材料设计理论和方法研究进展

材料设计理论和方法研究进展

复合材料0701

潘嘉虬

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材料设计理论和方法研究进展

当前材料设计的概念是指在计算机的辅助下，以先前积累的知识和经验为基础，根据所提出的性能要求，给出有关材料组分和制备方法方面的信息，用以指导实验，从而提供符合要求、具有某种性能并在某种条件下可以实用的材料，以达到事半功倍的效果。

材料设计发展到今天，可分为两种类型演绎法和归纳法。前者着眼于有关材料的物理和化学方面的理论成就, 借助超级计算机的强大计算能力进行计算，例如，日本东京大学应用物理系的藤原毅夫教授的“从头算起”（ab initio）就是这一类型的工作。归纳法则是从实验出发, 以已知的事实、经验和知识为基础，总结出为获得符合要求的材料应采取的方法。单纯从理论出发来进行材料设计计算虽能提供许多有用的线索，但材料本身的复杂性决定了材料设计的过程本质上是归纳的方法。因此现实中人们往往对归纳法予以优先考虑，这是很自然的。究竟采用何种方法, 需视材料的具体情况而定。例如对超导材料而言, 重点放在由专家归纳的推理上而对半导体材料而言，则把重点放在高速、高精度的计算上。目前发展的趋势是将演绎法和归纳法结合起来。

一. 国内外研究状况

目前，由于计算机的应用日益普及，越来越多的材料研究工作者在开发新材料的同时，利用计算机辅助，进行材料组分和工艺的设计或对材料性能进行预测。所涉及的材料范围也日益扩大，由有机材料、高温合金向无机非金属延伸，向核材料、超导等先进材料延伸。在这方面，日本的发展最为明显，其中东京大学甚为活跃。例如，东京大学材料科学系的牧岛教授利用玻璃材料数据库和知识库开发了一个材料设计专家系统。它从数据库中选出满足一定要求的玻璃组分—某些氧化物，再利用知识库中有关玻璃生成规则，预报这些组分生成玻璃的可能性。该系统利用玻璃组分的原子半径和分解能的数据来计算材料的物性。通过对组分和物性的比较，高效率地完成具有所希望性质的新玻璃的材料设计工作。东京大学工业技术研究所的安井至利用回归处理方法对数据库中的数据进行统计分析，建立起玻璃材料的组分与性能之间的关系，并构造了一个专家系统来预报钙钦矿的生成。京都大学工业化学系的平尾一之采用分子动力学的方法研究玻璃的原子结构和性质。通过对简单的氟化物玻璃的研究, 可推广至处理更复杂的或目前尚不存在的玻璃闭。日本朝日玻璃公司研究中心把玻璃材料数据库、分子模拟系统和专家系统结合起来，集归纳法和演绎法于一体，组成一个集成化的材料设计系统，使材料设计研究更趋于合理。

由于玻璃是均匀的非晶材料，没有晶界，其组分和性能之间可望具有近似线性的关系，而陶瓷则是多晶材料，晶界的存在影响着某些重要的性能，因而要采用与玻璃不同的更为复杂的材料设计方法。藤原和安井至建立了一个有关陶瓷的材料设计系统，先由陶瓷数据库中选出最接近于所要求性能的候选材料，进行修改以减小其与用户要求的差距。为此需编制子程序以预报在组分变化时性能的变化。日本国家无机材料研究院开发了陶瓷材料设计专家系

统。利用元素的晶体化学数据库和化合物的热力学数据库，并将氮化硅的烧结参数、微观结构和强度之间的关系建成知识库，采用人工智能软件进行推理，从众多的氧化物中选出合适的烧结助剂并计算出陶瓷材料在室温和高温下的强度值。这项工作是与东京大学合作进行的川。核材料的研究是一项耗资耗时的工作。特别是核聚变反应堆材料，几乎无法进行实际条件的试验和考验。因此这方面的材料设计工作十分活跃。岩田修一利用合金设计支持系统， 从数据库中选出核聚变堆第一器壁材料的候选材料，再利用知识库中有关的实验规则、理论和经验公式等对候选材料进行改进，设计出符合核聚变堆使用要求的材料。日本国家金属材料研究院与原子能研究所和核动力堆燃料公司合作，也正在从事类似的工作。正是由于日本的大学、研究院和工业部门在材料设计方面的积极活动，日本文部省组织了有关材料设计工作的综合研究软课题（任务号：56850024）。在此基础上，于1985年出版了以东京大学名誉教授三岛良绩为主编的“新材料开发和材料设计学”。这是有关材料设计的第一部专著，它标志着材料设计工作进入一个新的阶段。

