陶瓷材料设计基础

材料设计与制备

绪论现代电子理论与现代化学键理论

分子动力学基础与分子动力学模拟技术

高分子材料设计基础

复合材料设计的理论基础

陶瓷材料设计

蒙特卡洛方法2023/2/31课程名称：材料设计与制备

目的概述陶瓷材料设计基础（补充）陶瓷组分优化设计（难点）

韧化设计（重点）

第6章陶瓷材料设计2023/2/32无机非金属材料概述

什么是无机非金属材料？金属材料和有机高分子材料以外的固体材料通称为无机非金属材料。由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等和氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。2023/2/33无机非金属材料概述

化学组成：金属和非金属元素的氧化物、氢氧化物、碳化物、氮化物等以不同的方式组合。几乎涉及周期表上所有元素。键合结构：离子键、共价键以及离子键和共价键的混合键2023/2/34无机非金属材料主要特点

2023/2/35无机非金属材料的种类

2023/2/36陶瓷材料

离子键、共价键以及离子键与共价键的混合键。离子晶体－以离子键结合的晶体。金属氧化物晶体。

MgO、Al2O3共价晶体－共价键结合的晶体。金刚石、SiC、Si3N4、BN特点－强度高、硬度高、熔点高、绝缘、结构稳定、膨胀系数小、脆性大、无延展性。陶瓷材料的结合键2023/2/37（1）陶瓷材料的结构

晶体相陶瓷材料最主要的组成相其结构、形态、数量及分布决定了陶瓷材料的特性。主晶相－氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐）、氧化物MgO、Al2O3）、非氧化物（SiC、Si3N4）陶瓷材料的相组成2023/2/38陶瓷材料的结构

玻璃相

玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分，其结构类似于玻璃。积极作用：填充晶体之间的空隙，提高材料的致密度；降低烧成温度；阻止晶型转变、抑止晶粒长大。不利影响：陶瓷强度、介电常数、耐热性能。陶瓷材料的相组成2023/2/39陶瓷材料的结构

气相

坯体各成分在加热过程中发生物理、化学作用所生成的空隙。不利影响：降低材料的强度，是造成裂纹的根源。有益利用：多孔瓷陶瓷材料的相组成2023/2/310陶瓷材料的结构

陶瓷材料的晶体缺陷置换原子、间隙原子和空位等造成的缺陷影响导电性、烧结。位错:

形成所需能量较大，密度很低。晶界和亚晶界:

晶界两侧晶粒取向的不同可阻止裂纹的扩展，提高陶瓷强度。点缺陷面缺陷线缺陷2023/2/311（2）陶瓷材料的性能—力学性能

陶瓷的硬度很高－1000Hv～1500Hv（普通淬火钢－500～800Hv）原因－离子晶体中离子紧密堆积、共价晶体中电子云的重叠程度高。

陶瓷的刚度很高－刚度反映其化学键能原因－高键能的离子键和共价键→高弹性模量。刚度硬度2023/2/312理论强度高—离子键和共价键

实际强度要较理论强度低—组织的不均匀性，

内部杂质和各种缺陷

晶粒越细，强度越高。

高温强度、高温抗蠕变能力、抗氧化性优于金属

材料—常用于高温材料

强度2023/2/313陶瓷的塑性和韧性较低，无塑性变形，脆性断裂——陶瓷最大的弱点。断裂过程：裂纹形成和扩展的过程断裂的原因：陶瓷内部和表面所产生的微裂纹，在受到外应力时快速扩展。塑性与韧性2023/2/314陶瓷的热学性能

陶瓷由离子键和共价键结合，具有较高的熔点。陶瓷材料在低温下热容小，在高温下热容增大。陶瓷材料的热膨胀系数小，这是由晶体结构和化学键决定的。一般为10-5～10-6/K。熔点热膨胀热容2023/2/315陶瓷的电学和光学性能

