计算材料学的五个程序
三维行走
INTEGER X,XY(1:1000,1:1000),y,XN(1:6),YN(1:6),ZN(1:6),RN REAL XYM(1:1000)
! X:INSTANTANEOUS POSITION OF ATOM
! XY(J,I)：X*Y ,J:第几天实验,I:第几步跳跃
! XYM(I): THE MEAN OF XY
WRITE(*,*) "实验天数JMAX，实验次数IMAX"
READ(*,*) JMAX,IMAX
XN=(/0,0,-1,1,0,0/)
YN=(/-1,1,0,0,0,0/)
ZN=(/0,0,0,0,1,-1/)
ISEED=RTC()
DO J=1,JMAX !第几天实验
X=0 !!!
Y=0 !!!
Z=0
DO I=1,IMAX !第几步跳跃
RN=6*RAN(ISEED)+1
X=X+XN(RN)
Y=Y+YN(RN)
Z=Z+ZN(RN)
XY(J,I)=X*X+Y*Y+Z*Z
END DO
END DO
OPEN(1,FILE="C:\DIF2.DAT")
DO I=1,IMAX
XYM=0.0
XYM(I)=1.0*0
SUM(XY(1:JMAX,I))/JMAX !!
WRITE(1,*) I, XYM(I)
END DO
CLOSE(1)
END
单晶长大
基体上单晶粒形核长大
（1、 选取初始形核点
（2、 定义体积能的变化）
USE MSFLIB
PARAMETER IR=400,JR=400
INTEGER
IS(0:IR+1,0:JR+1),TMAX,ISN(1:8),NSTATE,T,NR,IX,IY WRITE(*,*)"PLEASE INPUT THE TIME STEP "
READ(*,*)TMAX
ISEED=RTC()
! 定义圆心和半径
IRC=IR/2
JRC=JR/2
! 定义基体和圆晶粒分别为状态10、状态2
IS=10
IS(IRC,JRC)=2
OPEN(1,FILE="E:\LUKE.DAT")
! 寻找晶粒边界，计算能量，改变状态。
DO T=1,TMAX
DO X=1,IR
DO Y=1,JR
IX=IR*RAN(ISEED)+1
JY=JR*RAN(ISEED)+1
ISN=(/IS(IX-1,JY-1),IS(IX-1,JY),IS(IX-1,JY+1),IS(IX,JY-1) !,IS(IX,JY+1),IS(IX+1,JY-1),IS(IX+1,JY),IS(IX+1,JY+1)/) E0=COUNT(ISN.NE.IS(IX,JY))
! 如果不是圆晶粒边界，则跳出，重新循环
IF(E0.EQ.0)CYCLE
! 随机寻找一个相邻点
NR=8*RAN(ISEED)+1
NSTATE=ISN(NR)
! 判断与相邻点的能量差，并决定是否改变状态
E=COUNT(ISN.NE.NSTATE)
RD=RAN(ISEED)
DE=E-E0+NSTATE-IS(IX,JY)+2.5*RD-1.25
IF(DE.LT.0.0)IS(IX,JY)=NSTATE
ISRE=SETCOLOR(IS(IX,JY))
ISRE=SETPIXEL(IX,JY)
ENDDO
ENDDO
WRITE(1,*)T,SQRT(1.0*COUNT(IS.EQ.2))
ENDDO
CLOSE(1)
END
多晶长大
USE MSFLIB
! 定义常数名
PARAMETER IR=400,JR=400,NMAX=100
! 定义变量：体积能变量（一维数组）；基体各像素点变量（二维数组），邻居的取向号（一维数组）等；
INTEGER
IS(0:IR+1,0:JR+1),TMAX,ISN(1:8),NSTATE,T,NR,IX0,IY0,IX,IY INTEGER IGV(0:NMAX)
! 读取晶粒生长步长；
WRITE(*,*)"PLEASE INPUT THE TIME STEP "
READ(*,*)TMAX
ISEED=RTC()
! 定义晶粒长大位置（100个形核点初始形核位置），并附已不同的取向号
DO I=1, NMAX
IX0=IR*RAN(ISEED)+1
JY0=JR*RAN(ISEED)+1
IS(IX0,JY0)=I
END DO
! 边界条件
IS(0,1:JMAX)=IS(IMAX,1:JMAX)
IS(IMAX+1,1:JMAX)=IS(1,1:JMAX)
IS(0:IMAX+1,0)=IS(0:IMAX+1,JMAX)
IS(0:IMAX+1,JMAX+1)=IS(0:IMAX+1,1)
OPEN(1,FILE="E:\LUKE.DAT")
! 定义基体体积能为10,所有晶粒体积能为1
IGV=1
IGV(0)=10
! 寻找晶粒边界。
DO T=1,TMAX
DO X=1,IR
DO Y=1,JR
IX=IR*RAN(ISEED)+1
JY=JR*RAN(ISEED)+1
ISN=(/IS(IX-1,JY-1),IS(IX-1,JY),IS(IX-1,JY+1),IS(IX,JY-1)
&
,IS(IX,JY+1),IS(IX+1,JY-1),IS(IX+1,JY),IS(IX+1,JY+1)/)
E0=COUNT(ISN.NE.IS(IX,JY))
! 如果不是晶粒边界，则跳出，重新循环
IF(E0.EQ.0)CYCLE
! 随机寻找一个相邻点
NR=8*RAN(ISEED)+1
NSTATE=ISN(NR)
! 判断与相邻点的能量差，并决定是否改变状态
RD=RAN(ISEED)
E=COUNT(ISN.NE.NSTATE)
IG=IGV(ISN(NR))-IGV(IS(IX,JY))
DE= IG +E-E0+2.5*RD-1.25
IF(DE.LT.0.0)IS(IX,JY)=NSTATE
ISRE=SETCOLOR(MOD(IS(IX,JY),15))
ISRE=SETPIXEL(IX,JY)
ENDDO
ENDDO
WRITE(1,*)T,SQRT(1.0*COUNT(IS.NE.0))
ENDDO
CLOSE(1)
END
元胞自动机单晶长大
USE MSFLIB
PARAMETER IR=400,JR=400
INTEGER
IS(0:IR+1,0:JR+1),TMAX,ISN(1:8),NSTATE,T,NR,IX0,IY0,IX,JY
!! 根据过去状态IS，定义现在状态为IS1；为了突出边界，特别定义ISN1
INTEGER IS1(0:IR+1,0:JR+1),ISN1(1:8)
WRITE(*,*)"PLEASE INPUT THE TIME STEP "
READ(*,*)TMAX
ISEED=RTC()
IRC=IR/2
JRC=JR/2
!!
