材料设计复习资料.docx
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材料设计复习资料
材料现代设计理论与方法
绪论
1、材料设计的研究范围
答：
成分，性质，合成与制备，效能（使用性能），环境影响（气氛、温度、受力状态）、组织结构、理论（材料设计与工艺设计）
2、材料设计研究的主要内容有哪些？
答：
通过理论与计算预报新材料的组分、结构和性能；通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料。
具体内容包括合金设计、新化合物和新物相预报、超晶粒和杂化材料设计、复合材料设计、陶瓷材料设计、高分子材料设计。
3、材料设计的层次有哪些？
答：
按研究对象的空间尺度不同分为三个层次。
微观设计层次：
空间尺度~1nm，电子、原子、分子层次的设计
连续模型层次（介观）：
空间尺寸~1um，组织结构层次的设计，将材料看成连续介质
工程设计层次（宏观）：
空间尺寸对应于宏观材料，涉及大块材料加工和使用性能的设计。
4、材料设计的途径有哪些？
答：
第一性原理（能带理论）、计算机模拟技术（数值算法）、知识库与数据库技术（相图数据库）、材料设计专家系统（人工智能）
5.现代材料科学研究四要素
材料组成、结构、制备工艺，材料性能和用途
材料电子理论
1、材料的现代设计理论
答：
现代电子理论、现代化学键理论、分子动力学理论
2、原子结合成晶体的化学键（键合类型）
答：
离子键、共价键、范德华键、金属键
3、自由电子：
金属晶体中处于自由运动状态的电子
4、自由电子理论的两大思路：
答：
（1）在假设自由电子在金属晶体中的恒定势场下运动基础上建立了薛定谔方程，并将电子从能量空间转向波数空间（K空间）考虑，建立了K空间理论（在K空间中，K等价于动量，因此一个电子的动能，以及取V0=0为这个电子能带底时的总能量随K2而增加，到最大费米能
其中容纳了所有的自由电子，在每个状态中包含2个自旋相反的电子。
式中KF是费米波数，n为单位体积内的自由电子数。
（2）通过将单电子的性质假设为是原子和其他价电子在均匀势场中的处理，得到有着固定V分布（势分布）的单电子薛定谔方程，将电子的运动状态从一个多体问题转化成单体来处理，把每个电子视为独立粒子，整个晶体构成一个独立粒子系统。
从而，将一个不可能求解的多电子的薛定谔真实方程简化，得到了求解。
5、近自由电子近似：
依据能带理论，可以认为固体内部电子不再束缚在单个原子周围，而是在整个固体内部运动，仅仅受到离子实势场的微扰。
近自由电子近似应用范围有限，只对碱金属适用，这一类晶体的费米面近似为球形。
6、晶体中电子的E-K曲线
图（a）自由电子近似曲线；
图（b）在K=±n/2a附近不同于图（a），其他部分与自由电子模型完全相同。
7、布里渊区：
当K=n/2a时，电子产生布拉格反射，从而出现能隙，导致将K空间分为区的概念，这些区称为布里渊区。
布里渊区理论是描述能带结构的模型。
8、第二布里渊区
答：
在波矢空间中取某一倒易阵点为原点，作所有倒易点阵矢量的垂直平分面，这些面波矢空间划分为一系列的区域：
其中最靠近原点的一组面所围的闭合区称为第一布里渊区；在第一布里渊区之外，由于一组平面所包围的波矢区叫第二布里渊区；
9、合金相的琼斯理论
答：
在有高价电子的Cu、Ag、Au的合金中，在某些特殊的电子浓度存在一些合金相。
相边界（fcc）出现在电子浓度（每个原子的自由电子）为1.4，相（fcc）出现在1.5。
最适宜的合金成分是布里渊区刚好填满；否则费米能增加。
蒙特卡罗方法
1、蒙特卡罗方法的基本思想
答：
（1）当所要求解的问题是某种事件出现的概率：
通过某种“试验”的方法，得到这种事件出现的频率；
（2）当所要求解的问题是某个随机变量的期望值：
