材料設計

材料設計是指應用已知理論與信息，預報具有預期性能的材料，并提出其制備合成方案。

中文名稱

材料設計

英文名稱

materials design

定　　義

通過理論與計算預報新材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能，或者說，通過理論設計來“訂做”具有特定性能的新材料的方法?？煞譃榻?jīng)驗設計和科學設計。

應用學科

材料科學技術(shù)（一級學科），材料科學技術(shù)基礎（二級學科），材料科學基礎（三級學科），材料設計、模擬與計算（四級學科）

第1章 材料設計概述

1．1 材料設計發(fā)展的歷史與作用

1．1．1 材料設計的發(fā)展階段

1．1．2 材料設計的發(fā)展概況

1．2 材料設計范圍與內(nèi)容

1．3 材料設計的層次與特點

1．3．1 材料設計的層次

1．3．2 多尺度關聯(lián)模型

1．3．3 材料設計的特點

1．4 材料設計的類型和方法

1．5 材料設計的任務

本章小結(jié)

習題與思考題

參考文獻

第2章 材料設計的主要技術(shù)與途徑

2．1 材料設計的知識庫與數(shù)據(jù)庫

2．2 材料設計的專家系統(tǒng)

2．3 基于第一性原理的計算設計

2．3．1 基本理論的近似假設

2．3．2 密度泛函理論

2．3．3 準粒子方程(GW近似)

2．3．4 Car-Parrinello方法

2．4 材料設計的計算機模擬

2．4．1 分子動力學模擬

2．4．2 蒙特卡羅模擬

2．4．3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡在材料設計中的

應用

2．5 合金特征晶體理論

2．5．1 合金相統(tǒng)計熱力學理論

2．5．2 合金晶體物理與化學計算框架

2．6 基于相圖計算的材料設計

2．6．1 相圖熱力學計算模型

2．6．2 Md法計算相界成分

2．6．3 CALPHAD計算模式

2．7 基于數(shù)據(jù)采掘的材料設計

2．8 數(shù)學方法在材料設計中的應用

2．8．1 有限元法

2．8．2 遺傳算法

2．8．3 分形理論

2．8．4 其他方法

本章小結(jié)

習題與思考題

參考文獻

第3章 基于第一性原理的材料設計

3．1 原子相互作用勢的計算應用

3．1．1 第一性原理原子間相互作用對

勢的嚴格表達

3．1．2 陳氏晶格反演定理

3．1．3 基于abinitio計算方法的理論

模型

3．2 高溫丁i合金的優(yōu)化設計

3．2．1 特性原子序列信息

3．2．2 fcc-TiAl合金信息

3．2．3 降低fcc-TiAl化合物脆性的信息

綜合

3．3 奧氏體鋼abinitio計算設計

3．3．1 理論基礎

3．3．2 奧氏體不銹鋼模量的計算設計

3．4 超硬材料計算設計

3．4．1 超硬材料體積彈性模量

3．4．2 B-Si3N4的電子結(jié)構(gòu)

3．4．3 B-C3N4的計算設計與開發(fā)

3．4．4 c-BCN設計與開發(fā)

3．4．5 低壓縮系數(shù)金屬氮化物

本章小結(jié)

習題與思考題

參考文獻

第4章 相圖熱力學計算設計

4．1 相圖優(yōu)化和計算過程

4．2 CALPHAD相圖計算

4．2．1 實際合金集團數(shù)據(jù)庫

4．2．2 無鉛微焊材料的設計計算

4．2．3 超級奧氏體鋼相平衡的計算

預測

4．2．4 Ti合金超塑性的Md法計算

設計

4．3 abinitio和CALPHAD有機結(jié)合的

計算方法

4．3．1 ahinitio應用于CALPHAD能量

計算

4．3．2 abinitio應用于CALPHAD相圖

計算

4．3．3 abinitio對動力學計算的貢獻

4．4 奧氏體鋼組織穩(wěn)定性的數(shù)值計算

設計

4．4．1 高溫組織穩(wěn)定性

4．4．2 中溫組織穩(wěn)定性

4．4．3 低溫組織穩(wěn)定性

4．5 銅合金熱力學計算模擬

4．5．1 熱力學平衡關系

4．5．2 計算模型及程序

4．5．3 材料熱物理性能的計算模型

4．5．4 模擬計算結(jié)果與驗證

4．5．5 三元銅合金相圖計算

4．6 鋁合金熱力學平衡相計算

本章小結(jié)