! 定义基体体积能为10,晶粒体积能为1
IS=10
IS(IRC,JRC)=1
!! 在循环前定义现在状态数组IS1的初始值
IS1=IS
OPEN(1,FILE="E:\LUKE.DAT")
DO T=1,TMAX
!! 每次循环前重新定义过去状态数组IS
IS=IS1
! 边界条件
IS(0,0:JR+1)=IS(R, 0:JR+1)
IS(IMAX+1, 0:JR+1)=IS(1, 0:JR+1)
IS(0:IR+1,0)=IS(0:IR+1,JR)
IS(0:IR+1,JR+1)=IS(0:IR+1,1)
!! 整个基体上，各个点上的状态都要根据规则改变，而非随机取点改变
DO IX=1,IR
DO JY=1,JR
ISN=(/IS(IX-1,JY-1),IS(IX-1,JY),IS(IX-1,JY+1),IS(IX,JY-1)
&
,IS(IX,JY+1),IS(IX+1,JY-1),IS(IX+1,JY),IS(IX+1,JY+1)/)
E0=COUNT(ISN.NE.IS(IX,JY))
! 如果不是晶粒边界，则跳出，重新循环
IF(E0.EQ.0)CYCLE
! 随机寻找一个相邻点
NR=8*RAN(ISEED)+1
NSTATE=ISN(NR)
! 判断与相邻点的能量差，并决定是否改变状态
E=COUNT(ISN.NE.NSTATE)
RD=RAN(ISEED)
IG=NSTATE-IS(IX,JY)
DE=E-E0+IG+2.5*RD-1.25
!! 用现在状态数组IS1记录边界状态的改变
IF(DE.LT.0.0)IS1(IX,JY)=NSTATE
END DO
END DO
!! 每循环20次在显示屏幕上刷新状态（颜色）
DO IX=1,IR
DO JY=1,JR
IF(MOD(T,20).EQ.0)THEN
ISN1=(/IS1(IX-1,JY-1),IS1(IX-1,JY),IS1(IX-1,JY+1),IS1(IX,JY-1) &
,IS1(IX,JY+1),IS1(IX+1,JY-1),IS1(IX+1,JY),IS1(IX+1,JY+1)/)
ISRE=SETCOLOR(IS(IX,JY))
! 如果是边界，定义特别颜色15,加以区分
IF(COUNT(ISN1.NE.IS1(IX,JY)).GT.0)
ISRE=SETCOLOR(15)
ISRE=SETPIXEL(IX,JY)
END IF
ENDDO
ENDDO
!!
! 记录循环次数和对应的晶粒面积
WRITE(1,*)T, SQRT(1.0*COUNT(IS.EQ.1))
ENDDO
CLOSE(1)
END
元胞自动机模拟多晶长大
-------------------------------------------------未完待续
计算材料学
计算材料学 计算材料学是近20年里发展起来的一门边缘学科. 它运用固体物理理论, 理论化学和计算机算法来研究材料里的一些实验研究有困难的课题. 它是材料研究里的"计算机实验". 本课程主要介绍计算材料学里的原子和纳米尺度模拟的一些常用方法, 如原子相互作用势、最小能量法、分子动力学、蒙特卡洛方法, 也简单介绍了电子－原子尺度的模拟方法、微观－介观尺度的模拟方法、介观－宏观尺度的模拟方法和跨尺度模拟方法. 本课程还采用材料研究中的实际例子来说明这些方法的运用. 课程性质： 学时：32 对象：研究生 教学用语：中文/英语 先修课要求：高等数学, 大学物理, 量子与统计，固体物理 教学内容 1．绪论(2学时) 1.1 计算材料学的发展概况 1.2 计算材料学的范围与层次 2．原子相互作用势(4学时) 2.1 原子相互作用势的一般形式 2.2经验性对势 2.3 多体势 2.4 壳模型 2.5 键级势 3．最小能量法(6学时) 3.1 完整晶体结构模拟
3.2 缺陷模拟 3.3 自由能最小能量法 3.4 表面结构模拟 4．分子动力学方法(6学时) 4.1 原子系统的运动方程 4.2 运动方程的积分 4.3 边界条件 4.4 分子动力学方法在材料科学中的应用 5．蒙特卡洛方法(6学时) 5.1 随机数 5.2 蒙特卡洛积分 5.3 Metropolis蒙特卡洛方法 5.4蒙特卡洛方法的误差 5.5 蒙特卡洛方法在材料科学中的应用 6．电子－原子尺度的模拟方法简介(3学时) 6.1 Hartree-Fock 方法 6.2 分子轨道理论 6.3 从头计算法 6.4 紧束缚势方法 6.5 局域电子密度泛函理论 7．微观－介观尺度的模拟方法简介(3学时) 7.1 离散位错静力学和动力学 7.2 Ginzburg-Landau相场动力学模型
计算材料学
摘要：本文通过第一性原理方法，从理论角度研究掺杂 ZnO 的电子结构（包括能带结构、电子态密度）。氧化锌（ZnO）是一种有着广泛的应用前景的宽带隙半导体材料，属 II-VI 族,在光电和压电等方面有着优越的价值。在室温下禁带宽度为 3.37eV，束缚激子能高达60meV。 关键词：ZnO 第一性原理能带结构态密度 ZnO 是一种有着十分广泛的应用前景宽带隙半导体材料。ZnO 有三种晶体结构，如图 1（a）、（b）、（c）分别是纤锌矿结构、闪锌矿结构、岩盐矿结构。自然条件下以四配位纤锌矿结构存在—低压稳定相。闪锌矿结构可以在立方基底上生长获得，而岩盐矿结构通过对纤锌矿加压，在压力大于 9GPa 条件下得到。究人员通过大量的实验发现：纤锌矿结构的 ZnO 是性质最稳定的一种宽禁带氧化物半导体材料之一。 （a）（b）（c） 图1 ZnO 有三种晶体结构 1 模型构建与计算方法 1.1 模型构建 理想ZnO 是六方纤锌矿结构, 属于P63/mc 空间群, 对称性为C6v-4, 晶格常数 a=b=0.3249 nm, c=0.5206 nm, α= β = 90°, γ=120°. 其中c/a 为1.602, 较之理想六角密堆积结构的1.633 稍小. c 轴方向的Zn—O 键长为0.1992 nm, 其他方向为0.1973 nm,其晶胞由氧的六角密堆积和锌的六角密堆积反向套构而成.计算选用 2×2×2 的 ZnO 超晶胞，由 8 个 ZnO 单胞组成，共包含 32 个原子。如图2所示 图2 ZnO的结构模型（正视图和俯视图） 1.2 计算方法 文中所有的计算工作均由MS 软件中的Castep软件包完成. Castep 软件是一个基于密
材料科学基础习题与答案
