1、材料设计方法材料设计方法顾修全2011.4学习的目的学习的目的l学会独立思考、分析、解决问题l通过专业课程的学习掌握分析问题的方式、方法l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材料专业的性质l国家战略发展的前沿l国民经济的支柱l机械、电子、化工等学科的交叉l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世界发展启示l古代l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、
2、日本、美国20世纪：苏联、美国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当代材料科学发展方向按性能属性化分：n 金属材料n 无机非金属材料（陶瓷材料）n 高分子材料n 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科学技术的发展离不开材料l高温合金l合金钢l硅材料、半导体材料l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新材料发展面临的“挑战挑战”l性能要求更高、更快l器件日趋小型化l能
3、耐高温、高压等极端条件l精度要求更高，研发费用更高l多功能集成如超导材料、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具体实例l集成电路的大规模化发展l资源、能源的日趋衰竭l生态环境的恶化l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）材料研究的方法材料研究的方法l实验方法l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
4、的浪费半导体照明的发展半导体照明的发展1833年半导体Ag2S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超晶格发光二极管的核心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。发光效率。光纤通信技术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
5、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光纤的发展历程l1966年“光纤之父”高锟博士首次提 出光纤通信的想法。l1970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。l1970年康宁公司的卡普隆(Kapron) 之 作出损耗为20dB/km光纤。l1977年芝加哥第一条45Mb/s的商用线路。光纤的结构光纤的结构纤芯纤芯包层包层保护保护套套材料设计（计算）产生的条件材料设计（计算）产生的条件l量子力学的提出l计算机的发明 固体物理、量
6、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设计方法l材料计算l材料设计u 第一原理u 分子动力学u 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计算方法u 材料的结构设计u 材料的组分设计设计内容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材料设计的意义l降低新材料的研发成本l为新材料的开发提供有力的理论支持l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
7、材料（- C3N4）等计算机模拟材料的断裂过程等材料科学材料科学物理学物理学计算机科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，又称预先确定目标性能材料的科学，又称计算材料学计算材料学。发展历程发展历程l经验设计阶段l科学组织设计阶段l相结构设计阶段l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l20世纪50年代 合金设计l20世纪60年代 超晶格概念的提出l20世纪80
8、年代 功能梯度材料、超导材 料、超硬材料、复合材 料等设计l2000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现代材料设计的特点l经验设计和科学设计并存与兼容l材料设计将逐渐综合化l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。材料设计的热点材料设计的热点l合金设计l复合材料设计l半导体材料设计l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
9、开发等。材料设计的范围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材料设计的层次l微观层次l介观层次l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 ps1 fs1 ns1 ms102 / min108 / y材料设计的途径材料设计的途径（微观尺度）（微观尺度）l第一性原理（量子理论）l分
10、子动力学方法l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，特别适用于大量原子组成的材料体系。材料设计的途径材料设计的途径（连续介质）（连续介质）l相图方法l有限元法l人工神经网络方法l遗传算法l分形方法 材料设计的意义材料设计的意义 * 物理模型分析、定量预测、虚拟研制物理模型分析、定量预测、虚拟研制 * * 可持续发展道路可持续发展道路预言新的超硬材料预言新的超硬材料 * 金刚石的体模量金刚石的体模量4.43MBar
11、* 成功的经验规则成功的经验规则B=(19.72-2.20 )/d3.5 * 第一原理赝势计算第一原理赝势计算 -C3N4 有关参数有关参数: 原子间距：原子间距：d=1.47A 离子键程度：离子键程度： =0.5 体模量体模量: B=4.27(0.15) * 引起研制引起研制CN超硬薄膜的热潮超硬薄膜的热潮三硼酸锂三硼酸锂(LiB3O5:LBO)用用Cs（铯）（铯）代替代替Li的实验与计算的消耗比较的实验与计算的消耗比较大功率紫外晶体大功率紫外晶体马氏体相变的分子动力学模拟200,000 Zr atoms1024-node Intel Paragon XP/S-150铝的晶粒滑移材料设计应用的范围材料设计应用的范围l合金设计l无机材料设计l复合材料设计l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本课程主要内容l第一章 绪论l第二章 材料设计方法基础知识l第三章 第一性原理l第四章 分子动力学l第五章 蒙特卡洛方法l第六章 数据库与专家系统基础理论侧重微观层次侧重微观层次设计理论设计理论最小二乘法、线性回归、正交法课程考试课程考试l闭卷考试（书本知识为主，70 %左右）l平时成绩（作业题、课堂点名，30 %左右）
