上游充通大 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 材料工程导论I Introduction to Materials Engineering I 课程论文 THESIS OF CURRICULUM IAO TONG 论文题目：电子信息产业 与材料工程的关系研究 学生姓名： 孙鑫宇 学生学号： 5110309066 专 业： 材料科学与工程 指导教师： 张佼、疏达 学院（系）：材料科学与工程学院
SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 材料工程导论Ⅰ Introduction to Materials Engineering Ⅰ 课程论文 THESIS OF CURRICULUM 论文题目：电子信息产业 与材料工程的关系研究 学生姓名: 孙鑫宇 学生学号: 5110309066 专 业: 材料科学与工程 指导教师: 张佼、疏达 学院(系) : 材料科学与工程学院
材料工程导论1课程论文 F11051015110309066孙鑫宇 目录 摘要 i1 ABSTRACT .1 1材料工程的发展是电子信息产业更新和突破的基础 2 1.】电子信息材料.2 1.2辐射固化材料在电子信息产业中的应用… .3 1.2.1辐射固化材料在微细加工技术中的应用 3 1.2.2辐射固化材料在液晶显示器中的应用. 1.2.3辐射固化材料在电子信息产业中的其他应用 4 2.电子信息产业的进步促进材料工程的发展… 5 2.1计算机技术的发展和材料工程的进步… 5 2.1.1计算机模拟在材料工程中的应用..5 2.1.2材料与工艺过程的优化及自动控制.… 6 2.1.3材料数据库和材料设计… .6 2.1.4计算机辅助设计技术(CAD)在材料工程中的应用 .7 2.2电子信息产业发展的需求促进材料工程的发展..8 3制约电子信息产业发展的关键性材料工程问题… 9 3.1电子信息材料降低能耗、污染的问题.… 9 3.2硅芯片特征尺寸极限问题. 9 3.3制约中国电子信息产业发展的材料工程问题 10 参考文献 11 致月..，44,11 I
材料工程导论Ⅰ课程论文 F1105101 5110309066 孙鑫宇 I 目录 摘 要...................................................................................................................................................1 ABSTRACT.......................................................................................................................................1 1 材料工程的发展是电子信息产业更新和突破的基础................................................................. 2 1.1 电子信息材料.......................................................................................................................2 1.2 辐射固化材料在电子信息产业中的应用.......................................................................... 3 1.2.1 辐射固化材料在微细加工技术中的应用............................................................... 3 1.2.2 辐射固化材料在液晶显示器中的应用................................................................... 4 1.2.3 辐射固化材料在电子信息产业中的其他应用....................................................... 4 2.电子信息产业的进步促进材料工程的发展................................................................................. 5 2.1 计算机技术的发展和材料工程的进步.............................................................................. 5 2.1.1 计算机模拟在材料工程中的应用........................................................................... 