Smart Materials and Technologies

Smart Materials and Technologies pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:Butterworth-Heinemann
作者:D. Michelle Addington
出品人:
页数:241
译者:
出版时间:2004-12
价格:$ 90.40
装帧:Pap
isbn号码:9780750662253
丛书系列:
图书标签:
  • 智能材料
  • 材料
  • 建筑·材料
  • 建筑
  • Schodek
  • Daniel
  • Architecture
  • 智能材料
  • 形状记忆合金
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  • 执行器
  • 先进材料
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具体描述

Today, architects and designers are beginning to look toward developments in new 'smart' or 'intelligent' materials and technologies for solutions to long-standing problems in building design. However, these new materials have so far been applied in a diverse but largely idiosyncratic nature, because relatively few architects have access to information about the types or properties of these new materials or technologies. Two of the leading experts in this field - Addington and Schodek - have solved this problem by incorporating all the relevant information of all the latest technologies available to architects and designers in this one volume. They present materials by describing their fundamental characteristics, and go on to identify and suggest how these same characteristics can be exploited by professionals to achieve their design goals. Here, the wealth of technical understanding already available in the materials science and engineering literature is at last made accessible to a design audience. This book presents a unique text that outlines the topic of smart materials from a design perspective. Learn about the latest research and practice of using smart materials and gain a better understanding on how to utilize them in architectural design. Benefit from the knowledge and insight of this experienced and respected author team.

