材料設(shè)計理論和方法研究進展

材料設(shè)計理論和方法爭論進展材料設(shè)計理論和方法爭論進展材料設(shè)計理論和方法爭論進展復(fù)合材料0701潘嘉虬3070706011材料設(shè)計理論和方法爭論進展給出有關(guān)材料組分和制備方法方面的信息，用以指導(dǎo)試驗，從而供給符合要求、具有某種性能并在某種條件下可以有用的材料，以到達事半功倍的效果。材料設(shè)計進展到今日，可分為兩種類型演繹法和歸納法.前者著眼于有關(guān)材料的物理和化學(xué)方面的理論成就,借助超級計算機的強大計算力量進展計算，例如，日本東京大學(xué)應(yīng)用物理系的藤原毅夫教授的“從頭〔abinitio〕出為獲得符合要求的材料應(yīng)實行的方法。單純從理論動身來進展材料設(shè)計計算雖能供給很多有用的線索，但材料本身的簡單性打算了材料設(shè)計的過程本質(zhì)上是歸納的方法。因此現(xiàn)實中人們往往對歸納法予以優(yōu)先考慮，這是很自然的。到底承受何種方法，需視材料的具體狀況而定。例如對超導(dǎo)材料而言，重點放在由專家歸納的推理上而對半導(dǎo)體材料而言,則把重點放在高速、高精度的計算上。目前進展的趨勢是將演繹法和歸納法結(jié)合起來。一。國內(nèi)外爭論狀況目前，由于計算機的應(yīng)用日益普及,越來越多的材料爭論工作者在開發(fā)材料的同時,利用計算機關(guān)心，進展材料組分和工藝的設(shè)計或?qū)Σ牧闲阅苓M展推測.所涉及的材料范圍也日益擴大，由有機材料、高溫合金。例如，東京大學(xué)材料科學(xué)系的牧島教授利用玻璃材料數(shù)據(jù)庫和學(xué)問庫開發(fā)了一個材料設(shè)計專家系統(tǒng).它從數(shù)據(jù)庫中選出滿足肯定要求的玻璃組分—某些氧化物，再利用學(xué)問庫中有關(guān)玻璃生成規(guī)章，預(yù)報這些組分生成玻璃的可能性。該系統(tǒng)利用玻璃組分的原子半徑和分解能的數(shù)據(jù)來計算材料的物性。通過對組分和物性的比較，高效率地完成具有所期望性質(zhì)的玻璃的材料設(shè)計工作.東京大學(xué)工業(yè)技術(shù)爭論所的安井至利用回歸處理方法對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進展統(tǒng)計分析，建立起玻璃材料的組分與性能之間的關(guān)系，并構(gòu)造了一個專家系統(tǒng)來預(yù)報鈣欽礦的生成.京都大學(xué)工業(yè)化學(xué)系的平尾一之承受分子動力學(xué)的方法爭論玻璃的原子構(gòu)造和性質(zhì)。通過對簡潔的氟化物玻璃的爭論，可推廣至處理更簡單的或目前尚不存在的玻璃閉。日本朝日玻璃公司爭論中心把玻璃材料數(shù)據(jù)庫、分子模擬系統(tǒng)和專家系統(tǒng)結(jié)合起來，集歸納法和演繹法于一體，組成一個集成化的材料設(shè)計系統(tǒng)，使材料設(shè)計爭論更趨于合理。由于玻璃是均勻的非晶材料，沒有晶界，其組分和性能之間可望具有近似線性的關(guān)系，而陶瓷則是多晶材料，晶界的存在影響著某些重要的性能，因而要承受與玻璃不同的更為簡單的材料設(shè)計方法。藤原和安井至建立了一個有關(guān)陶瓷的材料設(shè)計系統(tǒng),先由陶瓷數(shù)據(jù)庫中選出最接近于所要求性能的候選材料，進展修改以減小其與用戶要求的差距。為此需編制子程序以預(yù)報在組分變化時性能的變化。日本國家無機材料爭論院開發(fā)了陶瓷材料設(shè)計專家系統(tǒng)。利用元素的晶體化學(xué)數(shù)據(jù)庫和化合物的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，并將氮化硅的燒結(jié)參數(shù)、微觀構(gòu)造和強度之間的關(guān)系建成學(xué)問庫，承受人工智能軟件進展推理,從眾多的氧化物中選出適宜的燒結(jié)助劑并計算出陶瓷材料在室溫順高溫下的強度值。這項工作是與東京大學(xué)合作進展的川。核材料的爭論是一項耗資耗時的工作。特別是核聚變反響堆材料,幾乎無法進展實際條件的試驗和考驗。因此這方面的材料設(shè)計工作格外活潑.