Surface Engineering with Lasers pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Dehosson, Jeff T. M.

出品人:

页数:500

译者:

出版时间:2006-12

价格:$ 101.70

装帧:HRD

isbn号码:9780387243870

丛书系列:

图书标签:

激光表面工程
表面处理
材料科学
激光技术
涂层
材料改性
激光加工
表面工程
薄膜
光学工程

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具体描述

This book deals with fundamental and applied concepts in surface engineering, in particular focusing on laser synthesis and properties of coatings. A decade ago the emergence of the subject 'surface engineering' was greatly driven by the realization that the surface is usually the most important part of any engineering component. Structural components fail by wear, corrosion, high cycle fatigue etc., that is to say affected and initiated by the surface conditions. Consequently, an appropriate approach is to modify the surface layer of a base-material or coat it, so as to provide an enhanced performance. However, in many cases it is the combined effect of wear and corrosion that is damaging, and it is this complexity that makes the field of surface engineering so challenging. Although much progress has been made in recent years regarding laser applications, the complexity increasingly required in laser technology demands fundamental theoretical frameworks that can be tested experimentally. That is to say: not only to understand the functional behavior of the coating produced but also to test fundamental materials, scientific principles with the idea that new types of coatings with novel properties can be created. Keeping this view in mind, this book is devoted to a fundamental study of four interconnected aspects: laser processing, microstructural features, functional performance as well as the design of an appropriate theoretical and predictive framework.

