材料計算設(shè)計基礎(chǔ)

1、 材料計算設(shè)計基礎(chǔ) 學(xué) 院： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 班 級： Y120301 姓 名： 田 晉 忠 學(xué) 號： s12003019 流 水 號： s20120304 材料計算設(shè)計基礎(chǔ)材料計算設(shè)計基礎(chǔ)摘要：本文首先介紹了材料在社會發(fā)展中的重要性，其次介紹了材料設(shè)計的概念，理論及計算方法。最后介紹了當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和問題。其中本文重點介紹了計算機模擬技術(shù)。關(guān)鍵詞：材料設(shè)計 計算方法 問題1 材料在社會發(fā)展中的重要性在人類的生產(chǎn)活動中，科學(xué)技術(shù)的作用主要表現(xiàn)在3個方面：提供新的物質(zhì)和材料，開發(fā)新的能源，發(fā)明靈巧的機器。后二者都需要相應(yīng)的材料作為保證。人類歷史上曾出現(xiàn)過石器時代、銅器時代、鐵器時代、高分子時

2、代、半導(dǎo)體時代等，這些都是以材料命名的，這足以說明材料在人類文明史上的作用。300年來，人類經(jīng)歷了兩次世界范圍的產(chǎn)業(yè)革命，每次產(chǎn)業(yè)革命都離不開新材料的開發(fā)。第一次產(chǎn)業(yè)革命的突破口是推廣應(yīng)用蒸汽機。瓦特發(fā)明了蒸汽機， 但只有在開發(fā)了鐵和銅等新材料以后，這種蒸汽機才得以實用并逐步推廣。第二次產(chǎn)業(yè)革命一直延續(xù)到本世紀(jì)中葉，以石油開發(fā)和新能源廣泛使用為突破口，大力發(fā)展了飛機、汽車等其它工業(yè)，支持這個時期產(chǎn)業(yè)革命的仍然是新材料的開發(fā)， 如合金鋼、鋁合金以及各種非金屬材料的發(fā)展。當(dāng)前新材料的作用更加明顯，它既是當(dāng)代高技術(shù)的重要組成部分，又是發(fā)展高技術(shù)的重要支柱和突破口，也是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代國防的物質(zhì)基礎(chǔ)

3、和先導(dǎo)。沒有半導(dǎo)體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，便不可能有目前的計算機技術(shù)和現(xiàn)代信息革命; 沒有現(xiàn)代的高溫、高強度結(jié)構(gòu)材料，便沒有今天的宇航工業(yè)；沒有低損耗的光導(dǎo)纖維，便不會出現(xiàn)光信息的長距離傳輸， 也就沒有當(dāng)前的光通信。人類進入信息時代，正面臨著以電子、信息、材料、航空航天、生物工程、海洋開發(fā)、石油化工、原子能等工業(yè)為主體的一場更深刻的產(chǎn)業(yè)革命。材料既是一個獨立的載域， 又與幾乎所有其它新興產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)。也就是說，沒有相應(yīng)的材料，任何一項新的技術(shù)都難以實現(xiàn)，任何技術(shù)開發(fā)便成為“無米之炊”，難怪人們把材料作為技術(shù)進步的關(guān)鍵，稱其為現(xiàn)代工業(yè)的骨肉、現(xiàn)代文明的支柱之一1。2 材料設(shè)計的概念 關(guān)于材料設(shè)計，迄今

4、在國際上還沒有統(tǒng)一的術(shù)語或提法。日本學(xué)者1984年就提出了“材料設(shè)計”概念2，俄國學(xué)者把材料設(shè)計包括在“材料學(xué)”中，美國學(xué)者在90年代材料科學(xué)與工程報告中稱這類工作為材料“計算機分析與模型化”。我國1986年開始實施“863計劃”時，對新材料領(lǐng)域提出了探索不同層次微觀理論指導(dǎo)下的材料設(shè)計這一要求，在“863”材料領(lǐng)域便設(shè)立了“材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能預(yù)測”研究專題，錢學(xué)森院士在80年代曾倡導(dǎo)和推進材料設(shè)計工作，為我國新材料新技術(shù)的發(fā)展方向提供了重要的指導(dǎo)和幫助。1985 年，日本學(xué)者山島良績正式提出了“材料設(shè)計學(xué)”這一專門的研究方向，將材料設(shè)計（materials design）定義為利用現(xiàn)有的

