6-1 计算机辅助材料设计与模拟概述

第六章计算机辅助材料设计与模拟

第一节 概述

第二节 材料设计基础

第三节 材料设计软件及应用

第四节 金属材料的热加工工艺模拟

第五节 计算机辅助材料设计与模拟举例

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第一节 材料设计概述

6.1.1材料设计的定义、范围与层次

6.1.2多尺度材料设计及其耦合

6.1.3材料设计的途径（第五章已经涉及到了数据库）

第二节 材料设计基础

6.2.1 材料设计的结构基础（原子结构，晶体结构，电子结构，相结构）

6.2.2 量子力学第一性原理简介（着重介绍密度函数理论）

6.2.3材料热力学，动力学和相图 （热力学原理，计算方法，数据库）

6.2.4 概率损伤设计（材料寿命预测与可靠性评价）

第三节 材料设计软件及其应用

（简单介绍软件的特点，基本功能，典型应用。具体细节请查阅软件主页和相关链接。）

6.3.1 第一性原理计算软件（参见量子化学软件中文网）

6.3.1.1 ABINIT（功能全，适于学习，可运行于Windows 操作系统的免费软件）

6.3.1.2 VASP （材料研究中最为广泛使用和接受的量化软件）

6.3.1.3 Cerius2 (功能模块多)

6.3.1.4 Material studio(功能模块多)

6.3.2 材料热力学和相图计算软件

6.3.2.1 Thermo-Calc (http://www.thermocalc.se/)

6.3.2.2 FACTSage (http://www.factsage.co m)

6.3.2.3 PANDAT (https://www.360docs.net/doc/788963053.html,

6.3.3 概率设计与可靠性评价软件

6.3.3.1 NESSUS (美国西南研究院为美国宇航局（NASA）开发的一个概率设计与可靠性设计软件

第四节 金属材料的热加工工艺模拟

6.4.1铸造过程计算机模拟

6.4.2压力加工计算机模拟

6.4.3 材料热处理计算机模拟

6.4.4 材料组织结构计算机模拟(断裂，晶粒长大的模拟）

6.4.5 焊接过程计算机模拟

第五节 计算机辅助材料设计与模拟举例

6.4.1 金属材料的设计(合金相，相图与材料设计)

6.4.2 陶瓷材料的设计（过渡金属掺杂ZnO稀磁半导体材料??）

6.4.3 高分子材料的设计

6.4.4 复合材料的设计

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第一节 材料设计概述

6.1.1材料设计的定义、范围与层次

众所周知，材料科学与工程学科的核心内容是对材料的成分（Composition）、工艺(Process)、结构(Structure)、性能(Properties)、与使用性能(Performance)等五大要素及其相互之间的关系进行定性和定量描述，从而得到优化的材料成分、工艺、结构和性能，为合理选择和使用材料提供指导。近20年来，随着材料科学、物理学、化学、生物科学、数学、工程科学的发展和成熟、以及计算机技术的飞速发展，运用高性能计算机（Powerful Computer）和功能强大的软件（Robust Software Package）对材料科学与工程学科的基本要素及其之间的关系进行定量或半定量表征，在计算机上设计出材料的成分、工艺，预测其结构与性能已经成为可能，这就是所谓的材料设计（Material by Design），也称材料模拟（Material Simulating）或计算材料学（Computational Materials Science）。他们之间往往可以理解为同义词，但通常计算机模拟结果多用图象描述某一现象的演化过程，而材料设计的结果多为定量化的数据或数据库。

因此，计算材料学就是基于基本的物理、化学与材料科学与工程原理，通过建立材料科学中与某一自然现象或过程相似的模型，然后通过计算机程序实现和求解这个模型来间接实现对材料的成分、制备加工、结构、性能和服役表现等参量或过程的定量描述，理解材料结构与性能和功能之间的关系，引导材料发现发明，缩短材料研制周期，降低材料研制成本。计算材料学已成为一门新兴的交叉学科，是除实验和理论外解决材料科学与工程中实际问题的第三个重要研究方法。材料设计的工作范围包括从材料的组成、制备、测试、结构和特性的微观设计到材料性能、再到使用等各个环节，但其核心部分仍是在物理、化学原理基础上对材料结构与性能关系进行理论计算与分析。

通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料，这是人们所追求的长远目标。自从二十世纪五十年代人们提出“材料设计”这一设想以来，材料设计已经取得了巨大进展，目前正处在应用理论和计算来“设计”材料的初期阶段，但对于部分材料体系，材料设计在新材料的研究开发中已经发挥着巨大作用。

计算机模拟已经被广泛应用于材料科学与工程中各个尺度的研究设计中，在微观领域，如用实验观测方法难以实现的研究单个原子、分子运动情况，计算机模拟方法显示出直观，深刻的优势。在宏观领域，比如研究材料与结构的寿命问题，计算机模拟方法就显示出经济、高效并富有预见性的特点。总之，计算材料学是一种在功能强大的计算机上进行的模拟实验，基本上不受实验条件、时间和空间的限制，具有极大的灵活性和随机性。计算机模拟技术应用于材料科学与工程领域，一方面使我们加深了对材料科学与工程核心问题的理解，另一方面，又促进了材料科学与工程的研究开发向经济、高效、可预见方向发展。计算材料学的最终目标是实现材料的成分、工艺、结构、性能与使用的优化。当然，必须指出的是，计算材料学并不是独立于实验研究和理论研究，而是植根于实验研究和理论研究，它们之间相互补充，相互检验，相互促进。

