材料設(shè)計(jì)理論與方法習(xí)題(共5頁)

1、緒論(xln)材料設(shè)計(jì)當(dāng)前(dngqin)面臨的主要挑戰(zhàn)有哪些？ 答：1）當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對新材料提出(t ch)了更高的要求。性能要求更高更快，如超導(dǎo)材料、能源材料；器件日趨小型化，如半導(dǎo)體集成電路材料；能耐高溫、高壓等極端條件，如航空航天航海材料、核能材料；精度要求更高，研發(fā)費(fèi)用更高，如航空航天材料；多功能集成，如光電一體化、聲光一體化等。2）傳統(tǒng)的“炒菜”、“試運(yùn)行錯(cuò)誤”等經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)式材料研究方法，造成資源能源、人力、時(shí)間浪費(fèi)，需從理論上解決新才來解決設(shè)計(jì)問題2、材料設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容有哪些？答：通過理論與計(jì)算預(yù)報(bào)新材料的組分、結(jié)構(gòu)和性能；通過理論設(shè)計(jì)來“訂做”具有特定性能的新材料。

2、具體內(nèi)容包括合金設(shè)計(jì)、新化合物和新物相預(yù)報(bào)、超晶粒和雜化材料設(shè)計(jì)、復(fù)合材料設(shè)計(jì)、陶瓷材料設(shè)計(jì)、高分子材料設(shè)計(jì)。材料設(shè)計(jì)的途徑有哪些？答：第一性原理（能帶理論）、計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)（數(shù)值算法）、知識(shí)庫與數(shù)據(jù)庫技術(shù)（相圖數(shù)據(jù)庫）、材料設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)（人工智能）材料設(shè)計(jì)的層次有哪些？答：按研究對象的空間尺度不同分為三個(gè)層次。微觀設(shè)計(jì)層次：空間尺度1nm，電子、原子、分子層次的設(shè)計(jì)連續(xù)模型層次（介觀）：空間尺寸1um，組織結(jié)構(gòu)層次的設(shè)計(jì)，將材料看成連續(xù)介質(zhì)工程設(shè)計(jì)層次（宏觀）：空間尺寸對應(yīng)于宏觀材料，涉及大塊材料加工和使用性能的設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì)有何重要作用和意義？答：降低新材料的研發(fā)成本：合金成分的確定，半導(dǎo)體

3、摻雜等；為新材料的開發(fā)提供有力的理論支持：人工超晶格的提出、超硬材料（-C3N4）等模擬材料的失效過程，正確的找出原因：計(jì)算機(jī)模擬材料的斷裂過程等第一章1、何謂自由電子、近自由電子？答：自由電子：受原子核束縛很小的電子，很容易脫離原子核的束縛，而在整個(gè)物體內(nèi)部自由運(yùn)動(dòng)，其能量是連續(xù)譜。近自由電子：（晶體電子）晶體中有一個(gè)很弱的周期勢，電子的運(yùn)動(dòng)情況比較接近近自由電子，同時(shí)能體現(xiàn)晶體中電子狀態(tài)的特點(diǎn)，這樣的電子叫近自由電子。近自由電子理論主要用于解釋什么？答：解釋電子如何能在陽離子的強(qiáng)電場中自由運(yùn)動(dòng)，解釋低溫時(shí)純金屬無缺陷晶體的電子的高輸送性質(zhì)何謂布里淵區(qū)理論？布里淵區(qū)理論是用來干什么的？答：描

