具体描述
现代材料科学前沿进展与应用 内容简介 本书是为材料科学、工程技术人员以及相关专业高年级本科生和研究生精心编写的一部前沿综述性著作。它全面、深入地剖析了当前材料科学领域最活跃、最具颠覆性的研究方向与技术应用，旨在为读者提供一个清晰的知识地图，并激发对未来材料创新的思考。全书结构严谨，内容涵盖了从基础理论到尖端技术的多个维度，力求在深度和广度上达到一个平衡。 第一部分：先进结构材料的突破 本部分聚焦于在极端环境下仍能保持优异性能的新型结构材料的研发与应用。 第一章：高熵合金（HEAs）的设计原理与性能调控 本章系统阐述了高熵合金这一颠覆性概念的提出背景、热力学与动力学设计原则。重点讨论了面心立方（FCC）、体心立方（BCC）以及复杂相结构高熵合金的微观组织演化，包括固溶强化、晶界工程和第二相析出的协同效应。深入分析了HEAs在高温蠕变、辐照损伤以及抗疲劳性能方面的独特优势，并列举了在航空发动机叶片、核反应堆结构件等领域的潜在应用案例。此外，还探讨了利用机器学习方法加速高熵合金成分筛选与性能预测的最新进展。 第二章：纳米晶与超细晶材料的界面工程 本章侧重于材料的晶粒尺寸效应及其界面控制技术。详细介绍了通过塑性变形（如高能球磨、等通道转角挤压-ECAP）、快速凝固和表面改性等方法制备纳米晶材料的工艺流程。核心内容在于界面结构对材料宏观力学性能（如超高硬度、高强度与韧性并存的悖论性实现）的影响机制。特别关注了晶界扩散、晶界迁移在材料变形与断裂过程中的关键作用，并展望了其在微纳机电系统（MEMS/NEMS）中的应用前景。 第三章：智能复合材料与自修复技术 本章探讨了如何将功能性填料与基体材料结合，创造出具有特定环境响应能力的复合材料。内容涵盖了碳纳米管（CNTs）、石墨烯（Graphene）在增强聚合物、陶瓷和金属基体中的分散技术与界面优化。着重介绍了形状记忆合金（SMA）、压电材料等智能组分在结构健康监测（SHM）中的集成应用。此外，详述了基于微胶囊自修复、化学交联修复以及热诱导修复等机制的材料设计，以提高结构件的使用寿命与可靠性。 第二部分：能源与环境功能材料的创新 本部分深入研究了在可持续能源转化、存储和环境治理中发挥核心作用的新型功能材料。 第四章：下一代固态电池电解质研究进展 随着锂离子电池能量密度的瓶颈显现，固态电池成为研究热点。本章集中讨论了无机固态电解质（如硫化物、氧化物和卤化物体系）的离子传导机理、界面阻抗问题及其抑制策略。详细分析了固-固界面接触质量对电化学性能的决定性影响，并介绍了原位表征技术在揭示界面反应中的应用。同时，对聚合物固态电解质的电化学稳定性窗口拓宽也进行了深入探讨。 第五章：光电转换材料与钙钛矿太阳能电池 本章系统梳理了光伏领域的新兴材料——有机-无机杂化钙钛矿材料。详细阐述了钙钛矿材料优异的光吸收特性、载流子动力学过程以及缺陷钝化技术。重点剖析了影响钙钛矿电池长期稳定性的关键因素，如湿度、热稳定性和离子迁移问题。同时，也对比了叠层太阳能电池（Tandem Solar Cells）的结构设计与效率提升潜力，展望了其商业化前景。 第六章：多孔催化材料的构筑与应用 本章聚焦于具有极高比表面积和可控孔道结构的催化材料。详细介绍了金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）以及高性能多孔碳材料的合成方法、孔径调控和活性位点设计。在应用方面，本书重点阐述了这些材料在燃料电池氧还原反应（ORR）、二氧化碳电化学还原（CO2RR）以及环境污染物催化降解中的高效表现，并讨论了如何通过引入单原子催化剂（SACs）进一步提升催化活性和选择性。 第三部分：先进表征技术与计算材料学 本部分关注支撑材料科学快速发展的关键工具和理论方法。 第七章：原位与同步辐射技术在材料科学中的应用 随着实验技术的发展，实时、动态地观测材料在服役条件下的微观行为成为可能。本章介绍了同步辐射X射线衍射（XRD）、小角散射（SAXS/WAXS）以及透射电子显微镜（STEM）联用技术。重点阐述了如何利用这些技术在加热、加载、反应过程中跟踪晶粒演化、相变、以及应力分布，从而深化对材料本征性能与加工工艺关系的理解。 第八章：第一性原理计算与高通量筛选 本章探讨了基于密度泛函理论（DFT）的计算材料学方法。详细介绍了如何通过计算模拟预测材料的热力学稳定性、电子结构、缺陷能级和催化活性位点。着重介绍了计算材料学如何与高通量计算（High-Throughput Screening）相结合，快速筛选出具有特定性能的候选材料。最后，探讨了机器学习/深度学习模型在材料性质预测和数据驱动材料设计中的新兴角色。 结语 本书不仅是对现有研究成果的系统梳理，更是对材料科学未来发展方向的深度预判。它强调跨学科交叉融合的重要性，鼓励读者将理论理解与前沿实验技术相结合，以应对21世纪在能源、环境和高端制造领域所面临的重大挑战。本书旨在成为材料领域研究人员和工程师手中不可或缺的参考手册。
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