計算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用-緒論

1、計算機(jī)在材料工程中的應(yīng)用賴振論 1、材料科學(xué)與工程 2、計算機(jī)在材料工程中的應(yīng)用概述材料科學(xué)與工程什么是材料？材料科學(xué)的發(fā)展材料科學(xué)的研究內(nèi)容材料科學(xué)與工程的特點材料在人類歷史上的地位 歷史上，把材料視為人類進(jìn)步的里程碑，如：“石器時代”、“青銅器時代”和“鐵器時代”等。 材料在人類歷史上的地位 20世紀(jì)60年代，材料、能源與信息稱為當(dāng)代文明的三大支柱。 20世紀(jì)70年代，新型材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)看作是新技術(shù)革命的主要標(biāo)志。 21世紀(jì). 信息時代的信息功能材料仍是最活躍的領(lǐng)域 能源功能材料將取得突破性進(jìn)展 生物材料在生命科學(xué)的帶動下將有很大發(fā)展 納米材料科學(xué)技術(shù)將

2、成為21世紀(jì)初最活躍的領(lǐng)域 什么是材料？ 材料是可以用來制造有用的構(gòu)件、器件或物品的物質(zhì)，它總是和一定的用途相聯(lián)系。 材料可以由一種或若干種物質(zhì)組成，同一種物質(zhì)，由于制備或加工的方法不同，可成為用途各異的不同類型的材料。材料科學(xué)與工程(Materials Science and Engineering,MSE) MSE研究內(nèi)容 是研究材料組成、結(jié)構(gòu)、性能、制備工藝和使用性能以及它們之間相互關(guān)系的科學(xué)。美國國家研究院材料科學(xué)與工程委員會美國國家研究院材料科學(xué)與工程委員會 90年代的材料科學(xué)與工程：在材料時代保持競爭力年代的材料科學(xué)與工程：在材料時代保持競爭力 材料科學(xué)與工程領(lǐng)域存在材料科學(xué)與工程

3、領(lǐng)域存在 四個要素（性質(zhì)與現(xiàn)象、使用性能、結(jié)構(gòu)與成分、合成與加工）四個要素（性質(zhì)與現(xiàn)象、使用性能、結(jié)構(gòu)與成分、合成與加工） 兩個關(guān)鍵（儀器設(shè)備和分析建模）兩個關(guān)鍵（儀器設(shè)備和分析建模） Source: Materials Science and Engineering for the 1990s, NRC, 1989Synthesis &Processing合成與加工合成與加工composition,crystal growth,thermal treatment, etc.Structure結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)micro-, nano-, molecular, crystalProperties

4、性質(zhì)性質(zhì)electronicmechanicaloptical, etc.Performance性能性能四個要素四個要素 單晶-寶石或激光材料 多晶體-集成電路用的放熱基板材料、高溫電爐用的爐管或切削用的工具材料 多孔的多晶體材料-催化劑載體或敏感材料 纖維-催化劑載體或保溫材料 納米粉體-面增強(qiáng)劑和阻燃劑，如強(qiáng)化木地板表面增強(qiáng)涂層、紙張及纖維的表面處理劑、功能結(jié)構(gòu)陶瓷的增強(qiáng)劑和添加劑、高級磨料等 材料分類 組成與結(jié)構(gòu)：金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料等 性能特征和作用：結(jié)構(gòu)材料和功能材料 用途：建筑材料、能源材料、航空材料、電子材料、耐火材料、醫(yī)用材料和耐蝕材料等等 材料科

5、學(xué)的發(fā)展 各學(xué)科的發(fā)展促進(jìn)了材料科學(xué)的發(fā)展 金屬材料、高分子材料與陶瓷材料之間的理論互相借鑒 不同類型材料所用的研究設(shè)備和生產(chǎn)裝置有很多相同之處，工作原理也很相近，可以相互借鑒互相啟發(fā) 將不同類型的材料統(tǒng)一考慮，有利于不同類型材料的相互代用，充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)越性。 持不同類型材料統(tǒng)一考慮，有利于復(fù)合材料的發(fā)展。 材料學(xué)的研究內(nèi)容 材料的組織、結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)、缺陷與性能的關(guān)系 材料的形成機(jī)理和制備方法 材料在加工、使用過程中的變化和失效機(jī)理 材料性能的測試和材料的工程應(yīng)用等。 材料研究的三個層次 一是電子、原子層次，即電子、原于與分子尺度，主要用統(tǒng)計力學(xué)和量子力學(xué)手段研究材料的電子結(jié)構(gòu)、原子或分