- 第二章 思考题与例题 1. 离子键、共价键、分子键和金属键的特点，并解释金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体高的原因 2. 从结构、性能等方面描述晶体与非晶体的区别。 3. 何谓理想晶体何谓单晶、多晶、晶粒及亚晶为什么单晶体成各向异性而多晶体一般情况下不显示各向异性何谓空间点阵、晶体结构及晶胞晶胞有哪些重要的特征参数 4. 比较三种典型晶体结构的特征。（Al 、α-Fe 、Mg 三种材料属何种晶体结构描述它们的晶体结构特征并比较它们塑性的好坏并解释。）何谓配位数何谓致密度金属中常见的三种晶体结构从原子排列紧密程度等方面比较有何异同 5. 固溶体和中间相的类型、特点和性能。何谓间隙固溶体它与间隙相、间隙化合物之间有何区别（以金属为基的）固溶体与中间相的主要差异（如结构、键性、性能）是什么 6. 已知Cu 的原子直径为A ，求Cu 的晶格常数，并计算1mm 3Cu 的原子数。 （ 7. 已知Al 相对原子质量Ar （Al ）=，原子半径γ=，求Al 晶体的密度。 8 bcc 铁的单位晶胞体积，在912℃时是；fcc 铁在相同温度时其单位晶胞体积是。当铁由 bcc 转变为fcc 时，其密度改变的百分比为多少 9. 何谓金属化合物常见金属化合物有几类影响它们形成和结构的主要因素是什么其性能如何 10. 在面心立方晶胞中画出[012]和[123]晶向。在面心立方晶胞中画出（012）和（123）晶面。 11. 设晶面（152）和（034）属六方晶系的正交坐标表述，试给出其四轴坐标的表示。反之，求（3121）及（2112）的正交坐标的表示。（练习），上题中均改为相应晶向指数，求相互转换后结果。 12.在一个立方晶胞中确定6个表面面心位置的坐标，6个面心构成一个正八面体，指出这个八面体各个表面的晶面指数，各个棱边和对角线的晶向指数。 13. 写出立方晶系的{110}、{100}、{111}、{112}晶面族包括的等价晶面，请分别画出。
《材料科学基础》课后答案(1-7章)
第一章 8．计算下列晶体的离于键与共价键的相对比例 (1)NaF (2)CaO (3)ZnS 解：1、查表得：X Na =,X F = 根据鲍林公式可得NaF 中离子键比例为：21 (0.93 3.98)4 [1]100%90.2%e ---?= 共价键比例为：%=% 2、同理，CaO 中离子键比例为：21 (1.00 3.44)4 [1]100%77.4%e ---?= 共价键比例为：%=% 3、ZnS 中离子键比例为：2 1/4(2.581.65)[1]100%19.44%ZnS e --=-?=中离子键含量 共价键比例为：%=% 10说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义．说明稳态结构与亚稳态结构之间的关系。 答：结构转变的热力学条件决定转变是否可行，是结构转变的推动力，是转变的必要条件；动力学条件决定转变速度的大小，反映转变过程中阻力的大小。 稳态结构与亚稳态结构之间的关系：两种状态都是物质存在的状态，材料得到的结构是稳态或亚稳态，取决于转交过程的推动力和阻力(即热力学条件和动力学条件)，阻力小时得到稳态结构，阻力很大时则得到亚稳态结构。稳态结构能量最低，热力学上最稳定，亚稳态结构能量高，热力学上不稳定，但向稳定结构转变速度慢，能保持相对稳定甚至长期存在。但在一定条件下，亚稳态结构向稳态结构转变。 第二章 1．回答下列问题： (1)在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向： (001）与[210]，(111）与[112]，(110)与 [111],(132)与[123],(322)与[236］ (2)在立方晶系的一个晶胞中画出（111)和 （112)晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。 (3)在立方晶系的一个晶胞中画出同时位于（101). (011)和（112)晶面上的[111]晶向。 解：1、 2．有一正交点阵的 a=b, c=a/2。某晶面在三个晶轴上的截距分别为 6个、2个和4个原子间距，求该晶面的密勒指 数。
计算材料学实验
实验四利用Material Studio分析研究晶体材料性能 姓名：高峰学号：1309050307 班级：材料物理1303 日期：2016.3.29 一、实验目的 1、了解Material Studio(MS)软件中有关固体材料科学设计各个模块功能； 2、掌握在 MS软件Materials Visualizer 子模块中创建晶体结构模型； 3、掌握在 MS 材料计算软件中研究晶体材料性质的方法； 4、掌握查看和分析晶体材料属性的方法。 5、分析AlAs晶体的晶格常数、态密度、能带图等性质。 二、实验原理及方法 Materials Studio 是世界上著名的计算材料软件，其拥有十分强大的材料计算和设计功能。该软件中的Materials Visualizer 子模块，可用于构建晶体模型。根据晶体学与本课程所学知识，每种晶体都有其特有的晶体结构排布，每个原子占据一定的原子位置，每种晶体都具有相应的晶格常数、对称性等晶体学数据。 Materials Visualizer 子模块可给出晶体结构的直观模型，并可以分析出晶体的晶格参数、空间群、原子坐标的数据。 CASTAP是特别为固体材料学而设计的一个现代的量子力学基本程序，其使用了密度泛函(DFT）平面波赝势方法，进行第一原理量子力学计算，以探索如半导体，陶瓷，金属，矿物和沸石等材料的晶体和表面性质。Material Studio使用组件对话框中的CASTAP选项允许准备，启动，分析和监测CASTAP服役工作。 CASTAP的任务：能量任务、几何优化任务、动力学任务、性质任务。 三、实验仪器 Materials Studio 软件、计算机。 四、实验步骤 1.构建晶体模型 （1）创建空的单胞：build --build crystal，选择合适的空间群和晶格常数。（2）添加原子： build --add atoms输入原子种类及原子坐标。若有原子在晶胞外，选择rebuild。 （3）构建原胞：build --symmetry –primitive cell。 2.晶体模型计算 （1）结构优化：modules --CASTEP –calculation--setup --task --geometry optimization，计算精度根据计算的时间要求及单胞中的原子个数，一般选为fine；函数选默认的GGA-PBE 方法。 （2）性质计算：在setup 的同级对话框中选择properties，CASTEP 可完成的性质计算及计算过程中的计算精度控制等都可以在本对话框中进行选择。然后点击run，开始进行计算。 3.晶体模型分析 根据Modules--CASTEP --analysis 工具，可以分析出已计算的晶体性质。五、实验结果分析
材料科学基础课后习题答案
