第6章 材料科学与工程展望

6.材料科学与工程展望
6.1材料表征及其进展
6.1.1性能检测
性能——材料在给定的一套条件下，当某一条件发生变化时材料所发生的响应。
广义力——广义位移的关系：线性——常数表征——弹性模量、热容等;非线性——导数表征——极化率、
热导率、电导率、扩散系数等
非单项性能的表征——可焊性、可加工性、抗腐蚀性等——测试系统——台架试验
6.1.2显微组织分析原理
材料的组织形态、结构与成分可以用材料与电磁波辐射、电子、离子、中子的相互作用来进行检验，这些
相互作用的信息构成有关分析技术的物理基础；电子与材料的相互作用；X射线与材料的相互作用；离子
束分析；中子衍射与小角度中子散射；电子与材料的相互作用；X射线与材料的相互作用
6.1.3显微结构表征
1.形貌观察:光学显微镜－微米尺度；扫描电境－纳米尺度；透射电境－纳米尺度；扫描透射电境－纳米尺
度；场离子显微镜－原子尺度（0.2nm）；扫描隧道显微镜－原子尺度（0.01-0.2nm）
2.结构测定:以X射线衍射为主。包括粉末照相、高常低温衍射仪、背反射谱和劳厄照相。－分析微米以上
尺度的相;电子衍射－测定微细晶体或亚微米尺度的相
3.成分分析:传统的分析化学技术；质谱、紫外、可见光、红外光谱分析；气、液相色谱；光发射与吸收谱；
X射线荧光分析谱；俄歇与X射线光电子谱；二次离子质谱；拉曼谱；电子、原子、激光探针
6.1.4从材料出发的综合分析
形貌观察；结构测定；化学分析；物理性能－光学性能、电学性能等；力学性能；化学性能
6.1.5材料表征技术展望
1.分析技术的交叉与综合:发展综合分析技术－透射电子显微镜；性能测试与显微组织表征同步进行
2.分析结果的定量化与可视化:计算机技术快速发展的推动；数据处理能力的提高使分析定量化；分
析结果的可视化
3.低维材料制备与分析测试结合
6.2材料设计及其进展
6.2.1材料设计的内涵、范围与层次
材料设计(materialsdesign)是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能。
分三个层次：微观设计层次：空间尺度约1nm量级，是所谓原子、电子层次的设计；连续模型层次：典型
尺度约1µm量级，材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为；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。
6.2.2材料设计发展概况
1.前期研究的回顾：始于20世纪50年代－苏联；1962年，苏联学者在理论上提出人工半导体超晶格概念。；
1969年，Easki和Tsu提出通过改变组分与掺杂获得人工半导体超晶格。；1985年，日本出版《新材料开
发与材料设计学》，首次提出“材料设计学”，并在大学开设材料设计课程。；1988年，日本科学技术厅
组织FGM研究任务，提出将设计－合成－评估三者紧密结合起来，按预定要求设计材料；1989年，美国
编写《90年代的材料科学与工程》，对材料的计算机分析与模型化进行了充分的论述。
材料设计受到重视的原因：固态物理、量子化学、统计力学、计算数学等相关学科有了很大的发展，为材
料设计提供了理论基础；现代计算机的速度、容量和易操作性空前提高；科学测试仪器进步，提高了定量
测量的水平；材料研究和制备过程的复杂性推动了计算机仿真的发展；以原子、分子为起始物，是现代材
料合成技术的一个重要发展方向。
2.材料设计面临的挑战：现代材料科学研究必须深入到微观层次，即分子、原子以及电子层次；“原子学
过程”（atomisticprocesses）和“原子级工程”（atomicallyengineering）；纳米科技要求从原子水平上进行材
料研究。
6.2.3材料设计的主要途径
1.材料知识库和数据库技术：数据库是随着计算机技术的发展而出现的一门新兴技术。材料知识库和数据
库是以存取材料知识和数据为主要内容的数值数据库；优点：信息量大、存取速度快、查询方便、使用灵
活；数据优化、数据独立性、数据一致性；数据共享、数据保护；数据库内容－性能数据、材料组分、处
理过程、试验条件、材料应用和评价等；数据库管理系统－数据收集、整理和评价；数据库发展方向－智
能化、网络化；计算机辅助合金设计（computer-aidalloydesign,CAAD系统）：日本三岛良绩和岩田修一
等建立、为可控热核反应炉进行材料设计
2.材料设计专家系统：一种具有相当数量与材料有关的各种背景知识，并能应用这些知识解决材料设计中
