现代材料设计理论与方法共80页文档
现代设计理论与方法（最终版）
现代设计理论与方法（最终版）现代设计理论与方法(最终版)现代设计目标：缩短产品设计周期；提高产品质量；降低生产成本。
T缩短产品设计周期Q--提高产品质量C--降低其成本2、传统设计法特点：静态的、经验的、手工式的、（近似计算）现代设计法特点：动态的、科学的、计算机化的、（精确计算）3、现代设计理论与方法的发展分为：（1)直觉设计阶段（2)经验设计阶段（3)半理论半经验设计阶段（4)现代设计阶段4、系统－执行特定功能而达到特定目的，相互联系，相互作用的元素。
具有特定功能的、相互间具有一定联系的许多要素构成的一个整体，即由两个或两个以上的要素组成的具有一定结构和特定功能的整体都是系统。
5、系统化设计的特征：由上而下、由总到细。
基本方法：系统的分析和综合。
6、黑箱法定义：把系统看成是一个不透明的，不知其内部结构的“黑箱”，在不打开黑箱的前提下，利用外部观测，通过分析黑箱与周围环境的信息联系,了解其功能的一种方法。
根据系统的某种输入及要求获得某种输出的功能要求，从中寻找出某种物理效应或原理来实现输入-输出之间的转换，得到相应的解决方法，从而推求出“黑箱”的功能结构，使“黑箱”逐渐变成“灰箱”、“白箱”的一种方法。
7、系统化设计的步骤：8、评价的目标内容：（1)技术评价目标可行性，创造性，可靠性（2)经济评价目标成本，利润，市场潜力（3）社会评价目标社会效益和影响9、技术-经济评价法（a)技术价Wt :Wt=(Piqi)/Pmax （Pi-各技术评分值；qi-加权系数；Pmax-最高分值5分或10分）（b)经济价Ww：Ww=Hi/H=0、7Hz/H （Hi-理想成本；H-实际成本）（c)技术-经济综合评价：均值法：W=（Wt+Ww)/2 双曲线法：W= (Wt、Ww )10、产品价值 V=F/C ( F-功能 C-成本)11、寿命周期成本（要会画出它的曲线图，并做分析）C=C1+C2 C1-生产成本 C2-使用成本12、提高V途径（分5种情况讨论）F ↑ /C → =V ↑ 功能F → /C ↓ =V ↑ 成本F ↑ /C ↓ =V ↑ 功能、成本F ↑↑ /C ↑ =V ↑ 功能F ↓ /C ↓↓ =V ↑ 成本第二章机械优化设计1、优化设计的数学模型统一形式描述：min f(x)x=[x1,x2,………xn]T s、t、gi(x)<=0 i=1,2,3…mhj(x)=o j=1,2,……n(p（k）s（k） x（k）第K步迭代点α（k）第K步迭步长 s（k）第K步迭代方向3、终止准则：（1）点距准则：(2)下降准则：(3）梯度准则：4、一维搜索方法: 对一维（也称一元或单变量）目标函数f(x)寻求其最优解x*的过得程称为一维优化，所使用的方法称为一维优化方法。
现代材料研究方法课程设计
现代材料研究方法课程设计高分子材料的运用越来越广泛，其剖析技术已随之迅速发展。
在生产中，分析人员须进行控制分析监视生产过程，对原料和产品进行剖析，对使用过程中的产品进行跟踪分析，对废弃产品进行分析等。
在日常生活中，人们往往关注食品袋是否安全无毒，想知道植物是什么纤维，甚至于想了解所使用的塑料制品其组成，这些都要依靠高分子材料的剖析技术。
而无论在企业、高校或科研单位，聚合过程研究、高分子设计、老品种改性和新产品开发等更离不开它。
通过对此课程的学习，我们能掌握高分子材料的结构剖析和鉴定的方法，了解高分子材料的组成及结构的分析方法并掌握相关仪器的操作方法。
聚氯乙烯（PVC）是三大通用塑料品种之一，以其优异的性能被广泛应用于工农业生产、日用品消费和建筑行业等各个领域。
如薄膜（农业薄膜、包装用薄片）；人造革（鞋、皮包、沙发等）；电器（电线绝缘漆、绝缘胶带）；化工（防腐蚀管道、槽等）；日用品（瓶、唱片、鞋、玩具、封条、书的涂层、容器、管等）；建材（地板、壁纸、管道、屋顶防水涂层等）；纤维（织物）。
硬质PVC作为化学建材使用，如塑料门窗异型材、供排水管材、管件、板材等制品，有其它材料无法替代的性能和优势。
聚乙烯（PE）对于环境应力(化学与机械作用)是很敏感的，耐热老化性差。
