材料设计1.ppt

1、1.什么是材料设计？材料设计是指通过理论和计算预测新材料的成分、结构和性能，或者通过理论设计“定制”具有特定性能的新材料。这当然是指人们追求的长期目标，目前还不能完全实现。尽管如此，由于凝聚态物理、量子化学和其他相关基础学科的深入发展，以及计算机能力的空前提高，理论和计算在材料发展过程中的作用变得越来越重要，直至变得不可或缺。1995年，美国国家科学研究委员会(NRC)邀请了许多专家编写了一份关于材料科学计算和理论技术的专题报告，报告称“设计材料”一词正在成为现实，这意味着理论在材料开发和应用过程中的份量正在增加，研究人员目前正处于将理论和计算应用于“设计”材料的初级阶段。到目前为止，国际上对

2、材料设计或设计材料的研究还没有统一的流行术语或表述。日本学者于1985年提出“材料设计”一词，而俄罗斯学者则将材料设计纳入“材料科学”。美国学者在20世纪90年代的材料科学与工程报告中将这类工作称为“材料的计算机分析与建模”。中国在1986年开始实施“863计划”时，就提出了在不同层次的微观理论指导下探索材料设计的要求。因此，从那时起，“863计划”材料领域就设立了“材料微观结构设计与性能预测”的研究课题。可以看出，虽然术语不同，但基本含义是相同的。广义而言，材料设计根据研究对象的不同空间尺度可分为三个层次：微观设计层次，空间尺度约为1毫米，即原子和电子的设计层次；在连续模型水平上，当材料被视

3、为连续介质，而不考虑单个原子和分子的行为时，典型尺度约为lm；工程设计的水平和规模与宏观材料相对应，涉及到对散装材料的加工和性能的设计和研究。2.材料设计发展概述1。“材料设计”的概念始于20世纪50年代。20世纪50年代初，前苏联在合金设计和无机化合物的计算机预测方面开展了早期工作。当时，前苏联的卫星上天了，这表明使用的材料是先进的。苏联于1962年在理论上提出了人工半导体超晶格的概念，但当时他们没有就如何在技术上实现这一概念提出任何建议。后来，在1969年，人们正式提出从理论和实践的结合上通过改变组成或掺杂来获得人工超晶格。20世纪80年代中期，日本材料界提出了在分子和原子水平上混合三种材

4、料以形成混合材料的想法。1985年，日本出版了新材料发展与材料设计一书，首次提出了“材料设计”的特殊方向。该书介绍了早期的研究和应用，并提供了大学材料系的材料设计课程。1988年，日本科学技术部组织了功能梯度材料的研究任务，提出将设计、合成和评价紧密结合，按照预定的要求制造材料。1989年，美国的几个专业委员会调查和分析了美国八个工业部门(航空航天、汽车、生物材料、化学、电子、能源、金属和通信)的材料需求，然后在1990年代汇编并发表了一份关于材料科学和工程的报告，其中充分讨论了材料的计算机分析和建模。根据这份报告，随着现代理论和计算机技术的发展，材料科学和工程的性质正在发生变化。计算机分析和

5、建模的进步将使材料科学从定性描述走向定量描述。近10年来，材料设计或材料的计算机分析与建模越来越受到重视，其主要原因如下。(1)固体物理、量子化学、统计力学、计算数学等相关学科取得了很大进展(2)现代计算机的速度、容量和可操作性得到了前所未有的提高。几年前在数学计算和数据分析中被认为无法解决的问题现在有可能得到解决。计算机能力将得到进一步发展和提高。(3)科学测试仪器的进步提高了定量测量水平，提供了丰富的实验数据，为理论设计提供了条件。在这种情况下，更有必要使用计算机技术来交流理论和实验数据。(4)材料研究和制备过程的复杂性增加，许多复杂的物理化学过程需要计算机进行模拟和计算，可以部分或全部替

6、代昂贵费时的复杂实验过程，节省人力物力。此外，有些实验在现实条件下很难或不可能实现，但理论分析和模拟计算可以在不消耗物理量的情况下提供信息。(5)以原子和分子为起始原料合成材料，并在微观尺度上控制其结构，如分子束外延、纳米粒子组合、胶体化学等，是现代先进材料合成技术的一个重要发展方向。对于这类研究对象来说，材料微观设计显然是不可或缺的，也是非常有用的。当前的挑战1969年，和朱提出了由两种不同的半导体薄层组成的超晶格。量子秩序的概念。后来，在分子束外延和其他制备技术的帮助下，这个想法实现了。事实证明，这一概念是20世纪80年代以来凝聚态物理和材料科学中最有价值的概念之一，它为人工设计低维材料和