習題與思考題

參考文獻

第5章 材料數(shù)值模擬設計

5．1 概述

5．1．1 材料研究模型化

5．1．2 數(shù)值模型化與模擬

5．2 材料表面激光作用的數(shù)值模擬

5．2．1 模擬的基本數(shù)學模型

5．2．2 溫度場演化的模擬

5．2．3 細晶化和非晶形成的預測

5．3 工程應用層次的材料數(shù)值計算

5．3．1 系統(tǒng)設計思路

5．3．2 奧氏體鋼強度的數(shù)值計算

5．3．3 奧氏體鋼沖擊韌度的數(shù)值

計算

5．3．4 高性能鋼的設計與應用

5．4 形狀記憶合金的計算模擬

5．4．1 邊界設計及有限元方法

5．4．2 誘發(fā)相變熱力學

5．4．3 應力誘發(fā)相變

5．4．4 鐵基形狀記憶合金TRIP鋼的馬氏體

相變模擬

5. 5 奧氏體不銹鋼應力腐蝕壽命預測與

計算設計

5．5．1 奧氏體不銹鋼應力腐蝕壽命曲線與

設計參數(shù)

5．5．2 奧氏體不銹鋼應力腐蝕疲勞壽命

預測

5．5．3 奧氏體不銹鋼應力腐蝕敏感性

判據(jù)

5．5．4 奧氏體不銹鋼應力腐蝕疲勞

機理

本章小結(jié)

習題與思考題

參考文獻

第6章 基于數(shù)據(jù)采掘的材料設計

與預測

6．1 基于數(shù)據(jù)采掘的半經(jīng)驗設計方法

6．1．1 復雜數(shù)據(jù)信息采掘原理

6．1．2 復雜數(shù)據(jù)信息采掘各種算法的長處

局限性

6．1．3 數(shù)據(jù)采掘法經(jīng)驗材料設計的

應用

6．2 合金設計

6．2，1 合金設計技術(shù)概述

6．2。2 高合金超高強度鋼設計

6．3 基于組合方法的多組分新材料合成

設計

6．3。1 電子材料的發(fā)現(xiàn)

6．3．2 新型磁性材料

6．3．3 多相催化劑開發(fā)

本章小結(jié)

習題與思考題

參考文獻

第7章 結(jié)構(gòu)復合材料的設計

7．1 復合材料的設計與方法

7．1．1 復合材料的可設計性

7．1．2 復合材料設計的研究方法

7．1．3 復合材料基體與增強體選擇

7．2 復合材料力學性能計算模型

7．2．1 連續(xù)纖維增強復合材料性能

7．2．2 短纖維增強金屬基復合材料

7．2．3 顆粒增強復合材料的彈性和

強度

7．3 復合材料性能相關性的計算模型

7．3．1 性能相關性的計算模型

7．3．2 有限元模擬與分析

7．4 納米復合材料有效彈性的

計算

7．5 纖維增強復合材料的力學失效與計算

模擬

7．5．1 短纖維增強復合材料疲勞性能

模型與預測

7．5．2 纖維增強復合材料壓縮失效

模擬

本章小結(jié)

習題與思考題

參考文獻

第8章 功能復合材料設計

8．1 功能復合材料設計概述

8．1．1 功能復合材料種類

8．1．2 功能復合材料的設計特點

8．1．3 金屬基功能復合材料的設計

方法

8．1．4 仿生復合材料的設計

8．2 熱功能復合材料的設計

8．2．1 復合材料比熱容力口和性原理

8．2．2 復合材料熱膨脹系數(shù)的計算

8．3 熱防護梯度功能材料設計

8．3．1 基本設計思想

8．3．2 基本設計方法

8．4 其他功能復合材料的設計

8．4．1 阻尼復合材料

8．4．2 零膨脹復合材料的設計

模擬

本章小結(jié)

習題與思考題

參考文獻

第9章 材料成型加工過程模擬設計

9．1 概述

9．2 鑄造工藝過程的數(shù)值模擬

9．2．1 凝固過程數(shù)值模擬基本方法

9．2．2 溫度場數(shù)值模擬及收縮缺陷

預測

9．2．3 應力場的模擬

9．2．4 鑄件微觀組織的模擬

9．3 材料連接成型過程模擬

9．3．1 焊接熱循環(huán)主要參數(shù)的數(shù)學

模型

9．3．2 焊接熱裂紋的模擬技術(shù)

9．3．3 焊接應力與殘余應力的模擬

預測

9．4 金屬塑性成型模擬

9．4．1 金屬塑性成型模擬的基本步驟

9．4．2 鋼錠鍛造形變過程模擬

9．4．3 AZ31合金深拉伸過程模擬

9．4．4 控軋鋼形變誘發(fā)相變的計算機

模擬

9．4．5 薄板沖壓工藝一體化模擬技術(shù)

本章小結(jié)

