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材料设计方法 顾修全2011 4 学习的目的 学会独立思考 分析 解决问题通过专业课程的学习掌握分析问题的方式 方法学会专业基础知识 为将来的工作或深造做好准备 克服困难 迎接挑战 材料专业的性质 国家战略发展的前沿国民经济的支柱机械 电子 化工等学科的交叉新材料技术 航空 高铁 信息电子等 钢铁 水泥 陶瓷 玻璃 塑料等 新能源材料纳米材料生物医用材料 太阳能电池 锂离子电池 燃料电池 世界发展启示 古代近现代 中国 汉 唐 希腊 自然科学 民主制度 四大发明 罗马 军事实力 版图 15 16世纪 西班牙葡萄牙 17 18世纪 荷兰 英国 法国 19世纪 德国 日本 美国 20世纪 苏联 美国 21世纪 中国 发现新大陆 蒸汽机革命 殖民地 电气化革命 信息化革命 航天 原子弹 发展新型产业 新材料产业 当代材料科学发展方向 按性能属性化分 金属材料无机非金属材料 陶瓷材料 高分子材料复合材料 按应用领域划分 航空航天材料信息功能材料智能材料能源材料生物医用材料磁性材料能源材料 科学技术的发展离不开材料 高温合金合金钢硅材料 半导体材料高分子材料 航空 航天工业 军事工业 铁路运输等 信息技术产业 纺织 日用品工业 新材料发展面临的 挑战 性能要求更高 更快器件日趋小型化能耐高温 高压等极端条件精度要求更高 研发费用更高多功能集成 如超导材料 能源材料等 如半导体材料等 如航空航天材料 核能材料等 如航空航天材料等 光电一体化 声光一体化等 具体实例 集成电路的大规模化发展资源 能源的日趋衰竭生态环境的恶化现代医学的发展 器件小型化正挑战着量子物理的极限 核能 风能 太阳能的高效利用 半导体照明 各种储能材料 二次电池 的开发 燃料电池 各种催化剂的发展 高效利用能源 生物医用材料 人工关节 人工器官 药物载体等 材料研究的方法 实验方法理论方法 材料计算材料设计计算机模拟 降低研发成本 验证实验结果 揭示内在机理 试制炒菜式 成本高 代价昂贵 容易造成不必要的浪费 半导体照明的发展 1833年 半导体Ag2S的发现 1947年 晶体管的发明 1958年 集成电路的发明 1968年 商业化发光二极管的诞生 GaP基红光二极管 高亮度 高发光效率 1970年 超晶格的提出 江崎 朱兆祥 高亮度蓝光 绿光 黄光二极管的相继出现 发光二极管的结构 注 出射波长通过改变MQW的参数得以调节 超晶格 超晶格 超晶格 发光二极管的核心 作用 使注入的电子和空穴在特定区域复合 从而增强发光效率 光纤通信技术 研究对象 光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题损耗原因 1 玻璃纤维中含有过量的铬 铜 铁 锰 OH 2 光纤拉制工艺造成芯 包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀新的发现 玻璃纤维在红外光区的损耗较小 光纤之父 高锟 1966年英国标准电信研究所 光纤的发展历程 1966年 光纤之父 高锟博士首次提出光纤通信的想法 1970年贝尔研究所林严雄在室温下可连续工作的半导体激光器 1970年康宁公司的卡普隆 Kapron 之作出损耗为20dB km光纤 1977年芝加哥第一条45Mb s的商用线路 光纤的结构 材料设计 计算 产生的条件 量子力学的提出计算机的发明 固体物理 量子化学等新的学科 使人们对材料的微观结构有更深入的认识 使对复杂 多参数过程的计算成为了可能 通过模拟使人们对材料科学中的某一过程有了更具体的认识 材料设计方法 材料计算材料设计 