巖田修一利用合金設(shè)計支持系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)庫中選出核聚變堆第一器壁材料的候選材料，再利用學(xué)問庫中有關(guān)的試驗規(guī)章、理論和閱歷公式等對候選材料進展改進，設(shè)計出符合核聚變堆使用要求的材料。日本國家金屬材料爭論院與原子能爭論所和核動力堆燃料公司合作，也正在從事類似的工作。正是由于日本的大學(xué)、爭論院和工業(yè)部門在材料設(shè)計方面的樂觀〔568500241985年出版了以東京大學(xué)名譽教授三島良績?yōu)橹骶幍摹安牧祥_發(fā)和材料設(shè)計學(xué)“。這是有關(guān)材料設(shè)計的第一部專著，它標志著材料設(shè)計工作進入一個的階段.1990中計算機應(yīng)用會議.其次屆會議在1922年進展.這是有關(guān)材料設(shè)計的專業(yè)性會議，它標志著材料設(shè)計的爭論雜志也應(yīng)運而生。1992ModelingandSimulationinMaterialsScienceandEngineeringElsevierComputationalMaterialsScienc與國際上的動態(tài)相適應(yīng)近年來國內(nèi)在材料設(shè)計的爭論工作方面也具有了肯定的規(guī)模.國家高技術(shù)打算特地動力學(xué)等模擬計算方面的課題。信任將會對國內(nèi)材料設(shè)計工作起樂觀的推動作用。材料設(shè)計理論是計算材料科學(xué)的重要組成局部，在不同尺度上都在進展。DeBoer等的《金屬中的結(jié)合理論———過渡族金屬合金》一書，總結(jié)了Miedema熱力學(xué)模型理論及對金屬和合金形成熱等性質(zhì)的計算結(jié)果；Pettifor和Cottrell主編的《合金設(shè)計的電子理論》評論了量子力學(xué)理論在電子層次上對金屬和合金所作的理論計算；肖慎修等在《密度泛函理論的離散變分法在化學(xué)和材料物理學(xué)中的應(yīng)用》對離散變分方法和21世紀材料叢書的《材料設(shè)計》一書簡介了材料設(shè)計理論的諸多方面及其應(yīng)用。1983年Daw與Baskes基于密度泛函理論,提出嵌入原子方法理論(EAM〕。與此同時，F(xiàn)innis與Sinclair提出的F—S勢,是基于原子間相互作用多體勢推測材料物性的原子尺度材料設(shè)計的等效理論，經(jīng)Foiles，AcklandJohnson在原型EMA理論根底上給出了其分析型函數(shù)和確定相應(yīng)模型參數(shù)的解析方法，提出了分析型EAM模型的雛形，其最大的優(yōu)勢在于計算簡捷和可形成系統(tǒng)化的理論.材料設(shè)計計算方法是材料設(shè)計的進展趨勢，通過大量的試驗，查找規(guī)律性、確定最正確性能的材料組分是爭論人員常用的材料設(shè)計方法。但這種方法極其費時、費力并帶有很大的經(jīng)濟消耗?；诳茖W(xué)進展對材料設(shè)計的高效、經(jīng)濟并富有推測性的要求，通過計算方法進展材料設(shè)計成為必定的趨勢。1.半閱歷模式材料設(shè)計計算方法自1996年起，日本工程制造中心著手建立LPF〔LinusPaulingFile〕數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫掩蓋了合金、金屬間10萬種相關(guān)出版物的試驗確定或計算所得的數(shù)據(jù)、至少20萬個有關(guān)構(gòu)造、衍射、固有性質(zhì)的數(shù)據(jù)項以及3。5萬個自1990年記錄的構(gòu)造終只要輸入原子序數(shù)以及考慮到可能的化合物組成，將能夠?qū)崿F(xiàn)對材料性能的推測。LPF爭論人員認為，基于LPF這樣的強大數(shù)據(jù)庫，可以建立一個學(xué)問—信息體系，通過計算有效地推測、開發(fā)材料。2。非閱歷材料設(shè)計計算方法2。1熱力學(xué)關(guān)心材料設(shè)計北京科技大學(xué)以Redilich—Kister多項式及化學(xué)計量復(fù)合模型確定了Ag—Sn二元相模型，承受由Lukas等人開發(fā)的軟件進展了系統(tǒng)優(yōu)化，計算所得的合金相圖與熱力學(xué)試驗數(shù)據(jù)相符。