1、材料設(shè)計(jì)與制備u 緒緒 論論 u 現(xiàn)代電子理論與現(xiàn)代化學(xué)鍵理論現(xiàn)代電子理論與現(xiàn)代化學(xué)鍵理論 u 分子動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)與分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)分子動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)與分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)u 高分子材料設(shè)計(jì)基礎(chǔ)高分子材料設(shè)計(jì)基礎(chǔ) u 復(fù)合材料設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)復(fù)合材料設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ) 陶瓷材料設(shè)計(jì)陶瓷材料設(shè)計(jì) u 蒙特卡洛方法蒙特卡洛方法課程名稱：課程名稱：材料設(shè)計(jì)與制備 目目 的的u 概概 述述 u 陶瓷材料設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（陶瓷材料設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（補(bǔ)充補(bǔ)充） 第第6章章 陶瓷材料設(shè)計(jì)陶瓷材料設(shè)計(jì)陶瓷材料的結(jié)合鍵陶瓷材料的結(jié)合鍵陶瓷材料的相組成陶瓷材料的相組成陶瓷材料的相組成陶瓷材料的相組成陶瓷材料的相組成陶瓷材料的相組成點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷

2、面缺陷面缺陷線缺陷線缺陷剛度剛度硬度硬度塑性與韌性熔點(diǎn)熔點(diǎn)熱膨脹熱膨脹熱容熱容定州白瓷孩兒枕定窯窯址保護(hù)大廳哥窯葵花洗哥窯八方碗哥窯青釉葵瓣口盤(pán)哥窯八方貫耳扁瓶玉壺春象鼻瓶白如玉白如玉,明如鏡明如鏡,薄如紙薄如紙,聲如磬聲如磬以以為主要原料而制得的用于建筑物的陶瓷為主要原料而制得的用于建筑物的陶瓷粗陶瓷粗陶瓷以以為主要原料，包括磚、瓦、盆罐等為主要原料，包括磚、瓦、盆罐等以以和和為主要原料，包括釉面磚、建衛(wèi)瓷等為主要原料，包括釉面磚、建衛(wèi)瓷等以以和和為主要原料，包括地磚、外墻磚、耐酸為主要原料，包括地磚、外墻磚、耐酸陶瓷等陶瓷等31炻器瓷磚的坯體顏色是否純正，主要觀察瓷磚的背面顏色是否瓷磚的坯

3、體顏色是否純正，主要觀察瓷磚的背面顏色是否均勻、一致。觀察產(chǎn)品有無(wú)缺袖、斑點(diǎn)、裂紋、軸泡、波均勻、一致。觀察產(chǎn)品有無(wú)缺袖、斑點(diǎn)、裂紋、軸泡、波紋等明顯質(zhì)量缺陷。進(jìn)行色差的辨別：要對(duì)所有包裝的產(chǎn)紋等明顯質(zhì)量缺陷。進(jìn)行色差的辨別：要對(duì)所有包裝的產(chǎn)品抽樣對(duì)比，觀察色差的變化，色差大的不能選用。觀察品抽樣對(duì)比，觀察色差的變化，色差大的不能選用。觀察瓷磚橫切面的顆粒是否細(xì)膩，這里所說(shuō)的橫切面是指瓷磚瓷磚橫切面的顆粒是否細(xì)膩，這里所說(shuō)的橫切面是指瓷磚斷片的斷裂處。斷裂處細(xì)密，硬脆，色澤一致的為上品。斷片的斷裂處。斷裂處細(xì)密，硬脆，色澤一致的為上品。因?yàn)轭w粒細(xì)膩的瓷磚防水能力強(qiáng)；而顆粒較大的瓷磚，水因?yàn)轭w粒

4、細(xì)膩的瓷磚防水能力強(qiáng)；而顆粒較大的瓷磚，水分容易浸入，影響品質(zhì)?？从詫拥暮穸取Ｓ詫雍穸染褪怯苑秩菀捉?，影響品質(zhì)?？从詫拥暮穸?。釉層厚度就是釉面橫切面的厚度。釉料是最貴的材料，釉層越厚，自然品面橫切面的厚度。釉料是最貴的材料，釉層越厚，自然品質(zhì)越好。取兩塊磚背對(duì)背和面對(duì)面看是否能?chē)?yán)密接觸有無(wú)質(zhì)越好。取兩塊磚背對(duì)背和面對(duì)面看是否能?chē)?yán)密接觸有無(wú)縫隙過(guò)大的現(xiàn)象可判斷是否有翹曲?？p隙過(guò)大的現(xiàn)象可判斷是否有翹曲。 輕敲瓷磚，注意聽(tīng)聲音是否清脆。如聲音清亮、悅耳為上輕敲瓷磚，注意聽(tīng)聲音是否清脆。如聲音清亮、悅耳為上品，如聲音沉悶，為次品。品，如聲音沉悶，為次品。 35可以在瓷磚背面倒上一些水，注意觀察瓷磚

5、吸水的快慢?？梢栽诖纱u背面倒上一些水，注意觀察瓷磚吸水的快慢。幾分鐘之后，再看正面水留下的印子是否明顯。水散開(kāi)后幾分鐘之后，再看正面水留下的印子是否明顯。水散開(kāi)后浸潤(rùn)得慢的瓷磚密度大，而且水留印子不明顯，視為上品。浸潤(rùn)得慢的瓷磚密度大，而且水留印子不明顯，視為上品。 找墨水涂于面上過(guò)一小時(shí)后擦洗看是否有痕跡，沒(méi)痕跡的找墨水涂于面上過(guò)一小時(shí)后擦洗看是否有痕跡，沒(méi)痕跡的是好磚。是好磚。 拿兩塊磚量?jī)蓧K磚的尺寸，拿兩塊磚量?jī)蓧K磚的尺寸， 尺寸誤差大于尺寸誤差大于0.5毫米、平整毫米、平整度大于度大于0.1毫米不能用。毫米不能用。可參照商家提供的國(guó)家或行業(yè)檢測(cè)機(jī)關(guān)出具的檢測(cè)報(bào)告，可參照商家提供的國(guó)家或

