材料設(shè)計習(xí)題

1、一、闡述材料設(shè)計的主要途徑和材料設(shè)計的范圍。答：材料設(shè)計的主要途徑：1知識庫與數(shù)據(jù)庫技術(shù)。計算機的材料知識庫和性能數(shù)據(jù)庫具有一系列優(yōu)點，可與人工智能技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成材料性能預(yù)測或材料設(shè)計專家系統(tǒng)。計算機的材料知識庫和性能數(shù)據(jù)庫還具有數(shù)據(jù)優(yōu)化、數(shù)據(jù)獨立、數(shù)據(jù)一致、數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)保護等優(yōu)點。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)又分為層次性、網(wǎng)絡(luò)型、關(guān)系型三種。材料設(shè)計專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)大致分為以下幾類：（1）以知識檢索、簡單計算和推理為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng)。（2）以計算機模擬和運算為基礎(chǔ)的材料設(shè)計專家系統(tǒng)。（3）以模式識別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng)。（4）以材料智能加工為目標的處理設(shè)計專家系統(tǒng)。計算機模擬技術(shù)。按模擬尺度可

2、以分為三類：（1）原子尺度模擬計算。主要應(yīng)用分子動力學(xué)方法和蒙特卡洛方法。（2）顯微尺度模擬計算。這類計算以連續(xù)介質(zhì)概念為基礎(chǔ)。（3）宏觀尺度模擬計算。該方法一般與材料或材料部件的工業(yè)生產(chǎn)有關(guān)。材料設(shè)計的范圍：從廣義來說，材料設(shè)計按研究對象的空間尺度不同而劃分為三個層次：（1）微觀設(shè)計層次，空間尺度約在1nm量級，對應(yīng)原子電子層次的設(shè)計；（2）連續(xù)層次模型，典型尺度在1加量級，將材料看做連續(xù)介質(zhì)，不考慮其中單個原子的行為；（3）工程設(shè)計層次，尺度對應(yīng)于宏觀材料，涉及大塊材料的加工和使用性能的設(shè)計研究。從內(nèi)容上來說，材料設(shè)計包括以下幾個研究內(nèi)容：（1）合金設(shè)計；（2）新化合物和新物相預(yù)報；（3）

3、超晶粒和雜化材料設(shè)計；（4）復(fù)合材料設(shè)計；（5）陶瓷材料設(shè)計。（6）咼分子材料設(shè)計二、按四層次觀點，材料的完整結(jié)構(gòu)層次有哪些？他們與材料的三層次的對應(yīng)關(guān)系怎樣？答：按四層次觀點，材料的完整的結(jié)構(gòu)層次有：（1宏觀結(jié)構(gòu)：人眼（借助放大鏡）可分辨的結(jié)構(gòu)范圍，結(jié)構(gòu)組成單元是相、顆粒、組成材料（孔隙、裂紋不同材料的組合與復(fù)合方式等）。（2）顯微結(jié)構(gòu)：光學(xué)顯微鏡分辨的結(jié)構(gòu)范圍，結(jié)構(gòu)組成單元是相（相的種類、數(shù)量、形貌、相互關(guān)系等）。（3）亞微觀結(jié)構(gòu)：普通電子顯微鏡分辨的結(jié)構(gòu)范圍，結(jié)構(gòu)組成單元是微晶粒、膠粒等粒子（單個粒子的形狀、大小和分布）。（4）微觀結(jié)構(gòu)：高分辨電子顯微鏡分辨的結(jié)構(gòu)范圍，結(jié)構(gòu)組成單元是原子

4、、分子、離子或離子團等質(zhì)點（質(zhì)點在相互作用力下的聚集狀態(tài)、排列形式）。材料的三層次結(jié)構(gòu)為：宏觀結(jié)構(gòu)、亞微觀結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)；三、闡述高分子設(shè)計的主要內(nèi)容，舉例闡述高分子結(jié)構(gòu)設(shè)計中直接組合法設(shè)計目標高分子的原理。答：高分子設(shè)計的主要內(nèi)容：（1）設(shè)計或推斷與某些（某種）宏觀性能相對應(yīng)的高分子性質(zhì)；（2）提出或設(shè)計能體現(xiàn)這一（這些）性質(zhì)的高分子結(jié)構(gòu)；（3）選擇能合成與加工該種結(jié)構(gòu)的高分子（材料）方法或條件并完成聚合物及其材料的合成與加工。直接組合法，指的是由幾種具有預(yù)定結(jié)構(gòu)和反應(yīng)活性的分子，通過反應(yīng)拼合成目標分子的方法。例如合成一種可室溫交聯(lián)固化的丙烯酸系涂料，這種涂料的性能要求是：（1）漆膜需耐熱、

