材料設計與制備

緒論現代電子理論與現代化學鍵理論

分子動力學基礎與分子動力學模擬技術

高分子材料設計基礎

復合材料設計的理論基礎

陶瓷材料設計

蒙特卡洛方法2023/2/31課程名稱：材料設計與制備

目的概述陶瓷材料設計基礎（補充）陶瓷組分優化設計（難點）

韌化設計（重點）

第6章陶瓷材料設計2023/2/32無機非金屬材料概述

什么是無機非金屬材料？金屬材料和有機高分子材料以外的固體材料通稱為無機非金屬材料。由硅酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽等和氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、鹵化物等原料經一定的工藝制備而成的材料。2023/2/33無機非金屬材料概述

化學組成：金屬和非金屬元素的氧化物、氫氧化物、碳化物、氮化物等以不同的方式組合。幾乎涉及周期表上所有元素。鍵合結構：離子鍵、共價鍵以及離子鍵和共價鍵的混合鍵2023/2/34無機非金屬材料主要特點

2023/2/35無機非金屬材料的種類

2023/2/36陶瓷材料

離子鍵、共價鍵以及離子鍵與共價鍵的混合鍵。離子晶體－以離子鍵結合的晶體。金屬氧化物晶體。

MgO、Al2O3共價晶體－共價鍵結合的晶體。金剛石、SiC、Si3N4、BN特點－強度高、硬度高、熔點高、絕緣、結構穩定、膨脹系數小、脆性大、無延展性。陶瓷材料的結合鍵2023/2/37（1）陶瓷材料的結構

晶體相陶瓷材料最主要的組成相其結構、形態、數量及分布決定了陶瓷材料的特性。主晶相－氧酸鹽（硅酸鹽、鈦酸鹽）、氧化物MgO、Al2O3）、非氧化物（SiC、Si3N4）陶瓷材料的相組成2023/2/38陶瓷材料的結構

玻璃相

玻璃相是陶瓷材料中原子不規則排列的組成部分，其結構類似于玻璃。積極作用：填充晶體之間的空隙，提高材料的致密度；降低燒成溫度；阻止晶型轉變、抑止晶粒長大。不利影響：陶瓷強度、介電常數、耐熱性能。陶瓷材料的相組成2023/2/39陶瓷材料的結構

氣相

坯體各成分在加熱過程中發生物理、化學作用所生成的空隙。不利影響：降低材料的強度，是造成裂紋的根源。有益利用：多孔瓷陶瓷材料的相組成2023/2/310陶瓷材料的結構

陶瓷材料的晶體缺陷置換原子、間隙原子和空位等造成的缺陷影響導電性、燒結。位錯:

形成所需能量較大，密度很低。晶界和亞晶界:

晶界兩側晶粒取向的不同可阻止裂紋的擴展，提高陶瓷強度。點缺陷面缺陷線缺陷2023/2/311（2）陶瓷材料的性能—力學性能

陶瓷的硬度很高－1000Hv～1500Hv（普通淬火鋼－500～800Hv）原因－離子晶體中離子緊密堆積、共價晶體中電子云的重疊程度高。

陶瓷的剛度很高－剛度反映其化學鍵能原因－高鍵能的離子鍵和共價鍵→高彈性模量。剛度硬度2023/2/312理論強度高—離子鍵和共價鍵

實際強度要較理論強度低—組織的不均勻性，

內部雜質和各種缺陷

晶粒越細，強度越高。

高溫強度、高溫抗蠕變能力、抗氧化性優于金屬

材料—常用于高溫材料

強度2023/2/313陶瓷的塑性和韌性較低，無塑性變形，脆性斷裂——陶瓷最大的弱點。斷裂過程：裂紋形成和擴展的過程斷裂的原因：陶瓷內部和表面所產生的微裂紋，在受到外應力時快速擴展。塑性與韌性2023/2/314陶瓷的熱學性能