5 2.1.2 材料与工艺过程的优化及自动控制....................................................................... 6 2.1.3 材料数据库和材料设计........................................................................................... 6 2.1.4 计算机辅助设计技术(CAD)在材料工程中的应用................................................7 2.2 电子信息产业发展的需求促进材料工程的发展.............................................................. 8 3 制约电子信息产业发展的关键性材料工程问题......................................................................... 9 3.1 电子信息材料降低能耗、污染的问题.............................................................................. 9 3.2 硅芯片特征尺寸极限问题.................................................................................................. 9 3.3 制约中国电子信息产业发展的材料工程问题................................................................ 10 参考文献...........................................................................................................................................11 致谢...................................................................................................................................................11
材料工程导论1课程论文 F11051015110309066孙鑫宇 电子信息产业发展与材料工程的关系研究 孙盒宇F11051015110309066 电话：18817554575 E-mail:xinyusun0805@gmail.com 摘要 随着电子信息产业的发展和材料工程的进步，二者之间的渗透和交叉己成为 材料工程和电子信息的重要研究领域之一。材料工程的发展是电子信息产业更新 和突破的基础，而随着电子信息产业的发展以及在材料工程中应用的不断扩展和 完善，电子信息产业己为材料工程提供了非常重要的不可缺少的工具。本文论述 了电子信息产业发展与材料工程的关系，并列举了制约电子信息产业发展的关键 性材料工程问题。 关键词：电子信息产业，材料工程，关系，发展，制约 PRELIMINARY STUDY ON THE RELATIONSHIP OF ELECTRONIC INFORMATION INDUSTRY DEVELOPMENT AND MATERIALS ENGINEERING ABSTRACT With the progress of development of electronic information industry and materials engineering,infiltration and crossing between the two have become important research area of the material and electronic information.The development of materials engineering is the base of electronic information industry updates and breakthroughs.With the development of electronic information industry development 第1页共11页
