Nanoengineering of Structural, Functional and Smart Materials

Nanoengineering of Structural, Functional and Smart Materials pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:CRC Pr I Llc
作者:Schulz, Mark J. (EDT)/ Kelkar, A. (EDT)/ Sundaresan, Mannur J. (EDT)
出品人:
页数:736
译者:
出版时间:2005-8
价格:$ 282.44
装帧:HRD
isbn号码:9780849316531
丛书系列:
图书标签:
  • 纳米工程
  • 结构材料
  • 功能材料
  • 智能材料
  • 纳米技术
  • 材料科学
  • 纳米结构
  • 材料工程
  • 先进材料
  • 纳米材料
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具体描述

In chapters contributed by 24 university & government laboratories, "Nanoengineering of Structural, Functional, and Smart Materials" combines wide-ranging research aimed at the development of multi functional materials that are strong, lightweight, and versatile. This book explores promising and diverse approaches to the design of nanoscale materials and presents concepts that integrate mechanical, electrical, electrochemical, polarization, optical, thermal, and biomimetic functions with nanoscale materials to support the development of polymer composites, thin films, fibers, pultruded materials, and smart materials having a superior combination of properties. Interrelating the many different aspects of nanoscience vital to developing new material systems, this book is organized into three parts that cover the major areas of focus: synthesis, manufacturing techniques, and modeling.The book defines functional materials and discusses techniques designed to improve material properties, durability, multi functionality, and adaptability. It also examines sensors and actuators fabricated from nanostructured micro devices for structural health and performance monitoring. Shifting its focus to nanomechanics and the modeling of nanoscale particles, the book discusses vibration properties, thin films, and pulse laser deposition, low cost manufacturing of ceramic composites, hybrid nanocomposites, and various types of nanotubes. The book combines atomistic modeling with molecular dynamics simulations to clarify design considerations and discusses coupling between atomistic models and classical continuum mechanics models.The authors also advocate the current and potential development of commercial applications, such as nanocoatings to create 'artificial skin' and functionalized nanotubes used to enhance the properties of composite materials. "Nanoengineering of Structural, Functional, and Smart Materials" provides an overview of current trends and cutting-edge research in the area of nanoengineered materials. It offers new directions for the production of functionally tailored materials that can self-monitor their health and provide enduring performance.

