試論材料化學(xué)制備的基本原理

第三章材料化學(xué)制備的基本原理

2023/1/14第三章材料化學(xué)制備的基本原理§3-1材料的設(shè)計(jì)方法§3-2各類材料的特點(diǎn)§3-3材料固相反應(yīng)制備的原理§3-4液相化學(xué)制備的原理§3-5氣相沉積§3-6機(jī)械合金化2023/1/14§3-1材料的設(shè)計(jì)方法材料設(shè)計(jì)在材料合成與加工過(guò)程中起重要作用。尤其是以原子、分子為起始物，采用化學(xué)和物理方法進(jìn)行材料合成，并要求在微觀尺度上控制其結(jié)構(gòu)時(shí)，離不開(kāi)理論的指導(dǎo)。若配合使用實(shí)時(shí)傳感器和無(wú)損檢測(cè)器對(duì)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與控制，可實(shí)現(xiàn)理論設(shè)計(jì)指導(dǎo)下的智能加工。材料設(shè)計(jì)貫穿在材料從制備、測(cè)試、性能直至使用的各個(gè)環(huán)節(jié)，核心部分----在物理化學(xué)基礎(chǔ)上對(duì)材料性能-結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行理論計(jì)算與分析。2023/1/141.1材料設(shè)計(jì)概述1.1.1材料設(shè)計(jì)的含義通過(guò)理論與計(jì)算預(yù)測(cè)新材料的組分、性能。通過(guò)理論設(shè)計(jì)來(lái)“訂做”特定性能的新材料。利用現(xiàn)有的材料、科學(xué)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)分析和綜合，創(chuàng)造出滿足特殊要求的新材料的一種活動(dòng)過(guò)程。目的：改進(jìn)已有的材料，創(chuàng)造新材料。材料設(shè)計(jì)須考察材料的性質(zhì)、組成與結(jié)構(gòu)、合成與加工、使用性能及它們間的關(guān)系。并運(yùn)用系統(tǒng)的方法來(lái)研究材料，找設(shè)計(jì)材料的突破口。2023/1/14材料的設(shè)計(jì)過(guò)程根據(jù)性能要求確定設(shè)計(jì)目標(biāo)，有效利用現(xiàn)有資源，通過(guò)成分、結(jié)構(gòu)、組織和工藝過(guò)程的合理設(shè)計(jì)制造材料，最后對(duì)材料行為的評(píng)價(jià)，完成整個(gè)過(guò)程。關(guān)鍵：成分-結(jié)構(gòu)和組織的設(shè)計(jì)重要環(huán)節(jié)：

合成和加工是保證成分與組織的主要手段。凝聚態(tài)物理學(xué)、量子化學(xué)等相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的空前提高，使材料研制過(guò)程中理論和計(jì)算的作用越來(lái)越大----不可缺少。2023/1/141.1.2材料設(shè)計(jì)的范圍和層次使用效能

組成、結(jié)構(gòu)

性能

合成及其生產(chǎn)流程2023/1/14（1）材料設(shè)計(jì)的范圍：材料制備----材料性能----材料使用四個(gè)組成要素：四者是整體*材料的性質(zhì)----材料的固有性質(zhì)*組成與結(jié)構(gòu)*合成與加工*使用性能----材料在使用條件下的表現(xiàn)。包括壽命、能量效率、安全、價(jià)格等。如：環(huán)境、受力態(tài)對(duì)材料的特性曲線及壽命的影響。決定材料能否發(fā)展、大量使用。2023/1/142023/1/14（2）微觀設(shè)計(jì)層次按研究對(duì)象的空間尺度劃分：a.原子、電子層次的設(shè)計(jì)

----空間尺度約為1nm量級(jí)；b.連續(xù)模型層次的設(shè)計(jì)

----典型尺寸約在1pm量級(jí)----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。c.工程設(shè)計(jì)層次