材料工程导论Ⅰ课程论文 F1105101 5110309066 孙鑫宇 第 1 页 共 11 页 电子信息产业发展与材料工程的关系研究 孙鑫宇 F1105101 5110309066 电话：18817554575 E-mail: xinyusun0805@gmail.com 摘 要 随着电子信息产业的发展和材料工程的进步，二者之间的渗透和交叉已成为 材料工程和电子信息的重要研究领域之一。材料工程的发展是电子信息产业更新 和突破的基础，而随着电子信息产业的发展以及在材料工程中应用的不断扩展和 完善，电子信息产业已为材料工程提供了非常重要的不可缺少的工具。本文论述 了电子信息产业发展与材料工程的关系，并列举了制约电子信息产业发展的关键 性材料工程问题。 关键词：电子信息产业，材料工程，关系，发展，制约 PRELIMINARY STUDY ON THE RELATIONSHIP OF ELECTRONIC INFORMATION INDUSTRY DEVELOPMENT AND MATERIALS ENGINEERING ABSTRACT With the progress of development of electronic information industry and materials engineering, infiltration and crossing between the two have become important research area of the material and electronic information. The development of materials engineering is the base of electronic information industry updates and breakthroughs. With the development of electronic information industry development
材料工程导论1课程论文 F11051015110309066孙鑫字 and the improvement and expansion of applications in materials engineering, electronic information industry provides a very important and indispensable tool for materials engineering.This article discusses the relationships of electronic information industry development and material engineering,and identifies the key materials engineering problems restricting development of electronic information industry. Key Words:electronic information industry,materials engineering,relationship, development,restrict 1材料工程的发展是电子信息产业更新和突破的基础 1.1电子信息材料 电子信息材料是指在微电子、光电子技术和新型元器件基础产品领域中所用 的材料，主要包括硅单晶材料、化合物半导体材料、半导体和光电子外延材料（异 质结、量子阱材料)、封装材料、电子精细化工材料、激光材料、非线性光学晶 体材料、光纤通信材料、显示器件（液晶、发光器件、平板显示等）材料、电子陶 瓷材料、压电晶体材料、磁性材料、印制电路覆铜板材料等。 历史的发展表明信息功能材料是信息技术发展的基础和先导，没有光纤材料 的发明，砷化镓等化合物材料的研究突破，超晶格、量子阱材料的研制成功，就 不会有今天先进的光通信、移动通信和数字化高速信息网络技术，因此说电子信 息材料为通信、计算机、信息家电、网络技术等现代信息产业的发展提供了重要 的、必不可少的支撑条件和物质基础。 表1主要化合物半导体及其用途 第2页共11页
材料工程导论Ⅰ课程论文 F1105101 5110309066 孙鑫宇 第 2 页 共 11 页 and the improvement and expansion of applications in materials engineering, electronic information industry provides a very important and indispensable tool for materials engineering. This article discusses the relationships of electronic information industry development and material engineering, and identifies the key materials engineering problems restricting development of electronic information industry. Key Words：electronic information industry，materials engineering，relationship， development，restrict 1 材料工程的发展是电子信息产业更新和突破的基础 1.1 电子信息材料 电子信息材料是指在微电子、光电子技术和新型元器件基础产品领域中所用 的材料，主要包括硅单晶材料、化合物半导体材料、半导体和光电子外延材料(异 质结、量子阱材料)、封装材料、电子精细化工材料、激光材料、非线性光学晶 体材料、光纤通信材料、显示器件(液晶、发光器件、平板显示等)材料、电子陶 瓷材料、压电晶体材料、磁性材料、印制电路覆铜板材料等。 