陶瓷由離子鍵和共價鍵結合，具有較高的熔點。陶瓷材料在低溫下熱容小，在高溫下熱容增大。陶瓷材料的熱膨脹系數小，這是由晶體結構和化學鍵決定的。一般為10-5～10-6/K。熔點熱膨脹熱容2023/2/315陶瓷的電學和光學性能

電學性能陶瓷是良好的絕緣體，具有介電特性，介電損耗很小。光學性能陶瓷由于晶界和氣孔的存在一般不透明。通過改變燒結方法和控制晶粒的大小，可制備出透明的氧化物陶瓷。2023/2/316陶瓷－普通陶瓷

定義：以粘土、長石、石英為主要原料，經過粉碎、混煉、成型、鍛燒等制作的產品。廣義陶瓷：用陶瓷生產方法制造的無機非金屬固體材料和產品的通稱。2023/2/317普通陶瓷主要化學組成（質量％）SiO2Al2O3R2O+RO65－757－304－332023/2/318發展概況

陶瓷－普通陶瓷陶瓷是我國古代勞動人民的偉大發明之一英語china（昌南鎮）即為陶瓷。秦代：兵馬俑唐代：唐三彩宋代：定、鈞、汝、官、哥窯，瓷都－景德鎮青花、玲瓏瓷陶都－宜興紫砂主要產地還有：佛山、淄博、晉江、唐山、邯鄲、潮州、石灣、海城、醴陵、德化等2023/2/319定窯：據《曲陽縣志》載，五代時曲陽澗磁已盛產白瓷，官府曾在此設官收瓷器稅；但據調查，早在唐代這里已燒白瓷；至宋代有較大發展，除燒白釉瓷器外，還燒黑釉、醬釉和綠釉等品種，文獻稱為“黑定”、“紫定”和“綠定”。有毛口和淚痕等特征，毛口是復燒口部不上釉，淚痕多見于盤碗外部，因釉的薄厚不勻，有的下垂形如淚跡。

定州白瓷孩兒枕定窯窯址保護大廳2023/2/320現今發現的真正論及哥窯最早的文獻當推明代陸深《春風堂隨筆》：“哥窯，淺白斷紋，號百圾碎。宋時有章生一、生二兄弟，皆處州人，主龍泉之琉田窯，生二所陶青器純粹如美玉，為世所貴，即官窯之類，生一所陶者色淡，故名哥窯。”哥窯葵花洗哥窯八方碗2023/2/321哥窯器必須具有眾所周知的“金絲鐵線”、“紫口鐵足”。前者是哥窯的與眾不同的裂紋，大紋為“鐵線”，有的顯藍，大紋中套的小紋為“金絲”，有的不一定顯金黃，大紋小紋合稱為“面圾破”，它應當是密而不疏，曲而不直；后者是哥窯顯露的較為特殊的胎色，但兩者往往如魚與熊掌一樣不可兼得。瓷胎滿釉器有“紫品”而無鐵足。鐵足應當是胎質本身的無釉顏色。

哥窯青釉葵瓣口盤哥窯八方貫耳扁瓶2023/2/322鈞窯:在鈞州境內（今河南禹縣），故名。是宋代五大名窯之一。創燒于唐代，經歷宋金至元代。境內有窯地近一百處，以小白峪歷史最早，唐代已燒黑釉帶斑點器物，時稱“花瓷”，對宋代紫紅斑點裝飾有直接影響。宋代首創釉中加入適當銅金屬，燒成玫瑰紫、海棠紅等紫紅色釉，美如晚霞。玉壺春象鼻瓶2023/2/323我國是陶瓷大國，日用陶瓷、建衛陶瓷產量均為世界第一，占世界產量的2/3。我國又是陶瓷出口大國，2005年出口金額為45.54億美元，出口建筑陶瓷4.2億平方米，衛生陶瓷出口3885萬件，出口170多個國家，出口額占世界整個行業的40％，其中佛山占60％。2023/2/324除中國外，世界陶瓷器的生產主要集中在歐洲。英國－骨瓷、類碧玉陶器。法國－各種雕像、花卉瓷，具有裝飾華麗、色彩鮮艷的特點。德國－高白度硬質瓷，并左右當時歐洲的瓷器風格。荷蘭－白釉藍彩陶器稱譽歐洲(16-17世紀)。日本－瀨戶陶瓷產區13世紀起即以陶瓷業著稱。2023/2/325陶瓷－普通陶瓷分類