----宏觀材料，大塊材料加工和使用性能設(shè)計(jì)研究。2023/1/14不同層次、不同范疇內(nèi)用不同的理論方法2023/1/141.1.3材料設(shè)計(jì)的發(fā)展階段a.二戰(zhàn)前，對(duì)材料的研究幾乎只限于金屬。b.20世紀(jì)50年代開(kāi)始，軍工國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)加劇，促進(jìn)新興材料高速發(fā)展，后轉(zhuǎn)入民用，得到更大的發(fā)展。c.目前處于一個(gè)高速發(fā)展的階段，新的材料不斷涌現(xiàn)。這些新材料有明顯的時(shí)代特征：*多數(shù)是固體物理、固體化學(xué)、有機(jī)合成、冶金學(xué)和陶瓷學(xué)等學(xué)科的新成就新材料的發(fā)展與新工藝、新技術(shù)密切相關(guān)為適應(yīng)科技發(fā)展的要求，更新?lián)Q代快、試樣變化多。2023/1/14*真正意義“材料設(shè)計(jì)”設(shè)想始于20世紀(jì)50年代。*50年代初：前蘇聯(lián)開(kāi)展關(guān)于合金設(shè)計(jì)及無(wú)機(jī)化合物的計(jì)算機(jī)預(yù)報(bào)等早期工作。*80年代，日本材料科學(xué)家們提出材料在分子和原子水平上混合，構(gòu)成雜化材料的設(shè)想。1985年日本出版的《新材料開(kāi)發(fā)與材料設(shè)計(jì)學(xué)》一書(shū)，首次提出了“材料設(shè)計(jì)學(xué)”方向，使材料設(shè)計(jì)形成了一門獨(dú)立的新興學(xué)科。2023/1/14

1989年美國(guó)出版《90年代的材料科學(xué)與工程》報(bào)告，對(duì)材料計(jì)算機(jī)分析與模型化做了較充分的論述。*近年來(lái)，現(xiàn)代理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，使材料科學(xué)與工程性質(zhì)發(fā)生變化。計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的空前提高為材料設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和有力手段，使材料科學(xué)從半經(jīng)驗(yàn)定性描述逐漸進(jìn)入定量預(yù)測(cè)控制的更科學(xué)的階段。2023/1/141.1.4現(xiàn)代材料設(shè)計(jì)的幾個(gè)環(huán)節(jié)(1)建立材料性質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)性質(zhì)：確定材料功能特性和效用的描述符。例如：金剛石耀度和透明度----寶石和多性能涂層高硬度和導(dǎo)熱性----切削工具和傳導(dǎo)體又如：陶瓷高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度和化學(xué)惰性----先進(jìn)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中的火焰筒或保護(hù)涂層脆性----限制了它的廣泛使用。設(shè)計(jì)時(shí)取長(zhǎng)補(bǔ)短。2023/1/14建立材料性質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，是材料設(shè)計(jì)的前提。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，區(qū)分材料的特征和制作方法----不同文件。主要有四大文件：原始數(shù)據(jù)文件主資料文件標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件材料行為數(shù)據(jù)文件。例如：合金設(shè)計(jì)的過(guò)程2023/1/14a.根據(jù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，檢索標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件，確定所開(kāi)發(fā)的合金系列b.根據(jù)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行推理，進(jìn)行成分和組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)c.研究主要數(shù)據(jù)文件----評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)----對(duì)源數(shù)據(jù)文件所記載的實(shí)驗(yàn)方法或結(jié)論進(jìn)行觀察，在此基礎(chǔ)上制訂實(shí)驗(yàn)計(jì)劃并予以實(shí)施d.實(shí)驗(yàn)結(jié)果以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式輸入到源數(shù)據(jù)文件及主資料行為數(shù)據(jù)文件，對(duì)材料的分析結(jié)果輸入到材料行為數(shù)據(jù)文件中e.以上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和評(píng)價(jià)幾經(jīng)反復(fù)至滿足性能要求，將設(shè)定的特性經(jīng)數(shù)據(jù)處理記入標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件。2023/1/14(2)成分和組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組織、成分決定材料的性質(zhì)。材料設(shè)計(jì)的目的是通過(guò)控制其成分、結(jié)構(gòu)制造出一種滿足特殊性能要求的材料。每個(gè)特定的材料都含有一個(gè)原子尺度、電子尺度到宏觀尺度的體系，決定材料設(shè)計(jì)----通過(guò)對(duì)不同尺度的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

早期材料設(shè)計(jì)：改善材料的成分、組織。隨著對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解和實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段的改善，人們已可能從原子、電子等深層次指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)。2023/1/14按發(fā)展過(guò)程和研究深度分為三種方法：

