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1、现代材料设计理论与方法 Materials Design 参考书目曹茂盛，曹茂盛，材料现代设计理论与方法材料现代设计理论与方法，哈尔滨工业，哈尔滨工业大学出版社，大学出版社，20072007第第2 2版版张跃，谷景华等，计算材料科学基础北京航空航天大学出版社，2007吴兴惠，项金钟编著，现代材料计算与设计教程电子工业出版社，2002熊家炯，材料设计天津大学出版社，2000戴起勋，材料设计教程化学工业出版社，2007课程进度安排第一篇：材料现代设计理论第二篇：材料计算方法与计算技术第三篇：材料计算设计应用课外自学请带着这些问题进入课程学习。材料设计与传统的机械设计、模具设计有何不同？材料设计主要
2、研究哪些内容？与我们以往学过的课程有哪些不同？材料设计依据哪些理论？材料设计所采用的研究手段有哪些？材料设计有哪些应用？专题一专题二专题三一、绪论 背景、历史与现状 内涵与研究内容 技术途径前世今生研究对象研究手段1.背景、历史与现状材料科学理论实验归纳演绎设计材料加工、制备材料什么是材料？材料科学：核心是结构与性能间的关系合成与制备Synthesis and Fabrication结 构Structures性 能Properties效能与功能Performance固有性质应用如何得到结构性能之间的关系？实验方法 理论计算方法一系列探索性、验证性实验。一系列计算方法进行材料性能预测。诞生背景：
3、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材料、能源材料等如半导体集成电路材料等如航空航天航海材料、核能材料等如航空航天材料等光电一体化、声光一体化等小问题材料科学是什么时候诞生的？材料设计思想是什么时候产生的？材料设计的历史经验设计阶段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朦胧阶段相结构定量化的材料设计原子结构现代材料设计Bottom up rather than top down现代材料设计的研究历史高温合金：应用于航天、军事领域人工半导体超晶格、有机合成路线设计19
4、50s1960s起步时期金属间化合物的形成能和稳定性预测1970s（高温合金，金属陶瓷等）材料设计专家系统的开发、高温超导陶瓷物相的预报等1980s日本人提出“d电子合金设计”思想例如，美国“隐身材料设计专家系统”日本“计算机辅助合金设计系统”核反应堆防护材料兴起从原子分子层次设计材料的热潮。1990s快速发展时期分子模拟技术、数值算法的出现1940s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。具有运算速度快、计算精确度高、有逻辑判断以及自动控制能力等特点。现代材料设计诞生的前提量子力学的提出计算机
5、的发明新型材料制备技术 固体物理、量子化学、化学键理论等新的理论或学科的发展 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 超晶格、非晶态材料、准晶、亚稳相、原子组装材料与器件等20世纪50年代以后研究现状和趋势计算机分析和模型化地进展，使材料科学从定性描述逐渐进入到定量研究阶段；以原子、分子为起始物进行材料合成，并在微观尺度上控制其结构，已经是现代先进材料合成技术的重要发展方向；物理、化学等多种学科的综合运用；向着智能化方向发展，模拟仿真技术，数据库、专家系统等技术。材料设计的意义实验方法理论方法材料计算材料
6、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爱迪生为了寻找合适的灯丝材料，前后花了3年多时间，做了1600多次实验，尝试了6000多种材料，实验记录簿多达200多本，共4万多页。最终才在1880年不经意发现了竹丝纤维材料。挖井的例子仅凭经验尝试结合理论计算结果凡事预则立，不预则废。我国现代材料设计的发展1970s，上海冶金所采用化学键参数和模式识别