电学性能陶瓷是良好的绝缘体，具有介电特性，介电损耗很小。光学性能陶瓷由于晶界和气孔的存在一般不透明。通过改变烧结方法和控制晶粒的大小，可制备出透明的氧化物陶瓷。2023/2/316陶瓷－普通陶瓷

定义：以粘土、长石、石英为主要原料，经过粉碎、混炼、成型、锻烧等制作的产品。广义陶瓷：用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和产品的通称。2023/2/317普通陶瓷主要化学组成（质量％）SiO2Al2O3R2O+RO65－757－304－332023/2/318发展概况

陶瓷－普通陶瓷陶瓷是我国古代劳动人民的伟大发明之一英语china（昌南镇）即为陶瓷。秦代：兵马俑唐代：唐三彩宋代：定、钧、汝、官、哥窑，瓷都－景德镇青花、玲珑瓷陶都－宜兴紫砂主要产地还有：佛山、淄博、晋江、唐山、邯郸、潮州、石湾、海城、醴陵、德化等2023/2/319定窑：据《曲阳县志》载，五代时曲阳涧磁已盛产白瓷，官府曾在此设官收瓷器税；但据调查，早在唐代这里已烧白瓷；至宋代有较大发展，除烧白釉瓷器外，还烧黑釉、酱釉和绿釉等品种，文献称为“黑定”、“紫定”和“绿定”。有毛口和泪痕等特征，毛口是复烧口部不上釉，泪痕多见于盘碗外部，因釉的薄厚不匀，有的下垂形如泪迹。

定州白瓷孩儿枕定窑窑址保护大厅2023/2/320现今发现的真正论及哥窑最早的文献当推明代陆深《春风堂随笔》：“哥窑，浅白断纹，号百圾碎。宋时有章生一、生二兄弟，皆处州人，主龙泉之琉田窑，生二所陶青器纯粹如美玉，为世所贵，即官窑之类，生一所陶者色淡，故名哥窑。”哥窑葵花洗哥窑八方碗2023/2/321哥窑器必须具有众所周知的“金丝铁线”、“紫口铁足”。前者是哥窑的与众不同的裂纹，大纹为“铁线”，有的显蓝，大纹中套的小纹为“金丝”，有的不一定显金黄，大纹小纹合称为“面圾破”，它应当是密而不疏，曲而不直；后者是哥窑显露的较为特殊的胎色，但两者往往如鱼与熊掌一样不可兼得。瓷胎满釉器有“紫品”而无铁足。铁足应当是胎质本身的无釉颜色。

哥窑青釉葵瓣口盘哥窑八方贯耳扁瓶2023/2/322钧窑:在钧州境内（今河南禹县），故名。是宋代五大名窑之一。创烧于唐代，经历宋金至元代。境内有窑地近一百处，以小白峪历史最早，唐代已烧黑釉带斑点器物，时称“花瓷”，对宋代紫红斑点装饰有直接影响。宋代首创釉中加入适当铜金属，烧成玫瑰紫、海棠红等紫红色釉，美如晚霞。玉壶春象鼻瓶2023/2/323我国是陶瓷大国，日用陶瓷、建卫陶瓷产量均为世界第一，占世界产量的2/3。我国又是陶瓷出口大国，2005年出口金额为45.54亿美元，出口建筑陶瓷4.2亿平方米，卫生陶瓷出口3885万件，出口170多个国家，出口额占世界整个行业的40％，其中佛山占60％。2023/2/324除中国外，世界陶瓷器的生产主要集中在欧洲。英国－骨瓷、类碧玉陶器。法国－各种雕像、花卉瓷，具有装饰华丽、色彩鲜艳的特点。德国－高白度硬质瓷，并左右当时欧洲的瓷器风格。荷兰－白釉蓝彩陶器称誉欧洲(16-17世纪)。日本－濑户陶瓷产区13世纪起即以陶瓷业著称。2023/2/325陶瓷－普通陶瓷分类

