材料設(shè)計(jì)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(jì)分為以下幾個(gè)階段：（可將材料設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)階段：（1）經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段）經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段（2）材料的科學(xué)組織設(shè)計(jì)階段）材料的科學(xué)組織設(shè)計(jì)階段（3）材料的相結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段）材料的相結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段（4）原子結(jié)構(gòu)層次設(shè)計(jì)階段。）原子結(jié)構(gòu)層次設(shè)計(jì)階段。2材料設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)：材料設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)：(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(zhǔn)粒子近似（準(zhǔn)粒子近似（GWquasiparticleappoximation)、分子動(dòng)力學(xué)方法、分子動(dòng)力學(xué)方法(MolecularDynamicsMD)、新贗勢(shì)法、新贗勢(shì)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(kāi)發(fā)：一般來(lái)說(shuō)，按照空間

3、尺度可分為四個(gè)計(jì)算范圍，相應(yīng)的理論方法分別為料的研究開(kāi)發(fā)：一般來(lái)說(shuō)，按照空間尺度可分為四個(gè)計(jì)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(dòng)力學(xué)、多原子缺陷動(dòng)力學(xué)和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)；量子力學(xué)、經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)、多原子缺陷動(dòng)力學(xué)和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)；(4)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)；復(fù)合材料的設(shè)計(jì)；(5)從理論上預(yù)報(bào)和計(jì)算設(shè)計(jì)材料。從理論上預(yù)報(bào)和計(jì)算設(shè)計(jì)材料。3.材料設(shè)計(jì)的范圍與內(nèi)容：（材料設(shè)計(jì)的范圍與內(nèi)容：（1）材料設(shè)計(jì)應(yīng)包括理論、模型、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)等幾部

4、）材料設(shè)計(jì)應(yīng)包括理論、模型、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)等幾部分；分；材料設(shè)計(jì)的系統(tǒng)研究需要各個(gè)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(jì)的系統(tǒng)研究需要各個(gè)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(jì)算機(jī)專家等。家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、計(jì)算機(jī)專家等。（2）一般認(rèn)為材料設(shè)計(jì)應(yīng)包含從材料制備到應(yīng)用）一般認(rèn)為材料設(shè)計(jì)應(yīng)包含從材料制備到應(yīng)用的全過(guò)程。的全過(guò)程。（3）材料計(jì)算、材料制備、材料評(píng)價(jià)和性能檢測(cè)的過(guò)程基本

5、上完成了一個(gè)材料）材料計(jì)算、材料制備、材料評(píng)價(jià)和性能檢測(cè)的過(guò)程基本上完成了一個(gè)材料設(shè)計(jì)周期。設(shè)計(jì)周期。（4）材料計(jì)算、材料制備、材料評(píng)價(jià)和性能檢測(cè)之間的快速重復(fù)是材料發(fā)展的）材料計(jì)算、材料制備、材料評(píng)價(jià)和性能檢測(cè)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(jì)的層次：（材料設(shè)計(jì)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(jí)，是原子、電子層次的設(shè)計(jì)）量級(jí)，是原子、電子層次的設(shè)計(jì)）；（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(jí)，這時(shí)材料被看成連續(xù)介量級(jí)，這時(shí)材料被看成連續(xù)介質(zhì)，不考慮其中單個(gè)原子、分子的行為）質(zhì)，不考慮其中單個(gè)原子、分子的行為）；（；（3）宏觀層次（也稱工程應(yīng)用層次，尺度對(duì)）宏觀層次（也稱工程應(yīng)用層次，尺度對(duì)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(jì)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(jì)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(duì)應(yīng)的空間尺度為：，其對(duì)應(yīng)的空間尺度為：109m、106m、103m、1m6材料設(shè)計(jì)的層次按尺度由小到大分類：量子力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、缺陷動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力材料設(shè)計(jì)的層次按尺度由小到大分類：量子力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、缺陷動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)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(jī)現(xiàn)象。隨機(jī)現(xiàn)象。2、在概率論中、在概率論中把具有以下三個(gè)特征的試驗(yàn)稱為隨機(jī)試驗(yàn)：把具有以下三個(gè)特征的試驗(yàn)稱為隨機(jī)試驗(yàn)：（1）可以在相同的條件下重復(fù)地進(jìn)行）可以在相同的條件下重復(fù)地進(jìn)行（2）每次試驗(yàn)的可能結(jié)果不止一個(gè)）每次試驗(yàn)的可能結(jié)果不止一個(gè)并且能事先明確試驗(yàn)的所有可能結(jié)果并且能事先明確試驗(yàn)的所有可能結(jié)果（3）進(jìn)行一次試驗(yàn)之前不能確定哪一個(gè)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)（結(jié)果不可預(yù)知））進(jìn)行一次試驗(yàn)之前不能確定哪一個(gè)結(jié)果會(huì)出