(a)經(jīng)驗(yàn)法----大多數(shù)材料根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析歸納出一些經(jīng)驗(yàn)公式、辨別式和相分析法。如：鋼鐵設(shè)計(jì)材料科學(xué)工作者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期大量的實(shí)驗(yàn)確定了不同元素對(duì)鋼鐵性質(zhì)的影響。例如：提高耐熱性：添加Cr、Mn等元素保證鋼性能：嚴(yán)格控制S、P等含量塑性：C含量增加提高強(qiáng)度，塑性降低。2023/1/14又如：低碳馬氏體型超高強(qiáng)度鋼的設(shè)計(jì)為使馬氏體組織狀態(tài)獲得超高強(qiáng)度水平，須在合金元素設(shè)計(jì)上既考慮：

a.強(qiáng)度作用

b.發(fā)揮改善韌性的效果通過(guò)正交設(shè)計(jì)和回歸分析獲得Si-Mn-Cr-Mo-V系列鋼中元素成分和性能間的回歸方程；主要元素的選擇----長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)用其中：C、Si是強(qiáng)化元素

Mn、Ni、Mo是韌化元素。2023/1/14(b)半經(jīng)驗(yàn)法

量子力學(xué)、PauLing理論、能帶理論基礎(chǔ)上，不同元素和化合物試驗(yàn)資料的分析、歸納和總結(jié)，提出處理復(fù)雜體系的“經(jīng)驗(yàn)電子理論”，確定晶體內(nèi)各類原子的雜化狀態(tài)----描述晶體。例如：*Fe-C奧氏體低碳合金----超高強(qiáng)度鋼*中科院程開(kāi)甲院士提出的新“TFD”模型理論

----界面電子密度連續(xù)條件為材料設(shè)計(jì)提供有效方法*納米材料、薄膜材料、復(fù)合材料和超導(dǎo)材料等從電子角度----解釋。2023/1/14(c)基本計(jì)算法

應(yīng)用現(xiàn)代物理（經(jīng)典物理、量子物理、相對(duì)論、統(tǒng)計(jì)物理和熱力學(xué)等）和數(shù)學(xué)知識(shí)，從第一性原理出發(fā)進(jìn)行材料設(shè)計(jì)。例如：

AB算法、嵌入原子法、分子動(dòng)力學(xué)法、蒙特卡羅法等----計(jì)算量很大----不可能求解一簡(jiǎn)單原子間相互作用勢(shì)計(jì)算----一個(gè)人幾十年現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的發(fā)展使問(wèn)題得到圓滿解決。計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)材料已成為或?qū)⒊蔀椴牧显O(shè)計(jì)的主要手段，把人們從大量實(shí)驗(yàn)中解脫出來(lái)，進(jìn)行有目的的設(shè)計(jì)。2023/1/14(3)合成和加工工藝設(shè)計(jì)----重要環(huán)節(jié)

建立原子、分子團(tuán)的新排列，從微觀到宏觀尺度對(duì)結(jié)構(gòu)----控制----高效----有競(jìng)爭(zhēng)力地制造材料和零件的演變過(guò)程。許多新材料的出現(xiàn)----伴隨合成和加工工藝突破。例如：非平衡組織和非晶結(jié)構(gòu)的研究----新的技術(shù)革新----快速凝固技術(shù)。包含：霧化法、急冷法、激光表面處理等。優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)品具有更優(yōu)、更特別的性質(zhì)，廣泛用于金屬直接成型、晶態(tài)合金和非晶態(tài)合金等2023/1/14例如：自蔓延高溫合成(SHS)工藝充分利用物質(zhì)化合熱----形成一個(gè)獨(dú)立領(lǐng)域----成功合成了上百種新材料。例如：復(fù)合材料的發(fā)展，促進(jìn)CVD、PCVD等許多工藝和方法的發(fā)展。例如：納米材料，采用溶膠-凝膠法制備超細(xì)粉末例如：陶瓷材料領(lǐng)域，穩(wěn)定化處理的氧化鋯；溶膠-凝膠法制取的陶瓷、新型耐火纖維、陶瓷復(fù)合材料、高溫超導(dǎo)體等。2023/1/14(4)使用性能設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)材料的目的在于應(yīng)用，對(duì)使用性能的考查和實(shí)用性考慮在材料設(shè)計(jì)中必不可少。以往，由于對(duì)市場(chǎng)因素和實(shí)用性考慮不夠，使許多新材料由于成本過(guò)高而得不到廣泛應(yīng)用----材料設(shè)計(jì)和研究者要重視。材料成分、組織均勻性、非平衡組織的穩(wěn)定性等對(duì)使用性能的影響----材料設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮。2023/1/141.1.5材料設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)及反思(1)對(duì)原有的材料進(jìn)行改進(jìn)和發(fā)展新材料原有材料(如鋼鐵等)在未來(lái)社會(huì)生活中仍然占有重要的地位，充分利用新工藝、新手段來(lái)更新舊材料具有很好的前景。新型產(chǎn)業(yè)的興起需要新材料為依托。新材料的設(shè)計(jì)是目前材料研究的熱點(diǎn)。如：超導(dǎo)材料、納米材料、高強(qiáng)高溫的輕質(zhì)材料、復(fù)合材料、薄膜材料、陶瓷和高分子材料等。2023/1/14(2)環(huán)境意識(shí)加強(qiáng)，材料設(shè)計(jì)受應(yīng)用前景支配脫離應(yīng)用背景的研究將被拋棄，危害人類未來(lái)處境的材料將被限制和被新材料所代替。(3)材料學(xué)與生物學(xué)相融合仿生材料設(shè)計(jì)將日益受到重視，基本的研究方向是了解合成物質(zhì)與生物組織間的相互作用。(4)材料設(shè)計(jì)趨向定量化隨著各學(xué)科的相互滲透和電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)材料設(shè)計(jì)----微觀層次材料設(shè)計(jì)----今后材料設(shè)計(jì)的主要發(fā)展方向。2023/1/14