《智能材料与技术》 本书深入探讨了当前材料科学与工程领域中最具前瞻性和变革性的领域之一:智能材料与技术。它不仅仅是一本描述现有材料的教科书,更是一扇通往未来创新世界的大门,揭示了材料如何被赋予感知、响应甚至学习的能力,以及这些能力如何重塑我们的技术格局和生活方式。 核心内容概述: 本书围绕“智能”这一核心概念,系统性地梳理了各类智能材料的原理、特性、制备方法以及广泛的应用前景。我们首先从基础理论入手,深入剖析了触发智能材料响应的各种物理、化学和生物机制,包括但不限于: 形状记忆合金与聚合物 (SMA/SMP): 揭示了它们如何通过热、光、电等外部刺激,在预设形状和变形状态之间进行可逆切换的奥秘。本书将详细阐述不同合金和聚合物的微观结构演变、相变动力学,以及如何通过合金成分、晶格结构或高分子链设计来调控其响应行为和滞后特性。我们将探讨这些材料在医疗植入物(如支架)、航空航天(如自适应翼)、以及机器人(如人造肌肉)等领域的实际应用案例,并分析其性能极限和未来发展方向。 压电材料与热电材料 (Piezoelectric & Thermoelectric Materials): 深入研究了它们在机械能与电能之间相互转换的独特能力。本书将详尽解析晶体结构与压电效应、热电效应的内在联系,从微观层面解释了极化、电致伸缩、塞贝克效应、珀尔帖效应等关键物理现象。我们将分析不同陶瓷、聚合物和复合材料的压电/热电性能参数,并探讨其在能量采集(如压电发电机、热电发电机)、传感器(如微位移传感器、应力传感器)、驱动器(如微流控泵)以及温差制冷等领域的应用潜力。 磁致伸缩材料与电致伸缩材料 (Magnetostrictive & Electroactive Polymers): 重点关注材料在外加磁场或电场作用下产生的形状变化。本书将深入探讨磁致伸缩材料(如Terfenol-D)的磁畴结构、饱和磁致伸缩应变以及各向异性,并分析其在精密驱动、传感器和能量转换中的应用。对于电致伸缩聚合物(EAPs),我们将考察其离子和偶极机制,分析电场诱导的形变、应力输出以及响应速度,并展望其在柔性电子、仿生机器人和可穿戴设备中的广阔前景。 光致变色材料与电致变色材料 (Photochromic & Electrochromic Materials): 介绍了材料在光照或电场刺激下颜色或透明度发生可逆变化的能力。本书将详细阐述光致变色材料的分子结构、光化学反应机理,以及不同类型的光致变色体系(如螺嗪、二芳基乙烯)。对于电致变色材料,我们将深入研究其电化学机制,分析不同电解质、电极材料和氧化还原状态对变色性能的影响,并探讨其在智能窗户、显示器、防眩目后视镜等领域的应用。 自修复材料 (Self-Healing Materials): 重点介绍了材料在损伤后能够自我修复损伤的能力,从而延长材料使用寿命并提高其可靠性。本书将系统性地分类和介绍不同自修复机制,包括微胶囊型、血管型以及本征型自修复材料。我们将深入研究其微观修复过程,包括修复剂的释放、填充、固化等关键步骤,并探讨其在涂层、复合材料、电子器件等领域的应用潜力,以及如何通过材料设计来优化修复效率和速度。 传感器材料 (Sensor Materials): 探讨了能够感知环境变化(如温度、压力、湿度、气体、生物分子等)并将其转化为可检测信号的材料。本书将涵盖多种传感器材料,包括半导体气体传感器、化学传感器、生物传感器、光学传感器等。我们将详细分析不同材料的传感机理,例如吸附-解吸、氧化还原反应、荧光猝灭、电阻变化等,并讨论如何通过表面改性、纳米化等手段提高传感器的灵敏度、选择性和响应速度。 技术与应用拓展: 除了对各类智能材料进行详尽的介绍,本书还着重于智能材料在集成系统和尖端技术中的应用,包括: 智能结构与器件: 探讨如何将上述智能材料集成到复杂的结构和器件中,以实现主动控制、自适应性和功能集成。例如,如何利用形状记忆合金构建能够根据外部环境自我调整形状的飞机机翼;如何利用压电材料设计能够从振动中采集能量的柔性电子设备;如何利用电致变色材料制造能够调节透光率的智能窗户。 机器人与仿生学: 深入研究智能材料在下一代机器人技术中的作用,特别是如何利用其模仿生物体运动和功能的特性。本书将重点关注人造肌肉、仿生驱动器、柔性机器人以及可穿戴机器人等领域,分析智能材料如何赋予机器人前所未有的灵活性、适应性和交互能力。 医疗与健康: 详细阐述智能材料在生物医学领域的巨大潜力,包括可植入医疗器械(如药物释放系统、血管支架)、诊断工具(如生物传感器、成像探针)以及组织工程(如智能支架)。我们将探讨生物相容性、可降解性以及生物响应性等关键因素。 能源与环境: 聚焦智能材料在可持续能源开发和环境保护中的应用。本书将涵盖能量采集(如压电、热电、太阳能)、能量储存(如智能电池材料)以及环境监测和治理(如智能吸附剂、传感器)等方向。 信息与通信: 探讨智能材料如何推动信息存储、处理和通信技术的革新。例如,如何利用智能材料开发新型传感器,实现对环境信号的精确捕捉;如何利用智能材料构建可编程逻辑器件,实现更高效的信息处理。 本书特色: 《智能材料与技术》力求提供一个全面、深入且具有前瞻性的视角。本书的编写遵循以下原则: 理论与实践相结合: 在阐述科学原理的同时,辅以大量的实际应用案例和技术细节,帮助读者理解理论知识如何在现实世界中落地。 跨学科融合: 整合了材料科学、化学、物理学、工程学、生物学等多个学科的知识,展现智能材料领域的跨学科特性。 前沿性与权威性: 紧跟材料科学领域的最新研究进展,引用了大量前沿的科研成果和技术动态,确保内容的权威性和时效性。 结构清晰,逻辑严谨: 各章节内容组织有序,逻辑性强,层层递进,便于读者理解和掌握。 本书适合于材料科学、化学、物理学、机械工程、电子工程、生物医学工程等相关专业的本科生、研究生以及科研人员阅读。同时,对于对未来科技发展充满好奇心的读者,本书也将是一次极具启发性的阅读体验。通过深入了解智能材料的奥秘,您将更好地理解当前科技发展的脉搏,并展望一个由智能材料驱动的更加智能、高效和可持续的未来。

作者简介

D. Michelle Addington

Professor

B.S.M.E., Tulane University

B.ARCH., Temple University

M.DES.S., Harvard University

D.DES., Harvard University

Prior to teaching at Yale, Ms. Addington taught at Harvard University for ten years and before that at Temple University and Philadelphia University. Her background includes work at NASA/Goddard Space Flight Center, where she developed structural data for composite materials and designed components for unmanned spacecraft. Ms. Addington then spent a decade as a process design and power plant engineer as well as a manufacturing supervisor at DuPont, and after studying architecture, she was an architectural associate at a firm based in Philadelphia. She researches discrete systems and technology transfer, and she serves as an adviser on energy and sustainability for many organizations, including the Department of Energy and the AIA. Her chapters and articles on energy, environmental systems, lighting, and materials have appeared in many books and journals and she recently co-authored Smart Materials and Technologies for the Architecture and Design Professions.

Profile

Daniel L. Schodek is the Kumagai Research Professor of Architectural Technology in the Department of Architecture at the Harvard University Graduate School of Design, where he taught from 1969 until 2008. He was also Director of the Master in Design Studies Program at the GSD. His recent technical research interests lie within a broad architectural design context that emphasizes recent developments in computer-aided design and computer-aided manufacturing (CAD/CAM), design for assembly, smart materials, and automation.

