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1、上一内容下一内容回主目录第三章第三章 材料化学制备的基本原理材料化学制备的基本原理 2022/5/8上一内容下一内容回主目录第三章第三章 材料化学制备的基本原理材料化学制备的基本原理 3-1 材料的设计方法材料的设计方法3-2 各类材料的特点各类材料的特点3-3 材料固相反应制备的原理材料固相反应制备的原理3-4 液相化学制备的原理液相化学制备的原理3-5 气相沉积气相沉积3-6 机械合金化机械合金化2022/5/83-1 材料的设计方法材料的设计方法 材料设计在材料合成与加工过程中材料设计在材料合成与加工过程中起重要作用起重要作用。尤其是以原子、分子为起始物，采用化学和物理尤其是以原子、分子
2、为起始物，采用化学和物理方法进行材料合成，并要求在微观尺度上控制其方法进行材料合成，并要求在微观尺度上控制其结构时，离不开理论的指导。若配合使用结构时，离不开理论的指导。若配合使用实时实时传传感器和感器和无损无损检测器对微观结构进行优化与控制，检测器对微观结构进行优化与控制，可实现理论设计指导下的智能加工。可实现理论设计指导下的智能加工。 材料设计贯穿在材料从制备、测试、性能直至使材料设计贯穿在材料从制备、测试、性能直至使用的各个环节，用的各个环节，核心部分核心部分-在物理化学基础上对在物理化学基础上对材料性能材料性能-结构关系进行理论计算与分析。结构关系进行理论计算与分析。2022/5/81
3、.1 材料设计概述材料设计概述1.1.1 材料设计的含义材料设计的含义 通过理论与计算预测新材料的组分、性能。通过理论与计算预测新材料的组分、性能。 通过理论设计来通过理论设计来“订做订做”特定性能的新材料。特定性能的新材料。 利用现有的材料、科学知识和实践经验，通过利用现有的材料、科学知识和实践经验，通过分析和综合，创造出满足特殊要求的新材料的一分析和综合，创造出满足特殊要求的新材料的一种活动过程。种活动过程。目的：目的： 改进已有的材料，创造新材料。改进已有的材料，创造新材料。 材料设计须考察材料的性质、组成与结构、合材料设计须考察材料的性质、组成与结构、合成与加工、使用性能及它们间的关系
4、。并运用系成与加工、使用性能及它们间的关系。并运用系统的方法来研究材料，找设计材料的突破口。统的方法来研究材料，找设计材料的突破口。2022/5/8材料的设计过程材料的设计过程 根据性能要求确定设计目标，有效利用现有资源，根据性能要求确定设计目标，有效利用现有资源，通过成分、结构、组织和工艺过程的合理设计制通过成分、结构、组织和工艺过程的合理设计制造材料，最后对材料行为的评价，完成整个过程。造材料，最后对材料行为的评价，完成整个过程。关键：关键：成分成分-结构和组织的设计结构和组织的设计重要环节：重要环节： 合成和加工是保证成分与组织的主要手段。合成和加工是保证成分与组织的主要手段。 凝聚态物
5、理学、量子化学等相关基础学科的发展，凝聚态物理学、量子化学等相关基础学科的发展，计算机计算能力的空前提高，使材料研制过程中计算机计算能力的空前提高，使材料研制过程中理论和计算的作用越来越大理论和计算的作用越来越大-不可缺少。不可缺少。2022/5/81.1.2 材料设计的范围和层次材料设计的范围和层次 使用效能使用效能 组成、结构组成、结构 性能性能 合成及其合成及其 生产流程生产流程2022/5/8（1）材料设计的范围：）材料设计的范围： 材料制备材料制备-材料性能材料性能-材料使用材料使用四个组成要素：四个组成要素：四者是整体四者是整体 *材料的性质材料的性质-材料的固有性质材料的固有性质
