材料设计复习资料

1、名词解释：1、近自由电子：晶体点阵具有平移对称性，点阵势场V(x) ¹ 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、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。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，或者说，通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料。4、微观设计层次：空间尺度在约1nm量级，对应原子电子层次的设计。5、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。6、高分子的一次结构：

2、指高分子链的化学结构、空间构型、链节序列和链段的支化（或交联）度及其分布。7、高分子的二次结构：指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。8、高分子的三次结构：又称为聚集态结构、织态结构（无定形、介晶包括液晶、结晶3种状态）。9、高分子的高次结构：由于在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。10、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。11、软化学合成：在温和条件下材料的合成与晶化。12、物理胶：基于水溶液中的胶化路线，通过无机盐或醇盐的完全水解，形成沉淀，再加电解

3、质进行胶溶分散而形成粒子溶胶的路线，所得到的溶胶也称物理胶。13、化学胶：采用金属有机物前驱体，如醇盐在有机溶剂中控制水解，通过分子簇的缩聚形成无机聚合物溶胶的方式，这种溶胶又叫化学胶。14、非均匀形核：多数情况下，为了有效降低形核位垒加速形核，通常引进形核促进剂，在存有形核促进剂的亚稳系统中，系统空间各点形核的概率也不相等，在促进剂上将优先形核，这就是所谓的非均匀形核。简答与问答：1、单晶生长的平衡体系有： 固相固相平衡的晶体生长 ； 液相固相平衡的晶体生长； 气相固相平衡的晶体生长。2、复合材料的三个层次结构：（1）一次结构。由基本相和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的

4、力学性能、相几何（各相材料的形状、分布、含量）和界面区的性能。（2）二次结构。由单层材料层分而成的复合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何（各层的厚度、铺设方向、铺层序列）。（3）三次结构。工程结构或产品结构，其力学性能决定于复合体的力学性能和结构几何。3、材料设计的主要技术途径：（1）知识库与数据库技术（2）材料设计专家系统（3）计算机模拟技术4、材料设计可按研究对象的空间尺度不同而分为三个层次：（1）微观设计层次（2）连续模型层次（3）工程设计层次5、材料设计的范围（内容）：（1）合金设计（2）新化合物和新物相预报（3）超晶粒和杂化材料设计（4）复合材料设计（5）陶瓷材料设计（

5、6）高分子材料设计6、溶液法生长晶体：这种方法的基本原理是将原料(溶质)溶解在溶剂中，采取适当的措施造成溶液的过饱和状态，使晶体在其中生长。 根据晶体的溶解度与温度系数，从溶液中生长晶体的具体方法有降温法、蒸发法等。 （1）降温法：是从溶液中培养晶体的一种最常用的方法。其基本原理是利用物质较大的正溶解度温度系数，在晶体生长过程中逐渐降低温度，使析出的溶质不断在晶体上生长。降温法生长晶体的关键问题是必须严格控制温度，并按一定程序降温。（2）蒸发法：生长晶体的基本原理是将溶剂不断蒸发移去，以保持溶液的过饱和状态，从而使晶体不断生长。这种方法比较适合于溶解度较大而其温度系数很小或是具有负温度系数的物

6、质，蒸发法用控制蒸发量的多少来维持溶液的过饱和度。7、水热法晶体生长：又称热液法。水热法是利用高温、高压水溶液使得通常难溶或者不溶的物质溶解和重结晶。（1）水热法晶体生长的一般步骤：营养料在水热介质里溶解，以离子、分子团的形式进人溶液 （溶解阶段）。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、分子或离子团被输运到生长区（输运阶段）。离子、分子或离子团在生长界面上的吸附、分解与脱附。吸附物质在界面上的运动。结晶。后3个阶段统称为结晶阶段。 （2）水热法的基本特点：过程是在压力与气氛可以控制的封闭系统中进行的。生长温度比之熔态和熔盐等方法低得多。生长区基本上处在恒温和等浓度

7、状态，且温梯很小。属于稀薄相生长，溶液黏度很低。 8、在计算机上对分子系统的MD模拟的实际步骤可以分为：首先是设定模拟所采用的模型:包括几何建模，物理建模，化学建模，力学建模。给定初始条件:初始条件的设定，这里要从微观和宏观两个方面进行考虑。计算:是体现所谓分子动力学特点的地方，包括对运动方程的积分的有效算法。对实际的过程的模拟算法，关键是分清楚平衡和非平衡，静态和动态以及准静态情况。分析:需要从以上的计算的结果中提取年需要的特征，说明你的问题的实质和结果，因此关键是统计、平均、定义、计算，比如温度、体积、压力、应力等宏观量和微观过程量是怎么联系的。9、分子动力学的基本原理、特点、存在的问题分

8、子动力学是一门结合物理，数学和化学,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，一种计算机模拟实验方法，是研究凝聚态系统的有力工具。分子动力学是一套分子模拟方法，该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。（1）分子动力学模拟的基本原理：建立一个粒子系统来模拟所研究的微观现象，系统中各粒子之间的相互作用根据量子力学来确定。对符合经典牛顿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。然后按照统计物理原理

