现代材料设计

1、现代材料设计1， 自由电子：金属晶体中处于自由运动状态的电子近自由电子：晶体点阵具有平移对称性，点阵势场V(x) 0是个周期性函数，在这种周期性势场中运动的电子是一些近自由电子2， 材料设计的方法：演绎法：根据有关的材料理论，从第一原理出发，采用从头算起等方法进行计算归纳法：根据已有经验总结出规律，利用数据库知识库和推理机等工具组成用以解决材料设计问题的计算机程序系统，帮助研究人员获得所需的新材料，即材料设计专家系统3， 材料设计：指通过理论与计算，预报新材料的组分，结构与性能，或者通过理论设计来定做具有某种特性的新材料4， 材料设计的背景，历史及现状：1传统的炒菜，试行错误等经验或者半经验的

2、材料研究方法费工费时，且不能从理论上新材料设计的解决问题2当代科学技术迅速发展对新材料提出了更高的要求，使材料的研发面临新的挑战3材料设计现状：已由单纯选材的状态过渡到应用现代电子理论，现代化学键理论，分子动力学理论，原子团簇物理细观力学等理论与技术，根据材料用途，性能要求及制造工艺与方法，设计出需要的材料5， 现在材料科学研究四个要素：结构与组分，固有性质，效能，及合成与加工；固有性质是指材料内在的性质，而效能指材料的外在表现形式，包括材料的寿命，速度，能量效率，安全，价格等6， 材料设计系统的组成：材料数据库，知识库7， 知识库包含的内容：理论公式，计算结果，经验规律，数学模型等8， 材料

3、设计的主要内容：合金设计，陶瓷材料设计，高分子材料设计，复合材料设计，新化合物和新物相预报，超晶粒和杂化材料设计9， 材料设计的三个层次：微观层次设计：空间尺度1nm，原子电子层次的设计；连续模型，典型尺度在1m量级,材料被看成连续介质，不考虑单个原子分子的行为；工程设计，宏观材料，设计大块材料的加工和使用性能的设计设计研究10， 材料设计的主要途径：知识库与数据库系统技术，材料设计专家系统，计算机模拟技术11， 材料设计理论：1现代电子理论，2现代化学键理论，3分子动力学理论12， 近自由电子理论：就是设法解释电子如何能在阳离子强电场中自由运动，用以解释低温时无缺陷纯金属晶体的电子高运输性质

4、 13， 近自由电子理论主要用来解释什么？电子如何能在阳离子的强电场中自由运动，解释了低温时，无缺陷纯金属晶体的电子高运输性质14， 何谓布里渊区理论？主要用来干什么？用来描述能带结构的模型，区分金属和绝缘体及合金相的琼斯理论15， 布里渊区：当K =+- n/2a 时，电子产生布拉格反射，从而出现能隙，导致将K空间分为区的概念，这些区称为布里渊区16， 材料设计专家系统：指具有相当数量的与材料有关的各种背景知识，并能运用这些知识解决材料设计中的有关问题的计算机程序系统。17， 看懂并解释布里渊区能带图？对于一定的K可以画出K空间的等能面，二维情况下为等能线。能量低的等能线1,2是以K空间原点

5、为中心画出对的圆，在这个范围内，波矢离布里渊区的边界较远，这些电子与自由电子的运动相同，不受点阵周期场的影响，所以各方向上的E-K关系相同。当K值继续增加，等能线3开始偏离圆形，并在接近边界部分开始向外突出，受点阵周期场的影响逐渐显著，dE/dK比自由电子小，因而在这个方向上，两个等能线之间的K的增量比自由电子大。等能线4,5表示与布里渊区的边界相交，处于布里渊区角顶的能级在这个布里渊区中能量最高。在边界上的能量时不连续的，等能面不能穿过布里渊区边界。在布里渊区的边界有能隙2Vn，它表示禁带宽度但三维晶体不一定有禁带，如1-8中如果第一区的01方向上最高能级P为4.5eV，这个方向的能隙为4e

6、V，则第二区最低能级R为8.5eV，如果11方向上最高能级Q为6.5eV，在这种情况下，整个晶体都有能隙，如图1-8b，第一区和第二区的能带是分立的，如果01方向的能隙只有1eV，则R为5.5eV，在这种情况下，整个晶体都没有能隙，第一区好第二区能带交叠，如图1-8c。所有布里渊区体积相等18， 用1-11解释金属的导电性与绝缘性？在未加电场时，电子的填充状态对空间质点对称分布，费米面如实圆所示，电子在电体中运动不会产生自由电流。如果沿Z方向施加一个电场，则处于不同状态的电流被电场加速，相当于费米面向Kx方向平移，如虚圆所示。这种情况下，波数越接近Kx的电子沿+Kx方向的运动就能产生电流，因为