7、定制其能带结构开创了先例。二十多年来，从量子新奇到量子线和量子点的研究一直是最活跃的前沿领域之一。事实表明，现代材料科学研究必须深入到微观层面。今天，不仅对材料物理性质的理解，而且对材料性质的表征都要求人们深入到分子、原子和电子的层面。许多先进材料的制备和加工也达到了“原子级”的水平。它属于所谓的“原子工程”，将单个原子聚集成簇或形成零维、一维和三维材料。例如，在当今用于各种关键技术的材料中，发生在材料表面和界面上的现象都需要从原子水平和化学键水平来理解，以便阐明它们的本质。在未来超小型器件中起关键作用的材料是由很少的原子组成的，其中增加(或减少)一个原子(或电子)将使其状态发生明显变化，例如

8、单电子器件。这是对当今材料科学理论和计算的挑战。由此可见，原子级的材料设计必将受到高度重视，并将在现代材料科学技术的发展中发挥重要作用。三。材料设计的主要方法一般来说，目前材料设计的方法主要是基于经验法则或从第一性原理中计算(演绎)，更多的是两者的结合和补充。材料设计的主要方式可分为以下几类。1.材料知识库和数据库技术数据库是随着计算机技术的发展而出现的一项新技术。材料知识库和数据库是以获取材料知识和性能数据为主要内容的数字数据库。计算机化的材料知识与性能数据库具有存储信息量大、存取速度快、查询方便等一系列优点。灵活使用；它有许多功能，如单位转换和图形表达；它已被广泛应用，并可与计算机辅助设计

9、和计算机辅助制造相结合，或与人工智能技术相结合，形成材料性能预测或材料设计的专家系统。与早期的数据自由管理和文件管理相比，计算机材料知识库和性能数据库还具有数据优化、数据独立性、数据一致性、数据共享和数据保护等优点。在数据库系统中，还有一个负责数据库管理和维护的软件系统，称为数据库管理系统。它负责建立、运行数据库管理系统分为三种类型：层次型、网络型和关系型。关系数据库管理系统的出现促进了数据库的小型化和普及化，使在微机上配置数据库系统成为可能。除了数据管理软件，数据收集、整理和评估是建立数据库的关键。材料数据库通常应包括材料性能数据、材料成分、材料处理、材料测试条件、材料应用和评估等。目前，国

10、际材料数据库正朝着智能化和网络化的方向发展。智能化是将素材库发展成专家系统；联网是将分散的独立数据库连接成一个完整的系统。使用大型知识库和数据库辅助材料设计的一个典型例子是由三岛三好和岩田聪一建立的计算机辅助合金设计(CAAD)系统。该项目得到了日本政府的支持，其任务是为未来的可控热核反应堆设计和选择材料。与合金设计相关的各种信息存储在大型计算机中，包括各种元素的基本物理和化学数据、合金相图、各种合金物理性能的经验方程、各种合金系统的实验数据、各种合金的性能和用途以及相关的文献目录等。它们以元素的含量(百分比)为坐标，建立一个以70多种元素含量为坐标的多维空间，将上述信息记录在这个多维空间中，

11、然后按照设计步骤实现计算机辅助合金设计。2.材料设计专家系统材料设计专家系统是指具有大量与材料相关的背景知识并能利用这些知识解决材料设计中相关问题的计算机程序系统。在一定程度上，它可以为制备具有特定性能的材料提供指导，帮助研究者开发新材料。专家系统的研究始于20世纪60年代中期，近年来得到了广泛的应用。最简单的(原始的)专家系统包括一个知识库和一个推理系统。专家系统还可以连接(或包括)数据库、模式识别、人工神经网络和各种操作模块。这些模块的综合应用可以有效解决设计中的相关问题。最理想的专家系统是从基础理论出发，通过计算和逻辑推理来预测未知材料的性质和制备方法。然而，由于限制材料结构和性能的极其

12、复杂的因素，在可预见的将来很难实现这种完全演绎的专家系统。目前的专家系统是基于经验知识和理论知识的结合(即归纳和演绎的结合)。材料设计专家系统大致有以下几类。1)基于知识检索、简单计算和推理的专家系统需要广泛的知识，并且相关信息极其复杂，任何专家都不可能记住所有的相关信息，因此个人会失去很多灵活使用这些信息的机会。使用电脑可以弥补这个缺陷。2)基于计算机模拟和运算的材料设计专家系统材料研究的核心问题之一是材料结构与性能的关系。在了解材料的物理和化学性质的前提下，可以用计算机模拟材料的结构和性能之间的关系，或者用相关的理论进行计算来预测材料的性能和制备方案。除了上述三个类别，近年来还开发了一个材