4、述能帶結(jié)構(gòu)的模型是布里淵區(qū)理論兩個(gè)應(yīng)用：一是區(qū)分金屬和絕緣體；二是合金相的瓊斯理論看懂并解釋布里淵區(qū)能帶圖.答：書上P20，圖1-8用圖1-11解釋金屬的導(dǎo)電性與絕緣性答：書上P20第三章第四章1、高分子材料設(shè)計(jì)(shj)的主要內(nèi)容有哪些？答：高分子的性質(zhì)(xngzh)-結(jié)構(gòu)(jigu)-合成，包括從微觀-宏觀、定性-定量、一級結(jié)構(gòu)-高級結(jié)構(gòu)、靜態(tài)-動(dòng)態(tài)。概括為以下幾方面：1）設(shè)計(jì)或推斷與某種（某些）宏觀性能相對應(yīng)的高分子性質(zhì)2）提出或設(shè)計(jì)能體現(xiàn)這一性質(zhì)的高分子結(jié)構(gòu)3）選擇能合成與加工該種結(jié)構(gòu)的高分子的方法和條件并完成聚合物及其材料的合成與加工2、解釋一次結(jié)構(gòu)：高分子鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)、空間構(gòu)型、鏈

5、結(jié)序列和鏈段的支化度及其分布二次結(jié)構(gòu)：一個(gè)高分子鏈由于價(jià)鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)和鏈段落的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的各種構(gòu)象三次結(jié)構(gòu)：也稱聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、織態(tài)結(jié)構(gòu)。按聚集態(tài)的緊密和規(guī)整程度，將高分子分為無定型、介晶（包括液晶）和結(jié)晶三類狀態(tài)高次結(jié)構(gòu)：由于高分子有不同的聚集態(tài)或晶態(tài)存在，又有界面或準(zhǔn)界面，所以出現(xiàn)多次結(jié)構(gòu)3、二元共聚物有哪4種鏈型結(jié)構(gòu)？答：交替、無規(guī)、嵌段、接枝4、高分子結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢是什么？改變高分子結(jié)構(gòu)的途徑有哪些？答：發(fā)展趨勢：功能高分子和智能高分子；改變結(jié)構(gòu)的途徑：1）選擇新的均聚體、新的高分子鏈；2）利用共聚物，將功能單體與普通單體共聚合；3）組成多組分體系，包括雙組分和復(fù)合組分的共熔與混熔體系5、

6、高分子的性質(zhì)有哪些？答：高分子的性質(zhì)有基本性質(zhì)（粘性、溶解性、光學(xué)特性、穩(wěn)定性等）、加工性質(zhì)、成品性質(zhì)（外觀性質(zhì)、耐久性、使用性能）6、高分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法有哪些？答：直接組合法（由具有幾種預(yù)定結(jié)構(gòu)和反應(yīng)活性的分子通過反應(yīng)拼和而成高分子）邏輯中心法（先確定目標(biāo)分子，它可由一級一級前體制得）分子力場法（多元素、多原子體系，用經(jīng)典力學(xué)觀點(diǎn)描述分子中原子的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）晶體結(jié)構(gòu)模擬法（首先要建立一個(gè)高分子晶體初始模型）高分子力學(xué)性質(zhì)模擬的原理。答：在合適的分子力場中，分子鏈在三維周期邊界條件下能形成三維無線有序的晶體。在各個(gè)方向施加分別施加一定得拉力、壓力或剪切力，整個(gè)晶體就會(huì)在新的作用力場中平衡，從而

7、產(chǎn)生一定的形變。在晶體上施加的力是已知的，受力后晶體的形變可以從平衡后的晶體結(jié)構(gòu)中量出來。根據(jù)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，就可以繪制出該高分子晶體各種應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從而得到比較可靠的各種模量或各向異性彈性常數(shù)。第五章1、復(fù)合材料(f h ci lio)的力學(xué)性能答：比強(qiáng)度(qingd)、比模量高，抗疲勞性好、安全性好；力學(xué)性能的特點(diǎn)(tdin)：可設(shè)計(jì)性、各向異性、非均質(zhì)性、層間強(qiáng)度低。2、晶須增韌有哪些優(yōu)缺點(diǎn)答：優(yōu)點(diǎn)：能有效的提高陶瓷材料的強(qiáng)度、韌性和可靠性，制備工藝簡單，可解決高溫下增韌的問題；缺點(diǎn)：由于晶須的尺寸與基體晶粒的尺寸相當(dāng)，使得晶須的增韌作用局限于幾十微米第六章1、陶瓷產(chǎn)生的主要脆性有哪些？

