材料設計方法

材料設計方法第1頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月學習的目的學會獨立思考、分析、解決問題通過專業(yè)課程的學習掌握分析問題的方式、方法學會專業(yè)基礎知識，為將來的工作或深造做好準備克服困難、迎接挑戰(zhàn)第2頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月材料專業(yè)的性質國家戰(zhàn)略發(fā)展的前沿國民經濟的支柱機械、電子、化工等學科的交叉新材料技術航空、高鐵、信息電子等鋼鐵、水泥、陶瓷、玻璃、塑料等新能源材料納米材料生物醫(yī)用材料太陽能電池、鋰離子電池、燃料電池第3頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月世界發(fā)展啟示古代近現代中國：漢、唐希臘：自然科學，民主制度四大發(fā)明羅馬：軍事實力、版圖15、16世紀：西班牙葡萄牙17、18世紀：荷蘭、英國、法國19世紀：德國、日本、美國20世紀：蘇聯、美國21世紀：中國？發(fā)現新大陸蒸汽機革命、殖民地電氣化革命信息化革命、航天、原子彈發(fā)展新型產業(yè)（新材料產業(yè)）第4頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月當代材料科學發(fā)展方向按性能屬性化分：金屬材料無機非金屬材料（陶瓷材料）高分子材料復合材料按應用領域劃分航空航天材料信息功能材料智能材料能源材料生物醫(yī)用材料磁性材料能源材料……第5頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月科學技術的發(fā)展離不開材料第6頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月高溫合金合金鋼硅材料、半導體材料高分子材料航空、航天工業(yè)軍事工業(yè)、鐵路運輸等信息技術產業(yè)紡織、日用品工業(yè)第7頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月新材料發(fā)展面臨的“挑戰(zhàn)”性能要求更高、更快器件日趨小型化能耐高溫、高壓等極端條件精度要求更高，研發(fā)費用更高多功能集成如超導材料、能源材料等如半導體材料等如航空航天材料、核能材料等如航空航天材料等光電一體化、聲光一體化等第8頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月具體實例集成電路的大規(guī)模化發(fā)展資源、能源的日趨衰竭生態(tài)環(huán)境的惡化現代醫(yī)學的發(fā)展器件小型化正挑戰(zhàn)著量子物理的極限核能、風能、太陽能的高效利用，半導體照明、各種儲能材料（二次電池）的開發(fā)燃料電池，各種催化劑的發(fā)展，高效利用能源生物醫(yī)用材料（人工關節(jié)、人工器官、藥物載體等）第9頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月材料研究的方法實驗方法理論方法材料計算材料設計計算機模擬降低研發(fā)成本驗證實驗結果，揭示內在機理試制炒菜式成本高，代價昂貴容易造成不必要的浪費第10頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月半導體照明的發(fā)展1833年半導體Ag2S的發(fā)現1947年晶體管的發(fā)明1958年集成電路的發(fā)明1968年商業(yè)化發(fā)光二極管的誕生GaP基紅光二極管高亮度高發(fā)光效率1970年超晶格的提出江崎、朱兆祥高亮度藍光、綠光、黃光二極管的相繼出現第11頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)光二極管的結構注：出射波長通過改變MQW的參數得以調節(jié)。超晶格超晶格第12頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月超晶格——發(fā)光二極管的核心作用：使注入的電子和空穴在特定區(qū)域復合，從而增強發(fā)光效率。第13頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖通信技術研究對象：光在石英玻璃纖維中的嚴重損耗問題損耗原因：1)玻璃纖維中含有過量的鉻、銅、鐵、錳、OH-

