计算机在材料学中的应用

计算机模拟在材料研究中的应用 材料062 李忠志 060202033 随着计算机技术与材料科学的发展，研究者已经不满足于仅仅用实验的手段来研制新型材料和提高现有材料的性能．除了实验和理论外，计算机模拟已经成为解决材料科学中实际问题的第3个重要组成部分．计算机模拟既不是纯粹的实验 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，也不是纯粹的理论方法，它是在实验基础上，运用基本原理，构筑起一套模型与算法，从而计算出合理的材料结构与应用行为。材料计算机模拟方法通常包括分子动力学法、蒙特卡罗法、分子力学法、量子力学法、统计力学法、介观动力学法、有限元法和有限差分法等Ll_41．这些方法各有优势，且相辅相成．目前，计算机模拟在材料 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征、建数据库、建模型、预测、优化和设计材料结构和 性能等方面已具有越来越重要的作用。 计算机模拟是一种根据实际体系，在计算机上进行的模型实验．通过将模拟结果与实际体系的实验数据进行比较，既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．在模型体系上获得的微观信息常常比在实际体系上所作的实验更为详细．在某些情况下，计算机模拟可以部分地代替实验．在提出理论模型去解释实验观察到的现象时，或在应用一般正常实验和精确解析理论都不能解释的研究体系中，特别是在大自由度、低对称性、非线性问题及复杂相互作用的复杂系统中，计算机模拟的结果往往是在现实实验中所不能获得的信息的重要来源．此外，计算机模拟对于理论的发展也有重要的意义，为在现实模型和实验室中无法实现的探索模型作详细的预测提供了方法． 材料结构的研究是在不同尺度层次上进行的，计算机模拟也根据模拟对象的尺度范围而划分为以下若干层次：电子层次(如电子结构)，原子分子层次(如结构、力学性能、热力学和动力学性能)，微观结构层次(如晶粒生长、烧结、位错网、粗化和织构等)，以及宏观层次(如化学气相沉积)等．它们对应的空间尺度大致为0．1—1 nll'l、l。10nnl、0．1～l脚，以及l／an以上的尺度．对尺度大于1脚的材料，模拟时已不用考虑材料个别原子分子的行为，而只要处理局部平均的性质，如密度、温度、应变、相变、磁化、扩散等．对于更大的空间尺度，则涉及材料的 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 模拟和使用中的行为模拟(如寿命预测、环境稳定性和老化等)． 1计算机模拟的应用 计算机模拟可应用在材料研究的以下方面． 1．1材料表征与仪器分析 对大多数材料研究项目而言，材料表征或者说结构判定是非常重要的．计算机模拟可以快速估算分子体系的能量并确定最低能量构型．量子力学方法提供了对分子和电子结构的准确的、第一原理的计算方法．而将分析仪器手段与分子模拟技术相结合，则为了解材料的结构和性质的关系提供了强有力的工具，可以让研究人员在计算机上对仪器分析结果进行模拟，并对实验数据进行合理解析．分析实验数据可用于对模拟结构进行验证，有时还可用实验数据对结构模型进行修正．分析手段和模拟技术的结合，对于加速材料的结构确定和性质表征，以及改进模拟的效果均具有重要意义． 1．2催化、分离与化学反应 催化对于工业界是一项十分关键的技术，它使得设计具有特定性质的化合物及优化工艺过程成为可能．分子和材料的结构与相互作用控制着催化与分离过程；无论过程中是否使用催化剂，电子结构和热化学都是影响化学反应的另外的关键因素．通过把强大的分子模拟技术(包括分子力学和量子力学)与结构判定和建模工具结合，可以帮助研究者对这些性质进行深入的了解和研究．化学反应主要由分子和电子的结构与性质所决定．在通过分子模拟研究化学反应时，需要化学家对物理相互作用建立模型并使之可视化，而更重要的是精确计算所研究体系的热力学性质．