《材料科学基础》课后习题答案 第一章材料结构的基本知识 4. 简述一次键和二次键区别 答：根据结合力的强弱可把结合键分成一次键和二次键两大类。其中一次键的结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。一次键的三种结合方式都是依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层，从而使原子间相互结合起来。二次键的结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。二次键是一种在原子和分子之间，由诱导或永久电偶相互作用而产生的一种副键。 6. 为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高？ 答：材料的密度与结合键类型有关。一般金属键结合的固体材料的高密度有两个原因：（1）金属元素有较高的相对原子质量；（2）金属键的结合方式没有方向性，因此金属原子总是趋于密集排列。相反，对于离子键或共价键结合的材料，原子排列不可能很致密。共价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制；离子键结合时，则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻原子数都不如金属多，因此离子键或共价键结合的材料密度较低。 9. 什么是单相组织？什么是两相组织？以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。 答：单相组织，顾名思义是具有单一相的组织。即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。两相组织是指具有两相的组织。单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。晶粒尺寸对材料性能有重要的影响，细化晶粒可以明显地提高材料的强度，改善材料的塑性和韧性。单相组织中，根据各方向生长条件的不同，会生成等轴晶和柱状晶。等轴晶的材料各方向上性能接近，而柱状晶则在各个方向上表现出性能的差异。对于两相组织，如果两个相的晶粒尺度相当，两者均匀地交替分布，此时合金的力学性能取决于两个相或者两种相或两种组织组成物的相对量及各自的性能。如果两个相的晶粒尺度相差甚远，其中尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相晶粒的基体内。如果弥散相的硬度明显高于基体相，则将显著提高材料的强度，同时降低材料的塑韧性。 10. 说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义，说明稳态结构和亚稳态结构之间的关系。 答：同一种材料在不同条件下可以得到不同的结构，其中能量最低的结构称为稳态结构或平衡太结构，而能量相对较高的结构则称为亚稳态结构。所谓的热力学条件是指结构形成时必须沿着能量降低的方向进行，或者说结构转变必须存在一个推动力，过程才能自发进行。热力学条件只预言了过程的可能性，至于过程是否真正实现，还需要考虑动力学条件，即反应速度。动力学条件的实质是考虑阻力。材料最终得到什么结构取决于何者起支配作用。如果热力学推动力起支配作用，则阻力并不大，材料最终得到稳态结构。从原则上讲，亚稳态结构有可能向稳态结构转变，以达到能量的最低状态，但这一转变必须在原子有足够活动能力的前提下才能够实现，而常温下的这种转变很难进行，因此亚稳态结构仍可以保持相对稳定。 第二章材料中的晶体结构 1. 回答下列问题： （1）在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向： 32）与[236] （001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（132）与[123]，（2 （2）在立方晶系的一个晶胞中画出（111）和（112）晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。 解：（1）
材料科学基础_张代东_习题答案
第1章 习题解答 1-1 解释下列基本概念 金属键，离子键，共价键，德华力，氢键，晶体，非晶体，理想晶体，单晶体，多晶体，晶体结构，空间点阵，阵点，晶胞，7个晶系，14种布拉菲点阵，晶向指数，晶面指数，晶向族，晶面族，晶带，晶带轴，晶带定理，晶面间距，面心立方，体心立方，密排立方，多晶型性，同素异构体，点阵常数，晶胞原子数，配位数，致密度，四面体间隙，八面体间隙，点缺陷，线缺陷，面缺陷，空位，间隙原子，肖脱基缺陷，弗兰克尔缺陷，点缺陷的平衡浓度，热缺陷，过饱和点缺陷，刃型位错，螺型位错，混合位错，柏氏回路，柏氏矢量，位错的应力场，位错的应变能，位错密度，晶界，亚晶界，小角度晶界，大角度晶界，对称倾斜晶界，不对称倾斜晶界，扭转晶界，晶界能，孪晶界，相界，共格相界，半共格相界，错配度，非共格相界（略） 1-2 原子间的结合键共有几种？各自特点如何？ 答：原子间的键合方式及其特点见下表。 类 型 特 点 离子键 以离子为结合单位，无方向性和饱和性 共价键 共用电子对，有方向性键和饱和性 金属键 电子的共有化，无方向性键和饱和性 分子键 借助瞬时电偶极矩的感应作用，无方向性和饱和性 氢 键 依靠氢桥有方向性和饱和性 1-3 问什么四方晶系中只有简单四方和体心四方两种点阵类型？ 答：如下图所示，底心四方点阵可取成更简单的简单四方点阵，面心四方点阵可取成更简单的体心四方点阵，故四方晶系中只有简单四方和体心四方两种点阵类型。 1-4 试证明在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定相互垂直。 证明：根据晶面指数的确定规则并参照下图，（hkl ）晶面ABC 在a 、b 、c 坐标轴上的截距分别为 h a 、k b 、l c ，k h b a AB +-=，l h c a AC +-=，l k c a BC +-=；根据晶向指数的确定规则，[hkl ]晶向c b a L l k h ++=。 利用立方晶系中a=b=c ， 90=γ=β=α的特点，有 0))((=+- ++=?k h l k h b a c b a AB L 0))((=+-++=?l h l k h c a c b a AC L 由于L 与ABC 面上相交的两条直线垂直，所以L 垂直于ABC 面，从而在立方晶系具有相
计算材料学讲稿-6
第一次课绘制简单分子 一、画一个苯酰胺 目的：介绍Materials Visualizer中画结构的工具。 用到的模块：Materials Visualizer 化学家每天都要处理很多种类的小分子和中间物。所以容易的创建模型对建模环境都是很重要的。苯酰胺是典型的小分子结构。以下通过建立他的结构来学习Materials Studio。下面是要建立的苯酰胺的结构： Benzamide 1.创建3D文档： 从菜单中选择File | New...打开New Document对话框。选择3D Atomistic Document（三维原子文档），按OK。建立了一个三维窗口，工程管理器中显示建立了名为3D Atomistic Document.xsd的文件。在工程管理器这个文件名上右击鼠标，选择Rename改名。键入my_benzamide的新名字，按回车。选择File | Save 命令，或按标准工具条中的按钮。在my quickstart文件夹（每个工程都对应一个同名的文件夹）中建立了名为my_benzamide.xsd的文件。 2. 改变到Ball and Stick球棍模型显示方式。 三维窗口中右击鼠标，选择Display Style，打开Display Style对话框，在Atom 选项卡上设置。Materials Studio能在任何显示方式下添加原子。 3. 画环和原子链。
