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出版者:中国建材工业出版社

作者:杜丕一

出品人:

页数:254

译者:

出版时间:2002-1

价格:28.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787801592286

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• 材料科学
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《新材料探索：从原子结构到宏观性能的飞跃》 导言：材料革命的浪潮与新时代的呼唤 自古以来，人类文明的每一次飞跃都与对新材料的掌握息息相关。从青铜器的冶炼到硅基芯片的诞生，材料的进步不仅是技术层面的革新，更是社会结构与生产力演变的驱动力。进入21世纪，随着全球化挑战的日益严峻，如能源短缺、环境污染以及对更高性能电子器件的需求，对“下一代材料”的探索已成为全球科技竞争的焦点。 《新材料探索：从原子结构到宏观性能的飞跃》并非一本重复基础理论的教材，它是一部面向前沿研究者、工程师和对未来科技抱有热忱的读者的深度综述与展望。本书将材料科学的基础视角置于一个更广阔的、以应用需求为导向的创新框架下，聚焦于那些正在颠覆传统制造业、信息技术和生物医学领域的颠覆性材料体系。 本书的核心主旨在于揭示：如何通过精准调控材料的微观结构（从亚原子尺度到纳米尺度），实现对其宏观性能的非线性提升与功能集成。 --- 第一部分：超越经典体系——功能化与极端环境材料 本部分着重探讨传统金属、陶瓷和聚合物在特定应用场景下所面临的瓶颈，以及科学家们如何通过结构设计来突破这些限制。 第一章：高熵合金与复杂集中态材料的结构稳定性 高熵合金（HEA）的兴起标志着传统合金设计范式的转变。本书将深入剖析HEA体系中“高混乱度”如何带来优异的强度、韧性和抗蠕变性能。 晶体学基础的重塑： 探讨面心立方（FCC）、体心立方（BCC）以及罕见六方紧密堆积（HCP）结构在多主元体系中的相变行为，重点分析“高混乱度”对位错运动和晶界迁移的影响机制。 极端温度下的力学响应： 聚焦于航空航天和核能领域对材料的要求，分析高熵陶瓷（如HECs）在超高温（>1500°C）下的氧化动力学和抗热震性能，以及如何通过纳米沉淀强化来稳定高温相。 计算驱动的性能预测： 详细介绍基于密度泛函理论（DFT）和机器学习（ML）模型，如何用于快速筛选具有特定高熵组合的潜在高性能合金。 第二章：二维（2D）材料的厚度维度革命 石墨烯的发现开启了对二维材料的研究热潮。本章将超越基础的石墨烯介绍，聚焦于更具功能性的超薄层状材料。 过渡金属硫化物（TMDs）的电子调控： 深入解析MoS2、WS2等材料的层数依赖性半导体特性。讨论如何通过引入缺陷工程（如硫空位）将这些半导体转化为高效的电催化剂或光电转换材料。 范德华异质结的构建与界面物理： 详细阐述如何“堆叠”不同的2D材料，形成具有全新带结构和拓扑特性的异质结。重点讨论莫尔（Moiré）超晶格在产生超导或拓扑非平庸态方面的潜力。 柔性电子学的支撑： 分析超薄氮化硼（h-BN）和石墨烯在构建高导热、高柔韧性基底材料中的应用，及其在可穿戴设备中的封装挑战。 --- 第二部分：能源与环境转型中的关键材料创新 本部分聚焦于解决全球可持续发展难题所需的革命性材料解决方案。 