材料计算设计基础

材料计算设计基础学院：材料科学与工程学院班级：Y120301姓名：田晋忠学号：s12003019流水号：s20120304材料计算设计基础共1页/第9页材料计算设计基础摘要：本文首先介绍了材料在社会发展中的重要性，其次介绍了材料设计的概念，理论及计算方法。最后介绍了当前面临的挑战和问题。其中本文重点介绍了计算机模拟技术。关键词：材料设计计算方法问题1材料在社会发展中的重要性在人类的生产活动中，科学技术的作用主要表现在3个方面：提供新的物质和材料，开发新的能源，发明灵巧的机器。后二者都需要相应的材料作为保证。人类历史上曾出现过石器时代、铜器时代、铁器时代、高分子时代、半导体时代等，这些都是以材料命名的，这足以说明材料在人类文明史上的作用。300年来，人类经历了两次世界范围的产业革命，每次产业革命都离不开新材料的开发。第一次产业革命的突破口是推广应用蒸汽机。瓦特发明了蒸汽机，但只有在开发了铁和铜等新材料以后，这种蒸汽机才得以实用并逐步推广。第二次产业革命一直延续到本世纪中叶，以石油开发和新能源广泛使用为突破口，大力发展了飞机、汽车等其它工业，支持这个时期产业革命的仍然是新材料的开发，如合金钢、铝合金以及各种非金属材料的发展。当前新材料的作用更加明显，它既是当代高技术的重要组成部分，又是发展高技术的重要支柱和突破口，也是发展现代农业和现代国防的物质基础和先导。没有半导体材料的工业化生产，便不可能有目前的计算机技术和现代信息革命;没有现代的高温、高强度结构材料，便没有今天的宇航工业；没有低损耗的光导纤维，便不会出现光信息的长距离传输，也就没有当前的光通信。人类进入信息时代，正面临着以电子、信息、材料、航空航天、生物工程、海洋开发、石油化工、原子能等工业为主体的一场更深刻的产业革命。材料既是一个独立的载域，又与几乎所有其它新兴产业密切相关。也就是说，没有相应的材料，任何一项新的技术都难以实现，任何技术开发便成为“无米之炊”，难怪人们把材料作为技术进步的关键，称其为现代工业的骨肉、现代文明的支柱之一[1]。材料计算设计基础共2页/第9页2材料设计的概念关于材料设计，迄今在国际上还没有统一的术语或提法。日本学者1984年就提出了“材料设计”概念[2]，俄国学者把材料设计包括在“材料学”中，美国学者在《90年代材料科学与工程》报告中称这类工作为材料“计算机分析与模型化”。我国1986年开始实施“863计划”时，对新材料领域提出了探索不同层次微观理论指导下的材料设计这一要求，在“863”材料领域便设立了“材料微观结构设计与性能预测”研究专题，钱学森院士在80年代曾倡导和推进材料设计工作，为我国新材料新技术的发展方向提供了重要的指导和帮助。1985年，日本学者山岛良绩正式提出了“材料设计学”这一专门的研究方向，将材料设计（materialsdesign）定义为利用现有的材料、科学知识和实践经验，通过分析和综合，创造出满足特殊要求的新材料的一种活动过程，其目的是改进已有的材料和创造新材料。现在材料设计已基本上形成一套特殊的方法，就是根据性能要求确定设计目标，有效地利用现有资源，通过成份、结构、组织、合成和工艺过程的合理设计来制造材料。其中，关键是材料的成份、结构和组织的设计。另外材料设计层次一般可分为三个层次：微观设计层次：空间尺寸约1nm数量级，是电子、原子、分子层次的设计；介观设计层次：典型尺度约1μm数量级，材料被看作是连续介质，是组织结构层次的设计；宏观设计层次：尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的成分、组织、性能和应用的设计研究，是工程应用层次的设计.不同层次所用的理论及方法是不同的，不同层次间常常是交叉、联合的，不同层次的目的、任务及应用也不尽相同[3]。3材料设计的理论与计算方法材料设计的理论和计算方法方法计算机计算技术和量子理论等领域的发展，使材料信息数据系统、热力学方法、分子轨道量子理论乃至神经网络方法、拓扑几何学都应用于材料设计中.