在草画工具条上单击Sketch Ring 按钮，鼠标移到三维窗口。鼠标变为 铅笔行状提示你处于草画模式。鼠标榜的数字表示将要画的环包括的原子数目。可以通过按3-8的数字键改变。确保这个数字为6，三维窗口中单击。画出了一个6个C原子的环。如果安装ALT键单击，产生共振键。 现在单击草画工具条Sketch Atom 按钮，这是通用添加原子工具，可加 入任何元素，默认加入C原子。如下在环上加入两个C原子。在环上移动鼠标，当一个原子变为绿色时单击，键的一端就在这个原子上，移动鼠标再单击就加入了一个C原子，再移动，并双击。这样在环上加入了两个原子。另一种结束添加原子的方法是在最后一个原子位置单击，然后按ESC键。注意，新加入的原子的化学键已经自动加上。 注意：你可以按Undo 按钮取消错误操作。 4、加入氧原子。 按Sketch Atom按钮旁的向下按钮，显示可选元素，选择氧Oxygen，在支链上移动鼠标，当变为蓝色显示时单击，这个原子就有了一个化学键，移动鼠标并双击。加入了O原子。在3D窗口工具条上按按钮，进入了选择模式。 5. 编辑元素类型。 单击链末端的C原子，选定它。选定的对象用黄色显示。按Modify Element按钮旁的箭头，显示元素列表，选择Nitrogen氮，选定的原子就变为了氮原子。单击三维窗口中空白地方，取消选择，就可以看到这种变化了。 6．编辑键类型。 在三维窗口中在C和O原子中间单击选定C－O键。选定的键以黄色显示。按下SHIFT键，单击其它三个相间的键。现在选定了三个C－C键和一个C－O键。 单击Modify Bond 按钮旁的向下按钮，显示键类型的下拉列表，选择Double Bond双键。取消选定。 7. 调整氢原子和结构 现在可以给结构自动加氢。单击Adjust Hydrogen 按钮，自动给模型加入
《计算材料学》结课复习
《计算材料学》结课复习 1. 根据模拟对象（空间）尺度和（时间）尺度的不同，我们可以选择相应的方法展开计算材料学模拟。 2.将多原子体系理解为电子和原子核组成的多粒子体系，并利用（绝热近似） 将二者的行为区别对待，从而分别利用（量子力学）和(经典力学）进行处理。 3.材料的性质和行为取决于（组成材料的原子及其电子的运动状态），描述原 子和电子的运动的物理基础是（量子力学）。 4.模拟原子实体系行为的主要方法是（分子动力学），其基本物理思想是求解 一定物理条件下的多原子体系的（牛顿运动方程），给出原子运动随时间的演化，通过（统计力学方法）给出材料的相关性能。 5.描述微观粒子的运动行为采用的是（薛定谔方程），在（<10-13）的微观层次，方程放之四海而皆准。方程建立容易，困难在于（求解）。求解多粒子体系的（薛定谔方程）必须针对具体内容而进行必要的（简化）和（近似）。 6.离子实体系的（牛顿）方程决定着体系的（声波的传导、热膨胀、晶格比热、晶格热导率和结构缺陷等）性质。 7.电子体系的（薛定谔）方程决定着体系的（电导率、热导率、超导电性和磁 学性能）等等。 8.对电子体系的（薛定谔方程）引入（单电子）近似、（自恰场）近似和（非 均匀电子气）理论，建立了（hartree－fock理论）和（密度泛函理论），从 而实现电子体系的方程（可解）。 9.（量子力学）使材料科学的体系和结构都了发生深刻的变化，使化学和物理 学界限模糊理论上（趋于统一），带动材料科学进入（分子水平）。 10. 70余年，量子力学经受物质世界不同领域（原子、分子、各种凝聚态、基 本粒子和宇宙物质等）实验事实的检验，其正确性无一例外。任何（唯象理论）都不可与之同日而语。 11. 量子力学的第一原理方法只借助（5个基本物理常数）：电子电量、电子 ,h, c和k)，不依赖任何（经 质量、普郎克常数、光速和玻耳兹曼常数 (e, m e 验参数）即可正确预测微观体系的状态和性质。 12.材料建模的不同尺度：电子结构(electronic structure) DFT 10-10 , 原 子结构(atomistic) MD/MC 10-8, 微结构 (microstructure) FEM 10-6 , 连续体(continuum)CFD 10-3 13.各种方法的英文名字及简写：密度泛函方法 density functional theory(DFT),分子动力学模拟molecular dynamics (MD), 蒙特卡罗模拟monte carlo(MC), 有限元方法 finite element method (FEM), 计算流体力学Computational fluid dynamics (CFD).
“材料科学与工程基础”习题答案题目整合版
“材料科学与工程基础”第二章习题 1. 铁的单位晶胞为立方体，晶格常数a=0.287nm ，请由铁的密度算出每个单位晶胞所含的原子数。 ρ铁＝7.8g/cm31mol 铁＝6.022×1023个=55.85g 所以，7.8g/1(cm)3=(55.85/6.022×1023)X/(0.287×10-7)3cm3 X ＝1.99≈2（个） 2.在立方晶系单胞中，请画出： （a ）[100]方向和[211]方向，并求出他们的交角； （b ）（011）晶面和（111）晶面，并求出他们得夹角。 （c ）一平面与晶体两轴的截距a=0.5,b=0.75,并且与z 轴平行,求此晶面的密勒指数。 （a ）[211]和[100]之夹角θ＝arctg 2=35.26。 或 cos θ==35.26θ=o （b ） cos θ==35.26θ=o （c ）a=0.5b=0.75z=∞ 倒数24/30取互质整数（320） 3、请算出能进入fcc 银的填隙位置而不拥挤的最大原子半径。 室温下的原子半径R ＝1.444A 。（见教材177页） 点阵常数a=4.086A 最大间隙半径R’=（a-2R ）/2=0.598A 4、碳在r-Fe （fcc ）中的最大固溶度为2.11﹪(重量百分数),已知碳占据r-Fe 中的八面体间隙,试计算出八面体间隙被C 原子占据的百分数。 在fcc 晶格的铁中，铁原子和八面体间隙比为1：1，铁的原子量为55.85，碳的原子量为12.01 所以（2.11×12.01）/(97.89×55.85)＝0.1002 即碳占据八面体的10％。