第三章：下一代储能体系的界面化学与固态电解质 锂离子电池的能量密度已接近理论极限，本书将聚焦于更高能量密度、更安全的新型电池技术。 全固态电池（ASSBs）的挑战： 深入探讨固态电解质界面（SEI）的形成与演变。分析不同离子导体（如硫化物、氧化物和聚合物基电解质）的离子电导率、化学兼容性与机械稳定性之间的权衡。 锂金属负极的控制： 讨论如何通过涂层技术（如陶瓷薄膜）和微观结构调控（如引导锂沉积的添加剂），有效抑制枝晶生长，这是实现高安全性和长循环寿命的关键。 非锂基高密度存储： 概述钠离子、钾离子电池以及金属-空气电池的材料体系，特别是针对富钠/钾矿物资源进行电极材料改性的策略。 第四章：光电催化与碳捕集材料的设计 高效的能源转化和环境治理依赖于具有特定光响应和高吸附选择性的新型功能材料。 太阳能燃料的催化剂： 重点介绍半导体光催化剂（如氮化碳、钙钛矿量子点）的载流子分离效率问题。探讨如何通过表面缺陷工程和异质结耦合，优化可见光吸收和氧化还原电位匹配。 CO2捕集与转化材料： 详细分析金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）在选择性吸附二氧化碳方面的优势。讨论如何通过后合成修饰（Post-Synthetic Modification, PSM）将催化活性中心引入框架结构中，实现高选择性的电化学或光催化CO2还原。 先进膜分离技术： 介绍新型聚合物膜和无机纳滤膜，它们在水净化和气体分离（如氢气纯化）中展现出的优异通量与分离因子。 --- 第三部分：智能化与生命尺度材料的前沿交叉 本部分探索材料科学如何与信息技术、生物工程深度融合，创造出具备感知、响应和自适应能力的智能系统。 第五章：刺激响应（智能）材料与传感器的集成 智能材料是实现实时环境反馈和主动调控系统的核心。 多物理场耦合响应材料： 深入研究形状记忆合金（SMA）、磁致伸缩材料在应力、温度或磁场下的复杂耦合响应机理。讨论如何利用这些材料实现微型机器人和自修复结构。 生物相容性电子材料： 聚焦于可降解聚合物和水凝胶在生物电子学中的应用。讨论如何设计电极材料，使其在提供精确生物信号读取的同时，能安全地被人体吸收或降解。 忆阻器与神经形态计算： 探讨基于氧化物薄膜和相变材料（如VO2）的忆阻元件，它们如何模拟突触的加权和可塑性，为下一代低功耗类脑计算提供硬件基础。 第六章：生物医用材料的生物活性与组织再生 本章关注材料如何与复杂的生物环境进行精准、可控的交互。 可注射水凝胶的流变学与支架构建： 详细分析微环境（pH、温度、酶活性）如何触发水凝胶的原位固化。重点讨论如何精确控制水凝胶孔隙率、机械模量以及生长因子释放速率，以适配特定组织的生物力学需求。 抗感染与生物集成界面： 探讨抗菌表面涂层（如基于银纳米粒子或等离子体激活的表面）的设计策略。同时，分析如何通过表面粗糙度和化学修饰，优化植入物与宿主骨骼或软组织的骨整合（Osseointegration）和血栓形成风险。 再生医学中的生物活性陶瓷： 介绍生物活性玻璃和磷酸钙陶瓷在促进骨组织快速再生的机制，以及如何将其纳米化以增强与细胞外基质的相互作用。 --- 结语：材料科学的未来图景 本书在对现有尖端技术进行深入剖析的同时，也强调了跨学科合作的重要性。未来的材料科学家必须是化学家、物理学家、工程师和生物学家的结合体，才能驾驭从原子尺度到系统层面的复杂性。本书旨在激发读者对这些前沿领域的好奇心，并为他们提供一个审视当前研究瓶颈、预测未来突破方向的坚实视角。新材料的探索永无止境，每一次对微观世界的精准操控，都将是人类文明向前迈进的有力阶梯。