对催化、分离及化学反应有2个计算要求：首先，要求具有对各种各样的材料和化合物建立模型的能力，包括对有机分子、高分子、无机固体、金属及表面等。 其次，许多工具是必需的，包括结构判定工具、模拟相互作用和输运性质的分子力学和分子动力学工具，以及可准确预测电子结构和热化学性质的量子力学工具．将所有这些工具和能力集成到软件环境中可用于对包括均相金属茂催化剂、沸石和分子筛、金属和金属氧化物在内的催化体系进行表征、优化和设计． 1．3固体物理及表面化学 半导体、非线性光学材料、金属氧化物、玻璃、陶瓷等固体材料对电子工业、航空航天，以及石化、化工等工业领域有着非常重要的战略意义。对这些材料而言，其电子的结构与性质，以及表面和界面的性质与行为都非常重要．计算机模拟方法(尤其是量子力学方法)为深入了解固体材料的这些性质，并进而设计新的材料提供了强有力的工具，可用于分析化学气相沉积过程中反应剂的气相和表面化学，研究分子或离子在固体材料表面或本体中的扩散过程，研究缺陷和掺杂剂的性质和研究材料的光学和磁学性质等． 1．4纳米级层状结构 模拟方法采用分子静力学和动力学方法，以研究不相似材料间的界面结构、弹性行为、表面外延膜的稳定性和生长方式，模拟实时外延生长，研究界面化学、温度和失配应变等生长参数的影响和界面的特征，进而提出界面模型结构． 1．5结晶与添加剂 结晶、多晶型及有机晶体结构的研究，在医药制剂、精细化学品、染料以及炸药等工业领域有着重要的应用．计算机模拟可研究、预测和改进材料的晶体结构和固态性质，可用于模拟和解释晶体微粒的生长外形，预测未知晶型以及研究表面互相作用．这一领域的应用包括：表征晶体结构和多晶型结构，预测晶体生长外形，合理设计控制和抑制晶体生长的添加剂，深入了解溶剂和杂质对晶体生长的影响，筛选最佳赋型剂以及预测晶体的物理化学性质等。 1．6高分子及软材料 高分子和软材料是科学和工业领域中一个重要的研究课题．研究者借助计算技术模拟研制制造飞机的树脂，研究洗涤剂作用原理，建立隐形眼镜的扩散模型，预测汽车轮胎的最佳配方以优化其性能，以及改进高分子共混物的生产技术．计算机模拟可构建和表征高分子链，以及晶态或非晶态本体聚合物的结构，预测包括共混行为、力学性质、扩散、内聚与湿润和表面粘接等在内的重要性质．高分子模拟的核心技术是分子力学方法，其优点是可以计算较大体系的结构和性质，统计相关方法，用于处理计算或实验的数据，以得到有关高分子结构与性质关系的宝贵信息．近几年发展起来的介观模拟方法，可以在比分子水平更大的空间尺度，即介观水平上对材料的性质进行模拟，研究的内容包括胶体、共混、配方以及与工艺相关的 重要性质的计算等． 1．7配方设计与定量构效关系 配方设计，即将不同的材料混合以得到性能改进的产品，被广泛应用于颜料及染料、食品、洗涤剂、塑料及药物开发等许多领域．定量构效关系方法可以帮助对配方进行合理设计与优化．定量构效关系是研究特定分子体系的主要几何和化学特征与其性质之间关系的多变量统计相关方法．通过计算和分析定量构效关系，可以确定影响系统性质的主要因素，从而设计和控制材料和化学品的性质．定量构效关系通过分析已知或计算的性质数据和一系列代表体系特征的描述符而建立．典型的描述符包括热力学数据、各组分的比例或表示分子形状的函数．对于要从大量相似体系中找出最优系统的情况，定量构效关系是最有帮助的．在寻找新配方时，可以分析一系列具有相似性质的混合物，以便找到具有最佳混溶性或结晶性的体系． 2展望 在材料科学中广泛应用的计算机模拟技术作为现代科学研究和开发的工具正在不断地发展和完善．目前，随着计算机的中央处理器速度的不断加快，计算机内存的不断变大，计算机总线速度的不断提高，导致了计算机总体功能的质的变化，也促进了计算机图形学的发展，从而使计算机分子模拟更加容易观察和容易理解．这一切都预示着一个虚拟现实时代的来临，计算的结果不仅可用计算机图形法表达，而且也能用五官来感受．同时，随着所研究的聚合物体系复杂性的增加，也对算法本身提出了更高的要求．随着材料科学和计算机模拟方法本身的发展，计算机模拟在材料科学中应用前景将越来越广阔．