5、由纤维和树脂组成的纤维增强复合材料，设纤维直径的尺寸是相同的。请由计算最密堆棒的堆垛因子来确定能放入复合材料的纤维的最大体积分数。 见下图，纤维的最密堆积的圆棒，取一最小的单元，得，单元内包含一个圆（纤维）的面积。 2 0.9064==。 即纤维的最大体积分数为90.64％。 6、假设你发现一种材料，它们密排面以ABAC 重复堆垛。这种发现有意义吗？你能否计算这种新材料的原子堆垛因子? fcc 和hcp 密排面的堆积顺序分别是ABCABC……和ABAB…,如果发现存在ABACABAC……堆积的晶体，那应该是一种新的结构，而堆积因子和fcc 和hcp 一样，为0.74。 7.在FCC 、HCP 和BCC 中最高密度面是哪些面？在这些面上哪些方向是最高密度方向？ 密排面密排方向 FCC{111)}<110> HCP(0001)(1120) BCC{110)}<111> 8.在铁中加入碳形成钢。BCC 结构的铁称铁素体，在912℃以下是稳定的，在这温度以上变成FCC 结构，称之为奥氏体。你预期哪一种结构能溶解更多碳?对你的答案作出解释。 奥氏体比铁素体的溶碳量更大，原因是1、奥氏体为FCC 结构，碳处于八面体间隙中，间隙尺寸大（0.414R ）。而铁素体为BCC 结构，间隙尺寸小，四面体间隙0.291R ，八面体间隙0.225R ；2、FCC 的间隙是对称的，BCC 的间隙是非对称的，非对称的2
【PDF】计算材料学MDexpRef
计算材料学 分子动力学上机实验教程（2014.04） 课时安排、重要通知、更新、软件下载请见： https://www.360docs.net/doc/fa9114926.html, 上机实验相关软件分类介绍 分子动力学：LAMMPS --- 附录1 操作系统：CentOS（linux）--- 附录2 可视化：Atomeye --- 附录3（课堂使用），OVITO --- 附录4（推荐课下使用） 画图：Gnuplot --- 附录5 文本编辑：Gedit：Linux，GNOME桌面环境下兼容UTF-8的文本编辑器。它使用GTK+编写而成，简单易用，支持包括gb2312、gbk在内的多种字符编码。 远程登录和文件传输：sftp（Xmanager） 附录1. LAMMPS介绍： LAMMPS-Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator, 大规模原子分子并行模拟器。美国Sandia 国家实验室开发，开放源代码且可以免费获取使用，使用者可以根据自己需要自行修改源代码。LAMMPS可以支持包括气态，液态或者固态相形态下、各种系综下、百万级的原子分子体系，并提供支持多种势函数。 且LAMMPS有良好的并行扩展性。 材料领域，LAMMPS已经是准标准化的分子动力学软件。 LAMMPS官网：https://www.360docs.net/doc/fa9114926.html,/ 使用LAMMPS: (1)输入一般至少包括两个： (a)input文件: LAMMPS命令集成在该文本中，可以包括MD相关的模型结构，弛豫条件，加载方式，输出 内容等绝大多数信息。具体每一行语句在官网上有详细的解释。我们学习的一项主要内容是理解和改写input文件。 (b)势函数文件：将势函数的参数等信息独立出来，写成单独的一个文件，在input文件内调入使用。 (2)运行软件： 保证当前目录下写好了input文件和势函数文件，终端上输入命令（串行）: (3)输出一般有三个部分：（所有输出都与input文件与输出相关的指令相关） (a)直接输出在屏幕上，一些程序运行的关键信息直接出现输出屏幕上，一般是整个体系的信息。这些内容默 认保存在https://www.360docs.net/doc/fa9114926.html,mmps文件里，我们称为log文件。 (b)输出记录每个原子信息的文件，有多种形式，我们的到的x.cfg文件是可以被可可视化软件Atomeye直接 读取的。也可以用gedit直接打开，可以看到每一行记录一个原子的信息，比如坐标，速度，动能，势能等。 (c)其它按照input文件中的指令计算并输出的文件或者是对log文件中的内容处理提取得到的文件。同样可 以用gedit打开，我们可以对其进行后续的分析，计算，画图等处理。 Input脚本语法介绍： （LAMMPS版本更新非常快，这里只是对本课程所需的命令及其它部分常用命令的介绍，关注LAMMPS官网https://www.360docs.net/doc/fa9114926.html,/，是学习LAMMPS最有效的方法！） 以下□表示空格,红色表示可更改的参数
计算材料学_Ising模型实验报告
Monte Carlo实验报告 一、项目名称：Ising 模型 二、项目内容概要 1、编译和运行 进入实验的文件夹：cd□~/sourcecode/2D_Ising 文件夹里有源代码mc2d.f和输入文件in.2d 阅读理解并编辑输入文件：gedit□in.2d 之后编译mc2d.f f95 mc2d.f -o mc2d.exe 运行可执行文件 ./mc2d.exe 查看刚刚生成的四个输出文件，四个文件的内容如下： file1.out：温度；时间；单位原子能量；单位原子磁化强度 file2.out：温度；单位原子能量；能量变化；单位原子磁化强度；磁化强度变化；单位原子热容 file3.out：温度；自旋构型 file 4.out：温度；能量升高而被接受的数目；能量下降而被接受的数目；被拒绝的数目2、gnuplot 作图
作温度与能量图：p “file2.out” u 1:2 w p ps 3 pt 5 作出file2.out 中第1 列与第2 列数据； 作温度与磁化强度图：p “file2.out” u 1:4 w p ps 3 pt 5 作出file2.out 中第1 列与第4 列数据 作温度与热容图：p “file2.out” u 1:6 w p ps 3 pt 5 作出file2.out 中第1 列与第6 列数据 三、项目实施方法/原理 1925 年，伊辛提出描写铁磁体的简化模型：设有N 个自旋组成的d 维晶格 (d=1,2,3)，第i 格点自旋为Si=±1(i=1,2,…N; ±代表上下)。只考虑最近邻作用，相互作用能为±J(J>0 为铁磁性, J<0 为反铁磁性)，平行为-J，反平行为J。 伊辛模型的蒙特卡洛模拟基本步骤如下：
计算材料学