9、現(xiàn)（結(jié)果不可預(yù)知）。3、基本思想：針對(duì)待求問(wèn)題，根據(jù)物理現(xiàn)象本身的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，或人為構(gòu)造一合適的依賴隨、基本思想：針對(duì)待求問(wèn)題，根據(jù)物理現(xiàn)象本身的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，或人為構(gòu)造一合適的依賴隨機(jī)變量的概率模型，使某些隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)量為待求問(wèn)題的解，進(jìn)行大統(tǒng)計(jì)量（機(jī)變量的概率模型，使某些隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)量為待求問(wèn)題的解，進(jìn)行大統(tǒng)計(jì)量（N→∞）的統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法或計(jì)算機(jī)隨機(jī)模擬方法?！蓿┑慕y(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法或計(jì)算機(jī)隨機(jī)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(jì)誤差。中心極限定理：置信水平下的統(tǒng)計(jì)誤差。5、蒙特卡羅方法的優(yōu)點(diǎn)：、蒙特卡羅方法的優(yōu)點(diǎn)：（1）能夠比較逼真地描述具有隨機(jī)性質(zhì)的事物的特點(diǎn)及物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程。）能夠比較逼真地描述具有隨機(jī)性質(zhì)的事物的特點(diǎn)及物理實(shí)驗(yàn)過(guò)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(wèn)題的維數(shù)無(wú)關(guān)。）收斂速度與問(wèn)題的維數(shù)無(wú)關(guān)。（4）具有同時(shí)計(jì)算多個(gè)方案

11、與多個(gè)未知量的能力。）具有同時(shí)計(jì)算多個(gè)方案與多個(gè)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(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。）程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。6、蒙特卡羅方法的缺點(diǎn)：（、蒙特卡羅方法的缺點(diǎn)：（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(jì)算結(jié)果與系）計(jì)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(yàn)次數(shù)）增大試驗(yàn)次數(shù)N。（2）減小估計(jì)的均方差σ）減小估

12、計(jì)的均方差σ.8、真隨機(jī)數(shù)與偽隨機(jī)數(shù)的定義：由隨機(jī)物理過(guò)程來(lái)產(chǎn)生；由計(jì)算機(jī)按遞推公式大量產(chǎn)生。、真隨機(jī)數(shù)與偽隨機(jī)數(shù)的定義：由隨機(jī)物理過(guò)程來(lái)產(chǎn)生；由計(jì)算機(jī)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(shí)際上是一種統(tǒng)計(jì)力學(xué)的計(jì)方法實(shí)際上是一種統(tǒng)計(jì)力學(xué)的計(jì)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(yùn)動(dòng)的隨機(jī)過(guò)程，進(jìn)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(yùn)

13、動(dòng)的隨機(jī)過(guò)程，進(jìn)而獲得體系有關(guān)信息的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果。的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果。第四節(jié)第四節(jié)復(fù)合材料設(shè)計(jì)基礎(chǔ)復(fù)合材料設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料設(shè)計(jì)的基本原則：（、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料設(shè)計(jì)的基本原則：（1）纖維的強(qiáng)度和模量都要高于基體；（）纖維的強(qiáng)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(guò)大；（）纖維和基體的熱膨脹系數(shù)相差不能過(guò)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(qiáng)復(fù)合材料設(shè)計(jì)的基本原則：（、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料設(shè)計(jì)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(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料特征物理量的推導(dǎo)：連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)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(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度估算：增強(qiáng)體含量少時(shí)，纖維出現(xiàn)反相彎折，基體以連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度估算：增強(qiáng)體含量少時(shí)，纖維出現(xiàn)反相彎折，基體以異相方式承受拉伸和壓縮；當(dāng)增強(qiáng)體含量高時(shí)，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