计算材料学

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计算材料-第一性原理

计算材料-第一性原理

第三章 计算材料学-第一性原理及应用
材料计算模拟的尺度
计算机在材料科学与工程中的应用
第三章 计算材料学-第一性原理及应用
典型模拟方法及所对应的模拟尺度
材料电子结构模拟-第一性原理 材料原子层次模拟-分子动力学 材料介观层次模拟-相场动力学 材料宏观层次模拟-有限元法
计算机在材料科学与工程中的应用
第三章 计算材料学-第一性原理及应用
多粒子体系的第一性原理
材料的性质(如硬度、电磁和光学性质)和发生在固体内 的物理和化学过程是由它所包含的原子核及其电子的行为 决定的。
理论上,给定一块固体化学成分(即所含原子核的电荷和 质量),我们就可以计算这些固体的性质。因为一块固体 实际上是一个多粒子体系。决定这个体系性质的波函数可 以通过解薛定谔(Schrödinger)波动方程来获得。
计算机在材料科学与工程中的应用
第三章 计算材料学-第一性原理及应用
计算材料学用途
曾庆丰说,迈海材料基因组国际研究院是在华夏幸福、清华产业 园、陕西金控等产业资本支持下成立的,预计到2020年形成初具 规模的产业链布局,主要包括材料基因组软件、新能源材料、低 维材料与器件、石墨烯、生物3D打印和特色专科医院等,将形 成超过10亿元人民币规模的材料基因组产业集群。
1964年,P.Hohenberg和W.Kohn在非均匀电子气理论的基础上,提出两个基本 定理,奠定了密度泛函理论的基础。
定理1:对于一个共同的外部势v(r), 相互作用的多粒子系统的所有基态性质都由
(非简并)基态的电子密度分布n(r)唯一地决定。
计算机在材料科学与工程中的应用
第三章 计算材料学-第一性原理及应用
1965年柯恩又和沈吕九证明(W. Kohn and L. J. Shan, Physical Review 140, All33):一个多粒子体系的粒子密度函数可以通过一个 简单的单粒子波动方程获得。这个单粒子波动方程现在被称作柯恩 -沈(Kohn-Sham)方程。 Hohenberg,Kohn和Shan的理论就是诺贝尔化学奖颁词所指的密 度泛函理论。显然,密度泛函理论大大简化了应用量子力学探讨材 料物理性质所涉及的数学问题。

计算材料学

计算材料学

《计算材料学》教学大纲课程英文名称:Caclulation of Material Science课程编号:0322212002课程计划学时:32学分:2课程简介:本课程是我院材料物理专业的专业基础课程。

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,还采用材料研究中的实际例子来说明这些方法的运用.通过本课程的学习,使学生对材料科学与工程中的计算方法,有一个全面的了解。

一、课程教学内容及教学基本要求第一章绪论本章重点:计算材料学的发展概况、计算材料学的范围与层次难点:无本章要求了解计算材料学的发展概况、计算材料学的范围与层次。

主要内容:1.计算材料学的发展概况2.计算材料学的范围与层次第二章分子动力学本章重点:原子间相互作用势模型、原子系统的运动方程、运动方程的积分、边界条件、分子动力学方法在材料科学中的应用。

难点:运动方程的积分、边界条件本章要求掌握经验性对势、多体势、壳模型、键级势(考核概率30%)。

原子系统的运动方程(考核概率25%)。

运动方程的积分、边界条件(考核概率40%)。

了解分子动力学方法在材料科学中的应用。

主要内容:1.原子间相互作用势模型2.原子系统的运动方程3.运动方程的积分4.边界条件5.分子动力学方法在材料科学中的应用第三章蒙特卡洛积分与模拟本章重点:随机数;蒙特卡洛积分;Metropolis蒙特卡洛方法;蒙特卡洛方法的误差;蒙特卡洛方法在材料科学中的应用难点:Metropolis蒙特卡洛方法;蒙特卡洛方法的误差本章要求掌握随机数(考核概率30%)、简单抽样非权重蒙特卡洛积分、重要抽样权重蒙特卡洛积分(考核概率100%)、正则系综微正则系综巨正则系综的Metropolis方法(考核概率60%)、自旋蒙特卡洛模型(考核概率10%)、蒙特卡洛方法的误差(考核概率65%)、了解蒙特卡洛方法在材料科学中的应用。

计算材料学-14-1

计算材料学-14-1

2.
M.I. Eremets, V.V. Struzhkin, H.K. Mao, R.J. Hemley, Science 293: 272-274 (2001).
27
材料模拟的重要性-解释相变机制
Two typical reason of pressure-induced metallization 1. Structural transition from low coordination insulator to a high coordination metallic phase (e.g., Si, Ge) Band overlap due to the increased interatomic interactions with pressure (e.g., I)
25
材料模拟的重要性-预言新的结构相
Phys. Rev. B60, 14177(1999). (理论预言)
Germanium Clathrate
A. M. Guloy, et al., Nature 443, 320 (2006). (实验合成)
26
材料模拟的重要性-解释相变机制
1. Boron (in β-phase) transforms from a nonmetal to a metal (superconductor) at about 160 GPa. The critical temperature of the transition increases from 6 K at 175 GPa to 11.2 K at 250 GPa.
Gerbrand Ceder, “COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE: Predicting Properties from Scratch”, Science, Vol 280, Issue 5366, 1099-1100 , 15 May 1998