计算材料学（Computational Materials Science），是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。 计算材料学- 学科介绍 计算材料学（Computational Materials Science），是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。计算材料学主要包括两个方面的内容：一方面是计算模拟，即从实验数据出发，通过建立数学模型及数值计算，模拟实际过程；另一方面是材料的计算机设计，即直接通过理论模型和计算，预测或设计材料结构与性能。前者使材料研究不是停留在实验结果和定性的讨论上，而是使特定材料体系的实验结果上升为一般的、定量的理论，后者则使材料的研究与开发更具方向性、前瞻性，有助于原始性创新，可以大大提高研究效率。因此，计算材料学是连接材料学理论与实验的桥梁。 计算材料学- 研究领域 材料的组成、结构、性能、服役性能是材料研究的四大要素，传统的材料研究以实验室研究为主，是一门实验科学。但是，随着对材料性能的要求不断的提高，材料学研究对象的空间尺度在不断变小，只对微米级的显微结构进行研究不能揭示材料性能的本质，纳米结构、原子像已成为材料研究的内容，对功能材料甚至要研究到电子层次。因此，材料研究越来越依赖于高端的测试技术，研究难度和成本也越来越高。另外，服役性能在材料研究中越来越受到重视，服役性能的研究就是要研究材料与服役环境的相互作用及其对材料性能的影响。随着材料应用环境的日益复杂化，材料服役性能的实验室研究也变得越来越困难。总之，仅仅依靠实验室的实验来进行材料研究已难以满足现代 新材料研究和发展的要求。然而计算机模拟技术可以根据有关的基本理论，在计算机虚拟环境下从纳观、微观、介观、宏观尺度对材料进行多层次研究，也可以模拟超高温、超高压等极端环境下的材料服役性能，模拟材料在服役条件下的性能演变规律、失效机理，进而实现材料服役性能的改善和材料设计。因此，在现代材料学领域中，计算机“实验”已成为与实验室的实验具有同样重要地位的研究 手段，而且随着计算材料学的不断发展，它的作用会越来越大。 计算材料学的发展是与计算机科学与技术的迅猛发 展密切相关的。从前，即便使用大型计算机也极为困难的一些材料计算，如材料的量子力学计算等，现在使用微机就能够完成，由此可以预见，将来计算材料学必将有更加迅速的发展。另外，随着计算材料学的不断进步与成熟，材料的计算机模拟与设计已不仅仅是材料物理以及材料 计算理论学家的热门研究课题，更将成为一般材料研究人员的一个重要研究工具。由于模型与算法的成熟，通用软件的出现，使得材料计算的广泛应用成为现实。因此，计算材料学基础知识的掌握已成为现代材料工作者必备的 技能之一。 计算材料学涉及材料的各个方面，如不同层次的结构、各种性能等等，因此，有很多相应的计算方法。在进行材料计算时，首先要根据所要计算的对象、条件、要求等因素选择适当的方法。要想做好选择，必须了解材料计算方法的分类。目前，主要有两种分类方法：一是按理论模型和方法分类，二是按材料计算的特征空间尺寸(Characterist ic space scale)分类。材料的性能在很大程度上取决于材料的微结构，材料的用途不同，决定其性能的微结构尺度会有很大的差别。例如，对结构材料来说，影响其力学性能的结构尺度在微米以上，而对于电、光、磁等功能材料来说可能要小到纳米，甚至是电子结构。因此，计算材料学的研究对象的特征空间尺度从埃到米。时间是计算材料学的另一个重要的参量。对于不同的研究对象或计算方法，材料计算的时间尺度可从10-15秒（如分子动力学方法等）到年（如对于腐蚀、蠕变、疲劳等的模拟）。对于具有不同特征空间、时间尺度的研究对象，均有相应的材料计算方法。 目前常用的计算方法包括第一原理从头计算法，分子动力学方法，蒙特卡洛方法，有限元分析等。 计算材料学是目前材料科学中发展最快的科目。随着大量的论文发表和科研材料的科学家数量的快速增加，现在已有条件检验计算材料学对材料科学的影响。可以回顾以下计算机模拟在新材料的发展上起过什么作用，或许更重要的是，总结在材料性能的基础研究方面有哪些突破应该归公与计算机模拟。 有意思的是，人们对模拟方法的期望竟产会超过实际的结果，然而这些过高的期望往往更多来自非专业认识而不是那些正在做这些工作的饿人。如果问一个从事计算材料学的人关于现在使用的方法，他回非茶馆内谨慎地回答：尽管我们的方法很可靠，但仍需要大的发展。这些方法有欠缺并不奇怪，计算材料学只有几十年的历史。因此，我们在关注它现今的地位时，必须同样关注仿镇与建模的可靠性。这门年轻的学科，已经有诸多长足的发展，涉及到许多包含多种距离尺度的现象。 也许最原始的计算材料学是计算固体的电子结构。这些计算显然已经非常成功地表述了材料的结构和性质。现在，对于许多晶体材料，预计的点阵常数和实验值仅相差百分之几。最近的弹性常数计算方法得到了与实验值非常吻合的结果，而且实行起来也比实验容易得多。多体理论的发展，使得目前已能对简单半导体禁带宽度进行预测。 但是，基于这样一些成果，电子结构计算往往表述得似乎比实验值更精确。实际上，着些计算含有很多近似，而且很容易发生误导而得到错误的结论。此外，近似法限
计算材料学
Monte Carlo方法模拟及其应用 沈合平 （上海大学材料学院学院，上海200072） 摘要：扫描电子显微学中使用二次电子和背散射电子作为成像信号时遇到了一些问题，通过计算机模拟可以很好地解决这些问题.本文首先介绍了Monte Carlo方法，再介绍了Monte Carlo方法在扫描电镜模拟中的应用，并且总结了计算机模拟的发展方向。 关键词：扫描电子显微镜；衬度；Monte Carlo；计算机；模拟 Abstract:Scanning electron microscopy using the secondary electron and backscattered electron imaging signal as many problems encountered,which can be solved by computer simulation.This paper describes the Monte Carlo method, and then introduced the Monte Carlo method in the simulation of a scanning electron microscope, and summed up the direction of the computer simulation. Keywords:SEM;Contrast;Monte Carlo;computer;simulation 1. 引言 扫描电子显微学中使用二次电子和背散射电子作为成像信号。对于研究材料的表面形貌非常重要。低能二次电子主要反映试样的表面形貌特征,而较高能量的背散射电子既可在一定程度上反映试样的表面特征,也可表征试样的内部成分和结构差异。 多数二次电子的能量很小,从表面发射时的峰值能量仅为数eV,故其在材料内部的运动范围有限,只有那些在表面附近产生的二次电子才能从试样表面发射出来。二次电子主要用于表征试样的表面形貌特征。而具有较高能量的背散射电子则是入射电子在深入试样的内部后由于多次散射效应再从表面发射出来的那些电子,它们既包含试样的表面信息,也含有试样结构差异和内部成分的信息。 当用场发射扫描电镜观察数十纳米尺度以下的小颗粒时,衬度与大尺度颗粒的情形相差很大,二次电子图像仅仅呈现出一些亮点和较弱的光点,而背散射电子图像则显示大量的亮点,因此难以判定颗粒在基底表面的分布情况。