5、材料、科學(xué)知識和實踐經(jīng)驗，通過分析和綜合，創(chuàng)造出滿足特殊要求的新材料的一種活動過程，其目的是改進已有的材料和創(chuàng)造新材料。現(xiàn)在材料設(shè)計已基本上形成一套特殊的方法，就是根據(jù)性能要求確定設(shè)計目標(biāo)， 有效地利用現(xiàn)有資源，通過成份、結(jié)構(gòu)、組織、合成和工藝過程的合理設(shè)計來制造材料。其中，關(guān)鍵是材料的成份、結(jié)構(gòu)和組織的設(shè)計。另外材料設(shè)計層次一般可分為三個層次：微觀設(shè)計層次：空間尺寸約1 nm 數(shù)量級，是電子、原子、分子層次的設(shè)計；介觀設(shè)計層次：典型尺度約1 m 數(shù)量級，材料被看作是連續(xù)介質(zhì)，是組織結(jié)構(gòu)層次的設(shè)計；宏觀設(shè)計層次：尺度對應(yīng)于宏觀材料，涉及大塊材料的成分、組織、性能和應(yīng)用的設(shè)計研究，是工程應(yīng)用層次

6、的設(shè)計. 不同層次所用的理論及方法是不同的，不同層次間常常是交叉、聯(lián)合的，不同層次的目的、任務(wù)及應(yīng)用也不盡相同3。3 材料設(shè)計的理論與計算方法材料設(shè)計的理論和計算方法方法計算機計算技術(shù)和量子理論等領(lǐng)域的發(fā)展， 使材料信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)、熱力學(xué)方法、分子軌道量子理論乃至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、拓?fù)鋷缀螌W(xué)都應(yīng)用于材料設(shè)計中. 采用計算方法進行材料設(shè)計具有經(jīng)濟、高效及預(yù)測功能的特點，該方法將成為材料設(shè)計發(fā)展的重要新趨勢4。下面我對材料設(shè)計的理論和計算方法進行簡要介紹。3.1 經(jīng)驗法和半經(jīng)驗法所謂的經(jīng)驗法就是材料研究采用“試錯法”。該方法是根據(jù)大量的試驗數(shù)據(jù)，對成分、組織、性能反復(fù)調(diào)整、試驗，直到獲得滿意的材料為止。

7、這種方法具有相當(dāng)大的盲目性，費時、費力、經(jīng)濟損失大，已遠遠不能滿足現(xiàn)代科技和社會的發(fā)展要求。此外，為了總結(jié)出材料的成分組織性能間的內(nèi)在規(guī)律，常用統(tǒng)計學(xué)法對試驗數(shù)據(jù)反復(fù)回歸，得到一些回歸方程，這些關(guān)系式對材料的研究、應(yīng)用起到了一些積極作用。但是，這些關(guān)系式都是在一定的生產(chǎn)條件下建立起來的，它僅適用于相應(yīng)的生產(chǎn)條件；再者，由于材料的制備過程是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)， 顯然利用線性函數(shù)來考慮性能、組織和成分的這些關(guān)系式不是很理想。半經(jīng)驗法是從已有的大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗事實出發(fā)，將材料的性能、組分等數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫中，利用一些數(shù)學(xué)計算來完成材料設(shè)計。典型的材料數(shù)據(jù)庫是日本工程中心自1996年開始建立的LPF數(shù)

8、據(jù)庫，該庫涵蓋了合金、金屬問化合物、陶瓷、礦物等全部無機物材料的有關(guān)信息。在LPF數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上可建立一個知識一信息體系，通過計算有效地預(yù)測、開發(fā)新材料。3.2 材料設(shè)計計算機模擬方法當(dāng)傳統(tǒng)研究方法不能滿足新材料制備的需求時，人們的目光轉(zhuǎn)向理論輔助的材料設(shè)計。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算材料學(xué)正成為材料研究領(lǐng)域的重要分支。除日益增多的流程參數(shù)的計算機控制外， 通過計算機摸擬，深入研究材料的結(jié)構(gòu)、組成及其在各物理、化學(xué)過程中微觀變化機制以達到材料成份、結(jié)構(gòu)及制備參數(shù)的最佳組合，即以材料設(shè)計為目的已成為材料科學(xué)發(fā)展的前沿?zé)狳c，這是由于: 計算機可以模擬進行現(xiàn)實中不能或很難實現(xiàn)的實驗，如材料在極端壓力