As reflected in his books Structures (now in its 5th edition, Prentice-Hall, Inc.) and Structure in Sculpture (MIT Press, 1993), he has also had a long involvement with the design of contemporary structures in an architectural context. He also has interests in the history of building technology, as is reflected by his book Landmarks in American Civil Engineering (MIT Press, 1987). A co-authored book that reflects his interest in CAD/CAM techniques in architecture, Digital Design and Manufacturing: Applications in Architecture and Design (John Wiley & Sons) was published in 2004. Another that deals with smart materials and systems, Smart Materials in Architecture and Design (The Architectural Press), was also released in 2004.

Daniel L. Schodek

Schodek has published numerous articles and research reports, including several in the GSD Technology Report Series that deal with CAD/CAM applications in architecture and proceedings of symposia held at the GSD on the topic. These include: New Technologies in Architecture: Digital Design and Manufacturing Techniques, New Technologies in Architecture II & III: Digital Design and Manufacturing Technique, Patient Transport Module: Stroke PTM Feasibility Study Report, and Re-Visions: Recording Architecture I. Others are on diverse topics that include articles and encyclopedia entries on materials, housing technologies, discussions of the seismic behavior of existing housing, medical environments, and a host of other subjects. His research work has been sponsored by the Defense Advanced Research Products Agency (DARPA), the National Science Foundation (NSF), the Joint Center for Housing Studies, the Historic American Engineering Record, and other organizations.

Schodek holds a PhD in Civil Engineering from MIT, and MS and BS degrees in Architectural Engineering from the University of Texas at Austin and an honorary MA from Harvard University.

目录信息

Preface vii
Acknowledgments xi
1 Materials in architecture and design 1
1.1 Materials and architecture 2
1.2 The contemporary design context 5
1.3 The phenomenological boundary 7
1.4 Characteristics of smart materials and systems 8
1.5 Moving forward 11
1.6 Organization of the text 13
2 Fundamental characterizations of materials 21
2.1 Traditional material classification systems 22
2.2 Alternative classification systems 27
2.3 Classification systems for advanced and smart
materials 29
2.4 The internal structure of materials 31
2.5 Properties of materials 38
2.6 General classes of materials 41
2.7 Nanomaterials 44
3 Energy: behavior, phenomena and environments 46
3.1 Fundamentals of energy 46
3.2 Laws of thermodynamics 47
3.3 The thermodynamic boundary 51
3.4 Reconceptualizing the human environment 54
3.5 The thermal environment 55
3.6 The luminous environment 64
3.7 The acoustic environment 72
4 Types and characteristics of smart materials 79
4.1 Fundamental characteristics 79
4.2 Type 1 smart materials – property-changing 83
4.3 Type 2 smart materials – energy-exchanging 95
5 Elements and control systems 109
5.1 Sensors, detectors, transducers and actuators:
definitions and characterization 114
5.2 Control systems 127
5.3 MEMS (micro-electrical mechanical systems) 131
5.4 Sensor networks 134
5.5 Input/output models 135
6 Smart products 138
6.1 A phenomenological perspective 138
6.2 Product technologies and forms 142
6.3 Smart material product forms 144
7 Smart components, assemblies and systems 163
7.1 Fac¸ade systems 165
7.2 Lighting systems 173
7.3 Energy systems 180
7.4 Structural systems 185
8 Intelligent environments 198
8.1 The home of the future 199
8.2 From the architect’s view to the technologist’s
view 201
8.3 Characterizations of intelligent environments 203
8.4 Complex environments 216
9 Revisiting the design context 218
Glossary 229
Bibliography 237
Index 239
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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这本书给我最大的感受是“**实用性**与**前沿性**的完美平衡”。我是一名在化工领域工作了十多年的工程师,深知将实验室成果转化为生产线上的可靠产品的难度。这本书中大量描述了**自适应结构材料**在恶劣环境(如深海勘探或高真空焊接)中的表现和失效分析。那些关于材料在极端应力下的非线性响应曲线和疲劳寿命预测模型,对我日常工作中遇到的材料选型和寿命评估提供了极大的参考价值。作者在描述每一个技术突破时,都会详细交代其“可重复性”和“可控性”,这对于工程实践者来说比任何华丽的未来畅想都重要。美中不足的是,对于一些新兴的**增材制造(3D打印)**技术如何与这些智能材料结合的讨论略显单薄。鉴于增材制造是实现复杂功能结构的关键路径,如果能用一个专门的章节来探讨如何控制打印过程中的梯度功能分布,那这本书的工程实用价值将再上一个台阶。总的来说,这是一本可以放在工具箱里,随时翻阅解决实际问题的参考书。

