材料設(shè)計(jì)方法第1頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月學(xué)習(xí)的目的學(xué)會(huì)獨(dú)立思考、分析、解決問題通過專業(yè)課程的學(xué)習(xí)掌握分析問題的方式、方法學(xué)會(huì)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，為將來的工作或深造做好準(zhǔn)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(zhì)國家戰(zhàn)略發(fā)展的前沿國民經(jīng)濟(jì)的支柱機(jī)械、電子、化工等學(xué)科的交叉新材料技術(shù)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(xiàn)代中國：漢、唐希臘：自然科學(xué)，民主制度四大發(fā)明羅馬：軍事實(shí)力、版圖15、16世紀(jì)：西班牙葡萄牙17、18世紀(jì)：荷蘭、英國、法國19世紀(jì)：德國、日本、美國20世紀(jì)：蘇聯(lián)、美國21世紀(jì)：中國？發(fā)現(xiàn)新大陸蒸汽機(jī)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(chǎn)業(yè)（新材料產(chǎn)業(yè)）第4頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)代材料科學(xué)發(fā)展方向按性能屬性化分：金屬材料無機(jī)非金屬材料（陶瓷材料）高分子材料復(fù)合材料按應(yīng)用領(lǐng)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(xué)技術(shù)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(dǎo)體材料高分子材料航空、航天工業(yè)軍事工業(yè)、鐵路運(yùn)輸?shù)刃畔⒓夹g(shù)產(chǎn)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(fèi)用更高多功能集成如超導(dǎo)材料、能源材料等如半導(dǎo)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(shí)例集成電路的大規(guī)?；l(fā)展資源、能源的日趨衰竭生態(tài)環(huán)境的惡化現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展器件小型化正挑戰(zhàn)著量子物理的極限核能、風(fēng)能、太陽能的高效利用，半導(dǎo)體照明、各種儲(chǔ)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(guān)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(shí)驗(yàn)方法理論方法材料計(jì)算材料設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)模擬降低研發(fā)成本驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，揭示內(nèi)在機(jī)理試制炒菜式成本高，代價(jià)昂貴容易造成不必要的浪費(fèi)第10頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體照明的發(fā)展1833年半導(dǎo)體Ag2S的發(fā)現(xiàn)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(lán)光、綠光、黃光二極管的相繼出現(xiàn)第11頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)注：出射波長通過改變MQW的參數(shù)得以調(diào)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(fù)合，從而增強(qiáng)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(shù)研究對(duì)象：光在石英玻璃纖維中的嚴(yán)重?fù)p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(xiàn)：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(biāo)準(zhǔn)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(yán)雄在室溫下可連續(xù)工作的半導(dǎo)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(jié)構(gòu)纖芯包層保護(hù)套第16頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月材料設(shè)計(jì)（計(jì)算）產(chǎn)生的條件量子力學(xué)的提出計(jì)算機(jī)的發(fā)明固體物理、量子化學(xué)等新的學(xué)科使人們對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)有更深入的認(rèn)識(shí)使對(duì)復(fù)雜、多參數(shù)過程的計(jì)算成為了可能通過模擬使人們對(duì)材料科學(xué)中的某一過程有了更具體的認(rèn)識(shí)第17頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月材料設(shè)計(jì)方法材料計(jì)算材料設(shè)計(jì)第一原理分子動(dòng)力學(xué)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(jì)算方法材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料的組分設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)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(shè)計(jì)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(dǎo)體摻雜等人工超晶格的提出、超硬材料（β-C3N4）等計(jì)算機(jī)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(xué)物理學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)材料設(shè)計(jì)依據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)、歸納的實(shí)驗(yàn)規(guī)律和總結(jié)的科學(xué)原理制備預(yù)先確定目標(biāo)性能材料的科學(xué)，又稱計(jì)算材料學(xué)。