第一章計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用-緒論

計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用教學(xué)背景

材料(Materials)是國民經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類社會(huì)發(fā)展的巨大推動(dòng)力。

計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展改變著世界，對(duì)人類文明和社會(huì)進(jìn)步產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)材料科學(xué)與工程的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造，給材料產(chǎn)業(yè)帶來革命性的變化。教學(xué)的主要目的

一.了解計(jì)算機(jī)技術(shù)在材料科學(xué)中的應(yīng)用。二.熟悉常用的材料學(xué)科計(jì)算方法和數(shù)據(jù)處理。三.熟悉材料科學(xué)研究中數(shù)值模擬方法基礎(chǔ)。四.掌握材料科學(xué)研究中物理場的計(jì)算機(jī)分析。五.了解材料數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)。六.了解計(jì)算機(jī)檢測與控制系統(tǒng)在材料中的應(yīng)用。七.掌握互聯(lián)網(wǎng)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用教材主要內(nèi)容材料學(xué)科常用的計(jì)算方法和數(shù)據(jù)處理數(shù)值模擬的基本理論和方法材料科學(xué)與工程中的物理場計(jì)算機(jī)分析材料科學(xué)數(shù)據(jù)庫與新材料設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)檢測與控制系統(tǒng)在材料中的應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第一章緒論計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用概況一、材料科學(xué)的發(fā)展1.材料科學(xué)的地位

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱---能源、材料、信息。其中材料是基礎(chǔ)。

材料的研究、開發(fā)與應(yīng)用反映一個(gè)國家的科學(xué)技術(shù)與工業(yè)水平。

1957年10月4日和11月3日蘇聯(lián)發(fā)射兩顆人造衛(wèi)星，

1958年1月31日美國發(fā)射“探測者1號(hào)”人造衛(wèi)星，

美國有關(guān)部門聯(lián)合提出報(bào)告，認(rèn)為美國在先進(jìn)材料的研究方面落后于蘇聯(lián)是關(guān)鍵。

世界各國把材料放在重要地位來發(fā)展

我國一直將材料科學(xué)技術(shù)列為各個(gè)五年計(jì)劃的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。

材料是人類文明進(jìn)步的里程碑

早期歷史按石器、陶器、青銅器、鐵器時(shí)代來劃分，材料代表著當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)能力和生活水平。2.材料科學(xué)的內(nèi)涵材料科學(xué)是關(guān)于材料組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝與其性能及使用過程間相互關(guān)系的知識(shí)開發(fā)和應(yīng)用的科學(xué)，是介于基礎(chǔ)科學(xué)（物理、化學(xué)）和應(yīng)用科學(xué)（電子工程、機(jī)械工程）的應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)。3.材料的分類

按物態(tài)劃分：氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)

按組成和結(jié)合鍵性質(zhì)：金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料以及半導(dǎo)體材料。

按材料的功能：結(jié)構(gòu)材料、功能材料

按使用領(lǐng)域：建筑材料、電子材料、醫(yī)用材料、能源材料等功能材料(1)

信息功能材料半導(dǎo)體材料：硅，

Ⅲ-Ⅴ族化合物，寬禁帶半導(dǎo)體的SiC、GaN等。光電子材料：激光材料，太陽能電池、LED、光纖（SiO2）(2)

能源功能材料超導(dǎo)材料：高溫（液氮溫度）超導(dǎo)已發(fā)現(xiàn)30多種，

YBaCuO磁性材料：硅鋼片貯能材料：貯氫與高能電池燃料電池：化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?3)納米材料科學(xué)技術(shù)：尺寸在1～100nm之間的物質(zhì)納米顆粒(0維)納米絲、納米棒、納米管(1維).納米基本單元納米薄膜、納米多層膜(2維).碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的10倍。4.材料發(fā)展的基礎(chǔ)

量子力學(xué)、固體物理、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展為材料科學(xué)奠定了重要基礎(chǔ)。

現(xiàn)代分析技術(shù)和設(shè)備的更新，加深了對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)的理解。

金屬學(xué)、半導(dǎo)體學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子科學(xué)等自身的發(fā)展也使對(duì)材料本質(zhì)認(rèn)識(shí)系統(tǒng)化（組成