先进功能材料的界面设计与制备：跨学科前沿探索内容提要：本书聚焦于现代材料科学与工程领域中至关重要的“界面”概念，深入剖析如何通过精确调控材料在不同尺度上的相互作用界面，以实现对宏观材料性能的革命性提升。全书涵盖了从基础理论到尖端实验技术的广泛内容，旨在为研究人员、工程师及高级学生提供一套系统的知识框架和实践指导，以应对新一代功能材料在苛刻应用环境下的性能需求。第一部分：界面科学基础与表征技术第一章：界面的本质与分类本章首先确立了界面在材料体系中的核心地位，强调了界面能、界面能垒以及界面结构对宏观性能（如机械强度、电学特性、化学稳定性）的决定性影响。详细阐述了不同类型的界面，包括固-固界面、固-液界面、固-气界面以及晶界和相界。讨论了热力学上如何定义和量化界面的稳定性，并引入了扩散、迁移和应力集中等关键界面现象的初步概念。重点解析了晶体取向失配如何诱导形成特定的晶界结构，例如低角晶界与高角晶界，并探讨了这些结构如何影响位错的运动和材料的塑性。第二章：先进界面表征技术界面研究的挑战性在于其尺度微观，本章系统介绍了当前最前沿的界面分析工具。详细介绍了高分辨透射电子显微镜（HRTEM/STEM）在原子尺度成像和元素分析中的应用，特别是利用球差校正技术解析界面错位和化学梯度。重点阐述了X射线光电子能谱（XPS）和俄歇电子能谱（AES）如何用于确定界面层的化学态和价态信息，强调了在受控气氛下进行原位测量的必要性。此外，还涵盖了原子力显微镜（AFM）的力学成像模式（如KPFM和MFM）在探测界面电势和磁性方面的能力，以及二次离子质谱（SIMS）在深度剖析界面扩散行为中的关键作用。本章强调了多技术互补验证对于准确解析复杂界面的重要性。第二部分：结构界面工程：机械与结构性能的调控第三章：晶界工程与晶粒生长控制本章深入探讨了如何通过控制晶粒尺寸和晶界特征来优化材料的力学性能。详细分析了Hall-Petch效应的局限性，并引入了超细晶粒和纳米晶材料中反Hall-Petch行为的机制，重点讨论了晶界滑移和晶界扩散在超细晶材料塑性变形中的作用。重点讲解了通过添加少量杂质元素或利用快速凝固技术对晶界进行“钉扎”或“塑化”的策略。此外，还探讨了利用反应熔剂法或固态反应法定向控制晶粒生长，以实现纤维状或定向柱状晶结构在高温合金和功能陶瓷中的应用。第四章：多层薄膜与异质结的界面应力管理针对薄膜沉积体系中常见的内应力和界面脱层问题，本章提供了系统的应力管理策略。详细分析了薄膜沉积过程中由晶格失配、热膨胀系数差异和沉积条件变化引起的应力演变模型。引入了“应变工程”的概念，解释了如何利用缓冲层或中间层来吸收和缓冲应力梯度。讨论了通过控制沉积速率、基底温度和离子束辅助沉积等工艺参数来调控界面能和应力状态的实际操作细节。案例分析集中在半导体异质结构和高熵合金薄膜中关键界面的稳定性设计。第三部分：功能界面工程：电学、磁学与化学性能的优化第五章：铁电器件与催化中的电荷转移界面本章聚焦于功能材料中的关键界面，特别是涉及电荷传输和催化反应的界面。详细分析了金属-氧化物界面、半导体-半导体异质结界面处的肖特基势垒和能带弯曲现象，阐述了如何通过界面修饰（如引入二维材料或自组装单分子层）来精确调控界面电荷注入和提取效率。在催化领域，深入探讨了活性位点与载体界面之间的电子耦合机制，解释了界面氧空位和晶格缺陷如何作为高效的催化活性中心，并讨论了非贵金属催化剂界面设计的新思路。第六章：磁性隧道结与斯皮诺电子学界面深入探讨了在自旋电子学器件（如MRAM和TMR传感器）中至关重要的磁性隧道结（MTJ）界面物理。详细分析了界面磁有序度、界面磁各向异性能（IMA）对隧道磁阻（TMR）效应的影响。重点介绍了界面沉积过程中的自旋过滤效应，以及如何通过在磁性层和绝缘层之间引入超薄非磁性层来优化界面耦合强度和界面电阻。还讨论了界面轨道杂化对磁斯皮诺转移力矩（STT）效率的调控作用。第七章：界面在能源存储与转换中的作用本章关注界面在电池、燃料电池和光伏器件中的关键作用。在锂离子电池中，详细分析了固态电解质与电极材料界面处的阻抗增加问题，并探讨了通过界面涂层或固态电解质改性来抑制界面副反应和枝晶生长的策略。在固态氧化物燃料电池（SOFC）中，重点讨论了电荷转移界面和离子扩散界面的极化效应及其对电池性能的限制。对于光伏器件，分析了界面缺陷态对电荷复合的影响，以及钝化层如何有效地减少表面/界面载流子损耗。第四部分：界面动态演化与先进制备工艺第八章：高温与辐照下的界面动力学本章研究了在极端工作环境下界面结构和化学组分的动态演变。详细阐述了高温下界面扩散、相分离和界面能驱动的粗化现象（如魏德曼-沙弗效应）。在核材料工程的背景下，系统分析了高能粒子辐照如何导致界面失配和非晶化，以及辐照诱导的原子迁移对界面稳定性构成的挑战。讨论了通过增加界面能垒或引入非晶化缓冲层来抵抗辐照损伤的防御性界面设计思路。第九章：受控环境下的界面构建技术本章系统回顾了用于精确构建复杂界面的先进制造技术。除了传统的真空沉积技术（如PVD和ALD），重点详细介绍了原子层沉积（ALD）在实现原子级厚度和超高均匀性界面层方面的优势。深入讨论了快速热退火（RTA）和脉冲激光退火（PLA）在界面反应、合金化和应力弛豫中的作用。最后，讨论了利用电子束或离子束辅助技术进行界面局部改性和缺陷激活的先进工艺控制方法。第十章：界面失效分析与寿命预测本章旨在提供解决界面失效问题的工程方法。分类讨论了主要的界面失效模式，包括界面开裂（黏附失效）、界面腐蚀渗透和界面扩散导致的性能衰减。介绍了基于断裂力学和界面能理论的薄膜/基底黏附强度评估方法，例如划痕测试和张力/剪切耦合测试。最后，提出了基于加速老化实验和界面微观结构演变的材料寿命预测模型，为工程应用中的可靠性评估提供理论支撑。本书内容全面、技术深入，是材料科学家和工程师理解和掌握界面工程这一跨学科前沿领域不可或缺的参考书。