8、答：基體開裂、在裂紋尖端附近形成微裂紋區(qū)和相變區(qū)、基體和增強(qiáng)體的界面脫粘、纖維斷裂，出現(xiàn)裂紋橋聯(lián)、晶須或纖維拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)2、增加陶瓷韌性的主要手段有哪些？答：微裂紋增韌、相變增韌、第二相增韌、晶須增韌、纖維增韌3、何謂材料設(shè)計(jì)制造一體化？答：實(shí)驗(yàn)技術(shù)和監(jiān)控手段的結(jié)合，應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，對復(fù)合材料實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)、性能分析、工藝過程的監(jiān)控和仿真，對材料承載受力破壞過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，獲得難以用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)獲得的一系列信息，并配以適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)來檢查模型，節(jié)約了大量費(fèi)用，縮短了研制周期，完成材料的設(shè)計(jì)制造。4、陶瓷材料組分優(yōu)化設(shè)計(jì)中常用的方法是什么？可用于陶瓷材料哪些方面的設(shè)計(jì)與模擬？ 答：采用多元回歸分

9、析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究復(fù)相陶瓷中的各彌散相組成與力學(xué)性能之間的定量關(guān)系。陶瓷韌化設(shè)計(jì)的思路有哪些？答：多級增韌機(jī)制的共同作用；原位合成纖維獨(dú)石結(jié)構(gòu)材料的制備；層狀復(fù)合材料的制備第七章1、MC方法的基本思想是什么？它適合于解決材料設(shè)計(jì)與模擬的哪類問題，不適合解決哪類問題？答：基本思想：當(dāng)問題可以抽象為某個(gè)確定的問題時(shí)，應(yīng)當(dāng)先建立一個(gè)恰當(dāng)?shù)母怕誓Ｐ停创_定某個(gè)隨機(jī)事件A或隨機(jī)變量X，使得待求的解等于隨機(jī)事件出現(xiàn)的概率或隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)期望值，然后進(jìn)行模擬，即多次重復(fù)模擬隨機(jī)事件A或隨機(jī)變量X，最后對隨機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，求出A出現(xiàn)的頻數(shù)或X的平均值作為問題近似解。適用于研究物質(zhì)體系平衡性質(zhì)；不適

10、用于研究動(dòng)力學(xué)性質(zhì)2、馬爾科夫過程與非馬爾科夫過程有何區(qū)別？答：馬爾科夫過程是隨機(jī)游動(dòng)過程，不受歷史限制，即新狀態(tài)僅由現(xiàn)在狀態(tài)確定；非馬爾科夫過程新狀態(tài)依賴于過去狀態(tài)。3、MC方法的特點(diǎn)及其局限性有哪些？答：特點(diǎn)：收斂速度與問題維數(shù)無關(guān)；受問題的條件限制影響??；程序結(jié)構(gòu)簡單、占內(nèi)存少；誤差易確定；具有同時(shí)計(jì)算多個(gè)方案未知量的能力局限性：收斂速度慢；誤差與點(diǎn)數(shù)的平方根成正比；用于大系統(tǒng)、深穿透問題；低維問題計(jì)算量少；誤差的概率性質(zhì)4、MC方法在材料科學(xué)中有哪些(nxi)應(yīng)用？答：1）馬氏體相變模擬(mn)，合金有序無序轉(zhuǎn)變相關(guān)特性的模擬；合金沉淀過程模擬，一級相變的模擬；對晶粒生長和晶粒邊界偏析