6、行業(yè)檢測(cè)機(jī)關(guān)出具的檢測(cè)報(bào)告，對(duì)比以下指標(biāo)數(shù)據(jù)：吸水率、耐磨性、耐酸性及污染指標(biāo)對(duì)比以下指標(biāo)數(shù)據(jù)：吸水率、耐磨性、耐酸性及污染指標(biāo)鑒別對(duì)比。鑒別對(duì)比。37要求要求具有一定具有一定主要用于化學(xué)、化工、制藥、食品等工業(yè)。主要用于化學(xué)、化工、制藥、食品等工業(yè)。40采用高度精選的原料，具有能采用高度精選的原料，具有能的化學(xué)組成，的化學(xué)組成，按照便于進(jìn)行按照便于進(jìn)行的方法進(jìn)行制造、的方法進(jìn)行制造、加工的，具有特殊性能的陶瓷。加工的，具有特殊性能的陶瓷。的陶瓷材料，主要利用陶瓷的陶瓷材料，主要利用陶瓷材料所具有的材料所具有的等力學(xué)和熱學(xué)方面的優(yōu)異性能。等力學(xué)和熱學(xué)方面的優(yōu)異性能。純度較高的氧化物、氮化物、碳

7、化物、硼化物、純度較高的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、 硅化物等，材料組成精確調(diào)配；硅化物等，材料組成精確調(diào)配；突破了爐窯的界限，廣泛采用真空燒結(jié)、保護(hù)突破了爐窯的界限，廣泛采用真空燒結(jié)、保護(hù) 氣氛燒結(jié)、熱壓、熱等靜壓等手段；氣氛燒結(jié)、熱壓、熱等靜壓等手段；特殊力學(xué)、物理和化學(xué)性能。特殊力學(xué)、物理和化學(xué)性能。42化學(xué)穩(wěn)定性好、抗氧化性強(qiáng)、熔融溫度高、高化學(xué)穩(wěn)定性好、抗氧化性強(qiáng)、熔融溫度高、高溫強(qiáng)度高。溫強(qiáng)度高。機(jī)械加工磨料、磨具、切削工具、軸承機(jī)械加工磨料、磨具、切削工具、軸承耐火材料、爐管、熱電偶保護(hù)管耐火材料、爐管、熱電偶保護(hù)管坩堝、人體關(guān)節(jié)、人工骨骼坩堝、人體關(guān)節(jié)、人工骨骼基板、火花塞

8、、電路外殼基板、火花塞、電路外殼透光材料：鈉蒸汽燈管、微波整流罩窗口、透光材料：鈉蒸汽燈管、微波整流罩窗口、 激光振蕩元件激光振蕩元件45氧化鋁坩堝 氧化鋁耐磨陶瓷球及陶瓷片 高硬度、高的高溫強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性、抗蠕變高硬度、高的高溫強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性、抗蠕變性好、抗酸和金屬熔體、不抗堿性好、抗酸和金屬熔體、不抗堿高溫結(jié)構(gòu)材料：高溫結(jié)構(gòu)材料：火箭尾噴管的噴嘴、熱電偶套管、發(fā)熱體、火箭尾噴管的噴嘴、熱電偶套管、發(fā)熱體、高溫?zé)峤粨Q器、核燃料包裝材料高溫?zé)峤粨Q器、核燃料包裝材料化學(xué)穩(wěn)定性好：抗酸、堿、熔融金化學(xué)穩(wěn)定性好：抗酸、堿、熔融金 屬硬度高、摩擦系數(shù)小、絕緣性和屬硬度高、摩擦系數(shù)小、絕緣性和 抗熱震性

9、好、高溫強(qiáng)度高抗熱震性好、高溫強(qiáng)度高耐磨材料耐磨材料( (密封環(huán)、高溫軸承密封環(huán)、高溫軸承) ) 耐火材料耐火材料( (輸送鋁液的管道、閥門(mén)輸送鋁液的管道、閥門(mén)) ) 切削刀具等切削刀具等48Si3N4陶瓷軸承 49501. 1. 微晶、高密度與高純度微晶、高密度與高純度2 2提高抗裂能力與預(yù)加應(yīng)力提高抗裂能力與預(yù)加應(yīng)力3 3相變?cè)鲰g相變?cè)鲰g4 4彌散增韌彌散增韌5 5纖維增韌纖維增韌6 6層狀化結(jié)構(gòu)層狀化結(jié)構(gòu)7 7納米陶瓷納米陶瓷51機(jī)械加工磨料、磨具、切削工具機(jī)械加工磨料、磨具、切削工具坩堝、人體關(guān)節(jié)、人工骨骼坩堝、人體關(guān)節(jié)、人工骨骼制成透光材料、微波整流罩窗口、激光振蕩元件制成透光材料、