历史的发展表明信息功能材料是信息技术发展的基础和先导，没有光纤材料 的发明，砷化镓等化合物材料的研究突破，超晶格、量子阱材料的研制成功，就 不会有今天先进的光通信、移动通信和数字化高速信息网络技术，因此说电子信 息材料为通信、计算机、信息家电、网络技术等现代信息产业的发展提供了重要 的、必不可少的支撑条件和物质基础。 表 1 主要化合物半导体及其用途
材料工程导论1课程论文 F11051015110309066孙鑫字 领域 材料 器件 用途 微电子 GaAs、InP 超高速IC 电脑 GaAs FET 携带电话 光电子 GaAs、InP、Sb、InAs LD 光通讯 GaAs 红外LED 遥控耦合器 GaP、GaAs、GaAsP、GaAlAs、InGaAlP LEP 出外显示器 CdTe、CdZnTe、HgCdTe 一 热成像仪 InSb、CdTe、HgCdTe、PbS、PbZnTe 一 红外探测仪 GaAs、InP、GaSb 太阳能电池 1.2辐射固化材料在电子信息产业中的应用 辐射固化是一种借助于能量照射实现化学配方（涂料、油墨和胶粘剂）由液 态转化为固态的加工过程。事实上，辐射固化在印制电路板、大规模集成电路、 数码相机、光盘(CD一ROM,DVD)、移动电话、液晶显示器与等离子显示器 等制造业中的应用，已是一种不可取代的技术，可完成产品制作工艺中的各种涂 装、印刷、涂饰和胶粘等任务。 1.2.1辐射固化材料在微细加工技术中的应用 辐射固化技术以其快速的固化性、无溶剂性、低成本性、良好的加工性等特 点，尤其是可图形加工的特点，使其已成为微电子行业中微细加工技术（光刻技 术)的重要加工手段。 随着高集成度、超高速、超高频集成电路及器件的开发，集成电路与器件的 特征尺寸越来越精细，加工尺寸已进入亚微米、百纳米直至纳米级。微细加工技 术（即光刻技术）是人类迄今为止所能达到的精度最高的加工技术，辐射敏感材 料（即光刻胶或称光致抗蚀剂）是其重要支撑条件之一。光刻胶可分为正胶和负 胶两大类，其中负胶以光固化和辐射固化材料为主，比较典型的品种有：聚乙烯 醇肉桂酸酯、聚肉桂叉丙二酸乙二醇酯、环化橡胶等。 第3页共11页
材料工程导论Ⅰ课程论文 F1105101 5110309066 孙鑫宇 第 3 页 共 11 页 领域 材料 器件 用途 微电子 GaAs、InP 超高速 IC 电脑 GaAs FET 携带电话 光电子 GaAs、InP、Sb、InAs LD 光通讯 GaAs 红外 LED 遥控耦合器 GaP、GaAs、GaAsP、GaAlAs、InGaAlP LEP 出外显示器 CdTe、CdZnTe、HgCdTe — 热成像仪 InSb、CdTe、HgCdTe、PbS、PbZnTe — 红外探测仪 GaAs、InP、GaSb — 太阳能电池 1.2 辐射固化材料在电子信息产业中的应用 辐射固化是一种借助于能量照射实现化学配方（涂料、油墨和胶粘剂）由液 态转化为固态的加工过程。事实上，辐射固化在印制电路板、大规模集成电路、 数码相机、光盘（CD－ROM，DVD）、移动电话、液晶显示器与等离子显示器 等制造业中的应用，已是一种不可取代的技术，可完成产品制作工艺中的各种涂 装、印刷、涂饰和胶粘等任务。 1.2.1 辐射固化材料在微细加工技术中的应用 辐射固化技术以其快速的固化性、无溶剂性、低成本性、良好的加工性等特 点，尤其是可图形加工的特点，使其已成为微电子行业中微细加工技术（光刻技 术）的重要加工手段。 随着高集成度、超高速、超高频集成电路及器件的开发，集成电路与器件的 特征尺寸越来越精细，加工尺寸已进入亚微米、百纳米直至纳米级。微细加工技 术（即光刻技术）是人类迄今为止所能达到的精度最高的加工技术，辐射敏感材 料（即光刻胶或称光致抗蚀剂）是其重要支撑条件之一。光刻胶可分为正胶和负 胶两大类，其中负胶以光固化和辐射固化材料为主，比较典型的品种有：聚乙烯 醇肉桂酸酯、聚肉桂叉丙二酸乙二醇酯、环化橡胶等