在研究工作基础上，1990年在日本召开了以计算机辅助新材料开发为主题的第一届国际材料科学与工程中计算机应用会议。第二届会议在1922年举行。这是有关材料设计的专业性会议，它标志着材料设计的研究作为材料科学与计算机技术相结合的学科交叉的产物，开始了自己的独立发展。同时，有关材料设计的国际性杂志也应运而生。1992年就创刊两种, 它们是英国物理学会的“Modeling and Simulation in Materials Science and Engineering”和荷兰Elsevier 出版公司的“Computational Materials Science”。

与国际上的动态相适应近年来国内在材料设计的研究工作方面也具有了一定的规模。国家高技术计划专门设立了有关材料微观设计和材料设计专家系统的专题。国家自然科学基金会也支持了有关分子轨道和分子动力学等模拟计算方面的课题。相信将会对国内材料设计工作起积极的推动作用。

二. 理论方面

材料设计理论是计算材料科学的重要组成部分，在不同尺度上都在发展。De Boer等的《金属中的结合理论———过渡族金属合金》一书，总结了Miedema 热力学模型理论及对金属和合金形成热等性质的计算结果；Pettifor 和Cottrell 主编的《合金设计的电子理论》评论了量子力学理论在电子层次上对金属和合金所作的理论计算；肖慎修等在《密度泛函理论的离散变分法在化学和材料物理学中的应用》对离散变分方法和王崇愚院士的材料缺陷能量学理论作了较详尽的介绍；熊家炯主编的由我国科学家撰写的作为21世纪新材料丛书的《材料设计》一书简介了材料设计理论的诸多方面及其应用。

1983年Daw 与Baskes 基于密度泛函理论，提出嵌入原子方法理论（EAM ）。与此同时，Finnis 与Sinclair 提出的F-S 势，是基于原子间相互作用多体势预测材料物性的原子尺度材料设计的等效理论，经Foiles ，Ackland 等的发展，在诸如杂质、合金、表面和液态金属性质等方面得到了初步的应用。Johnson 在原型EMA 理论基础上给出了其分析型函数和确定相应模型参数的解析方法，提出了分析型EAM 模型的雏形，其最大的优势在于计算简捷和可形成系统化的理论。

三. 技术途径方面

材料设计计算方法是材料设计的发展新趋势，通过大量的实验，寻找规律性、确定最佳性能的材料组分是研究人员常用的材料设计方法。但这种方法极其费时、费力并带有很大的经济消耗。基于科学发展对材料设计的高效、经济并富有预测性的要求，通过计算方法进行材料设计成为必然的趋势。

1. 半经验模式材料设计计算方法

自1996年起，日本工程制造中心着手建立LPF （Linus Pauling File）数据库。该数据库覆盖了合金、金属间化合物、陶瓷、矿物等全部无机物的有关结构、衍射、组成及本征性质等信息。大约10万种相关出版物的实验确定或计算所得的数据、至少20万个有关结构、衍射、固有性质的数据项以及3.5万个自1990年记录的结构数据项都将存储在该知识信息系统中。以此高精确度的强大材料数据库为基础，寻找规律。从原理上讲，最终只要输入原子序数以及考虑到可能的化合物组成，将能够实现对材料性能的预测。LPF 研究人员认为，基于LPF 这样的强大数据库，可以建立一个知识—信息体系，通过计算有效地预测、开发新材料。

2. 非经验材料设计计算方法

2.1 热力学辅助材料设计

北京科技大学以Redilich-Kister 多项式及化学计量复合模型确定了Ag-Sn 二元相模型，采用由Lukas 等人开发的软件进行了系统优化，计算所得的合金相图与热力学实验数据相符。对二元系统的理论分析和实验研究，也可以延拓到三元合金领域。芬兰T.M.Korhonen 根据热力学第二定律，通过最小吉布斯能计算进行了Sn-In-Ag 相平衡计算。