–制備–結(jié)構(gòu)–性能的關(guān)系）

材料科學(xué)范疇下不同材料應(yīng)用理論和工藝技術(shù)的交叉融合，

現(xiàn)代材料技術(shù)從多樣化、單一化走向一體化、復(fù)合化。

復(fù)合材料5.材料發(fā)展的推動(dòng)力（1）應(yīng)用需求

信息技術(shù)：電子信息處理、光電子信息處理及光子信息處理，需要電子材料、光電子材料、薄膜與器件等。（2）多學(xué)科交叉

材料的組分設(shè)計(jì)與合成，涉及基礎(chǔ)學(xué)科的各分支：熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、仿生合成等。（3）基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展的推動(dòng)力近代物理、化學(xué)，特別是固體物理、量子化學(xué)等基礎(chǔ)理論的發(fā)展，并應(yīng)用各種先進(jìn)分析儀器和尖端技術(shù)來研究和闡明材料的本性。（4）科技與經(jīng)濟(jì)發(fā)展

信息功能材料、高溫結(jié)構(gòu)材料、復(fù)合材料、生物材料、智能材料和納米材料等是新技術(shù)革命的先導(dǎo)材料。

21世紀(jì)的科技發(fā)展，將以先進(jìn)材料技術(shù)、先進(jìn)能源技術(shù)、信息技術(shù)和生物技術(shù)等四大學(xué)科為中心，通過相互交叉發(fā)展，為人類創(chuàng)造完全不同的生態(tài)環(huán)境。6.應(yīng)用背景航空航天航空和航天器要采用強(qiáng)度高和比重小的材料，重視材料的比強(qiáng)度。因此，航空和航天器中鋁、鎂合金用量大。隨著航空技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，輕質(zhì)和高比強(qiáng)度的鈦合金、碳纖維高分子復(fù)合材料、硼纖維金屬復(fù)合材料等得到愈來愈多的采用。實(shí)例壓氣機(jī)葉片壓氣機(jī)機(jī)匣飛機(jī)尾翼硼纖維鋁合金板和管材料鋁合金鈦合金碳纖維復(fù)合材料硼纖維增強(qiáng)鋁合金強(qiáng)度范圍MPa150－450350－11001000－1200（順纖維方向）1500（順纖維方向）比強(qiáng)度MPa55－16080－245625－750570生物工程新能源

太陽能電池材料及應(yīng)用軍事工業(yè)信息通信計(jì)算機(jī)經(jīng)歷：電子管→晶體管→集成電路時(shí)代所用材料：鎢，鉬所用材料：鍺，硅所用材料：單晶硅，高純鈦，SiO2薄膜等一塊單晶硅晶片上可做幾百個(gè)芯片，目前主頻為1Ghz的電腦芯片上晶體管數(shù)目超過30000000個(gè)。二、計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)用于材料行為工藝研究

利用計(jì)算機(jī)對(duì)真實(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，提供材料在某種工藝條件下的行為變化規(guī)律。

如：單晶硅提拉過程的計(jì)算機(jī)模擬。數(shù)值模擬：利用計(jì)算再現(xiàn)晶體生長過程，優(yōu)化生長技術(shù)。目的：降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、提高晶體質(zhì)量。計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)相比具有的優(yōu)勢：快速且成本低廉（從幾分鐘到幾小時(shí)；僅僅需要一個(gè)專業(yè)軟件和計(jì)算機(jī)）能夠得到爐體中各點(diǎn)的信息，包括不能用實(shí)驗(yàn)方法測量到的數(shù)據(jù)（溫度梯度，熱應(yīng)力，結(jié)晶方式，流體動(dòng)力學(xué)和雜質(zhì)/摻雜物的輸運(yùn)）更改爐體的設(shè)計(jì)和生長參數(shù)不需要額外投資（只需要幾分鐘的時(shí)間即可），進(jìn)行技術(shù)開發(fā)既快捷又方便。（三）應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)用于材料行為工藝研究

利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬對(duì)真實(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，提供材料在某種工藝條件下的行為變化規(guī)律。

如：直拉法單晶硅生長的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真數(shù)值模擬：利用計(jì)算再現(xiàn)晶體生長過程，優(yōu)化生長技術(shù)。目的：降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、提高晶體質(zhì)量。計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)相比具有的優(yōu)勢：快速且成本低廉（從幾分鐘到幾小時(shí)；僅僅需要一個(gè)專業(yè)軟件和計(jì)算機(jī)）能夠得到爐體中各點(diǎn)的信息，包括不能用實(shí)驗(yàn)方法測量到的數(shù)據(jù)（溫度梯度，熱應(yīng)力，結(jié)晶方式，流體動(dòng)力學(xué)和雜質(zhì)/摻雜物的輸運(yùn)）更改爐體的設(shè)計(jì)和生長參數(shù)不需要額外投資（只需要幾分鐘的時(shí)間即可），進(jìn)行技術(shù)開發(fā)既快捷又方便。CGSim軟件模擬用于熔體中晶體生長過程仿真和優(yōu)化。模擬條件(拉速：0.65mm/min加熱功率：65KW硅料總重：84kg晶轉(zhuǎn):12rpm堝轉(zhuǎn):-8rpm晶體高度：300mm)模擬顯示的300mm單晶硅生長的溫場和流場