10、微波整流罩窗口、激光振蕩元件Si3N4密封圈耐磨陶瓷閥門(mén)芯片B4C/TiB2復(fù)相陶瓷防彈片及噴嘴具有電、光、磁以及部分化學(xué)功能的多晶無(wú)機(jī)固體具有電、光、磁以及部分化學(xué)功能的多晶無(wú)機(jī)固體材料。材料。具有特定的電絕緣性、半導(dǎo)體性、導(dǎo)電性、具有特定的電絕緣性、半導(dǎo)體性、導(dǎo)電性、壓電性、鐵電性、磁性、生物適應(yīng)性等。壓電性、鐵電性、磁性、生物適應(yīng)性等。56壓電陶瓷是具有壓電效應(yīng)的陶瓷材料壓電陶瓷是具有壓電效應(yīng)的陶瓷材料介質(zhì)極化介質(zhì)極化壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 材料的壓電效應(yīng)取決于晶體結(jié)構(gòu)的材料的壓電效應(yīng)取決于晶體結(jié)構(gòu)的晶體必須有晶體必須有，才有壓電效應(yīng)。，才有壓電效應(yīng)。鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛（鈦酸鋇、鈦酸鉛、

11、鋯鈦酸鉛（PZTPZT）等。）等。超聲換能器、濾波器、聲轉(zhuǎn)超聲換能器、濾波器、聲轉(zhuǎn) 換器、諧振器、點(diǎn)火器等。換器、諧振器、點(diǎn)火器等。超高精度掃描儀動(dòng)態(tài)超高精度掃描儀動(dòng)態(tài)壓電傳感壓電傳感技技術(shù)最小間距達(dá)術(shù)最小間距達(dá)5050微米微米。掃描實(shí)物：掃描實(shí)物：工業(yè)材質(zhì)、粘土、玻工業(yè)材質(zhì)、粘土、玻璃、水晶、色彩豐富的物件，還包璃、水晶、色彩豐富的物件，還包括鮮果和鮮魚(yú)。括鮮果和鮮魚(yú)。60光電陶瓷是具有光電導(dǎo)效應(yīng)的陶瓷光電陶瓷是具有光電導(dǎo)效應(yīng)的陶瓷陶瓷受到光照射時(shí)，能帶間、能帶與能陶瓷受到光照射時(shí)，能帶間、能帶與能級(jí)間的遷移引起光吸收，能帶內(nèi)產(chǎn)自由載流子，使電導(dǎo)級(jí)間的遷移引起光吸收，能帶內(nèi)產(chǎn)自由載流子，使電

12、導(dǎo)率增加。率增加。利用光電導(dǎo)效應(yīng)檢測(cè)光強(qiáng)度。主要是利用光電導(dǎo)效應(yīng)檢測(cè)光強(qiáng)度。主要是GdSGdS多晶；檢測(cè)從波長(zhǎng)多晶；檢測(cè)從波長(zhǎng)X-RayX-Ray紫外線。在紫外線。在GdSGdS中添加中添加CuCu雜質(zhì)，雜質(zhì)，用作檢測(cè)可見(jiàn)光的光敏元件。用作檢測(cè)可見(jiàn)光的光敏元件。1986年超導(dǎo)陶瓷出現(xiàn)。超導(dǎo)陶瓷主要有：年超導(dǎo)陶瓷出現(xiàn)。超導(dǎo)陶瓷主要有：La2CuO3 YBa2Cu2OyBi-Sr-Cu-O Ta-Ba-Ca-Cu-O用作高速轉(zhuǎn)換元件、通信元件和連接用作高速轉(zhuǎn)換元件、通信元件和連接電路。電路。用于核磁共振斷層攝像儀、量子用于核磁共振斷層攝像儀、量子干涉儀、粒子線治療裝置等。干涉儀、粒子線治療裝置等。

13、完全抗磁體制造的磁懸浮列車(chē)、完全抗磁體制造的磁懸浮列車(chē)、電磁推進(jìn)器、飛機(jī)航天飛機(jī)發(fā)射臺(tái)等電磁推進(jìn)器、飛機(jī)航天飛機(jī)發(fā)射臺(tái)等。用于超導(dǎo)磁體發(fā)電、超導(dǎo)輸電、用于超導(dǎo)磁體發(fā)電、超導(dǎo)輸電、超導(dǎo)儲(chǔ)能等。超導(dǎo)儲(chǔ)能等。潛艇的無(wú)螺旋漿無(wú)噪聲潛艇的無(wú)螺旋漿無(wú)噪聲電磁推進(jìn)器、超導(dǎo)磁炮等。電磁推進(jìn)器、超導(dǎo)磁炮等。63電感線圈、天線、變壓器和濾波的電感線圈、天線、變壓器和濾波的以及錄音和錄像的以及錄音和錄像的等。等。永磁體，用于永磁體，用于領(lǐng)域。領(lǐng)域。66具有優(yōu)良的具有優(yōu)良的、耐熱性、耐風(fēng)化性、耐熱性、耐風(fēng)化性、耐膨脹性；經(jīng)光的照射，其性質(zhì)發(fā)生可逆或不可耐膨脹性；經(jīng)光的照射，其性質(zhì)發(fā)生可逆或不可逆變化。逆變化。68用于

14、人體器官替換、修補(bǔ)以及外用于人體器官替換、修補(bǔ)以及外 科矯形的陶瓷材料?？瞥C形的陶瓷材料。AlAl2 2O O3 3瓷、瓷、ZrOZrO2 2瓷、瓷、C C類瓷類瓷磷酸鈣陶瓷磷酸鈣陶瓷 71 PLLA/ PLLA/ -TCP-TCP多孔復(fù)合材料多孔復(fù)合材料采用鋼板內(nèi)固定法在實(shí)驗(yàn)組缺損處植入細(xì)胞材料復(fù)合組織工程骨采用鋼板內(nèi)固定法在實(shí)驗(yàn)組缺損處植入細(xì)胞材料復(fù)合組織工程骨Implantation of cell-material compound into bridge 10 mm segmental bone defects by internal fixation術(shù)后術(shù)后1月，動(dòng)物一般情況良好，

