計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用探討

1、 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用探討 摘要：現(xiàn)如今，我國(guó)各產(chǎn)業(yè)都朝向精細(xì)化和完整化的趨勢(shì)發(fā)展，因此計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用必不可少，且對(duì)其需求不斷提高。另一方面，應(yīng)用于各領(lǐng)域的材料科學(xué)也逐漸引起人們的重視。在此背景下，本文綜合分析討論了計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用領(lǐng)域，及其實(shí)際應(yīng)用的方向，以期進(jìn)一步推進(jìn)計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的發(fā)展。關(guān)鍵詞材料科學(xué)；計(jì)算機(jī)；應(yīng)用材料科學(xué)是多個(gè)專業(yè)結(jié)合下新產(chǎn)生的學(xué)科，在實(shí)際生產(chǎn)生活中，我們對(duì)于材料的性能、質(zhì)量有了更高的要求，這在一定程度上提升了材料科學(xué)理論研究的動(dòng)力，但也給研究帶來(lái)了很大的壓力。計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用是材料科學(xué)發(fā)展的必經(jīng)之路，也是材料科學(xué)進(jìn)一步發(fā)展的臺(tái)階。這是實(shí)際中對(duì)

2、材料要求更嚴(yán)格的體現(xiàn)，計(jì)算機(jī)的快速、便捷、高精度能夠給材料科學(xué)的研究帶去很大的便利，材料科學(xué)的發(fā)展也離不開(kāi)計(jì)算機(jī)技術(shù)的引進(jìn)。那么，材料科學(xué)研究的發(fā)展又是怎樣與計(jì)算機(jī)建立起了密不可分的聯(lián)系呢？這就需要我們?cè)诔浞至私庥?jì)算機(jī)與材料科學(xué)關(guān)系的基礎(chǔ)上來(lái)具體地分析計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的幾個(gè)應(yīng)用。1.計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用領(lǐng)域1.1計(jì)算機(jī)用于新材料的設(shè)計(jì)通常情況下，新材料的設(shè)計(jì)與制作是通過(guò)理論分析和計(jì)算，對(duì)新材料的組成成分、結(jié)構(gòu)外觀及性能等方面進(jìn)行預(yù)報(bào)，然后結(jié)合材料設(shè)計(jì)方案制作具有特定性能或結(jié)構(gòu)的新材料。材料設(shè)計(jì)主要通過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行大面積篩選的方式來(lái)完成的，時(shí)間周期較長(zhǎng)，且大量消耗人力、物力。因此，運(yùn)

3、用人工智能方法識(shí)別計(jì)算機(jī)中預(yù)先建立的知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)，歸納大批量的物理化學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)資料，并以此作為理論輔助，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的手段進(jìn)行材料設(shè)計(jì)的方法受到人們的青睞，是材料科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行研究探索的主要方向。材料設(shè)計(jì)按照空間尺寸以及設(shè)計(jì)的對(duì)象，通常分為微觀設(shè)計(jì)層次、介觀設(shè)計(jì)層次、宏觀設(shè)計(jì)層級(jí)三個(gè)層級(jí)。其中，微觀設(shè)計(jì)層次的尺度大致為1nm數(shù)量級(jí)，屬于電子、原子或分子層次的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；介觀設(shè)計(jì)層次的尺度大致為1um數(shù)量級(jí)；宏觀設(shè)計(jì)層級(jí)的尺度與宏觀材料相對(duì)應(yīng)。1.2材料科學(xué)中的計(jì)算機(jī)模擬現(xiàn)今，在許多新穎算法的模擬技術(shù)基礎(chǔ)上，利用具有強(qiáng)大計(jì)算能力的計(jì)算機(jī)，能夠大幅度提高材料科學(xué)中的細(xì)致程度和精確程度，可對(duì)

4、物質(zhì)內(nèi)部情況有更深層次的研究。因此，計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用越來(lái)越受到重視，并衍生出計(jì)算材料科學(xué)這一學(xué)科。材料科學(xué)相關(guān)研究人員常應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)模擬實(shí)驗(yàn)，并利用計(jì)算機(jī)所提供的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以展開(kāi)新材料的研究工作。另一方面，計(jì)算機(jī)模擬在材料科學(xué)中的應(yīng)用十分廣泛，模擬對(duì)象涉及材料研制到材料使用的各個(gè)過(guò)程，例如材料合成、材料結(jié)構(gòu)、材料性能以及制備和使用等。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)應(yīng)用于材料科學(xué)研究中具有極大優(yōu)勢(shì)，不但可進(jìn)行各類實(shí)驗(yàn)的模擬，還可對(duì)材料內(nèi)部微觀性質(zhì)、宏觀力學(xué)行為均有跟深層次的了解，且可在制備前提前預(yù)測(cè)新材料的性能，提供強(qiáng)大的理論指導(dǎo)。1.3材料與工藝過(guò)程的優(yōu)化及自動(dòng)控制在材料科學(xué)研

