材料設(shè)計總復(fù)習(xí)

1、第一節(jié)第一節(jié)概述概述1.可將材料設(shè)計分為以下幾個階段：（可將材料設(shè)計分為以下幾個階段：（1）經(jīng)驗設(shè)計階段）經(jīng)驗設(shè)計階段（2）材料的科學(xué)組織設(shè)計階段）材料的科學(xué)組織設(shè)計階段（3）材料的相結(jié)構(gòu)設(shè)計階段）材料的相結(jié)構(gòu)設(shè)計階段（4）原子結(jié)構(gòu)層次設(shè)計階段。）原子結(jié)構(gòu)層次設(shè)計階段。2材料設(shè)計的熱點：材料設(shè)計的熱點：(1)新材料及其理論方法：局域密度近似（新材料及其理論方法：局域密度近似（LDA）(localdensityapproximation）

2、、GW準粒子近似（準粒子近似（GWquasiparticleappoximation)、分子動力學(xué)方法、分子動力學(xué)方法(MolecularDynamicsMD)、新贗勢法、新贗勢法(Pseudopotential)、緊束縛總能量法、緊束縛總能量法(Tightbinding)、蒙特卡羅方法（、蒙特卡羅方法（MonteCarlo）；（；（2）表面與界面的研究；（）表面與界面的研究；（3）各種薄膜材）各種薄膜材料的研究開發(fā)：一般來說，按照空間

3、尺度可分為四個計算范圍，相應(yīng)的理論方法分別為料的研究開發(fā)：一般來說，按照空間尺度可分為四個計算范圍，相應(yīng)的理論方法分別為量子力學(xué)、經(jīng)典分子動力學(xué)、多原子缺陷動力學(xué)和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)；量子力學(xué)、經(jīng)典分子動力學(xué)、多原子缺陷動力學(xué)和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)；(4)復(fù)合材料的設(shè)計；復(fù)合材料的設(shè)計；(5)從理論上預(yù)報和計算設(shè)計材料。從理論上預(yù)報和計算設(shè)計材料。3.材料設(shè)計的范圍與內(nèi)容：（材料設(shè)計的范圍與內(nèi)容：（1）材料設(shè)計應(yīng)包括理論、模型、計算、實驗和統(tǒng)計等幾部

4、）材料設(shè)計應(yīng)包括理論、模型、計算、實驗和統(tǒng)計等幾部分；分；材料設(shè)計的系統(tǒng)研究需要各個學(xué)科學(xué)者和專家合作，材料科學(xué)家、材料工程專家、化學(xué)材料設(shè)計的系統(tǒng)研究需要各個學(xué)科學(xué)者和專家合作，材料科學(xué)家、材料工程專家、化學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、計算機專家等。家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、計算機專家等。（2）一般認為材料設(shè)計應(yīng)包含從材料制備到應(yīng)用）一般認為材料設(shè)計應(yīng)包含從材料制備到應(yīng)用的全過程。的全過程。（3）材料計算、材料制備、材料評價和性能檢測的過程基本

5、上完成了一個材料）材料計算、材料制備、材料評價和性能檢測的過程基本上完成了一個材料設(shè)計周期。設(shè)計周期。（4）材料計算、材料制備、材料評價和性能檢測之間的快速重復(fù)是材料發(fā)展的）材料計算、材料制備、材料評價和性能檢測之間的快速重復(fù)是材料發(fā)展的主要手段。主要手段。4.材料設(shè)計的層次：（材料設(shè)計的層次：（1）微觀層次（空間尺度在）微觀層次（空間尺度在1nm量級，是原子、電子層次的設(shè)計）量級，是原子、電子層次的設(shè)計）；（2）介觀層次（也稱連續(xù)模型

6、層次，典型尺度在）介觀層次（也稱連續(xù)模型層次，典型尺度在1μm量級，這時材料被看成連續(xù)介量級，這時材料被看成連續(xù)介質(zhì)，不考慮其中單個原子、分子的行為）質(zhì)，不考慮其中單個原子、分子的行為）；（；（3）宏觀層次（也稱工程應(yīng)用層次，尺度對）宏觀層次（也稱工程應(yīng)用層次，尺度對應(yīng)于宏觀材料，涉及大塊材料的加工和使用性能的設(shè)計研究）應(yīng)于宏觀材料，涉及大塊材料的加工和使用性能的設(shè)計研究）；5.隨著納米技術(shù)的發(fā)展，也有將材料模型按尺度分為：納觀隨著納米

7、技術(shù)的發(fā)展，也有將材料模型按尺度分為：納觀(nano）、介觀（介觀（meso)、微觀、微觀（micro)、宏觀（、宏觀（macro)，其對應(yīng)的空間尺度為：，其對應(yīng)的空間尺度為：109m、106m、103m、1m6材料設(shè)計的層次按尺度由小到大分類：量子力學(xué)、分子動力學(xué)、缺陷動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力材料設(shè)計的層次按尺度由小到大分類：量子力學(xué)、分子動力學(xué)、缺陷動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)。學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)。1、自然界所觀察到的現(xiàn)象、自然界所觀察到

8、的現(xiàn)象:確定性現(xiàn)象確定性現(xiàn)象隨機現(xiàn)象。隨機現(xiàn)象。2、在概率論中、在概率論中把具有以下三個特征的試驗稱為隨機試驗：把具有以下三個特征的試驗稱為隨機試驗：（1）可以在相同的條件下重復(fù)地進行）可以在相同的條件下重復(fù)地進行（2）每次試驗的可能結(jié)果不止一個）每次試驗的可能結(jié)果不止一個并且能事先明確試驗的所有可能結(jié)果并且能事先明確試驗的所有可能結(jié)果（3）進行一次試驗之前不能確定哪一個結(jié)果會出現(xiàn)（結(jié)果不可預(yù)知））進行一次試驗之前不能確定哪一個結(jié)果會出