15、肢體行走已恢復(fù)正常，動(dòng)月，動(dòng)物一般情況良好，肢體行走已恢復(fù)正常，動(dòng)物精神狀態(tài)良好，反應(yīng)靈敏，物精神狀態(tài)良好，反應(yīng)靈敏，X光檢查見(jiàn)圖如下：脛骨實(shí)光檢查見(jiàn)圖如下：脛骨實(shí)驗(yàn)性骨缺損區(qū)對(duì)位對(duì)線良好，腓骨可見(jiàn)明顯組織反應(yīng)性增驗(yàn)性骨缺損區(qū)對(duì)位對(duì)線良好，腓骨可見(jiàn)明顯組織反應(yīng)性增生，材料可見(jiàn)小部分降解。生，材料可見(jiàn)小部分降解。性能隨外界條件（溫度、濕度、氣氛性能隨外界條件（溫度、濕度、氣氛) )的變的變 化而發(fā)生改變的陶瓷。化而發(fā)生改變的陶瓷。BaTiO3、SrTiO3、PbTiO3ZnO, SiC, Ge 釹鐵硼釹鐵硼 鋁鎳鈷鋁鎳鈷Fe2O3, ZnO, SnO尖晶石型尖晶石型 鈣鈦礦鈣鈦礦陶陶 瓷瓷 材材

16、 料料 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì)1.1.熟悉陶瓷設(shè)計(jì)的基本理論；熟悉陶瓷設(shè)計(jì)的基本理論； 目目 的的2. 2. 理解陶瓷設(shè)計(jì)的基本思想；理解陶瓷設(shè)計(jì)的基本思想；3. 3. 認(rèn)識(shí)陶瓷設(shè)計(jì)的重要意義；認(rèn)識(shí)陶瓷設(shè)計(jì)的重要意義；4. 4. 掌握陶瓷設(shè)計(jì)的主要方法。掌握陶瓷設(shè)計(jì)的主要方法。陶陶 瓷瓷 材材 料料 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì)1.1.陶瓷設(shè)計(jì)的概念與分類；陶瓷設(shè)計(jì)的概念與分類； 一、一、 概概 述述2.2.陶瓷的重要應(yīng)用；陶瓷的重要應(yīng)用；3. 3. 陶瓷設(shè)計(jì)的重要作用與意義。陶瓷設(shè)計(jì)的重要作用與意義。陶陶 瓷瓷 材材 料料 設(shè)設(shè) 計(jì)：計(jì)： 概概 述述陶瓷設(shè)計(jì)是指通過(guò)理論與計(jì)算預(yù)報(bào)陶瓷陶瓷設(shè)計(jì)是指通過(guò)理論與計(jì)算預(yù)報(bào)陶瓷新材

17、料的組分、結(jié)構(gòu)與性能，或新材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能，或“訂做訂做”具有特定性能或使用目的的新型陶瓷材具有特定性能或使用目的的新型陶瓷材料。料。 1、概念與分類、概念與分類陶陶 瓷瓷 材材 料料 設(shè)設(shè) 計(jì)：計(jì)： 概概 述述1 1）藝術(shù)陶瓷設(shè)計(jì)）藝術(shù)陶瓷設(shè)計(jì) 陶瓷設(shè)計(jì)分類陶瓷設(shè)計(jì)分類2 2）日用陶瓷設(shè)計(jì)）日用陶瓷設(shè)計(jì)陶陶 瓷瓷 材材 料料 設(shè)設(shè) 計(jì)：計(jì)： 概概 述述3 3）特種陶瓷設(shè)計(jì)）特種陶瓷設(shè)計(jì) 陶瓷設(shè)計(jì)分類陶瓷設(shè)計(jì)分類陶陶 瓷瓷 材材 料料 設(shè)設(shè) 計(jì)：計(jì)： 概概 述述陶瓷的作用具有不可替代性：陶瓷的作用具有不可替代性： 2、重要應(yīng)用、重要應(yīng)用陶陶 瓷瓷 材材 料料 設(shè)設(shè) 計(jì)：計(jì)： 一、一、概概

18、 述述u 提高陶瓷材料性能，促進(jìn)高科技提高陶瓷材料性能，促進(jìn)高科技發(fā)展發(fā)展：如相變?cè)鲰g、晶須增韌等；高：如相變?cè)鲰g、晶須增韌等；高密度儲(chǔ)存材料等；密度儲(chǔ)存材料等； 3、設(shè)計(jì)的作用、設(shè)計(jì)的作用u 預(yù)報(bào)新型陶瓷材料，滿足新需求：預(yù)報(bào)新型陶瓷材料，滿足新需求：如如從從LiBLiB3 3O O5 5（LBOLBO） KBeKBe2 2BOBO3 3F F2 2(KBBF)(KBBF)晶體的發(fā)現(xiàn)。晶體的發(fā)現(xiàn)。 1、越來(lái)越多的服役環(huán)境要求結(jié)構(gòu)陶瓷的結(jié)、越來(lái)越多的服役環(huán)境要求結(jié)構(gòu)陶瓷的結(jié)構(gòu)性能接近或達(dá)到理論值；構(gòu)性能接近或達(dá)到理論值；2、 功能陶瓷功能性由電子層次體現(xiàn)。功能陶瓷功能性由電子層次體現(xiàn)。陶陶 瓷