5、究中，相關(guān)加工技術(shù)的發(fā)展主要通過(guò)控制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步來(lái)體現(xiàn)，由電子計(jì)算機(jī)和可編程控制器等電子設(shè)備在材料加工過(guò)程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛便可明顯看出這一發(fā)展趨勢(shì)。在材料的加工制作過(guò)程中，充分使用計(jì)算機(jī)技術(shù)可有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高材料產(chǎn)品的精度和質(zhì)量，同時(shí)增加產(chǎn)量。除此之外，還可通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)優(yōu)化控制材料加工制備的工藝過(guò)程，例如，建立有關(guān)材料的工藝數(shù)學(xué)模型后，利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行模擬，可通過(guò)計(jì)算機(jī)精確有效地控制滲碳滲氮的全過(guò)程。在材料制備過(guò)程中，可通過(guò)計(jì)算機(jī)精確控制相關(guān)制備過(guò)程，如在對(duì)材料表面進(jìn)行熱處理過(guò)程中，對(duì)爐溫進(jìn)行精確的自動(dòng)控制等。1.4計(jì)算機(jī)用于數(shù)據(jù)與圖像處理材料科學(xué)因其本身的特性，借助計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)功能

6、、數(shù)據(jù)和圖像處理功能，可以在大量保存數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的歸納、整理，例如計(jì)算、繪圖等。另外，可進(jìn)行快速查詢，如材料的性能與其聚集狀態(tài)的關(guān)系十分密切，通常需利用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡技術(shù)，以二維圖像的形式顯示材料的凝聚結(jié)構(gòu)狀態(tài)。在此過(guò)程中，可利用計(jì)算機(jī)的圖像分析處理功能進(jìn)行材料功能的相關(guān)研究，獲取晶體大小、聚集方式等有效的結(jié)構(gòu)信息，并將其與涉及的性能相聯(lián)系，對(duì)材料的結(jié)構(gòu)研究具有指導(dǎo)意義。目前，存在大量進(jìn)行材料數(shù)據(jù)處理的軟件，如X衍射數(shù)據(jù)處理、最小二乘法數(shù)據(jù)處理、DPS數(shù)據(jù)處理、Origin、Excel等。2.計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用2.1有效差分法有限差分法是利用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)等方

7、式，用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的函數(shù)值的差商來(lái)代替控制方程中的導(dǎo)數(shù)，并利用此方法實(shí)現(xiàn)連續(xù)函數(shù)的離散化，并利用有限的、離散的數(shù)值代替原有的連續(xù)函數(shù)分布。2.2材料數(shù)據(jù)庫(kù)與知識(shí)庫(kù)因工程材料種類多且特性強(qiáng)的特點(diǎn)，材料的組成成分、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及特殊性能等信息共同構(gòu)成了一個(gè)極為龐大的體系，給材料研究人員的查詢和研究工作帶來(lái)極大不便，因此利用計(jì)算機(jī)建立不同類型的材料數(shù)據(jù)庫(kù)就顯得尤為重要。數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存具體的數(shù)據(jù)值，有智能查詢功能，便于材料工作者進(jìn)行查詢；知識(shí)庫(kù)主要存儲(chǔ)規(guī)則、規(guī)律等信息，可通過(guò)相應(yīng)的數(shù)理模型進(jìn)行推理、運(yùn)算，提供材料的性能等方面的數(shù)據(jù)，便于工作者對(duì)材料性能的把控。2.3材料科學(xué)研究中主要物理場(chǎng)的數(shù)值模擬利用計(jì)算機(jī)可

8、結(jié)合材料加工過(guò)程中的傳熱、力學(xué)問(wèn)題和內(nèi)部原子的遷移等方面內(nèi)容，進(jìn)行模擬場(chǎng)設(shè)計(jì)；并采用模擬場(chǎng)的方式，利用有限元分析法進(jìn)行“傳熱傳質(zhì)過(guò)程”的數(shù)值模擬。3.材料相關(guān)學(xué)科和計(jì)算機(jī)學(xué)科的相互交叉3.1材料學(xué)和計(jì)算機(jī)學(xué)科的相互學(xué)習(xí)和使用從一定程度上，計(jì)算機(jī)科學(xué)與材料科學(xué)之間沒(méi)有明確的界限，也就是說(shuō)，當(dāng)我們?cè)趯W(xué)習(xí)材料科學(xué)的時(shí)候，需要間歇式地學(xué)習(xí)一些計(jì)算機(jī)相關(guān)知識(shí)。計(jì)算機(jī)和材料相關(guān)學(xué)科是結(jié)合在一起的，它們的交叉體現(xiàn)在要通過(guò)計(jì)算機(jī)的高技術(shù)手段來(lái)研究材料的性質(zhì)、仿制材料的構(gòu)成。材料科學(xué)的研究少不了要對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行使用，并且計(jì)算機(jī)對(duì)材料科學(xué)的作用還是極為重要的。它們兩者在相互交叉中也可以來(lái)共同促進(jìn)對(duì)對(duì)方的研究發(fā)展。3.2在材料科學(xué)研究中使用計(jì)算機(jī)不可缺少在材料科學(xué)的研究過(guò)程中，分析材料的性能、分析材料的組成、新性能材料的設(shè)計(jì)以及制備方法、加工工藝等等都需要用到計(jì)算機(jī)；材料科學(xué)研究的每一個(gè)領(lǐng)域倘若離開(kāi)計(jì)算機(jī)就無(wú)法正常完成任務(wù)，因此說(shuō)，計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)研究領(lǐng)域中起著不可忽視的重要作用，更是材料科學(xué)研究中的高科技工具。結(jié)語(yǔ)現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)到達(dá)一定程度，計(jì)算機(jī)也已經(jīng)融入到了各個(gè)領(lǐng)域。而對(duì)于材料科學(xué)這樣的新興的學(xué)科，研究中必然會(huì)涉及到許多的數(shù)據(jù)、圖像，所以對(duì)于計(jì)算機(jī)的應(yīng)用也就顯得極為重要，一般來(lái)說(shuō)，要促進(jìn)材料科學(xué)