9、現(xiàn)（結(jié)果不可預(yù)知）。3、基本思想：針對待求問題，根據(jù)物理現(xiàn)象本身的統(tǒng)計規(guī)律，或人為構(gòu)造一合適的依賴隨、基本思想：針對待求問題，根據(jù)物理現(xiàn)象本身的統(tǒng)計規(guī)律，或人為構(gòu)造一合適的依賴隨機變量的概率模型，使某些隨機變量的統(tǒng)計量為待求問題的解，進行大統(tǒng)計量（機變量的概率模型，使某些隨機變量的統(tǒng)計量為待求問題的解，進行大統(tǒng)計量（N→∞）的統(tǒng)計實驗方法或計算機隨機模擬方法。∞）的統(tǒng)計實驗方法或計算機隨機模擬方法。4、理論依據(jù)：、理論依據(jù)：大數(shù)定理：均

10、勻分布的算術(shù)平均收斂于真值；大數(shù)定理：均勻分布的算術(shù)平均收斂于真值；中心極限定理：置信水平下的統(tǒng)計誤差。中心極限定理：置信水平下的統(tǒng)計誤差。5、蒙特卡羅方法的優(yōu)點：、蒙特卡羅方法的優(yōu)點：（1）能夠比較逼真地描述具有隨機性質(zhì)的事物的特點及物理實驗過程。）能夠比較逼真地描述具有隨機性質(zhì)的事物的特點及物理實驗過程。（2）受幾何條件限制小。）受幾何條件限制小。（3）收斂速度與問題的維數(shù)無關(guān)。）收斂速度與問題的維數(shù)無關(guān)。（4）具有同時計算多個方案

11、與多個未知量的能力。）具有同時計算多個方案與多個未知量的能力。（5）誤差容易確定。）誤差容易確定。（6）程序結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。）程序結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。6、蒙特卡羅方法的缺點：（、蒙特卡羅方法的缺點：（1）收斂速度慢；（）收斂速度慢；（2）誤差具有概率性；（）誤差具有概率性；（3）計算結(jié)果與系）計算結(jié)果與系統(tǒng)大小有關(guān)。統(tǒng)大小有關(guān)。7、減小方差的技巧：、減小方差的技巧：（1）增大試驗次數(shù)）增大試驗次數(shù)N。（2）減小估計的均方差σ）減小估

12、計的均方差σ.8、真隨機數(shù)與偽隨機數(shù)的定義：由隨機物理過程來產(chǎn)生；由計算機按遞推公式大量產(chǎn)生。、真隨機數(shù)與偽隨機數(shù)的定義：由隨機物理過程來產(chǎn)生；由計算機按遞推公式大量產(chǎn)生。9、蒙特卡羅方法在材料中應(yīng)用的基本原理：、蒙特卡羅方法在材料中應(yīng)用的基本原理：MonteCarlo方法實際上是一種統(tǒng)計力學(xué)的計方法實際上是一種統(tǒng)計力學(xué)的計算技術(shù)算技術(shù)根據(jù)體系的能量分布規(guī)律，引入粒子運動的隨機過程，進而獲得體系有關(guān)信息根據(jù)體系的能量分布規(guī)律，引入粒子運

13、動的隨機過程，進而獲得體系有關(guān)信息的統(tǒng)計平均結(jié)果。的統(tǒng)計平均結(jié)果。第四節(jié)第四節(jié)復(fù)合材料設(shè)計基礎(chǔ)復(fù)合材料設(shè)計基礎(chǔ)1、纖維增強復(fù)合材料設(shè)計的基本原則：（、纖維增強復(fù)合材料設(shè)計的基本原則：（1）纖維的強度和模量都要高于基體；（）纖維的強度和模量都要高于基體；（2）纖維）纖維和基體之間要有一定的粘接力；（和基體之間要有一定的粘接力；（3）纖維和基體的熱膨脹系數(shù)相差不能過大；（）纖維和基體的熱膨脹系數(shù)相差不能過大；（4）纖）纖維和基體之間不能發(fā)生

14、有害的化學(xué)反應(yīng)；（維和基體之間不能發(fā)生有害的化學(xué)反應(yīng)；（5）纖維所占的體積、纖維的尺寸和分布必須）纖維所占的體積、纖維的尺寸和分布必須適宜。適宜。2、顆粒增強復(fù)合材料設(shè)計的基本原則：（、顆粒增強復(fù)合材料設(shè)計的基本原則：（1）顆粒應(yīng)高度彌散均勻的分散在基體中；（）顆粒應(yīng)高度彌散均勻的分散在基體中；（2）顆粒直徑大小要合適；（顆粒直徑大小要合適；（3）顆粒數(shù)量一般應(yīng)大于）顆粒數(shù)量一般應(yīng)大于20%；（；（4）顆粒與基體之間有一定的）顆粒與基體

15、之間有一定的粘接作用。粘接作用。3.連續(xù)長纖維增強復(fù)合材料特征物理量的推導(dǎo)：連續(xù)長纖維增強復(fù)合材料特征物理量的推導(dǎo)：縱向彈性模量、縱向彈性模量、橫向彈性模量、橫向彈性模量、剪切模量剪切模量4.連續(xù)長纖維增強復(fù)合材料壓縮強度估算：增強體含量少時，纖維出現(xiàn)反相彎折，基體以連續(xù)長纖維增強復(fù)合材料壓縮強度估算：增強體含量少時，纖維出現(xiàn)反相彎折，基體以異相方式承受拉伸和壓縮；當增強體含量高時，纖維以同相彎折破壞，基體承受剪切。異相方式承受拉伸和壓