通过某种“试验”的方法，得到这个随机变数的平均值；
（3）蒙特卡罗方法求解问题：
①首先要建立一个随机模型；
②然后要制造一系列的随机数用以模拟这个过程；
③最后要作统计性的处理；
（关于建立随机模型，因问题而异）
2、马尔科夫（Markov）过程
答：
在应用M-C模拟现实的系统时，所有算法都是基于Markov过程。
在此过程中，若设时刻t0具有动力学变量q0，在其后时刻t具有某一动力学变量取值的概率与在t0时刻之前此系统经由怎样的状态没有任何关系。
Markov过程作为随机游动过程，它在游走中任一阶段的行为都不被先前游动过程的历史所限制，即区域内的点可以多次被访问。
也就是说，在t0时刻以前的经历全部缩并为所谓的“在时刻t0具有动力学变量组q0”的单一信息。
就Markov过程而言，新的状态仅由现在的状态决定；而非Markov过程，新的状态还直接依赖于过去的状态。
对于由多个粒子、多个自由度组成的一般力学系统，若可以不考虑部分自由度（即施加约束条件），而只着眼于其他部分自由度的处理，则所观测系统的演化可作为像Markov过程之类的简单过程来描述。
即舍去现实系统的微观运动的详细信息，并由引入作用于动力学变量的某种随机的更新而得到Markov过程。
将舍去的详细信息作为随机变量更新过程来处理。
3、蒙特卡罗方法的特点（8点）
答：
优点：
收敛速度与问题维数无关；受问题的条件限制的影响小；程序结构简单、占用内存单元较少；误差容易确定；具有同时计算多个方案多个未知量的能力。
缺点：
收敛速度慢；误差具有概率性；进行模拟的前提是各输入变量是相互独立的。
分子动力学基础
1、分子动力学概念：
是一门结合物理，数学和化学,研究处于原子、分子状态的固体或液体的微观动力学特性的科学，一种计算机模拟实验方法，是研究凝聚态系统的有力工具。
2、分子动力学模拟的基本原理
答：
⑴建立一个粒子系统来模拟所研究的微观现象，系统中各粒子之间的相互作用根据量子力学来确定。
⑵对符合经典牛顿力学规律的大量粒子系统，通过粒子动力学方程组的数值求解，决定各粒子在相空间的运动规律和轨迹。
⑶然后按照统计物理原理得出该系统相应的宏观物理特性。
3、分子动力学理论特点
答：
⑴能有效进行微观动态过程分析；
⑵计算的空间尺度可达到10-9m；
⑶计算的时间尺度可达到10-15s；
⑷可以通过分子动力学理论建立起宏观与微观之间的桥梁。
4、分子动力学理论存在的主要问题
答：
⑴真实所含微观粒子数量巨大，一般高达1023数量级；
⑵对具有枝链和环状结构等结构形式复杂的柔性分子的模拟计算还很困难;
⑶符合热力学极限的宏观系统由几千万亿亿个分子或原子组成（一般高达1023数量级），所含微观粒子数量巨大。
实际计算中，分子动力学方法受到有限观测时间和有限系统尺寸的限制。
由于受计算机运算速度和内存空间的限制，计算机模拟允许的微观体系尺寸要比热力学极限小很多。
克服这一困难的办法：
是对所选定的模拟单元施加周期性边界条件。
5、典型势函数：
答:
（1）偶对势函数；
（2）Lennard-Jones（LJ）势；
（3）.Stillinger-Weber作用势；
（4）硬球势
6、分子动力学模拟计算的求解方法
答：
以一个一维谐振子为例，其经典哈密顿量为
一步法有了初始条件x（0）、p（0），就可以一步一步地使用前一时刻的坐标、动量值确定下一时刻的坐标、动量值。
两步法所得的坐标和动量的递推公式分别为：
高分析材料设计基础
1、高分子的多级结构
答：
一级结构；二级结构；三级结构；高级结构
2、高分子设计主要内容
答：
⑴设计或推断与某些宏观性能相对应的高分子性质；
⑵提出或设计能体现这一（些）性质的高分子结构；
⑶选择合成与加工方法和条件并完成高分子的合成与加工。
3、高分子的结构：
