材料设计考试解答.docVIP

1.材料设计有哪几个发展阶段？ 金属、陶瓷，塑料等各种材料的发展都经历了简单到复杂、宏观到微观、表面到本质、盲目到理性、偶然到必然、经验到理论的过程。 如果把它们的发展历程和研究开发都认为是具有材料设计的内涵，那么，可将材料设计分为以下几个阶段： 1. 经验设计阶段 2. 科学组织设计阶段 3. 相结构设计阶段 4. 原子结构层次设计阶段 2.材料设计范围是什么？ 材料设计应包括理论、模型、计算、实验和统计等几部分。 一般认为材料设计应包含从材料制备到应用的全过程。 材料计算、材料制备、材料评价和性能检测的过程基本上完成了一个材料设计周期。 材料计算、材料制备、材料评价和性能检测之间的快速重复是材料发展的主要手段。 3.材料设计的层次？ 材料设计可分为： ? 微观层次、介观层次、宏观层次三个层次； ? 也称为微观层次、连续模型层次、工程应用层次； 微观设计层次(micro)：空间尺度在1 nm量级，是原子、电子层次的设计 连续模型层次(continuum)： 典型尺度在1μm量级，这时材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为； ?工程设计层次(Macro)：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。 材料设计也有划分为：纳观(nano）、介观（meso)微观（micro)、宏观（macro 4.材料设计有哪些特点？ A.多尺度-关联模型： 多尺度蕴藏于物质世界、科学技术和工程的诸多领域: 宇宙形成、生命现象、大气环流，材料的成型与应用，以及物理和化学中的量子效应等。空间和时间方面的跨尺度与跨层次现象，以及相应的多尺度耦合反映了物质世界构造的基本性质。 材料科学将发展为材料系统科学，材料设计也必将是系统设计。不同结构 层次与不同性质的理论需要沟通，逐步形成有机联系的知识体系。 ? 单一层次的设计必将被多层次设计所代替。多层次设计必须要建立多尺度 材料模型(multiscale materials modeling, MMM) 和各层次间相互关联的数 理模型。 多尺度-关联模型 ①大尺度原子模拟方法； ②原子模拟的边界技术； ③原子模拟方法与有限元方法偶和技术； ④本构关系逼近法； B.经验设计和科学设计并存与兼容 C.材料设计将逐渐综合化 D.材料设计将逐步计算机化 5.材料设计的主要类型和方法有哪些？ 一般认为：材料设计（materials design）是指通过理论计算来预报新材料的组分、结构与性能，或者说通过计算设计来“订做”具有特定性能的新材料。 实际认为：材料设计不仅是指开发新材料，传统材料的设计和加工制备工艺过程中的设计和控制在实现生产中显得更为重要。 类型：复合材料设计表面技术设计，新材料开发设计，纳米材料与技术的设计 ，材料加工过程设计与控制 材料设计方法：计算机技术（专家系统人工神经网络），数学工具（有限元法、遗传算法、分形理论、小波分析、拓扑法等），软件与数据库 材料设计的关键科学问题是什么？ ①材料设计为国民经济和尖端技术服务，要结合国民经济建设和高技术项目开展材料设计工作。例如，要在壁厚压力容器材料、原子能应用材料、航空与航天用超高强度材料、高温合金、低温材料、电子信息材料、各种特殊功能材料等。 ②从分层次到多层次进行材料计算设计，分层次研究的弱点是不同学科互相分割，难以取得系统的合效果；特别是微观层次（电子、原子）的设计离开预报、设计实际材料还有很大的距离，难以解决工程实际问题。重点是多层次综合设计的突破。 ③多学科的交叉、融合是必然的趋势，材料计算技术科学是材料、物理、化学、数学和计算机等多学科的交叉研究领域。鼓励材料科学和系统科学结合。整体已成为当今科技发展的重要趋势，多层次和跨学科正是计算材料学的特点和本质。 ④数理模型的建立和实用化是关键。材料设计系统主要依赖于数理模型。师昌绪说：各层次研究的关键是根据基础数据能否发展出符号实际的解析与数理模型，解决不同层次间计算方法的选择与整合。 ⑤材料计算设计科学的基础研究必须加强。我国在材料设计或计算材料学方面的研究落后于国外，且在观念、思维上也没有跳出国外现有的思路，有的还比较偏激。需要开展基础研究的工作较多：各层次的接口问题：大量实用性数理模型的建立；一些共性问题的解决；材料性能的可靠性设计等，特别是新材料的设计开发基础研究工作则更多。 1. 什么是材料设计的数据库和知识库？数据库和知识库在材料设计中的重点作用是什么？ 材料设计技术：量子理论的各种计算方法、热力学计算方法、半经验和数值计算方法等。 材料设计的途径：材料设计的知识库与数据库、材料设