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科 赫 曲 线
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材料设计的范围
原 料
制 备
材 料 试 样
观 测
组 织 结 构
测 试
性 质 特 性
试 用
可 否
评 价
否 改变结构
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材料设计主要工作相关图
实验数据
数理模型
理论基础
材料设计
智能计算
分析修正
实验验证
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微观层次设计
材 料 设 计
空间尺度约1nm数量级，是电子， 原子，分子层次的设计
自然界和社会活动中广泛存在的无序 而又自相似性的系统、它既可以同时具备 形态、功能、信息三方面的自相似性，也 可以是某种某一方面的的自相似性
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分形既可以是几 何图形，也可以 是由“功能”或“信 息”等构成的物理 模型，并且他们 都具有自相似性 和标度不变性
分 形 数 学 理 论
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多学科的交叉，融合是必然趋势 数理模型的建立和实用化是关键
材料计算设计科学的基础研究必须加强
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材料计算设计研究的意义
促使材料科学与工程从定性描述走向定量预测
为高技术新材料的研制提供理论基础及优选方案
加速建立“计算材料科学”这门崭新的交叉学科
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6.2.1从相图角度进行设计
6.2.3基于量子理论的设计
第一性原理计算 （从头计算）
基本方法有固体量子理论和量 子化学理论。特别适用于原子 级，纳米级工程的材料，电子 器件材料等方面的计算设计。
成功实例
高温超导材料、超硬材料、纳 米材料等，及人工薄膜生长过 程
局域密度近似（LDA）；GW 准粒子近似；分子动力学方法； 新赝势法，紧束缚（TB）总能 量法等
宏观尺度模拟计算
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四，基于数据采掘的半经验材料设计
科学基础
结构与性能关系 工艺过程控制
材料研究 共同问题
相似理论 量纲分析 无量纲参数
试验基础
试验数据结果 已有丰富积累
如何从数据的“宝藏”中 “采掘”有用的信息
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上海大学 陈念贻
多种模 式识别 新算法
人工神经网络 非线性回归方程 线性回归方程 遗传算法
基本方法
1）最常用的编码方式是二进制编码， 以个体适应值大小确定被遗传到下一代 中的概率 2）一般要求将最优问题表示最大化问 题，在实际应用中需要对目标函数进行 相应的转换。
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遗传算法与传统 的优化算法相比
从多个点构成的群体开始 搜索，具有本质的并行计 算特点
优点
只需要由目标函数值转换 来的适应值信息，而不需 要导数等其他辅助信息
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复杂 微观 本质 理性 必然 理论
材料设计的发展阶段
经验设计 阶段
科学组织设计 阶段
原子结构层次 设计阶段
相结构设计 阶段
材料科学的发展依赖于实验技术的发展和学科理论水平的提高 材料科学理论和材料实验是材料设计的基础
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材料计算设计的主要标志
材料计算设计始于20世纪50年代末60年代初 60年代初前苏联开展了关于合金设计及无机化合物的计算机 计算预报； 70年代美国首次用计算设计方法开发了镍基超合金； 80年代材料设计在理论和应用上都取得了重大的进展； 1985年东京大学三岛良绩《新材料开发和材料设计》出版； 1990年召开了以计算机辅助设计新材料开发为主题的会议； 同时，Modelling and Simulation in Materials Sci.&Eng.英 Computational Materials Sci.荷 出版； 日本的大学材料院系开设了材料设计的有关课程 ORNL，NIST，MIT，CMU在新材料设计方面作出重要贡 献
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复合材料优化设计中的应用——遗传算法
各 种 方 法 的 应 用
功能梯度材料设计中的应用——有限元分析法
合金设计中的应用——分子动力学模型与遗传算法
工艺参数优化中的应用——人工神经网络
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6.3.3分形理论
70年代三大科学发现：分形几何理论、耗散结构理论、混沌理论
研究对象
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无网格方法
——相类似与有限元方法
常用理论
核估计 移动最小二成近似 重构核近似 单位分解
关键技术
1）无网格方法的离散方案 2）本质边界条件的处理 3）材料不连续性的处理
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6.3.2遗传算法