第一原理分子动力学蒙特卡洛方法 自由电子近似近自由电子近似密度泛函思想 计算方法 材料的结构设计材料的组分设计 设计内容 晶体的生长过程薄膜的生长过程材料的表面 界面行为 梯度功能材料超晶格 量子阱光子晶体 材料设计的意义 降低新材料的研发成本为新材料的开发提供有力的理论支持模拟材料的失效过程 正确地找出原因 合金成分的确定 半导体掺杂等 人工超晶格的提出 超硬材料 C3N4 等 计算机模拟材料的断裂过程等 材料科学 物理学 计算机科学 材料设计 依据积累的经验 归纳的实验规律和总结的科学原理制备预先确定目标性能材料的科学 又称计算材料学 发展历程 经验设计阶段科学组织设计阶段相结构设计阶段原子结构层次设计阶段 早期炼钢 金相学阶段 定性的材料设计 材料设计的朦胧阶段 相结构 定量化的材料设计 原子结构 定量化的材料设计 经验 金相显微镜 X射线衍射 元素周期表计算机量子力学 20世纪50年代合金设计20世纪60年代超晶格概念的提出20世纪80年代功能梯度材料 超导材料 超硬材料 复合材料等设计2000年至今从原子 分子尺度上设计新材料和器件 现代材料设计的特点 经验设计和科学设计并存与兼容材料设计将逐渐综合化材料设计将逐步计算机化 理论 实验 多结构层次设计 结构和性质相结合的综合设计 材料设计的热点 合金设计复合材料设计半导体材料设计纳米材料 航空航天材料 铝合金 镁合金 钛合金等 储氢材料 金属玻璃 形状记忆合金等 航空航天用途 如金属基复合材料 陶瓷基复合材料 功能梯度材料等 半导体的 掺杂工程 和 能带工程 新型器件的设计等 量子点 量子线 超细纳米线 量子阱 各种薄膜材料的开发等 材料设计的范围 原料 材料 试样 组织 结构 可否 评价 制备 观测 测试 试用 性质 特性 微观组织设计 制备设计 材料设计 系统设计 材料设计的层次 微观层次介观层次宏观设计层次 空间尺度 1nm 电子 原子 分子层次的设计 空间尺度 1 m 组织结构层次的设计 空间尺度对应于宏观材料 工程应用层次的设计 量子化学 固体物理 材料科学 材料工程 系统工程 学科 尺寸 量子力学 原子和分子模拟 微观组织结构 连续模型 工程设计 时间 电子 原子分子 组织 材料行为 系统特性 1ps 1fs 1ns 1ms 102 min 108 y 材料设计的途径 微观尺度 第一性原理 量子理论 分子动力学方法蒙特卡罗方法 从头算起 特别适用于静态材料性质的预测和设计 利用分子力学原理 特别适用于较少原子组成的系统在非常短的时间内过程的模拟 利用数学上概率论原理 借助于材料内原子 分子随机运动的特点进行材料性质的预测和设计 特别适用于大量原子组成的材料体系 材料设计的途径 连续介质 相图方法有限元法人工神经网络方法遗传算法分形方法 材料设计的意义 材料科学与工程发展的崭新阶段物理模型分析 定量预测 虚拟研制 为高技术材料的加速开发提供理论依据 材料科学智能型发展的基础 知识经济和交叉学科的生长点可持续发展道路 预言新的超硬材料 金刚石的体模量4 43MBar 成功的经验规则B 19 72 2 20 d3 5 第一原理赝势计算 C3N4有关参数 原子间距 d 1 47A离子键程度 0 5体模量 B 4 27 0 15 引起研制CN超硬薄膜的热潮 三硼酸锂 LiB3O5 LBO 用Cs 铯 代替Li的实验与计算的消耗比较 大功率紫外晶体 马氏体相变的分子动力学模拟200 000Zratoms1024 nodeIntelParagonXP S 150 铝的晶粒滑移 材料设计应用的范围 合金设计无机材料设计复合材料设计纳米材料设计 高性能合金钢 储氢材料 金属玻璃 形状记忆合金等 半导体掺杂 半导体器件结构设计 超硬材料设计等 金属基复合材料 梯度功能