00-计算材料学概论

00-计算材料学概论
对固体来说,运动学方程常用于计算一些相关参数。例如, 应变、应变率、刚体自转,以及在考虑到外部与内部约束 条件时晶体重新取向率。运动学约束条件常常是由样品制 造过程和研究时的实验过程所施加的。例如,在旋转的时 候,材料中任何近表面的部分不容许有垂直于旋转平面的 位移。
2.2.5 状态方程
状态方程是与路径无关的函数。把物性与态变量的实际取 值联系起来(参见表2.2),诸如电阻、屈服应力、自由焓等。
从头分子动力学和蒙特卡罗方法---------原子级别微结构的
行为
(材料物理)
有限元方法----------大尺度结构问题 (材料科学机械工程)
平均本构定律
计算材料学的研究对象跨度巨大。
第一章 引言
模型的时间空间跨度大,在集成不同尺度的模型过程中有 两种近似的方法。
顺序集成法(串联) 通过对空间和时间的离散化,采用非平均化方法在相对恰 当的较小尺度模拟推知本构定律,应用于下一个尺度。随 着模型尺度的增加唯象特征逐渐增加。
计算材料学
第一章 引言
Performance
Compositure
现代材料研究从某种意义上来说就是对微结构的研究。
第一章 引言
微结构,是指横跨埃到米的空间尺度上所有热力 学非平衡态晶格缺陷的集合。
空间尺度:几个埃~几米。 时间尺度: ps ~几年。 材料的研究目标之一:确定宏观性能与微观结构
之间的关系。 关键:确定和描述材料的晶格缺陷,以及晶格缺
陷的静态和动态特性。
第一章 引言
微结构的演变方向由热力学判断,而微结构实际 的演变路径则由动力学原理决定。热力学非平衡 机制会给出各种可能的、复杂的微结构。研究表 明,这样的微结构不是平衡态,而是处于远离平 衡的状态。正是这些非平衡状态,使得材料显示 出各种独特性质。

计算材料学

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。

材料计算毕业论文

材料计算毕业论文

材料计算毕业论文本篇毕业论文主要针对材料计算方向展开讨论,共计1200字。

首先介绍了计算材料学的发展历程及其现状,其次回顾了材料计算在实际应用中的优势与局限性,并结合实际案例进行分析,并最后对未来材料计算学科的发展做出展望。

一、计算材料学的发展历程及现状计算材料学是指借助计算机技术对材料的结构、性能等进行计算和模拟,从而提高材料设计的效率和精度的学科。

计算材料学从20世纪70年代开始发展起来,随着计算机技术的发展,它的应用范围也日益拓宽,成为了材料学研究领域中的一个重要分支。

目前,计算材料学的研究和应用主要包括以下方面:1.材料结构模拟:利用计算机模拟材料结构和材料内部原子的相互作用,推导材料的宏观性质。

2.材料性能模拟:借助计算机对材料的强度、刚度、韧性、导电性、热导率等性能进行预测和优化。

3.材料设计优化:依据材料的性质和结构,借助计算机进行材料的设计和优化。

以第一原理计算、分子动力学模拟、有限元计算和量子化学计算等为代表的计算方法在材料计算中得到广泛的应用。

此外,为了满足不同领域的需求,如化学、生物、物理、信息科学等,计算材料学还与这些领域交叉融合,发展出了诸如量子化学计算、多物理场计算、代谢网络模拟等新方法。

二、材料计算在实际应用中的优势与局限性1.优势:(1)提高材料设计的效率和精度:通过计算和模拟,可以预测材料的结构和性质,从而减少试错的过程,提高材料设计的效率和精度。