對二元系統(tǒng)的理論分析和試驗爭論，也可以延拓到三元合金領(lǐng)域。芬蘭T。M。Korhonen依據(jù)熱力學(xué)其次定律，通過最小吉布斯能計算進展了Sn—In—Ag相平衡計算.2.2分子軌道理論計算方法材料設(shè)計分子軌道理論是量子力學(xué)的一種近似計算法,能彌補價鍵理論的缺乏，準確描述分子內(nèi)部構(gòu)造。該方法計算簡單。其中，從頭計算法和DV—Xα方法較多地應(yīng)用于材料科學(xué)領(lǐng)域。從頭計算方法是在分子軌道理論三個近似的根底上,僅利用普朗克常數(shù)、電子靜止質(zhì)量和電量三個根本物理常數(shù)而不借助任何閱歷參數(shù)，求解多電子體系的量子理論全電子計算方法。原則上，只要適宜地選擇基函數(shù)，自洽迭代的次數(shù)足夠多，就肯定能夠得到接近自洽場極限的任意準確解。從頭計算法大大優(yōu)于半閱歷的計算方法，可以得到各類體系的電子運動狀態(tài)及其有關(guān)的微觀信息，能合理地解釋或推測原子間的鍵合、分子的構(gòu)造、化學(xué)反響的過程、物質(zhì)的性質(zhì)。但由于計算體系的簡單化,從頭計算法的計算量與占用計算機和軌道近似。目前主要承受組態(tài)相互作用方法校正這些誤差，但這種方法顯著增加了對計算機內(nèi)存和機時的需求,對較大分子難于實現(xiàn)。DV—Xα計算方法是Slater在1951年首先提出的，將電子交換作用能用其統(tǒng)計平均來近似，代入Hartree-Fock方程，得到Xα方程。DV—Xα方法基于Hartree—Fock—Slater近似，即使是對較大尺寸的原子簇系統(tǒng)也能供給相當準確的電子構(gòu)造。此方法中，Slater局域電子交換作用勢能包含了電子間的相互交換作用。Vxc由下式給出：Vxc=-3α［3ρ(r)/8π]1/3式中：ρ〔r〕為局域電子密度;參數(shù)α為定值0。7.計算應(yīng)用了自洽電子近似，承受離散采樣方法對矩陣元素積分。哈密爾敦函數(shù)矩陣元素及重疊積分都由隨機采樣計算得出。分子軌道由原子軌道的線性組合而成。對合金元素而言，承受的原子軌道要么是1s-np〔Li、Be，n=2；Na，n=3;K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、N、Cu、Sn、Ga、Ge，n=4；Y、Zr、Nb、Mo、Ag、Cd、In、Sn、Sb,n=5；La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy，n=6〕,要么是1s—nd〔Al、Si,n=3)。與從頭計算法相比較，DV-Xα是計算方法的改進.其準確度一般略遜于從頭計算方法，但因其承受了交換勢的定域密度泛函近似，故不必計算大量的多中心積分,計算量僅為從頭算法的1/100,是計算含重原子分子和固體原子簇的常用方法之一。四。實例方面的爭論目前已有的陶瓷材料爭論主要是傳統(tǒng)的“trial—error“式的材料研制方式，需要爭論者們做大量的反BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，并對其在陶瓷材料設(shè)計中的應(yīng)用進展分析.借助MATLAB軟件中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，總結(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的概念、結(jié)構(gòu)、參數(shù)選取來建立復(fù)相陶瓷材料力學(xué)性能與其組安排比之間的非線性映射關(guān)系的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合MATLABMATLAB軟件平臺，利用逐步回歸的方法歸納總結(jié)出材料組安排比與各共性能指標之間的數(shù)學(xué)表達式，利用遺傳算法工具箱得到每共性能參數(shù)指標值到達最優(yōu)時對應(yīng)的材料組安排比.最終用遺傳算法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種算法相材料,并進展性能測試.才能實現(xiàn)設(shè)計的目的和要求。材料的品種繁多,性能各異，但只有通過設(shè)計和加工才能實現(xiàn)真正的使用價值和審美價值。