2023/2/326普通陶瓷－日用瓷

一般应具有良好的白度、光泽度、透光性、热稳定性和强度。日用陶瓷主要应用于茶具、餐具和工艺品2023/2/327普陶－日用瓷

白如玉,明如镜,薄如纸,声如磬2023/2/328普陶－陈设瓷2023/2/3292023/2/330普通陶瓷－建筑瓷

建筑陶瓷以粘土为主要原料而制得的用于建筑物的陶瓷粗陶瓷

以难熔粘土为主要原料，包括砖、瓦、盆罐等精陶瓷

以瓷土和高岭土为主要原料，包括釉面砖、建卫瓷等炻瓷

以陶土和粘土为主要原料，包括地砖、外墙砖、耐酸陶瓷等312023/2/331陶器从广义上可分为四类:土器：坯质粗松，多孔，色泽不洁，成陶火度最低，有吸水性，音粗而韵短，如砖瓦钵；炻器：坯质致密坚硬,取天然泥色，成陶火度在1010℃到1020℃，无吸水性，音粗而韵长，如紫砂陶。陶器：坯质也较细，上釉，成陶火度高，有吸水性，音粗而韵短。瓷器：坯质致密透明，上釉，成陶火度最高，无汲水性，音清而韵长。炻器2023/2/3322023/2/3332023/2/334墙地砖的选择：一看：瓷砖的坯体颜色是否纯正，主要观察瓷砖的背面颜色是否均匀、一致。观察产品有无缺袖、斑点、裂纹、轴泡、波纹等明显质量缺陷。进行色差的辨别：要对所有包装的产品抽样对比，观察色差的变化，色差大的不能选用。观察瓷砖横切面的颗粒是否细腻，这里所说的横切面是指瓷砖断片的断裂处。断裂处细密，硬脆，色泽一致的为上品。因为颗粒细腻的瓷砖防水能力强；而颗粒较大的瓷砖，水分容易浸入，影响品质。看釉层的厚度。釉层厚度就是釉面横切面的厚度。釉料是最贵的材料，釉层越厚，自然品质越好。取两块砖背对背和面对面看是否能严密接触有无缝隙过大的现象可判断是否有翘曲。二听：轻敲瓷砖，注意听声音是否清脆。如声音清亮、悦耳为上品，如声音沉闷，为次品。352023/2/335墙地砖的选择：三试水：可以在瓷砖背面倒上一些水，注意观察瓷砖吸水的快慢。几分钟之后，再看正面水留下的印子是否明显。水散开后浸润得慢的瓷砖密度大，而且水留印子不明显，视为上品。找墨水涂于面上过一小时后擦洗看是否有痕迹，没痕迹的是好砖。四尺量：拿两块砖量两块砖的尺寸，尺寸误差大于0.5毫米、平整度大于0.1毫米不能用。补充：可参照商家提供的国家或行业检测机关出具的检测报告，对比以下指标数据：吸水率、耐磨性、耐酸性及污染指标鉴别对比。2023/2/336普瓷－卫生瓷

卫生陶瓷以高岭土为主要原料，用于卫生设施，带釉，有陶质、炻瓷质和瓷质等。372023/2/3372023/2/338普瓷－电瓷

电绝缘瓷又称电瓷，是作为隔电、机械支撑及连接用的瓷质绝缘器件。电器绝缘陶瓷分为低压电瓷、高压电瓷和超高压电瓷。2023/2/339普瓷－化工用瓷

化工用瓷要求耐酸、耐高温、具有一定强度。主要用于化学、化工、制药、食品等工业。402023/2/340特种陶瓷

定义采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于进行结构设计及控制制造的方法进行制造、加工的，具有特殊性能的陶瓷。作为工程结构材料使用的陶瓷材料，主要利用陶瓷材料所具有的高强度、高硬度、耐高温、耐摩擦、耐腐蚀等力学和热学方面的优异性能。2023/2/341结构陶瓷

