计算机在材料中的应用

计算机在材料科学中的应用主讲教师：王能为绪论教学内容：课程的性质与任务，主要内容及研究方法，本课程的特点与学习方法，材料科学发展简史。教学要求：1.了解本课程的主要内容及研究方法，材料科学发展简史。2.了解材料科学、计算机以及材料科学与计算机之间的关系。3.了解计算机在材料科学中应用的几个方面。1、计算机有关概念这是什么？？？？？曙光4000A超级计算机－国家智能计算机研发中心。这就是我们所熟悉的计算机，精美的图片有助于吸引大家的注意力。那么，各位同学平时使用它们主要来做什么呢？可能的回答结果是：聊天、游戏以及简单文本处理等。超级电脑系统曙光4000A，相关参数:系统使用了共2560颗AMD、Opteron850、2.2GHz微处理器浮点运算、速度达每秒400000亿次。该系统于2004年6月投入服务，当时是全世界所有超级电脑中，排名第10，现时已跌出TOP500排名榜（2007年11月全球排名251）。“曙光4000A”已成功运行了天气预报、石油地震资料处理、核能开发利用、计算流体力学、基因与蛋白分析和材料科学等领域的30多项应用。计算机的发展历史逻辑元件时间存储设备软件用途第一代电子管1946-1958（主）磁鼓、磁芯，（外）磁带机器语言科学计算第二代晶体管1958-1964（主）磁芯，（外）开始使用磁盘高级语言及编译程序数据处理，工业控制第三代中、小规模集成电路1964-1971（主）磁芯（外）磁盘会话式的高级语言发展企事业管理与工业控制第四代大规模集成电路1971-至今（主）磁芯（外）磁盘会话式的高级语言工业、商业及家庭1946年，为弹道设计需要由美国宾夕法尼亚大学研制出世界上第一台计算机，称为电子数字积分器与计算器。(electronicnumericalintegratorandcalculator－ENIAC)现代计算机与ENIAC的对比占地面积m2重量，ton耗电，kw造价×104US￥PC10.0150.50.1ENIAC15030150100􀂄我国计算机的发展1959年，第一台电子管计算机(4000多个电子管，10000次/秒);1964年，第一台晶体管计算机;1971年，第一台集成电路计算机;1983年12月，国防科大，“银河I型”巨型机(1亿次/秒);1993年，国防科大，“银河II型”巨型机(10亿次/秒);1997年6月，“银河III型”巨型机(130亿次/秒);1999年11月，“银河IV型”巨型机(10000亿次/秒)“银河”、“曙光”、“神威”、“深腾”计算机软件技术的发展软件是计算机的灵魂。从功能上讲，计算机软件大致可分为基础软件和应用软件。基础软件：操作系统、编程语言；应用软件：数据库、人工智能、计算机图形学、数据压缩等。（1）操作系统发展：早期为命令方式，如今为图形方式。界面越来越友好，操作越来越方便。（2）编程语言发展：最初为机器语言、汇编语言、算法语言，如今为程序设计语言，功能越来越强大。（3）数据库：它是计算机信息系统与应用系统的核心技术和重要基础。历经三代：第一代：网状、层次数据库系统；第二代：关系数据库系统；第三代：面向对象模型为主要特征的数据库系统。（4）人工智能（AI）的发展：诞生于1956年。20世纪70年代前后，人工智能飞速发展，借助计算机启发式编程方法建立过程模型，同时建造了专家系统。80年代中期，人工智能发展进入困境，人工智能方法仅限于模拟人类智能活动中使用成功的经验知识所能处理的简单问题。90年代，所谓的符号主义、连接主义和行为主义3种方法并存，再加上人工智能系统引入交互机制，系统的智能水平得到提高。目前的发展现状：智能水平很高，但离人们期望的发展水平还相差很远。（5）计算机图形学的发展：产生于20世纪50年代，但发展慢，应用仅局限于某些专门领域。如今发展飞速，已在计算机辅助设计和绘图、办公自动化、电子出版、地理性息系统领域得到广泛应用。2、材料科学材料的应用：塑料10-20%铝合金5-10%铁合金60-75%15-20%低合金高强度钢Alalloy81%steel14%Tialloy2%Composites3%材料是人类社会进步的里程碑石器时代青铜时代铁器时代石头、棉花陶瓷、青铜钢、铁18世纪19世纪20世纪蒸汽机电动机高分子材料复合材料陶瓷金属材料树脂、尼龙复合材料、陶瓷一百万年前约8500年前13-14世纪人类对微观世界的操纵－原子操纵术量子栅栏的扫描隧道显微镜（STM）图像1990年IBM研究人员首度在金属镍表面用35个惰性气体氙原子組成“IBM”三个英文字母。后來，又搬移近百颗Fe原子形成中文「原子」二字。此结果成为杂志及国际研讨会封面图案。材料、能源和信息称为当代文明的三大支柱。作为当代文明的三大支柱之一，可见其在当今社会中所占据的重要位置。既然如此重要，那么什么是材料？（材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。）