9、、溫度條件下的相變；計算機可以模擬目前實驗條件下無法進行的原子及以下尺度的研究等等；計算機模擬可以驗證已有理論和根據(jù)模擬結(jié)果修正或完善已有理論， 也可以從模擬研究結(jié)果出發(fā)，指導(dǎo)、改善實驗室實驗，因此，計算機模擬已成為除實驗和理論外解決材料科學(xué)中實際問題的第3個重要組成部分，使材料的研究跳出了傳統(tǒng)的“炒菜法”（trial- error）而發(fā)展為基于原理的方法。3.2.1 第一性原理法 第一性原理方法是在電子層次上研究材料的性能。所謂第一性原理，即從最基本的物理規(guī)律出發(fā)，求解體系的薛定諤（Schrodinger）方程以獲取材料性能方面的信息，從而理解材料中出現(xiàn)的一些現(xiàn)象，預(yù)測材料的性能。除原子構(gòu)型

10、外，它不需要任何其他的經(jīng)驗參數(shù)，因此，第一性原理方法是一種真正意義上的預(yù)測。近年來，第一性原理在新材料的理論預(yù)測中起到了重要的作用。用第一性原理來計算晶體的原胞大小，誤差僅為幾個百分比，其它的幾何結(jié)構(gòu)行為，如雜質(zhì)的位置、位錯、缺陷的結(jié)構(gòu)、晶粒界面及表面同樣可以用第一性原理計算方法來計算5。第一原理的出發(fā)點就是求解多粒子系統(tǒng)的量子力學(xué)薛定諤方程，在實際求解該方程時采用兩個簡化：一是玻恩奧本海默（Born-Oppenheimer）絕熱近似，即考慮電子運動時原子核是處于它們的瞬時位置上，而考慮原子核的運動時不考慮電子密度分布的變化，將電子的量子行為與離子的經(jīng)典行為視為相對獨立；第二個假設(shè)是利用哈特利

11、-福克（Hartree-Fock）自洽場近似，即不考慮電子之間的相互作用項，將多電子的波函數(shù)看成每個電子波函數(shù)的連乘，將多電子的薛定諤方程簡化為單電子的有效勢方程?；诘谝恍栽淼挠嬎惴椒òl(fā)展較快。如密度泛函理論（DFT）、準(zhǔn)粒子近似（GW） 方法等。現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的是密度泛函理論，它給出了將多電子問題簡化成單電子問題的理論基礎(chǔ)，同時也成為分子和固體的電子結(jié)構(gòu)及總能量計算的有力工具6。3.2.2 分子動力學(xué)法分子動力學(xué)（MD）是從原子尺度上來研究體系的有關(guān)性質(zhì)與時間和溫度關(guān)系的模擬技術(shù)，它把多粒子體系抽象為多個相互作用的質(zhì)點，通過對系統(tǒng)中的各質(zhì)點的運動方程進行直接求解來得到某一時刻各質(zhì)點的位置

12、和速度，由此來確定粒子在相空間的運動軌跡，再利用統(tǒng)計計算方法來確定系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，從而得到系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)。其模擬流程圖如圖1所示：圖1 模擬流程圖 在計算中首先要確定勢能函數(shù)，最簡單的是雙體勢模型，一般就用Lennard-Jones 勢，即原子間作用勢只與兩個原子間距有關(guān)，而與其他原子無關(guān)。復(fù)雜的模型有鑲嵌原子法（EAM），它是基于LDA 得到的多體勢，勢能函數(shù)不僅與兩個原子間距有關(guān)，還與基體有關(guān)。各粒子的運動規(guī)律服從經(jīng)典的牛頓力學(xué)，其內(nèi)力可用哈密頓量、拉格朗日量或牛頓運動方程來描述，在此基礎(chǔ)上就可以計算原子的運動行為。這是一個反復(fù)迭代的過程，直到得到原子的運動軌跡，然后按照統(tǒng)計物理

