材料设计总复习.doc

第一节 概述1.可将材料设计分为以下几个阶段：（1）经验设计阶段 （2）材料的科学组织设计阶段（3）材料的相结构设计阶段 （4）原子结构层次设计阶段。2材料设计的热点：(1) 新材料及其理论方法：局域密度近似（LDA）(local-density approximation）、GW准粒子近似（GW quasi-particle appoximation)、分子动力学方法(Molecular Dynamics,MD)、新赝势法(Pseudo potential )、紧束缚总能量法(Tight binding) 、蒙特卡罗方法（Monte-Carlo）；（2）表面与界面的研究；（3）各种薄膜材料的研究开发：一般来说，按照空间尺度可分为四个计算范围，相应的理论方法分别为量子力学、经典分子动力学、多原子缺陷动力学和连续介质力学；(4)复合材料的设计；(5)从理论上预报和计算设计材料。 3. 材料设计的范围与内容：（1）材料设计应包括理论、模型、计算、实验和统计等几部分；材料设计的系统研究需要各个学科学者和专家合作，材料科学家、材料工程专家、化学家、数学家、物理学家、计算机专家等。（2）一般认为材料设计应包含从材料制备到应用的全过程。（3）材料计算、材料制备、材料评价和性能检测的过程基本上完成了一个材料设计周期。（4）材料计算、材料制备、材料评价和性能检测之间的快速重复是材料发展的主要手段。4.材料设计的层次：（1）微观层次（空间尺度在1 nm量级，是原子、电子层次的设计）；（2）介观层次（也称连续模型层次，典型尺度在1m量级，这时材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为）；（3）宏观层次（也称工程应用层次，尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究）；5.随着纳米技术的发展，也有将材料模型按尺度分为：纳观(nano）、 介观（meso)、微观（micro)、宏观（macro)，其对应的空间尺度为：10-9m、10-6m、10-3m、1m 6材料设计的层次按尺度由小到大分类：量子力学、分子动力学、缺陷动力学、结构动力学、连续介质力学。7材料设计的多尺度关联模型：大尺度原子模拟方法（已成功地应用在动态断裂过程的研究中）；原子模拟的边界技术；原子模拟方法与有限元方法偶和技术；本构关系逼近法；8材料设计的特点：（1）多尺度；（2）经验设计和科学设计并存与兼容；（3）材料设计将逐渐综合化；（4）材料设计将逐步计算机化。 9材料设计的内涵：一般认为，材料设计是指通过理论计算来预报新材料的组分、结构与性能，或者说通过计算设计来“订做”具有特定性能的新材料。实际上，材料设计不仅是指开发新材料，传统材料的设计和加工制备工艺过程中的设计和控制在实现生产中显得更为重要。 10材料设计的类型：按性质分：计算设计、模拟设计、经验设计；按研究工作的大小分：一体化设计、系统设计。11.材料设计的方法：（1）计算机技术：专家系统、人工神经网络；（2）数学工具：有限元法、遗传算法、分形理论、小波分析、拓扑法等 ；（3）软件与数据库。12.材料设计的任务：（1）从指定的目标出发规定材料性能，并提出合成手段；（2）为新材料开发和新效应、新功能研究提供指导原理。 13.本节结语：（1）按照研究对象所涉及的空门尺度和时间尺度，材料设计可分为不同层次，划分的方法也因不同的出发点而有所差别，但一般可分为微观设计、介观设计、宏观设计三个层次。不同层次材料设计所采用的方法、目的和任务是不同的。（2）材料设计是指通过理论与计算来预报或设计材料的组分、结构、性能，控制或预测材料过程的演化规律与使用寿命。（3）材料科学的理论与计算设计研究是一项应用目标十分明确而带有基础性的工作。 尽管目前的材料设计还处于初级阶段，但材料设计是材料科学与工程学科发展的必然趋势。（4）材料设计的关键问题是：建立描述真实结构与过程的关键量及数理模型；解决不同层次间计算方法的选择与整合。 14.本节思考题：（1）材料设计有哪几个发展阶段？（2）材料设计范围是什么？（3）材料设计的层次？（4）材料设计有哪些特点？（5）材料设计的主要类型和方法有哪些？（6）材料设计的关键科学问题是什么？第二节 第一性原理1、材料设计的基础：原子间的相互作用与势能。2、原子间相互作用势的确定方法：经验法、半经验法、 第一性原理。3、第一性原理定义：是一个计算物理或计算化学专业名词，广义的第一性原理计算指的是一切基于量子 力学原理的计算。4、 ab initio是狭义的第一性原理计算，它是指不使用经验参数，仅仅利用 Planck 常量、电子质量、电量三个基本物理常数以及元素的原子序数，不再借助于任何经验参数，计算体系全部电子的分子积分，求解 Schrodinger 方程。5、（ab initio）计算的三个基本近似：非相对论近似、绝热近似、轨道近似(单电子近似)。6、DFT（Density Functional Theory） ：一种用电子密度分布n( r)作为基本变量，研究多粒子体系基态性质的新理论。7. Hohenberg-Kohn定理I：对于一个共同的外部势v(r), 相互作用的多粒子系统的所有基态性质都由基态的电子密度分布n(r)唯一地决定.8. Hohenberg-Kohn定理II：如果n(r) 是体系基态密度分布，则En(r)是体系最低的能量，即体系的基态能量。