材料工程导论1课程论文 F11051015110309066孙鑫宇 1.2.2辐射固化材料在液晶显示器中的应用 液晶显示技术问世于20世纪60年代末期，是发展速度最快的一种显示技术 之一，在平板显示器(FPD)市场中占有重要的份额。液晶显示器(Liquid Crystal Display,简称LCD)的成功主要归功于它是世界上第一种非发射型平板显示器， 与其它发射型显示器（如阴极射线管CRT等）相比，LCD具有使用寿命长、能 量消耗低、在阳光下可保持高清晰度等特点。 目前在各种液晶显示器中，有源矩阵驱动的T℉T液晶显示器之重要组成之 一。T℉T液晶显示屏在显示大幅面细腻的彩色图像时，需要具备高达数十万的像 素，因而要求作为光阀的液晶滤色器具有高、精、细的条，亦即必须采用光刻技 术来进行加工。在T℉T一LCD的光刻加工过程中，必须使用彩色液晶三色感光 剂。它是由主体树脂、颜料、添加剂等到组成的一种辐射固化材料。其应用过程 为：将红、绿、蓝三种不同颜色的粘稠液体，分别涂敷到透明基板上，进行光刻 加工，形成彩色像素或图案。该操作过程的技术难点是滤色膜之间不能渗透、不 可穿层，且应具有良好的化学及光稳定性。 1.2.3辐射固化材料在电子信息产业中的其他应用 辐射固化材料在电子信息产业中的应用还有很多，如微电子领域中的光固型 封装料、粘结剂、印制电路板行业中的光固化阻焊油墨、干膜、湿膜、ED抗蚀 剂等等。近年来，电子信息产业的更新换代速度不断地加快，新技术、新工艺不 断涌现，对辐射固化材料的需求不论是品种、还是质量和数量都大大增多。可以 毫不夸张地说，辐射固化技术及材料已成为电子信息产业迅速发展的重要工艺支 撑条件之一。预计在不久的将来，辐射固化材料在电子信息产业中的应用领域一 定会越来越深入、越来越广泛。山 总之，材料及材料工程的发展是电子信息产业的先导和更新突破的基础，材 料领域的进步也会带动电子信息产业的进步。 第4页共11页
材料工程导论Ⅰ课程论文 F1105101 5110309066 孙鑫宇 第 4 页 共 11 页 1.2.2 辐射固化材料在液晶显示器中的应用 液晶显示技术问世于 20 世纪 60 年代末期，是发展速度最快的一种显示技术 之一，在平板显示器（FPD）市场中占有重要的份额。液晶显示器（Liquid Crystal Display，简称 LCD）的成功主要归功于它是世界上第一种非发射型平板显示器， 与其它发射型显示器（如阴极射线管 CRT 等）相比，LCD 具有使用寿命长、能 量消耗低、在阳光下可保持高清晰度等特点。 目前在各种液晶显示器中，有源矩阵驱动的 TFT 液晶显示器之重要组成之 一。TFT 液晶显示屏在显示大幅面细腻的彩色图像时，需要具备高达数十万的像 素，因而要求作为光阀的液晶滤色器具有高、精、细的条，亦即必须采用光刻技 术来进行加工。在 TFT—LCD 的光刻加工过程中，必须使用彩色液晶三色感光 剂。它是由主体树脂、颜料、添加剂等到组成的一种辐射固化材料。其应用过程 为：将红、绿、蓝三种不同颜色的粘稠液体，分别涂敷到透明基板上，进行光刻 加工，形成彩色像素或图案。该操作过程的技术难点是滤色膜之间不能渗透、不 可穿层，且应具有良好的化学及光稳定性。 1.2.3 辐射固化材料在电子信息产业中的其他应用 辐射固化材料在电子信息产业中的应用还有很多，如微电子领域中的光固型 封装料、粘结剂、印制电路板行业中的光固化阻焊油墨、干膜、湿膜、ED 抗蚀 剂等等。近年来，电子信息产业的更新换代速度不断地加快，新技术、新工艺不 断涌现，对辐射固化材料的需求不论是品种、还是质量和数量都大大增多。可以 毫不夸张地说，辐射固化技术及材料已成为电子信息产业迅速发展的重要工艺支 撑条件之一。预计在不久的将来，辐射固化材料在电子信息产业中的应用领域一 定会越来越深入、越来越广泛。[1] 总之，材料及材料工程的发展是电子信息产业的先导和更新突破的基础，材 料领域的进步也会带动电子信息产业的进步
材料工程导论1课程论文 F11051015110309066孙鑫字 2.电子信息产业的进步促进材料工程的发展 2.1计算机技术的发展和材料工程的进步 如今，在材料的治炼、铸造、冷热加工、热处理、焊接等各个环节的科学研 究和工业应用中都离不开计算机的成功应用，计算机技术在材料科学与工程中的 应用也相当广泛，主要有如下几个方面。 2.1.1计算机模拟在材料工程中的应用 (1)材料固相冷却过程中的计算机模拟 该方面的工作重点国内外主要集中在淬火冷却过程中的计算机模拟，模拟计 算和分析的重点是温度场和应力场，其表现形式还包括冷却转变曲线(CCT曲线 和TTT曲线)的预测和绘制。淬火过程的计算机模拟概况和组织转变的动力学模 拟可作为具体实例。其中，计算机模拟技术己经在淬火和畸变的研究中发挥重要 作用。考虑组织转变的动力学的淬火模拟计算值与实测值符合较好。 (2)材料原子层次的计算机模拟 对相变过程中原子层次的计算机模拟目前有两种方法，分子动力法(MD法) 和蒙特一卡罗法(M-C法)。在MD法中，将n个粒子组成的体系抽象成n个互 相作用的质点，给出个质点问的相互作用势，然后对运动方程求数值解，求得 各粒子的轨迹，可以给出系统随时间的动态变化过程。M一C法是计算机对大自 由度系统性质模拟的一种普遍方法。可用M一C法进行马氏体相变动力学模拟。 采用二维模型，假设固体的弹性模量各相同性，则可计算由于形成马氏体而引起 的应变自由能和界面能，得出马氏体绝热转变曲线。模拟的结果与马氏体相变的 实验规律相符。此外，M一C法在合金的有序一无序、一级相变、晶粒生长和晶 界偏析、薄膜生长等材料研究中已得到许多应用。 (3)金属凝固状态的计算机模拟 主要有微观模拟、宏观模拟和宏观一微观耦合模拟三种。目前较为成熟的是 宏观模拟。宏观模拟是从传热学观点研究金属或合金的固态的状态变化过程，研 究铸件与铸型热交换规律所确定的温度场，在存在相变的情况下求得连续性方程 第5页共11页