19、瓷 材材 料料 設(shè)設(shè) 計(jì)：計(jì)： 一、一、概概 述述4、1、陶瓷材料科學(xué)知識(shí)水平的發(fā)展；、陶瓷材料科學(xué)知識(shí)水平的發(fā)展；2、相關(guān)理論學(xué)科如力學(xué)與計(jì)算機(jī)能力的發(fā)展；、相關(guān)理論學(xué)科如力學(xué)與計(jì)算機(jī)能力的發(fā)展；3、測(cè)試分析手段的發(fā)展。、測(cè)試分析手段的發(fā)展。陶陶 瓷瓷 材材 料料 設(shè)設(shè) 計(jì)：計(jì)： 一、一、概概 述述陶陶 瓷瓷 材材 料料 設(shè)設(shè) 計(jì)：計(jì)： 二、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)二、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1.1.陶瓷材料設(shè)計(jì)內(nèi)容陶瓷材料設(shè)計(jì)內(nèi)容 二、陶瓷設(shè)計(jì)基礎(chǔ)二、陶瓷設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.組分設(shè)計(jì)組分設(shè)計(jì)3.3.結(jié)構(gòu)與性能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與性能設(shè)計(jì)4.4.合成與制備工藝設(shè)計(jì)合成與制備工藝設(shè)計(jì)5.5.效能評(píng)價(jià)效能評(píng)價(jià)陶陶 瓷瓷 材材 料料 設(shè)設(shè) 計(jì)

20、：計(jì)： 二、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)二、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1、設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)內(nèi)容 陶瓷設(shè)計(jì)陶瓷設(shè)計(jì)組分組分結(jié)構(gòu)與性能結(jié)構(gòu)與性能制備工藝制備工藝效能效能陶陶 瓷瓷 材材 料料 設(shè)設(shè) 計(jì)：計(jì)： 二、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)二、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2、組分設(shè)計(jì)、組分設(shè)計(jì)陶瓷設(shè)計(jì)陶瓷設(shè)計(jì)1) 組分設(shè)計(jì)？組分設(shè)計(jì)？結(jié)構(gòu)相同，組分不同，結(jié)構(gòu)相同，組分不同，性能不同。性能不同。例：例： 石墨石墨 六方六方BN：NaCl CaO：陶陶 瓷瓷 材材 料料 設(shè)設(shè) 計(jì)：計(jì)： 二、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)二、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2、組分設(shè)計(jì)、組分設(shè)計(jì)2) 組分設(shè)計(jì)組分設(shè)計(jì) 組元設(shè)計(jì)組元設(shè)計(jì) 組分配比設(shè)計(jì)組分配比設(shè)計(jì)組元設(shè)計(jì)組元設(shè)計(jì) ?單組元、雙組元、單組元、雙組元、3組元等組元等n組元。組元。例：

21、例： 單組元單組元 C：石墨、金剛石、富勒烯：石墨、金剛石、富勒烯C60； 雙組元雙組元 C、Ti： TiC； 3組元組元 : Ti(NC)組分配比設(shè)計(jì)組分配比設(shè)計(jì) ?組元相同，組員配比不同，晶體結(jié)構(gòu)不同，組元相同，組員配比不同，晶體結(jié)構(gòu)不同，陶瓷材料的性能不同。陶瓷材料的性能不同。例：例： FeO Fe2O3 Fe3O4； VO2 V2O3 V2O5； -Sialon 15R-Sialon陶瓷組分設(shè)計(jì)計(jì)算方法：陶瓷組分設(shè)計(jì)計(jì)算方法：1）按化學(xué)計(jì)算式計(jì)算配料比）按化學(xué)計(jì)算式計(jì)算配料比設(shè)原料純度為設(shè)原料純度為100100，化學(xué)計(jì)算式中各原料的摩爾數(shù)為，化學(xué)計(jì)算式中各原料的摩爾數(shù)為X X1 1、X

22、 X2 2、X X3 3、X Xi i，分子量為，分子量為M M1 1、M M2 2、M M3 3、M Mi i，則配料中，則配料中各原料的的質(zhì)量為：各原料的的質(zhì)量為：W W1 1= =X X1 1xMxM1 1， W W2 2= =X X2 2xMxM2 2， W W1 1= =X X1 1xMxM1 1， W Wi i= =X Xi ixMxMi i，各原料的質(zhì)量百分比計(jì)算式：，各原料的質(zhì)量百分比計(jì)算式：設(shè)實(shí)際原料的純度為設(shè)實(shí)際原料的純度為P P，則各原料的實(shí)際質(zhì)量應(yīng)，則各原料的實(shí)際質(zhì)量應(yīng)為上面計(jì)算的值除以相應(yīng)原料的純度，即為上面計(jì)算的值除以相應(yīng)原料的純度，即W W = = W/PW/P。

23、陶陶 瓷瓷 材材 料料 設(shè)設(shè) 計(jì)：計(jì)： 二、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)二、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1）晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)化學(xué)組元、化學(xué)鍵型、化學(xué)組元、化學(xué)鍵型、格子類型設(shè)計(jì)。格子類型設(shè)計(jì)。2）顯微構(gòu)造設(shè)計(jì)）顯微構(gòu)造設(shè)計(jì)單相多晶、多相多單相多晶、多相多晶、玻璃、氣孔等晶、玻璃、氣孔等設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)。 方法：方法眾多，選擇最合適的；方法：方法眾多，選擇最合適的； 設(shè)備：如隧道窯與鐘罩爐燒結(jié)磁性材料：設(shè)備：如隧道窯與鐘罩爐燒結(jié)磁性材料： 工藝技術(shù)：工藝技術(shù)： 銳鈦型與金紅石型納米銳鈦型與金紅石型納米TiOTiO2 2（焙燒溫度）（焙燒溫度）陶陶 瓷瓷 材材 料料 設(shè)設(shè) 計(jì)：計(jì)： 二、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)二、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)4、