6、 *组成与结构组成与结构 *合成与加工合成与加工 *使用性能使用性能-材料在使用条件下的表现。包括寿命、材料在使用条件下的表现。包括寿命、能量效率、安全、价格等。能量效率、安全、价格等。如：如：环境、受力态对材料的特性曲线及寿命的影响。环境、受力态对材料的特性曲线及寿命的影响。 决定材料能否发展、大量使用。决定材料能否发展、大量使用。2022/5/82022/5/8（2）微观设计层次）微观设计层次 按研究对象的空间尺度划分：按研究对象的空间尺度划分：a. 原子、电子层次的设计原子、电子层次的设计 -空间尺度约为空间尺度约为1nm量级；量级；b. 连续模型层次的设计连续模型层次的设计 -典型尺寸
7、约在典型尺寸约在1pm量级量级-材料被看成连续介质，材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为。不考虑其中单个原子、分子的行为。c. 工程设计层次工程设计层次 -宏观材料，大块材料加工和使用性能设计研究。宏观材料，大块材料加工和使用性能设计研究。2022/5/8不同层次、不同范畴内用不同的理论方法不同层次、不同范畴内用不同的理论方法2022/5/81.1.3 材料设计的发展阶段材料设计的发展阶段a. 二战前，对材料的研究几乎只限于金属。二战前，对材料的研究几乎只限于金属。b. 20世纪世纪50年代开始，军工国际竞争加剧，促进新兴年代开始，军工国际竞争加剧，促进新兴材料高速发展，后转入民
8、用，得到更大的发展。材料高速发展，后转入民用，得到更大的发展。c. 目前处于一个高速发展的阶段，新的材料不断涌现。目前处于一个高速发展的阶段，新的材料不断涌现。这些新材料有这些新材料有明显的时代特征明显的时代特征：*多数是固体物理、固体化学、有机合成、冶金学和陶多数是固体物理、固体化学、有机合成、冶金学和陶瓷学等学科的新成就瓷学等学科的新成就新材料的发展与新工艺、新技术密切相关新材料的发展与新工艺、新技术密切相关为适应科技发展的要求，更新换代快、试样变化多。为适应科技发展的要求，更新换代快、试样变化多。2022/5/8*真正意义真正意义“材料设计材料设计”设想始于设想始于20世纪世纪50年代。
9、年代。*50年代初：前苏联开展关于合金设计及无机化合物的年代初：前苏联开展关于合金设计及无机化合物的计算机预报等早期工作。计算机预报等早期工作。*80年代，日本材料科学家们提出材料在分子和原子水年代，日本材料科学家们提出材料在分子和原子水平上混合，构成杂化材料的设想。平上混合，构成杂化材料的设想。1985年日本出版的年日本出版的新材料开发与材料设计学新材料开发与材料设计学一书，一书，首次提出了首次提出了“材料设计学材料设计学”方向，使材料设计形成方向，使材料设计形成了一门独立的新兴学科。了一门独立的新兴学科。2022/5/8 1989年美国出版年美国出版90年代的材料科学与工程年代的材料科学与
10、工程报告，报告，对材料计算机分析与模型化做了较充分的论述。对材料计算机分析与模型化做了较充分的论述。 *近年来，现代理论和计算机技术的进步，使材料科近年来，现代理论和计算机技术的进步，使材料科学与工程性质发生变化。学与工程性质发生变化。 计算机计算能力的空前提高为材料设计提供理论基础计算机计算能力的空前提高为材料设计提供理论基础和有力手段，使材料科学从半经验定性描述逐渐进和有力手段，使材料科学从半经验定性描述逐渐进入定量预测控制的更科学的阶段。入定量预测控制的更科学的阶段。2022/5/81.1.4 现代材料设计的几个环节现代材料设计的几个环节(1) 建立材料性质数据库建立材料性质数据库性质性
11、质：确定材料功能特性和效用的描述符。：确定材料功能特性和效用的描述符。例如：金刚石例如：金刚石 耀度和透明度耀度和透明度-宝石和多性能涂层宝石和多性能涂层 高硬度和导热性高硬度和导热性-切削工具和传导体切削工具和传导体又如：陶瓷又如：陶瓷 高熔点、高强度和化学惰性高熔点、高强度和化学惰性-先进热力发动机中先进热力发动机中 的的火焰筒或保护涂层火焰筒或保护涂层 脆性脆性-限制了它的广泛使用。限制了它的广泛使用。设计时取长补短。设计时取长补短。2022/5/8 建立材料性质数据库，是材料设计的前提。根据设建立材料性质数据库，是材料设计的前提。根据设计要求，区分材料的特征和制作方法计要求，区分材料的