(2)节约成本:计算材料学不需要进行实验,可以一定程度上减少实验成本和时间。

(3)为材料学提供全新理论基础:计算材料学的方法常常探讨材料微观领域的变化,以及材料如何产生宏观力学性质。

2.局限性:(1)计算方法的局限性:计算方法的精度和准确性不同,有些计算只能预测大概趋势,不能完全准确。

(2)误差积累:计算往往需要通过多个步骤完成,每一步都会有误差,误差会随着步骤的增加而积累。

(3)缺乏实验数据的支持:在进行计算和模拟时,需要收集大量的实验数据用于建模,缺乏实验数据会影响预测精度和可靠性。

计算材料学导论课件

计算材料学导论课件
模型构建
利用数据构建模型,通过机器学习等方法预测材料的 性能和行为。
CHAPTER 06
计算材料学案例分析
材料模拟软件介绍
01
材料模拟软件概述
介绍材料模拟软件的基本概念、发展历程和应用领域,以及其在计算材
料学中的重要地位。
02
常用软件介绍
列举并简要介绍一些常用的材料模拟软件,如Material Studio、VASP
材料模拟技术的发展方向
介绍当前材料模拟技术的发展趋势和未来发展方向,如更高效的算法、更精确的量子力 学计算方法等。
材料模拟在新能源、新材料等领域的应用前景
探讨材料模拟在新能源、新材料等领域的应用前景和潜在价值,如太阳能电池材料、高 温超导材料等。
材料模拟与其他学科的交叉融合
分析材料模拟与其他学科的交叉融合发展趋势,如物理学、化学、生物学等,以及在交 叉领域中的应用前景。
计算材料学的历史与发展
要点一
总结词
计算材料学经历了从简单模型到复杂模拟的发展历程。
要点二
详细描述
计算材料学的历史可以追溯到上世纪50年代,当时科学家 开始使用简单的模型来研究材料的性质。随着计算机技术 和理论模型的不断发展,计算材料学逐渐成为一门独立的 学科,能够模拟更加复杂和真实的材料系统。未来,计算 材料学将继续发展,并与其他学科领域交叉融合,为解决 实际问题提供更多创新性的解决方案。
CHAPTER 02
计算材料学的基本原理
原子与分子理论
原子与分子是构成物质的基本单 元,通过研究它们的性质和行为 ,可以理解材料的结构和性质。
原子的核外电子排布、电子云分 布、化学键合等特性决定了物质
的化学性质。
分子的几何构型、振动和转动等 性质也深刻影响着材料的物理性

计算材料学概述

计算材料学概述

计算材料学概述计算材料学是基于物理建模与数值计算方法,通过理论计算主动对材料-器件-微系统的本征特性、结构与组分、使用性能以及合成与制备工艺进行综合设计,达到对材料结构与功能的调控,并提供优化设计和协同制造技术的一门交叉边缘学科。

1 密度泛函理论密度泛函理论是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法。

密度泛函理论在物理和化学上都有广泛的应用,特别是用来研究分子和凝聚态的性质,是凝聚态物理和计算化学领域最常用的方法之一。

在通常的多体问题电子结构的计算中,原子核可以看作静止不动的(波恩-奥本海默近似),这样电子可看作在原子核产生的静电势中运动。

电子的定态可由满足多体薛定谔方程的波函数描述:其中为电子数目,为电子间的相互作用势。

算符和称为普适算符,它们在所有系统中都相同,而算符则依赖于系统,为非普适的。

可以看出,单粒子问题和比较复杂的多粒子问题的区别在于交换作用项。

目前有很多成熟的方法来解多体薛定谔方程,例如:物理学里使用的图形微扰理论和量子化学里使用的基于斯莱特行列式中波函数系统展开的组态相互作用(CI)方法。

然而,这些方法的问题在于较大的计算量,很难用于大规模复杂系统的计算。

相比之下,密度函理论将含的多体问题转化为不含的单体问题上,成为解决此类问题的一个有效方法。

在密度泛函理论中,最关键的变量为粒子密度,它由下式给出霍恩伯格和沃尔特·科恩在1964年提出 [1],上面的关系可以反过来,即给出基态电子密度,原则上可以计算出对应的基态波函数。

也就是说,是的唯一泛函,即对应地,所有其它基态可观测量均为的泛函进而可以得出,基态能量也是的泛函,其中外势场的贡献可以用密度表示成泛函和称为普适泛函,而显然不是普适的,它取决于所考虑的系统。

对于确定的系统,即已知,需要将泛函对于求极小值。

这里假定能够得出和的表达式。

对能量泛函求极值可以得到基态能量,进而求得所有基态可观测量。

对能量泛函求变分极值可以用不定算子的拉格朗日方法,这由科恩和沈吕久在1965年完成 [2]。

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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
7.3 元胞自动机(CA)方法
7.4 介观尺度动力学蒙特卡洛和波茨模型
8.介观-宏观尺度的模拟方法简介(2学时)
8.1 介观-宏观尺度上的有限元方法
8.2 在宏观尺度上的有限差分方法
8.3 多晶体弹性及塑性模型
8.4 模型化与模拟的集成化
教材:自编讲义
参考书
1.D. 罗伯编著《计算材料学》,化学工业出版社 2002年。

2.Dierk Raabe, Computational Materials Science: The Simulation of Materials Microstructures and Properties, Wiley-VCH, 1998.
3.K. Ohno, K. Esfarjani, Y. Kawazoe, Computational Materials Science: From Ab Initio to Monte Carlo Methods, Springer , 1999.
4.Andrew R Leach, Molecular Modeling: Principle and Application, Longman, 1996.
5.熊家炯主编《材料设计》,天津大学出版社, 2000年。

6.马文淦编著,《计算物理学》,中国科技大学出版社, 2001年。

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