計(jì)算機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng)，能進(jìn)行各種計(jì)算確定某種原子特殊組合和排列的性質(zhì)。各種層次材料設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)模擬方法得到廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)建模大大縮短了新材料、新工藝和新設(shè)計(jì)從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所需的時(shí)間。局限：目前，材料設(shè)計(jì)仍局限于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)未能轉(zhuǎn)化成材料設(shè)計(jì)的有力工具，許多材料工作者習(xí)慣于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，有意無(wú)意地阻礙新思想、新知識(shí)的輸入。其原因如下：2023/1/14a.新的設(shè)計(jì)思想是多方面知識(shí)的融合，需要從事者有系統(tǒng)的理論知識(shí)(包括現(xiàn)代物理、數(shù)學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)等)和材料設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，各學(xué)科之間的結(jié)構(gòu)限制了它的運(yùn)作。b.現(xiàn)代材料設(shè)計(jì)思想是數(shù)學(xué)、物理、材料科學(xué)的綜合，理論過(guò)于復(fù)雜和理想化，在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)仍面臨許多困難。c.現(xiàn)代材料設(shè)計(jì)趨向于以計(jì)算機(jī)知識(shí)和大型計(jì)算機(jī)作為依托，但目前許多研究單位缺乏必須的物質(zhì)和技術(shù)條件。2023/1/14d.現(xiàn)有理論研究與材料設(shè)計(jì)脫節(jié)物理學(xué)已經(jīng)對(duì)微觀粒子做了深入研究，數(shù)學(xué)也提供了足夠的處理問(wèn)題的計(jì)算方法，但用這些知識(shí)處理實(shí)際的材料設(shè)計(jì)問(wèn)題往往仍令人不知所措。現(xiàn)代物理學(xué)和材料科學(xué)對(duì)物質(zhì)的性能、組織和組成已做了很詳細(xì)的研究，即宏觀、微觀和介觀的研究取得很大的進(jìn)展三者間的關(guān)系缺乏系統(tǒng)研究，找不到一個(gè)由微觀參數(shù)到宏觀性能指標(biāo)的定量的科學(xué)準(zhǔn)則指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)。2023/1/14物理學(xué)家和材料學(xué)家緊密結(jié)合是解決和攻克材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域重大問(wèn)題的關(guān)鍵----把物理學(xué)的重大成就與材料設(shè)計(jì)聯(lián)系----通過(guò)控制微觀粒子(如原子、電子)，按預(yù)先的要求設(shè)計(jì)和合成材料----計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。目前原子尺度上，利用掃描隧道顯微鏡和原子分辨率透射電子顯微鏡等儀器能以一個(gè)原子的分辨率顯示材料的結(jié)構(gòu)。2023/1/14運(yùn)用等離子技術(shù)、分子束技術(shù)及相應(yīng)的設(shè)備在原子層次上控制物質(zhì)的成核和生長(zhǎng)利用第一性原理和統(tǒng)計(jì)物理在電子層次上對(duì)材料進(jìn)行設(shè)汁。例如：由于計(jì)算機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng)，根據(jù)各種組成物的原子數(shù)量，可預(yù)測(cè)其結(jié)構(gòu)及隨時(shí)間變化的過(guò)程。2023/1/141.2材料設(shè)計(jì)的途徑目前材料設(shè)計(jì)的方法主要是在經(jīng)驗(yàn)規(guī)律基礎(chǔ)上進(jìn)行歸納或從第一性原理出發(fā)進(jìn)行計(jì)算(演繹)，更多的是兩者的相互結(jié)合與補(bǔ)充。材料設(shè)計(jì)的重要途徑可分為如下幾類。1.2.1材料知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)(1)模型方法：人們?cè)诓牧显O(shè)計(jì)中引入了所謂模型的概念，將比較接近所要求物性的微觀結(jié)構(gòu)作模型，通過(guò)改進(jìn)模型使之滿足所要求的物性，這樣一種近似方法就叫模型方法。