指组成高分子的不同尺度的结构单元在空间的相对排列。
包括：
①链的结构（近程结构和远程结构）；
②凝聚态结构
4、高分子链的几种模型
答：
⑴线形高分子（linearpolymer）：
分子长链可以蜷曲成团。
线形的分子间没有化学建键结合，在受热或者受力的情况下分子间可以相互移动，因此线型高聚物可以在适当的溶剂中溶解，加热时可以熔融，易于加工成型。
⑵支化高分子（branchingpolymer）：
与线形高分子的化学性质相似，但物理机械性能不同，线形分子易于结晶，故密度，熔点，结晶度和硬度方面都高于前者。
支化破坏了分子的规整性，故结晶度大大降低。
⑶交联（networkpolymer）:
高分子链之间通过支链连接成一个空间三维网状结构。
支化的高分子可以溶解;交联的高分子不溶解,在交联度不大的情况下溶胀,不熔融的热固性塑料和硫化橡胶都是交联高分子。
5、共聚物概念及其种类：
由两种以上的单体键合而成的聚合物,分为交替共聚物、无规共聚物、嵌段共聚物、接枝共聚物
6、构型：
指分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列。
这种排列是稳定的，要改变构型必须经过化学键的断裂和重组。
7、聚合物结构各决定其哪些性能？
答：
近程结构：
直接影响Tg、Tm、ρ、溶解性、粘度、粘附性等。
远程结构（小分子没有，大分子独有）：
赋予高分子链柔性，致使聚合物有高弹性。
凝聚态结构：
决定Polymer制品使用性能的主要因素。
8、高分子结构对柔顺性的影响
答：
由于分子内旋转是导致分子链柔顺性的根本原因，而高分子链的内旋转又受其分子结构的制约，因而分子链的柔顺性与其分子结构密切相关。
分子结构对柔顺性的影响主要表现在以下几方面：
（1）主链结构：
当主链中含C-O，C-N，Si-O键时，柔顺性好。
（2）侧基：
侧基的极性越大，极性基团数目越多，相互作用越强，单键内旋转越困难，分子链柔顺性越差。
（3）氢键：
如果高分子链的分子内或分子间可以形成氢键，氢键的影响比极性更显著，可大大增加分子链的刚性。
（4）链的长短:
如果分子链较短，内旋转产生的构象数小，刚性大。
如果分子链较长，主链所含的单键数目多，因内旋转而产生的构象数目多，柔顺性好。
但链长超过一定值后，分子链的构象服从统计规律，链长对柔顺性的影响不大。
9、高分子性质范畴：
依数性、加和性、结构特性
10、均方末端距：
指线形高分子链的一端至另一端的直线距离的平方的平均值。
该物理量用于表征高分子尺寸的大小。
专题一
1、合金设计的方法有哪些？
答：
统计学法、定量组织学方法、热力学方法、金属物理学方法
2、合金设计的内容有哪些？
答：
答：
成分、加工与热处理方法→组织控制
↓↓
合金性能预测
组织设计程序：
各成分的比例、宏观加工处理、显微组织
3.合金设计技术中存在哪些问题？
答：
⑴组织检测精度:
用检验误差大的组织数据预测力学性能的精度是有限的；
2独立组织因素困难:
一个组织因素很难表征合金现象
4.何谓电子空穴？
答：
当某价电子脱离共价键束缚成为自由电子后，在共价键的原处就留下一个“空位”，这个空位就成为空穴。
材料合成与制备方法
陶瓷材料设计基础
1、陶瓷设计：
是指通过理论与计算预报陶瓷新材料的组分、结构与性能，或“定做”具有特定性能或使用目的的新型陶瓷材料。
2、陶瓷设计的内容
3、陶瓷产生脆性的主要原因有哪些?
答：
复相陶瓷，微裂纹扩展
4、增加陶瓷韧性的主要手段有哪些？
目的是什么？
答：
手段：
微裂纹增韧、相变增韧、第二相增韧、晶须增韧、纤维增韧
目的：
第1章单晶材料的制备
1、单晶生长的平衡体系主要有哪些？
答：
固相-固相平衡的晶体生长、液相-固相平衡的晶体生长、气相-固相平衡的晶体生长
2、单晶生长理论研究的基本科学问题是什么?