与普通陶瓷的区别原料上：纯度较高的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硅化物等，材料组成精确调配；制备上：突破了炉窑的界限，广泛采用真空烧结、保护气氛烧结、热压、热等静压等手段；性质上：特殊力学、物理和化学性能。422023/2/3422023/2/343氧化物结构陶瓷特点：化学稳定性好、抗氧化性强、熔融温度高、高温强度高。2023/2/344Al2O3陶瓷的性能特点及应用

强度高、硬度高

机械加工磨料、磨具、切削工具、轴承熔点高、抗腐蚀

耐火材料、炉管、热电偶保护管优良的化学稳定性

坩埚、人体关节、人工骨骼电绝缘性能好

基板、火花塞、电路外壳优良的光学特性

透光材料：钠蒸汽灯管、微波整流罩窗口、激光振荡元件452023/2/345氧化铝坩埚氧化铝耐磨陶瓷球及陶瓷片2023/2/346SiC陶瓷

性能特点：高硬度、高的高温强度、高导热性、抗蠕变性好、抗酸和金属熔体、不抗碱应用—高温结构材料：火箭尾喷管的喷嘴、热电偶套管、发热体、高温热交换器、核燃料包装材料2023/2/347Si3N4陶瓷

性能特点：

化学稳定性好：抗酸、碱、熔融金属硬度高、摩擦系数小、绝缘性和抗热震性好、高温强度高应用：

耐磨材料(密封环、高温轴承)耐火材料(输送铝液的管道、阀门)切削刀具等482023/2/348Si3N4陶瓷轴承492023/2/349502023/2/350改善陶瓷材料强度、韧性的措施1.微晶、高密度与高纯度2．提高抗裂能力与预加应力3．相变增韧4．弥散增韧5．纤维增韧6．层状化结构7．纳米陶瓷512023/2/351结构陶瓷的应用

机械加工磨料、磨具、切削工具耐火材料、炉管、高温喷嘴、热电偶保护套坩埚、人体关节、人工骨骼基板、火化塞、电路外壳制成透光材料、微波整流罩窗口、激光振荡元件2023/2/3522023/2/3532023/2/354Si3N4密封圈耐磨陶瓷阀门芯片B4C/TiB2复相陶瓷防弹片及喷嘴2023/2/355功能陶瓷

定义具有电、光、磁以及部分化学功能的多晶无机固体材料。功能—具有特定的电绝缘性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性、生物适应性等。562023/2/356功能陶瓷分类

2023/2/357功能电子陶瓷

压电陶瓷

压电陶瓷是具有压电效应的陶瓷材料压电效应：

外力作用于晶体

介质极化

压电效应材料的压电效应取决于晶体结构的不对称性，

晶体必须有极轴，才有压电效应。2023/2/358压电陶瓷的种类

压电陶瓷—钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅（PZT）等。压电陶瓷的应用—超声换能器、滤波器、声转换器、谐振器、点火器等。2023/2/359超声用压电陶瓷换能器超高精度扫描仪－动态压电传感技术最小间距达50微米。扫描实物：工业材质、粘土、玻璃、水晶、色彩丰富的物件，还包括鲜果和鲜鱼。602023/2/360光电陶瓷─光电陶瓷是具有光电导效应的陶瓷光电导现象－陶瓷受到光照射时，能带间、能带与能级间的迁移引起光吸收，能带内产自由载流子，使电导率增加。光敏元件－利用光电导效应检测光强度。主要是GdS多晶；检测从波长X-Ray—紫外线。在GdS中添加Cu杂质，用作检测可见光的光敏元件。2023/2/361超导陶瓷1986年超导陶瓷出现。超导陶瓷主要有：镧系－La2CuO3