7、虚圆质点不对称，这些电子没有相应的反向运动的电子与之对应。这表明只有能量接近EF的电子能够成为载流子。这是一个基本要求，以便允许有任意小的电位差来产生一个电子流，即有一个在空间上费米分布的一个小的偏心。具有这种能带结构的物质是导体。如果不重叠的两个带，第一区是满带，第二区是空带，禁带又比较宽，这时被外加电场加速的电子遇到能量陡壁，电子必须从强电场中获得足够的能量超越能隙，才能进入第二区，否则费米面不能发生位移，费米分布仍对K=0对称，没有电流产生。具有这种能带结构的物质是绝缘体19， 计算机模拟采用的方法：随机模拟方法，又称M-C方法，它是通过不断产生随机数序列来模拟过程，物理现象中如粒子的衰

8、变过程等，也可以记住概率模型来解决不直接具有随机性的确定性问题；确定模拟方法（分子动力学法），它是通过数值求解一个个粒子运动方程来模拟整个系统的行为，今年来还发展了神经元网络方法，和原胞自动机方法。20， 分子动力学模拟适用于对什么系统进行描述？处于原子分子态的固体或液体的动力学特性21， 分子动力学的基本原理是什么？分子动力学有哪些特点？存在的主要问题是什么？原理：建立一个粒子系统来模拟所研究的微观现象，系统各粒子间的相互作用根据量子力学来确定。对于符合牛顿经典力学规律的大量粒子系统，通过粒子动力学方程组的数值求解，决定各粒子在相空间的运动规律和轨迹。然后照统计的原理得出该系统相应的宏观物理

9、特性。特点：1能有效的进行微观动态过程分析2计算的空间尺度达m，3计算的时间尺度可达s，4通过它可以建起宏观和微观之间的桥梁。问题：1任何物理现象的宏观特性都是由组成该系统的大量原子，分子或电子统称为粒子的运动状态所决定的。真实的物理系统所包含的微观粒子数量往往高达数量级，这比现有的电子计算机能够进行模拟计算的粒子数量大得多。模拟系统粒子数量上的巨大差别，必将导致计算结果很大误差。2真实物理系统的分子结构形式多种多样，目前对于具有支链和环状结构的柔性分子的模拟计算还相当困难22， 分子动力学：是一种研究处于原子分子状态的固体或液体的微观动力学特性的科学；分子动力学模拟：是从统计物理学发展起来的

10、一种描述纳米科技这类处于原子，分子状态的固体或液体的动力学特性的微观现象的方法23， 分子动力学研究内容：在原子分子水平上求解多体问题的重要的计算机模拟方法，可以预测纳米尺度上的材料动力学特性；通过求解所有粒子的运动方程，可以模拟与原子运动路径 相关的基本过程；粒子的运动行为通过经典的牛顿方程描述24， 分子动力学模拟的基本步骤：设定模拟所采用的模型；给定初始条件；趋于平衡的计算过程；宏观物理量的计算25， 原子相互作用势：两体势（惰性气体，简单金属）原子内嵌式（简单金属，过渡金属）类原子内嵌式，紧束缚势（半导体）26， M-C方法的基本思想是什么？它适合于解决材料设计与模拟中的哪类问题，而不

11、适于解决哪类问题？当问题可以抽象为某个确定的数学问题时，应首先建立一个恰当的概率问题，即确定某个随机事件A或随机变量X，使得待求的解等于随机事件出现的概率或随机变量的数学期望值。然后进行模拟实验，即重复多次的模拟随机事件或随机变量X。最后对随机试验结果进行统计平均，求出A出现的频数或x的平均值作为问题的近似解。适合于解决原子尺度和显微尺度的多维问题。M-C方法分为直接模拟和间接模拟，减小误差的方法：增加样本数，减小方差27， 马尔科夫过程与非马尔科夫过程有何区别？马尔科夫过程指在此过程中，若时刻t0具有动力学变量q0，在此后时刻t具有某一动力学变量取值的概率在t0时刻之前此系统有怎样的状态没有

12、关系，即新的状态仅由现在的状态决定。而非马尔科夫过程，新的状态还依赖于过去的状态。28， 蒙特卡洛方法方法的特点及其局限性？：优点，1能够逼真的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误差容易决定5程序结构简单，易于实现，缺点，1收敛速度慢2误差具有概率性3进行模拟的前提是各输入变量是相互独立的29， 周期性边界条件：就是在它周围想象存在着无穷多个与模拟单元完全相同的单元，它们像晶体元胞一样充满整个空间，每个单元内都有数量相等，分布也相同的粒子，且相应粒子具有相同的速度30， 产生随机数的方法：平方取中法，同余产生器31， M-C方法在材料科学中