采用计算方法进行材料设计具有经济、高效及预测功能的特点，该方法将成为材料设计发展的重要新趋势[4]。下面我对材料设计的理论和计算方法进行简要介绍。材料计算设计基础共3页/第9页3.1经验法和半经验法所谓的经验法就是材料研究采用“试错法”。该方法是根据大量的试验数据，对成分、组织、性能反复调整、试验，直到获得满意的材料为止。这种方法具有相当大的盲目性，费时、费力、经济损失大，已远远不能满足现代科技和社会的发展要求。此外，为了总结出材料的成分�组织�性能间的内在规律，常用统计学法对试验数据反复回归，得到一些回归方程，这些关系式对材料的研究、应用起到了一些积极作用。但是，这些关系式都是在一定的生产条件下建立起来的，它仅适用于相应的生产条件；再者，由于材料的制备过程是一个复杂的非线性系统，显然利用线性函数来考虑性能、组织和成分的这些关系式不是很理想。半经验法是从已有的大量数据和经验事实出发，将材料的性能、组分等数据存放在数据库中，利用一些数学计算来完成材料设计。典型的材料数据库是日本工程中心自1996年开始建立的LPF数据库，该库涵盖了合金、金属问化合物、陶瓷、矿物等全部无机物材料的有关信息。在LPF数据库的基础上可建立一个知识一信息体系，通过计算有效地预测、开发新材料。3.2材料设计计算机模拟方法当传统研究方法不能满足新材料制备的需求时，人们的目光转向理论辅助的材料设计。随着计算机技术的发展，计算材料学正成为材料研究领域的重要分支。除日益增多的流程参数的计算机控制外，通过计算机摸拟，深入研究材料的结构、组成及其在各物理、化学过程中微观变化机制以达到材料成份、结构及制备参数的最佳组合，即以材料设计为目的已成为材料科学发展的前沿热点，这是由于:计算机可以模拟进行现实中不能或很难实现的实验，如材料在极端压力、温度条件下的相变；计算机可以模拟目前实验条件下无法进行的原子及以下尺度的研究等等；计算机模拟可以验证已有理论和根据模拟结果修正或完善已有理论，也可以从模拟研究结果出发，指导、改善实验室实验，因此，计算机模拟已成为除实验和理论外解决材料科学中实际问题的第3个重要组成部分，使材料的研究跳出了传统的“炒菜法”（trial-error）而发展为基于原理的方法。3.2.1第一性原理法第一性原理方法是在电子层次上研究材料的性能。所谓第一性原理，即从最基本的物理规律出发，求解体系的薛定谔（Schrodinger）方程以获取材料性能方材料计算设计基础共4页/第9页面的信息，从而理解材料中出现的一些现象，预测材料的性能。除原子构型外，它不需要任何其他的经验参数，因此，第一性原理方法是一种真正意义上的预测。近年来，第一性原理在新材料的理论预测中起到了重要的作用。用第一性原理来计算晶体的原胞大小，误差仅为几个百分比，其它的几何结构行为，如杂质的位置、位错、缺陷的结构、晶粒界面及表面同样可以用第一性原理计算方法来计算[5]。第一原理的出发点就是求解多粒子系统的量子力学薛定谔方程，在实际求解该方程时采用两个简化：一是玻恩—奥本海默（Born-Oppenheimer）绝热近似，即考虑电子运动时原子核是处于它们的瞬时位置上，而考虑原子核的运动时不考虑电子密度分布的变化，将电子的量子行为与离子的经典行为视为相对独立；第二个假设是利用哈特利-福克（Hartree-Fock）自洽场近似，即不考虑电子之间的相互作用项，将多电子的波函数看成每个电子波函数的连乘，将多电子的薛定谔方程简化为单电子的有效势方程。基于第一性原理的计算方法发展较快。如密度泛函理论（DFT）、准粒子近似（GW）方法等。现在应用最广泛的是密度泛函理论，它给出了将多电子问题简化成单电子问题的理论基础，同时也成为分子和固体的电子结构及总能量计算的有力工具[6]。3.2.2分子动力学法分子动力学（MD）是从原子尺度上来研究体系的有关性质与时间和温度关系的模拟技术，它把多粒子体系抽象为多个相互作用的质点，通过对系统中的各质点的运动方程进行直接求解来得到某一时刻各质点的位置和速度，由此来确定粒子在相空间的运动轨迹，再利用统计计算方法来确定系统的静态特性和动态特性，从而得到系统的宏观性质。