6、子的集體行為。 二是微觀層次其尺度范圍在微米以上，要考慮的不是單個原于的行為而是某個范圍內(nèi)的平均性質(zhì)，加密度、形變、磁性等。 三是更為宏觀的層次，研究材料的宏觀性能、生產(chǎn)流程與使用性能間的關(guān)系以及材料的斷裂和微觀結(jié)構(gòu)的形成等。 材料學(xué)的特點 材料科學(xué)是多學(xué)科交叉的新興科學(xué),每一類材料，各自早就成為一門學(xué)科 材料科學(xué)與工程技術(shù)有著不可分割的聯(lián)系 材料科學(xué)與工程有很強(qiáng)的應(yīng)用目的和明確的應(yīng)用背景 計算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 計算機(jī)用于材料設(shè)計 材料數(shù)據(jù)庫 人工智能的應(yīng)用 計算機(jī)模擬的應(yīng)用 計算機(jī)在材料的組成和結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用 計算機(jī)在材料性能表征和性能研究中的應(yīng)用 材料工藝過程的優(yōu)化及自動控制

7、計算機(jī)在企業(yè)管理中的應(yīng)用 計算機(jī)用于材料設(shè)計 設(shè)計對象:空間尺寸可分為電子層次、原子/分子層次和顯微結(jié)構(gòu)層次;空間尺度分別約為0.1-1nm、1-10nm和1m 納米材料設(shè)計是當(dāng)前材料科學(xué)技術(shù)中的一個前沿課題 以材料數(shù)據(jù)庫和知識庫為基礎(chǔ)，構(gòu)建了多種類型的材料設(shè)計專家系統(tǒng)，為材料設(shè)計提供了有力的工具 材料數(shù)據(jù)庫 目前已經(jīng)建立了許多不同類型的材料數(shù)據(jù)庫 利用材料數(shù)據(jù)庫和其他信息處理技術(shù)，能夠減少研制工作量，縮短研究周期，降低成本和提高效率 改進(jìn)現(xiàn)有材料的合成與制備過程，還是研究新材料的合成與制備，在很大程度上仍然需要參考現(xiàn)有同類材料的合成與制備的經(jīng)驗 人工智能的應(yīng)用 專家系統(tǒng)是人工智能中最活躍、員

8、有成效的一個研究領(lǐng)域 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不單著眼于重復(fù)較高水平的智力任務(wù)，還力圖模擬人類處理方式去理解信息和利用信息 在材料制備過程模式識別的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法和模糊邏輯進(jìn)行判斷和決策 計算機(jī)模擬的應(yīng)用 計算材料學(xué) 計算機(jī)對材料制備過程進(jìn)行模擬研究 計算機(jī)在材料的組成和結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用 材料的組成和結(jié)構(gòu)表征主要采取各種大型分析設(shè)備,這些大型分析設(shè)備幾乎都是在微機(jī)的控制下完成分析工作的計算機(jī)在材料性能表征和性能研究中的應(yīng)用 材料性能的測定大多使用專門的設(shè)備和儀器 計算機(jī)化的材料性能測試系統(tǒng)(CAT系統(tǒng))是提高材料研究水平的重要手段 材料工藝過程的優(yōu)化及自動控制 計算機(jī)技術(shù)和微電子子技術(shù)與自動控制技術(shù)相結(jié)合，使工藝設(shè)備、檢測手段的準(zhǔn)確性和精確度等大大提高 計算機(jī)在企業(yè)管理中的應(yīng)用 提高了對薄弱環(huán)節(jié)的監(jiān)控管理能力 減少了資金占用 提高了財務(wù)管理工作的質(zhì)量和水平 促進(jìn)了管理制度的硬化 參考資料： 計算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用，許鑫華、葉衛(wèi)平主編，機(jī)械工業(yè)出版社，2003. Computational materials science: the simulation of materials m