材料科学与工程方法论—5材料设计与制备的统一性.ppt

* 图1 单端口网络可变电容的等效电路模型 材料科学与工程方法论 中南大学 王德志 材料科学与工程的整体观 材料结构、性能与表征的因果关系 材料设计与制备的统一性 四 方法论概述 一 三 五 提纲 六 环境、能源、信息、军工、铁道材料的发展观 材料科学与工程研究的客观规律性 二 五、材料设计与制备的统一性 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。 David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研究； ③计算机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，也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： 理论、模型、计算、实验和统计。 实验 计算 统计 建立模型 理论 材料设计 材料设计的组成和层次 1.材料设计 组成部分间的关系： 测试 实验 特性评价 ? 制备 ? 建立模型 描述 ? 详细模型 计算 理论 基本理论 和 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1nm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。 材料设计的范围： 制备 观测 测试