有关问题的计算机程序系统；理想的专家系统是从基本理论出发，通过计算和逻辑推理，预测未知材料的
性能会制备方法。材料设计专家系统有四类：以知识检索、简单计算和推理为基础的专家系统；以模式识
别和人工神经网络为基础的专家系统；以计算机模拟和应用为基础的专家系统；以材料智能加工为目标的
专家系统
3.材料设计中的计算机模拟：模拟对象遍及材料研制到使用的全过程；与材料理论和实验研究具有同等地
重要性；模拟尺度分为3类：原子尺度模拟－分子动力学和蒙特－卡洛（Monte-Carlo）方法；宏观尺度模
拟－将材料看成连续介质，其宏观物理现象代表质量、动量、能量平衡原理的偏微分方程所表述，对特定
的材料通过本构方程（constitutiveequations）来反映；介观尺度模拟－尚不成熟、难度最大的模拟
4.基于第一性原理（量子理论）的计算：是指任何材料的性能和结构能在量子力学方程和已知物理定律基
础上通过计算得出；求解薛定谔方程的复杂性来自电子的费米性质和难以描述的众多粒子之间的相互作用；
基于第一性原理的主要计算方法：密度泛涵理论；准粒子方程，GW近似；Car-Parrinello方法
6.2.4材料设计动态与展望
1.美国NRL报告：1995年，美国NRL（navalresearchlab）制定长期战略计划，提出“材料科学的计算与理
论技术”报告。进展：新材料及其理论方法；表面与界面的研究；薄膜、复合材料的设计问题；从理论上预
报和设计材料
2.美国能源部的SSI计划：1999年，发表“材料部件的战略模拟计划”（StrategicSimulationInitiative）；“统
一的多尺度模拟”（unifiedmulti-scalesimulation）
3.美国西北大学SRG的工作：美国西北大学SRG（SteelResearchGroup）是由大学－工业界－政府三者合
作组织的，目标是探索材料设计的普遍方法、工具及建立其数据库，并以高性能钢作为试验设计对象。
4.我国材料设计研究的概况：1987年，我国“863”新材料领域－“材料微观结构设计和性能预测”；1996年，
设立“863新材料模拟设计实验室”，开展原子水平的模拟计算。
6.3材料制备技术的进展
6.3.1液固成形技术的进展
1.快速凝固：1987年，我国“863”新材料领域－“材料微观结构设计和性能预测”；1996年，设立“863新材料
模拟设计实验室”，开展原子水平的模拟计算。
2.特殊条件下的凝固：微重力的凝固；超重力下的凝固；电脉冲下的凝固；电磁场中的凝固；高压下凝固
6.3.2固固成形技术的进展
1.塑性成形：开发新工艺——超塑成形技术、柔性成形技术、增量成形技术、净成形技术（netshapeforming）、
近净成形技术（nearnetshapeforming）、复合成形技术等；研究开发使环境净化的塑性加工技术，实现
低噪音、小震动和无震动，节省能源、节省资源和资源再利用的塑性加工技术；研究开发塑性加工过程
的计算机模拟技术和模具CAD/CAM技术；产品日趋精密化、高效化、大型化、微型化
2.粉末冶金：1)发展新工艺——制粉（超微粉）、成形（温压、注塑成形、喷射沉积）、烧结（高效烧结、
激光烧结）；2)开发新材料——纳米、准晶
6.3.3气固成形技术的进展
6.4材料前沿的若干问题
6.4.1科学、技术与材料
1.技术对材料研制的促进：材料促进了技术的发展，技术的发展为材料的制备与表征提供了全新的手段；
传统的“炒菜法”；1995年，组合合成法（combinatorialsynthesis）－”超级炒菜法“－最初用于药物研制，成
功筛选高温超导、发光材料、居里点超过室温的铁磁半导体等。
2.当代技术的挑战与机遇：向极限挑战；例子：芯片的集成密度；光纤通讯的容量；磁存储介质的容量
6.4.2新材料发展的主要动向
1.开拓超微结构的领域：材料通过复合化获得优异的性能；宏观尺度－钢筋混凝土；显微尺度－沉淀强化
的铝合金;超微尺度－纳米尺度复合结构：量子效应；融物理设计、材料制备与表征、器件研制于一体。
2.探测电子关联体系中的宝藏：电子关联是指电子和电子之间的库仑相互作用；凝聚态理论中的前沿问题；
是对经典固态能带理论的发展；开发高温超导、金属氧化物绝缘体等的理论基础。
3.开拓有机材料新领域：总体上，有机材料的结构比无机材料复杂；传统发展结构材料－橡胶、塑性和人
造纤维;研究热点：有机电子材料；有机光电子材料；生物材料－生物聚合物－蜘蛛丝；仿生材料；智能材
料