计算材料学概述
金属材料学(11)计算材料学2006.9.1
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金属材料学
西北工业大学
材料学院
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生物
人高 針頭 紅血球 分子及DNA 氫原子 100萬奈 米 1千奈米 1奈米 0.1奈米 20億奈米
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基本粒子 原子核 原子 最小 的细胞 DNA长度 人
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美国国家科学研究委员会报告
专门报告指出，由于理论和计算能力的进步 ，已经可能实现从理论上预测新材料。 同时，计算机能力将由于并行化而提高2-3 个数量级，对于材料科学中的理论与计算将 带来新的机遇。
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材料设计的展望
(4)材料研究和制备的许多复杂的物理、化学过程 需要用计算机进行模拟和计算，提供实验难以得 到的信息。 (5)原子、分子为起始物的材料合成和在微观尺度 上控制结构，是现代先进材料的重要发展方向， 材料微观设计不可缺少。
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美国NRC 指出的9个机遇
计算材料学
计算材料学
《计算材料学》是一门新兴的学科，它研究系统地利用庞大的计算资源，根据材料物理学和化学原理，开展基础研究和应用研究。
在这里，我们将介绍计算材料学的研究方法，包括基础模拟、机器学习、数据挖掘和智能计算等。
计算材料学主要发展了三种模拟方法：基础模拟、机器学习和数据挖掘。
基础模拟是根据材料的物理和化学的基础原理，建立数学模型，以解决材料的结构、力学性能等问题，并得出结构-性能关系的计算方法。
机器学习可以探索从实验数据中获取的材料特性，并以此为基础建立合适的模型来预测新材料的性能。
数据挖掘可以以多个角度对大量材料数据进行分析，以更有效的方式找出有效的材料功能。
智能计算是计算材料学的另一个分支，它旨在基于计算机程序和机器学习算法，实现材料的设计。
智能计算的方法可以运用于各种材料的计算，从而更快更准确地确定最优的材料结构和性能。
《计算材料学》的研究主要集中在材料设计、制造、表征和模拟等领域，旨在通过应用计算机科学和材料科学，发展和评价新材料和新技术。
计算材料学能够以数据驱动方式来改善材料研究，帮助制造出质量更高、性能更好、功能更强的材料，为经济发展带来巨大红利。
计算材料学的应用涵盖了材料研究的方方面面，包括但不限于现代能源技术、节能环保技术和新型材料技术等。
计算材料学的技术也可以用于传统的材料领域，如航空航天、汽车和原电池等，以实现产品创新和技术进步。
近年来，计算材料学的发展取得了很大的成就，极大地推动了材料科学和技术的进步，提升了材料创新和应用的水平。
未来，计算材料学将继续发展，它可以为材料科学和工程提供更为深入的研究和应用，推动材料科技的进步，为科学发展和应用做出贡献。
计算材料学概述范文
计算材料学概述范文材料学是研究材料的合成、性能、结构和应用的学科，是自然科学和工程技术的重要领域之一、它涉及多个学科领域，如物理学、化学、工程学等，并与社会经济发展紧密相关。
本文将对材料学的基本概念、分类、应用以及未来发展方向进行详细介绍。
材料学是一个应用广泛且多样化的领域，它研究的对象包括金属、陶瓷、聚合物、复合材料等各种材料。
在材料学中，研究者主要关注材料的性能及其与结构之间的关系，以便开发出更高性能的材料，满足社会对新材料的不断增长的需求。