2023/2/326普通陶瓷－日用瓷

一般應具有良好的白度、光澤度、透光性、熱穩定性和強度。日用陶瓷主要應用于茶具、餐具和工藝品2023/2/327普陶－日用瓷

白如玉,明如鏡,薄如紙,聲如磬2023/2/328普陶－陳設瓷2023/2/3292023/2/330普通陶瓷－建筑瓷

建筑陶瓷以粘土為主要原料而制得的用于建筑物的陶瓷粗陶瓷

以難熔粘土為主要原料，包括磚、瓦、盆罐等精陶瓷

以瓷土和高嶺土為主要原料，包括釉面磚、建衛瓷等炻瓷

以陶土和粘土為主要原料，包括地磚、外墻磚、耐酸陶瓷等312023/2/331陶器從廣義上可分為四類:土器：坯質粗松，多孔，色澤不潔，成陶火度最低，有吸水性，音粗而韻短，如磚瓦缽；炻器：坯質致密堅硬,取天然泥色，成陶火度在1010℃到1020℃，無吸水性，音粗而韻長，如紫砂陶。陶器：坯質也較細，上釉，成陶火度高，有吸水性，音粗而韻短。瓷器：坯質致密透明，上釉，成陶火度最高，無汲水性，音清而韻長。炻器2023/2/3322023/2/3332023/2/334墻地磚的選擇：一看：瓷磚的坯體顏色是否純正，主要觀察瓷磚的背面顏色是否均勻、一致。觀察產品有無缺袖、斑點、裂紋、軸泡、波紋等明顯質量缺陷。進行色差的辨別：要對所有包裝的產品抽樣對比，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膩，這里所說的橫切面是指瓷磚斷片的斷裂處。斷裂處細密，硬脆，色澤一致的為上品。因為顆粒細膩的瓷磚防水能力強；而顆粒較大的瓷磚，水分容易浸入，影響品質?？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，自然品質越好。取兩塊磚背對背和面對面看是否能嚴密接觸有無縫隙過大的現象可判斷是否有翹曲。二聽：輕敲瓷磚，注意聽聲音是否清脆。如聲音清亮、悅耳為上品，如聲音沉悶，為次品。352023/2/335墻地磚的選擇：三試水：可以在瓷磚背面倒上一些水，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。水散開后浸潤得慢的瓷磚密度大，而且水留印子不明顯，視為上品。找墨水涂于面上過一小時后擦洗看是否有痕跡，沒痕跡的是好磚。四尺量：拿兩塊磚量兩塊磚的尺寸，尺寸誤差大于0.5毫米、平整度大于0.1毫米不能用。補充：可參照商家提供的國家或行業檢測機關出具的檢測報告，對比以下指標數據：吸水率、耐磨性、耐酸性及污染指標鑒別對比。2023/2/336普瓷－衛生瓷

衛生陶瓷以高嶺土為主要原料，用于衛生設施，帶釉，有陶質、炻瓷質和瓷質等。372023/2/3372023/2/338普瓷－電瓷

電絕緣瓷又稱電瓷，是作為隔電、機械支撐及連接用的瓷質絕緣器件。電器絕緣陶瓷分為低壓電瓷、高壓電瓷和超高壓電瓷。2023/2/339普瓷－化工用瓷

化工用瓷要求耐酸、耐高溫、具有一定強度。主要用于化學、化工、制藥、食品等工業。402023/2/340特種陶瓷

定義采用高度精選的原料，具有能精確控制的化學組成，按照便于進行結構設計及控制制造的方法進行制造、加工的，具有特殊性能的陶瓷。作為工程結構材料使用的陶瓷材料，主要利用陶瓷材料所具有的高強度、高硬度、耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕等力學和熱學方面的優異性能。2023/2/341結構陶瓷

