《材料设计方法》PPT课件.ppt
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1、材料设计方法材料设计方法顾修全2011.4学习的目的学习的目的l学会独立思考、分析、解决问题l通过专业课程的学习掌握分析问题的方式、方法l学会专业基础知识,为将来的工作或深造做好准备克服困难、迎接挑战材料专业的性质材料专业的性质l国家战略发展的前沿l国民经济的支柱l机械、电子、化工等学科的交叉l新材料技术航空、高铁、信息电子等钢铁、水泥、陶瓷、玻璃、塑料等新能源材料纳米材料生物医用材料太阳能电池、锂离子电池、燃料电池世界发展启示世界发展启示l古代l近现代中国:汉、唐希腊:自然科学,民主制度四大发明罗马:军事实力、版图15、16世纪:西班牙 葡萄牙17、18世纪:荷兰、英国、法国19世纪:德国、
2、日本、美国20世纪:苏联、美国21世纪:中国?发现新大陆蒸汽机革命、殖民地电气化革命信息化革命、航天、原子弹发展新型产业(新材料产业)当代材料科学发展方向当代材料科学发展方向按性能属性化分:n 金属材料n 无机非金属材料(陶瓷材料)n 高分子材料n 复合材料按应用领域划分 航空航天材料 信息功能材料 智能材料 能源材料 生物医用材料 磁性材料 能源材料 科学技术的发展离不开材料科学技术的发展离不开材料l高温合金l合金钢l硅材料、半导体材料l高分子材料航空、航天工业军事工业、铁路运输等信息技术产业纺织、日用品工业新材料发展面临的新材料发展面临的“挑战挑战”l性能要求更高、更快l器件日趋小型化l能
3、耐高温、高压等极端条件l精度要求更高,研发费用更高l多功能集成如超导材料、能源材料等如半导体材料等如航空航天材料、核能材料等如航空航天材料等光电一体化、声光一体化等具体实例具体实例l集成电路的大规模化发展l资源、能源的日趋衰竭l生态环境的恶化l现代医学的发展器件小型化正挑战着量子物理的极限核能、风能、太阳能的高效利用,半导体照明、各种储能材料(二次电池)的开发燃料电池,各种催化剂的发展,高效利用能源生物医用材料(人工关节、人工器官、药物载体等)材料研究的方法材料研究的方法l实验方法l理论方法材料计算材料设计计算机模拟降低研发成本验证实验结果,揭示内在机理试制炒菜式成本高,代价昂贵容易造成不必要
4、的浪费半导体照明的发展半导体照明的发展1833年半导体Ag2S的发现1947年晶体管的 发明1958年集成电路的 发明1968年商业化发光二极管的诞生GaP基红光二极管高亮度高发光效率1970年超晶格的提出江崎、朱兆祥高亮度蓝光、绿光、黄光二极管的相继出现发光二极管的结构发光二极管的结构注:出射波长通过改变MQW的参数得以调节。超晶格超晶格超晶格超晶格发光二极管的核心发光二极管的核心作用:使注入的电子和空穴在特定区域复合,从而增强作用:使注入的电子和空穴在特定区域复合,从而增强 发光效率。发光效率。光纤通信技术光纤通信技术研究对象:光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题损耗原因:1)玻璃纤维中含有过
5、量的铬、铜、铁、锰、OH-2)光纤拉制工艺造成芯、包层分界面不均匀及其 所引起的折射率不均匀新的发现:玻璃纤维在红外光区的损耗较小光纤之父:高锟1966年英国标准电信研究所光纤的发展历程光纤的发展历程l1966年“光纤之父”高锟博士首次提 出光纤通信的想法。l1970年贝尔研究所林严雄在室温下可 连续工作的半导体激光器。l1970年康宁公司的卡普隆(Kapron)之 作出损耗为20dB/km光纤。l1977年芝加哥第一条45Mb/s的商用线路。光纤的结构光纤的结构纤芯纤芯包层包层保护保护套套材料设计(计算)产生的条件材料设计(计算)产生的条件l量子力学的提出l计算机的发明 固体物理、量子化学等
6、新的学科 使人们对材料的微观结构有更深入的认识 使对复杂、多参数过程的计算成为了可能 通过模拟使人们对材料科学中的某一过程有了更具体 的认识材料设计方法材料设计方法l材料计算l材料设计u 第一原理u 分子动力学u 蒙特卡洛方法 自由电子近似 近自由电子近似 密度泛函思想计算方法计算方法u 材料的结构设计u 材料的组分设计设计内容设计内容晶体的生长过程薄膜的生长过程材料的表面/界面行为 梯度功能材料超晶格/量子阱光子晶体材料设计的意义材料设计的意义l降低新材料的研发成本l为新材料的开发提供有力的理论支持l模拟材料的失效过程,正确地找出原因合金成分的确定、半导体掺杂等人工超晶格的提出、超硬材料(-
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