由于该颗粒/基底体系的扫描电镜图像衬度的形成机制较为复杂[1,2],尚未得到理解,因而限制了从SEM图像中提取出有用信息。 如果能模拟计算二次电子和背散射电子信号产生的过程,将有助于理解扫描电子显微镜的成像和图像衬度机理。因此,研究者们利用电子散射轨迹模拟的Monte Carlo方法已做了一些研究,如Gauvin[3]模拟了一个嵌入到均匀基底内的球的背散射电子像和X射线像;Radzimski和Russ[4]基于利用Rutherford散射截面和Bethe阻止本领的单散射模型,模拟了多层多元素试样在二维方向上表面形貌的背散射电子像;而Yan和Gomati[5]则开发了一个三维的Monte Carlo程序用来模拟一些比较复杂试样的背散射电子和Auger电子像,但这个程序也要求试样的几何结构必须能被解析地表达出来,所以能模拟的情形仍然有限。特别是这些研究中还不能得到二次电子像,主要原因是因为计算二次电子发射的产额相当困难。 因此,无论从计算方法还是从应用前景,模拟成分非均匀和形貌特殊的试样成像(特别是二次电子像)均成为有重要意义的研究工作。 2.Monte Carlo方法 Monte Carlo 方法是在二战期间产生和发展起来的。他的奠基者是美籍匈牙利人数学家冯诺伊曼（J.Von Neumann 1903-1957）。作为Monte Carlo 方法的最初应用，是解决蒲丰氏
实验四：介观动力学模拟
《计算材料学》实验讲义粗粒度模拟 实验名称：介观动力学模拟 一、前言 1、介观模拟简介 长期以来，化学家致力于从分子水平研究物质及其变化，而化学工程工作者主要研究物质在宏观体系的行为，介观层次的化学正是联系微观及宏观的桥梁，是从分子到材料的必由之路，同生命过程也有密切的关联。 由于介观模拟能够模拟的空间尺度（纳米到微米）、时间尺度（纳秒到微妙）更大，应用介观模拟方法可以模拟更加复杂的体系，例如：高分子熔体，高分子稀溶液自组装，表面活性剂溶液自组装，磷脂膜等胶体化学，高分子，生物大分子相关的内容。 目前介观模拟的方法很多，例如耗散颗粒动力学模拟方法(dissipative particle dynamics，DPD)，它是根据Hoogerbrugge和Koelman提出的一种针对柔性(soft)球模型流体动力学的模拟，并通过引入粒子间的谐振动势，来模拟聚合物的性质；元胞动力学方法（CDS），基于重整化群理论，对时间相关的Ginzburg-Landau方程直接用数值计算的方法在离散空间上进行描述。其中单个元胞的演化通常用双曲正切函数表示；动态密度泛函方法（DDFT或MesoDyn），应用于高分子体系，建立在粗粒化高斯链模型的基础上，实际上是一个动态的自洽场方法，使用了朗之万方程（Langevin’s equation）来描述体系演化的动力学。 （1）MS-Mesocite简介 MS Mesocite是一个基于粗粒度模拟方法的、可以对广泛体系进行模拟研究的分子力学工具集，模拟的对象大小尺寸在纳米到微米尺度范围，相应地，模拟变化的时间范围落在纳秒至微秒区间。MS Mesocite的模拟对象遍及多种工业领域，比如复合材料、涂料、化妆品以及药物控缓释等，它可以提供流体在平衡态下、在有剪切力存在下以及其它受限制条件下的结构与动力学性质。MS Mesocite 的突出特点是使用完全区别于传统介观模拟技术，转而采用力场(Forcefield)方法—比如MS Martini力场—来描述粗粒度之间的相互作用，从而得到体系的结构、和动力学特性，分析函数主要有角度分布，密度分布，径向分布函数，二面角分布，均方根位移等。同时，您还可以使用力场编辑工具对MS Mesocite的力场进
计算材料学进展与趋势
计算材料学进展与趋势 计算材料学是近20年来，随着计算科学与技术的飞速发展，材料科学与物理、化学、数学、工程力学诸多学科相互交叉与渗透产生的一门新兴学科。计算材料学的内涵可以粗略概括为：根据材料科学和相关科学基本原理，通过模型化与计算实现对材料制备、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，降低材料过程成本。 根据研究对象的空间和时间尺度不同，材料计算的方法也有很大差别：研究材料的电子结构的方法有基于密度泛函理论的第一原理，常见的有计算固体材料的周期性体系的能带计算方法和孤立体系如分子簇方法，这些方法主要用于求解体系的基态电子结构和性质，近年来也发展了一些用以研究含时间的或激发态的电子结构方法。第一性原理方法由于直接基于基本的物理原理而不依赖于经验参数，因而具有很强的预测性，在未来合成材料之前先预测其可能的性质，因而对材料的设计具有很强的指导意义，近年其应用得到迅速发展，如金属中合金化效应的预测、金属间化合物中合金原子占据位置的预测、缺陷复合体的电子结构与性质的预测等，但由于其计算中考虑了电子的自由度，其运算量极大，所能研究的体系的尺度很小；在原子层次上研究材料行为常常采用原子力学或分子动力学方法，这些方法考虑原子间以一定的势函数相互作用，忽略了电子的自由度，可对更大的体系进行计算模拟，并可对静态或动态的原子机制提供了有效的途径；介观层次上对体系的模拟近年来有较快的发展，如合金中的相变微观组织演化过程可采用相场动力学或原胞自动化方法，这些方法使人们能够定量地描述不同过程中的组织变化的动力学规律，探索不同因素对微观组织形成的作用；宏观层次上的计算模拟常常采用有限元和有限差分方法，这些方法已经被广泛用语解决材料工程的实际问题，可为实际工艺的设计提供定量化的指导。对于不同的过程其发生的时间尺度也是迥然不同的，相应需要采用不同的模拟方法。对于许多材料的性质，常常由几个层次的结构来决定，因而近年来将不同方法结合起来的多尺度方法受到广泛的重视。关于近年来材料模拟的全面发展和具体研究方法可参考文献（YIP S(editor). Handbook of Materials ,New York: Springer,2005）。计算材料学的最终目标是实现新材料设计和材料制备与加工相关工艺的优化。 进展 美国 在关键材料集成设计基础研究方面，美国21世纪初启动了著名的“材料加速熟化”计划，组织了数十家产学研机构，选定喷气发动机用高温金属材料和飞机用先进复合材料两大目标，针对共性基础问题和难点问题，开展计算模拟与实验验证密切结合的集成设计与研制，其总目标是加速材料熟化，使新材料从启动研究到工程应用的周期缩短1/2，总成本降低1/3。该计划列出了需重点研究的材料集成设计相关基础问题，如1跨尺度计算模拟的关联方法；2金属—金属界面结构与物理性质及环境影响；3复杂合金体系中微观组织演化动力学4多晶体塑性与应力状态的动力学描述。 美国西北大学G.B.Olson等人采用多层次计算模拟方法，发展了由纳米晶粒计算直至结构性能预测的自下而上耦合程序，先后设计出性能优异的航天飞机轴承用耐热碳钢和新型高强度飞机起落架（OLSON G https://www.360docs.net/doc/fa9114926.html,putational design of