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这本书的叙事节奏感非常强,像是在带领读者进行一次穿越不同尺度和维度的“感官之旅”。它对**仿生学**在材料设计中的应用,特别是模仿昆虫复眼结构和鲨鱼皮表面的研究,描述得如同史诗一般。我印象最深的是关于“软体机器人”的章节,作者没有仅仅展示那些柔软的驱动器,而是深入剖析了驱动机制背后的**流体动力学与复合材料的耦合**。书中对不同驱动机制(如形状记忆合金、电活性聚合物)的优缺点进行了非常中肯的对比分析,没有表现出对任何单一技术的偏爱,而是强调了系统集成的重要性。它的语言风格充满了画面感和动态感,让你仿佛能“看到”材料内部的分子链在重新排列,或者看到结构在光照下发生颜色渐变。不过,对于我个人而言,书中对**数据驱动的材料设计(Machine Learning in Materials Science)**的着墨略显不足,这部分是当前研究的热点,如果能更深入地介绍如何利用AI加速新材料的筛选和表征,这本书的整体前瞻性会更强。但即便如此,它仍然是理解未来材料如何“思考”和“行动”的最佳指南之一。

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这本书的深度和广度真是令人惊叹,尤其是在跨学科领域的融合上。我原本以为这会是一本偏向于材料科学的纯技术手册,但实际上它为我们构建了一个看待未来技术生态的全新视角。书中对纳米技术在生物医学领域的应用探讨得尤为深入,特别是一些关于**自修复智能涂层**的案例分析,让我对材料的“生命力”有了全新的理解。作者没有停留在理论层面,而是大量引用了近五年来的实际工程案例,比如在航空航天领域,如何利用这些材料来提升结构耐久性和减轻重量。阅读过程中,我发现自己不断地需要查阅一些关于量子力学和高分子化学的基础知识,这表明这本书的受众定位可能偏向于高年级本科生或研究生,它要求读者具备一定的专业背景才能完全领会其精髓。不过,对于那些希望站在材料科学前沿,探索**功能化表面设计**和**环境响应性聚合物**的工程师和研究人员来说,这本书绝对是一份不可多得的宝贵资料集。它的逻辑结构非常严谨,从微观结构到宏观性能的推导过程清晰可见,只是某些章节的数学推导部分,如果能配上更多的可视化图表辅助理解,或许会更友好一些。

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从一个纯粹的**基础物理爱好者**的角度来看,这本书在对“智能”的定义上进行了一次非常彻底的哲学思辨。它不仅仅是关于“什么材料能做某件事”,更多的是探讨“材料如何‘感知’并‘做出反应’”。书中对**多铁性材料**和**拓扑绝缘体**的介绍,虽然用了较为简洁的笔触,但其背后的物理原理的深刻性不言而喻。我特别喜欢其中关于“信息存储在材料形态而非电子电荷中”的章节,这彻底颠覆了我对传统半导体存储的固有观念。作者显然是一位跨领域的思想家,他巧妙地将信息论、热力学和凝聚态物理串联起来。然而,这本书的缺点也很明显,对于像我这样更偏爱理论推导的人来说,它在数学证明和严格的边界条件设定上显得有些“点到为止”。它更像是一份精彩的“概念综述”,而非一本深入探讨机理的专著。如果你想从头到尾推导出所有公式的精确形式,你可能需要借助其他更偏重理论物理的教材,但作为激发灵感和拓宽视野的读物,它绝对是顶级的。

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这本书简直就是一本为**工业设计师和产品经理**量身定做的“未来蓝图”!我最欣赏它的地方在于,它并没有沉溺于晦涩的物理公式,而是将复杂的材料科学概念,转化成了对**消费者体验**的深刻洞察。例如,书中对“动态光学材料”在智能建筑遮阳系统中的应用讨论,简直是教科书级别的案例。它没有直接描述材料的晶格结构,而是聚焦于“如何通过材料改变居住者的光照舒适度和能源消耗”。这种自上而下的叙事方式,对于非材料专业背景,但需要理解前沿技术如何重塑产品的决策者来说,极具启发性。我发现自己合上书本后,脑子里充满了如何将这些“有思想的材料”融入到下一代智能家居设计中的想法。它的语言风格非常流畅,充满了对未来场景的描绘,读起来有一种强烈的代入感,仿佛我已经在使用那些尚未普及的尖端产品了。如果非要挑剔,可能是对**成本效益分析**的讨论略显不足,毕竟从实验室到大规模商业化,成本控制是至关重要的环节,如果能增加一些关于可制造性和经济可行性的评估,那就更完美了。

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还不错的教科书

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