第20頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)展歷程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段科學(xué)組織設(shè)計(jì)階段相結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段原子結(jié)構(gòu)層次設(shè)計(jì)階段早期煉鋼金相學(xué)階段定性的材料設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì)的朦朧階段相結(jié)構(gòu)定量化的材料設(shè)計(jì)原子結(jié)構(gòu)定量化的材料設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)金相顯微鏡X射線衍射元素周期表計(jì)算機(jī)量子力學(xué)第21頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月20世紀(jì)50年代合金設(shè)計(jì)20世紀(jì)60年代超晶格概念的提出20世紀(jì)80年代功能梯度材料、超導(dǎo)材料、超硬材料、復(fù)合材料等設(shè)計(jì)2000年至今從原子、分子尺度上設(shè)計(jì)新材料和器件第22頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)代材料設(shè)計(jì)的特點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和科學(xué)設(shè)計(jì)并存與兼容材料設(shè)計(jì)將逐漸綜合化材料設(shè)計(jì)將逐步計(jì)算機(jī)化理論實(shí)驗(yàn)多結(jié)構(gòu)層次設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)相結(jié)合的綜合設(shè)計(jì)。第23頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月材料設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)合金設(shè)計(jì)復(fù)合材料設(shè)計(jì)半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)納米材料航空航天材料（鋁合金、鎂合金、鈦合金等），儲(chǔ)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(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合材料，功能梯度材料等。半導(dǎo)體的“摻雜工程”和“能帶工程”，新型器件的設(shè)計(jì)等。量子點(diǎn)、量子線（超細(xì)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(shè)計(jì)的范圍原料材料、試樣組織、結(jié)構(gòu)可否評(píng)價(jià)制備觀測測試試用性質(zhì)、特性微觀組織設(shè)計(jì)制備設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第25頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月材料設(shè)計(jì)的層次微觀層次介觀層次宏觀設(shè)計(jì)層次空間尺度~1nm，電子、原子、分子層次的設(shè)計(jì)。空間尺度~1μm，組織結(jié)構(gòu)層次的設(shè)計(jì)?？臻g尺度對(duì)應(yīng)于宏觀材料，工程應(yīng)用層次的設(shè)計(jì)。第26頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月量子化學(xué)固體物理材料科學(xué)材料工程系統(tǒng)工程學(xué)科尺寸量子力學(xué)原子和分子模擬微觀組織結(jié)構(gòu)連續(xù)模型工程設(shè)計(jì)時(shí)間電子原子分子組織材料行為系統(tǒng)特性1ps1fs1ns1ms102/min108/y第27頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月材料設(shè)計(jì)的途徑（微觀尺度）第一性原理（量子理論）分子動(dòng)力學(xué)方法蒙特卡羅方法“從頭算起”，特別適用于靜態(tài)材料性質(zhì)的預(yù)測和設(shè)計(jì)。利用分子力學(xué)原理，特別適用于較少原子組成的系統(tǒng)在非常短的時(shí)間內(nèi)過程的模擬。利用數(shù)學(xué)上概率論原理，借助于材料內(nèi)原子、分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)進(jìn)行材料性質(zhì)的預(yù)測和設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)的途徑（連續(xù)介質(zhì)）相圖方法有限元法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)的意義*材料科學(xué)與工程發(fā)展的嶄新階段物理模型分析、定量預(yù)測、虛擬研制*為高技術(shù)材料的加速開發(fā)提供理論依據(jù)

*材料科學(xué)智能型發(fā)展的基礎(chǔ)，知識(shí)經(jīng)濟(jì)和交叉學(xué)科的生長點(diǎn)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(yù)言新的超硬材料*金剛石的體模量4.43MBar*成功的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則B=(19.72-2.20)/d3.5*第一原理贗勢計(jì)算-C3N4有關(guān)參數(shù):

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(shí)驗(yàn)與計(jì)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(dòng)力學(xué)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(shè)計(jì)應(yīng)用的范圍合金設(shè)計(jì)無機(jī)材料設(shè)計(jì)復(fù)合材料設(shè)計(jì)納米材料設(shè)計(jì)高性能合金鋼、儲(chǔ)氫材料、金屬玻璃、形狀記憶合金等。半導(dǎo)體摻雜、半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、超硬材料設(shè)計(jì)等。金屬基復(fù)合材料、梯度功能材料設(shè)計(jì)等。納米團(tuán)簇、量子點(diǎn)超細(xì)納米線量子阱