7、技术，在新材料预报方面做了大量计算工作。1980s，中科大温元凯等采用模式识别与键参数分析方法，设计、预报、合成新的高温超导体；1987年，“863”新材料领域开始设立材料微观结构设计与性能预测专题；1996年设立863新材料模拟设计实验室。2011年结题的部分973项目人工结构材料的能带设计、制备和效应的基础研究 首席科学家：资剑 复旦大学物质性能的分子设计与性能调控 首席科学家：郑兰蓀 厦门大学我国存在的缺点和不足：1.很多人从事该领域研究，但是原创性成果相 对较少；2.数据库、专家系统以及相关设计软件的开发 远落后于国外。每年需投入大量资金购买国 外商业化软件。2.内涵与研究内容n 通过
8、理论设计来“订做”具有特定性能的新材料。n 通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能。即材料的“计算机分析与模型化”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。核心：什么是设计？（Design）把一种计划、规划、设想通过视觉形式传达出来的活动过程。p 艺术设计p 建筑设计p 机械设计p 服装设计p 集成电路设计 。图纸、方案产品请思考材料设计与这些设计有何区别？材料设计1.计算模拟 即从实际数据出发，通过建立数学模型及数值2.计算，模拟实际过程；2.计算机设计 即直接通过理论模型和计算，预测或设计 材料的结构和性能合理的近似是必要的！例如，超晶格的诞生过程1969年，贝尔实验
9、室江崎、朱兆祥提出两种不同材料超薄层构成的量子阱与超晶格材料的概念。借助分子束外延技术得以实现这种结构。制造出具有优异性能的微电子与光电子器件。对应关系实验室实验计算机模拟样品物理仪器校准测量分析结果模型计算机程序检验程序计算分析结果与“计算材料学”的关系运用计算材料学的各种方法预报材料性能。较计算材料学内容更丰富、应用性更强例如，第一性原理法，量子化学法，分子动力学方法，蒙特卡洛法，有限元方法，遗传算法，模糊神经网络算法。不仅是材料理论计算，还涉及到材料的经验、半经验方法；不仅是材料结构、性能的计算，还涉及数据库、知识库和专家系统 等人工智能技术的综合应用；不仅是材料原子、分子层次上的计算，
10、还涉及到空间上多层次上的 计算。本课程在材料类本科教学中的地位全称：现代材料设计理论与方法专业主干课程材料物理材料科学基础材料设计方法计算材料学更理论、专业理论+实践材料设计所涵盖的范围原料材料、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以下例子属于材料设计范围吗？炼钢高性能钢铁、特种钢材半导体材料掺杂、导电性能控制水泥配方材料设计思想在我们的日常生活中无处不在。材料设计的分类从研究层次上分类从研究对象上分类宏观、介观、微观宏观、介观、微观金属、陶瓷、高分子、复合材料等金属、陶瓷、高分子、复合材料等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
11、 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。对应学科：量子化学、固体物理对应学科：材料科学对应学科：材料工程第一性原理MD、MC有限元工程模拟量子化学固体物理材料科学材料工程系统工程学科空间尺度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尺度电子原子分子组织材料行为系统特性1 ps1 fs1 ns1 ms102/min108/y例如，对金属材料而言从能量的角度：从形态的角度：组织层次 相层次 原子层次宏观热力学统计热力学能带理论 组织结构层次 相层次 原子层次金相学晶体学价键理论其中，电子理论部分（原子层次）最