材料工程导论Ⅰ课程论文 F1105101 5110309066 孙鑫宇 第 5 页 共 11 页 2.电子信息产业的进步促进材料工程的发展 2.1 计算机技术的发展和材料工程的进步 如今，在材料的冶炼、铸造、冷热加工、热处理、焊接等各个环节的科学研 究和工业应用中都离不开计算机的成功应用，计算机技术在材料科学与工程中的 应用也相当广泛，主要有如下几个方面。 2.1.1 计算机模拟在材料工程中的应用 （1）材料固相冷却过程中的计算机模拟 该方面的工作重点国内外主要集中在淬火冷却过程中的计算机模拟，模拟计 算和分析的重点是温度场和应力场，其表现形式还包括冷却转变曲线(CCT 曲线 和 TTT 曲线)的预测和绘制。淬火过程的计算机模拟概况和组织转变的动力学模 拟可作为具体实例。其中，计算机模拟技术已经在淬火和畸变的研究中发挥重要 作用。考虑组织转变的动力学的淬火模拟计算值与实测值符合较好。 （2）材料原子层次的计算机模拟 对相变过程中原子层次的计算机模拟目前有两种方法，分子动力法（MD 法） 和蒙特—卡罗法（M-C 法）。在 MD 法中，将 n 个粒子组成的体系抽象成 n 个互 相作用的质点，给出 n 个质点问的相互作用势，然后对运动方程求数值解，求得 各粒子的轨迹，可以给出系统随时间的动态变化过程。M—C 法是计算机对大自 由度系统性质模拟的一种普遍方法。可用 M—C 法进行马氏体相变动力学模拟。 采用二维模型，假设固体的弹性模量各相同性，则可计算由于形成马氏体而引起 的应变自由能和界面能，得出马氏体绝热转变曲线。模拟的结果与马氏体相变的 实验规律相符。此外，M—C 法在合金的有序—无序、一级相变、晶粒生长和晶 界偏析、薄膜生长等材料研究中已得到许多应用。 （3）金属凝固状态的计算机模拟 主要有微观模拟、宏观模拟和宏观—微观耦合模拟三种。目前较为成熟的是 宏观模拟。宏观模拟是从传热学观点研究金属或合金的固态的状态变化过程，研 究铸件与铸型热交换规律所确定的温度场，在存在相变的情况下求得连续性方程
材料工程导论1课程论文 F11051015110309066孙鑫字 的解析解或数值解并预测宏观缺陷。 2.1.2材料与工艺过程的优化及自动控制 材料加工技术的发展主要体现在控制技术的飞速发展，微机和可编程控制器 (PLC)在材料加工过程中的应用正体现了这种发展和趋势。在材料加工过程中利 用计算机技术不仅能减轻劳动强度，更能改善产品的质量和精度，提高产量。 用计算机可以对材料加工工艺过程进行优化控制。例如在计算机对工艺过程 的数学模型进行模拟的基础上，可以用计算机对渗碳渗氮全过程进行控制。在材 料的制备中，可以对过程进行精确的控制，例如材料表面处理（热处理）中的炉 温控制等。计算机技术和微电子技术、自动控制技术相结合，使工艺设备、检测 手段的准确性和精确度等大大提高。控制技术也由最初的简单顺序控制发展到数 学模型在线控制和统计过程控制，由分散的个别控制发展到计算机综合管理与控 制，控制水平提高，可靠性得到充分保证。 2.1.3材料数据库和材料设计 以材料数据库为依托，建立知识系统和专家系统，实现材料设计计算机化， 是材料科学研究的新思维、新方法。长期以来，新材料设计采用传统的“炒菜” 方式，及像炒菜一样研究新材料，这种耗资大、周期长、带有主观意向的研究方 法已显示其不适应性。 随着计算机技术和材料数据库的兴起，在材料研究中采用CAD技术，用计 算机识别各种显微组织和性能间关系模型，推导预测最佳性能合金元素，从而避 免了人工“炒菜”造成的时间、资金上的浪费。为此需要建立大量数据支持的材 料数据库和一系列模型支持的知识系统、推理系统和数据处理系统。 例如，美国空军材料试验室、日本东京大学、英国Sheffield城市高等技术 学院、瑞典Linkoping大学为此都做了不少工作。原美国空军材料试验室主任、 著名复合材料专家蔡维伦博士提出的复合材料设计要求是：①最简明的理论和分 析模型：②综合的微观一宏观力学分析；③引入可重复的子迭层简化设计；④不 对称结构薄壁理论：⑤二次破坏准则和使用强度/设计强度：⑥与湿热有关的特 性：⑦迭层板固化应力：⑧广义迭层板排序设计。该方法简单易行，有理论依据， 第6页共11页