2023/1/142023/1/14

(2)

模型的建立：必須建立在大量數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上，為使多種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)----有意義----建立數(shù)據(jù)庫(kù)----供模型方法使用----在材料設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)庫(kù)的建立非常重要。

(3)

材料知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)存取材料知識(shí)和性能數(shù)據(jù)為主要內(nèi)容的數(shù)據(jù)庫(kù)。

(4)計(jì)算機(jī)化的材料知識(shí)和性能數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)：

a.存儲(chǔ)信息量大、存取速度快、查詢方便、使用靈活

b.多功能，如單位轉(zhuǎn)換及圖形表達(dá)等----廣泛應(yīng)用，與CAD、CAM配套使用，與人工智能技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成材料性能預(yù)測(cè)或材料專家系統(tǒng)等。2023/1/14c.數(shù)據(jù)優(yōu)化、數(shù)據(jù)獨(dú)立、數(shù)據(jù)一致、數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)保護(hù)等。(5)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)分類：數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、操作和維護(hù)。層次型、網(wǎng)絡(luò)型和關(guān)系型。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的出現(xiàn)，促進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)小型化和普及化，使在微機(jī)上配置數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)成為可能。除數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件外，數(shù)據(jù)的收集、整理和評(píng)價(jià)是建立數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)鍵。2023/1/14(6)材料數(shù)據(jù)庫(kù)：材料的性能數(shù)據(jù)材料的組成材料的處理材料的試驗(yàn)條件材料的應(yīng)用與評(píng)價(jià)等當(dāng)前，國(guó)際上的材料數(shù)據(jù)庫(kù)正朝著智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。智能化：使材料數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展成為專家系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化：將分散的、彼此獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)相連而成一個(gè)完整系統(tǒng)。

2023/1/14(7)典型例子：日本三島良績(jī)和巖田修一建立的技術(shù)及輔助合金設(shè)計(jì)(ComputerAidAlloyDesign，簡(jiǎn)稱CAAD)系統(tǒng)。在大型計(jì)算機(jī)中儲(chǔ)存了各種與合金設(shè)計(jì)有關(guān)的信息，包括各種元素的基本物理化學(xué)數(shù)據(jù)合金物性的各種經(jīng)驗(yàn)方程各類合金體系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)各種合金的性能、用途及有關(guān)文獻(xiàn)目錄等。以元素的含量(百分?jǐn)?shù))為坐標(biāo)，構(gòu)筑以70多種元素的含量為坐標(biāo)的多維空間，將上述各種信息記錄在該多維空間中。

按下列步驟實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助合金設(shè)計(jì)：2023/1/14(a)輸入對(duì)材料性能的要求要給出定量數(shù)據(jù)、性能的上限和下限及使用條件(b)檢索材料信息尋找符合要求的資料

材料M由一系列變量(元素組成、熱處理?xiàng)l件等)表征；檢索合乎要求的材料。(c)計(jì)算所選材料的性質(zhì)應(yīng)用內(nèi)查、外推等各種方式估計(jì)其性質(zhì)。2023/1/14(d)初步選定材料在計(jì)算性質(zhì)的基礎(chǔ)上尋找指標(biāo)高的未知材料，規(guī)定為初步選定材料。(e)改善初選材料性能

應(yīng)用演繹法、歸納法和數(shù)據(jù)庫(kù)中的資料，試圖改善初步選定材料的性能，以推薦最終選定的材料。(f)計(jì)算最終選定材料的性能2023/1/141.2.2材料設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)指具有相當(dāng)數(shù)量的與材料有關(guān)的各種背景知識(shí)，并能運(yùn)用這些知識(shí)解決材料設(shè)計(jì)中有關(guān)問(wèn)題的計(jì)算機(jī)程序。在一定范圍和一定程度上，它能為某些特定性能材料的制備提供指導(dǎo)，幫助研究者進(jìn)行新材料開(kāi)發(fā)。專家系統(tǒng)的研究開(kāi)始于20世紀(jì)60年代中期，近年來(lái)應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。最簡(jiǎn)單(原始)的專家系統(tǒng)：一個(gè)知識(shí)庫(kù)和一個(gè)推理系統(tǒng)2023/1/14(1)專家系統(tǒng)：

