材料科学与工程方法论的5 材料设计与制备统一性.ppt

材料科学与工程方渎论 中南大学王德志  提纲 方油论概述 材料科学与工程研究的客观规律性 材料科学与工程的整体观 四:材料结构、怯能与表征的圆票丢亲 五材料设计与制备的统一性 小;环地能派、信急、军工铁道材科的发長观  五、材料设计与制备的统一性  1材料设计 ◆材料设计定义:是从基本的材料组分、优化分布和微 观结构数据库出发,借助计算机,从而估计材料性质 并选定控制材料微结构和性质的合成方法,以便生成 满足应用要求的功能材料。 Davd定义:最好地利用有用的信息,理解形成切实可行方案的各种有用关 系,以便预测和合成具有所需性质的材料 James定义:从可计算的结构模型出发,制作具有先进的微观结构和性质的 材料,以满足特定需要。  1材料设计 传统材料面临的问题: ①由于研究对象的复杂性,现有理论手段很难处理一些极为复杂的问题,求解 1个比较复杂的分子的薛定谔方程都很难实现; ②新的实验手段、仪器、设备虽然不断涌现,在一定范围内为实验研究提供了 新方法。但大都极为昂贵,只为个别或少数拥有,研究的问题也极为有限。 以材料设计为目的的计算机模拟的特点 ①计算机可以模拟进行现实中不能或很难实现的实验,如材料在极端压力、温 度条件下的相变 ②计算机可以模拟目前实验条件下无法进行的原子及以下尺度的硏究; ③计算杋模拟可以验证已有理论和根据模拟结果修正或完善已有理论,乜可以 从模拟研究结果出发,指导、改善实验室实验  1材料设计 ◆材料设计的组成和层次 材料设计的组成 理论、模型、计算、实验和统计。 实验 计算 统计 材料设计 建立模型 理论  √组成部分间的关系: 实验 特性评价 制 立模型 描述 细模型计 理论 基本理论 概念计算 统计分析数据库 模式识别 计算  材料设计的层次 按研究对象所涉及的空间尺度和时间尺度可划分不同的层次 (1)微观设计层次:空间尺度在约1m量级,是原子、电子层次的设计 (2)连续模型层次:典型尺度在约1um量级,材料被成连续介质,不考虑单 个原子、分子的行为; (3)工程设计层次:尺度对应于宏观材料,涉及大块材料的加工过程和使用 性能的设计研究 制备 材料设计的范围 材料试样 组织结构 测试 是否可用  1材料设计 ◆材料设计的主要途径 材料知识库和数据库技术: 材料知识库和数据库是以存取材料知识和性能数据为主要内容的数值数 据库。 个数据库通常包括材料的性能数据、材料的组分、处理过程、材料的 试验条件以及材料的应用和评价等 计算机辅助合金设计,按下列步骤进行: (1)输入对材料性能的要求 (2)检索材料信息,寻找符合要求的资料 (3)计算所选材料的性质; (4)在计算性质的基础上寻找指标高的未知材料; (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  1材料设计 材料设计专家系统: 是一个运用材料知识解决材料设计中有关问题的计算机程序系统,能 针对特定项目的需要,在一定范围内和一定程度上为某些特定性能材料的 制备提供指导,帮助研究人员进行新材料的开发 材料设计专家系统大致有以下三类: (1)以知识检索、简单计算和推理为基础的专家系统; (2)以模式识别和人工神经网络为基础的专家系统; (3)以计算机模拟和运算为基础的材料设计专家系统 材料设计中的计算机模拟 利用计算机对真实的材料系统进行模拟“实验”,提供模拟结果,指 导新材料研究。其模拟对象遍及从材料研制到使用的全过程,包括合成、 结构、性能及使用等,模拟过程是把涉及复杂材料某一过程、某一层次上 物理现象的基本性质准确地转化为一定的欻学模型,该模型一方面可以由 计算机求解,另一方面可以描述或预测某些可观测的材料性能。