答：
⑴晶体结构、晶体缺陷、晶体生长形态、晶体生长条件四者之间的关系；
⑵晶体生长界面动力学问题。
3、何谓均匀形核和非均匀形核？
答：
均匀成核：
是指在均匀单一的母相中形成新相结晶核心的过程；
非均匀成核：
（多数情况下，为了有效降低形核位垒加速形核，通常引进形核促进剂）在存有形核促进剂的亚稳系统中，系统空间各点形核的概率也不相等，在促进剂上将优先形核，这就是所谓的非均匀形核。
（指借助于表面、界面、微粒、裂纹、器壁以及各种催化剂形成晶核的过程）
4、晶体则可采用不同的方法生长，选择的一般原则
答：
⑴有利于提高晶体的完整性，严格控制晶体中的杂质和缺陷；
⑵有利于提高晶体的利用率，降低成本，因此，大尺寸的晶体始终是晶体生长工作者追求的重要目标；
⑶有利于晶体的加工和器件化；
⑷有利于晶体生长的重复性和产业化，例如计算机控制晶体生长过程等。
5、溶液法生长晶体：
将晶体的组成元素（溶质）溶解在溶剂中，然后通过改变温度、蒸汽压等状态参数，获得过饱和溶液，最后使溶质从溶液中析出，形成晶体的方法。
6、溶液法生长晶体的基本原理
答：
将原料（溶质）溶解在溶剂中，采取适当的措施造成溶液的过饱和状态，使晶体在其中生长。
7、凝胶法生长晶体的特点
答：
⑴晶体是在柔软而多孔的凝胶骨架中生长，有自由发育的适宜条件。
⑵晶体是在静止环境中靠扩散生长，没有对流与湍流的影响，有利于生长完整性好的晶体。
⑶所用的育晶装置简便，化学试剂用量较少，生长的晶体品种较多，适用性广。
⑷凝胶虽有抑制成核的作用，能减少非均匀成核的概率，但还很难保证在凝胶中仅有少数几个晶核成长，因此在一般情况下，生长线度为厘米级以上的晶体，除针状晶体外，难度较大。
8、凝胶法生长晶体的类型
（1）复分解化学反应法；
（2）络合分解法；
（3）氧化还原反应法；
（4）溶解度降低法
9、水热法生长晶体的概念？
答：
又称热液法。
水热法是利用高温、高压水溶液使得通常难溶或者不溶的物质溶解和重结晶。
晶体的水热生长是一种在高温高压下过饱和溶液中进行结晶的方法。
10、水热法晶体生长的一般步骤
（1）营养料在水热介质里溶解，以离子、分子团的形式进人溶液（溶解阶段）。
（2）由于体系中存在十分有效的热对流及溶解区和生长之间的浓度差，这些离子、分子或离子团被输运到生长区（输运阶段）。
（3）离子、分子或离子团在生长界面上的吸附、分解与脱附。
（4）吸附物质在界面上的运动。
（5）结晶。
后3个阶段统称为结晶阶段。
11、水热法的基本特点
答：
⑴过程是在压力与气氛可以控制的封闭系统中进行的。
⑵生长温度比之熔态和熔盐等方法低得多。
⑶生长区基本上处在恒温和等浓度状态，且温梯很小。
⑷属于稀薄相生长，溶液黏度很低。
12、提拉法的概念
答：
又称为丘克拉斯基（Gockraski）技术，在许多晶体生长前，待生长的材料在坩埚中熔化，然后将籽晶浸到熔体中，缓慢向上提拉，同时旋转籽晶，逐渐生长单晶的方法。
13、提拉法技术操作要点
答：
⑴晶体要同成分地熔化而不分解，熔体要适当经过热处理。
结晶物质不得与周围环境气氛起反应。
⑵籽晶预热，然后将旋转着的籽晶引人熔体，微熔，再缓慢地提拉。
⑶降低坩塥温度，不断提拉，使籽晶直径变大（即放肩阶段）。
当坩塥温度达到恒定时，晶体直径不变（等径生长阶段）。
要建立起满足提拉速度与生长体系的温度梯度及合理的组合条件。
⑷当晶体己经生长达到所需要的长度后，升高坩塥温度使晶体直径减小，直到晶体与熔体拉脱为止，或者将晶体提出，脱离熔体界面。
⑸晶体退火。
12、提拉法制备单晶的特点
13.物理胶、化学胶概念
物理胶：
基于水溶液的胶化路线，通过无机盐或醇盐的完全水解，形成沉淀，再加电解质进行胶溶分散而形成粒子溶胶的路线，所得到的溶胶也称物理胶