5、耐水、耐老化并有韌性；（2）成膜溫度為5-20C；（3）需在室溫下形成螯合交聯(lián)物。與這種性能要求相對應(yīng)的分子結(jié)構(gòu)是：聚合物主鏈應(yīng)由軟、硬單體（如丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯）單元構(gòu)成，且主鏈上需帶有能與多價金屬離子形成螯合結(jié)構(gòu)的雙羧基基團（如用甲基丙烯酸乙酰乙二醇酯作功能單體）。這幾種單體按一定的比例進行自由基乳液共聚合，再加入多價金屬鹽在室溫下交聯(lián)固化后，就可以得到滿足上述指定性能的涂料。四、請簡述材料研制中的兩個共性課題內(nèi)涵?答：共性課題及其內(nèi)涵：（1）材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、性能關(guān)系的研究，即解答“用何種原于可堆成何種結(jié)構(gòu)，形成的物質(zhì)（或材料）具有何種物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)，或具有何種使用性能”的問

6、題。據(jù)此可以有目的地設(shè)計具有指定性能的材料，以適應(yīng)某種實際需要；（2）材料制備或生產(chǎn)中傳熱、傳質(zhì)、流體流動和化學(xué)反應(yīng)（有時還有相變）的交互作用，以及這些作用與材料性能、合格率、可靠性、能耗、成本等的關(guān)系，即解答“用何種流程、何種設(shè)備、何種配方、在何種條件下生產(chǎn)或制備該種材料可有最佳效果”的問題。據(jù)此可以有目的地設(shè)計該種材料的生產(chǎn)工藝流程。五、舉例論述復(fù)相陶瓷性能優(yōu)化與組成設(shè)計中相變增韌與顆粒彌散強化陶瓷的硬度與組成得回歸分析原理。答：用此方法分析應(yīng)選擇具有高致密性（98%理論密度），且內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻細密體磁體（系統(tǒng)誤差得以滿足）的性能和組成作為研究數(shù)據(jù)。為保證計算精度采用內(nèi)插法采集大量數(shù)據(jù)。選擇

7、適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型對陶瓷的硬度和強度等力學(xué)性能隨幾種彌散相含量的變化進行回歸分析。以AI2O3基復(fù)相陶瓷為例作為系統(tǒng)的研究對象，應(yīng)變量丫（Hv、（f），自變量Xi為硬質(zhì)顆粒（SiC和TiC）含量，X2為ZrO2含量，f（Xi,X2）為協(xié)同項，根據(jù)不同的數(shù)學(xué)模型選擇交互項。（SiC+TiC）/Al2O3陶瓷的維氏硬度按照多元線性回歸和多元非線性回歸兩種方法建立計算模型Y=a+SX1+b2X2Y=a+3X什b2X2+b3X1X2式中Y-硬度X1-SiC含量X2-ZrO2含量b1、b2、b3-為SiC、ZrO2和交互項系數(shù)。利用上述兩種方法計算所得的標準回歸方程分別為：Y=45.8X1-27.4X2Y=

8、77.46X652爲(wèi)0%1計算結(jié)果表明：（1）X1（SiC）對丫有正貢獻，X2（ZrO2）對丫（Hv）有負貢獻，交互項為負貢獻，其相對貢獻值CC=ABS（b1/b2）為1.66,與按照復(fù)合材料加和規(guī)則計算的結(jié)果一致；（2）采用非線性回歸模型計算的最大殘差與均方差較小，與實驗結(jié)果較為接近。六、論述用3d電子空隙理論法計算判斷高溫耐熱合金中c相是否形成的理論判據(jù)。答：二元合金中形成c相的條件：（1）一般原子大小差小于13%;（2）組元在第五六族元素，另一組元在七八主族；（3）形成時c相中S-d層電子濃度在6.2-7.2之間；（4）第三組元的加入會影響c相形成的濃度和溫度范圍；（5）在電子空穴的基礎(chǔ)上提出了預(yù)計c相形成的3d的電子空隙法，當(dāng)合金的平均電子空穴Nv大于某一臨界Nc是會形成c相。Cr、Mn、Fe等可由分析飽和磁舉得出Nv，其他元素Nv為10.66GN。GN為元素的族數(shù)。七、假如要求你選擇為宇宙飛船中運送液氧的材料，充分討論選擇