现代材料设计理论与方法.ppt

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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？材料设计依据

2、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

3、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

4、领域,人工半导体超晶格、有机合成路线设计,1950s,1960s,起步时期,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

5、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

6、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。,

7、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

8、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.内涵与研究内容,通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料。,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。,艺术设计 建筑设计 机械设计 服装设计 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,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

9、，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

10、，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；,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

11、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,

12、电子,原子分子,组织,材料行为,系统特性,1 ps,1 fs,1 ns,1 ms,102/min,108/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

13、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,“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

14、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)/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(0.1

15、5)*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,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。,超晶格1962年由苏联人最早提出，1969年，由江崎和朱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

16、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

17、。,超晶格,超晶格,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,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,光子晶体的诞生是由于人们希望能像控制电子一样来控制光子，类似于半导体周期性结构对电子的控制，使电子不能在禁带中存在，但可跨禁带跃迁。,反蛋白石结构的光子晶体,多晶Si棒堆积而成的光子晶体,光子晶体的应用,光子晶体反射器

18、件高效发光二极管低阈值激光器光子晶体光纤,类似一个理想的全反射镜，可增加对特点频率光的反射率。,在发光二极管的发光中心放一块光子晶体，使发光中心的自发辐射和光子带隙的频率重合，并在光子晶体中引入一缺陷态，自发辐射将不能沿其它方向传播，只能沿特定的通道传播，这将使发光效率达到90%以上。,用带有线缺陷的光子晶体作为光纤，就能够极大的减少能量的损失。,原理等同于发光二极管，可降低受激发射的阈值。,光子晶体增强太阳电池的转换效率,光子晶体太阳电池结构以及SEM图,光子晶体光纤,光子晶体光纤的SEM图,光伏电池的设计,结构设计,工艺设计,光伏电池的新概念,叠层光伏电池，可有效地利用太阳光,油漆(墨水)

19、光伏电池,优点：工艺简单，转换效率达到1%,复合材料设计,复合材料的设计不仅涉及材料问题，更多的考虑应该是结构问题。,复合材料的结构设计,一次结构,二次结构,三次结构,复合材料的设计,单层材料的设计,铺层设计,结构设计,结构设计和材料设计必须同时进行，统一在一个设计方案中。,例如，碳/碳复合材料，梯度功能材料等。,产品结构,复合材料,颗粒增强型,板状增强型,连续纤维增强型,由两种以上不同的原材料组成，使原材料的性能得到充分发挥，并通过复合化而得到单一材料所不具备的性能的材料。,又称为杂化材料，是将三大材料在原子、分子水平上混合，形成的一类材料。,陶瓷设计,当代陶瓷材料设计的主题应该属于“脆性材

20、料设计”范畴，即陶瓷增韧与韧化。目前已经可以实现相变增韧的回归分析，并通过专家系统预报相应的性能。通过晶须增韧补强及多级增韧机制，借助于宏微观性能结构关系和力学分析方法，设计出各类高技术陶瓷。,例如，渐变功能材料设计(FGM梯度功能材料)，日本人提出将设计、合成、评估三者紧密结合起来，按预定要求做出材料的思想。,主要设计方法：有限元方法。,梯度复合管,核反应堆,高分子材料设计,研究焦点：高性能聚合物结构材料、非线性光学材料、导电 共轭聚合材料及发光聚合材料等。,主要研究工具：分子设计和计算技术。,例如，采用分子模拟方法预报实验中难以测定的高分子晶体结构及力学性能；通过分子结构的多变性-结构性能

21、关系的理解而实现分子“剪裁”和高分 子“形态工程”，从而实现聚合物的多功能化，构建器件集成新途径；通过设计构造导电共聚物，开发功能高分子材料在能源、信息、光电 子等技术中的应用。,高分子材料设计,经验法半经验法第一性原理分子动力学法蒙特卡罗法有限元法材料设计专家系统人工神经网络,传统炒菜式,量子化学计算,计算机模拟、数值算法,人工智能,3.技术途径,本课程将涉及的几种技术途径,第一性原理（能带理论）计算机模拟技术（数值算法）知识库与数据库技术（相图数据库）材料设计专家系统,a.第一性原理,基于薛定谔方程计算得到材料的基本性质，应用范围广泛。但由于求解过程复杂，通常采用合理的简化与近似来进行实际

22、材料的计算。由Kohn教授所发展密度泛函理论方法，近年来在预测新材料性能方面有两个突出的成功事例：一是预报存在Si的高压金属相及其超导性；二是预报C3N4超硬材料。,1930s开始研究，随着计算机的出现发展迅速。,科恩凭借密度泛函理论上的贡献获得1998年诺贝尔化学奖。,主要计算方法,密度泛函理论（局域密度近似）准粒子方程Car-Parrinello 方法,1960s提出，将多电子问题简化为单电子问题。,1960s提出，从多粒子系统格林函数出发，计算各种复杂多体效应对准粒子能量贡献。,第一性原理分子动力学方法，利用原子间的相互作用势，模拟计算系统的平衡态和非平衡态的物理性质。,惰性气体分子组成