2.2 分子轨道理论计算方法材料设计

分子轨道理论是量子力学的一种近似计算法，能弥补价键理论的不足，准确描述分子内部结构。该方法计算复杂。其中，从头计算法和DV-X α方法较多地应用于材料科学领域。

从头计算方法是在分子轨道理论三个近似的基础上，仅利用普朗克常数、电子静止质量和电量三个基本物理常数而不借助任何经验参数，求解多电子体系的量子理论全电子计算方法。原则上，只要合适地选择基函数，自洽迭代的次数足够多，就一定能够得到接近自洽场极限的任意精确解。从头计算法大大优于半经验的计算方法，可以得到各类体系的电子运动状态及其有关的微观信息，能合理地解释或预测原子间的键合、分子的结构、化学反应的过程、物质的性质。但由于计算体系的复杂化，从头计算法的计算量与占用计算机存储空间急剧增加，不断地对计算技术提出新课题。另一方面，从头计算方法的误差主要来自于非相对论近似和轨道近似。目前主要采用组态相互作用方法校正这些误差，但这种方法显著增加了对计算机内存和机时的需求，对较大分子难于实现。

DV-X α计算方法是Slater 在1951年首先提出的，将电子交换作用能用其统计平均来近似， 代入Hartree-Fock 方程，得到X α方程。DV-X α方法基于Hartree-Fock-Slater 近似，即使是对较大尺寸的原子簇系统也能提供相当精确的电子结构。此方法中，Slater 局域电子交换作用势能包含了电子间的相互交换作用。Vxc 由下式给出：

Vxc = -3α[3ρ(r)/8π]1/3

式中：ρ(r)为局域电子密度；参数α为定值0.7。计算应用了自洽电子近似，采用离散采样方法对矩阵元素积分。哈密尔敦函数矩阵元素及重叠积分都由随机采样计算得出。分子轨道由原子轨道的线性组合而成。对合金元素而言，采用的原子轨道要么是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)。

与从头计算法相比较，DV-X α是计算方法的改进。其精确度一般略逊于从头计算方法，但因其采用了交换势的定域密度泛函近似，故不必计算大量的多中心积分，计算量仅为从头算法的1/100，是计算含重原子分子和固体原子簇的常用方法之一。

四. 实例方面的研究

目前已有的陶瓷材料研究主要是传统的“trial —error ”式的材料研制方式，需要研究者们做大量的反复性的试验工作。针对这一问题，提出应用计算智能技术来优化设计陶瓷材

料。利用BP 神经网络算法，并对其在陶瓷材料设计中的应用进行分析。借助MATLAB 软件中的神经网络工具箱，总结神经网络技术的概念、结构、参数选取来建立复相陶瓷材料力学性能与其组分配比之间的非线性映射关系的神经网络模型，结合MATLAB 软件的神经网络工具箱开发设计陶瓷材料的仿真系统，对复相陶瓷材料进行实例分析。借助MATLAB 软件平台，利用逐步回归的方法归纳总结出材料组分配比与各个性能指标之间的数学表达式，利用遗传算法工具箱得到每个性能参数指标值达到最优时对应的材料组分配比。最后用遗传算法与人工神经网络两种算法相结合优化得出复相陶瓷材料综合性能较好的一组最优组分百分含量的配比，按照最优配比制备复相陶瓷模具材料，并进行性能测试。

