现代材料设计理论与方法课件PPT
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材料设计将逐步计算机化
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
➢ 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
计算机的发明
➢ 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
2.内涵与研究内容
通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能。 通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料。
即材料的“计算机分析与模型化”
核心：
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。
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。
1970s，上海冶金所采用化学键参数和模式识别技术， 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。
材料设计的意义
实验方法
试制 炒菜式
理论方法
材料计算 材料设计 计算机模拟
成本高，代价昂贵 容易造成不必要的浪费
降低研发成本 验证实验结果，揭示内在机理
材料设计的意义
降低新材料的研发成本
合金成分的确定、半导体掺杂等
为新材料的开发提供有力的理论支持
人工超晶格的提出、超硬材料（β- C3N4）等
模拟材料的失效过程，正确地找出原因
图纸、方案
产品
艺术设计 建筑设计 机械设计 服装设计 集成电路设计
。。。
请思考
材料设计与这些设计 有何区别？
材料设计
合理的近似是必要的！
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
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？
专题一
材料设计所采用的研究手段有哪些？ 专题二
Leabharlann Baidu
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
1940s 分子模拟技术、数值算法的出现 1950s 高温合金：应用于航天、军事领域
1960s 人工半导体超晶格、有机合成路线设计
起步时期
1970s 金属间化合物的形成能和稳定性预测 日本人提出“d电子合金设计”思想 （高温合金，金属陶瓷等）
如航空航天航海材料、核能材料等
精度要求更高，研发费用更高 如航空航天材料等
多功能集成
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
早期炼钢
朦胧阶段
科学组织设计阶段
金相学阶段
定性的材料设计
相结构设计阶段
相结构
定量化的材料设计
原子结构层次设计阶段
材料设计有哪些应用？
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
性能 Properties
Materials Design
现代材料设计理论与方法
参考书目
曹茂盛，《材料现代设计理论与方法》，哈尔滨工业 大学出版社，2007第2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
新型材料制备技术
➢ 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。
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。
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
固有性质
结构 Structures
效能与功能 Performance
应用
如何得到结构—性能之间的关系？
实验方法
一系列探索性、验证性实验。
理论计算方法
一系列计算方法进行材料性能预测。
诞生背景：新材料发展面临的“挑战 ”
性能要求更高、更快
如超导材料、能源材料等
器件日趋小型化
如半导体集成电路材料等
能耐高温、高压等极端条件
快速发展时期
1980s 1990s
材料设计专家系统的开发、高温超导陶瓷物相的预报等
例如，美国“隐身材料设计专家系统”
核反应堆
日本“计算机辅助合金设计系统” 防护材料
兴起从原子分子层次设计材料的热潮。
现代材料设计的特点
经验设计和科学设计并存与兼容
理论
实验
材料设计将逐渐综合化
多结构层次设计、结构和性质相结合的综合设计。
例如，超晶格的诞生过程
1969年，贝尔实验室江崎、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。
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
➢ 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
计算机的发明
➢ 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
2.内涵与研究内容
通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能。 通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料。
即材料的“计算机分析与模型化”
核心：
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。
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。
1970s，上海冶金所采用化学键参数和模式识别技术， 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。
材料设计的意义
实验方法
试制 炒菜式
理论方法
材料计算 材料设计 计算机模拟
成本高，代价昂贵 容易造成不必要的浪费
降低研发成本 验证实验结果，揭示内在机理
材料设计的意义
降低新材料的研发成本
合金成分的确定、半导体掺杂等
为新材料的开发提供有力的理论支持
人工超晶格的提出、超硬材料（β- C3N4）等
模拟材料的失效过程，正确地找出原因
图纸、方案
产品
艺术设计 建筑设计 机械设计 服装设计 集成电路设计
。。。
请思考
材料设计与这些设计 有何区别？
材料设计
合理的近似是必要的！
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
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？
专题一
材料设计所采用的研究手段有哪些？ 专题二
Leabharlann Baidu
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
1940s 分子模拟技术、数值算法的出现 1950s 高温合金：应用于航天、军事领域
1960s 人工半导体超晶格、有机合成路线设计
起步时期
1970s 金属间化合物的形成能和稳定性预测 日本人提出“d电子合金设计”思想 （高温合金，金属陶瓷等）
如航空航天航海材料、核能材料等
精度要求更高，研发费用更高 如航空航天材料等
多功能集成
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
早期炼钢
朦胧阶段
科学组织设计阶段
金相学阶段
定性的材料设计
相结构设计阶段
相结构
定量化的材料设计
原子结构层次设计阶段
材料设计有哪些应用？
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
性能 Properties
Materials Design
现代材料设计理论与方法
参考书目
曹茂盛，《材料现代设计理论与方法》，哈尔滨工业 大学出版社，2007第2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
新型材料制备技术
➢ 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。
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。
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
固有性质
结构 Structures
效能与功能 Performance
应用
如何得到结构—性能之间的关系？
实验方法
一系列探索性、验证性实验。
理论计算方法
一系列计算方法进行材料性能预测。
诞生背景：新材料发展面临的“挑战 ”
性能要求更高、更快
如超导材料、能源材料等
器件日趋小型化
如半导体集成电路材料等
能耐高温、高压等极端条件
快速发展时期
1980s 1990s
材料设计专家系统的开发、高温超导陶瓷物相的预报等
例如，美国“隐身材料设计专家系统”
核反应堆
日本“计算机辅助合金设计系统” 防护材料
兴起从原子分子层次设计材料的热潮。
现代材料设计的特点
经验设计和科学设计并存与兼容
理论
实验
材料设计将逐渐综合化
多结构层次设计、结构和性质相结合的综合设计。
例如，超晶格的诞生过程
1969年，贝尔实验室江崎、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。