與普通陶瓷的區別原料上：純度較高的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硅化物等，材料組成精確調配；制備上：突破了爐窯的界限，廣泛采用真空燒結、保護氣氛燒結、熱壓、熱等靜壓等手段；性質上：特殊力學、物理和化學性能。422023/2/3422023/2/343氧化物結構陶瓷特點：化學穩定性好、抗氧化性強、熔融溫度高、高溫強度高。2023/2/344Al2O3陶瓷的性能特點及應用

強度高、硬度高

機械加工磨料、磨具、切削工具、軸承熔點高、抗腐蝕

耐火材料、爐管、熱電偶保護管優良的化學穩定性

坩堝、人體關節、人工骨骼電絕緣性能好

基板、火花塞、電路外殼優良的光學特性

透光材料：鈉蒸汽燈管、微波整流罩窗口、激光振蕩元件452023/2/345氧化鋁坩堝氧化鋁耐磨陶瓷球及陶瓷片2023/2/346SiC陶瓷

性能特點：高硬度、高的高溫強度、高導熱性、抗蠕變性好、抗酸和金屬熔體、不抗堿應用—高溫結構材料：火箭尾噴管的噴嘴、熱電偶套管、發熱體、高溫熱交換器、核燃料包裝材料2023/2/347Si3N4陶瓷

性能特點：

化學穩定性好：抗酸、堿、熔融金屬硬度高、摩擦系數小、絕緣性和抗熱震性好、高溫強度高應用：

耐磨材料(密封環、高溫軸承)耐火材料(輸送鋁液的管道、閥門)切削刀具等482023/2/348Si3N4陶瓷軸承492023/2/349502023/2/350改善陶瓷材料強度、韌性的措施1.微晶、高密度與高純度2．提高抗裂能力與預加應力3．相變增韌4．彌散增韌5．纖維增韌6．層狀化結構7．納米陶瓷512023/2/351結構陶瓷的應用

機械加工磨料、磨具、切削工具耐火材料、爐管、高溫噴嘴、熱電偶保護套坩堝、人體關節、人工骨骼基板、火化塞、電路外殼制成透光材料、微波整流罩窗口、激光振蕩元件2023/2/3522023/2/3532023/2/354Si3N4密封圈耐磨陶瓷閥門芯片B4C/TiB2復相陶瓷防彈片及噴嘴2023/2/355功能陶瓷

定義具有電、光、磁以及部分化學功能的多晶無機固體材料。功能—具有特定的電絕緣性、半導體性、導電性、壓電性、鐵電性、磁性、生物適應性等。562023/2/356功能陶瓷分類

2023/2/357功能電子陶瓷

壓電陶瓷

壓電陶瓷是具有壓電效應的陶瓷材料壓電效應：

外力作用于晶體

介質極化

壓電效應材料的壓電效應取決于晶體結構的不對稱性，

晶體必須有極軸，才有壓電效應。2023/2/358壓電陶瓷的種類

壓電陶瓷—鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電陶瓷的應用—超聲換能器、濾波器、聲轉換器、諧振器、點火器等。2023/2/359超聲用壓電陶瓷換能器超高精度掃描儀－動態壓電傳感技術最小間距達50微米。掃描實物：工業材質、粘土、玻璃、水晶、色彩豐富的物件，還包括鮮果和鮮魚。602023/2/360光電陶瓷─光電陶瓷是具有光電導效應的陶瓷光電導現象－陶瓷受到光照射時，能帶間、能帶與能級間的遷移引起光吸收，能帶內產自由載流子，使電導率增加。光敏元件－利用光電導效應檢測光強度。主要是GdS多晶；檢測從波長X-Ray—紫外線。在GdS中添加Cu雜質，用作檢測可見光的光敏元件。2023/2/361超導陶瓷1986年超導陶瓷出現。超導陶瓷主要有：鑭系－La2CuO3

