现代材料设计理论与方法

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1、现代材料设计理论与方法Materials Design 参考书目 曹茂盛，材料现代设计理论与方法，哈尔滨工业 大学出版社，2007第2版 张跃，谷景华等，计算材料科学基础北京航空航 天大学出版社，2007 吴兴惠，项金钟编著，现代材料计算与设计教程电子工业出版社，2002 熊家炯，材料设计天津大学出版社，2000 戴起勋，材料设计教程化学工业出版社，2007课程进度安排 第一篇：材料现代设计理论 第二篇：材料计算方法与计算技术 第三篇：材料计算设计应用课外自学请带着这些问题进入课程学习。 材料设计与传统的机械设计、模具设计有何不 同？ 材料设计主要研究哪些内容？与我们以往学过的课程有哪些不同？

2、 材料设计依据哪些理论？ 材料设计所采用的研究手段有哪些？ 材料设计有哪些应用？专题一专题二专题三一、绪论 背景、历史与现状 内涵与研究内容 技术途径前世今生研究对象研究手段1. 背景、历史与现状材料科学理论实验归纳演绎设计材料加工、制备材料什么是材料？材料科学：核心是结构与性能间的关系合成与制备 Synthesis and Fabrication结 构 Structures性 能 Properties效能与功能 Performance固有性质应用如何得到结构性能之间的关系？ 实验方法 理论计算方法一系列探索性、验证性实验。一系列计算方法进行材料性能预测。诞生背景：新材料发展面临的“挑战” 性

3、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集成电路材料等如航空航天航海材料、核能材料等如航空航天材料等光电一体化、声光一体化等小问题材料科学是什么时候诞生的？材料设计思想是什么时候产生的？材料设计的历史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朦胧阶段相结构定量化的材料设计原子结构现代材料设计Bottom up rather than top down现代材料设计的研究历史高温合金：应用于航天、军事领域人工半导体超晶格、有机合成路线设计1950s1960s起

4、步时期金属间化合物的形成能和稳定性预测1970s（高温合金，金属陶瓷等）材料设计专家系统的开发、高温超导陶瓷物相的预报等1980s日本人提出“d电子合金设计”思想例如，美国“隐身材料设计专家系统”日本“计算机辅助合金设计系统”核反应堆 防护材料 兴起从原子分子层次设计材料的热潮。1990s快速发展时期分子模拟技术、数值算法的出现1940s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。具有运算速度快、计算精确度高、有逻辑判断以及自动控制能力等特点。现代材料设计诞生的前提量子力学的提出计算机的发明新

5、型材料制备技术 固体物理、量子化学、化学键理论等新的理论或学科的发展 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 超晶格、非晶态材料、准晶、亚稳相、原子组装材料与器件等20世纪50年代以后研究现状和趋势计算机分析和模型化地进展，使材料科学从定性描述 逐渐进入到定量研究阶段；以原子、分子为起始物进行材料合成，并在微观尺度 上控制其结构，已经是现代先进材料合成技术的重要发展方向；物理、化学等多种学科的综合运用；向着智能化方向发展，模拟仿真技术，数据库、专家 系统等技术。材料设计的意义 实验方法 理论方法材料计算材

6、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爱迪生为了寻找合适的灯丝材料， 前后花了3年多时间，做了1600多 次实验，尝试了6000多种材料，实 验记录簿多达200多本，共4万多页。 最终才在1880年不经意发现了竹丝 纤维材料。挖井的例子仅凭经验尝试结合理论计算结果凡事预则立，不预则废。我国现代材料设计的发展 1970s，上海冶金所采

7、用化学键参数和模式识别技术，在新材料预报方面做了大量计算工作。 1980s，中科大温元凯等采用模式识别与键参数分析方法，设计、预报、合成新的高温超导体； 1987年，“863”新材料领域开始设立材料微观结构设计与性能预测专题； 1996年设立863新材料模拟设计实验室。2011年结题的部分973项目 人工结构材料的能带设计、制备和效应的基础研究首席科学家：资剑 复旦大学 物质性能的分子设计与性能调控 首席科学家：郑兰蓀 厦门大学我国存在的缺点和不足：1.很多人从事该领域研究，但是原创性成果相对较少；2.数据库、专家系统以及相关设计软件的开发远落后于国外。每年需投入大量资金购买国外商业化软件。2

8、.内涵与研究内容n 通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料。n 通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能。即材料的“计算机分析与模型化”在物理、化学原理基础上对材料性能结构关系进行理论计算与分析。 核心：什么是设计？（Design）把一种计划、规划、设想通过视觉形式传达出来的活动过程。p 艺术设计p 建筑设计p 机械设计p 服装设计p 集成电路设计。图纸、方案产品请思考材料设计与这些设计 有何区别？材料设计1. 计算模拟 即从实际数据出发，通过建立数学模型及数值计算，模拟实际过程；2. 计算机设计 即直接通过理论模型和计算，预测或设计材料的结构和性能合理的近似是必要的！例如，超晶格的诞生

9、过程1969年，贝尔实验室江崎、朱兆祥提出两种不同材料超薄层构成的量子阱与超晶格材料的概念。借助分子束外延技术得以实现这种结构。制造出具有优异性能的微电子与光电子器件。对应关系实验室实验计算机模拟样品物理仪器校准测量分析结果模型计算机程序检验程序计算分析结果与“计算材料学”的关系 运用计算材料学的各种方法预报材料性能。 较计算材料学内容更丰富、应用性更强例如，第一性原理法，量子化学法，分子动力学方法，蒙特卡洛法， 有限元方法，遗传算法，模糊神经网络算法。 不仅是材料理论计算，还涉及到材料的经验、半经验方法； 不仅是材料结构、性能的计算，还涉及数据库、知识库和专家系统等人工智能技术的综合应用；