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这本书的价值，我认为主要体现在它为读者构建了一个极其稳固的“知识框架”。许多材料学的书籍如同零散的知识点集合，让你学完一个主题后，很难将其融入一个整体。但这本书的章节间的衔接犹如精密的齿轮咬合，每一个概念的引入都是为了服务于后续更复杂的讨论。例如，在介绍高分子材料的结构与性能时，它会巧妙地回溯到前面讨论的链段运动和缠结理论，这种前后呼应的设计，极大地增强了知识的内聚力。我特别欣赏作者在描述材料制备工艺时所持有的辩证态度——他从不把任何一种工艺描绘成万能的银弹，而是始终强调工艺选择是材料性能、成本和应用环境之间复杂平衡的结果。这种成熟的、系统性的思维训练，是我从这本书中获得的宝贵财富。它教会我，材料科学不是孤立的学科，而是物理、化学、工程学以及热力学等多个领域的交汇点，理解这种交汇点上的“张力”和“和谐”，才是掌握这门学科的关键所在。

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这本书刚拿到手的时候，我简直是又爱又恨。爱的是，它厚重得像一块砖头，那种沉甸甸的质感，一看就知道内容扎实。光是翻开扉页，看到那密密麻麻的目录，就让人对材料的宇宙充满了敬畏。我记得我第一个礼拜花了很多时间仅仅是在梳理它的结构，作者的逻辑铺陈非常严谨，从晶体结构的基础概念开始，一步步深入到热力学和动力学在材料行为中的体现。它不像市面上很多教材那样追求“浅显易懂”，而是毫不避讳地展现了材料世界的复杂性与内在美。我尤其欣赏它在阐述相变机制时所采用的图示，那些二维投影和三维模型的结合，让原本抽象的概念变得具象化了许多。当然，这种深度也意味着阅读的门槛相当高，对于初学者来说，前半部分的内容可能需要反复咀嚼，甚至需要结合其他辅助资料才能完全消化。但一旦跨过这个门槛，后续章节关于合金设计和功能材料的讨论，就显得豁然开朗了。这本书更像是一部武功秘籍，需要勤奋练习才能领悟其中真谛，而不是一本速成指南。对于想在材料领域深耕下去的人来说，它无疑是一份值得珍藏的基石。

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说实话，我买这本书纯粹是因为在一次学术会议上听到一位德高望重的教授提到了它的经典地位，所以抱着朝圣的心态把它请回了家。拿到手后，我最直观的感受是其叙事的口吻非常“学院派”，它没有过多的煽情或鼓动，而是用一种近乎冷静的、陈述事实的方式引导读者进入主题。我发现它在处理实验数据和理论推导之间的平衡上做得相当到位。例如，在讨论特定材料的力学性能时，书中会穿插一些历史上的里程碑式的实验案例，这些案例的描述细致入微，让人能清晰地看到科学是如何一步步被构建起来的。有一段关于位错运动的论述，作者并没有直接给出结论，而是先回顾了早期对塑性变形的误解，再通过精妙的数学模型逐步修正，这个过程的教学效果远胜于直接灌输知识点。不过，这本书的插图设计方面略显保守，很多图谱的清晰度和现代感略有不足，这也许是受制于其出版年代的影响，但这对理解某些微观结构图像时确实造成了一点小小的障碍。总体而言，它更像是一位经验丰富的老匠人，带着你参观他的工作室，让你亲手触摸每一块原材料，而不是一个快速导览的旅游手册。

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我必须承认，我最初对这本书抱持着一种怀疑态度，因为市面上充斥着大量声称“全面”的材料学教材，但往往内容泛而浅。然而，这本书成功地避开了这个陷阱。它的深度并非体现在堆砌最新的研究成果——毕竟这是一个快速迭代的领域——而是扎根于那些经过时间检验的、不可动摇的物理和化学原理。它花了不少笔墨去解释“为什么”某些现象会发生，而不是简单地告诉你“发生了什么”。举个例子，在解释电化学反应活性时，它没有直接给出电极电位的表格，而是从能带理论和费米能级的角度，细致入微地分析了电子转移的内在驱动力。这对于我理解电池和电催化材料的本质非常有帮助。唯一的不足，也许是它的排版和插图风格略显陈旧，对于习惯了高清彩色图谱的新一代读者来说，初次接触可能会觉得有些枯燥，需要静下心来细细品味文字中的意境。但这反而迫使我更多地依赖自己的想象力去构建这些微观结构，从某种程度上增强了学习的深度记忆。

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这本书最让我感到震撼的，是它对“尺度效应”的深刻洞察。我们都知道材料科学研究的是从原子尺度到宏观尺度的连续统一体，但很少有教材能像这本书一样，将不同尺度间的联系阐述得如此清晰和紧密。它不仅仅是简单地罗列了纳米材料的特性，或是宏观力学定律，而是深入探讨了在不同尺度下，控制材料行为的主导机制是如何切换和相互影响的。比如，在谈论界面能与晶界扩散速度的关系时，书中引用了大量的热力学循环图和动力学速率常数对比，这些对比直观地揭示了为什么材料工程师在处理表面改性时必须考虑晶界对扩散路径的“劫持”作用。我个人觉得，这本书的价值在于它培养了一种“跨尺度”的思维模式，让你在设计一个新材料时，能同时考虑到原子排列的精确性、微观缺陷的控制以及最终制品的使用环境。如果说其他教材教你“是什么”，这本书则是在教你“为什么会是这样”以及“如何通过调控微观来改变宏观”。虽然某些章节的数学推导极其繁复，但正是这些严谨的数学语言，构建了不同尺度间的桥梁。

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