隨著人們對工業(yè)產(chǎn)品的使用性能、技術(shù)性能及造型款式的要求愈來愈高，需要設(shè)計人員生疏產(chǎn)品設(shè)計與材料的關(guān)系，把握各種材料的性能特點及其加工工藝，了解型材料，從而運用設(shè)計手段，充分利用材料的內(nèi)在功能和外表特征,制造出訪用功能好、技術(shù)性能高、款式穎的工業(yè)產(chǎn)品。在機械產(chǎn)品設(shè)計中，材料設(shè)計的重要性愈來愈顯著，它對機械產(chǎn)品的性能、價格、造型、重量等都有直接的影響。傳統(tǒng)的機械設(shè)計方法中，材料設(shè)計實際上僅僅是“材料選擇設(shè)計”，在材料的選擇設(shè)計過程中，往往也是依據(jù)以往設(shè)計人員的閱歷，即設(shè)計手冊中供給的參考資料或數(shù)據(jù)來進展的，而這些參考數(shù)據(jù)常常僅是在肯定的標準試驗條件下得到的試驗數(shù)據(jù)。這樣的材料設(shè)計方法，有幾個方面的缺點：其一，由于使用條件與試驗條件的差異,標準試驗過程本身的不確定性問題等,依據(jù)參考資料和數(shù)據(jù)選擇材料生產(chǎn)出的機械產(chǎn)品在使用過程中常常會發(fā)現(xiàn)不適宜，某個〔些)零〔部〕件材料或者由于僅能很好滿足整機使用的局部功能而其它功能一般，或者因廢；其二，現(xiàn)在工程材料爭論進展很快，特別是一些材料加工方法、工藝的改進和進展，使得原有的材料可以到達更高的性能要求,發(fā)揮更大、更好的作用。但是這些材料、方法、工藝不行能在短期內(nèi)編入設(shè)計手冊,有些內(nèi)容甚至?xí)笫昊驇资?，這與當今社會進展對產(chǎn)品更速度的要求明顯是不適應(yīng)的，案例分析：1。輪-軌耐磨性設(shè)計在鐵路的多曲路段,機車輪緣磨損嚴峻，它不僅造成極大的經(jīng)濟損失，而且會危害行車安全。機務(wù)部門急迫地需要解決這一問題.從工程摩擦學(xué)角度看,輪—軌是一對摩擦副，是一個系統(tǒng)的兩個元素,爭論其耐磨性問題,應(yīng)當從整個系統(tǒng)動身，考慮雙方的材料最正確配對,以到達使用壽命的最長值?；诖藸幷摿艘环N機車輪緣中頻局部淬火技術(shù)，經(jīng)理論分析計算、大量的試驗室試驗和機車實際運提高2~3倍。這種方法是在不轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的路軌和機車輪材料的前提下，用一種常規(guī)熱處理工藝轉(zhuǎn)變其嚴峻磨損區(qū)的局部材質(zhì)，它是經(jīng)濟、易行的.然而，我國的鐵路部門，機車輪歸機務(wù)部門治理而鐵軌歸工務(wù)部門管理，機車輪和鋼軌分別由不同的定點廠家生產(chǎn)。早些時候，在多曲路段，機車輪和鋼軌磨損都很嚴峻，工務(wù)部門就承受淬硬軌，結(jié)果是鋼軌的壽命延長了，但更加劇了機車輪緣的磨損.固然，機車輪延壽技術(shù)可以是多種的,由于輪—軌系統(tǒng)是一個簡單系統(tǒng)，作者爭論的只是其中的一種有效方法而已。2。硬質(zhì)合金鋼刀具耐磨損設(shè)計對多個廠家生產(chǎn)的硬質(zhì)合金刀具進展深冷處理后實際使用，結(jié)果說明經(jīng)深冷處理的刀具壽命延長數(shù)倍。但個別個體廠家生產(chǎn)的刀具，試驗結(jié)果則不穩(wěn)定，有的好，有的差，有的甚至沒有效果。該現(xiàn)象說明,對同一類產(chǎn)品，用同樣的方法轉(zhuǎn)變材料性能，結(jié)果可能相差很大，這不能說明該方法本身不行，而是還有一個材料本身的均勻性、穩(wěn)定性以及方法如何與不同材料結(jié)合的問題，即如何轉(zhuǎn)變工藝參數(shù)以適應(yīng)材料本身的差異問題。3。汽車制動襯片設(shè)計我國汽車用制動襯片目前有不少廠家生產(chǎn)，但正規(guī)的大汽車廠主要還是用進口產(chǎn)品或中外合資廠生產(chǎn)的產(chǎn)品。國產(chǎn)件在質(zhì)量穩(wěn)定性、壽命等方面明顯缺乏競爭力，特別是一些個體廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量根本沒有保障，有些產(chǎn)品甚至連最根本的性能