文档介绍：第7章陶瓷材料设计
1 陶瓷材料中有关设计的概念
2 玻璃材料设计的数值计算法
3 小结
陶瓷材料中有关设计的概念
日本材料科学家柳田博明在1984年曾
撰文建议使用“材料设计”一词,并根据陶
瓷材料研究开发的进程,把材料设计在陶瓷
材料研究中的应用分为三个阶段:
第阶段第一阶段——材料探索阶段的材料设计;
第二阶段——材料实用化阶段的材料设计;
第三阶段——用于制备高效物件的最佳材料
选择阶段的材料设计。
陶瓷材料中有关设计的概念
次晶粒
晶粒边界
主相晶粒空位弗兰克尔型
刃型位错肖特基型
点缺陷点缺陷
引线
导带
禁带
电子显微镜价带
给出的结构粒界附近的能带模型
光学显微镜
给出的结构空对
间群称性
晶体结构
组成粒径分布点群
4mm
宏观结构微观结构
陶瓷材料中有关设计的概念
综合上述讨论,材料设计可分成两个步骤:首先是
确定出满足所描述材料应该具有某种物性的组分和结构;然
后是描述合成具有这样结构的材料的方法。图7-2给出了这
种思路的示意图。由此可以给出材料设计的定义:“所谓材
料设计是由两个知识性作业步骤构成,第一步是给出满足某
种要求的材料结构(亦称为物性最优化设计);第二步就是
描述实现第一步给出的结构的合成方法(亦可称为合成方法
最优化设计)。”
设定某种使用要求
物性最优化设计
组成、微结构等
合成方法最优化设计
合成或制备方法
图7-2 以陶瓷广义结构为中心的陶瓷设计、物性最优化设计和合成法最优化设计
陶瓷材料中有关设计的概念
材料设计的方法论
正如柳田提出的材料设计的定义中所指出的那样,
材料设计方法论中由于材料可利用信息方面质和量的不同
而有所不同。通常情况下,首先根据可利用的信息应用表
7-1所列的方法论。现在讨论的是知识工程中的方法论问题,
当适合于将其称为材料设计的知识性作业时,研究开发中
可使用的方法论被认为与对象材料的发展阶段相对应,这
时就变成表7-2所列的情况。
阶段信息方法论
反复实验、摸索,体
摸索性阶段无力
经验性阶段经验、秘方直觉、经验规则
实验性阶段数据的积累数据分析、实验式、
理论性阶段理论模拟
理论公式
陶瓷材料中有关设计的概念
经验阶
摸索实验理论
知
识阶段阶阶
型作业段
段段
量
图7-3 发展阶段所用知识作业量对照
采用知识性方法论进行材料设计时,真正的“知
识性”是什么首先就是问题。为此,先从不是知识性的情
况来讨论,若不与材料设计有关,则可想到与到与识性对知识性相对
的一个词是“直觉”,所谓开动“直觉”的作业实际上也
是高级的作业之一。“直觉”作用最有效的阶段应是集中
在表7-1中的经验性阶段,而在实验性或理论性阶段,
“直觉”作用的效果就变得非常微小了。
陶瓷材料中有关设计的概念
特性设计及其方法问题
如上所述,所谓陶瓷和玻璃的特性设计,就
是为满足某种用途或性能要求而确定陶瓷和玻璃应该
具有怎样的结构。也就是说,为了进行完全意义的材
料设计,明确结构与物性之间的函数关系是必要的。
假设物性常数为a,结构参数为c,其函数形式为f,则
下列关系
a f (c)
必须是清楚的。同时,还应该注意到上
述关系的逆函数构成的方程
c f 1(a)
陶瓷材料中有关设计的概念
考虑陶瓷结构的情况
若要从数学的角度去考察特性设计的有关问
题,就应当用数学的语言来表达陶瓷的结构特性。一
说到陶瓷的结构,首先考虑的是晶体结构。作为影响
物性的结构,除了提到的晶体结构之外,还要考虑到
其他许多结构因素的影响。在图7-1中给出了结构多
样性的情况****惯上把这里谈到的广义结构称之为
“特性(Character)”,而把对广义结构的解析表
述称为特性描述。
严格地说,特性对全部物性都会有影响,但就某一物
性或某一种陶瓷材料而言,将仅有一种特性起决定作
用,而除此之外的特性处于不太要紧的地位。
玻璃材料设计的数值计算法
玻璃材料设计的数值计算法
之所以如此,是由玻璃的非晶结构和它所
表现的下列物性所决定的:
①具有透光性,可用于制造各种光学元件及装置;
②组分可连续变化,从而物性可调;
③作为固溶体媒介,几乎所有的元素都可放入玻璃中;
④从纤维状到平板状,其形状可