24、合成制備方法、工藝設(shè)計(jì)、合成制備方法、工藝設(shè)計(jì)思考題：思考題：你能舉出陶瓷組成相同，制備工藝你能舉出陶瓷組成相同，制備工藝參數(shù)不同，產(chǎn)物不同的實(shí)例嗎？參數(shù)不同，產(chǎn)物不同的實(shí)例嗎？Typical contents of household solid waste.陶瓷性能是設(shè)計(jì)的目標(biāo)和出發(fā)點(diǎn)：陶瓷性能是設(shè)計(jì)的目標(biāo)和出發(fā)點(diǎn)：力學(xué)性能、力學(xué)性能、電學(xué)性能、電學(xué)性能、磁學(xué)性能磁學(xué)性能、光學(xué)性能光學(xué)性能等等陶陶 瓷瓷 材材 料料 設(shè)設(shè) 計(jì)：計(jì)： 二、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)二、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)5、性能設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)思考題：思考題：請(qǐng)舉例闡述請(qǐng)舉例闡述1 12 2種晶體性種晶體性能與其晶體結(jié)構(gòu)關(guān)系的實(shí)能與其晶體結(jié)構(gòu)關(guān)系的實(shí)例？例

25、？陶陶 瓷瓷 材材 料料 設(shè)設(shè) 計(jì)：計(jì)： 二、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)二、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)三、陶瓷組分優(yōu)化設(shè)計(jì)三、陶瓷組分優(yōu)化設(shè)計(jì)1.1.問(wèn)題提出的背景問(wèn)題提出的背景 2.2.宏宏/ /細(xì)觀力學(xué)細(xì)觀力學(xué)3.3.復(fù)相陶瓷設(shè)計(jì)復(fù)相陶瓷設(shè)計(jì)/ /制造一體化技術(shù)制造一體化技術(shù)陶陶 瓷瓷陶陶 瓷瓷 材材 料料 設(shè)設(shè) 計(jì)：計(jì)： 三、陶瓷組分優(yōu)化設(shè)計(jì)三、陶瓷組分優(yōu)化設(shè)計(jì)1、問(wèn)題提出的背景、問(wèn)題提出的背景顆粒、晶須、纖維增強(qiáng)界面應(yīng)力脫粘宏細(xì)觀力學(xué)專家系統(tǒng)智能系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)增韌脆性？陶陶 瓷瓷 材材 料料 設(shè)設(shè) 計(jì)：計(jì)： 三、陶瓷組分優(yōu)化設(shè)計(jì)三、陶瓷組分優(yōu)化設(shè)計(jì)2、宏細(xì)微觀力學(xué)、宏細(xì)微觀力學(xué)復(fù)相陶瓷陶瓷：微裂紋擴(kuò)展微裂紋擴(kuò)展、脫粘、纖維斷裂

26、、裂紋橋聯(lián)、裂紋偏轉(zhuǎn)、應(yīng)力場(chǎng)等增韌的主要手段增韌的主要手段微裂紋；相變；第二相顆粒；晶須（或短纖維）或纖維目的：目的：阻礙裂紋的萌生和擴(kuò)展阻礙裂紋的萌生和擴(kuò)展有關(guān)細(xì)微觀力學(xué)模型顆粒陶瓷相變（相變（ZrOZrO2 2）/ /微裂紋復(fù)合增韌理論模型微裂紋復(fù)合增韌理論模型纖維、晶須及延性顆粒增韌橋聯(lián)增韌力學(xué)模型：中等結(jié)合強(qiáng)度的界橋聯(lián)增韌力學(xué)模型：中等結(jié)合強(qiáng)度的界面能同時(shí)獲得較高的強(qiáng)度和韌性面能同時(shí)獲得較高的強(qiáng)度和韌性晶須、顆粒復(fù)合增韌；晶須/相變?cè)鲰g晶須橋聯(lián)晶須橋聯(lián)/裂紋偏轉(zhuǎn)復(fù)合增韌模型；裂紋偏轉(zhuǎn)復(fù)合增韌模型；Al2O3-ZrO2-SiCw復(fù)合增韌模型等復(fù)合增韌模型等有關(guān)宏觀力學(xué)模型利用宏細(xì)微觀力學(xué)

27、模型，結(jié)合其它數(shù)值方法，根據(jù)利用宏細(xì)微觀力學(xué)模型，結(jié)合其它數(shù)值方法，根據(jù)材料組分的性質(zhì)和微結(jié)構(gòu)特征來(lái)預(yù)測(cè)陶瓷復(fù)合材料材料組分的性質(zhì)和微結(jié)構(gòu)特征來(lái)預(yù)測(cè)陶瓷復(fù)合材料的宏觀力學(xué)、物理性能，及以其為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)模的宏觀力學(xué)、物理性能，及以其為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)來(lái)描述陶瓷復(fù)合材料微細(xì)宏觀各層次多尺度擬技術(shù)來(lái)描述陶瓷復(fù)合材料微細(xì)宏觀各層次多尺度范圍內(nèi)的變形、損傷和斷裂各階段，復(fù)合材料的變范圍內(nèi)的變形、損傷和斷裂各階段，復(fù)合材料的變形與破壞等已取得了較好的效果。如：形與破壞等已取得了較好的效果。如：用區(qū)煥文數(shù)值法結(jié)合用區(qū)煥文數(shù)值法結(jié)合Cgristensen 和和Waals公式公式計(jì)算計(jì)算隨機(jī)取向纖維復(fù)合材