材料工程导论Ⅰ课程论文 F1105101 5110309066 孙鑫宇 第 6 页 共 11 页 的解析解或数值解并预测宏观缺陷。 2.1.2 材料与工艺过程的优化及自动控制 材料加工技术的发展主要体现在控制技术的飞速发展，微机和可编程控制器 (PLC)在材料加工过程中的应用正体现了这种发展和趋势。在材料加工过程中利 用计算机技术不仅能减轻劳动强度，更能改善产品的质量和精度，提高产量。 用计算机可以对材料加工工艺过程进行优化控制。例如在计算机对工艺过程 的数学模型进行模拟的基础上，可以用计算机对渗碳渗氮全过程进行控制。在材 料的制备中，可以对过程进行精确的控制，例如材料表面处理（热处理）中的炉 温控制等。计算机技术和微电子技术、自动控制技术相结合，使工艺设备、检测 手段的准确性和精确度等大大提高。控制技术也由最初的简单顺序控制发展到数 学模型在线控制和统计过程控制，由分散的个别控制发展到计算机综合管理与控 制，控制水平提高，可靠性得到充分保证。 2.1.3 材料数据库和材料设计 以材料数据库为依托，建立知识系统和专家系统，实现材料设计计算机化， 是材料科学研究的新思维、新方法。长期以来，新材料设计采用传统的“炒菜” 方式，及像炒菜一样研究新材料，这种耗资大、周期长、带有主观意向的研究方 法已显示其不适应性。 随着计算机技术和材料数据库的兴起，在材料研究中采用 CAD 技术，用计 算机识别各种显微组织和性能间关系模型，推导预测最佳性能合金元素，从而避 免了人工“炒菜”造成的时间、资金上的浪费。为此需要建立大量数据支持的材 料数据库和一系列模型支持的知识系统、推理系统和数据处理系统。 例如，美国空军材料试验室、日本东京大学、英国 Sheffield 城市高等技术 学院、瑞典 Linkoping 大学为此都做了不少工作。原美国空军材料试验室主任、 著名复合材料专家蔡维伦博士提出的复合材料设计要求是：①最简明的理论和分 析模型；②综合的微观—宏观力学分析；③引入可重复的子迭层简化设计；④不 对称结构薄壁理论；⑤二次破坏准则和使用强度/设计强度；⑥与湿热有关的特 性；⑦迭层板固化应力；⑧广义迭层板排序设计。该方法简单易行，有理论依据
材料工程导论1课程论文 F11051015110309066孙鑫宇 新设计人员经过短时间训练能达到熟练程度。 另外，利用人工智能技术的材料加工等专家系统也得到了很大的发展。包括 预测专家系统、诊断专家系统、设计专家系统、规划专家系统、监视专家系统、 控制专家系统等。 2.1.4计算机辅助设计技术(CAD)在材料工程中的应用 (1)计算机辅助材料加工设计 材料加工CAD技术是传统材料加工技术与计算机技术、控制技术、信息处 理技术等相结合的产物，是材料加工和技术进步的标志，可实现加工工艺快速、 准确、合理的设计，提高生产效率。 材料加工CAD又可分为铸造成型CAD、塑性成型CAD、焊接成型CAD、 注射成型CAD以及模具CAD等几个方面，均已研制出商品化CAD软件，如我 国华中科技大学推出的商品化三维模拟软件“华铸CAD”,在铸造生产中取得了 显著的效益。美国的Diecomp公司开发的计算机辅助级进模设计系统PDDC,可 以完成冷冲模设计的全过程，包括从输入产品和技术条件开始设计出最佳样图， 确定操作顺序、步距、空位、总工位数，绘制带料排样图，输出模具装配图和零 件图等，比传统设计提高功效8倍以上。目前基于网络的CAD/CAE/CAM集 成化系统开始使用，如英国Deleam公司在原有软件DUCT5的基础上，为适应 最新软件发展及实际需求，向模具行业推出了可用于注射模CAD/CAE/CAM 的集成化系统。该系统覆盖了几何建模、注射模结构设计、反求工程、快速原型、 数控编程及测量分析等领域。系统的每一个功能既可独立运行，又可通过数据接 口作集成分析，大大地提高了其使用效率。 (2)计算机辅助材料检测 计算机在材料检测中的应用目前主要集中于材料的成分、组织结构与物相、 物理性能的检测，以及机械零件的无损检测等方面。其基本方法是借助于某种探 测器，将探测到的信号转化为数字信号传输到计算机里，然后通过程序员编制的 相关软件对这些数字信号判断、处理后得到相应结果。 例如，能谱分析仪、X射线仪、超声波无损检测仪及万能材料实验机等的计 算机处理系统等就是这方面应用的成功事例。] 第7页共11页
材料工程导论Ⅰ课程论文 F1105101 5110309066 孙鑫宇 第 7 页 共 11 页 新设计人员经过短时间训练能达到熟练程度。 另外，利用人工智能技术的材料加工等专家系统也得到了很大的发展。包括 预测专家系统、诊断专家系统、设计专家系统、规划专家系统、监视专家系统、 控制专家系统等。 2.1.4 计算机辅助设计技术(CAD)在材料工程中的应用 (1) 计算机辅助材料加工设计 材料加工 CAD 技术是传统材料加工技术与计算机技术、控制技术、信息处 理技术等相结合的产物，是材料加工和技术进步的标志，可实现加工工艺快速、 准确、合理的设计，提高生产效率。 材料加工 CAD 又可分为铸造成型 CAD、塑性成型 CAD、焊接成型 CAD、 注射成型 CAD 以及模具 CAD 等几个方面，均已研制出商品化 CAD 软件，如我 国华中科技大学推出的商品化三维模拟软件“华铸 CAD”，在铸造生产中取得了 显著的效益。美国的 Diecomp 公司开发的计算机辅助级进模设计系统 PDDC，可 以完成冷冲模设计的全过程，包括从输入产品和技术条件开始设计出最佳样图， 确定操作顺序、步距、空位、总工位数，绘制带料排样图，输出模具装配图和零 件图等，比传统设计提高功效 8 倍以上。