釔系－YBa2Cu2Oy鉍系－Bi-Sr-Cu-O

鉈系－Ta-Ba-Ca-Cu-O2023/2/362超導陶瓷的應用

在信息領域：用作高速轉換元件、通信元件和連接電路。在生物醫學領域：用于核磁共振斷層攝像儀、量子干涉儀、粒子線治療裝置等。在交通運輸領域：完全抗磁體制造的磁懸浮列車、電磁推進器、飛機航天飛機發射臺等。在電子能源領域：用于超導磁體發電、超導輸電、超導儲能等。在宇宙開發、軍事領域：潛艇的無螺旋漿無噪聲電磁推進器、超導磁炮等。632023/2/363超導陶瓷的應用

2023/2/364磁性陶瓷

2023/2/365磁性陶瓷的應用

軟磁鐵氧體鐵氧體

硬磁鐵氧體軟磁體

電感線圈、天線、變壓器和濾波的

磁芯以及錄音和錄像的磁頭等。硬磁體

永磁體，用于高頻磁場領域。662023/2/366功能光學陶瓷

光學陶瓷

能夠透光的陶瓷要求：具有優良的透光性、耐熱性、耐風化性、耐膨脹性；經光的照射，其性質發生可逆或不可逆變化。2023/2/367光學陶瓷的種類

682023/2/368透明陶瓷應用

2023/2/3692023/2/370功能陶瓷材料

生物陶瓷

用于人體器官替換、修補以及外科矯形的陶瓷材料。生物惰性陶瓷

Al2O3瓷、ZrO2瓷、C類瓷生物活性陶瓷

磷酸鈣陶瓷Na2O-K2O-MgO-CaO-SiO2-P2O5陶瓷712023/2/3712023/2/372生物陶瓷

2023/2/373PLLA/-TCP多孔復合材料2023/2/374采用鋼板內固定法在實驗組缺損處植入細胞－材料復合組織工程骨Implantationofcell-materialcompoundintobridge10mmsegmentalbonedefectsbyinternalfixation狗骨髓基質干細胞(MSCs)與β-TCP/PLLA多孔復合材料復合構建組織工程骨修復長段骨缺損的體內研究2023/2/375術后1月，動物一般情況良好，肢體行走已恢復正常，動物精神狀態良好，反應靈敏，X光檢查見圖如下：脛骨實驗性骨缺損區對位對線良好，腓骨可見明顯組織反應性增生，材料可見小部分降解。2023/2/376敏感陶瓷