28、料的隨機(jī)取向纖維復(fù)合材料的彈性模量和楊氏模量彈性模量和楊氏模量；自；自洽法計(jì)算晶須、顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的有效彈洽法計(jì)算晶須、顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的有效彈性模量；用自洽理論和數(shù)值法計(jì)算球狀微粒摻雜的性模量；用自洽理論和數(shù)值法計(jì)算球狀微粒摻雜的各向同性復(fù)合材料及單向纖維復(fù)合材料的熱膨脹系各向同性復(fù)合材料及單向纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)等都取得了與實(shí)驗(yàn)值吻合較好的效果。數(shù)等都取得了與實(shí)驗(yàn)值吻合較好的效果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在材料科學(xué)技術(shù)中應(yīng)用的不斷進(jìn)步，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在材料科學(xué)技術(shù)中應(yīng)用的不斷進(jìn)步，促使人們依據(jù)材料科學(xué)的知識(shí)系統(tǒng)將大量的豐富的促使人們依據(jù)材料科學(xué)的知識(shí)系統(tǒng)將大量的豐富的實(shí)驗(yàn)資料貯存起

29、來(lái)，形成可供參閱的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)驗(yàn)資料貯存起來(lái)，形成可供參閱的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，并將已得到的科學(xué)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、規(guī)律構(gòu)成知識(shí)庫(kù)，并將已得到的科學(xué)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、規(guī)律構(gòu)成知識(shí)庫(kù)，逐步形成各種材料設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)，代替繁瑣的實(shí)逐步形成各種材料設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)，代替繁瑣的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，對(duì)陶瓷復(fù)合材料的組分、驗(yàn)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，對(duì)陶瓷復(fù)合材料的組分、結(jié)構(gòu)實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)、性能分析、工藝過(guò)程的監(jiān)控和結(jié)構(gòu)實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)、性能分析、工藝過(guò)程的監(jiān)控和仿真，對(duì)材料承載受力破壞過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，仿真，對(duì)材料承載受力破壞過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，獲得難以用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)獲得的一系列信息。即實(shí)現(xiàn)材獲得難以用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)獲得的一系列信息。即

30、實(shí)現(xiàn)材料設(shè)計(jì)料設(shè)計(jì)/制造一體化。下圖為一復(fù)相陶瓷設(shè)計(jì)專家系制造一體化。下圖為一復(fù)相陶瓷設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)示意圖。統(tǒng)示意圖。復(fù)相陶瓷性能、結(jié)構(gòu)指標(biāo)的確定數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)組元選擇和復(fù)合方式的確定材料制備性能表征性能參數(shù)和目標(biāo)參數(shù)的比較復(fù)合陶瓷材料進(jìn)入修改性能不合格性能合格圖圖6-1 復(fù)合陶瓷設(shè)計(jì)系統(tǒng)復(fù)合陶瓷設(shè)計(jì)系統(tǒng)傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)，以專家（人）建立的規(guī)則為基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)，以專家（人）建立的規(guī)則為基礎(chǔ)，具有說(shuō)明推理的能力，以演繹進(jìn)行設(shè)計(jì)；具有說(shuō)明推理的能力，以演繹進(jìn)行設(shè)計(jì)；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有從例證和數(shù)據(jù)中取得規(guī)則的能力，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有從例證和數(shù)據(jù)中取得規(guī)則的能力，以歸納法進(jìn)行設(shè)計(jì)；以歸納法進(jìn)行設(shè)計(jì)；人們

31、將上述人們將上述2種方法（種方法（傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)與人工神經(jīng)傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)）有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成智能化設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)。）有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成智能化設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)。應(yīng)用前景極為廣闊，是今后材料設(shè)計(jì)的應(yīng)用前景極為廣闊，是今后材料設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。發(fā)展方向。 多元回歸 + 實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究復(fù)相陶瓷中各彌散相組成與力學(xué)性能之間的定量關(guān)系 簡(jiǎn)單組分 多組分復(fù)雜體系； 多層次微觀復(fù)合不斷深入和多樣化； 使用工況以多元線性回歸（比單元回歸更復(fù)雜）研究因變量（性能）和多個(gè)自變量（組成含量或工藝參數(shù)等）之間的定量關(guān)系的計(jì)算過(guò)程為：假設(shè)m個(gè)自變量X1 Xm，因變量Y的多元線性模型表示為mmXbXbXbaY2

32、211（6-1）式中a，bi(I = 1,2,n)不能按單元模型直接計(jì)算，須進(jìn)行以下步驟的轉(zhuǎn)換：*3*32*21*1mmXbXbXbXbaY（6-2）ixiiiSXXX_（6-3）nkikiXNX1_1（6-4）1. 1. 將式（將式（6-16-1）標(biāo)準(zhǔn)化）標(biāo)準(zhǔn)化2_1)(inkikiixXXlSi（6-5）yiSYYY*（6-6）nkiYNY11（6-7）（6-8）21)(YYlSnkiyyy（6-9）1, 1*/1, 1mmiiiXkiiillbSSbbmm式中Xi，Y 分別為自變量和因變量的平均值，Sxi（或記為lii)和Sy（或記為lyy）分別為自變量Xi和因變量Y的方差。（6-10）

