材料工程导论 材料工程前沿技术 2015.10.9
2015.10.9 材料工程导论Ⅱ
主要内容 材料基因组 3D打印技术
主 要 内容 材料基因组 3D打印技术
一、材料基因组
一、材料基因组
什么是材料基因组工程 基因：包含在DNA、 RNA中的控制生物、组织 或器官成长与发展的一系 列遗传信息。 人性： 核苷酸 基因 人 先天：基因 (50%) 后天：环境 (50%) 物性： 先天：成分 (50%) 后天：加工 (50%) 原子 相 材料
什么是材料基因组工程 人性： 先天：基因（50%） 后天：环境（50%） 物性： 先天：成分（50%） 后天：加工（50%） 原子 相 材料 核苷酸 基因 人 基 因 ： 包 含 在 DNA 、 RNA中的控制生物、组织 或器官成长与发展的一系 列遗传信息
材料开发面临的挑战 金融风暴、虚拟经济重创世界经济，欧洲债务危机接二连三， 美国经济复兴步履维艰。 认识到：实体经济是根本，制造业是关键之一。 美国奇点大家教授瓦德瓦2012年1月11日在《华盛顿邮报》 提出：“当我们将人工智能、机器人和数字制造技术相结合，将 会发生一场制造业的革命。它使得美国企业家在本地建厂开工 生产出各种各样的产品。这样，中国还如何能与我们竞争？美国 注定要重新获得制造业的领导权，而很快就该轮到中国去担忧 了。 5
5 材料开发面临的挑战 金融风暴、虚拟经济重创世界经济，欧洲债务危机接二连三， 美国经济复兴步履维艰。 认识到：实体经济是根本，制造业是关键之一。 美国奇点大家教授瓦德瓦2012年1月11日在《华盛顿邮报》 提出：“当我们将人工智能、机器人和数字制造技术相结合，将 会发生一场制造业的革命。它使得美国企业家在本地建厂开工， 生产出各种各样的产品。这样，中国还如何能与我们竞争？美国 注定要重新获得制造业的领导权，而很快就该轮到中国去担忧 了。
材料开发面临的挑战 两院院士师昌绪说：“发展制造业，材料是基础 ,计算材料科学 有很强的生命力。 中国工程院院士徐匡迪指出，建立材料的成分一组织一性能之间 的定量关系，是实现材料设计和生产，从传统经验式的“炒菜” 法，向科学化方法转变的关键一环，这种科学化的方法是以数字 化和可重复性为标志的。 6
6 两院院士师昌绪说：“发展制造业，材料是基础，计算材料科学 有很强的生命力。 ” 中国工程院院士徐匡迪指出，建立材料的成分—组织—性能之间 的定量关系，是实现材料设计和生产，从传统经验式的“炒菜” 法，向科学化方法转变的关键一环，这种科学化的方法是以数字 化和可重复性为标志的。 材料开发面临的挑战
材料开发面临的挑战 科学家与工程师正在探索新一代材料来解决新世 纪的挑战。但目前新材料的应用时间跨度非常长，按 照直线型材料发展连续体模式，从最初的研究开发 到首次投入市场需要18年左右。 发现 。 投入市场 研发 性能优化系统设计与集成 验证 制造 直线型材料发展连续体模式 7
7 科学家与工程师正在探索新一代材料来解决新世 纪的挑战。但目前新材料的应用时间跨度非常长，按 照直线型材料发展连续体模式，从最初的研究开发， 到首次投入市场需要18年左右。 直线型材料发展连续体模式 材料开发面临的挑战
材料开发面临的挑战 ◆过度依赖对材料研究与发展的科学直觉与实验判断，目前大部分 材料的设计与测试时通过耗时的重复实验来完成的； ◆有些实验可以通过计算完成，但现在尚无法验证计算模拟的准确 程度。 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Lithium-ion batteries Teflon Core-shell electro-catalysts for Velcro fuel cells Titanium production Catalysts for olefin metathesis ★ Nobel Prize in Polycarbonate Diamond-like thin films Chemistry,2005 GaAs Amorphous soft magnets
8 过度依赖对材料研究与发展的科学直觉与实验判断，目前大部分 材料的设计与测试时通过耗时的重复实验来完成的； 有些实验可以通过计算完成，但现在尚无法验证计算模拟的准确 程度。 材料开发面临的挑战
美国材料基因组计划(MG) 2011年6月24日，美国总统奥巴马宣 布了“先进制造业伙伴关系” Advanced Manufacturing Partnership,AMP)计划，“材料基 因组计划”(Materials Genome Initiative,MGI)是AMP计划中的 重要部分之一： ◆ MG1目标是帮助美国企业发现、开发、 生产和应用先进材料的速度提高到目 前的两倍，从而促进美国制造业的复 兴，保持美国的全球竞争力
美国材料基因组计划（MGI) 2011年6月24日，美国总统奥巴马宣 布了 “先进制造业伙伴关系” （Advanced Manufacturing Partnership, AMP)计划，“材料基 因组计划”（Materials Genome Initiative, MGI）是AMP计划中的 重要部分之一； MGI目标是帮助美国企业发现、开发、 生产和应用先进材料的速度提高到目 前的两倍，从而促进美国制造业的复 兴，保持美国的全球竞争力
美国材料基因组计划(MG) ,“材料基因组工程”与“人类基因组工 程”类似，通过高通量的第一性原理计算 结合已知的可靠实验数据，用理论模拟去 Human Welfare Clean Energy 尝试尽可能多的真实或未知材料，建立其 Computational Tools 化学组分，晶体/分子结构和各种物性的 Experimental Digital Tools Data 数据库。 National Secu Next Generation Workforce Materials Innovation Infrastructure ◆利用信息学、统计学方法，通过数据挖 掘探寻材料结构和性能之间的关系模式 为材料设计师提供更多的信息，拓宽材料 筛选范围，减少筛选尝试次数，预知材料 各项性能，加速材料研究的创新
“材料基因组工程”与“人类基因组工 程”类似，通过高通量的第一性原理计算， 结合已知的可靠实验数据，用理论模拟去 尝试尽可能多的真实或未知材料，建立其 化学组分，晶体/分子结构和各种物性的 数据库。 利用信息学、统计学方法，通过数据挖 掘探寻材料结构和性能之间的关系模式， 为材料设计师提供更多的信息，拓宽材料 筛选范围，减少筛选尝试次数，预知材料 各项性能，加速材料研究的创新。 美国材料基因组计划（MGI)