9、得出该系统相应的宏观物理特性。（2）分子动力学理论特点：能有效进行微观动态过程分析；计算的空间尺度可达到10-9 m；计算的时间尺度可达到10-15 s；可以通过分子动力学理论建立起宏观与微观之间的桥梁。（3）仍存在的主要问题：真实所含微观粒子数量巨大，一般高达1023数量级；对具有枝链和环状结构等结构形式复杂的柔性分子的模拟计算还很困难。符合热力学极限的宏观系统由几千万亿亿个分子或原子组成（一般高达1023数量级），所含微观粒子数量巨大。实际计算中，分子动力学方法受到有限观测时间和有限系统尺寸的限制。由于受计算机运算速度和内存空间的限制，计算机模拟允许的微观体系尺寸要比热力学极限小很多。10

10、、非晶态材料的种类： 非晶态的分类：（1）非晶态合金 （2）非晶态半导体材料 （3）非晶态超导体 （4）非晶态高分子 （5）非晶态玻璃 11、高分子材料的设计内容：设计或推断与某些宏观性能相对应的高分子性质；提出或设计能体现这一（些）性质的高分子结构；选择合成与加工方法和条件并完成高分子的合成与加工。12、高分子材料结构的发展趋势、通过什么途径改变高分子的结构：（1）高分子结构发展趋势 功能高分子和智能高分子（2）改变高分子结构的途径：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，包括双组分和复合组分的共熔与混溶体系13、在功能陶瓷的制备过程中还应具备下

11、列技术要素:(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，而且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。14、陶瓷韧化的设计思路：（1）多级增韧机制的共同作用（2）原位合成纤维独石结构复合材料的制备（3）层状复合材料的制备15、功能陶瓷的一般工艺流程：16、薄膜材料的制备：主要方法包括PVD、溅射成膜、CVD等方法和手段。（1）气相沉积 (VD)是利用气态或蒸气态的物质在气相或气固界面上反应生成固态沉积物的技术，并且可以根据沉积过程中主要所依靠的是物理过程或化学过程把气相沉积划分为物理气相

12、沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两大类。PVD：真空蒸发、溅射、离子镀等 。CVD：直接依靠气体反应或依靠等离子体放电增强气体反应的等离子体增强化学气相沉积。当形成的薄膜除了从原材料获得组成元素以外，还在基片表面与其它元素发生化学反应，获得与原材料成分不同的薄膜材料，这种存在化学反应的气相沉积称为化学气相沉积。CVD特点：沉淀反应如在气固界面上发生时沉淀物在原固态底基物上包覆一层，不改变原固体底基物的形状，这个特性也称为保形性。采用CVD技术可以得到单一的合成物质，并以此作为原材料，制备出更多的产品,如超纯多晶硅材料的制备。 如果采用的某种基底材料，在沉积物达到一定厚度以后，很容易与基底

13、分离，这样就可以得到各种特定形状的游离沉积物器具。在CVD技术中也可以沉积生成晶体或细粉状的物质，可以用来生产超微粉体，在特定的工艺条件下，甚至可以生产纳米级的微细粉末。（2）真空蒸镀是将成膜的物质置于真空蒸镀设备的真空中进行蒸发或升华，使之在工件或基片表面析出的过程。（3）溅射成膜是指荷能离子（如正离子）轰击靶材，使靶材表面原子或原子团逸出的现象。逸出的原子在工件表面形成与靶材成分相同的薄膜。这种制备薄膜的方法称为溅射成膜。（4）溶胶凝胶法：是制备氧化物薄膜的常用方法之一，它是采用无机盐或金属有机化合物如醇盐 (即金属烷基化合物)为前驱物。首先将前驱物溶于溶剂 (水或有机液体)中。通过在溶剂

14、内发生水解或醇解作用，反应生成物缩合聚集形成溶胶，然后经蒸发干燥从溶胶转变为凝胶。按照溶胶-凝胶合成的途径，常可以将溶胶分为以下两类 ：一是基于水溶液中的胶化路线，通过无机盐或醇盐的完全水解，形成沉淀，再加电解质进行胶溶分散而形成粒子溶胶的路线，所得到的溶胶也称物理胶;另一类则是采用金属有机物前驱体，如醇盐在有机溶剂中控制水解，通过分子簇的缩聚形成无机聚合物溶胶的方式，这种溶胶又叫化学胶。这两种方式都可以用来制备非对称结构支撑体陶瓷膜，但膜层的涂敷必须在溶胶阶段完成，然后通过溶胶向凝胶的转变而获得凝胶膜层，再经干燥和灼烧得到的无机陶瓷膜。图形分析：图1-5 晶体中电子的 E-K 曲线图（a）自

15、由电子近似曲线；图（b）近自由电子近似曲线，在K = ± n/2a 附近不同于图（a），其他部分与自由电子模型完全相同。在K = ± n/2a 附近不同于图（a），其他部分与自由电子模型完全相同。一维能带理论可导出当K = ± n/2a时，电子总能量公式：（1-27）式（1-27）表示当K = ± n/2a时，由于周期场的影响，当总能为E - | Vn | 的能级被占有以后，再增加一个电子，这个额外的电子只能占据总能为E0 - | V |的能级，在两个能级（允许带）之间的能态是禁止的（禁带）。禁带宽度为2 | Vn |， Vn 是周期场微扰项级数展开式的系数；禁带出现的位置在K = ± n/2a，a是点阵常数，n是正整数。图1-8 如上图所示，对于一定的K，可以画出K空间的等能面（二维情况为等能线）。能量低的等能线1，2是以K空间原点为中心的圆（三维为一球面），在这个范围内，波矢离布里渊区边界较远，这些电子与自由电子的行为相同，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，2个等能线之间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，