对于计算材料学的研究层次，但目前尚未有统一和严格的划分标准，从广义来说，计算材料学可按研究对象的空间尺度（Length Scale）不同而划分为三个层次：微观设计层次，空间尺度在约l nm量级，是原子、电子层次的设计；连续模型层次，典型尺度在约1μm量级，这时材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为；工程设计层次，尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。因此，多尺度计算材料学是指对基于量子力学的原子、电子层次; 基于材料热、动力学的物相和组织演化的显微层次; 到基于有限元分析和失效损伤评估的宏观材料和器件设计，以及各个层次之间的耦合。

计算材料学的三个空间尺度又对应于不同的时间尺度（Time Scale），其研究对象、研究方法和研究任务是不同的，图6-1-1中形象地描绘了多尺度计算材料学的研究框架。

（1） “埃与皮秒”量级的基于量子力学计算的原子、电子层次

（2） “微米和小时”量级的基于材料热、动力学研究的显微层次

（3） “米和年”量级的基于有限元连续介质宏观层次研究

对应物理量单位分别代表的含义为：

埃（原子间的距离）皮秒（原子振动时间）

微米（晶粒尺度）小时（热处理时间）

米（工程构件尺度）年（寿命）

QM,MD,MC

10-10

图6-1-1材料模型的层次划分

Fig.6-1-1Different time scales and length scales in materials model

（QM-Quantum Mechanics, First-principles calculations, MD=Molecular Dynamics Simulation, MC=Monte Carlo Simulation, CALPHAD=CALculation of PHase Diagram, PFM=Phase field Method, FEM =Finite Element Method, PFM*=Probabilitistic Fracture Mechanics)

6.1.2多尺度计算材料学耦合

从图6-1-1可以看到，在不同的时间／空间尺度范畴内研究内容和所用理论方法是不同的。对微观层次及以下的空间范围，量子力学第一性原理计算，分子动力学模拟，蒙特卡罗法是最有力的研究工具。从理论上讲，第一性原理方法只需要5个基本物理常数（即电子质量m0、电子电量e、普朗克常数h、真空中光速c、玻尔兹曼常数k B），原子种类和原子在空间中的位置安排（即晶体结构），而不需要其它经验参数就可以非常精确地计算出体系的总能，微观结构与状态，在当前的材料科学的计算模拟研究方面发展异常迅速。而分子动力学方法应用极为普遍，它根据粒子间相互作用势，计算多粒子系统的结构和动力学过程。蒙特卡洛模拟方法也叫也叫随机模拟法，可以用来优化系统的结构，比如材料科学中寻找能量有利的原子排列方式等。原则上，可用这些方法计算各种物系的结构和性质。对于以连续介质概念为基础的显微尺度模拟计算，这类计算以材料热、动力学，缺陷动力学、结构动力学研究为主要内容，计算热力学和相场模拟是最为有效的方法；例如，用热力学方法预测材料的相变过程及相变产物组成和显微结构，从而定量设计材料的成分和热加工工艺。而对于连续介质力学等宏观问题，有限元法和有限差分法能有效地处理实际问题。这种方法一般与材料或器、部件的工业生产和使用有关。例如，非晶态合金一般用液态合金经急冷而成，在生产非晶态合金宽带时，必须保证宽带中没有晶化“缺陷”，这就要求所用设备和工艺条件能保证获得均匀高速的冷却条件。采用计算机模拟计算液体合金快冷时的传热传质过程，有助于设计合理的设备和工艺，以保证产品质量。同时，在一些工程零、部件或电子元器件的设计过程中，结合材料的结构与性能，采用有限元分析和概率断裂力学方法，研究零、部件的质量与服役可靠性，从而为零部件的优化设计和使用维护提供科学依据。

计算材料学的各个尺度之间又是相互耦合的。有的学者曾经把这种多尺度框架形象地喻为材料科学与工程研究中的“食物链”，意思是由前一级时间／空间尺度范畴计算所输出的结果，可作为下一级(较大)时间／空间尺度范畴进行计算的输入，这就是所谓的自下而上(Bottom-up)的设计思路。反之，较大一级时间／空间尺度范畴的结构与性能的本质原因总是可以追溯到前一级的结构与性质的，这就是所谓的自上而下(top-down)的设计思路。但是，目前计算材料学的各个模拟研究层次间的结合并不紧密，在研究过程中常常只能针对某一特殊现象对材料的某一局部进行研究，使得计算材料学的发展受到很大限制。如何发展一种新型的模拟方法，使三种不同模拟层次相耦合，建立计算机模拟的统一模型，成为计算材料学发展的关键。美国宾西法尼亚州立大学华人学者刘梓葵（Zi-Kui Liu）教授提出了一个多尺度计算材料学集成框架，用于多组元材料的建模、模拟和设计，如图6-1-2所示。该理论框架包含四个进程，分别为：