聚乙烯的性质因品种而异，主要取决于分子结构和密度。
采用不同的生产方法可得不同密度(0.91～0.96g／cm3）的产物。
聚乙烯可用一般热塑性塑料的成型方法加工。
用途十分广泛，主要用来制造薄膜、容器、管道、单丝、电线电缆、日用品等，并可作为电视、雷达等的高频绝缘材料。
随着石油化工的发展，聚乙烯生产得到迅速发展，产量约占塑料总产量的1/4。
近年来在核物理,天体物理,反应堆运行中运用聚乙烯作为漫化剂来测量中子.对核物理的研究做出了自己的贡献.聚乙烯(PE)塑料一种,我们常常提的方便袋就是聚乙烯(PE).聚乙烯是结构最简单的高分子，也是应用最广泛的高分子材料。
材料现代研究方法讲义
材料现代研究方法讲义
反映对称
【镜面】镜面是一个假想的平面，通过晶体中心， 能将晶体分成彼此镜象反映的二个相等部分。镜面 相应的对称操作是对此平面的反映，用符号m表示。
材料现代研究方法讲义
旋转对称
【旋转轴】旋转对称轴是通过中心的一条假想直线， 当晶体围绕这一直线旋转一定角度后，可以使晶体相 同的部分重复出现。旋转时能使晶体重复出现的最小 角度，称为基转角；旋转360°时，晶体上相等的部 分以相同位置出现的次数称为轴次，或称n次旋转轴。
材料现代研究方法讲义
根据晶向指数的定义,平行于a轴的晶向指数为 [100],平行于b轴的晶向指数为[010],平行于c轴的 晶向指数为[001]。 当某一指数为负值时,则在该指数上加一横线,如 [uvw]。 相互平行的晶向具有相同的指数,但是[100]与 [100] 是一条线上的两个指向相反的方向,不能等同 看待。 <uvw>表示由对称性联系的一系列等同晶向,这 些等同晶向组成等效晶向族。例如立方晶系中各棱 边都属于<100>晶向族,它包括以下晶向：
材料现代研究方法讲义
二、晶体结构的对称性
对称是指物体相同部分作有规律的重复。 对称的物体是由两个或两个以上的等同部分组成, 通过一定的对称操作后,各等同部分调换位置,整个 物体恢复原状,分辨不出操作前后的差别。 对称操作指不改变等同部分内部任何两点间的距离, 而使物体中各等同部分调换位置后能够恢复原状的 操作。 对称操作所依据的几何元素,亦即在对称操作中保 持不动的点、线、面等几何元素,称为对称元素。
在点阵晶胞中,标出相应晶体结构中基元各原子 的位置,则可得到构成晶体的基本结构单位。这种 平行六面体的基本结构单位叫晶胞(unit cell)。 晶胞的两个要素： 晶 胞 的 大 小 和 形 状 , 它 由 点 阵 常 数 a, b , c, α,β,γ规定； 晶胞内部各个原子的坐标x,y,z。坐标参数的 意义是指由晶胞原点指向原子的矢量 ｒ , 用单位 矢量 a, b , c 表达,即
材料设计理论与方法
1900 年，德鲁特提出金属中电子的运动模型 电子气假说，独立自由电子假说 特鲁德模 型认为：这些传导电子构成自由电子气系统， 可以用运动学理论进行处理 特鲁德模型的基本假设 价电子既是独立的，也是自由的 自由电子在运动过程中发生弹性碰撞 驰豫时 间. 与电子的位置和速度无关 碰撞前后电子 的速度毫无关联，方向是随机的 特鲁德模型 的应用举例 金属的直流电导
1 根据电子的填充水平，所有的能 带（布里渊区）可分为满带、半 满带和空带 2 电子的填充遵循能量最低原则和 泡利不相容原则
索末菲对金属内部电子运动的假设：自由电子： 单电子性质、均匀势场
金属内部电子的能量状态特征 ：能带：电子 的能量状态准连续分布 费米能级、费米面、费米球 ：电子所能填充 的最高能级
量子化学
二、能带理论的诞生
研究手段：量子力学理论
金属中的电子运动
研究对象：化学问题，包括化学键的形成、 能带理论的框架
化学反应等。
能带理论的应用意义
20 世纪初笼罩在物理学上空的两朵乌云 黑 体辐射 光电效应 普朗克提出了量子化思想 爱因斯坦提出了“光子”的概念 揭示了光的本质
黑体辐射 经典理论： 瑞利-琼斯定律、维 恩定律的计 算公式均与实验结果不吻合！ 普朗克提出辐射能量量子化 的概念，成功地得到与实验