增大結(jié)晶速率，一次生長出大直徑、大長度的硅棒；缺陷最少（無位錯(cuò)、無孿晶、點(diǎn)缺陷少）；雜質(zhì)最少、摻雜濃度均勻；降低功率消耗。2.計(jì)算機(jī)技術(shù)用于材料數(shù)據(jù)庫

材料數(shù)據(jù)庫一般包含材料性能、成分、處理、試驗(yàn)條件、應(yīng)用與評(píng)價(jià)等一些重要參量的數(shù)據(jù)。目的是方便材料工作者查詢和研究。不同的材料數(shù)據(jù)庫如：中國科學(xué)院金屬研究所：/SDB/提供了納米材料數(shù)據(jù)、高溫合金數(shù)據(jù)、鈦合金數(shù)據(jù)、精密管材數(shù)據(jù)、材料連接數(shù)據(jù)、材料腐蝕數(shù)據(jù)和失效分析數(shù)據(jù)。美國材料性能數(shù)據(jù)庫：提供了鋁合金、銅合金、鎂合金、鈦合金、鎳基合金、鑄鐵、金屬間化合物、碳化物、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、高分子材料、透明材料等相關(guān)性能數(shù)據(jù)。大型數(shù)據(jù)庫鏈接到材料數(shù)據(jù)庫3.計(jì)算機(jī)技術(shù)用于材料設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì)是指通過理論分析與計(jì)算預(yù)報(bào)新材料的組分、結(jié)構(gòu)及性能，進(jìn)而通過理論設(shè)計(jì)來“定做”具有特殊性能的新材料。第一性原理計(jì)算、吉布斯自由能計(jì)算、有限差分法、有限元法…材料的微觀設(shè)計(jì)層次（

~1nm量級(jí)）（電子、原子、分子層次的設(shè)計(jì)）N-WellP-WellP+P+N+N+IMD1IMD2

DARC高速晶體管和CMOS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用Materialstudio、

ABINIT軟件等進(jìn)行半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算。材料的介觀設(shè)計(jì)層次（

~1μm量級(jí)）（連續(xù)介質(zhì)，不考慮單個(gè)原子、分子的設(shè)計(jì)）Thermo-Calc軟件進(jìn)行相圖計(jì)算相圖計(jì)算：相圖是研究材料成分、溫度、組織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，是制定各種熱加工工藝的依據(jù)。相圖是材料研究的指南針。材料的宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（大塊材料的成分、組織、性能和應(yīng)用設(shè)計(jì)研究）CAD-ComputerAidedDesignCAE-ComputerAidedEngineeringANSYS軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、熱分析、流體分析、電/靜電場分析、電磁場分析。靜態(tài)荷載分析熱場分析4.計(jì)算機(jī)技術(shù)用于材料加工控制

對(duì)材料進(jìn)行加工是工業(yè)上制造和處理材料的重要手段。

材料加工包括鑄造、粉末冶金、集成電路制備等。

基本原理：依據(jù)材料加工的尺寸或性能要求向計(jì)算機(jī)輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D（模數(shù)）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過程序處理后，將處理后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器變成模擬信號(hào)，進(jìn)而將模擬信息傳輸?shù)较鄳?yīng)的執(zhí)行設(shè)備以達(dá)到自動(dòng)控制效果。晶片切割機(jī)單晶生長爐材料的組成和結(jié)構(gòu)采用各種大型分析設(shè)備進(jìn)行，如掃描電鏡、透射電鏡、分析電鏡、掃描探針顯微鏡，各種譜儀和各種衍射儀，這些均是在計(jì)算機(jī)控制下完成各自的分析工作，而且設(shè)備隨之提供了各種功能強(qiáng)大的分析模擬軟件及其數(shù)據(jù)庫，從而更加有效地提高了分析時(shí)的數(shù)據(jù)處理能力。X射線衍射儀及圖譜：立方相結(jié)構(gòu)5.計(jì)算機(jī)技術(shù)用于材料性能表征與檢測6.計(jì)算機(jī)技術(shù)用于材料數(shù)據(jù)和圖像處理

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的大容量存儲(chǔ)特征和快速運(yùn)算功能為存儲(chǔ)和處理大量的材料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了很好的平臺(tái)。

計(jì)算機(jī)圖像分析已成為輔助研究材料結(jié)構(gòu)和性能之間定量關(guān)系的一種重要方法。常用的數(shù)據(jù)處理軟件常用的圖像處理軟件7.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于材料科學(xué)研究

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，將地球上分散的、獨(dú)立的計(jì)算機(jī)相互連接的集合。