12、关键，它决定了材料设计理论的精确性和可靠性。材料的原子结构层次设计起源于1969年江崎和朱兆祥提出超晶格、量子阱思想，随后借助于分子束外延技术将这一思想得以实现。量子阱量子线量子点(原子团簇)原子级工程atomically engineering超晶格思想的提出者江崎玲玉奈，日本科学家，发明隧道二极管朱兆祥(1932)，美籍华裔科学家美国IBM公司研究员发现半导体中的隧穿效应，获1973年诺贝尔物理学奖具有划时代的意义江崎，1925 江崎在IBM公司的合作者材料的原子结构层次设计复合材料或杂化材料：在原子、分子水平上的混合。国家技术发明一等奖（2004年）黄伯云研制的飞机刹车片“高性能炭/炭航
13、空制动材料的制备技术”材料设计的对象金属材料人工晶体材料新化合物新物相陶瓷材料高分子材料复合材料新材料研发例如，耐热合金是航天航空技术领域使用最频繁的新型材料，为了提高合金的高温强度，通常必须向合金中添加其他合金元素。然而，添加过多将在长期使用过程中出现新物相沉淀，使材料催化。如何控制合金中的添加剂含量？PHACOMP技术，控制合金的组成“d电子合金设计法”，应用于钛合金、镍铬合金等计算机辅助合金设计（CAAD），可控热核反应炉材料针对金属材料合金设计新材料开发：主要是靠找到性能优异的新化合物，如钕铁硼、钐钴硫以及高温超导陶瓷等。基本步骤：是否可能存在？微观结构和可能性质？制备成功的可能性？预
14、测、计算新物相预报预言新的超硬材料 *金刚石的体模量4.43 MBar *成功的经验规则)/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(LiB3O5:LBO)用Cs（铯）代替Li的实验与计算的消耗比较预言超晶格p 从物理与化学基本原理出发，设计新器件、新材料的成功例子就是超晶格。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。p 超晶格1962年由苏联人最早提出，1969年，由江崎和朱兆祥正式从理论和实验上证实。目前已经成为了发光二极管最重要的组成部分。超晶格结
15、构半导体超晶格介电体超晶格金属多层膜磁性多层膜光子晶体结构声子晶体结构基本思想：人工改变晶体结构的周期，实现功能的“剪裁”。光、电、热、磁功能调节半导体超晶格的类型组分超晶格掺杂超晶格掺杂超晶格的优点：多层结构的完整性非常好，由于掺杂 量一般较小，杂质引起的晶格畸变也较小，掺杂超晶格中没有像组分超晶格那样明显的异质界面；掺杂超晶格的有效能量隙可以具有从零到未调制的基体材料能量隙之间的任何值，取决于对各分层厚度和掺杂浓度的选择。半导体超晶格的类型多维超晶格应变超晶格 SiGe/Si 是典型半导体应变超晶格材料，随着能带结构的变化，载流子的有效质量 可能变小，可提高载流子的迁移率，可做出比一般Si
16、器件更高速工作的电子器件。当多层薄膜的厚度十分薄时，在晶体生长时反而不容易产生位错。半导体发光二极管 增大电子和空穴的辐射复合机会，从而提高发光效率；出射波长通过改变MQW的参数得以调节。超晶格超晶格h 超晶格所起的作用：超晶格材料量子阱超晶格的高分辨率TEM图像及LED超晶格激光器AlGaAs光子沿平行界面层的方向发射出来，层起到光波导的作用。介电体超晶格介电体超晶格材料的设计、制备、性能和应用国家自然科学一等奖（2006年）闵乃本研制的介电体超晶格在激光器领域的应用 将超晶格概念推广到介电材料，研制成周期、准周期和二维调制结构介电体超晶格。光子晶体 光子晶体的诞生是由于人们希望能像控制电子
17、一样来控制光子，类似于半导体周期性结构对电子的控制，使电子不能在禁带中存在，但可跨禁带跃迁。反蛋白石结构的光子晶体多晶Si棒堆积而成的光子晶体光子晶体的应用光子晶体反射器件高效发光二极管低阈值激光器光子晶体光纤类似一个理想的全反射镜，可增加对特点频率光的反射率。在发光二极管的发光中心放一块光子晶体，使发光中心的自发辐射和光子带隙的频率重合，并在光子晶体中引入一缺陷态，自发辐射将不能沿其它方向传播，只能沿特定的通道传播，这将使发光效率达到90%以上。用带有线缺陷的光子晶体作为光纤，就能够极大的减少能量的损失。原理等同于发光二极管，可降低受激发射的阈值。光子晶体增强太阳电池的转换效率光子晶体太阳电
