材料科学与工程方法论—5 材料设计与制备的统一性

软件并进化将有利于现有理论方法的相互结合，并可能使软件发展得到商业支持；
处理复杂问题的能力增强，从而使理论计算与实践配合的可能性大为提高； 材料计算的精度可能提高到热化学的精度； 处理电子关联效应的理论方法可望取得进步，这对于发展算法和计算机程序具有重 要意义； 材料动力学特性研究，可以覆盖从原子尺度直到介观尺度的范围； 计算材料强度的软件可能大为改善；
(1) 溶液变温法：饱和溶液和仔晶臵于容器中，以一定的速率降低溶液温度，溶质在 仔晶上析出，晶体得以长大。 (2) 水热法：低温溶液生长常使用的溶剂是水，生长有机晶体时常用丙酮、乙醇、四 氯化碳等有机溶剂。制备通常条件下不溶于水的物质，如水晶(SiO2)等，超临界水 是有效的溶剂，使用超临界水作溶剂的方法即为水热法。 (3) 化学共沉淀法：一种或多种金属盐在溶液中发生化学反应，生成不溶的沉淀物微粉。 (AgNO3+NaCl→AgCl↓+NaNO3)
是一个运用材料知识解决材料设计中有关问题的计算机程序系统，能 针对特定项目的需要，在一定范围内和一定程度上为某些特定性能材料的 制备提供指导，帮助研究人员进行新材料的开发。 材料设计专家系统大致有以下三类： (1) 以知识检索、简单计算和推理为基础的专家系统； (2) 以模式识别和人工神经网络为基础的专家系统； (3) 以计算机模拟和运算为基础的材料设计专家系统。
①计算机可以模拟进行现实中不能或很难实现的实验，如材料在极端压力、温
度条件下的相变；
②计算机可以模拟目前实验条件下无法进行的原子及以下尺度的研究； ③计算机模拟可以验证已有理论和根据模拟结果修正或完善已有理论，也可以 从模拟研究结果出发，指导、改善实验室实验。
1.材料设计
材料设计的组成和层次
材料设计的组成：
理论、模型、计算、实验和统计。
实验 计算
材料设计
统计
建立模型
理论
组成部分间的关系：
测试 实验
特性评价
制备 建立模型 描述 详细模型 理论 基本理论 和 概念 数据库 计算 计算
计算
统计分析 模式识别
材料设计的层次：
按研究对象所涉及的空间尺度和时间尺度可划分不同的层次： (1) 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； (2) 连续模型层次：典型尺度在约1um量级，材料被成连续介质，不考虑单 个原子、分子的行为； (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过程和使用 性能的设计研究。 原 料
制备
材料设计的范围：
材料试样
观测
组织结构
测试
特 性
是否可用
可 否
评 价
1.材料设计
材料设计的主要途径
材料知识库和数据库技术：
材料知识库和数据库是以存取材料知识和性能数据为主要内容的数值数 据库。 一个数据库通常包括材料的性能数据、材料的组分、处理过程、材料的 试验条件以及材料的应用和评价等。 计算机辅助合金设计，按下列步骤进行：
当熔体急速降温，以至生长甚至成核都来不及 发生就降温到原子热运动足够低的温度，就可以将熔 体中的无序结构“冻结”保留下来，得到结构无序的固 体材料，即非晶，或玻璃态材料。
(1) 雾化法：将熔融金属用气流、液体或机械方法破碎成小液滴， 随后凝固成粉末，冷却速度一般为103~105K/s。 (2) 急冷液态溅射：是将熔融金属或合金溅射到高速旋转的具有高导 热系数的辊面上，熔体在辊面上急速降温，形成 20~50um 厚的 非晶薄带，降温速度可达105~107K/s(已工业化生产)。 (3) 表面熔化和自淬火法：用激光束或电子束使合金表面薄层 (厚度 <10um)迅速熔化，未熔化部分为冷体，使熔化层迅速凝固，冷 却速率可达105~108K/s(可在大尺度材料表面获得急冷凝固层)。
1.材料设计 薄膜、复合材料的设计问题：
理论上应设计好作为构建单元的介观实体，此介观 实体由几十个原子至几千个原子组成，结构和特性是 多变的，有很强的装配性。
从理论上预报和设计材料：
非平衡态下性能的预报和各种材料转变过程的预报， 根据加工历史预报材料效能。
1.材料设计
当前材料设计的机遇
•缺点：
a 一般要用坩埚做容器，导致熔 体有不同程度的污染； b 当熔体中含有易挥发物时，则 存在控制组分的困难； c 不适用于对于固态下有相变的 晶体。
•
•
•设计合理的生长系统，精确而 稳定的温度控制，熟练的操作 •技术，是获得高质量晶体的重 要前提条件。
•最大优点：能够以较快的 速率生长较高质；4—非晶薄
2.材料制备
溶液法材料制备：
溶液法可用来生长单晶材料，也可用于制备粉末、薄膜和纤维等材料。 溶液是均匀、单相的，从溶液中制备晶体材料，原子无需长程扩散，因而 溶液法比固相反应所需的温度低得多。 原理： 使晶体原料作为溶质，溶于合适的溶剂中，用一定的方法使溶液过饱和， 从而结晶。通过放臵仔晶，可以对晶体的取向进行控制。