钇系－YBa2Cu2Oy铋系－Bi-Sr-Cu-O

铊系－Ta-Ba-Ca-Cu-O2023/2/362超导陶瓷的应用

在信息领域：用作高速转换元件、通信元件和连接电路。在生物医学领域：用于核磁共振断层摄像仪、量子干涉仪、粒子线治疗装置等。在交通运输领域：完全抗磁体制造的磁悬浮列车、电磁推进器、飞机航天飞机发射台等。在电子能源领域：用于超导磁体发电、超导输电、超导储能等。在宇宙开发、军事领域：潜艇的无螺旋浆无噪声电磁推进器、超导磁炮等。632023/2/363超导陶瓷的应用

2023/2/364磁性陶瓷

2023/2/365磁性陶瓷的应用

软磁铁氧体铁氧体

硬磁铁氧体软磁体

电感线圈、天线、变压器和滤波的

磁芯以及录音和录像的磁头等。硬磁体

永磁体，用于高频磁场领域。662023/2/366功能光学陶瓷

光学陶瓷

能够透光的陶瓷要求：具有优良的透光性、耐热性、耐风化性、耐膨胀性；经光的照射，其性质发生可逆或不可逆变化。2023/2/367光学陶瓷的种类

682023/2/368透明陶瓷应用

2023/2/3692023/2/370功能陶瓷材料

生物陶瓷

用于人体器官替换、修补以及外科矫形的陶瓷材料。生物惰性陶瓷

Al2O3瓷、ZrO2瓷、C类瓷生物活性陶瓷

磷酸钙陶瓷Na2O-K2O-MgO-CaO-SiO2-P2O5陶瓷712023/2/3712023/2/372生物陶瓷

2023/2/373PLLA/-TCP多孔复合材料2023/2/374采用钢板内固定法在实验组缺损处植入细胞－材料复合组织工程骨Implantationofcell-materialcompoundintobridge10mmsegmentalbonedefectsbyinternalfixation狗骨髓基质干细胞(MSCs)与β-TCP/PLLA多孔复合材料复合构建组织工程骨修复长段骨缺损的体内研究2023/2/375术后1月，动物一般情况良好，肢体行走已恢复正常，动物精神状态良好，反应灵敏，X光检查见图如下：胫骨实验性骨缺损区对位对线良好，腓骨可见明显组织反应性增生，材料可见小部分降解。2023/2/376敏感陶瓷