18、池结构以及SEM图光子晶体光纤光子晶体光纤的SEM图光伏电池的设计结构设计工艺设计光伏电池的新概念Solar Spectrum0.000.250.500.751.001.251.501.752.00050010001500200025003000Wavelength(nm)Spectral Irradiance (W m-2 nm-1)UnusedGaInPGeGaAs叠层光伏电池，可有效地利用太阳光油漆(墨水)光伏电池优点：工艺简单，转换效率达到1%复合材料设计 复合材料的设计不仅涉及材料问题，更多的考虑应该是结构问题。复合材料的结构设计一次结构二次结构三次结构复合材料的设计单层材料的设计铺
19、层设计结构设计结构设计和材料设计必须同时进行，统一在一个设计方案中。例如，碳/碳复合材料，梯度功能材料等。产品结构复合材料颗粒增强型板状增强型连续纤维增强型 由两种以上不同的原材料组成，使原材料的性能得到充分发挥，并通过复合化而得到单一材料所不具备的性能的材料。又称为杂化材料，是将三大材料在原子、分子水平上混合，形成的一类材料。陶瓷设计 当代陶瓷材料设计的主题应该属于“脆性材料设计”范畴，即陶瓷增韧与韧化。目前已经可以实现相变增韧的回归分析，并通过专家系统预报相应的性能。通过晶须增韧补强及多级增韧机制，借助于宏微观性能结构关系和力学分析方法，设计出各类高技术陶瓷。例如，渐变功能材料设计(FGM
20、梯度功能材料)，日本人提出将设计、合成、评估三者紧密结合起来，按预定要求做出材料的思想。主要设计方法：有限元方法。梯度复合管梯度复合管核反应堆核反应堆高分子材料设计研究焦点：高性能聚合物结构材料、非线性光学材料、导电 共轭聚合材料及发光聚合材料等。主要研究工具：分子设计和计算技术。例如，采用分子模拟方法预报实验中难以测定的高分子晶体结构及力学性能；通过分子结构的多变性-结构性能关系的理解而实现分子“剪裁”和高分 子“形态工程”，从而实现聚合物的多功能化，构建器件集成新途径；通过设计构造导电共聚物，开发功能高分子材料在能源、信息、光电 子等技术中的应用。高分子材料设计经验法半经验法第一性原理分子
21、动力学法蒙特卡罗法有限元法材料设计专家系统人工神经网络传统炒菜式量子化学计算计算机模拟、数值算法人工智能3.技术途径本课程将涉及的几种技术途径第一性原理（能带理论）计算机模拟技术（数值算法）知识库与数据库技术（相图数据库）材料设计专家系统a.第一性原理基于薛定谔方程计算得到材料的基本性质，应用范围广泛。但由于求解过程复杂，通常采用合理的简化与近似来进行实际材料的计算。由Kohn教授所发展密度泛函理论方法，近年来在预测新材料性能方面有两个突出的成功事例：一是预报存在Si的高压金属相及其超导性；二是预报C3N4超硬材料。1930s开始研究，随着计算机的出现发展迅速。科恩凭借密度泛函理论上的贡献获得
22、1998年诺贝尔化学奖。主要计算方法密度泛函理论（局域密度近似）准粒子方程Car-Parrinello 方法1960s提出，将多电子问题简化为单电子问题。1960s提出，从多粒子系统格林函数出发，计算各种复杂多体效应对准粒子能量贡献。第一性原理分子动力学方法，利用原子间的相互作用势，模拟计算系统的平衡态和非平衡态的物理性质。惰性气体分子组成的系统L-J势 金属Stillinger-Webber势b.计算机模拟技术原子尺度模拟计算显微尺度模拟计算宏观尺度模拟计算按模拟尺度可以分为三类：对应学科：量子化学，固体物理等工具：分子动力学，蒙特卡洛方法，第一性原理等工具：有限元方法，相图设计方法，热力学
23、方法等对应学科：材料科学，连续介质对应学科：材料工程，系统工程等工具：工程模拟方法。采用哪一种模拟方法视具体研究对象而定，今后发展的趋势是使3种不同模拟层次相耦合，建立计算机模拟的统一模型。利用计算机对真实的系统进行模拟实验、提供实验结果。微观层次的模拟方法分子动力学方法蒙特卡洛方法统计物理学中的一种计算方法，该方法以其能够跟踪粒子运动轨迹，不存在任何随机因素，模拟结果准确等特性而备受研究者的关注。但使用该方法的程序较复杂，计算量大，占内存较大。通过构造合适的数学、物理模型进行计算的一种方法，该方法计算与实际结果存在一定的误差，但计算程序较简单，占内存较小。本课程的重点内容根据粒子间相互作用势
