仿生材料学基础
材料学基础复合材料基础材料仿生设计实例课程纲要生物材料一二三四五4材料仿生设计方法
章节目录材料仿生设计基本理论5.1材料增强仿生结构设计5.2材料功能仿生结构设计5.3材料表面仿生结构设计5.4
5.1材料仿生设计基本理论5.1.1材料设计方法材料设计是材料科学中的一个新兴分支，其内容是应用已有的知识与技术研制具有预期性能的新材料。它提出于50年代，从70年代末期开始有了迅速的发展，特别是近几年来，已经有了不少引人注目的成果，越来越受到研究人员的重视。生物技术、信息技术和新材料的发展是现代科学技术发展的三大支柱，其中新材料的发展是当代髙新技术的基础，也是现代工业的基石，因此人们对材料的研究、开发和性能提出了越来越髙的要求。然而长期以来，材料研究主要采用“炒菜筛选法”或“试错法”，这一般需要依赖大量的试验，造成人力、物力和资源的浪费，设计周期也较长。随着科学技术的发展，一些新的试验设备和方法的出现以及固体理论、分子动力学和计算机模拟等技术的发展，为材料设计提供了理论依据和强有力的技术支持。
5.1材料仿生设计基本理论5.1.1材料设计方法一、材料设计的定义材料设计的设想始于20世纪50年代，前苏联科学家进行了初期的研究，在理论上提出了人工半导体超晶格的概念。到1985年，日本学者山岛良绩正式提出了“材料设计学”这一专门的研究方向，将材料设计定义为利用现有的材料、科学知识和实践经验，通过分析和综合，创造出满足特殊要求的新材料的一种活动过程，其目的是改进已有的材料和创造新材料。现在材料设计已基本上形成一套特殊的方法，就是根据性能要求确定设计目标，有效地利用现有资源，通过成份、结构、组织、合成和工艺过程的合理设计来制造材料。其中，关键是材料的成份、结构和组织的设计。在柳田博明看来，材料设计应包括两层意思:①从指定的目标出发规定材料性能，并提出合成手段；②为新材料开发和新效应、新功能研究提供指导原理。以目标性能为导向
5.1材料仿生设计基本理论5.1.1材料设计方法二、材料设计方法的分类按研究对象的空间尺度，目前材料的设计层次分为：①微观设计层次设计，空间尺寸约为1nm量级，对应原子电子层次的设计；②连续模型层次设计，空间尺寸约为1μm量级，将材料看成连续介质，不考虑其中单个原子电子的行为；③材料性能层次设计，尺度对应于宏观材料及大块材料，涉及材料的加工和使用性能设计研究。
5.1材料仿生设计基本理论5.1.1材料设计方法二、材料设计方法的分类电子、原子与分子层次对应的空间尺度大致为10nm以下,所对应的学科层次是量子化学、固体物理学等,该层次上常用的研究工具包括第一原理法、蒙特卡罗法与分子动力学法。连续模型对应的空间尺度大致为um级到mm级，属于材料科学的研究范围，此时材料常被认为是连续介质，不用考虑材料中个别原子和分子，该层次研究的主要方法为有限元法。对于材料性能层次设计，涉及块体材料在成形与使用中的行为表现，属于材料工程甚至系统工程领域，采用的方法如工程模拟等技术。
5.1材料仿生设计基本理论5.1.1材料设计方法二、材料设计方法的分类材料设计方法经验法半经验法第一原理法分子动力学法蒙特卡罗法有限元法材料设计专家系统人工神经网络系统
5.1材料仿生设计基本理论5.1.1材料设计方法二、材料设计方法的分类第一原理法：材料是由许多紧密排列的原子构成的，是一个复杂的多粒子体系。第一原理法就是把多粒子构成的体系理解为由电子和原子核组成的多粒子系统，并根据量子力学的基本原理最大限度的对问题实现“非经验性”处理。第一原理的出发点是求解多粒子系统的量子力学薛定谔方程，在实际求解该方程时采用两个简化:一是绝热近似，即考虑电子运动时原子核是处于它们的瞬时位罝上，而考虑原子核的运动时不考虑电子密度分布的变化，将电子的量子行为与离子的经典行为视为相对独立;第二个假设是利用哈特利-福克自洽场近似将多电子的薛定谔方程简化为单电子的有效势方程。薛定谔方程是量子力学的基本方程，它揭示了微观物理世界物质运动的基本规律。基于量子力学原理的计算方法，通过求解薛定谔方程来预测物质的性质。提供了对材料性质的高精度预测，包括材料的能带结构、电荷密度、力学性质、磁性等。
5.1材料仿生设计基本理论5.1.1材料设计方法二、材料设计方法的分类蒙特卡罗法(MonteCarlomethod)：是以概率与统计的理论、方法为基础的一种计算方法，蒙特卡罗法将所需求解的问题同某个概率模型联系在一起，在电子计算机上进行随机模拟，以获得问题的近似解。因此，蒙特卡罗法又称随机模拟法或统计试验法。计算一个不规则图形的面积，那么图形的不规则程度和分析性计算（比如，积分）的复杂程度是成正比的。蒙特卡罗方法基于这样的想法：假设你有一袋豆子，把豆子均