敏感陶瓷

性能随外界条件（温度、湿度、气氛)的变化而发生改变的陶瓷。热敏陶瓷

BaTiO3、SrTiO3、PbTiO3压敏陶瓷

ZnO,SiC,Ge磁敏陶瓷

钕铁硼铝镍钴气敏陶瓷

Fe2O3,ZnO,SnO湿敏陶瓷

尖晶石型钙钛矿2023/2/3772023/2/378陶瓷材料的生产工艺过程

2023/2/379思考题相对于金属、高分子材料，陶瓷材料有何性能特点?2023/2/380陶瓷材料设计1.熟悉陶瓷设计的基本理论；

目的2.理解陶瓷设计的基本思想；3.认识陶瓷设计的重要意义；4.掌握陶瓷设计的主要方法。2023/2/381陶瓷材料设计1.陶瓷设计的概念与分类；

一、概述2.陶瓷的重要应用；3.陶瓷设计的重要作用与意义。2023/2/382陶瓷材料设计：

概述陶瓷设计是指通过理论与计算预报陶瓷新材料的组分、结构与性能，或“订做”具有特定性能或使用目的的新型陶瓷材料。

1、概念与分类2023/2/383陶瓷材料设计：

概述1）艺术陶瓷设计

陶瓷设计分类2）日用陶瓷设计2023/2/384陶瓷材料设计：

概述3）特种陶瓷设计陶瓷设计分类2023/2/385陶瓷材料设计：

概述陶瓷的作用具有不可替代性：

2、重要应用2023/2/386陶瓷材料设计：一、概述

提高陶瓷材料性能，促进高科技发展：如相变增韧、晶须增韧等；高密度储存材料等；

3、设计的作用

预报新型陶瓷材料，满足新需求：如从LiB3O5（LBO）KBe2BO3F2(KBBF)晶体的发现。

2023/2/3871、越来越多的服役环境要求结构陶瓷的结构性能接近或达到理论值；2、功能陶瓷功能性由电子层次体现。陶瓷材料设计：一、概述4、为什么要进行陶瓷设计?2023/2/3881、陶瓷材料科学知识水平的发展；2、相关理论学科如力学与计算机能力的发展；3、测试分析手段的发展。陶瓷材料设计：一、概述5、能否对陶瓷进行设计?6、怎样对陶瓷进行设计?2023/2/389陶瓷材料设计：二、设计基础1.陶瓷材料设计内容

二、陶瓷设计基础2.组分设计3.结构与性能设计4.合成与制备工艺设计5.效能评价2023/2/390陶瓷材料设计：二、设计基础1、设计内容陶瓷设计组分结构与性能制备工艺效能2023/2/391陶瓷材料设计：二、设计基础2、组分设计陶瓷设计1)组分设计？结构相同，组分不同，性能不同。例：石墨六方BN：NaClCaO：2023/2/392陶瓷材料设计：二、设计基础2、组分设计2)组分设计

组元设计组分配比设计2023/2/393组元设计?单组元、双组元、3组元等n组元。例：单组元C：石墨、金刚石、富勒烯C60；双组元C、Ti：TiC；3组元:Ti(NC)2023/2/394组分配比设计?组元相同，组员配比不同，晶体结构不同，陶瓷材料的性能不同。例：FeOFe2O3

Fe3O4；VO2

V2O3

V2O5；

’-Sialon15R-Sialon2023/2/395陶瓷组分设计计算方法：1）按化学计算式计算配料比设原料纯度为100％，化学计算式中各原料的摩尔数为X1、X2、X3、…、Xi，分子量为M1、M2、M3、…、Mi，则配料中各原料的的质量为：W1=X1xM1，W2=X2xM2，W1=X1xM1，…，Wi=XixMi，各原料的质量百分比计算式：设实际原料的纯度为P，则各原料的实际质量应为上面计算的值除以相应原料的纯度，即W’=W/P。2023/2/396陶瓷材料设计：二、设计基础3、结构设计1）晶体结构设计化学组元、化学键型、格子类型设计。2）显微构造设计单相多晶、多相多晶、玻璃、气孔等设计。2023/2/397

方法：方法众多，选择最合适的；设备：如隧道窑与钟罩炉烧结磁性材料：工艺技术：锐钛型与金红石型纳米TiO2（焙烧温度）陶瓷材料设计：二、设计基础4、合成制备方法、工艺设计思考题：你能举出陶瓷组成相同，制备工艺参数不同，产物不同的实例吗？2023/2/398Typicalcontentsofhouseholdsolidwaste.陶瓷性能是设计的目标和出发点：力学性能、电学性能、磁学性能、光学性能等陶瓷材料设计：二、设计基础5、性能设计思考题：请举例阐述1－2种晶体性能与其晶体结构关系的实例？2023/2/399陶瓷材料设计：二、设计基础三、陶瓷组分优化设计1.问题提出的背景