基本思想
遗传算法是借鉴生物界自然选择和群体 进化机制形成的一种全局性参数优化方 法
6. 2
材料设计的主要途径与方法
相图 研究 历史 悠久
100多年历史，编辑出版的合金相图集很多： 实测相图和计算相图 70年代末成立国际合金相图委员会，出版了 大约20多部合金相图专注 开发相平衡计算程序系统曾是国际上的热点， 如美国的NBS/ASM,Manlabs数据库，瑞典的 THERMO-CALC相平衡计算与数据库等程序系统。 相图的数量仍然远远不能满足要求，特别是 三元系以上的相图更少
综合性材料设计软件 Materials Research Advisor & Complex Date Analyser
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6. 3
数学方法在材料（计算）设计中的应用
数学直接为材料科学中非线性现象的定性和定量分析提供了精 确的语言，有利于从理论的高度研究材料的内在规律
材料 科学
数 学 方法
计算机辅助合金设计 （CAAD）
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二，材料设计专家系统 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
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）以计算机模拟和应用为基础的专家系统； 3）以材料智能加工为目标的专家系统
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6.2.6材料（计算）设计的主要技术
一，材料数据库和知识库技术
数据库
包括材料的性能及一些重要的参量的数据， 材料成分、处理、试验条件以及材料的应 用与评价
知识库
材料成分、组织、工艺和性能间的关系以 及材料科学与工程的有关理论成果
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日本在 建立数 据库方 面很突 出
三岛良绩 岩田修一
数量冶金学
通过实验实测数据+统计处理==数学模 型
常用的数学 方法
经验或理论分析+正交设计，回归正交 试验等==数学模型
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例：新型飞机铝合金——综合设计优化
美国最近研制 了一种新型铝 合金 通过冶金平衡法来调整材料强 度和韧性，且减轻零部件重量。 这种铝合金含有少量的锂
用于改进型
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介观层次设计
典型尺度约1μm数量级，是组织 结构层次的设计
宏观层次设计
尺度对应于宏观材料，是工程应用 层次的设计
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发展出符合实际的解析与数理模型
各层次的 研究关键
解决不同层次间计算方法的选择与 整合
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6.1.3材料设计的任务 材料设计为国民经济和尖端技术服务
从分层次到多层次进行材料计算设计
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研究过程
应用前景
6.2.5多尺度材料模型与计算设计
多尺度材料模型
一般是由连续介质和介观层次、微观 层次及原子层次材料模型组成
多尺度现象
典型：材料形变与断裂贯通了宏观、 介观、微观多个尺度
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非均质材料显微结构与性能关联：理论及实践
由清华大学南策文完成
主要研究成果
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该项目在催化剂和蛋 白分离显示了优异的 应用前景，对推动化 学学科及相关学科的 发展具有重要意义。
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6.2.4基于物理、数值模拟的设计 晶格畸变、晶体生长、弹性模量、 应力-应变关系、蠕变行为、高温 变形行为、扩散、沉积、烧结等， 都取得了较满意的结果 1）材料淬火过程计算机模拟并建 立了Metadex数据库。在材料加工 的各个过程都取得了比较大的成功。 2）分子动力学计算机模拟已经成 功地被用来模拟纳米纯金属（如 Cu、Ni、Fe）非金属（如Si）陶 瓷等
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美国国家标准与技术研究院
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卡 耐 基 梅 隆 大 学
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目前材料设计的特点
（1）经验设计和科学设计并存与兼容 （2）材料设计将逐渐综合化
（3）材料设计将逐步计算机化
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6.1.2材料设计范围与层次 材料涉及范围包括材料的制备，材料的组织与性能，材料的使用
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6.3.1有限元法
基本思想
将结构物质看成是由有限个划分的 单元组成的整体，以单元节点的位移或 结点作为基本未知量求解