材料设计习题

一、阐述材料设计的主要途径和材料设计的范围。

答：材料设计的主要途径：1.知识库与数据库技术。计算机的材料知识库和性能数据库具有一系列优点，可与人工智能技术相结合，构成材料性能预测或材料设计专家系统。计算机的材料知识库和性能数据库还具有数据优化、数据独立、数据一致、数据共享和数据保护等优点。数据库管理系统又分为层次性、网络型、关系型三种。

2.材料设计专家系统。该系统大致分为以下几类：（1）以知识检索、简单计算和推理为基础的专家系统。（2）以计算机模拟和运算为基础的材料设计专家系统。（3）以模式识别和人工神经网络为基础的专家系统。（4）以材料智能加工为目标的处理设计专家系统。

3.计算机模拟技术。按模拟尺度可以分为三类：（1）原子尺度模拟计算。主要应用分子动力学方法和蒙特卡洛方法。（2）显微尺度模拟计算。这类计算以连续介质概念为基础。（3）宏观尺度模拟计算。该方法一般与材料或材料部件的工业生产有关。

材料设计的范围：

从广义来说，材料设计按研究对象的空间尺度不同而划分为三个层次: （1）微观设计层次，空间尺度约在1nm量级，对应原子电子层次的设计；（2）连续层次模型，典型尺度在1m 量级，将材料看做连续介质，不考虑其中单个原子的行为；

（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和使用性能的设计研究。

从内容上来说，材料设计包括以下几个研究内容：

（1）合金设计；

（2）新化合物和新物相预报；

（3）超晶粒和杂化材料设计；

（4）复合材料设计；

（5）陶瓷材料设计。

（6）高分子材料设计

二、按四层次观点，材料的完整结构层次有哪些？他们与材料的三层次的对应

关系怎样？

答：按四层次观点，材料的完整的结构层次有：（1）宏观结构：人眼（借助放大镜）可分辨的结构范围，结构组成单元是相、颗粒、组成材料（孔隙、裂纹不同材料的组合与复合方式等）。（2）显微结构：光学显微镜分辨的结构范围，结构组成单元是相（相的种类、数量、形貌、相互关系等）。（3）亚微观结构：普通电子显微镜分辨的结构范围，结构组成单元是微晶粒、胶粒等粒子（单个粒子的形状、大小和分布）。（4）微观结构：高分辨电子显微镜分辨的结构范围，结构组成单元是原子、分子、离子或离子团等质点（质点在相互作用力下的聚集状态、排列形式）。

材料的三层次结构为：宏观结构、亚微观结构、微观结构；

三、阐述高分子设计的主要内容，举例阐述高分子结构设计中直接组合法设计

目标高分子的原理。

答：高分子设计的主要内容：（1）设计或推断与某些（某种）宏观性能相对应的高分子性质；（2）提出或设计能体现这一（这些）性质的高分子结构；（3）选择能合成与加工该种结构的高分子（材料）方法或条件并完成聚合物及其材料的合成与加工。

直接组合法，指的是由几种具有预定结构和反应活性的分子，通过反应拼合成目标分子的方法。

例如合成一种可室温交联固化的丙烯酸系涂料，这种涂料的性能要求是：（1）漆膜需耐热、耐水、耐老化并有韧性；（2）成膜温度为5-20℃；(3）需在室温下形成螯合交联物。与这种性能要求相对应的分子结构是：聚合物主链应由软、硬单体（如丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯）单元构成，且主链上需带有能与多价金属离子形成螯合结构的双羧基基团（如用甲基丙烯酸乙酰乙二醇酯作功能单体）。这几种单体按一定的比例进行自由基乳液共聚合，再加入多价金属盐在室温下交联固化后，就可以得到满足上述指定性能的涂料。

四、请简述材料研制中的两个共性课题内涵？

答：共性课题及其内涵：（1）材料的结构与性质、性能关系的研究，即解答“用何种原于可堆成何种结构，形成的物质(或材料)具有何种物理性质或化学性质，或具有何种使用性能”的问题。据此可以有目的地设计具有指定性能的材料，以适应某种实际需要；

（2）材料制备或生产中传热、传质、流体流动和化学反应(有时还有相变)的交互作用，以及这些作用与材料性能、合格率、可靠性、能耗、成本等的关系，即解答“用何种流程、何种设备、何种配方、在何种条件下生产或制备该种材料可有最佳效果”的问题。据此可以有目的地设计该种材料的生产工艺流程。

五、举例论述复相陶瓷性能优化与组成设计中相变增韧与颗粒弥散强化陶瓷的

硬度与组成得回归分析原理。

答：用此方法分析应选择具有高致密性（>98%理论密度），且内部结构均匀细密体磁体（系统误差得以满足）的性能和组成作为研究数据。为保证计算精度采用内插法采集大量数据。选择适当的数学模型对陶瓷的硬度和强度等力学性能随几种弥散相含量的变化进行回归分析。

以Al 2O 3基复相陶瓷为例作为系统的研究对象，应变量Y （Hv 、σf ），自变量X 1为硬质颗粒（SiC 和TiC ）含量，X 2为ZrO 2含量，f(X 1,X 2)为协同项，根据不同的数学模型选择交互项。

（SiC+TiC ）/Al 2O 3陶瓷的维氏硬度按照多元线性回归和多元非线性回归两种方法建立计算模型 Y=a+b 1X 1+b 2X 2 Y=a+b 1X 1+b 2X 2+b 3X 1X 2 式中Y--硬度 X 1---SiC 含量 X 2---ZrO 2含量 b 1、b 2、b 3---为SiC 、ZrO 2和交互项系数。利用

上述两种方法计算所得的标准回归方程分别为：12

45.827.4Y X X ''=- 121277.446.65250.

1Y X X X X ''''=-- 计算结果表明：（1）X 1（SiC ）对Y 有正贡献，X 2（ZrO 2）对Y （Hν）有负贡献，交互项为负贡献，其相对贡献值C[C=ABS(b 1/b 2)]为1.66，与按照复合材料加和规则计算的结果一致；（2）采用非线性回归模型计算的最大残差与均方差较小，与实验结果较为接近。

六、论述用3d电子空隙理论法计算判断高温耐热合金中σ相是否形成的理论判据。

答：二元合金中形成σ相的条件：（1）一般原子大小差小于13%；（2）一组元在第五六族元素，另一组元在七八主族；（3）形成时σ相中S-d层电子浓度在6.2-7.2之间；（4）第三组元的加入会影响σ相形成的浓度和温度范围；（5）在电子空穴的基础上提出了预计σ相形成的3d的电子空隙法，当合金的平均电子空穴Nv大于某一临界Nc是会形成σ相。Cr 、Mn、Fe等可由分析饱和磁举得出Nv，其他元素Nv为10.66GN。GN为元素的族数。

七、假如要求你选择为宇宙飞船中运送液氧的材料，充分讨论选择适当的材料

应考虑的各个方面。

答：作为宇宙飞船中运送液氧的材料，应当满足以下几个方面的要求：（1）密度低，这样有利于减轻飞船的重量，节约燃料和成本；（2）低温性能好，液氧的温度较低，所选材料应当在低温环境下仍然有很高的强度和塑性；（3）抗氧化性好，不与液氧发生反应。