结构、功能与智能材料的纳米工程:聚焦新一代材料科学的深度探索 本书深入剖析了材料科学领域的前沿阵地——纳米工程,重点探讨如何通过精确控制物质在纳米尺度上的结构、性质及功能,进而设计和制造出具有革命性性能的新一代结构、功能和智能材料。本书旨在为研究人员、工程师和高级学生提供一个全面而深入的知识框架,涵盖从基础理论到尖端应用的广阔范围。 第一部分:纳米结构设计与合成基础 本部分首先奠定了理解纳米工程的核心基础,详细阐述了构筑特定纳米结构所需的理论指导和实验技术。 1.1 纳米尺度的物理化学基础 材料在纳米尺度上展现出与宏观尺度截然不同的物理和化学性质。本章将深入探讨量子尺寸效应、表面能效应、范德华力和量子隧穿等现象如何重塑材料的行为。我们将分析尺寸依赖性如何影响电子带隙、磁性、光学响应以及催化活性。对于理解和预测纳米材料的性能至关重要。 1.2 零维、一维、二维及三维纳米结构的精确控制合成 材料的形貌直接决定了其宏观性能。本章将系统梳理当前主流的纳米结构合成方法,并侧重于如何实现对形貌的“精细调控”: 零维纳米颗粒(量子点、纳米球): 探讨湿化学法(如溶胶-凝胶、沉淀法)在控制粒径分布和表面官能团方面的最新进展。重点分析模板辅助合成法在构建单分散性纳米颗粒中的应用。 一维纳米结构(纳米线、纳米管): 详细介绍气相沉积法(CVD、PVD)和液相自组装法在生长具有特定晶向和高长径比纳米线中的机制。讨论如何通过控制衬底效应和生长气氛来引导结晶方向。 二维纳米片层(石墨烯及其衍生物): 深入研究机械剥离法、化学气相沉积法(CVD)以及氧化还原剥离法在制备高质量、大面积单层或少层材料中的优势与挑战。探讨层间耦合对材料电学和力学性能的影响。 三维超结构: 介绍通过自下而上(如模板法、定向聚合)和自上而下(如刻蚀、电化学沉积)策略构建多孔结构、分级结构和周期性超晶格的复杂技术,这些结构在储能和催化中展现巨大潜力。 1.3 纳米材料的表征与结构解析 精确的表征是纳米工程成功的关键。本章聚焦于理解如何利用先进工具解析纳米尺度的结构、成分和缺陷: 高分辨率电子显微镜(HRTEM/STEM): 深入探讨如何利用球差校正技术实现原子级别的成像,以及同步束流技术在分析纳米材料内部缺陷、晶界和界面结构中的应用。 光谱学技术: 分析拉曼散射、X射线光电子能谱(XPS)和透射吸收光谱(XAS)如何揭示纳米材料的电子态、化学价态和局部原子环境。 表面分析技术: 讨论原子力显微镜(AFM)在测量纳米材料表面形貌、粗糙度以及局部力学性能方面的应用。 第二部分:结构纳米材料的设计与增强 本部分关注如何利用纳米结构来提升传统结构材料的机械、热学和抗疲劳性能,迈向更高强度、更轻量化的目标。 2.1 纳米增强复合材料的界面设计 复合材料的性能往往受制于基体与增强相之间的界面。本章探讨通过界面化学修饰、引入梯度界面层或构建核壳结构来优化界面粘结和载荷传递效率的策略。重点讨论纳米颗粒、纳米纤维或纳米片层在金属基、陶瓷基和聚合物基复合材料中的分散与定向排列技术。 2.2 亚结构与晶界工程的力学调控 理解和控制材料内部的晶界和亚晶界对实现材料的“强韧化”至关重要。本章将分析Hall-Petch效应在纳米晶材料中的失效与逆转现象,并着重探讨以下机制: 梯度纳米晶(GNC)材料: 如何设计晶粒尺寸从表面到核心的连续变化,以同时获得高硬度和高韧性。 孪晶与层错强化: 探讨在纳米尺度引入高密度孪晶界如何有效阻碍位错运动,并增强材料的加工硬化率。 高熵合金(HEA)中的纳米沉淀: 分析在多主元体系中,通过精确控制纳米沉淀相的析出,实现超高强度和蠕变阻抗。 2.3 损伤容限与疲劳寿命的纳米尺度预测 针对高安全性要求的结构,本章研究如何利用纳米尺度的缺陷控制来提升材料的抗疲劳和抗断裂性能。讨论裂纹萌生和扩展的纳米机制,以及利用纳米层级阻尼机制来提高材料的断裂韧性。 第三部分:功能纳米材料的应用与调控 本部分转向那些依赖于其特殊电学、光学或催化性质的材料,探讨如何通过纳米工程实现功能的最大化。 3.1 纳米光电器件中的量子调控 在光电领域,纳米结构是实现高效能量转换和信息处理的关键: 太阳能电池: 探讨如何利用纳米线阵列或多孔结构来调控光吸收光谱、增强光捕获效率,并优化载流子的分离与传输路径。 光电探测器: 分析表面等离激元共振(SPR)效应在提高传感器灵敏度和响应速度中的作用,以及如何通过精确控制贵金属纳米颗粒的尺寸和形状来调谐共振频率。 发光材料: 深入研究量子点在显示技术中的应用,重点分析其窄带发射特性和高色纯度的来源,以及如何解决其稳定性问题。 3.2 纳米催化剂的设计与反应机理研究 在化学转化领域,纳米材料提供了极高的比表面积和丰富的活性位点: 单原子催化剂(SACs): 探讨如何将活性金属原子锚定在载体上,实现最高的原子利用率,并分析其独特的电子结构对反应选择性的影响。 核壳与中空结构: 分析这种结构如何实现反应物与产物的选择性渗透、提高催化剂的稳定性,并有效抑制活性中心的团聚。 光催化与电催化: 阐述半导体纳米材料(如TiO2、g-C3N4)的能带结构工程,以适应可见光驱动的污染物降解和能源转化反应。 3.3 纳米储能材料的界面输运优化 在电池和超级电容器中,性能瓶颈往往存在于离子的快速传输和电子的有效接触: 高能量密度电池: 讨论如何利用纳米结构电极材料(如硅纳米线、硫化物纳米片)来缓解体积膨胀问题,同时通过构建高导电网络来降低界面阻抗。 超级电容器: 聚焦于伪电容性材料的表面积和孔隙结构工程,优化离子在电极材料内部的快速扩散通道,实现高功率密度。 第四部分:智能与响应性纳米材料 本部分探讨那些能够对外部刺激(如光、热、电场、化学物质)产生可逆或可控响应的材料,是实现自适应功能的核心。 4.1 刺激响应性聚合物与水凝胶 智能聚合物是驱动软物质科学发展的关键。本章详述如何通过在聚合物基体中引入纳米填充物或设计嵌段共聚物的纳米相分离结构,来调控其响应阈值和速率: 热响应性: 分析如何利用磁性纳米颗粒或导电碳材料嵌入聚合物中,实现快速、可控的形状记忆和自修复功能。 pH与离子响应: 探讨智能水凝胶在药物递送和生物传感中的应用,重点关注其溶胀/收缩比与纳米孔隙结构的关系。 4.2 磁性与电场响应的纳米复合系统 磁流变与磁控响应: 研究如何通过外部磁场对悬浮于液体或固态基体中的纳米颗粒进行定向排列,从而在宏观尺度上实现材料的磁控力学性能(如粘度、模量)的实时调控。 压电与热释电纳米材料: 探讨如何通过极化纳米晶体的取向控制,实现高灵敏度的能量收集(能量收集器)和高分辨率的成像技术。 4.3 自修复与自清洁的纳米涂层技术 探讨如何设计具有自适应能力的表面系统: 微胶囊与血管网络: 分析将修复剂封装在纳米尺度的容器中,并在材料受损时通过裂纹触发释放,实现结构材料的自主修复。 仿生表面: 借鉴自然界(如荷叶效应)的原理,通过在材料表面构建精细的微纳复合粗糙结构,实现超疏水性、抗污垢和自清洁功能。 本书内容紧密围绕“工程化”展开,强调从纳米尺度理解机制,到宏观尺度实现可预测、可量产的材料创新,为未来先进制造业和高科技应用提供坚实的理论和技术支撑。

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