敏感陶瓷

性能隨外界條件（溫度、濕度、氣氛)的變化而發生改變的陶瓷。熱敏陶瓷

BaTiO3、SrTiO3、PbTiO3壓敏陶瓷

ZnO,SiC,Ge磁敏陶瓷

釹鐵硼鋁鎳鈷氣敏陶瓷

Fe2O3,ZnO,SnO濕敏陶瓷

尖晶石型鈣鈦礦2023/2/3772023/2/378陶瓷材料的生產工藝過程

2023/2/379思考題相對于金屬、高分子材料，陶瓷材料有何性能特點?2023/2/380陶瓷材料設計1.熟悉陶瓷設計的基本理論；

目的2.理解陶瓷設計的基本思想；3.認識陶瓷設計的重要意義；4.掌握陶瓷設計的主要方法。2023/2/381陶瓷材料設計1.陶瓷設計的概念與分類；

一、概述2.陶瓷的重要應用；3.陶瓷設計的重要作用與意義。2023/2/382陶瓷材料設計：

概述陶瓷設計是指通過理論與計算預報陶瓷新材料的組分、結構與性能，或“訂做”具有特定性能或使用目的的新型陶瓷材料。

1、概念與分類2023/2/383陶瓷材料設計：

概述1）藝術陶瓷設計

陶瓷設計分類2）日用陶瓷設計2023/2/384陶瓷材料設計：

概述3）特種陶瓷設計陶瓷設計分類2023/2/385陶瓷材料設計：

概述陶瓷的作用具有不可替代性：

2、重要應用2023/2/386陶瓷材料設計：一、概述

提高陶瓷材料性能，促進高科技發展：如相變增韌、晶須增韌等；高密度儲存材料等；

3、設計的作用

預報新型陶瓷材料，滿足新需求：如從LiB3O5（LBO）KBe2BO3F2(KBBF)晶體的發現。

2023/2/3871、越來越多的服役環境要求結構陶瓷的結構性能接近或達到理論值；2、功能陶瓷功能性由電子層次體現。陶瓷材料設計：一、概述4、為什么要進行陶瓷設計?2023/2/3881、陶瓷材料科學知識水平的發展；2、相關理論學科如力學與計算機能力的發展；3、測試分析手段的發展。陶瓷材料設計：一、概述5、能否對陶瓷進行設計?6、怎樣對陶瓷進行設計?2023/2/389陶瓷材料設計：二、設計基礎1.陶瓷材料設計內容

二、陶瓷設計基礎2.組分設計3.結構與性能設計4.合成與制備工藝設計5.效能評價2023/2/390陶瓷材料設計：二、設計基礎1、設計內容陶瓷設計組分結構與性能制備工藝效能2023/2/391陶瓷材料設計：二、設計基礎2、組分設計陶瓷設計1)組分設計？結構相同，組分不同，性能不同。例：石墨六方BN：NaClCaO：2023/2/392陶瓷材料設計：二、設計基礎2、組分設計2)組分設計

組元設計組分配比設計2023/2/393組元設計?單組元、雙組元、3組元等n組元。例：單組元C：石墨、金剛石、富勒烯C60；雙組元C、Ti：TiC；3組元:Ti(NC)2023/2/394組分配比設計?組元相同，組員配比不同，晶體結構不同，陶瓷材料的性能不同。例：FeOFe2O3

Fe3O4；VO2

V2O3

V2O5；

’-Sialon15R-Sialon2023/2/395陶瓷組分設計計算方法：1）按化學計算式計算配料比設原料純度為100％，化學計算式中各原料的摩爾數為X1、X2、X3、…、Xi，分子量為M1、M2、M3、…、Mi，則配料中各原料的的質量為：W1=X1xM1，W2=X2xM2，W1=X1xM1，…，Wi=XixMi，各原料的質量百分比計算式：設實際原料的純度為P，則各原料的實際質量應為上面計算的值除以相應原料的純度，即W’=W/P。2023/2/396陶瓷材料設計：二、設計基礎3、結構設計1）晶體結構設計化學組元、化學鍵型、格子類型設計。2）顯微構造設計單相多晶、多相多晶、玻璃、氣孔等設計。2023/2/397

方法：方法眾多，選擇最合適的；設備：如隧道窯與鐘罩爐燒結磁性材料：工藝技術：銳鈦型與金紅石型納米TiO2（焙燒溫度）陶瓷材料設計：二、設計基礎4、合成制備方法、工藝設計思考題：你能舉出陶瓷組成相同，制備工藝參數不同，產物不同的實例嗎？2023/2/398Typicalcontentsofhouseholdsolidwaste.陶瓷性能是設計的目標和出發點：力學性能、電學性能、磁學性能、光學性能等陶瓷材料設計：二、設計基礎5、性能設計思考題：請舉例闡述1－2種晶體性能與其晶體結構關系的實例？2023/2/399陶瓷材料設計：二、設計基礎三、陶瓷組分優化設計1.問題提出的背景