24、，计算多粒子系统的结构和动力学过程。原则上，可用这些方法计算各种物系的结构和性质。三种计算模拟方法的比较第一性原理第一性原理(密度泛函思想密度泛函思想)分子动力学分子动力学蒙特卡洛方法蒙特卡洛方法前提条件前提条件(假设假设)物质的能量是其价电子密度的唯一泛函分子间相互作用统计物理，随机抽样思想基本原理基本原理求解一组薛定谔方程精确求解一组动力学(运动)方程运用随机抽样方法确定粒子在某一时刻的状态分布特点特点适用范围广需知道组成材料的原子性质计算结果精确需知道分子间的作用力大小无需知道粒子间的作用势c.知识库与数据库技术（相图设计）数据库知识库包含有关研究对象的各种事实。由规则库和数据库组成，包
25、含有关解决问题的策略即经验规则的集成。材料知识库和性能数据库具有一系列优点，可与人工智能技术相结合，构成材料性能预测或材料设计专家系统。例如，山岛良绩等建立的计算机辅助合金设计系统。当前，国际上的材料数据库正朝着智能化和网络化的方向发展。智能化是使材料数据库发展成为专家系统；网络化是将分散的、彼此独立的数据库相联而成为一个完整系统。d.材料设计专家系统（人工智能）p 专家系统的研究始于20世纪60年代，是指具有相当数量的与材料有关的各种背景知识，并能运用这些知识解决材料设计中有关问题的计算机程序系统。p 专家系统可以连接数据库、模式识别、人工神经网络以及各种运算模块，这些模块综合运用可以有效地
26、解决设计中的有关问题。类型：以知识检索、简单计算和推理为基础的专家系统；以计算机模拟和计算为基础的材料设计专家系统；以模式识别和人工神经网络为基础的专家系统；以材料智能加工为目标的材料设计专家系统。最理想的专家系统是从基本理论出发，通过计算和逻辑推理，预测未知材料的性能和制备方法，但由于制约材料结构和性能的因素极其复杂，在可以预见的将来，这种完全演绎式的专家系统还难以实现。目前的专家系统是以经验知识和理论知识相结合(即归纳与演绎相结合)为基础的。利用大型知识库和数据库辅助材料设计的一个典型例子是日本三岛良绩和岩田修一等建立的计算机辅助合金设计系统。该项目得到日本政府的支持，任务是为未来的可控热
27、核反应炉设计和选择材料。在大型计算机中贮存了各种与合金设计有关的信息，其中包括各种元素的基本物理化学数据，合金相图，合金物性的各种经验方程式，各类合金体系的实验数据，各种合金的性能、用途以及有关文献目录等等。以元素的含量(百分数)为坐标，构筑以70多种元素的含量为坐标的多维空间将上述各种信息记录在该多维空间中，然后按下列步骤实现计算机辅助合金设计。(1)输入对材料性能的要求。(2)(2)检索材料信息，找寻符合要求(3)的资料。(3)计算所选材料的性质。对前一步骤选得的Dt集合，根据理论、经验式、内插、外推等各种方法估算其性质。(4)在计算性质的基础上寻找指标 高的未知材料，将预报点规定为初步选
28、定材料。(5)应用演绎法、归纳法和数据库中的资料，试图改善初步选定材料的性能以推荐最终选定的材料。(6)计算最终选定材料的性能。材料设计目前存在的问题材料设计的目标是设计出实用化的材料，到目前为止，还找不到一个由微观参数到宏观性能的材料设计方法。组织层次上的材料设计还落后于电子原子尺度和宏观尺度上的研究。有必要集中发挥各学科的技术力量，对电子、原子、分子、晶体结构以及显微组织和宏观性能等各个层次进行深入细致的研究，最终实现材料的可设计化。小结材料设计：通过理论设计来订做具有特定性能的材料。金属材料设计高分子材料设计陶瓷材料设计复合材料设计宏观层次上的设计介观层次上的设计原子分子层次上的设计原子分子层次上的设计下一讲主要内容奇妙的材料内部结构？材料分子原子电子原子核u电子的运动状态如何？怎么描述？小问题u原子之间的结合方式如何？能量分布能带理论化学键合方式量子化学理论材料的性质取决于什么？作业题n请列举一下你认为的在材料领域内，近年来国内外取得的重大突破性或者是标志性成果，时间限定为2000年以后，数量不限。n请准备一个作业本，这学期我们计划完成4次作业。n成绩评价方式：平时成绩（占40%，含课堂表现、课堂作业、课外实践、研讨课表现等），期末成绩60%