13、原理得出該系統(tǒng)相應(yīng)的宏觀物理特性。分子動力學(xué)模擬方法也較多，如恒壓分子動力學(xué)方法、恒溫分子動力學(xué)方法和現(xiàn)在應(yīng)用較廣泛的第一性原理分子動力學(xué)方法，后者不僅可以處理半導(dǎo)體問題和金屬問題，還可用于處理有機物和化學(xué)反應(yīng)。但是，分子動力學(xué)法模擬程序較復(fù)雜，計算量也較大7。3.2.3 蒙特卡羅法（MC法）MC方法又稱為隨機抽樣技術(shù)或統(tǒng)計實驗方法，它以概率論和數(shù)理統(tǒng)計學(xué)為基礎(chǔ)的，通過統(tǒng)計實驗來實現(xiàn)目標(biāo)量的計算。其基本思想是求解數(shù)學(xué)、物理化學(xué)問題時，將它抽象為一個概率模型或隨機過程，使得待求解等于隨機事件出現(xiàn)的概率值或隨機事件的數(shù)學(xué)期望值。它的特點是不僅可用于求解確定性的數(shù)學(xué)問題，還可求解隨機性問題。隨機模型

14、并沒有改變多體問題的復(fù)雜本質(zhì)，它只是提供了一種處理問題的有效方法，從理論上講只要樣本足夠多，就可以得到比較真實的粒子瞬時分布和宏觀量。由于MC方法把宏觀量看成是相應(yīng)微觀量在滿足給定宏觀條件下系統(tǒng)所有可能在微觀狀態(tài)上的平均值，因此它主要研究的是平衡體系的性質(zhì)，難以處理非平衡的問題。MC方法的關(guān)鍵是合理的抽樣方法和足夠的樣本。雖然要進行多個抽樣，但MC 方法具有程序簡單、占用內(nèi)存少、算法穩(wěn)定等優(yōu)點，因此多用于模擬晶體生長、碰撞、逾滲等問題8。3.2.4 有限元法有限元法是一種常規(guī)的數(shù)值解法，它是將連續(xù)介質(zhì)采用物理上的離散與片分多項式插值來形成一個統(tǒng)一的數(shù)值化方程，非常方便計算機求解。它可解決大多數(shù)

15、力學(xué)問題、凝固模擬和晶體的塑性模擬等工程學(xué)科的問題。有限元法與細觀力學(xué)和材料科學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生了有限元計算細觀力學(xué)，它主要研究復(fù)合材料中組分材料間的相互作用力和定量描述細觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能間的關(guān)系。然而，有限元法由于是連續(xù)體的近似，它不能嚴(yán)格的包含單個晶格缺陷的真正動力學(xué)特性，而且在該尺度上大多數(shù)的微觀結(jié)構(gòu)演化現(xiàn)象是高度非線性的。為克服這一困難，通常采用帶有固態(tài)變量的狀態(tài)量方法，該方法對于完成宏觀和介觀尺度上的模擬是非常有效的9。3.2.5 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)材料設(shè)計涉及材料的組分、工藝、性能之間的關(guān)系但這些內(nèi)在的規(guī)律往往不甚清楚，難于建立起精確的數(shù)學(xué)模型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強的自學(xué)習(xí)能力，能夠從已有

16、的試驗數(shù)據(jù)中獲取有關(guān)材料的組分、工藝和性能之間的規(guī)律， 因此特別適用于材料設(shè)計，為材料的研究提供了一條有效的新途徑。它不需要預(yù)先知道輸入（材料的成分、工藝）和輸出（性能要求）間存在的某種內(nèi)在聯(lián)系，便可以進行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，并達到預(yù)測的目的，這是材料設(shè)計中其它方法難以比擬的。3.2.6 材料專家設(shè)計系統(tǒng)材料設(shè)計專家系統(tǒng)是指具有相當(dāng)數(shù)量的與材料有關(guān)的各種背景知識，并能運用這些知識解決材料設(shè)計中有關(guān)問題的計算機程序系統(tǒng). 傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)主要有下列幾個模塊；優(yōu)化模塊，集成化模塊，知識獲取模塊. 現(xiàn)在逐步在發(fā)展智能專家網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這是以模式識別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng). 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的處理技術(shù)在材料科