23、的系统L-J势 金属Stillinger-Webber势,b.计算机模拟技术,原子尺度模拟计算显微尺度模拟计算宏观尺度模拟计算,按模拟尺度可以分为三类：,对应学科：量子化学，固体物理等,工具：分子动力学，蒙特卡洛方法，第一性原理等,工具：有限元方法，相图设计方法，热力学方法等,对应学科：材料科学，连续介质,对应学科：材料工程，系统工程等,工具：工程模拟方法。,采用哪一种模拟方法视具体研究对象而定，今后发展的趋势是使3种不同模拟层次相耦合，建立计算机模拟的统一模型。,利用计算机对真实的系统进行模拟实验、提供实验结果。,微观层次的模拟方法,分子动力学方法蒙特卡洛方法,统计物理学中的一种计算方法，该

24、方法以其能够跟踪粒子运动轨迹，不存在任何随机因素，模拟结果准确等特性而备受研究者的关注。但使用该方法的程序较复杂，计算量大，占内存较大。,通过构造合适的数学、物理模型进行计算的一种方法，该方法计算与实际结果存在一定的误差，但计算程序较简单，占内存较小。,本课程的重点内容,根据粒子间相互作用势，计算多粒子系统的结构和动力学过程。原则上，可用这些方法计算各种物系的结构和性质。,三种计算模拟方法的比较,c.知识库与数据库技术（相图设计）,数据库知识库,包含有关研究对象的各种事实。,由规则库和数据库组成，包含有关解决问题的策略即经验规则的集成。,材料知识库和性能数据库具有一系列优点，可与人工智能技术相

25、结合，构成材料性能预测或材料设计专家系统。,例如，山岛良绩等建立的计算机辅助合金设计系统。,当前，国际上的材料数据库正朝着智能化和网络化的方向发展。智能化是使材料数据库发展成为专家系统；网络化是将分散的、彼此独立的数据库相联而成为一个完整系统。,d.材料设计专家系统（人工智能）,专家系统的研究始于20世纪60年代，是指具有相当数量的与材料有关的各种背景知识，并能运用这些知识解决材料设计中有关问题的计算机程序系统。,专家系统可以连接数据库、模式识别、人工神经网络以及各种运算模块，这些模块综合运用可以有效地解决设计中的有关问题。,类型：以知识检索、简单计算和推理为基础的专家系统；以计算机模拟和计算

26、为基础的材料设计专家系统；以模式识别和人工神经网络为基础的专家系统；以材料智能加工为目标的材料设计专家系统。,最理想的专家系统是从基本理论出发，通过计算和逻辑推理，预测未知材料的性能和制备方法，但由于制约材料结构和性能的因素极其复杂，在可以预见的将来，这种完全演绎式的专家系统还难以实现。目前的专家系统是以经验知识和理论知识相结合(即归纳与演绎相结合)为基础的。,利用大型知识库和数据库辅助材料设计的一个典型例子是日本三岛良绩和岩田修一等建立的计算机辅助合金设计系统。该项目得到日本政府的支持，任务是为未来的可控热核反应炉设计和选择材料。在大型计算机中贮存了各种与合金设计有关的信息，其中包括各种元素

27、的基本物理化学数据，合金相图，合金物性的各种经验方程式，各类合金体系的实验数据，各种合金的性能、用途以及有关文献目录等等。以元素的含量(百分数)为坐标，构筑以70多种元素的含量为坐标的多维空间将上述各种信息记录在该多维空间中，然后按下列步骤实现计算机辅助合金设计。,输入对材料性能的要求。(2)检索材料信息，找寻符合要求 的资料。(3)计算所选材料的性质。对前一步骤选得的Dt集合，根据理论、经验式、内插、外推等各种方法估算其性质。(4)在计算性质的基础上寻找指标 高的未知材料，将预报点规定为初步选定材料。(5)应用演绎法、归纳法和数据库中的资料，试图改善初步选定材料的性能以推荐最终选定的材料。(

28、6)计算最终选定材料的性能。,材料设计目前存在的问题,材料设计的目标是设计出实用化的材料，到目前为止，还找不到一个由微观参数到宏观性能的材料设计方法。组织层次上的材料设计还落后于电子原子尺度和宏观尺度上的研究。有必要集中发挥各学科的技术力量，对电子、原子、分子、晶体结构以及显微组织和宏观性能等各个层次进行深入细致的研究，最终实现材料的可设计化。,小结,材料设计：通过理论设计来订做具有特定性能的材料。,金属材料设计,高分子材料设计,陶瓷材料设计,复合材料设计,宏观层次上的设计,介观层次上的设计,原子分子层次上的设计,下一讲主要内容,奇妙的材料内部结构？,材料,分子,原子,电子,原子核,电子的运动状态如何？怎么描述？,小问题,原子之间的结合方式如何？,能量分布,能带理论,化学键合方式,量子化学理论,材料的性质取决于什么？,作业题,请列举一下你认为的在材料领域内，近年来国内外取得的重大突破性或者是标志性成果，时间限定为2000年以后，数量不限。请准备一个作业本，这学期我们计划完成4次作业。成绩评价方式：平时成绩（占40%，含课堂表现、课堂作业、课外实践、研讨课表现等），期末成绩60%,