材料设计的理论及应用
材料 性能1 23源自屈服强度， 抗拉强度， 延伸率， 焊接性
MPa
MPa
%
180
320
40
好
480
600
25
好
700
1000
10
好
耐腐蚀性
一般 好 一般
若想获得以下三种断面形状的产品（或零件），你想分别 选择哪三种加工或成形工艺（不允许重复）？并说明理由 及具体的工艺过程。
①
②
③
几何模型
碟形弹簧几何形状及尺寸
这 三个层次的研究对象、方法和任务是不同的。
材料设计的研究范畴按研究对象的空间尺度不同可划分为4个层 次，即电子层次、原子与分子层次、微观结构组织和宏观层次。
电子、原子与分子层次对应的空间尺度大致10nm以下，所对应 的学科层次是量子化学、固体物理学等，分子动力学法与蒙特卡罗 法是在该层次上常用的研究工具；
第二章 材料设计的理论及应用
✓生物技术、信息技术和新材料的发展是现代科学技术发展的 三大支柱，其中材料的发展是当代高新技术的基础，也是现代 工业的基石，因此人们对材料的研究、开发和性能提出了越来 越高的要求。
✓长期以来，材料研究主要采用“炒菜筛选法”或“试错法”， 这一般需要依赖大量的试验，造成人力、物力和资源的浪费， 设计周期也较长。
微观结构对应的空间尺度大致为μm级到mm级，所对应的学科为 材料科学，此时材料被认为是连续介质，不用考虑材料中个别原子 和分子的行为，有限元等方法是这一领域研究的主要工具;
对于材料的性能来说，涉及到块体材料在成形与使用中的行为表 现，属于材料工程甚至系统工程的领域，采用的方法如工程模拟等 技术。
此外，上述各层次对不同的研究任务，其表现作用也不同。如 研究电子材料的某些电学特性可能以电子、原子层次的研究为主; 研究复合材料的细观力学可能用有限元方法等，因此，不同的材 料研究任务可能会采取不同的研究方法。
现代材料设计理论与方法
多功能集成
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
炼钢 半导体材料 水泥
高性能钢铁、特种钢材
掺杂、导电性能控制
配方
材料设计思想在我们的日常生活中无处不在。
材料设计的分类
从研究层次上分类
宏观、介观、微观
从研究对象上分类
金属、陶瓷、高分子、复合材料等
材料设计的层次
微观层次 对应学科：量子化学、固体物理
空间尺度 ~ 1 nm，电子、原子、分子层次的设计。
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
PHACOMP技术，控制合金的组成 “d电子合金设计法”，应用于钛合金、镍铬合金等 计算机辅助合金设计（CAAD），可控热核反应炉材料
新物相预报
新材料开发：主要是靠找到性能优异的新化合物，
如钕铁硼、钐钴硫以及高温超导陶瓷等。
基本步骤： 是否可能存在？
微观结构和可能性质？ 预测、计算
制备成功的可能性？
例如，第一性原理法，量子化学法，分子动力学方法，蒙特卡洛法， 有限元方法，遗传算法，模糊神经网络算法。
材料设计的原理与方法
材料设计的原理与方法摘要:材料设计是现代材料研制过程中必须首要解决的问题, 是材料设计由定性化向定量化方向发展的必然趋势，本文论述了材料设计的定义、范畴和发展现状,并对材料设计中的各种理论方法进行了详细论述和举例,在此基础上对该领域的发展提出了若干建议。
关键词:材料设计；理论；方法0 引言材料设计是材料科学中的一个新兴分支，其内容是应用已有的知识与技术研制具有预期性能的新材料。
它的提出始于50年代，从70年代末期开始有了迅速的发展，特别是近几年来，已经有了不少引人注目的成果，越来越受到发达国家的重视。
生物技术、信息技术和新材料的发展是现代科学技术发展的三大支柱,其中新材料的发展是当代高新技术的基础,也是现代工业的基石,因此人们对材料的研究、开发和性能提出了越来越高的要求。
然而长期以来,材料研究主要采用“炒菜筛选法”或“试错法”,这一般需要依赖大量的试验,造成人力、物力和资源的浪费,设计周期也较长。
随着科学技术的发展,一些新的试验设备和方法的出现以及固体理论、分子动力学和计算机模拟等技术的发展,为材料设计提供了理论依据和强有力的技术支持。