17、學(xué)中得到了越來越多的應(yīng)用，在處理規(guī)律不明顯、組分變量多、非線性方面的問題具有特殊的優(yōu)越性，并且也可以對建立的數(shù)學(xué)模型和計算結(jié)果進行驗證10。4 材料設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)和問題許多國家都加大了材料理論與計算設(shè)計方面研究的人力和財力的投入，都在爭奪該領(lǐng)域某個方面的領(lǐng)先地位和知識產(chǎn)權(quán)，美國在計算材料科學(xué)方面一直處于領(lǐng)先水平。10年以前，在美國已有一些公司開發(fā)有關(guān)材料光、電、磁、熱等性質(zhì)的計算軟件。近年來，美國的MotoroIa 公司專門成立了“計算材料科學(xué)實驗室”。我國要加緊在理論和計算的指導(dǎo)下設(shè)計和開發(fā)新的材料和器件。根據(jù)我國自然科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)研報告的精神，材料設(shè)計方面的主要任務(wù)是：（1）材料設(shè)計為國民

18、經(jīng)濟和尖端技術(shù)服務(wù)，要結(jié)合國民經(jīng)濟建設(shè)和高技術(shù)項目開展材料設(shè)計工作。例如，厚壁壓力容器材料、原子能應(yīng)用材料、航空與航天用超高強度材料、高溫合金、低溫材料、電子信息材料、各種特殊功能材料等。（2）進行多層次結(jié)合的材料計算設(shè)計，分層次研究的弱點是不同學(xué)科互相分割，難以取得系統(tǒng)的綜合效果；特別是微觀層次（電子、原子）的設(shè)計離預(yù)報、設(shè)計實際材料還有很大的距離. 國內(nèi)外很多有識人士提出了多層次綜合的設(shè)計思想。（3）多學(xué)科的交叉、融合是必然的趨勢，材料計算設(shè)計科學(xué)是材料、物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)和計算機等多學(xué)科的交叉研究領(lǐng)域. 鼓勵材料科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)結(jié)合。整體化已成為當(dāng)今科技發(fā)展的重要趨勢，多層次和跨學(xué)科正是計算

19、材料學(xué)的特點和本質(zhì)。（4）數(shù)理模型的建立和實用化是關(guān)鍵，材料設(shè)計系統(tǒng)主要依賴于數(shù)理模型. 各層次研究的關(guān)鍵是根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)能否發(fā)展出符號實際的解析與數(shù)理模型，解決不同層次間計算方法的選擇與整合。（5）材料計算設(shè)計科學(xué)的基礎(chǔ)研究必須加強，我國的材料計算設(shè)計研究落后于國外，并且在觀念、思維上也沒有跳出國外現(xiàn)有的思路，有的還比較偏激。有關(guān)基礎(chǔ)理論的研究工作有待于加強。目前在學(xué)術(shù)上有一些不同的看法（爭議），主要是：在思維上，涉及研究的方法、方向和原理。謝佑卿提出了材料系統(tǒng)科學(xué)框架，材料研究要向系統(tǒng)研究發(fā)展；沒有材料科學(xué)系統(tǒng)理論，便不可能有真正的材料科學(xué)設(shè)計；在方法上，有的認(rèn)為量子理論、原子水平的設(shè)計是必

20、須的。有的認(rèn)為從頭算起的方法實用性不大，從材料的實用性角度這是難以實現(xiàn)的；一般看法是不同層次的方法，其理論、對象、目的、要求和應(yīng)用都是不同的，要注重相互的結(jié)合；在范圍上，對計算材料學(xué)的范圍，目前還不很明確. 如新材料的計算設(shè)計，新材料、傳統(tǒng)材料的計算設(shè)計，材料成分的計算設(shè)計及制備過程的計算控制等等。5 結(jié)語新材料已經(jīng)成為21世紀(jì)最重要、最有發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域，而材料的計算與設(shè)計是現(xiàn)代材料科研領(lǐng)域重要的研究方向?；诳茖W(xué)發(fā)展對材料設(shè)計的高效、經(jīng)濟并富有預(yù)測性的要求，通過計算方法進行材料設(shè)計成為必然的趨勢。著重闡述了現(xiàn)代材料計算與設(shè)計的理論與方法，為從事材料計算方向的研究提供了參考方案。參 考 文 獻1 吳引江, 蘭濤, 周廉, 等. 材料設(shè)計與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展J.