2.宏/細觀力學3.復相陶瓷設計/制造一體化技術2023/2/3100陶瓷陶瓷材料設計：三、陶瓷組分優化設計1、問題提出的背景2023/2/3101顆粒、晶須、纖維增強界面應力脫粘宏細觀力學專家系統智能系統設計2023/2/3102陶瓷優點增韌脆性？陶瓷材料設計：三、陶瓷組分優化設計2、宏細微觀力學2023/2/3103產生脆性的原因復相陶瓷陶瓷：微裂紋擴展微裂紋擴展、脫粘、纖維斷裂、裂紋橋聯、裂紋偏轉、應力場等2023/2/3104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：阻礙裂紋的萌生和擴展2023/2/3105有關細微觀力學模型顆粒陶瓷相變（ZrO2）/微裂紋復合增韌理論模型纖維、晶須及延性顆粒增韌橋聯增韌力學模型：中等結合強度的界面能同時獲得較高的強度和韌性晶須、顆粒復合增韌；晶須/相變增韌晶須橋聯/裂紋偏轉復合增韌模型；Al2O3-ZrO2-SiCw復合增韌模型等2023/2/3106有關宏觀力學模型利用宏細微觀力學模型，結合其它數值方法，根據材料組分的性質和微結構特征來預測陶瓷復合材料的宏觀力學、物理性能，及以其為基礎的計算機模擬技術來描述陶瓷復合材料微細宏觀各層次多尺度范圍內的變形、損傷和斷裂各階段，復合材料的變形與破壞等已取得了較好的效果。如：用區煥文數值法結合Cgristensen和Waals公式計算隨機取向纖維復合材料的彈性模量和楊氏模量；自洽法計算晶須、顆粒增強陶瓷基復合材料的有效彈性模量；用自洽理論和數值法計算球狀微粒摻雜的各向同性復合材料及單向纖維復合材料的熱膨脹系數等都取得了與實驗值吻合較好的效果。2023/2/31076.1.3復相陶瓷設計/制造一體化技術隨著計算機技術在材料科學技術中應用的不斷進步，促使人們依據材料科學的知識系統將大量的豐富的實驗資料貯存起來，形成可供參閱的綜合數據庫，并將已得到的科學知識、經驗、規律構成知識庫，逐步形成各種材料設計的專家系統，代替繁瑣的實驗，應用計算機模擬技術，對陶瓷復合材料的組分、結構實施優化設計、性能分析、工藝過程的監控和仿真，對材料承載受力破壞過程進行計算機模擬，獲得難以用傳統實驗獲得的一系列信息。即實現材料設計/制造一體化。下圖為一復相陶瓷設計專家系統示意圖。2023/2/3108復相陶瓷性能、結構指標的確定數據庫和知識庫組元選擇和復合方式的確定材料制備性能表征性能參數和目標參數的比較復合陶瓷材料進入修改性能不合格性能合格圖6-1復合陶瓷設計系統2023/2/3109傳統的專家系統，以專家（人）建立的規則為基礎，具有說明推理的能力，以演繹進行設計；人工神經網絡具有從例證和數據中取得規則的能力，以歸納法進行設計；人們將上述2種方法（傳統的專家系統與人工神經網絡）有機地結合起來，構成智能化設計專家系統。應用前景極為廣闊，是今后材料設計的發展方向。2023/2/31106.3陶瓷組分優化設計方法：多元回歸+實驗結果用途：研究復相陶瓷中各彌散相組成與力學性能之間的定量關系主要問題（用計算機技術解決）：

簡單組分多組分復雜體系；多層次微觀復合不斷深入和多樣化；使用工況2023/2/31116.3.1復合陶瓷的力學性能的多元回歸模型以多元線性回歸（比單元回歸更復雜）研究因變量（性能）和多個自變量（組成含量或工藝參數等）之間的定量關系的計算過程為：假設m個自變量X1

