材料设计8785667346.ppt

1995年美国国家科学研究委员会（NRC）邀请众多专家经过调查分析，编写了《材料科学的计算与理论技术》这一专门报告，其中说：“materials by design”（设计材料）一词正在变为现实，它意味着在材料研制与应用过程中理论的份量不断增长，研究者今天已处在应用理论和计算来“设计”材料的初期阶段。 关于材料设计，或者设计材料这类研究，迄今在国际上还没有统一的流行术语或提法。日本学者1985年就提出了“材料设计学”一词，俄国学者把材料设计包括在“材料学”中。美国学者在《90年代材料科学与工程》报告中称这类工作为材料“计算机分析与模型化”。我国1986年开始实施“863计划”时，对新材料领域提出了探索不同层次微观理论指导下的材料设计这一要求，因此，从那时起在“863”材料领域便设立了“材料微观结构设计与性能预测”研究专题。 由此可见，虽然用语有所差别，但基本含义是共同的。从广义来说，材料设计可按研究对象的空间尺度不同而划分为三个层次：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；连续模型层次，典型尺度在约 lμm量级，这时材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为；工程设计层次，尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。 二、材料设计的发展概况 1、前期研究的回顾 “材料设计”设想始于 20世纪 50年代。在 50年代初期，前苏联便开展了关于合金设计以及无机化合物的计算机预报等早期工作。那时前苏联卫星上天，说明其使用的材料是先进的。苏联人于1962年便在理论上提出人工半导体超晶格概念，不过当时他们没有提出如何在技术上加以实现的建议。后来到1969年，才正式从理论和实践结合上提出了通过改变组分或掺杂来获得人工超晶格。 80年代中期日本材料界提出了用三大材料在分子原子水平上混合，构成杂化材料的设想。1985年日本出版了《新材料开发与材料设计学》一书，首次提出了“材料设计学”这一专门方向。书中介绍了早期的研究与应用情况，并在大学材料系开设材料设计课程。1988年由日本科学技术厅组织功能性梯度材料（functionally gradient materials）的研究任务，提出将设计一合成一评估三者紧密结合起来，按预定要求做出材料。 1989年美国由若干个专业委员会在调查分析美国8个工业部门（航天、汽车、生物材料、化学、电子学、能源、金属和通信）对材料的需求之后，编写出版了《90年代的材料科学与工程》报告，对材料的计算机分析与模型化作了比较充分的论述。该报告认为，现代理论和计算机技术的进步，使得材料科学与工程的性质正在发生变化计算机分析与模型化的进展，将使材料科学从定性描述逐渐进人定量描述的阶段。 近10年来，材料设计或材料的计算机分析与模型化日益受到重视，究其原因主要有以下几点。 （1）固体物理、量子化学、统计力学、计算数学等相关学科在理 论概念和方法上有很大发展，为材料微观结构设计提供了理论基础。 （2）现代计算机的速度、容量和易操作性空前提高。几年前在数学计算、数据分析中还认为无法解决的问题，现在已有可能加以解决；而且计算机能力还将进一步发展和提高。 （3）科学测试仪器的进步，提高了定量测量的水平，并提供了丰富的实验数据，为理论设计提供了条件。在这种情况下更需要借助计算机技术沟通理论与实验资料。 （4）材料研究和制备过程的复杂性增加，许多复杂的物理、化学过程需要用计算机进行模拟和计算，这样可以部分地或全部地替代既耗资又费时的复杂实验过程，节省人力物力。更有甚者，有些实验在现实条件下是难以实施的或无法实施的，但理论分析和模拟计算却可以在无实物消耗的情况下提供信息。 （5）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，是现代先进材料合成技术的重要发展方向，例如分子束外延、纳米粒子组合、胶体化学方法等。对于这类研究对象，材料微观设计显然是不可缺少的并且是大有用武之地的。 2、当前面临的挑战 1969年江崎和朱兆祥提出了由两种不同半导体薄层构成超晶格。量子阶的概念。后来借助分子束外延等制备技术，使这一设想得以实现。现在已被证明，这一概念是80年代以来凝聚态物理学和材料科学中最有价值的概念之一，它开辟了人工设计低维材料并对其能带结构进行人工剪裁的先例。2O年多来，从量子新到量子线、量子点的研究，一直是最富有生命力的前沿领域之一。 事实表明，现代材料科学研究必须深人到微观层次。今天不仅是对材料物性的了解，还是对材料性能的表征，都要求深人到分子、原子以及电子层次。许多先进材料的制备和加工过程，也已进人“原子、级水平”。由单个原子聚合成簇，或形成零维、一维、三维材料，都属于所谓“原子级工程”（atomically engineering