材料设计习题.pdf

一、阐述材料设计的主要途径和材料设计的范围。
答：材料设计的主要途径：1.知识库与数据库技术。计算机的材料知识库和
性能数据库具有一系列优点，可与人工智能技术相结合，构成材料性能预测或材
料设计专家系统。计算机的材料知识库和性能数据库还具有数据优化、数据独立、
数据一致、数据共享和数据保护等优点。数据库管理系统又分为层次性、网络型、
关系型三种。
2.材料设计专家系统。该系统大致分为以下几类：（1）以知识检索、简单计算和
推理为基础的专家系统。（2）以计算机模拟和运算为基础的材料设计专家系统。
（3）以模式识别和人工神经网络为基础的专家系统。（4）以材料智能加工为目
标的处理设计专家系统。
3.计算机模拟技术。按模拟尺度可以分为三类：（1）原子尺度模拟计算。主要应
用分子动力学方法和蒙特卡洛方法。（2）显微尺度模拟计算。这类计算以连续介
质概念为基础。（3）宏观尺度模拟计算。该方法一般与材料或材料部件的工业生
产有关。
材料设计的范围：
从广义来说，材料设计按研究对象的空间尺度不同而划分为三个层次:
（1）微观设计层次，空间尺度约在 1nm 量级，对应原子电子层次的设计；
（2）连续层次模型，典型尺度在 1 m 量级，将材料看做连续介质，不考虑其中
单个原子的行为；
（3）工程设计层次，尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的
设计研究。
从内容上来说，材料设计包括以下几个研究内容：
（1）合金设计；
（2）新化合物和新物相预报；
（3）超晶粒和杂化材料设计；
（4）复合材料设计；
（5）陶瓷材料设计。
（6）高分子材料设计
二、按四层次观点，材料的完整结构层次有哪些？他们与材料的三层次的对应
关系怎样？
答：按四层次观点，材料的完整的结构层次有：（1）宏观结构：人眼（借助
放大镜）可分辨的结构范围，结构组成单元是相、颗粒、组成材料（孔隙、裂纹
不同材料的组合与复合方式等）。（2）显微结构：光学显微镜分辨的结构范围，
结构组成单元是相（相的种类、数量、形貌、相互关系等）。（3）亚微观结构：
普通电子显微镜分辨的结构范围，结构组成单元是微晶粒、胶粒等粒子（单个粒
子的形状、大小和分布）。（4）微观结构：高分辨电子显微镜分辨的结构范围，
结构组成单元是原子、分子、离子或离子团等质点（质点在相互作用力下的聚集
状态、排列形式）。
材料的三层次结构为：宏观结构、亚微观结构、微观结构；
三、阐述高分子设计的主要内容，举例阐述高分子结构设计中直接组合法设计
目标高分子的原理。
答：高分子设计的主要内容：（1）设计或推断与某些（某种）宏观性能相对
应的高分子性质；（2）提出或设计能体现这一（这些）性质的高分子结构；（3）
选择能合成与加工该种结构的高分子（材料）方法或条件并完成聚合物及其材料
的合成与加工。
直接组合法，指的是由几种具有预定结构和反应活性的分子，通过反应拼合
成目标分子的方法。
例如合成一种可室温交联固化的丙烯酸系涂料，这种涂料的性能要求是：（1）
漆膜需耐热、耐水、耐老化并有韧性；（2）成膜温度