Xm，因變量Y的多元線性模型表示為（6-1）式中a，bi(I=1,2,,n)不能按單元模型直接計算，須進行以下步驟的轉換：2023/2/3112（6-2）（6-3）（6-4）1.將式（6-1）標準化（6-5）2023/2/3113（6-6）（6-7）（6-8）（6-9）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。2023/2/3114（6-10）（6-11）（6-12）2.建立標準回歸系數的正規方程2023/2/31153.解上述方程求bi*值4.建立式（6-2）標準回歸方程5.建立一般回歸方程（6-13）（6-14）（6-15）2023/2/3116當用多元線性回歸模型處理復相陶瓷的性能與多元組分的線性統計關系，其統計誤差超過實驗的測試誤差時，應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）對性能的影響。處理方法是在上述基礎上，增加若干交互項進行相應的計算，其回歸模型可表示為（6-16）2023/2/31176.3.2復相陶瓷的性能優化分析與組成設計1.相變增韌與顆粒彌散強化陶瓷的硬度與組成的回歸分析例：選具高致密性（>98%理論密度）且內部結構均勻細密瓷體（系統誤差得以滿足）的性能和組成作為研究數據。方法采用內插法采集大量數據以保證計算精度。選擇適當的數學模型對陶瓷的硬度和強度等力學性能隨幾種彌散相含量的變化進行回歸分析。以Al2O3基復相陶瓷作為系統的研究對象，應變量Y分別代表性能（Hv,f），自變量X1為硬質顆粒（SiC和TiC）含量，X2為ZrO2含量，f（X1,X2）為協同項，根據不同的數學模型選擇交互項。2023/2/3118（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）兩種方法建立數學模型：（6-17a）（6-17b）III式中Y—硬度；X1—SiC含量；X2—ZrO2含量；b1、b2、b3—為SiC、ZrO2和交互相系數。2023/2/3119參照式（6-2），上述兩式計算所得的標準回歸方程分別為：III（6-18a）（6-18b）表6-1為此系統的彌散相含量、實測硬度、線性和非線性回歸方程以及應變量和均方差。從表中的擬合結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際更為吻合。2023/2/3120表6-1系統中的自變量X1、X2,回歸方程Y1,Y2，實測硬度Yexp及均方差（S）2023/2/3121Fig.6-2SiC和ZrO2含量與相變增韌與彌散陶瓷的維氏硬度的曲線分布圖2023/2/31222.相變增韌與顆粒彌散強化陶瓷的強度性能分析（6-19）根據相變增韌與顆粒彌散對材料性能的影響，建立強度與組成的關系式如下式：式中F1、F2分別代表二元組分的強度變化幅度，分別取決于相變增韌，裂紋偏轉效應和殘余應力場的差值，F’1、F’2為交互項系數，F12為協同系數。2023/2/31232023/2/3124對式（6-19）兩組分含量求偏導可得到最佳體積分數與最大強度，圖6-3為（TiC+ZrO2)/Al2O3復合材料的強度性能分布規律與實驗結果.圖中可以預測出最佳性能（476.2MPa）及其組成（0.110,0.157）。Fig.6-3相變增韌與顆粒彌散復相陶瓷的強度（/MPa）與雙組分的等性能曲線分布2023/2/31253.多層次復合陶瓷的斷裂韌性分析以納米SiCn與微米SiCP顆粒作彌散相，按一定比例混合增強Al2O3基陶瓷復合材料的方法來優化設計多層次復合陶瓷，期望其綜合力學性能得到進一步改善。采用非線性回歸方法來處理得到其擬合方程為：K=3.70+98X(0.28-X)+158Y(0.24-Y)–87XY該式預測出其最佳韌性為6.81MPam1/2（組成為X(SiCP)=9.7Vol%，Y(SiCn)=9.7Vol%；實測韌性為6.88±0.21MPam1/2（組成為X=10Vol%，Y=10Vol%。下圖為此多層次復合陶瓷的斷裂韌性與組成的關系曲線。結果表明采用此計算方法可快速預測出材料的優化性能。2023/2/3126Fig.(SiCn+SiCP)/Al2O3復合陶瓷的斷裂韌性K的等性能曲線與組成的關系2023/2/3127結論采用線性及非線性回歸分析可以定量研