具体描述
本书全面地介绍了一系列先进的材料制备技术以及所制备材料的特殊性
能和用途。制备技术包括快速凝固技术、薄膜材料制备技术、纳米材料制备
技术、高能束技术、极限材料和极端条件下材料的制备技术、金属基材料的
制备技术等。
本书内容科学系统，技术先进，具有较强的参考价值，可作为大专院校
材料科学与工程及相关专业的高年级本科生或研究生用教材，也可以供材料
领域科研人员、工程技术人员参考阅读。
铸就未来：先进功能材料的创新之路 本书导读： 在人类文明的长河中，材料的每一次飞跃都深刻地推动着社会的进步。从青铜时代的辉煌到信息时代的精密，材料的性能与应用始终是衡量一个时代科技水平的关键指标。本书《铸就未来：先进功能材料的创新之路》聚焦于那些驱动当代科技革命、具备非凡性能和多功能集成潜力的前沿材料体系，旨在为研究人员、工程师和决策者提供一个全面、深入且富有洞察力的技术路线图。 本书的核心理念在于“功能驱动的材料设计与制造”。我们不再仅仅满足于材料的结构强度或导电性，而是追求在特定环境下，材料能实现何种特定的、复杂的功能——无论是超灵敏的传感、高效的能量转换、还是在极端条件下的稳定运行。 --- 第一部分：功能材料的理论基石与前沿探索 本部分将系统梳理当前先进功能材料领域中，驱动创新的基础科学原理与新兴的理论模型。 第一章：跨尺度材料设计范式 本章首先回顾了传统材料科学中“结构-性能”关系的局限性，并引入了当前研究的热点——多尺度耦合效应。我们将详细探讨从原子尺度（如缺陷工程、表面吸附动力学）到纳米尺度（如量子限制效应、界面张力）再到宏观尺度（如材料的疲劳寿命、蠕变行为）的相互影响。重点分析如何利用计算材料学，特别是密度泛函理论（DFT）和相场法（Phase-Field Modeling），来预测和指导复杂微结构（如多相复合材料、梯度材料）的形成路径与最终性能。 第二章：非平衡态下的材料演化 现代功能材料的许多优异性能源于其偏离热力学平衡态的亚稳结构。本章深入探讨了非晶态材料（如高熵玻璃）和孪晶结构的形成机制。我们将分析快速凝固技术（如熔融纺丝、真空快速淬火）如何锁定高能态的微观结构，并讨论这些结构在维持高硬度、高韧性或特殊磁学性质中的关键作用。此外，还将引入“动态高熵”概念，探讨材料在服役过程中的结构重构与性能保持机制。 第三章：界面工程与异质结效应 功能性往往集中在材料的界面和表面。本章专门研究如何通过精确控制界面结构来调控电子、离子和能量的传输。内容涵盖了异质结的构建（如P-N结、肖特基结的优化）、表面功能化（如自组装单分子膜、原子层沉积（ALD）的应用）以及晶界工程（如利用晶界作为离子通道或电子陷阱）。我们将通过具体案例，如高性能催化剂的活性位点设计和固态电解质的快速离子传导路径构建，来阐述界面工程的决定性影响。 --- 第二部分：关键功能领域的新材料体系与制备前沿 本部分将焦点转向几个对未来技术至关重要的功能领域，探讨其对材料性能提出的极致要求以及对应的创新制备方法。 第四章：下一代能源转换与存储材料 本章聚焦于应对全球能源挑战所需的前沿材料。 1. 高效光捕获材料： 讨论钙钛矿材料（Perovskites）在太阳能电池中的光吸收效率突破、稳定性挑战及界面钝化技术。分析量子点（Quantum Dots）在光谱调控和上转换/下转换技术中的应用。 2. 高能量密度储能： 深入探讨固态电解质（如硫化物、氧化物和聚合物基电解质）的离子电导率提升策略，以及如何抑制界面副反应。在电池负极材料方面，关注硅基/锂金属负极的体积膨胀控制技术（如纳米结构设计、保护层涂覆）。 3. 热电材料的集成优化： 介绍如何通过纳米结构调控（如声子散射工程）来有效分离电学性能和热学性能，实现高ZT值的材料体系。 第五章：智能响应与自适应功能材料 本章探索能够感知环境变化并作出特定响应的“活的”材料系统。 1. 形状记忆与超弹性合金： 重点分析马氏体相变的可逆性调控，特别是新型TiNi基合金中应变诱导相变的精细控制。探讨温度、应力耦合下的多向记忆效应。 2. 电/磁/光活性耦合材料： 详细介绍磁电复合材料的制备，以及如何通过应力场、电场和磁场的协同作用，实现多模态传感与驱动。讨论电活性聚合物（如介电弹性体）在高功率驱动中的应用。 3. 自修复与自清洁表面： 探讨微胶囊技术、本征修复机制在聚合物和涂层中的应用，以延长结构件的使用寿命。 第六章：超环境耐受与极端性能材料 本章关注在高温、强辐射、高负荷等苛刻服役条件下，仍能保持优异性能的先进材料。 1. 高温结构陶瓷与热障涂层（TBCs）： 研究高性能氧化物（如Yttria-Stabilized Zirconia, YSZ）的微观相稳定性，以及如何在高温氧化和热循环条件下抑制相变和裂纹扩展。探讨先进的激光熔覆技术在制备梯度功能涂层中的优势。 2. 耐辐照材料设计： 针对核能和空间应用，分析不同合金（如奥氏体钢、无序高熵合金）在快速中子辐照下空位/间隙原子团簇的演化，以及如何通过合金成分设计来“钉扎”缺陷，抑制材料的脆化和肿胀。 --- 第三部分：先进制造技术与性能表征的融合 本部分将技术重点转向如何精确、高效地实现上述复杂材料的设计意图，以及如何对其进行无损和原位（in-situ）的性能评估。 第七章：增材制造（AM）中的材料特性控制 增材制造为复杂功能梯度材料的快速成型提供了可能，但其独特的快速加热/冷却过程对材料的微观结构控制提出了巨大挑战。 1. 激光选区熔化（SLM）中的凝固行为： 详细分析高扫描速度下金属液滴的快速凝固路径，以及如何通过优化工艺参数（如激光功率、扫描策略）来抑制枝晶粗大化、偏析和残余应力的形成。 2. 陶瓷与复合材料的AM挑战： 探讨粘结剂喷射（Binder Jetting）和定向能量沉积（DED）在制备高密度陶瓷和连续纤维增强复合材料中的烧结、致密化和纤维-基体界面结合控制技术。 第八章：原位（In-situ）表征技术的新进展 要真正理解功能材料的动态行为，必须在服役条件下对其进行实时观测。 1. 同步辐射与中子散射技术： 介绍如何利用高通量、高能量分辨率的X射线/中子束流，在原位应力加载、加热/冷却或电化学反应的条件下，实时监测晶格畸变、相变动力学和离子扩散路径。 2. 电子显微学（TEM/SEM）的动态加载平台： 阐述微机电系统（MEMS）加载平台在TEM内实现对纳米线、薄膜材料的原位拉伸、电学/热学测量，从而捕捉瞬态结构变化。 --- 总结与展望： 《铸就未来：先进功能材料的创新之路》力求搭建起理论创新、材料设计与精密制造之间的桥梁。本书强调，未来的材料突破将不再是孤立的性能提升，而是跨学科、多尺度、集成化功能体系的构建。通过对前沿材料科学的深刻洞察和对尖端制造技术的精准把握，本书将激励读者在材料科学的广阔天地中，探索并实现更多“不可能”的功能集成。
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