近年来的材料研究表明,将现代新技术用于材料设计,则可用较少的试验获得较为理想的材料,达到事半功倍的效果。
1 材料设计的定义与范畴1.1 材料设计的定义材料设计的设想始于20世纪50年代,前苏联科学家进行了初期的研究,在理论上提出了人工半导体超晶格的概念。
到1985年,日本学者山岛良绩正式提出了“材料设计学”这一专门的研究方向,将材料设计定义为利用现有的材料、科学知识和实践经验,通过分析和综合,创造出满足特殊要求的新材料的一种活动过程,其目的是改进已有的材料和创造新材料。
现在材料设计已基本上形成一套特殊的方法,就是根据性能要求确定设计目标,有效地利用现有资源,通过成份、结构、组织、合成和工艺过程的合理设计来制造材料。
其中,关键是材料的成份、结构和组织的设计。
1.2 材料设计的研究范畴材料设计的研究范畴按研究对象的空间尺度不同可划分为4个层次,即电子层次、原子与分子层次、微观结构组织和宏观层次,如图1所示。
现代材料研究方法课程设计
现代材料研究方法课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解并掌握现代材料研究的基本方法，包括材料制备、结构表征、性能测试等。
2. 学生能了解不同研究方法在材料科学领域的应用和优缺点。
3. 学生能掌握材料研究中常用的数据分析与处理技巧。
技能目标：1. 学生具备运用现代研究方法进行材料实验设计和实施的能力。
2. 学生能够独立操作相关实验设备，进行材料制备和性能测试。
3. 学生能够运用数据分析软件对实验数据进行处理和分析，撰写规范的实验报告。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对材料科学的热爱和探究精神，增强对科技创新的责任感和使命感。
2. 学生树立正确的科研态度，严谨、务实，注重团队合作与交流。
3. 学生能够关注材料研究在环保、可持续发展等方面的意义，培养社会责任感。
课程性质分析：本课程为高中年级的选修课程，旨在拓展学生对现代材料研究的认识，提高科学素养。
课程内容紧密联系实际，注重培养学生的实践操作能力和创新思维。
学生特点分析：高中年级学生具备一定的物理、化学基础知识，对现代科技充满好奇心，具有较强的求知欲和动手能力。
学生在学习过程中需要引导他们结合已有知识，探索新材料领域。
教学要求：1. 教师应注重理论与实践相结合，提高课程的趣味性和实用性。
2. 教学过程中要关注学生的个体差异，激发学生的学习兴趣和积极性。
3. 教学评价要全面，既要关注学生的知识掌握程度，也要关注学生的技能和情感态度价值观的培养。
二、教学内容1. 现代材料研究方法概述- 材料研究方法的分类与发展趋势- 常用研究方法的原理及其在材料科学中的应用2. 材料制备技术- 气相沉积法、溶胶-凝胶法、水热合成法等制备技术- 各类制备技术的优缺点及适用范围3. 结构表征技术- X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等表征技术- 各类表征技术的原理及其在材料结构分析中的应用4. 性能测试方法- 电学、磁学、光学性能测试- 力学、热学性能测试- 各类性能测试方法的原理及其在材料研究中的应用5. 数据分析与处理- 实验数据的收集、整理和表达- 常用数据分析方法与软件应用- 实验报告的撰写规范6. 实践操作与案例分析- 设计并实施简单的材料制备与性能测试实验- 分析实际案例，了解现代材料研究方法在实际科研中的应用教学内容安排与进度：本课程共安排12个课时，具体教学内容与进度如下：1-2课时：现代材料研究方法概述3-4课时：材料制备技术5-6课时：结构表征技术7-8课时：性能测试方法9-10课时：数据分析与处理11-12课时：实践操作与案例分析教学内容与教材关联性：本教学内容与教材《新材料技术》的第三章“材料的制备与表征”和第四章“材料性能测试与分析”紧密相关，确保学生能够在掌握基础知识的同时，拓展现代材料研究方法的学习。