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1、材料设计方法,学习的目的,学会独立思考、分析、解决问题 通过专业课程的学习掌握分析问题的方式、方法 学会专业基础知识，为将来的工作或深造做好准备,克服困难、迎接挑战,材料专业的性质,国家战略发展的前沿 国民经济的支柱 机械、电子、化工等学科的交叉 新材料技术,航空、高铁、信息电子等,钢铁、水泥、陶瓷、玻璃、塑料等,新能源材料 纳米材料 生物医用材料,太阳能电池、锂离子电池、燃料电池,世界发展启示,古代 近现代,中国：汉、唐,希腊：自然科学，民主制度,四大发明,罗马：军事实力、版图,15、16世纪：西班牙 葡萄牙,17、18世纪：荷兰、英国、法国,19世纪：德国、日本、美国,20世纪：苏联、美国
2、,21世纪：中国？,发现新大陆,蒸汽机革命、殖民地,电气化革命,信息化革命、航天、原子弹,发展新型产业,（新材料产业）,当代材料科学发展方向,按性能属性化分：,金属材料 无机非金属材料（陶瓷材料） 高分子材料 复合材料,按应用领域划分,航空航天材料 信息功能材料 智能材料 能源材料 生物医用材料 磁性材料 能源材料 ,科学技术的发展离不开材料,高温合金 合金钢 硅材料、半导体材料 高分子材料,航空、航天工业,军事工业、铁路运输等,信息技术产业,纺织、日用品工业,新材料发展面临的“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
3、材料、能源材料等,如半导体材料等,如航空航天材料、核能材料等,如航空航天材料等,光电一体化、声光一体化等,具体实例,集成电路的大规模化发展 资源、能源的日趋衰竭 生态环境的恶化 现代医学的发展,器件小型化正挑战着量子物理的极限,核能、风能、太阳能的高效利用，半导体照明、各种储能材料（二次电池）的开发,燃料电池，各种催化剂的发展，高效利用能源,生物医用材料（人工关节、人工器官、药物载体等）,材料研究的方法,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,半导体照明的发展,1833年,半导体Ag2S
4、的发现,1947年,晶体管的 发明,1958年,集成电路的 发明,1968年,商业化发光二 极管的诞生,GaP基红光二极管,高亮度,高发光效率,1970年,超晶格的 提出,江崎、朱兆祥,高亮度蓝光、绿光、黄光 二极管的相继出现,发光二极管的结构,注：出射波长通过改变MQW的参数得以调节。,超晶格,超晶格,超晶格发光二极管的核心,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。,光纤通信技术,研究对象：光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题 损耗原因：1) 玻璃纤维中含有过量的铬、铜、铁、锰、OH- 2) 光纤拉制工艺造成芯、包层分界面不均匀及其 所引起的折射率不均匀 新的发现：玻璃纤维在
5、红外光区的损耗较小,光纤之父：高锟,1966年英国标准电信研究所,光纤的发展历程,1966年“光纤之父”高锟博士首次提 出光纤通信的想法。 1970年贝尔研究所林严雄在室温下可 连续工作的半导体激光器。 1970年康宁公司的卡普隆(Kapron) 之 作出损耗为20dB/km光纤。 1977年芝加哥第一条45Mb/s的商用线路。,光纤的结构,材料设计（计算）产生的条件,量子力学的提出 计算机的发明,固体物理、量子化学等新的学科,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,材料设计方法,材料计算 材料设计,第
6、一原理 分子动力学 蒙特卡洛方法,自由电子近似 近自由电子近似 密度泛函思想,计算方法,材料的结构设计 材料的组分设计,设计内容,晶体的生长过程 薄膜的生长过程 材料的表面/界面行为 ,梯度功能材料 超晶格/量子阱 光子晶体,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,材料科学,物理学,计算机科学,材料 设计,依据积累的经验、归纳的实验规律和总结的科学原理制备 预先确定目标性能材料的科学，又称计算材料学。,发展历程,经验设计阶段
7、 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,材料设计的朦胧阶段,相结构,定量化的材料设计,原子结构,定量化的材料设计,经验,金相显微镜,X 射线衍射,元素周期表 计算机 量子力学,20世纪50年代 合金设计 20世纪60年代 超晶格概念的提出 20世纪80年代 功能梯度材料、超导材 料、超硬材料、复合材 料等设计 2000年至今 从原子、分子尺度上设 计新材料和器件,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。,材料设计的热点,合金设计
8、 复合材料设计 半导体材料设计 纳米材料,航空航天材料（铝合金、镁合金、钛合金等），储氢材料，金属玻璃， 形状记忆合金等,航空航天用途，如金属基复合材料，陶瓷基复合材料，功能梯度材料等。,半导体的“掺杂工程”和“能带工程”，新型器件的设计等。,量子点、量子线（超细纳米线）、量子阱，各种薄膜材料的开发等。,材料设计的范围,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,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
9、观材料，工程应用层次的设计。,量子化学,固体物理,材料科学,材料工程,系统工程,学科,尺寸,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,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,材料设计的途径（微观尺度）,第一性原理（量子理论） 分子动力学方法 蒙特卡罗方法,“从头算起”，特别适用于静态材料性质的预测和设计。,利用分子力学原理，特别适用于较少原子组成的 系统在非常短的时间内过程的模拟。,利用数学上概率论原理，借助于材料内原子、分子 随机运动的特点进行材料性质的预测和设计，特别 适用于大量原
10、子组成的材料体系。,材料设计的途径（连续介质）,相图方法 有限元法 人工神经网络方法 遗传算法 分形方法 ,材料设计的意义,* 材料科学与工程发展的崭新阶段 物理模型分析、定量预测、虚拟研制 * 为高技术材料的加速开发提供理论依据 * 材料科学智能型发展的基础，知识经济和交 叉学科的生长点 可持续发展道路,预言新的超硬材料,* 金刚石的体模量4.43MBar * 成功的经验规则B=(19.72-2.20)/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(0.15) * 引起研制CN超硬薄膜的热潮,三硼酸锂(LiB3
11、O5:LBO)用Cs（铯）代替Li的实验与计算的消耗比较,大功率紫外晶体,马氏体相变的 分子动力学模拟 200,000 Zr atoms 1024-node Intel Paragon XP/S-150,铝的晶粒滑移,材料设计应用的范围,合金设计 无机材料设计 复合材料设计 纳米材料设计,高性能合金钢、储氢材料、金属玻璃、形状记忆合金等。,半导体掺杂、半导体器件结构设计、超硬材料设计等。,金属基复合材料、梯度功能材料设计等。,纳米团簇、量子点 超细纳米线 量子阱,本课程主要内容,第一章 绪论 第二章 材料设计方法基础知识 第三章 第一性原理 第四章 分子动力学 第五章 蒙特卡洛方法 第六章 数据库与专家系统,基础理论,侧重微观层次 设计理论,最小二乘法、线性回归、正交法,课程考试,闭卷考试（书本知识为主，70 %左右） 平时成绩（作业题、课堂点名，30 %左右）,