第三节 蒙特卡罗方法1、自然界所观察到的现象:确定性现象随机现象。2、在概率论中,把具有以下三个特征的试验称为随机试验： （1）可以在相同的条件下重复地进行; （2）每次试验的可能结果不止一个,并且能事先明确试验的所有可能结果; （3）进行一次试验之前不能确定哪一个结果会出现（结果不可预知）。3、基本思想：针对待求问题，根据物理现象本身的统计规律，或人为构造一合适的依赖随机变量的概率模型，使某些随机变量的统计量为待求问题的解，进行大统计量（N）的统计实验方法或计算机随机模拟方法。4、理论依据：大数定理：均匀分布的算术平均收敛于真值；中心极限定理：置信水平下的统计误差。5、蒙特卡罗方法的优点： （1）能够比较逼真地描述具有随机性质的事物的特点及物理实验过程。（2）受几何条件限制小。（3）收敛速度与问题的维数无关。（4）具有同时计算多个方案与多个未知量的能力。（5）误差容易确定。（6）程序结构简单，易于实现。6、蒙特卡罗方法的缺点：（1）收敛速度慢；（2）误差具有概率性；（3）计算结果与系统大小有关。7、减小方差的技巧： （1）增大试验次数N。（2）减小估计的均方差.8、真随机数与伪随机数的定义：由随机物理过程来产生；由计算机按递推公式大量产生。9、蒙特卡罗方法在材料中应用的基本原理：Monte Carlo方法实际上是一种统计力学的计算技术, 根据体系的能量分布规律，引入粒子运动的随机过程，进而获得体系有关信息的统计平均结果。第四节 复合材料设计基础1、纤维增强复合材料设计的基本原则：（1）纤维的强度和模量都要高于基体；（2）纤维和基体之间要有一定的粘接力；（3）纤维和基体的热膨胀系数相差不能过大；（4）纤维和基体之间不能发生有害的化学反应；（5）纤维所占的体积、纤维的尺寸和分布必须适宜。2、颗粒增强复合材料设计的基本原则：（1）颗粒应高度弥散均匀的分散在基体中；（2）颗粒直径大小要合适；（3）颗粒数量一般应大于20%；（4）颗粒与基体之间有一定的粘接作用。3.连续长纤维增强复合材料特征物理量的推导： 纵向弹性模量、 横向弹性模量、 剪切模量4.连续长纤维增强复合材料压缩强度估算：增强体含量少时，纤维出现反相弯折，基体以异相方式承受拉伸和压缩；当增强体含量高时，纤维以同相弯折破坏，基体承受剪切。5.长纤维/短纤维复合材料热膨胀系数的推导：6. 虚拟设计的优势：可以研究任何一个设计参量单独变化时对复合材料及其结构性能的影响。（数学模型）不同模型试验需要每个物理量满足相似原理。降低研发费用。避免了大量的复合材料及其结构的制造构成和重复实验，仿真技术节约大量人力、物力及研究经费等缩短研发周期。计算机仿真完成复合材料及其结构的设计、制造、性能优化及性能测试等工作。可处理数学上无法求解或现有条件无法实现的过程。第五节 陶瓷材料设计基础1传统概念的陶瓷是指所有一粘土为主要原料，并与其他矿物原料经过破碎混和成型烧成等过程而制得的制品。就是常见的日用陶瓷、建筑卫生陶瓷等普通陶瓷。2陶瓷（材料及其制品）都有特定的性能要求：日用餐具要有一定的强度（strength）、白度（whiteness）、抗热冲击性（热稳定性）；电瓷有强度和介电性能要求；特种陶瓷对性能及其热稳定性要求更高。3陶瓷的性能一方面受到其本征物理量（如热稳定系数、电阻率、弹性模量等）的影响，同时又与其显微结构密切相关。而决定显微结构和本征物理量的是陶瓷的组成其加工工艺过程。其中陶瓷组成对显微结构、性能起决定作用。 4陶瓷设计阶段：天然陶瓷阶段、 经验性设计阶段、 实验性设计阶段、理论设计阶段。5材料设计按研究对象的空间尺度不同划分为三个层次：（1）微观层次:空间尺度在1nm量级，是原子、电子层次的设计.（2）连续模型层次: 在约1um量级，材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为.（3）工程设计层次: 尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究.陶瓷材料是多组分、多相材料，原子、电子层次的设计很少。它的主要设计层次是连续介质层次的（我们习惯称显微结构设计）和工程设计层次。 6陶瓷材料显微结构：主要包括晶相的种类、数量和分布、晶粒大小和形态等、玻璃相的存在和分布、气孔的尺寸、数量和分布以及它们相互之间的关系等。7陶瓷材料使用寿命不仅与其组分和显微结构有关，而且与陶瓷材料的宏观结构有关，即外观形状有关。陶瓷材料损坏的机理包括两个主要部分：（1）化学侵蚀：是指熔体、气体、灰尘对陶瓷材料的化学侵蚀及冲刷等。（2）热机械应力：是指由于温度及某些内在的化学反应引起的膨胀及机械负荷在陶瓷材料内部产生的应力，超过其强度限而导致损坏。8有限元法(FEM)可以计算陶瓷材料的应力分布，改进陶瓷材料的外观形状，改善材料的应力分布，从而提高陶瓷材料的使用寿命，目前是一种行之有效的方法 。9现代材料科学研究由四个要素组成:固有性质、结构与组分、使用性能、合成与加工。10材料的固有性质是确定材料功能特性和效用的描述符，它是陶瓷材料设计的基本出发点；结构与组分设计是陶瓷材料设计的核心，陶瓷材料设计的目的就是通过控制其成份、结构来制造出一种满足使用性能的材料；陶瓷材料的合成与制备则是保证陶瓷材料成份与组织的主要手段，是陶瓷材料设计开发的一个重要环节，它决定陶瓷材料的产品质量、成品率等；陶瓷材料设计的目的在于应用，因此使用性能是考查陶瓷材料的关键；11结构、组分与