計算材料學的現實重要性

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上計算材料學的現實重要性【摘要】隨著科學技術的發(fā)展，科學研究的體系越來越復雜，傳統的解析推導方法已不敷應用，甚至無能為力。計算機科學的發(fā)展和計算機運算能力的不斷提高，為復雜體系的研究提供了新的手段。計算材料科學的發(fā)展無論是在理論上還是在實驗上都使原有的材料研究手段得以極大的改觀。它不僅使理論研究從解析推導的束縛中解脫出來，而且使實驗研究方法得到根本的改革，使其建立在更加客觀的基礎上，更有利于從實驗現象中揭示客觀規(guī)律，證實客觀規(guī)律?！娟P鍵詞】計算材料學、計算模擬、材料的及計算機設計、傳統方法、計算機應用計算材料學，是材料科學與計算機科學的交叉學科，是一門正在快速發(fā)展的新興

2、學科，是關于材料組成、結構、性能、服役性能的計算機模擬與設計的學科，是材料科學研究里的“計算機實驗”。它涉及材料、物理、計算機、數學、化學等多門學科。 隨著科學技術的發(fā)展，科學研究的體系越來越復雜，傳統的解析推導方法已不敷應用，甚至無能為力。計算機科學的發(fā)展和計算機運算能力的不斷提高，為復雜體系的研究提供了新的手段。以材料這樣一個典型的復雜體系為研究對象的新學科 計算材料科學也應運而生，并迅速得到發(fā)展。對于復雜體系，由于理論研究往往不能給出解析表達，或者即使能夠給出解析表達也常常不能求解，因此也就失去了對實驗研究的指導意義。反之，失去了理論指導的實驗研究，也只能在原有的工作基礎上，根據科研人員

3、的經驗理解、分析與判斷，在各種工藝條件下反復摸索，反復實驗。之所以造成理論研究和實驗研究相互脫節(jié)的根本原因并不在于理論和實驗本身，而是由于人們?yōu)榱俗非竽軌蛉娑鴾蚀_地反映客觀實際，使理論模型變得十分復雜，無法直接解析求解。研究體系的復雜性表現在多個方面，從低 自由度體系轉變到多維自由度體系，從標量體系擴展到 矢量、 張量系統，從 線性系統到非線性系統的研究都使解析方法失去了原有的威力。因此，借助于計算機進行計算與模擬恰恰成為唯一可能的途徑。復雜性是科學發(fā)展的必然結果，計算材料科學的產生和發(fā)展也是必然趨勢，它對一些重要 科學問題的圓滿解決，充分說明了計算材料科學的重要作用和現實意義計算材料科學的

4、發(fā)展無論是在理論上還是在實驗上都使原有的材料研究手段得以極大的改觀。它不僅使理論研究從解析推導的束縛中解脫出來，而且使實驗研究方法得到根本的改革，使其建立在更加客觀的基礎上，更有利于從實驗現象中揭示客觀規(guī)律，證實客觀規(guī)律。因此，計算材料科學是材料研究領域理論研究與實驗研究的橋梁，不僅為理論研究提供了新途徑，而且使實驗研究進入了一個新的階段。計算材料學主要包括兩個方面的內容:一方面是計算模擬，即從實驗數據出發(fā)，通過建立數學模型及數值計算，模擬實際過程;另一方面是材料的計算機設計，即直接通過理論模型和計算，預測或設計材料結構與性能。前者使材料研究不是停留在實驗結果和定性的討論上，而是使特定材料體系

5、的實驗結果上升為一般的、定量的理論，后者則使材料的研究與開發(fā)更具方向性、前瞻性，有助于原始性創(chuàng)新，可以大大提高研究效率。計算材料學涉及材料的各個方面，如不同層次的結構、各種性能等等，因此，有很多相應的計算方法。在進行材料計算時，首先要根據所要計算的對象、條件、要求等因素選擇適當的方法。要想做好選擇，必須了解材料計算方法的分類。目前，主要有兩種 分類方法：一是按 理論模型和方法分類，二是按材料計算的特征空間尺寸分類。材料的性能在很大程度上取決于材料的 微結構，材料的用途不同，決定其性能的微結構尺度會有很大的差別。例如，對結構材料來說，影響其力學性能的結構尺度在微米以上，而對于電、光、磁等功能材料

6、來說可能要小到 納米，甚至是電子結構。因此，計算材料學的研究對象的特征空間尺度從埃到米。時間是計算材料學的另一個重要的參量。對于不同的研究對象或計算方法，材料計算的 時間尺度可從10-15秒（如 分子動力學方法等）到年（如對于腐蝕、 蠕變、 疲勞等的模擬）。對于具有不同特征空間、 時間尺度的研究對象，均有相應的材料計算方法。目前常用的計算方法包括第一性原理從頭計算法，分子動力學方法， 蒙特卡洛方法，元胞自動機方法、相場法、幾何拓撲模型方法、 有限元分析等計算材料學的發(fā)展是與計算機科學與技術的迅猛發(fā)展密切相關的。從前，即便使用大型計 算機也極為困難的一些材料計算，如材料的量子力學計算等，現在使用微機就能夠完成，由此可以預見，將來計算材料學必將有更加迅速的發(fā)展。另外，隨著計算材料學的不斷進步與成熟，材料的計算機模擬與設計已不僅僅是材料物理以及材料計算理論學家的熱門研究課題，更將成為一般材料研究人員的一個重要研究工具。由于模型與 算法的成熟，通用軟件的出現，使得材料計算的廣泛應用成為現實。因此，計算材料學基礎