13、有哪些应用？模拟多种情况下晶粒生长的显微结构32， 正常晶粒生长与异常异常晶粒生长的概念？晶粒生长直接原因有哪些？答：晶粒尺寸一致生长，归一化晶粒尺寸和拓扑分布函数不随时间而改变。异常晶粒生长是指在重结晶的显微结构中，一些晶粒的尺寸迅速增大，最大尺寸的晶粒比算术平均速率大得多的速率增长。原因：驱动力的改变，晶粒生长的驱动力主要来自总的晶界能的减少。但由于生长的复杂性，迁移率，表面能，以及片材中的曲率，应力等因素也将引起附加驱动力，从而引起晶粒异常长大33， 晶粒生长图形生成的方法？一般晶粒生长法，几何法34， 合金设计的方法有哪些？1统计学方法，由经验加实验建立成分-组织-力学性能间的经验或半

14、经验表达式，再以理论或试验确定有关系数，经反复回归分析，修正并最终确定合金成分，加工处理条件，得到具有预期力学性能的合金2定量组织学方法，合金的组织包括组织中相的结构，比例，分散度，尺度等，定量检测这些组织和建立这些组织与力学性能的定量关系是其主要内容，同时将实测组织符号化，数值化并将这些量化的符号进入合金设计计算3热力学方法，利用热力学的特征数据，如自由能，扩散系数等预测合金组织结构，如计算合金相图，等温转变曲线，淬透性指标等4金属物理学方法，用金属物理学基本理论设计模型，计算设计合金35， 合金设计的内容有哪些？1成分加工与处理方法2组织控制3性能预测36， 合金设计技术中存在哪些问题？1

15、组织检测精度2独立组织因素问题困难37， 合金成分设计中采用的基本原理：1质点强化理论2相变理论3扩散理论二元合金中相形成的条件？1，一般要求原子大小之差小于13%；2，一个组元属于周期表中第五第六主族元素（体心立方），另一组元素属于第七或第八主族（面心立方或密排六方）；3，相的s+d层电子浓度在6.27.2之间；4，第三组元的加入会影响相的浓度和温度范围38， 阐述3d电子空穴理论的原理及相计算的方法，判断相形成的判据？：C是组元的原子分数，N是组元的电子空穴数。当合金的平均电子空穴数大于某一临界值Nv时，便会形成相，否则就不形成39， 分子轨道理论判断相形成的判据？相对于电子空穴方法，它有

16、什么优点？=，当S时，会析出，小于时，不会析出。优点：理论更严密，应用更普遍，准确性更高。40， 陶瓷：指所有以黏土为主要原料，与其他天然矿物原料通过粉碎，混炼，成形，烧结等过程而制成的各种制品。性能：耐高温，耐磨，耐腐蚀，高硬，高强，及其他特殊性能，但脆性大41， 结构陶瓷：在应用时主要用其力学性能的陶瓷。功能陶瓷：以电，磁，光，声，热力，化学，耦合，传输等为主要特征的陶瓷42， 功能陶瓷的制备技术要素：1原材料：高纯超细，粒度分布均匀；2化学组成：可以精确调整和控制；3精密加工：精密可靠，尺寸和形状可根据需要进行设计；4烧结：可根据需要进行温度，湿度，气氛和压力控制43， 陶瓷设计的概念：

17、通过理论与计算预报陶瓷材料的组分，结构与性能，或定做具有特定性能或使用目的的新型陶瓷材料，分类：艺术，日用，特种陶瓷，作用：提高陶瓷材料性能，促进高科技发展，如相变增韧，晶须增韧等；预报新型陶瓷材料，满足新需求44， 陶瓷材料设计的目的：熟悉陶瓷设计的基本理论；理解陶瓷设计的基本思想；认识陶瓷设计的重要意义45， 内容：效能，力学性能，电学性能，磁学性能等/组分，包括组元设计和组分配比设计/制备工艺/结构与性能，包括晶体结构设计（化学组元，格子类型）和显微结构设计（单相多晶，多相多晶）46， 陶瓷产生脆性的主要原因有哪些？复相陶瓷：微裂纹扩展；脱粘；纤维断裂；裂纹桥连；裂纹偏转；应力场。陶瓷：

