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1、材料设计内容,黄妙菲,什么是材料设计？,材料设计(materials design)：是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能，或者说，通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料。 想要什么材料就能实现？ 当然不是！ 由于凝聚态物理学、量子化学等相关基础学科的深入发展，以及计算机能力的空前提高，使得材料研制过程中理论和计算的作用越来越大，直至变得不可缺少。,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。,材料设计在材料加工制备过程中起重要作用。尤其是以原子、分子为起始物采用化学和物理学方法进行材料
2、合成时，要求在微观尺度上控制其结构时，离不开理论的指导。如果在配合使用实时传感器和无损检测器的情况下能对微观结构进行优化与控制，则可实现理论设计指导下的智能加工。 尽管材料设计贯穿在材料从制备、测试、性能以及使用的各个环节，但其核心部分仍是在物理、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。,材料设计的范围与层次,1985年日本三岛良绩在新材料开发与材料设计学一书中为材料设计的工作范围提出了一个轮廓，如图 l-1所示。,这表明从材料制备到材料性能、再到使用，都属于材料设计的工作范围，其中包括组成、结构和特性的微观设计在内。,从广义来说，材料设计可按研究对象的空间尺度不同而划分为三个层次
3、：,微观设计层次空间尺度在约 l nm量级，是原子、电子层次的设计。 连续模型层次典型尺度在约 1m量级，这时材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为。 工程设计层次尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。 这三个层次的研究对象、方法和任务是不同的。,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,在90年代的材料科学与工程报告中，美国学者提出现代材料科学研究应
4、由四个要素组成，即固有性质(properties)、结构与组分、使用性能(performance)及合成与加工。这四者是相互联系的整体。 该报告认为材料设计在这四个要素中都起重要作用。这里把固有性质与使用性能分开，前者指材料的固有性质，后者则同材料应用相联系，包括寿命、速度、能量效率、安全、价格等，它们是衡量使用性能的因素。,材料设计在材料加工制备过程中起重要作用。尤其是以原子、分子为起始物采用化学和物理学方法进行材料合成时，要求在微观尺度上控制其结构时，离不开理论的指导。 如果在配合使用实时传感器和无损检测器的情况下能对微观结构进行优化与控制，则可实现理论设计指导下的智能加工。 尽管材料设计
5、贯穿在材料从制备、测试、性能以及使用的各个环节，但其核心部分仍是在物理、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。,材料设计应用的范围,合金设计 高性能合金钢、储氢材料、金属玻璃、形状记忆合金等。 无机材料设计 半导体掺杂、半导体器件结构设计、超硬材料设计等。 复合材料设计 金属基复合材料、梯度功能材料设计等。 纳米材料设计 纳米团簇、量子点； 超细纳米线； 量子阱,材科设计的主要途径,材料知识库和数据库技术 材料设计专家系统 材料设计中的计算机模拟 基于第一性原理的计算,材料设计的途径（微观尺度）,第一性原理（量子理论） “从头算起”，特别适用于静态材料性质的预测和设计 分子动力学方法 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。 蒙特卡罗方法 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 ,Thank you,