目前基于网络的 CAD／CAE／CAM 集 成化系统开始使用，如英国 Deleam 公司在原有软件 DUCT5 的基础上，为适应 最新软件发展及实际需求，向模具行业推出了可用于注射模 CAD／CAE／CAM 的集成化系统。该系统覆盖了几何建模、注射模结构设计、反求工程、快速原型、 数控编程及测量分析等领域。系统的每一个功能既可独立运行，又可通过数据接 口作集成分析，大大地提高了其使用效率。 (2) 计算机辅助材料检测 计算机在材料检测中的应用目前主要集中于材料的成分、组织结构与物相、 物理性能的检测，以及机械零件的无损检测等方面。其基本方法是借助于某种探 测器，将探测到的信号转化为数字信号传输到计算机里，然后通过程序员编制的 相关软件对这些数字信号判断、处理后得到相应结果。 例如，能谱分析仪、X 射线仪、超声波无损检测仪及万能材料实验机等的计 算机处理系统等就是这方面应用的成功事例。[2]
材料工程导论1课程论文 F11051015110309066孙鑫字 2.2电子信息产业发展的需求促进材料工程的发展 对技术的需求会促进技术的发展。对于本文所研究的话题而言，电子信息产 业发展的需求促进材料工程的发展。 例如，美国国防部预测，今后20年材料界将面临严峻的挑战和巨大的机遇。 挑战来自冷战结束后国防需求的重大变化以及电子与计算技术快速发展的推动 力。在今后20一25年内，产品的性能、寿命周期和可维护性指标将翻一番，对 可生产性、成本和可用性的要求比目前提高一倍。电子材料、光电子材料、光子 材料、微系统材料、以及功能有机与混杂材料的进展将是开发武器系统新能力的 基本推动因素之一。美国对半导体材料、光子材料、光电子材料、纳米材料、生 化材料、功能有机与混杂材料以及信息功能材料等电子信息材料都制定了发展目 标。 再例，集成电路的总发展趋势：高集成度、微型化、高速度、低功耗、高灵 敏度、低噪声、高可靠、长寿命、多功能。为了达到上述目标，有赖于外延技术 (VPE,LPE,MOCVD及MBE)的发展，同时对硅单晶的要求也愈来愈高。 表2为集成电路的发展对材料质量的要求。 表2集成电路发展对材料质量的要求 首批产品出现年代 1999 2002 2005 2008 工艺水平（μm) 0.18 0.13 0.10 0.07 DRAM 256M 1G 4G 16G 硅片直径(mm) 200 300 300 450 表面关键杂质(At/cm2)(10) ≤13 ≤7.5 ≤5 ≤2.5 局部平坦度(nm) ≤180 ≤130 ≤100 ≤100 光散射缺陷（个/cm2) ≤0.29 ≤0.14 ≤0.06 ≤0.03 由表2课件，随着集成电路的发展，其对材料的质量要求越来愈高，势必需 要材料工程技术的进步。 总之，电子信息产业的发展可以促进材料工程的发展。不仅有直接有利于材 料工程的发展，其发展需求也会促进材料工程的发展。 第8页共11页
材料工程导论Ⅰ课程论文 F1105101 5110309066 孙鑫宇 第 8 页 共 11 页 2.2 电子信息产业发展的需求促进材料工程的发展 对技术的需求会促进技术的发展。对于本文所研究的话题而言，电子信息产 业发展的需求促进材料工程的发展。 例如，美国国防部预测，今后 20 年材料界将面临严峻的挑战和巨大的机遇。 挑战来自冷战结束后国防需求的重大变化以及电子与计算技术快速发展的推动 力。在今后 20—25 年内，产品的性能、寿命周期和可维护性指标将翻一番，对 可生产性、成本和可用性的要求比目前提高一倍。电子材料、光电子材料、光子 材料、微系统材料、以及功能有机与混杂材料的进展将是开发武器系统新能力的 基本推动因素之一。美国对半导体材料、光子材料、光电子材料、纳米材料、生 化材料、功能有机与混杂材料以及信息功能材料等电子信息材料都制定了发展目 标。[3] 再例，集成电路的总发展趋势：高集成度、微型化、高速度、低功耗、高灵 敏度、低噪声、高可靠、长寿命、多功能。为了达到上述目标，有赖于外延技术 （VPE，LPE，MOCVD 及 MBE）的发展，同时对硅单晶的要求也愈来愈高。 表 2 为集成电路的发展对材料质量的要求。 表 2 集成电路发展对材料质量的要求 首批产品出现年代 1999 2002 2005 2008 工艺水平（m) 0.18 0.13 0.10 0.07 DRAM 256M 1G 4G 16G 硅片直径 (mm) 200 300 300 450 表面关键杂质(At / cm 2) (10 9) 13 7.5 5 2.5 局部平坦度（nm） 180 130 100 100 光散射缺陷(个/ cm2) 0.29 0.14 0.06 0.03 由表 2 课件，随着集成电路的发展，其对材料的质量要求越来愈高，势必需 要材料工程技术的进步。 总之，电子信息产业的发展可以促进材料工程的发展。不仅有直接有利于材 料工程的发展，其发展需求也会促进材料工程的发展