2.宏/细观力学3.复相陶瓷设计/制造一体化技术2023/2/3100陶瓷陶瓷材料设计：三、陶瓷组分优化设计1、问题提出的背景2023/2/3101颗粒、晶须、纤维增强界面应力脱粘宏细观力学专家系统智能系统设计2023/2/3102陶瓷优点增韧脆性？陶瓷材料设计：三、陶瓷组分优化设计2、宏细微观力学2023/2/3103产生脆性的原因复相陶瓷陶瓷：微裂纹扩展微裂纹扩展、脱粘、纤维断裂、裂纹桥联、裂纹偏转、应力场等2023/2/3104增韧的主要手段微裂纹；相变；第二相颗粒；晶须（或短纤维）或纤维目的：阻碍裂纹的萌生和扩展2023/2/3105有关细微观力学模型颗粒陶瓷相变（ZrO2）/微裂纹复合增韧理论模型纤维、晶须及延性颗粒增韧桥联增韧力学模型：中等结合强度的界面能同时获得较高的强度和韧性晶须、颗粒复合增韧；晶须/相变增韧晶须桥联/裂纹偏转复合增韧模型；Al2O3-ZrO2-SiCw复合增韧模型等2023/2/3106有关宏观力学模型利用宏细微观力学模型，结合其它数值方法，根据材料组分的性质和微结构特征来预测陶瓷复合材料的宏观力学、物理性能，及以其为基础的计算机模拟技术来描述陶瓷复合材料微细宏观各层次多尺度范围内的变形、损伤和断裂各阶段，复合材料的变形与破坏等已取得了较好的效果。如：用区焕文数值法结合Cgristensen和Waals公式计算随机取向纤维复合材料的弹性模量和杨氏模量；自洽法计算晶须、颗粒增强陶瓷基复合材料的有效弹性模量；用自洽理论和数值法计算球状微粒掺杂的各向同性复合材料及单向纤维复合材料的热膨胀系数等都取得了与实验值吻合较好的效果。2023/2/31076.1.3复相陶瓷设计/制造一体化技术随着计算机技术在材料科学技术中应用的不断进步，促使人们依据材料科学的知识系统将大量的丰富的实验资料贮存起来，形成可供参阅的综合数据库，并将已得到的科学知识、经验、规律构成知识库，逐步形成各种材料设计的专家系统，代替繁琐的实验，应用计算机模拟技术，对陶瓷复合材料的组分、结构实施优化设计、性能分析、工艺过程的监控和仿真，对材料承载受力破坏过程进行计算机模拟，获得难以用传统实验获得的一系列信息。即实现材料设计/制造一体化。下图为一复相陶瓷设计专家系统示意图。2023/2/3108复相陶瓷性能、结构指标的确定数据库和知识库组元选择和复合方式的确定材料制备性能表征性能参数和目标参数的比较复合陶瓷材料进入修改性能不合格性能合格图6-1复合陶瓷设计系统2023/2/3109传统的专家系统，以专家（人）建立的规则为基础，具有说明推理的能力，以演绎进行设计；人工神经网络具有从例证和数据中取得规则的能力，以归纳法进行设计；人们将上述2种方法（传统的专家系统与人工神经网络）有机地结合起来，构成智能化设计专家系统。应用前景极为广阔，是今后材料设计的发展方向。2023/2/31106.3陶瓷组分优化设计方法：多元回归+实验结果用途：研究复相陶瓷中各弥散相组成与力学性能之间的定量关系主要问题（用计算机技术解决）：

简单组分多组分复杂体系；多层次微观复合不断深入和多样化；使用工况2023/2/31116.3.1复合陶瓷的力学性能的多元回归模型以多元线性回归（比单元回归更复杂）研究因变量（性能）和多个自变量（组成含量或工艺参数等）之间的定量关系的计算过程为：假设m个自变量X1