基于连续介质模型的模拟计算有两个根本出发点：
a. 要建立和反映材料宏观特性可测量之间数学的关系式； b. 是要运用材料微观性质的知识，探索它们同宏观性质之间的联系。 例如：在功能梯度材料研制过程中用模拟方法计算热应力的分布，为寻求合理 的结构提供依据。 又如：在用液态合金经急冷而制得的非晶态合金材料时，利用计算机模拟计算 液体合金的传热传质过程，有助于设计合理的设备和工艺。
(1) 输入对材料性能的要求； (2) 检索材料信息，寻找符合要求的资料； (3) 计算所选材料的性质； (4) 在计算性质的基础上寻找指标高的未知材料； (5) 应用演绎法、归纳法和数据库中的资料，试图改善初步选定材料的性能，以推 荐最终选定的材料；
(6) 计算最终选定材料的性能。
1.材料设计
材料设计专家系统：
(3) 材料学与生物学相融合，仿生材料设计将日益受到重视，最基本的研究方法是了
解合成物质与生物组织间的相互作用； (4) 材料设计趋向定量化。
反思：
(1) 目前，材料设计仍局限于经验设计，现代科学技术成果未能转化成材料设计的有 力工具，习惯于传统的设计思想，在有意无意地阻碍新思想、新知识的输入； (2) 现有的理论研究往往与材料设计脱节；
1.材料设计
传统材料面临的问题：
①由于研究对象的复杂性，现有理论手段很难处理一些极为复杂的问题，求解 1个比较复杂的分子的薛定谔方程都很难实现； ②新的实验手段、仪器、设备虽然不断涌现，在一定范围内为实验研究提供了 新方法。但大都极为昂贵，只为个别或少数拥有，研究的问题也极为有限。
以材料设计为目的的计算机模拟的特点：
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2.材料制备
(3) 区熔法
水平和悬浮区熔法
1—仔晶；2—晶体；3—加热器 4—熔体；5—料棒；6—料
•水平区熔法与坩埚移动法大体相似，但 水平区熔法的熔区 •被限制在一个狭小的范围内，绝大部分 材料处于固态。
•熔区沿着料锭由一端向另一端缓慢移动，晶体 生长过程也就逐渐完成。
2.材料制备
(4) 外延生长技术(LPE)
表面与界面的研究：
当代关键技术中的一个核心问题是如何描述不同材料怎样在原子和化 学水平上结合而成固体表面。所有合成的、通过原子水平调制的结构，都 包含不同化学介质层间的界面。这些原子水平调制的界面结构表现出完全 不同于体材料的光、电、磁和力学性质。计算材料物理的任务在于揭示发 生在表面、界面上各种现象的物理内涵，补充实验不能直接测量的东西。
1.材料设计
国内外研究动态
新材料及其理论方法：
新材料：高Tc铜氧化物超导体、富勒烯及其衍生物、纳米材料、超硬材料、 人工低维量子结构材料等。 应用：量子阱激交器、高温超导器件、巨磁阻磁头等。 重要的理论方法： (1) 局域密度近似(LDA)：可计算几百个原子的系统，并已得到材料基态的 结构、振动和力学性质； (2) GW准粒子近似：计算固体中电子激发能的方法。 (3) 第一性原理的分子动力学方法：用于动力学和热力学性质计算。
材料设计中的计算机模拟：
利用计算机对真实的材料系统进行模拟“实验”，提供模拟结果，指 导新材料研究。其模拟对象遍及从材料研制到使用的全过程，包括合成、 结构、性能及使用等，模拟过程是把涉及复杂材料某一过程、某一层次上 物理现象的基本性质准确地转化为一定的数学模型，该模型一方面可以由 计算机求解，另一方面可以描述或预测某些可观测的材料性能。
材料科学与工程方法论
中南大学 王德志
提纲
•一
• 方法论概述 • 材料科学与工程研究的客观规律性 • 材料科学与工程的整体观 • 材料结构、性能与表征的因果关系 • 材料设计与制备的统一性
• 环境、能源、信息、军工、铁道材料的发展观
•二 •三 •四
•五 •六
五、材料设计与制备的统一性
1.材料设计
液相外延生长技术
1—热电偶；2—石墨料舟； 3—不同组分的熔体； 4—衬底
2.材料制备
从熔体制备非晶材料：
高温熔体处于无序状态，使熔体缓慢降温到熔点，开始成核、晶核生长， 结晶为有序的晶体结构。随温度降低，过冷度增加，结晶的速率加快，当 温度降到一定值时，结晶速率达极大值，进一步降温，结晶速率又下降。
(3) 物理与材料学紧密结合起来是解决和攻克目前材料设计领域重大问题的关键。
2.材料制备
材料合成与加工的内涵 材料的合成：是指通过一定的途径，从气态、 液态或固态的各种不同原材料中得到化学上不 同于原材料的新材料。 材料的加工：是指通过一定的工艺手段使新材 料在物理上处于和原材料不同的状态 (化学上完 全相同)。
2.材料制备
溶液变温法
1—温度计；2、3—固定螺丝； 4—罩板； 5—导电表； 6、7、8—加热器； 9—固定支架
水热法
1—塞子；2—闭锁螺母； 3—釜体； 4—铜环； 5—钛密封垫；7—钛内衬； 8—仔晶；9—水溶液 10—原料