18、微裂纹扩展47， 增加陶瓷韧性的主要手段有哪些？微裂纹；相变；第二相颗粒；晶须或纤维，目的：阻碍裂纹的萌生和扩展48， 原位合成：将陶瓷粉料用简单工艺制成纤维状的前驱体，将前驱体引入到材料中，在制备材料的同时将纤维前驱体转换为陶瓷多晶纤维49， 材料历史发展的规律：由简单到复杂，对材料的需求迅速增长，新材料的崛起50， 材料合成在材料循环中的作用：将自然资源制备为满足人类需求的材料；提高材料质量；研制新材料；废弃物在利用51， 材料的合成： 指通过一定的途径从气态，液态或固态的各种不同原材料中得到化学上及性能上不同于原材料的新材料52， 材料合成包括：研究新型材料的合成，研究已知材料的新合成方

19、法和技术53， 何谓材料设计/制造一体化？应用计算机模拟技术，对复合材料实施优化设计，性能分析，工艺过程的监控和仿真，进行计算机模拟，获得一系列信息，并配以适当的实验来检验模型。54， 陶瓷组分优化设计中采用的方法是什么？可用于陶瓷材料哪些方面的设计与模拟？多元回归分析，相变增韧与颗粒弥散强化陶瓷的硬度与组成的回归分析；相变增韧与颗粒弥散强化陶瓷的强度性能分析；多层次复合陶瓷的断裂韧性分析55， 陶瓷韧化设计的思路有哪些？多级增韧机制共同应用；原位合成纤维独石结构复合材料的制备；层状复合材料的制备56， 高分子材料设计的主要内容：1），设计或推断与某种宏观性能相对应的高分子性质，2），提出或设

20、计出能体现这一性质的高分子结构3），选择能合成与加工该种结构的高分子方法和条件并完成聚合物及其材料的合成与加工57， 解释高分子一次结构二次结构三次结构和高次结构的概念：一次：指高分子链的化学结构，空间结构，链节序列和链段的支化度及其分布；二次：指的是一个高分子链由于价键的内旋转和链段落的热运动而产生的各种构象：三次：许多高分子链聚集时，链段间相对空间位置有紧密或疏松，归整或凌乱之分导致的聚态结构或织态结构；高次结构：由于高分子中存在着不同的聚集态或晶态，它们之间又有界面或准界面，所以呈现出多次结构58， 高分子结构：一级结构，二级结构，凝聚态结构59， 共聚物：由两种以上的单体键合而成的聚合

21、物60， 构型：指分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列，包括几何异构和旋光异构，构象：一个分子中不改变共价键结构，仅单键周围的原子放置所产生的空间排布。61， 二元共聚物有哪四种链型结构：无规二元共聚物、交替二元共聚物、嵌段二元共聚物、接枝二元共聚物62， x高分子结构的发展趋势，改变高分子结构的途径：正朝着功能高分子和智能高分子化的方向发展；途径：选择新的均聚体，新的高分子链；利用共聚合，将功能单体与普通单体共聚合；组成多组分体系，包括双组份和复合组分的共熔与混熔体系63， x高分子的性质：基本性质，如溶解性，光学特性等；加工性质，指其可加工性；成品性能，包括外观性质，耐久性和使用性能

22、64， x高分子结构设计的方法：直接组合法；逻辑中心法；分子力场法；晶体结构模拟法；力学性质模拟法65， x高分子力学性质模拟的原理：在合适的分子力场中，分子链在三维周期边界条件下能形成三维无限有序的晶体。在各个方向上分别加一定的拉力，压力或剪切力，整个晶体就在新的相互作用力场中平衡，从而实现相应的应变。在加外力之前，晶格中的原子已经处于稳定势阱的平衡点，施加外力之后，分子链上每一个原子将在分子内及分子间相互作用力由于外力构成新的势能面滑向新的平衡点，在晶体上施加的力是已知的，受力后晶体 的形变可以从平衡后的晶体结构中量出来。根据计算机实验，就可绘制该高分子晶体 的各种应力应变曲线，从而得到比

23、较可靠的各种模量或各向异性常数66， 软化学合成：在温和条件下材料的合成与晶化67， 材料合成的主要发展趋势：1对具有严谨的立体结构的分子进行熟练的位置定位和诱导其反应的技术以掌握这种组装技术2依靠动力学控制组装过程，使得人们对物质的新亚稳态进行配方设计和调控3无机材料合成过程中，非共价相互作用力的影响将会得到更广泛的应用。68， 请举例说明材料的合成与加工对于现代科技和人们日常生活的重要性：69， 单晶生长的体系主要有哪些：固相-固相平衡的晶体生长，固-液，气-固1， 晶体生长理论研究的基本科学问题是什么：晶体结构，缺陷，生长形态，生长条件四者之间的关系；晶体生长界面动力学问题，在原子分子层

