材料设计方法精品课件

1、材料设计方法第1页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四学习的目的学会独立思考、分析、解决问题通过专业课程的学习掌握分析问题的方式、方法学会专业基础知识，为将来的工作或深造做好准备克服困难、迎接挑战第2页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四材料专业的性质国家战略发展的前沿国民经济的支柱机械、电子、化工等学科的交叉新材料技术航空、高铁、信息电子等钢铁、水泥、陶瓷、玻璃、塑料等新能源材料纳米材料生物医用材料太阳能电池、锂离子电池、燃料电池第3页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四世界发展启示古代近现代中国：汉、唐希腊：自然科学，民主制度四大发明罗

2、马：军事实力、版图15、16世纪：西班牙 葡萄牙17、18世纪：荷兰、英国、法国19世纪：德国、日本、美国20世纪：苏联、美国21世纪：中国？发现新大陆蒸汽机革命、殖民地电气化革命信息化革命、航天、原子弹发展新型产业（新材料产业）第4页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四当代材料科学发展方向按性能属性化分： 金属材料 无机非金属材料（陶瓷材料） 高分子材料 复合材料按应用领域划分 航空航天材料 信息功能材料 智能材料 能源材料 生物医用材料 磁性材料 能源材料 第5页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四科学技术的发展离不开材料第6页，共37页，2022年，5

3、月20日，4点38分，星期四高温合金合金钢硅材料、半导体材料高分子材料航空、航天工业军事工业、铁路运输等信息技术产业纺织、日用品工业第7页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四新材料发展面临的“挑战”性能要求更高、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材料等如航空航天材料、核能材料等如航空航天材料等光电一体化、声光一体化等第8页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四具体实例集成电路的大规模化发展资源、能源的日趋衰竭生态环境的恶化现代医学的发展器件小型化正挑战着量子物理的极限核能、风能、太阳能的

4、高效利用，半导体照明、各种储能材料（二次电池）的开发燃料电池，各种催化剂的发展，高效利用能源生物医用材料（人工关节、人工器官、药物载体等）第9页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四材料研究的方法实验方法理论方法材料计算材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第10页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四半导体照明的发展1833年半导体Ag2S的发现1947年晶体管的 发明1958年集成电路的 发明1968年商业化发光二极管的诞生GaP基红光二极管高亮度高发光效率1970年超晶格的提出江崎、朱兆祥高亮

5、度蓝光、绿光、黄光二极管的相继出现第11页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四发光二极管的结构注：出射波长通过改变MQW的参数得以调节。超晶格超晶格第12页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四超晶格发光二极管的核心作用：使注入的电子和空穴在特定区域复合，从而增强 发光效率。第13页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四光纤通信技术研究对象：光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题损耗原因：1) 玻璃纤维中含有过量的铬、铜、铁、锰、OH- 2) 光纤拉制工艺造成芯、包层分界面不均匀及其 所引起的折射率不均匀新的发现：玻璃纤维在红外光区的损耗较小光纤之父

6、：高锟1966年英国标准电信研究所第14页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四光纤的发展历程1966年“光纤之父”高锟博士首次提 出光纤通信的想法。1970年贝尔研究所林严雄在室温下可 连续工作的半导体激光器。1970年康宁公司的卡普隆(Kapron) 之 作出损耗为20dB/km光纤。1977年芝加哥第一条45Mb/s的商用线路。第15页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四光纤的结构纤芯包层保护套第16页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四材料设计（计算）产生的条件量子力学的提出计算机的发明 固体物理、量子化学等新的学科 使人们对材料的微

7、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 的认识第17页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四材料设计方法材料计算材料设计 第一原理 分子动力学 蒙特卡洛方法 自由电子近似 近自由电子近似 密度泛函思想计算方法 材料的结构设计 材料的组分设计设计内容晶体的生长过程薄膜的生长过程材料的表面/界面行为 梯度功能材料超晶格/量子阱光子晶体第18页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四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

8、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第19页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四材料科学物理学计算机科学材料设计依据积累的经验、归纳的实验规律和总结的科学原理制备预先确定目标性能材料的科学，又称计算材料学。第20页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四发展历程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材料设计的朦胧阶段相结构定量化的材料设计原子结构定量化的材料设计经验金相显微镜X 射线衍射元素周期表计算机量子力学第21页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星

9、期四20世纪50年代 合金设计20世纪60年代 超晶格概念的提出20世纪80年代 功能梯度材料、超导材 料、超硬材料、复合材 料等设计2000年至今 从原子、分子尺度上设 计新材料和器件第22页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四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。第23页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四材料设计的热点合金设计复合材料设计半导体材料设计纳米材料航空航天材料（铝合金、镁合金、钛合金等），储氢材料，金属玻璃，形状记忆合金等航空航天用途，如金

10、属基复合材料，陶瓷基复合材料，功能梯度材料等。半导体的“掺杂工程”和“能带工程”，新型器件的设计等。量子点、量子线（超细纳米线）、量子阱，各种薄膜材料的开发等。第24页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四材料设计的范围原料材料、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第25页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四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。第26页，共37页，2022年，5月

11、20日，4点38分，星期四量子化学固体物理材料科学材料工程系统工程学科尺寸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电子原子分子组织材料行为系统特性1 ps1 fs1 ns1 ms102 / min108 / y第27页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四材料设计的途径（微观尺度）第一性原理（量子理论）分子动力学方法蒙特卡罗方法“从头算起”，特别适用于静态材料性质的预测和设计。利用分子力学原理，特别适用于较少原子组成的系统在非常短的时间内过程的模拟。利用数学上概率论原理，借助于材料内原子、分子随机运动的特点进行材料性质的预测和设计，特别适用于大量原子组成的材料体系

12、。第28页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四材料设计的途径（连续介质）相图方法有限元法人工神经网络方法遗传算法分形方法 第29页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四材料设计的意义 * 材料科学与工程发展的崭新阶段 物理模型分析、定量预测、虚拟研制 * 为高技术材料的加速开发提供理论依据 * 材料科学智能型发展的基础，知识经济和交 叉学科的生长点 可持续发展道路第30页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四预言新的超硬材料 * 金刚石的体模量4.43MBar * 成功的经验规则)/d3.5 * 第一原理赝势计算 -C3N4 有关参数: 原子间

13、距：d=1.47A 离子键程度：=0.5 体模量: B=4.27(0.15) * 引起研制CN超硬薄膜的热潮第31页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四三硼酸锂(LiB3O5:LBO)用Cs（铯）代替Li的实验与计算的消耗比较大功率紫外晶体第32页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四马氏体相变的分子动力学模拟200,000 Zr atoms1024-node Intel Paragon XP/S-150第33页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四铝的晶粒滑移第34页，共37页，2022年，5月20日，4点38分，星期四材料设计应用的范围合金设计无机材料设计复合材料设计纳米材料设计高性能合金钢、储氢材料、金属玻璃、形状记忆合金等。半导体掺杂、半导体器件结构设计、超硬材料设计等。金属基复合材料、梯度功能材料设计等。 纳米团簇、量子点 超细纳米线 量子阱第35页，共37页，2022年，5月20日