材料设计复习分析.doc

材料现代设计理论与方法 绪论 材料设计的研究范围 答：成分，性质，合成与制备，效能（使用性能），环境影响（气氛、温度、受力状态）、组织结构、理论（材料设计与工艺设计） 2、材料设计研究的主要内容有哪些？ 答：通过理论与计算预报新材料的组分、结构和性能；通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料。具体内容包括合金设计、新化合物和新物相预报、超晶粒和杂化材料设计、复合材料设计、陶瓷材料设计、高分子材料设计。 材料设计的层次有哪些？ 答：按研究对象的空间尺度不同分为三个层次。 微观设计层次：空间尺度~1nm，电子、原子、分子层次的设计 连续模型层次（介观）：空间尺寸~1um，组织结构层次的设计，将材料看成连续介质 工程设计层次（宏观）：空间尺寸对应于宏观材料，涉及大块材料加工和使用性能的设计。 材料设计的途径有哪些？ 答：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（人工智能） 5.现代材料科学研究四要素 材料组成、结构、制备工艺，材料性能和用途 材料电子理论 1、材料的现代设计理论 答：现代电子理论、现代化学键理论、分子动力学理论 2、原子结合成晶体的化学键（键合类型） 答：离子键、共价键、范德华键、金属键 3、自由电子：金属晶体中处于自由运动状态的电子 4、自由电子理论的两大思路： 答：（1）在假设自由电子在金属晶体中的恒定势场下运动基础上建立了薛定谔方程，并将电子从能量空间转向波数空间（K空间）考虑，建立了K空间理论（在K空间中， K 等价于动量，因此一个电子的动能，以及取V0 = 0为这个电子能带底时的总能量随K 2而增加，到最大费米能 其中容纳了所有的自由电子，在每个状态中包含2个自旋相反的电子。式中KF 是费米波数，n为单位体积内的自由电子数。 通过将单电子的性质假设为是原子和其他价电子在均匀势场中的处理，得到有着固定V分布（势分布）的单电子薛定谔方程，将电子的运动状态从一个多体问题转化成单体来处理，把每个电子视为独立粒子，整个晶体构成一个独立粒子系统。从而，将一个不可能求解的多电子的薛定谔真实方程简化，得到了求解。 5、近自由电子近似：依据能带理论，可以认为固体内部电子不再束缚在单个原子周围，而是在整个固体内部运动，仅仅受到离子实势场的微扰。近自由电子近似应用范围有限，只对碱金属适用，这一类晶体的费米面近似为球形。 6、晶体中电子的 E-K 曲线 图（a）自由电子近似曲线； 图（b）在K = ( n/2a 附近不同于图（a），其他部分与自由电子模型完全相同。 布里渊区：当K = n/2a 时，电子产生布拉格反射，从而出现能隙，导致将K空间分为区的概念，这些区称为布里渊区。布里渊区理论是描述能带结构的模型。 第二布里渊区 答：在波矢空间中取某一倒易阵点为原点，作所有倒易点阵矢量的垂直平分面，这些面波矢空间划分为一系列的区域：其中最靠近原点的一组面所围的闭合区称为第一布里渊区；在第一布里渊区之外，由于一组平面所包围的波矢区叫第二布里渊区； 9、合金相的琼斯理论 答：在有高价电子的Cu、Ag、Au的合金中，在某些特殊的电子浓度存在一些合金相。相边界（fcc）出现在电子浓度（每个原子的自由电子）为1.4，相（fcc）出现在1.5。最适宜的合金成分是布里渊区刚好填满；否则费米能增加。 蒙特卡罗方法 蒙特卡罗方法的基本思想 答：（1）当所要求解的问题是某种事件出现的概率：通过某种“试验”的方法，得到这种事件出现的频率； （2）当所要求解的问题是某个随机变量的期望值：通过某种“试验”的方法，得到这个随机变数的平均值； （3）蒙特卡罗方法求解问题 ： ①首先要建立一个随机模型； ②然后要制造一系列的随机数用以模拟这个过程； ③最后要作统计性的处理； （关于建立随机模型，因问题而异） 马尔科夫（Markov）过程 答： 在应用M-C模拟现实的系统时，所有算法都是基于Markov过程。在此过程中，若设时刻t0具有动力学变量q0，在其后时刻t具有某一动力学变量取值的概率与在t0时刻之前此系统经由怎样的状态没有任何关系。 Markov过程作为随机游动过程，它在游走中任一阶段的行为都不被先前游动过程的历史所限制，即区域内的点可以多次被访问。 也就是说，在t0时刻以前的经历全部缩并为所谓的“在时刻t0具有动力学变量组q0”的单一信息。 就Markov过程而言，新的状态仅由现在的状态决定；而非Markov过程，新的状态还直接依赖于过去的状态。 对于由多个粒子、多个自由度组成的一般力学系统，若可以不考虑部分自由度（即施加约束条件），而只着眼于其他部分自由度的处理，则所观测系统的演化可作为像Markov过程之类的简单过程来描