13、料设计专家系统，其目标是材料的智能处理。材料智能加工是材料设计研究的新发展。其目标是通过现场传感器收集材料制造过程中的信息，并将其输入智能控制，实现控制决策，使准备中的材料能够遵循最佳路径，成为性能优异、稳定性好、成品率高的材料。材料智能加工的研究始于20世纪80年代中期，并已应用于大直径砷化镓的制备、碳纤维增强碳复合材料的制备、粉末热压和喷射成形，取得了良好的效果。3)利用专家系统模式识别和基于模式识别和人工神经网络的人工神经网络来处理受各种因素影响的复杂数据集。总结半经验法则的有力工具。材料设计的两个核心问题是结构性能关系和制备工艺性能关系。这两种关系受到许多因素的制约，因此我们可以利用模

14、式识别或人工神经网络(或它们的组合)从已知的实验数据集中总结出数学模型，然后预测未知材料的性质和达到这种性能的优化公式和过程。3.材料设计中的计算机模拟用计算机模拟真实系统，提供实验结果，指导新材料的研究，是材料设计的有效方法之一。材料设计中的计算机模拟对象涵盖了从材料开发到使用的全过程，包括合成、结构、性能、制备和使用。例如，用计算机模拟氟化物玻璃的微观结构，可以计算出不同组分氟化物玻璃的红外吸收光谱，为红外光纤用氟化物玻璃材料的配方提供了依据。材料设计的计算机模拟按模拟规模可分为三类。原子尺度模拟计算。使用的方法主要有分子动力学方法和蒙特卡罗方法。分子动力学方法被广泛应用，它根据粒子间的相

15、互作用势来计算多粒子系统的结构和动力学过程。原则上，这些方法可以用来计算各种系统的结构和性质。微观尺度模拟计算。这种计算是基于连续介质的概念。例如，功能梯度材料是相或化学成分从一个方向到另一个方向连续转变的复合材料。它最大的优点是温度梯度大时热应力分散，适合用作航空航天等领域的结构材料。在梯度材料的开发过程中，热应力分布可以通过计算机模拟的方法进行计算，为寻找合理的结构提供了依据。此外，用热力学方法预测材料的相变过程和相变产物的微观结构也属于这类方法的研究范畴。宏观模拟计算。这种方法通常与材料或材料部件的工业生产有关。例如，非晶合金通常由液态合金淬火制成。生产非晶合金宽带时，必须保证宽带中没有

16、结晶缺陷，这就要求所用的设备和工艺条件能够保证均匀高速的冷却条件。利用计算机模拟计算液态合金在快速冷却过程中的传热传质过程，有助于设计合理的设备和工艺，保证产品质量。现在，让我们回到原子尺度上介绍计算机模拟。无论是用能带理论还是量子化学方法，用第一性原理方法计算材料的电子结构都是费时费力的，目前可靠的结果仅限于基态，但迄今为止激发态的计算方法很少，精度有限。因此，如果材料中粒子间的相互作用势可以用一个适当的“有效势”来代替，并且可以在此基础上进行计算机模拟，虽然会损失一些细节效应，但是由相互作用势决定的电子结构和由电子结构决定的材料性质仍然可以被普遍地反映出来，这无疑是一个好主意。基于“有效势

17、”的计算机模拟就是基于这一思想。随着计算机技术的发展，这种原子尺度上的计算机模拟得到了广泛的应用。计算机模拟中原子间“有效势”模型的选择明显随材料类型而变化。早期主要使用纯经验拟合势。近年来，人们越来越多地考虑从第一性原理计算中导出适当的“有效势”，包括利用群近似的量子化学计算，以及从几何构型的变化中获得相应的有效势模型。这不仅为计算机模拟提供了更可靠的依据，也为数字高程模型提供了更可靠的依据它在有效势的作用下改变原子分布的几何构型，从而获得对应于最小能量的原子构型。分子动力学方法是一种计算量很大的模拟方法，它通过离散时间步长求解牛顿运动方程，因此在模拟中包含了动能，这对于研究物质在高温下的行为特别有利，如扩散和相变。分子动力学占据了相应的位置，在量子力学的适用范畴和微观尺度范畴(缺陷动力学和微观结构动力学)之间起着连接作用。事实上，蒙特卡罗方法是统计力学的一种计算技术，它给结构引入一些随机变化，并根据能量准则进行选择，这对于处理无序系统特别有利。计算机模拟方法比电子结构的第一