材料是工业产品设计的物质基础，任何一种产品设计只有同选用材料的性能特点及其加工工艺性相一致，才能实现设计的目的和要求。材料的品种繁多，性能各异，但只有通过设计和加工才能实现真正的使用价值和审美价值。随着人们对工业产品的使用性能、技术性能及造型款式的要求愈来愈高，需要设计人员熟悉产品设计与材料的关系，掌握各种材料的性能特点及其加工工艺，了解新型材料，从而运用设计手段，充分利用材料的内在功能和表面特征，创造出使用功能好、技术性能高、款式新颖的工业产品。在机械产品设计中，材料设计的重要性愈来愈显著，它对机械产品的性能、价格、造型、重量等都有直接的影响。传统的机械设计方法中，材料设计实际上仅仅是“材料选择设计”，在材料的选择设计过程中，往往也是根据以往设计人员的经验，即设计手册中提供的参考资料或数据来进行的，而这些参考数据常常仅是在一定的标准试验条件下得到的实验数据。这样的材料设计方法，有几个方面的缺点：其一，由于使用条件与实验条件的差异，标准试验过程本身的不确定性问题等，根据参考资料和数据选择材料生产出的机械产品在使用过程中常常会发现不合适，某个（些）零（部）件材料或者因为仅能很好满足整机使用的部分功能而其它功能一般，或者因其某个方面的性能特点产生了对整机其它方面性能的不良影响而致使整个机械产品性能达不到要求，甚至报废；其二，现在工程材料研究发展很快，特别是一些材料加工方法、工艺的改进和发展，使得原有的材料可以达到更高的性能要求，发挥更大、更好的作用。但是这些新材料、新方法、新工艺不可能在短期内编入设计手册，有些内容甚至会滞后十年或几十年，这与当今社会发展对新产品更新速度的要求显然是不适应的，换言之，按手册选择的材料在新产品的开发创新设计中往往是落后的，这将直接影响产品的竞争力或生命力。

案例分析：1. 轮-轨耐磨性设计在铁路的多曲路段，机车轮缘磨损严重，它不仅造成极大的经济损失，而且会危害行车安全。机务部门急迫地需要解决这一问题。从工程摩擦学角度看，轮-轨是一对摩擦副，是一个系统的两个元素，研究其耐磨性问题，应该从整个系统出发，考虑双方的材料最佳配对，以达到使用寿命的最长值。基于此研究了一种机车轮缘中频局部淬火技术，经理论分析计算、大量的实验室试验和机车实际运行试验，得到了轮-轨硬度匹配最佳值，在这一硬度比时，可以使机车轮的寿命在不影响钢轨寿命的情况下，提高2~3倍。这种方法是在不改变现有的路轨和机车轮材料的前提下，用一种常规热处理工艺改变其严重磨损区的局部材质，它是经济、易行的。然而，我国的铁路部门，机车轮归机务部门管理而铁轨归工务部门管理，机车轮和钢轨分别由不同的定点厂家生产。早些时候，在多曲路段，机车轮和钢轨磨损都很严重，工务部门就采用淬硬轨，结果是钢轨的寿命延长了，但更加剧了机车轮缘的磨损。当然，机车轮延寿技术可以是多种的，因为轮-轨系统是一个复杂系统，作者研究的只是其中的一种有效方法而已。

2. 硬质合金钢刀具耐磨损设计对多个厂家生产的硬质合金刀具进行深冷处理后实际使用，结果表明经深冷处理的刀具寿命延长数倍。但个别个体厂家生产的刀具，实验结果则不稳定，有的好，有的差，有的甚至没有效果。该现象说明，对同一类产品，用同样的方法改变材料性能，结果可能相差很大，这不能说明该方法本身不行，而是还有一个材料本身的均匀性、稳定性以及方法如何与不同材料结合的问题，即如何改变工艺参数以适应材料本身的

差异问题。

3. 汽车制动衬片设计我国汽车用制动衬片目前有不少厂家生产，但正规的大汽车厂主要还是用进口产品或中外合资厂生产的产品。国产件在质量稳定性、寿命等方面明显缺乏竞争力，特别是一些个体厂家生产的产品质量根本没有保障，有些产品甚至连最基本的性能指标如摩擦系数都达不到标准，特别是热衰退性能差，制动过程常导致失效，这已经成为近年来交通事故大增的根本原因之一。其原因还是大部分厂家缺乏必要的技术力量，没有进行系统研究，而只是简单地完成配方材料混合、烧结和压制等整个工艺过程，就算完事了，至于整个生产过程的各种工艺参数的系统研究，不同车型材料配方的深入研究，特别是摩擦衬片和鼓（盘）的配对问题，则没有进行研究。这些是目前我国汽车用制动衬片质量稳定性问题无法根本解决的主要原因。

材料设计是一门新型的材料学科分支，是学科的交叉的产物，它随着材料科学和计算机技术的发展而发展，目前尚处于探索阶段。它的成功取决于材料和知识的积累、整理和分析。同时由于材料设计过程需反复进行假设、推理、演算和验证，软件也起着极其重要的作用。目前，新材料开发正处于由“必然王国”向“自由王国”过渡的阶段，材料设计为完成这一过渡作出贡献。