24、面上，对生长界面的结构，界面附近熔体的结构，界面的性质，界面的热质传输和界面的反应进行研究2， 请阐述晶体生长的基元过程步骤：1基元的形成 在一定的生长条件下，环境中物质相互作用，动态地形成不同结构形式的基元，这些基元不停地运动并相互转化，随时产生或消失；2基元在生长界面的吸附 由于对流热力学无规运动或原子间吸引力，基元运动到界面上并被吸附；3基元在界面的运动 基元由于热力学的驱动，在界面上迁移运动；4基元在界面上结晶或脱附 在界面上依附的基元，经过一定的运动，可能在界面上某一适当位置结晶并张入固相，或者脱附而重新回到环境相中3， 固相-固相生长的优缺点：能在较低温度下生长；晶体生长的形状是预

25、先固定的；缺点：难以控制形核形成大晶体4， 何谓应变退火法生长晶体和利用烧结法生长晶体，它们各自适用于哪类晶体的生长：先产生临界应变量，再进行退火，使晶粒长大成单晶，适用于单相合金，即多组分系统固-固生长。加热压实多晶体，适用于非金属材料。5， 何谓均匀形核和异质形核：既在均一的液相中，靠自身的结构起伏和能量起伏形成新相核心的过程。以熔融金属内原有的或加入的异质质点作为晶核或晶核衬底的形核过程。既依附在液相中某种固体表面上形核的过程。6， *溶液法生长晶体原理：将原料溶解在溶剂中，采取适当的措施造成溶液的过炮和状态，使晶体在其中生长。优点：1可以在较低温度下生长高熔点物质晶体。通常情况下晶体熔

26、点远远高于溶液法生长晶体的温度。这样就克服了高温下有晶型转变的困难同样可以生长高温下具有很高蒸汽压的晶体材料；2容易长成大块状和均匀性晶体，晶型较为完整；3生长过程可视有利于研究晶体生长动力学；缺点：1组分多，影响因素复杂；2生长周期长数十天一年；3对温度控制要求高温度波动一般小于0.010.001oC。它有哪两种方式：降温法，蒸发法。操作技术要点：1配制适量溶液，测定溶液的饱和点与PH；2将溶液过热处理2-3h，提高溶液稳定性；3预热品种，使品种微溶；4根据溶解度曲线，按照降温程序降温，逐步使品种恢复几何外形，使晶体正常生长。当晶体生长至一定温度时，抽出溶液，再缓慢降温，取出晶体，放进干燥器

27、中保存，为使溶液温度均匀，并得到均匀物质供应，要求晶体对溶液做相对运动，如晃动法，转晶法，转动需定时转换方向，即正转-停转-反转-停转-正转7， *凝胶法生长晶体有哪些特点：1晶体是在柔软而多孔的凝胶骨架中生长，有自由发育的条件；2晶体是在静止环境中靠扩散生长，没有对流与湍流的影响，有利于生长完整性好的晶体；3所用的育晶装置简便，化学试剂用量少，生长的晶体品种多，适用性广；4凝胶虽有抑制形核的作用，能减少非均质形核的概率，但还很难保证凝胶中仅有少数几个晶核成长，因此在一般情况下，生长线度为厘米级以上的晶体，除针状晶体外，难度较大。类型：复分解化学反应，络合分解，氧化还原，溶解度降低法。8， *

28、水热法生长晶体原理：利用高温高压水溶液使得通常难溶或不溶的物质溶解和重结晶。一般步骤：A营养料在谁惹介质里溶解，以离子，分子团的形式进入溶液；B由于体系中存在十分有效的热对流及溶解区和生长之间的浓度差，这些离子，分子或离子团被运输到生长区；C离子,分子或离子团在生长界面上吸附，分解与脱吸；吸附物质在界面上运动；D结晶。基本特点：A过程是在压力与气氛可控制的封闭系统中进行；B生长温度比熔态和熔盐等方法低得多；C生长区基本处在恒温和等浓度状态，且温度梯度很小；D属于稀薄相生长，溶液粘度很低。操作技术要点： 9， *提拉法制备单晶： 晶体生长前，待生长的材料在坩埚中熔化，然后将籽晶浸入熔体中，缓慢向上提拉，同时旋转籽晶，即可逐渐生长单晶。旋转籽晶的目的是为了获得热对称性。为了生长高质量的晶体，提拉和旋转的速率要平稳，熔体的温度要精确控制。晶体的直径取决于熔体的温度和拉速，减小功率和降低拉速