Xm，因变量Y的多元线性模型表示为（6-1）式中a，bi(I=1,2,,n)不能按单元模型直接计算，须进行以下步骤的转换：2023/2/3112（6-2）（6-3）（6-4）1.将式（6-1）标准化（6-5）2023/2/3113（6-6）（6-7）（6-8）（6-9）式中Xi，Y分别为自变量和因变量的平均值，Sxi（或记为lii)和Sy（或记为lyy）分别为自变量Xi和因变量Y的方差。2023/2/3114（6-10）（6-11）（6-12）2.建立标准回归系数的正规方程2023/2/31153.解上述方程求bi*值4.建立式（6-2）标准回归方程5.建立一般回归方程（6-13）（6-14）（6-15）2023/2/3116当用多元线性回归模型处理复相陶瓷的性能与多元组分的线性统计关系，其统计误差超过实验的测试误差时，应采用多元非线性回归模型。这是由于考虑自变量之间的交互作用（交互项）对性能的影响。处理方法是在上述基础上，增加若干交互项进行相应的计算，其回归模型可表示为（6-16）2023/2/31176.3.2复相陶瓷的性能优化分析与组成设计1.相变增韧与颗粒弥散强化陶瓷的硬度与组成的回归分析例：选具高致密性（>98%理论密度）且内部结构均匀细密瓷体（系统误差得以满足）的性能和组成作为研究数据。方法采用内插法采集大量数据以保证计算精度。选择适当的数学模型对陶瓷的硬度和强度等力学性能随几种弥散相含量的变化进行回归分析。以Al2O3基复相陶瓷作为系统的研究对象，应变量Y分别代表性能（Hv,f），自变量X1为硬质颗粒（SiC和TiC）含量，X2为ZrO2含量，f（X1,X2）为协同项，根据不同的数学模型选择交互项。2023/2/3118（SiC+ZrO2）/Al2O3陶瓷的维氏硬度按照多元线性回归（I）和多元非线性回归（II）两种方法建立数学模型：（6-17a）（6-17b）III式中Y—硬度；X1—SiC含量；X2—ZrO2含量；b1、b2、b3—为SiC、ZrO2和交互相系数。2023/2/3119参照式（6-2），上述两式计算所得的标准回归方程分别为：III（6-18a）（6-18b）表6-1为此系统的弥散相含量、实测硬度、线性和非线性回归方程以及应变量和均方差。从表中的拟合结果中的均方差可以看出，采用非线性回归比采用线性回归与实际更为吻合。2023/2/3120表6-1系统中的自变量X1、X2,回归方程Y1,Y2，实测硬度Yexp及均方差（S）2023/2/3121Fig.6-2SiC和ZrO2含量与相变增韧与弥散陶瓷的维氏硬度的曲线分布图2023/2/31222.相变增韧与颗粒弥散强化陶瓷的强度性能分析（6-19）根据相变增韧与颗粒弥散对材料性能的影响，建立强度与组成的关系式如下式：式中F1、F2分别代表二元组分的强度变化幅度，分别取决于相变增韧，裂纹偏转效应和残余应力场的差值，F’1、F’2为交互项系数，F12为协同系数。2023/2/31232023/2/3124对式（6-19）两组分含量求偏导可得到最佳体积分数与最大强度，图6-3为（TiC+ZrO2)/Al2O3复合材料的强度性能分布规律与实验结果.图中可以预测出最佳性能（476.2MPa）及其组成（0.110,0.157）。Fig.6-3相变增韧与颗粒弥散复相陶瓷的强度（/MPa）与双组分的等性能曲线分布2023/2/31253.多层次复合陶瓷的断裂韧性分析以纳米SiCn与微米SiCP颗粒作弥散相，按一定比例混合增强Al2O3基陶瓷复合材料的方法来优化设计多层次复合陶瓷，期望其综合力学性能得到进一步改善。采用非线性回归方法来处理得到其拟合方程为：K=3.70+98X(0.28-X)+158Y(0.24-Y)–87XY该式预测出其最佳韧性为6.81MPam1/2（组成为X(SiCP)=9.7Vol%，Y(SiCn)=9.7Vol%；实测韧性为6.88±0.21MPam1/2（组成为X=10Vol%，Y=10Vol%。下图为此多层次复合陶瓷的断裂韧性与组成的关系曲线。结果表明采用此计算方法可快速预测出材料的优化性能。2023/2/3126Fig.(SiCn+SiCP)/Al2O3复合陶瓷的断裂韧性K的等性能曲线与组成的关系2023/2/3127结论采用线性及非线性回归分析可以定量研