習題與思考題

參考文獻

第10章 材料變形與斷裂的介觀

設計

10．1 概述

lo．2 顆粒增強鋁基復合材料的力學行

為模擬

10．2．1 高體積分數(shù)顆粒增強復合材料

力學行為模擬

10．2．2 顆粒尺寸效應的數(shù)值模擬

10．2．3 顆粒增強鋁基復合材料的界面

力參數(shù)

10．2．4 復合結(jié)構(gòu)界面裂紋形成的

模擬

10．3 裂端擴展過程的分子動力學

模擬

10．3．1 計算模型

10．3．2 裂紋尖端位錯發(fā)射

10。3．3 三重嵌套模型和關聯(lián)參照

模型

10．4 周期載荷下裂紋擴展的分子動力學

模擬

10．4．1 研究方法

10．4．2 模擬結(jié)果與分析

本章小結(jié)

習題與思考題

參考文獻

第11章 材料表面技術(shù)模擬與設計

11．1 概述

11．2 多晶薄膜生長過程的模擬

11．2．1 FACET模型及模擬分析

11．2．2 薄膜島狀結(jié)構(gòu)形成的動力學

MonteCarlo模擬

11．2．3 基于Wolf-Villain模型的薄膜

生長模擬

11．3 表面涂覆層制備的數(shù)值模擬

11．3．1 PVD法和CVD法的數(shù)值

模擬

11．3．2 等離子熱噴涂數(shù)值模擬方法

11．3．3 等離子噴涂溫度場數(shù)值

模擬

11．4 表面涂覆殘余應力的模擬計算

11．4．1 熱噴涂殘余應力分析及

模擬

11．4．2 高溫梯度復合涂層殘余應力

數(shù)值分析

本章小結(jié)

習題與思考題

參考文獻

第12章 材料模擬設計研究進展

12．1 極端條件下的abinitio模擬

12．1．1 ab initio分子動力學模擬

模型

12．1．2 高壓下材料結(jié)構(gòu)的鑒別

12．1．3 高壓化學反應

12．1．4 熔化溫度的計算

12．2 高分子材料設計的新方法

12．3 納米晶金屬的形變

12．3．1 金屬納米晶形變機理模擬

12．3．2 納米壓痕(刻痕、壓坑)的原子

模擬

12．4 材料模擬設計應用進展實例

12．4．1 新材料開發(fā)

12．4．2 新理論研究

12．4．3 新材料制備技術(shù)

本章小結(jié)

習題與思考題

參考文獻

《材料與設計:材料選擇在產(chǎn)品設計中的藝術(shù)與科學(原著第2版)》講解在產(chǎn)品設計中如何使用物質(zhì)材料創(chuàng)造出集美感與功能于一體的產(chǎn)品?！恫牧吓c設計:材料選擇在產(chǎn)品設計中的藝術(shù)與科學(原著第2版)》分為三個部分：第一部分包括功能與特性，影響產(chǎn)品設計的因素，設計和設計過程，原料，材料成型、連接和表面處理，材料決定形式，材料選擇，材料和設計案例分析，新型材料，結(jié)論等內(nèi)容；第二部分包括眼睛和頭腦練習及材料的選擇兩個附錄；第三部分是材料概況。

《材料與設計:材料選擇在產(chǎn)品設計中的藝術(shù)與科學(原著第2版)》可作為機械設計制造及其自動化、工業(yè)設計等專業(yè)的本科生和研究生教材，也可作為高等職業(yè)學校、高等?？茖W校、成人院校的機電一體化、數(shù)控技術(shù)及應用、機械制造及自動化等專業(yè)的教材，還可作為廣大從事現(xiàn)代設計方法研究的工程技術(shù)人員和管理人員的參考資料或培訓教材。

前言

第一章 設計材料概述

第一節(jié) 設計材料的發(fā)展

第二節(jié) 材料科學與設計

第二章 設計材料的藝術(shù)表現(xiàn)

第一節(jié) 材料美感的視覺體現(xiàn)

第二節(jié) 材料的工藝表達與技術(shù)

第三章 材料在設計領域的應用

第一節(jié) 材料與工業(yè)設計

第二節(jié) 材料與公共藝術(shù)設計

第三節(jié) 材料與環(huán)境藝術(shù)設計

第四節(jié) 材料與視覺傳達設計

第四章 設計材料的類別與表現(xiàn)

第一節(jié) 塑料材料

第二節(jié) 金屬材料

第三節(jié) 玻璃材料

第四節(jié) 陶瓷材料

第五節(jié) 木質(zhì)材料

第五章 設計材料課程的教學實踐

第一節(jié) 設計材料課程典型作業(yè)1

第二節(jié) 設計材料課程典型作業(yè)2

第三節(jié) 設計材料課程典型作業(yè)3

第四節(jié) 設計材料課程典型作業(yè)4

參考文獻2100433B