（1）基于电子、原子尺度的量子化学第一性原理计算（First-Principles Calculations）来预测一元、二元和三元化合物和固溶相的热力学性质、点阵参数、动力学数据；

（2）通过相图和热力学数据优化方法（CALPHAD）来优化计算多组元体系的热力学性质，点阵参数，动力学性质；

（3）通过相场方法（Phase Field Simulation）模拟显微组织的演化过程；

（4） 通过有限元分析（OOF）显微组织的力学反应。

这些进程通过离散和并行算法以及分布式计算机软件构架集成到一起。

图6-1-2. An integrated four-stage multiscale approach for multicomponent materials modeling,

simulation and design [2006Liu, 2004Liu]

6.1.3 材料设计的途径

材料设计一般是通过数据库和专家系统来实现的。

材料知识库和数据库技术

材料知识库和数据库就是以存取材料知识和性能数据为主要内容的数值数据库。计算机化了的材料知识和性能数据库具有一系列优点：如存贮信息量大、存取速度快、查询方便、使用灵活；具有多种功能，如单位转换及图形表达等；已获得广泛应用，并可以与CAD/CAM配套使用，也可与人工智能技术相结合，构成材料性能预测或材料设计专家系统等。与早期数据的自由管理方式和文件管理方式相比，计算机的材料知识库和性能数据库还具有数据优化、数据独立、数据一致、数据共享以及数据保护等优点。

在数据库系统中，数据库管理系统是一个负责数据库管理和维护的软件系统，它负责数据库的建立、操纵、管理和维护。数据库管理系统又分为层次型、网络型和关系型三种。关系型数据库管理系统的出现，促进了数据库的小型化和普及化，使得在微机上配置数据库系统成为可能。

除了数据管理软件外，数据的收集、整理和评价是建立数据库的关键。一个材料数据库通常应包括材料的组分、材料的加工、材料的试验条件、材料的性能数据、以及材料的应用和评价

等。本章中我们将对材料热力学数据库的建立进行详细的介绍。

材料设计专家系统

当前，国际上的材料数据库正朝着智能化和网络化的方向发展。智能化是使材料数据库发展成为专家系统；网络化是将分散的、彼此独立的数据库相联而成为一个完整系统。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。最理想的专家系统是从基本理论出发，通过计算和逻辑推理，预测未知材料的性能和制备方法。专家系统的研究始于20世纪60年代中期，最简单的专家系统包括一个知识库和一个推理系统。专家系统还可以集成数据库、模式识别、人工神经网络以及各种运算模块。这些模块的综合运用可以有效地解决设计中的有关问题。但由于制约材料结构和性能的因素极其复杂，在可以预见的将来，这种完全演绎式的专家系统还难以实现。目前的专家系统是以经验知识和理论知识相结合（即归纳与演绎相结合）为基础的，在一定范围和一定程度上，它能为某些特定材料的开发提供指导。

材料设计专家系统大致有以下几类：

1) 以知识检索、简单计算和推理为基础的专家系统

专家系统可以进行知识检索、数据计算和简单逻辑推理，充分利用材料知识库和数据库中海量而又庞杂的信息。

2) 以计算机模拟和运算为基础的材料设计专家系统

材料研究的核心问题之一是材料的成分、工艺、结构和性能关系。在对材料的物理、化学性质已经了解的前提下，有可能对材料的成分、工艺、结构和性能关系进行计算机模拟或用相关的理论进行运算，以预报材料性能和制备方案。

3) 以模式识别和人工神经网络为基础的专家系统

模式识别和人工神经网络是处理受多种因子影响的复杂数据集、用于总结半经验规律的有力工具。材料的成分、工艺、结构和性能之间的关系受多种因素的制约，故可用模式识别和人工神经网络从已知实验数据集中总结出数学模型，并据此预报未知材料的优化配方、工艺和性能。

4) 以材料智能加工为目标的材料设计专家系统

材料智能加工是材料设计研究的新发展，其目标是通过在位传感器在材料制造过程中采集信息，并输入智能控制以实现控制决策，使制备中的材料能循着最佳途径成为性能优良、稳定以及成品率高的材料。材料智能加工研究始于20世纪80年代中期，已在大直径砷化镓单晶制备、碳纤维增强碳基体复合材料的制备、粉末热压、以及喷射成形等方面得到应用并取得良好效果。

本节总结

由于新材料研究和制备过程的复杂性、试验条件的局限，迫切需要在计算机上，而不是在实验室，对新材料的成分、工艺、结构和性能进行计算和模拟。固体物理、量子化学、统计力学、计算数学的深入发展，以及现代计算机运行速度、存储容量的空前提高，为计算材料学的快速发展提供了可能。计算材料学的发展和应用无疑对新材料的研制开创了更广阔的空间。本节简要介绍了材料设计和计算机模拟，即计算材料学的基本概念，模拟的层次、方法以及重要意义。

主要参考文献：

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