化学胶：
采用金属有机物前驱体，通过分子簇的缩聚形成无机聚合物溶胶的方式，这种溶胶也叫化学胶
绪论
1、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及性能上不同于原材料的新材料。
2、材料合成的发展趋势
答：
⑴目前对具有严谨的、立体结构的分子进行熟练地处置、定位和诱导其发生反应的技术的掌握，还仅处于开发的初始阶段，需要进一步开发和掌握这种组装技术，以利用其设计和组装一些迄今为止采用其他方法还无法合成的材料。
⑵依靠动力学控制组装过程的合成方法很可能成为今后开发的重点。
对反应路径的理解和设计，使得人们能够对物质的新亚稳态进行配方设计和调控。
⑶在无机材料合成过程中，非共价相互作用力影响将会得到更广泛的利用。
这些大量的微弱的相互作用力的协同作用的结果最终决定了材料合成过程中构建基元的组合和进行方式。
这种性质使得依赖于这种协同影响的自我组装机制将会有更为广泛的用途。
模板法的运用将会精确到专一的程度，甚至达到生物学家满意的水平。
非晶态材料的制备
1、非晶态的定义
答：
组成物质的原子、分子的空间排列不呈周期性和平移对称性，只在短程有序，而长程无序，这类物质的状态叫非晶态。
2、非晶态的分类
答：
非晶态合金、非晶态半导体材料、非晶态超导体、非晶态高分子、非晶态玻璃
3、非晶态材料的制备原理
答：
要获得非晶态,最根本的条件是要有足够快的冷却速率,并冷却到材料的再结晶温度以下.为了达到一定的冷却速率,必须采用特定的方法与技术。
解决两个技术关键：
⑴必须形成原子或分子混乱排列状态
⑵将这种热力学亚稳态在一定的温度范围内保存下来，并使之不向晶态发生转变
可以看出，一般的非晶态形成存在气态、液态和固态三者之间的相互转变。
图中的粗黑箭头表示物态之间的平衡转变。
但考虑到非晶态本身是非平衡态，因此非晶态的转变在图中以空心箭头表示，在箭头的旁边标出了实现该物态转变采用的技术。
4、获得大块非晶的实验准则
答：
⑴由三个以上的组元构成的多组元合金系统；
⑵主要组元之间的混合热为大的负值；
3要组元之间的原子尺寸差在12%以上。
薄膜的制备
1、薄膜的制备可以根据沉积过程中主要所依靠的是物理过程或化学过程把气相沉积划分为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）两大类
2、CVD对原料、产物及反应类型等的一般要求
答：
⑴反应原料是气态或易于挥发成蒸气的液态或固态物质;
⑵反应易于生成所需要的沉积物而其中副产品保留在气相中排出或易于分离;
⑶整个操作较易于控制。
功能陶瓷的合成与制备
1、陶瓷：
是指所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过程而制成的各种制品。
2、结构陶瓷是指在应用时主要利用其力学性能的材料。
主要是用于耐磨损、高强度、耐热、耐热冲击、硬质、高刚性、低热膨胀性和隔热等结构陶瓷材料
3、陶瓷材料的分类
答：
⑴传统陶瓷：
天然硅酸盐矿物（黏土、石英、长石等）
⑵新型陶瓷：
新型无机非金属材料（氧化物、氮化物、碳化物）等，也叫先进陶瓷和高技术陶瓷。
包括结构陶瓷、功能陶瓷。
4、功能陶瓷的制备过程中还应具备下列技术要素
答：
（1）原材料：
高纯超细、粒度分布均匀；
（2）化学组成：
可以精确调整和控制；
（3）精密加工：
精密可靠，而且尺寸和形状可根据需要进行设计；
（4）烧结：
可根据需要进行温度、湿度、气氛和压力控制。
5、二次烧结法：
三次烧结法：
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