33、1,*22*111, 2*2*222*1211, 1*1*212*111mmmmmmmmmmmmmrbrbrbrrbrbrbrrbrbrbr（6-11）jjiiijijlllr（6-12）nkjjkiikijXXXXl1)(2. 建立標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)的正規(guī)方程3. 解上述方程解上述方程求求bi*值值4. 建立式（建立式（6-2）標(biāo)準(zhǔn)回歸方程）標(biāo)準(zhǔn)回歸方程5. 建立一般回歸方程建立一般回歸方程*2*21*1*mmXbXbXbaYmillbbiimmi, 2 , 1/1, 1*1miiimXbXa11（6-13）（6-14）（6-15）當(dāng)用多元線性回歸模型處理復(fù)相陶瓷的性能與多元組分的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系，其

34、統(tǒng)計(jì)誤差超過(guò)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試誤差時(shí)，應(yīng)采用多元非線性回歸模型。這是由于考慮自變量之間的交互作用（交互項(xiàng)）對(duì)性能的影響。處理方法是在上述基礎(chǔ)上，增加若干交互項(xiàng)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，其回歸模型可表示為mimimjjiijiiXXCXbaY111（6-16）例：例：選具高致密性（98%理論密度）且內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻細(xì)密瓷體（系統(tǒng)誤差得以滿足）的性能和組成作為研究數(shù)據(jù)。方法采用內(nèi)插法采集大量數(shù)據(jù)以保證計(jì)算精度。選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型對(duì)陶瓷的硬度和強(qiáng)度等力學(xué)性能隨幾種彌散相含量的變化進(jìn)行回歸分析。以Al2O3基復(fù)相陶瓷作為系統(tǒng)的研究對(duì)象，應(yīng)變量Y分別代表性能（Hv,f），自變量X1為硬質(zhì)顆粒（SiC 和 TiC）含量，X2為

35、ZrO2含量，f（X1, X2）為協(xié)同項(xiàng)，根據(jù)不同的數(shù)學(xué)模型選擇交互項(xiàng)。（SiC + ZrO2）/Al2O3陶瓷的維氏硬度按照多元線性回歸（I）和多元非線性回歸（II）兩種方法建立數(shù)學(xué)模型：2211XbXbaY2132211XXbXbXbaY（6-17a）（6-17b）III式中Y硬度；X1SiC含量；X2ZrO2含量；b1、b2、b3為SiC、ZrO2和交互相系數(shù)。參照式（6-2），上述兩式計(jì)算所得的標(biāo)準(zhǔn)回歸方程分別為：214 .278 .45XXY21211 .52506 .464 .77XXXXYIII（6-18a）（6-18b）表6-1為此系統(tǒng)的彌散相含量、實(shí)測(cè)硬度、線性和非線性回歸方

36、程以及應(yīng)變量和均方差。從表中的擬合結(jié)果中的均方差可以看出，采用非線性回歸比采用線性回歸與實(shí)際更為吻合。表6-1 系統(tǒng)中的自變量Fig.6-2 SiC和ZrO2含量與相變?cè)鲰g與彌散陶瓷的維氏硬度的曲線分布圖（6-19）)()()(22112112222211110XFlXFlXXFXZXFXZXFf根據(jù)相變?cè)鲰g與顆粒彌散對(duì)材料性能的影響，建立強(qiáng)度與組成的關(guān)系式如下式：式中F1、F2分別代表二元組分的強(qiáng)度變化幅度，分別取決于相變?cè)鲰g，裂紋偏轉(zhuǎn)效應(yīng)和殘余應(yīng)力場(chǎng)的差值，F(xiàn)1、F2為交互項(xiàng)系數(shù)，F(xiàn)12為協(xié)同系數(shù)。Fig.6-3 相變?cè)鲰g與顆粒彌散復(fù)相陶瓷的強(qiáng)度（/MPa）與雙組分的等性能曲線分布以納米S

37、iCn與微米SiCP顆粒作彌散相，按一定比例混合增強(qiáng)Al2O3基陶瓷復(fù)合材料的方法來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)多層次復(fù)合陶瓷，期望其綜合力學(xué)性能得到進(jìn)一步改善。采用非線性回歸方法來(lái)處理得到其擬合方程為：K = 3.70 +98X(0.28-X) + 158Y(0.24-Y) 87XY該式預(yù)測(cè)出其最佳韌性為6.81MPam1/2（組成為X(SiCP) = 9.7 Vol%，Y (SiCn) = 9.7 Vol%；實(shí)測(cè)韌性為6.88 0.21MPam1/2（組成為X = 10 Vol%，Y = 10 Vol%。下圖為此多層次復(fù)合陶瓷的斷裂韌性與組成的關(guān)系曲線。結(jié)果表明采用此計(jì)算方法可快速預(yù)測(cè)出材料的優(yōu)化性能。Fig. (SiCn + SiCP)/Al2O3復(fù)合陶瓷的斷裂韌性K的等性能曲線與組成的關(guān)系采用線性及非線性回歸分析可以定量研究影響復(fù)合材料性能的主要因素。分析表明碳化硅與氧化鋯對(duì)氧化鋁基陶瓷的硬度相對(duì)貢獻(xiàn)值為1.66，與其物性值計(jì)算相吻合；同時(shí)可預(yù)測(cè)出最佳強(qiáng)度（476.2 MPa）及其相對(duì)組成（0.110, 0.157）。通過(guò)對(duì)多層次微觀復(fù)合陶瓷的斷裂韌性的優(yōu)化分析表明，其最佳韌性為6.