2)光纖拉制工藝造成芯、包層分界面不均勻及其所引起的折射率不均勻新的發(fā)現：玻璃纖維在紅外光區(qū)的損耗較小光纖之父：高錕1966年英國標準電信研究所第14頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖的發(fā)展歷程1966年“光纖之父”高錕博士首次提出光纖通信的想法。1970年貝爾研究所林嚴雄在室溫下可連續(xù)工作的半導體激光器。1970年康寧公司的卡普隆(Kapron)之作出損耗為20dB/km光纖。1977年芝加哥第一條45Mb/s的商用線路。第15頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖的結構纖芯包層保護套第16頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月材料設計（計算）產生的條件量子力學的提出計算機的發(fā)明固體物理、量子化學等新的學科使人們對材料的微觀結構有更深入的認識使對復雜、多參數過程的計算成為了可能通過模擬使人們對材料科學中的某一過程有了更具體的認識第17頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月材料設計方法材料計算材料設計第一原理分子動力學蒙特卡洛方法自由電子近似近自由電子近似密度泛函思想計算方法材料的結構設計材料的組分設計設計內容晶體的生長過程薄膜的生長過程材料的表面/界面行為……梯度功能材料超晶格/量子阱光子晶體第18頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月材料設計的意義降低新材料的研發(fā)成本為新材料的開發(fā)提供有力的理論支持模擬材料的失效過程，正確地找出原因合金成分的確定、半導體摻雜等人工超晶格的提出、超硬材料（β-C3N4）等計算機模擬材料的斷裂過程等第19頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月材料科學物理學計算機科學材料設計依據積累的經驗、歸納的實驗規(guī)律和總結的科學原理制備預先確定目標性能材料的科學，又稱計算材料學。第20頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)展歷程經驗設計階段科學組織設計階段相結構設計階段原子結構層次設計階段早期煉鋼金相學階段定性的材料設計材料設計的朦朧階段相結構定量化的材料設計原子結構定量化的材料設計經驗金相顯微鏡X射線衍射元素周期表計算機量子力學第21頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月20世紀50年代合金設計20世紀60年代超晶格概念的提出20世紀80年代功能梯度材料、超導材料、超硬材料、復合材料等設計2000年至今從原子、分子尺度上設計新材料和器件第22頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月現代材料設計的特點經驗設計和科學設計并存與兼容材料設計將逐漸綜合化材料設計將逐步計算機化理論實驗多結構層次設計、結構和性質相結合的綜合設計。第23頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月材料設計的熱點合金設計復合材料設計半導體材料設計納米材料航空航天材料（鋁合金、鎂合金、鈦合金等），儲氫材料，金屬玻璃，形狀記憶合金等航空航天用途，如金屬基復合材料，陶瓷基復合材料，功能梯度材料等。半導體的“摻雜工程”和“能帶工程”，新型器件的設計等。量子點、量子線（超細納米線）、量子阱，各種薄膜材料的開發(fā)等。第24頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月材料設計的范圍原料材料、試樣組織、結構可否評價制備觀測測試試用性質、特性微觀組織設計制備設計材料設計系統設計第25頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月材料設計的層次微觀層次介觀層次宏觀設計層次空間尺度~1nm，電子、原子、分子層次的設計?？臻g尺度~1μm，組織結構層次的設計?？臻g尺度對應于宏觀材料，工程應用層次的設計。第26頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月量子化學固體物理材料科學材料工程系統工程學科尺寸量子力學原子和分子模擬微觀組織結構連續(xù)模型工程設計時間電子原子分子組織材料行為系統特性1ps1fs1ns1ms102/min108/y第27頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月材料設計的途徑（微觀尺度）第一性原理（量子理論）分子動力學方法蒙特卡羅方法“從頭算起”，特別適用于靜態(tài)材料性質的預測和設計。利用分子力學原理，特別適用于較少原子組成的系統在非常短的時間內過程的模擬。利用數學上概率論原理，借助于材料內原子、分子隨機運動的特點進行材料性質的預測和設計，特別適用于大量原子組成的材料體系。第28頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月材料設計的途徑（連續(xù)介質）相圖方法有限元法人工神經網絡方法遺傳算法分形方法

……第29頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月材料設計的意義*材料科學與工程發(fā)展的嶄新階段物理模型分析、定量預測、虛擬研制*為高技術材料的加速開發(fā)提供理論依據

*材料科學智能型發(fā)展的基礎，知識經濟和交叉學科的生長點可持續(xù)發(fā)展道路第30頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月預言新的超硬材料*金剛石的體模量4.43MBar*成功的經驗規(guī)則B=(19.72-2.20)/d3.5*第一原理贗勢計算-C3N4有關參數:

原子間距：d=1.47A

離子鍵程度：=0.5

體模量:B=4.27(0.15)*引起研制CN超硬薄膜的熱潮第31頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月三硼酸鋰(LiB3O5:LBO)用Cs（銫）代替Li的實驗與計算的消耗比較大功率紫外晶體第32頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月馬氏體相變的分子動力學模擬200,000Zratoms1024-nodeIntelParagonXP/S-150第33頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月鋁的晶?；频?4頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月材料設計應用的范圍合金設計無機材料設計復合材料設計納米材料設計高性能合金鋼、儲氫材料、金屬玻璃、形狀記憶合金等。半導體摻雜、半導體器件結構設計、超硬材料設計等。金屬基復合材料、梯度功能材料設計等。納米團簇、量子點超細納米線量子阱