材料科学：以材料的组成、结构、性能、制备工艺和使用性能以及它们之间相互关系为研究对象的一门科学。这也是材料研究者的共同使命。因此，材料科学的四个要素包括：成分、组织、性能、合成/制备。Synthesis&Processingcomposition,crystalgrowth,thermaltreatment,etc.Structuremicro-,nano-,molecular,crystalPropertieselectronicmechanicaloptical,etc.Composition材料的分类：组成与结构——金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料等；性能和作用——结构材料和功能材料；用途——建筑材料、能源材料、电子材料、耐火材料、医用材料等。下面简单介绍一些新材料：（1）超导材料超导材料是20世纪人类最伟大的发现之一。超导体具有零电阻和完全抗磁性的特性，对电流传输无能量损耗，是一种理想的导电材料。超导材料包括低温超导材料和高温超导材料。低温超导材料：在液氦温度（4.2K)才能显示超导性：NbTi合金和Nb3Sn化合物。高温超导材料：在液氮温度（77K)显示超导性，多数为含铜的氧化物陶瓷，YBa2Cu3O7和Bi2Sr2Ca2CuO具有最好的综合超导性能。（2）纳米材料纳米材料的几何尺寸达到纳米级，并且具有特殊性能。发展经历三个阶段：第一阶段：探索制备纳米颗粒粉体，合成块体（含薄膜），研究评估表征方法，探索其特殊性能。第二阶段：采用纳米微粒与纳米微粒的复合，纳米微粒与块体复合涉及纳米复合材料，并挖掘其奇特的物理、化学和力学性能。第三阶段：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构体系。（3）生物医用材料生物医用材料简称生物材料，是指以医疗为目的，用于诊断、治疗、修复或替换人体组织器官或增进其功能的材料。组成：高分子、金属、陶瓷、天然材料、复合材料。第一代：20世纪60-80年代，基于工业化的材料与生物相容性，开发出第一代生物医用材料。比如：骨钉、骨板、人工血管等。第二代：20世纪80-90年代，生物材料研究的重点逐渐由生物惰性转向生物活性，开发了第二代生物医用材料。活性材料能够在生理条件下发生可控的反应，并作用于人体。使活性材料植入位置和宿主组织不再存在明显的界面区分。第三代：20世纪90年代至今，能在分子水平上刺激细胞产生特殊应答反应，从而开发出第三代生物医用材料。（4）能源材料能源材料包括储能材料、节能材料、能量转换材料和核能材料。①相变储热材料利用通过控制相变可逆的吸放热过程达到储热的目的材料。②高效节能电热膜材料用热传导式加热技术，电热转换效率达到95%，且加热速度快。主要有半导体膜、有机和无机复合电热膜。③吸附材料基础氢材料通过吸附效应产生能量转换，或通过储氢材料的吸、放氢过程实现能量转换。④燃料电池材料利用燃料电池进行的电化学过程，达到高的能量转换效率，比如氢能发电。(1)计算机用于新材料的设计“材料设计”是指（主要包括三个方面的含义）：理论计算→预报→组分、结构和性能；理论设计→定做→新材料；按照生产要求→设计→制备和加工方法。3、计算机技术与材料学的关系材料设计组分—结构—性能特殊性能新材料制备—加工工艺预报“定做”设计(2)材料科学研究中的计算机模拟计算机模拟的概念：根据实际体系在计算机上进行模拟实验，通过将模拟结果与实际体系的实验数据进行比较，可以检验模型的准确性，也可以检验由模型导出的解析理论所作的简化近似是否成功。优点：在某些情况下，计算机模拟可以部分地代替实验。计算机模拟对于理论的发展也有重要的意义。(3)材料工艺过程的优化及自动控制材料加工技术的发展主要表现为控制技术的飞速发展。微型计算机和可编程控制器在材料加工过程中的应用正体现了这种发展趋势。计算机技术、微电子技术和自动控制技术相结合，使工艺设备、检测手段的准确性和精确度都大大提高。计算机在材料加工中的应用不仅可以减轻劳动强度，而且可以改善产品质量和精度，提高产量。(4)计算机用于数据和图像处理材料科学研究在实验中可以获得大量的实验数据，这是第一手的，也是非常重要的原始数据。借助计算机的存储设备，可以保存大量的数据，同时又可以利用计算机对数据进行处理（如计算、绘图和拟合分析等）和查找。(5)计算机网络在材料研究中的应用从事材料研究的科学工作者可以相互交流，及时了解材料科学的发展动向；阅读相关杂志，查询已经发表的论文，建立网页介绍自己的研究成果等。小结：1、计算机及计算机软件的发展。2、材料科学的发展。3、计算机技术与材料学的关系。作业：1、简单介绍计算机软件的发展情况。2、什么是材料科学？材料科学的四要素是什么？3、计算机用于材料设计的思路是怎么样的？