其模拟流程图如图1所示：材料计算设计基础共5页/第9页图1模拟流程图在计算中首先要确定势能函数，最简单的是双体势模型，一般就用Lennard-Jones势，即原子间作用势只与两个原子间距有关，而与其他原子无关。复杂的模型有镶嵌原子法（EAM），它是基于LDA得到的多体势，势能函数不仅与两个原子间距有关，还与基体有关。各粒子的运动规律服从经典的牛顿力学，其内力可用哈密顿量、拉格朗日量或牛顿运动方程来描述，在此基础上就可以计算原子的运动行为。这是一个反复迭代的过程，直到得到原子的运动轨迹，然后按照统计物理原理得出该系统相应的宏观物理特性。分子动力学模拟方法也较多，如恒压分子动力学方法、恒温分子动力学方法和现在应用较广泛的第一性原理分子动力学方法，后者不仅可以处理半导体问题和金属问题，还可用于处理有机物和化学反应。但是，分子动力学法模拟程序较复杂，计算量也较大[7]。3.2.3蒙特卡罗法（MC法）MC方法又称为随机抽样技术或统计实验方法，它以概率论和数理统计学为基础的，通过统计实验来实现目标量的计算。其基本思想是求解数学、物理化学问题时，将它抽象为一个概率模型或随机过程，使得待求解等于随机事件出现的概率值或随机事件的数学期望值。它的特点是不仅可用于求解确定性的数学问题，还可求解随机性问题。随机模型并没有改变多体问题的复杂本质，它只是提供了一种处理问题的有效方法，从理论上讲只要样本足够多，就可以得到比较真实的粒子瞬时分布和宏观量。由于MC方法把宏观量看成是相应微观量在满足给定宏观条件下系统所有材料计算设计基础共6页/第9页可能在微观状态上的平均值，因此它主要研究的是平衡体系的性质，难以处理非平衡的问题。MC方法的关键是合理的抽样方法和足够的样本。虽然要进行多个抽样，但MC方法具有程序简单、占用内存少、算法稳定等优点，因此多用于模拟晶体生长、碰撞、逾渗等问题[8]。3.2.4有限元法有限元法是一种常规的数值解法，它是将连续介质采用物理上的离散与片分多项式插值来形成一个统一的数值化方程，非常方便计算机求解。它可解决大多数力学问题、凝固模拟和晶体的塑性模拟等工程学科的问题。有限元法与细观力学和材料科学相结合产生了有限元计算细观力学，它主要研究复合材料中组分材料间的相互作用力和定量描述细观结构与宏观性能间的关系。然而，有限元法由于是连续体的近似，它不能严格的包含单个晶格缺陷的真正动力学特性，而且在该尺度上大多数的微观结构演化现象是高度非线性的。为克服这一困难，通常采用带有固态变量的状态量方法，该方法对于完成宏观和介观尺度上的模拟是非常有效的[9]。3.2.5人工神经网络系统材料设计涉及材料的组分、工艺、性能之间的关系．但这些内在的规律往往不甚清楚，难于建立起精确的数学模型。人工神经网络具有很强的自学习能力，能够从已有的试验数据中获取有关材料的组分、工艺和性能之间的规律，因此特别适用于材料设计，为材料的研究提供了一条有效的新途径。它不需要预先知道输入（材料的成分、工艺）和输出（性能要求）间存在的某种内在联系，便可以进行训练学习，并达到预测的目的，这是材料设计中其它方法难以比拟的。3.2.6材料专家设计系统材料设计专家系统是指具有相当数量的与材料有关的各种背景知识，并能运用这些知识解决材料设计中有关问题的计算机程序系统.传统的专家系统主要有下列几个模块；优化模块，集成化模块，知识获取模块.现在逐步在发展智能专家网络系统，这是以模式识别和人工神经网络为基础的专家系统.基于人工神经网络的处理技术在材料科学中得到了越来越多的应用，在处理规律不明显、组分变量多、非线性方面的问题具有特殊的优越性，并且也可以对建立的数学模型材料计算设计基础共7页/第9页和计算结果进行验证[10]。4材料设计面临的挑战和问题许多国家都加大了材料理论与计算设计方面研究的人力和财力的投入，都在争夺该领域某个方面的领先地位和知识产权，美国在计算