11、模擬；2）用于經(jīng)典(jngdin)粒子系統(tǒng)；3）分形體系5、正常晶粒生長與異常晶粒生長的概念，晶粒生長直接原因有哪些？答：正常晶粒生長：晶粒尺寸一致增長，歸一化晶粒尺寸F和拓?fù)浞植己瘮?shù)P不隨時(shí)間改變異常晶粒生長：在重結(jié)晶的顯微結(jié)構(gòu)中，一些晶粒的尺寸迅速增大，最大尺寸的晶粒比算術(shù)平均速率大得多的速率增長。原因：驅(qū)動(dòng)力的改變（界面能的減少）正常晶粒生長基本模型的解釋以及晶粒生長圖形生成的方法。答：解釋：1）顯微結(jié)構(gòu)的演化可由改變每一晶格的取向數(shù)來實(shí)現(xiàn)；2）隨機(jī)選取一個(gè)試驗(yàn)格點(diǎn)；3）該格點(diǎn)的一個(gè)新的試驗(yàn)取向在其余Q-1種可能取向中任選其一；4）計(jì)算取向可能改變有關(guān)的能量改變E；5）通過計(jì)算改變幾率W

12、判定取向改變是否可以實(shí)現(xiàn)方法：初始圖形設(shè)定：一般晶粒生長法、幾何法；基本拓?fù)湎喔淖儗ｎ}1 合金的設(shè)計(jì)合金設(shè)計(jì)的方法有哪些？答：統(tǒng)計(jì)學(xué)法、定量組織學(xué)方法、熱力學(xué)方法、金屬物理學(xué)方法合金設(shè)計(jì)的內(nèi)容有哪些？答：成分、加工與熱處理方法組織控制 合金性能預(yù)測組織設(shè)計(jì)程序：各成分的比例、宏觀加工處理、顯微組織合金設(shè)計(jì)技術(shù)中存在哪些問題？答：組織檢測精度、獨(dú)立組織因素困難何謂電子空穴？答：當(dāng)某價(jià)電子脫離共價(jià)鍵束縛成為自由電子后，在共價(jià)鍵的原處就留下一個(gè)“空位”，這個(gè)空位就成為空穴。二元合金中相形成的條件有哪些？答：1）rNv時(shí)，則形成相7、分子軌道理論(lln)判斷相形成的判據(jù)是什么？相對(xingdu)電

13、子空穴方法，它有哪些優(yōu)點(diǎn)？答：判據(jù)(pn j)：MdMdc，析出、TCP相；MdMdc，不析出、TCP相優(yōu)點(diǎn)：理論嚴(yán)密、應(yīng)用普遍，準(zhǔn)確性高材料合成與制備方法非晶態(tài)的定義答：組成物質(zhì)的原子、分子的空間排列不呈周期性和平移對稱性，只在短程有序，而長程無序，這類物質(zhì)的狀態(tài)叫非晶態(tài)。非晶態(tài)的種類。答：非晶態(tài)合金、非晶態(tài)半導(dǎo)體材料、非晶態(tài)超導(dǎo)體、非晶態(tài)高分子材料、非晶態(tài)玻璃非晶態(tài)材料有哪些主要特征？答：高強(qiáng)度、高韌性；抗腐蝕性好（中性鹽溶液和酸性溶液）；軟磁特性；超導(dǎo)電性；特殊的光學(xué)性質(zhì)；其他性質(zhì)（室溫電阻率高和負(fù)的電阻溫度系數(shù)）非晶態(tài)材料的制備原理。答：以足夠快的冷卻速率，冷卻到材料的再結(jié)晶溫度以下（詳述見書75頁）非晶態(tài)材料的主要制備方法。答：粉末冶金法、氣相直接凝聚法、液體急冷法、其他方法（結(jié)晶材料轉(zhuǎn)變法、磁懸浮熔煉法、靜電懸浮熔煉法等）液體急冷連續(xù)制備非晶材料的方法答：離心法、壓延法、單輥法、熔體粘出法、熔滴法小編的話：這是材料設(shè)計(jì)留下的部分課后思考題（我這只記了這些思考題，有些沒抄），小編歷時(shí)一天半給大家整理出了自己的答案，希望對各位童鞋有所幫助。小編是按照書上的章節(jié)順序做的，沒按老師講課的順序，方便大家看書。雖然還沒確定考試時(shí)間，我們