可以連接(或包括)數(shù)據(jù)庫(kù)、模式識(shí)別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及各種運(yùn)算模塊。這些模塊的綜合運(yùn)用可以有效地解決設(shè)計(jì)中的有關(guān)問(wèn)題。(2)最理想的專家系統(tǒng)：

從基本理論出發(fā)，通過(guò)計(jì)算和邏輯推理，預(yù)測(cè)未知材料的性能和制備方法。由于制備材料結(jié)構(gòu)和性能的因素極其復(fù)雜，演繹式的專家系統(tǒng)還難以實(shí)現(xiàn)。(3)目前的專家系統(tǒng)：

以經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和理論知識(shí)相結(jié)合(即歸納與演繹相結(jié)合)為基礎(chǔ)。2023/1/14(4)材料設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)分類：(a)以知識(shí)檢索、簡(jiǎn)單計(jì)算和推理為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng)

材料科學(xué)研究需要的知識(shí)面廣，有關(guān)資料極其龐雜，任何一位專家都不可能記住全部有關(guān)資料，單靠個(gè)人會(huì)喪失許多靈活運(yùn)用這些資料的機(jī)會(huì)。利用計(jì)算機(jī)可以彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。(b)以計(jì)算機(jī)模擬和運(yùn)算為基礎(chǔ)的材料設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)材料研究的核心問(wèn)題之一是材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系。在對(duì)材料的物理、化學(xué)性能已經(jīng)了解的前提下，有可能對(duì)材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬或用相關(guān)的理論進(jìn)行運(yùn)算，以預(yù)測(cè)材料性能和制備方案。2023/1/14(c)以模式識(shí)別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng)模式識(shí)別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是處理受多種因子影響的復(fù)雜數(shù)據(jù)集、用于總結(jié)半經(jīng)驗(yàn)規(guī)律的有力工具。材料設(shè)計(jì)中兩個(gè)核心問(wèn)題是結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系和制備工藝-性能關(guān)系。都受到多種因素的制約，故可用模式識(shí)別或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(或兩者結(jié)合)，從已知實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集中總結(jié)出數(shù)學(xué)模型。2023/1/14(d)以材料智能加工為目標(biāo)的材料設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)材料智能加工是材料設(shè)計(jì)研究的新發(fā)展，其目標(biāo)是通過(guò)在位傳感器在材料制造過(guò)程中采集信息，并輸入智能控制以實(shí)現(xiàn)控制決策，使制備中的材料能循著最佳途徑成為性能優(yōu)良、穩(wěn)定以及成品率高的材料。例如：

材料智能加工研究始于20世紀(jì)80年代中期，已在大直徑砷化鎵單晶制備、碳纖維增強(qiáng)碳素復(fù)合材料制備、粉末熱壓與噴射成形等方面得到應(yīng)用并取得良好效果。2023/1/141.2.3材料設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)模擬(1)當(dāng)今材料科學(xué)的發(fā)展面臨著兩大問(wèn)題：①研究對(duì)象的復(fù)雜性:

現(xiàn)有理論手段很難處理一些極為復(fù)雜的問(wèn)題。例如：求解一個(gè)比較復(fù)雜的分子的薛定諤方程很難實(shí)現(xiàn)②新的實(shí)驗(yàn)手段、儀器、設(shè)備雖然不斷涌現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)為實(shí)驗(yàn)提供了新的方法，但大都極為昂貴，只為個(gè)別或少數(shù)研究者所擁有，研究的問(wèn)題極為有限。2023/1/14(2)材料設(shè)計(jì)中使用計(jì)算機(jī)模擬原因：①計(jì)算機(jī)可模擬進(jìn)行現(xiàn)實(shí)中不可能或很難實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)例如：材料在極端壓力、溫度條件下的相變②計(jì)算機(jī)可以模擬目前實(shí)驗(yàn)條件無(wú)法進(jìn)行的原子及以下尺度的研究等③計(jì)算機(jī)模擬可驗(yàn)證已有理論和根據(jù)模擬結(jié)果修正或完善已有理論，也可從模擬研究出發(fā)，指導(dǎo)、改善實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。

2023/1/14計(jì)算機(jī)模擬已成