12、特征和制作方法-不同文件。不同文件。主要有四大文件：主要有四大文件： 原始数据文件原始数据文件 主资料文件主资料文件 标准数据文件标准数据文件 材料行为数据文件。材料行为数据文件。例如：例如： 合金设计的过程合金设计的过程2022/5/8a. 根据设计的目标，检索根据设计的目标，检索标准数据文件标准数据文件，确定所开发，确定所开发的合金系列的合金系列b. 根据知识库进行推理，进行成分和组织结构的设计根据知识库进行推理，进行成分和组织结构的设计c. 研究研究主要数据文件主要数据文件-评价实验数据评价实验数据-对源数据文件对源数据文件所记载的实验方法或结论进行观察，在此基础上制订所记载的实验方法或
13、结论进行观察，在此基础上制订实验计划并予以实施实验计划并予以实施d. 实验结果以实验报告的形式输入到实验结果以实验报告的形式输入到源数据文件源数据文件及及主主资料行为数据文件资料行为数据文件，对材料的分析结果输入到，对材料的分析结果输入到材料行材料行为数据文件为数据文件中中e. 以上设计实验和评价几经反复至满足性能要求，将以上设计实验和评价几经反复至满足性能要求，将设定的特性经数据处理记入设定的特性经数据处理记入标准数据文件标准数据文件。2022/5/8(2) 成分和组织结构设计成分和组织结构设计 组织、成分决定材料的性质。组织、成分决定材料的性质。 材料设计的目的是通过控制其成分、结构制造出
14、一材料设计的目的是通过控制其成分、结构制造出一种满足特殊性能要求的材料。种满足特殊性能要求的材料。 每个特定的材料都含有一个原子尺度、电子尺度到每个特定的材料都含有一个原子尺度、电子尺度到宏观尺度的体系，决定材料设计宏观尺度的体系，决定材料设计-通过对不同尺通过对不同尺度的控制来实现。度的控制来实现。 早期材料设计：早期材料设计：改善材料的成分、组织。改善材料的成分、组织。 随着对物质结构的了解和实验测试手段的改善，人随着对物质结构的了解和实验测试手段的改善，人们已可能从原子、电子等深层次指导材料设计。们已可能从原子、电子等深层次指导材料设计。2022/5/8按发展过程和研究深度分为三种方法：
15、按发展过程和研究深度分为三种方法： (a) 经验法经验法-大多数材料大多数材料 根据大量实验数据，分析归纳出一些经验公式、辨根据大量实验数据，分析归纳出一些经验公式、辨别式和相分析法。别式和相分析法。如：钢铁设计如：钢铁设计 材料科学工作者经过长期大量的实验确定了不同元材料科学工作者经过长期大量的实验确定了不同元素对钢铁性质的影响。素对钢铁性质的影响。例如：例如：提高耐热性：添加提高耐热性：添加Cr、Mn等元素等元素 保证钢性能：严格控制保证钢性能：严格控制S、P等含量等含量 塑性：塑性：C含量增加提高强度，塑性降低。含量增加提高强度，塑性降低。2022/5/8又如：低碳马氏体型超高强度钢的设
16、计又如：低碳马氏体型超高强度钢的设计 为使马氏体组织状态获得超高强度水平，须在合为使马氏体组织状态获得超高强度水平，须在合金元素设计上既考虑：金元素设计上既考虑： a. 强度作用强度作用 b. 发挥改善韧性的效果发挥改善韧性的效果 通过正交设计和回归分析获得通过正交设计和回归分析获得Si-Mn-Cr-Mo-V系系列钢中元素成分和性能间的回归方程；列钢中元素成分和性能间的回归方程； 主要元素的选择主要元素的选择-长期经验的应用长期经验的应用其中：其中：C、Si是强化元素是强化元素 Mn、Ni、Mo是韧化元素。是韧化元素。2022/5/8(b) 半经验法半经验法 量子力学、量子力学、PauLing理论、能带理论基础上，不同理论、能带理论基础上，不同元素和化合物试验资料的分析、归纳和总结，提出元素和化合物试验资料的分析、归纳和总结，提出处理复杂体系的处理复杂体系的“经验电子理论经验电子理论”，确定晶体内各，确定晶体内各类原子的杂化状态类原子的杂化状态-描述晶体。描述晶体。例如：例如：*Fe-C奥氏体低碳合金奥氏体低碳合金-超高强度钢超高强度钢*中科院程开甲院士提出的新中科院程开甲院士提出的新
