用 第六章：面向极端环境的服役可靠性评估 先进材料只有在复杂服役条件下保持长期稳定，才能真正实现其价值。本章关注材料的失效机制与寿命预测。 6.1 高温氧化与腐蚀防护： 讨论热障涂层（TBCs）的设计原则、制备工艺及其在燃气轮机叶片等高温部件上的应用。分析盐雾腐蚀、氢脆等环境诱发失效模式。 6.2 疲劳与断裂力学： 结合先进材料的微观结构特征，建立更精确的疲劳裂纹萌生和扩展模型，特别是针对增材制造材料和界面区域的应力集中问题。 6.3 在线健康监测（SHM）材料系统： 介绍嵌入式传感器材料（如压阻材料、光纤传感器）如何与主体结构集成，实现对材料损伤的实时、非破坏性监测。 第七章：能源存储与转换材料的系统集成 本章探讨了先进材料在下一代能源技术中的关键贡献，侧重于系统层面的优化。 7.1 高能量密度电池电极材料： 分析富锂锰基、固态电解质等新型材料在提升锂离子电池能量密度和安全性的挑战。重点关注电极材料的体积膨胀控制技术。 7.2 高效热电材料： 讨论如何通过材料结构设计（如引入纳米析出物、控制晶界散射）来解耦电导率和塞贝克系数，提高热电优值（ZT）。 7.3 燃料电池催化剂与膜电极组件： 探讨贵金属替代催化剂的研发进展，以及高质子传导率固态电解质膜的制备技术。 第八章：先进制造工艺与材料性能的协同优化 本章总结了如何将材料的理论设计与先进制造技术相结合，实现复杂功能结构的快速原型制造与批量生产。 8.1 增材制造中的冶金与热力学控制： 深入分析激光熔池内的快速凝固过程如何影响材料的晶粒取向和残余应力分布，以及如何通过优化工艺参数实现特定微观结构的定向生长。 8.2 连续制造技术中的材料流动控制： 针对热挤压、连续铸造等工艺，探讨如何利用先进的模拟工具（如有限元分析）来精确控制材料在模具和辊道中的塑性流动，以保证最终产品的几何精度和力学均匀性。 8.3 跨尺度模拟与数字孪生： 介绍如何利用多尺度计算模拟，从第一性原理到宏观有限元，建立材料性能的预测模型，并将其应用于制造过程的实时反馈与数字孪生系统的构建中，以指导材料的迭代设计。 --- 结论：面向未来的材料设计范式 全书最后总结了当前材料科学面临的挑战——从“基于经验的发现”向“基于需求的理性设计”的转变。强调了跨学科合作（材料科学、计算科学、工程力学）对于推动下一代先进制造技术发展的决定性作用。本书为材料工程师和系统设计者提供了一个理解和应用前沿结构与功能材料的坚实框架。
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