10、不仅是材料原子、分子层次上的计算，还涉及到空间上多层次上的计算。本课程在材料类本科教学中的地位全称：现代材料设计理论与方法专业主干课程材料物理材料科学基础材料设计方法计算材料学更理论、专业理论+实践材料设计所涵盖的范围原料材料、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以下例子属于材料设计范围吗？炼钢高性能钢铁、特种钢材半导体材料掺杂、导电性能控制水泥配方材料设计思想在我们的日常生活中无处不在。材料设计的分类 从研究层次上分类 从研究对象上分类宏观、介观、微观金属、陶瓷、高分子、复合材料等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 1 nm，电

11、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。对应学科：量子化学、固体物理对应学科：材料科学对应学科：材料工程第一性原理 MD、MC有限元工程模拟量子化学固体物理材料科学材料工程系统工程学科空间尺度量子力学原子和分 子模拟微观组织 结构连续 模型工程 设计时间尺度电子原子分子组织材料行为系统特性1 ps1 fs1 ns1 ms102 / min108 / y例如，对金属材料而言从能量的角度：从形态的角度： 组织层次 相层次 原子层次宏观热力学统计热力学能带理论 组织结构层次 相层次 原子层次金相学晶体学价键理论其中，电子理论部分（原

12、子层次）最关键，它决定了材料设计理论的精确性和可靠性。材料的原子结构层次设计起源于1969年江崎和朱兆祥提出超晶格、量子阱思想，随后借助于分子束外延技术将这一思想得以实现。量子阱量子线量子点(原子团簇)原子级工程atomically engineering超晶格思想的提出者 江崎玲玉奈，日本科学家，发明隧道二极管 朱兆祥(1932)，美籍华裔科学家美国IBM公司研究员发现半导体中的隧穿效应，获1973年诺贝尔物理学奖具有划时代的意义江崎，1925 江崎在IBM公司的合作者材料的原子结构层次设计复合材料或杂化材料：在原子、分子水平上的混合。国家技术发明一等奖（2004年）黄伯云研制的飞机刹车片“

13、高性能炭/炭航空制动材料的制备技术”材料设计的对象 金属材料 人工晶体材料 新化合物 新物相 陶瓷材料 高分子材料 复合材料新材料研发例如，耐热合金是航天航空技术领域使用最频繁的新型材料，为 了提高合金的高温强度，通常必须向合金中添加其他合金元素。 然而，添加过多将在长期使用过程中出现新物相沉淀，使材料催化。如何控制合金中的添加剂含量？PHACOMP技术，控制合金的组成“d电子合金设计法”，应用于钛合金、镍铬合金等计算机辅助合金设计（CAAD），可控热核反应炉材料针对金属材料合金设计新材料开发：主要是靠找到性能优异的新化合物，如钕铁硼、钐钴硫以及高温超导陶瓷等。基本步骤：是否可能存在？微观结构

14、和可能性质？制备成功的可能性？预测、计算新物相预报预言新的超硬材料* 金刚石的体模量4.43 MBar* 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预言超晶格p 从物理与化学基本原理出发，设计新器件、新材料的成功例子就是超晶格。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。p 超晶格1962年由苏联人最早提出，1969年，由江崎和朱

15、兆祥正式从理论和实验上证实。目前已经成为了发光二极 管最重要的组成部分。超晶格结构 半导体超晶格 介电体超晶格 金属多层膜 磁性多层膜 光子晶体结构 声子晶体结构基本思想：人工改变晶体结构的周期，实现功能的“剪裁”。光、电、热、 磁功能调节半导体超晶格的类型组分超晶格掺杂超晶格掺杂超晶格的优点： 多层结构的完整性非常好，由于掺杂 量一般较小，杂质引起的晶格畸变也较 小，掺杂超晶格中没有像组分超晶格那 样明显的异质界面； 掺杂超晶格的有效能量隙可以具有从 零到未调制的基体材料能量隙之间的任 何值，取决于对各分层厚度和掺杂浓度 的选择。半导体超晶格的类型多维超晶格应变超晶格SiGe/Si 是典型半

16、导体应变超晶格材料，随着能带结构的变化，载 流子的有效质量 可能变小，可提高载流子的迁移率，可做出比一般Si 器件更高速工作的电子器件。 当多层薄膜的厚度十分薄时，在晶 体生长时反而不容易产生位错。半导体发光二极管 增大电子和空穴的辐射复合机会，从而提高发光效率； 出射波长通过改变MQW的参数得以调节。超晶格超晶格h超晶格所起的作用：超晶格材料量子阱超晶格的高分辨率TEM图像及LED超晶格激光器AlGaAs光子沿平行界面层的方向发射出来， 层起到光波导的作用。介电体超晶格介电体超晶格材料的设计、制备、性能和应用国家自然科学一等奖（2006年）闵乃本研制的介电体超晶格在激 光器领域的应用将超晶格概念推广到介电材料，研制成周期、准周期和 二维调制结构介电体超晶格。 光子晶体光子晶体的诞生是