材料学可以根据其组成和性质的不同进行分类。
最常见的分类方法是根据材料的化学成分，分为金属、陶瓷和聚合物三大类。
金属材料主要由金属元素组成，具有良好的导电性和导热性，常用于制造结构件和导电元件。
陶瓷材料由非金属元素组成，具有良好的耐热性和耐腐蚀性，广泛应用于建筑和电子行业。
聚合物材料由高分子化合物组成，具有轻质、可塑性好和良好的绝缘性能，常用于塑料和橡胶制品。
材料学的发展离不开各种先进的材料表征技术。
为了了解和控制材料的性能，科学家们使用各种测试方法对材料进行分析。
常用的测试方法包括X射线衍射、扫描电子显微镜、拉伸试验等，这些技术可以提供关于材料结构、形貌和性能的详细信息。
材料学在许多领域都有广泛的应用。
在工程领域，材料学的研究成果可以帮助工程师设计和制造更安全、更可靠的结构和设备。
例如，合金的研发使得飞机部件更轻更强，从而提高了航空器的性能。
在能源领域，材料学的发展可以推动新能源技术的发展，如太阳能电池和燃料电池。
医学领域也受益于材料学的进展，新型生物材料的研制使得人体组织修复和替代成为可能。
未来，材料学将面临新的挑战和机遇。
随着科技的不断进步，人们对材料性能的要求越来越高。
因此，材料学需要不断创新和发展，以应对新的需求。
具体而言，以下几个方面将是材料学未来发展的重点：首先，环境友好型材料的研发将是一个重要的方向。
随着全球气候变化问题的日益严重，人们对可持续材料的需求不断增长。
计算材料学概述之蒙特卡洛方法详解课件
组合优化方法
针对组合优化问题，通过随机搜索和迭代优 化求解。
分子动力学模拟中的蒙特卡洛方法
01
分子动力学模拟是一种基于物理 模型的模拟方法，通过蒙特卡洛 方法可以模拟分子间的相互作用 和运动轨迹。
02
蒙特卡洛方法在分子动力学模拟 中主要用于求解势能面和分子运 动轨迹，通过随机抽样和迭代优 化实现分子运动状态的模拟。
重要性
随着科技的发展，计算材料学已成为 材料科学研究中不可或缺的工具，有 助于加速新材料的发现和优化现有材 料的性能。
计算材料学的主要研究方法
分子动力学模拟
01
基于原子或分子的动力学行为，模拟材料的微观结构和动态性
质。
蒙特卡洛方法
02
通过随机抽样和概率统计方法研究材料的宏观性质和相变行为
。
密度泛函理论
蒙特卡洛方法可以与分子动力学模拟结合，实现更精确的原子尺 度模拟。
元胞自动机
蒙特卡洛方法可以与元胞自动机结合，模拟复杂系统的演化过程。
有限元分析
蒙特卡洛方法可以与有限元分析结合，实现更高效的数值计算。
蒙特卡洛方法在材料设计中的应用前景
新材料发现
蒙特卡洛方法可用于预测新材料性能，加速新材料发现和开发进 程。
总结词
通过蒙特卡洛方法模拟复合材料的界面行为，包括界面润湿性、粘附力和传质过程等。
详细描述
利用蒙特卡洛方法模拟复合材料的界面行为，分析不同组分间的相互作用和界面结构， 预测材料的界面润湿性、粘附力和传质过程等性能，为复合材料的制备和应用提供理论
依据和技术支持。
蒙特卡洛方法的发
05
展趋势与展望
蒙特卡洛方法的未来发展方向
计算统计量
根据模型和抽样结 果，计算所需的统 计量或系统参数。
计算材料学专业
计算材料学专业
计算材料学是一门结合了材料科学、物理学、计算机科学和数学等多个学科的交叉专业。
它主要通过计算机模拟和计算的方法，研究材料的结构、性能、制备工艺以及它们之间的关系。
计算材料学专业的学生需要掌握扎实的数学和物理基础知识，同时还需要学习计算机编程和数值计算方法，以能够运用计算机模拟软件对材料进行分析和预测。
该专业的研究内容包括材料的原子和分子结构、晶体生长、材料的热力学和动力学性质、材料的缺陷和相变等。
在实际应用中，计算材料学可以帮助材料科学家和工程师在实验之前预测材料的性能，从而缩短研发周期、降低成本。
它还可以用于设计新型材料、优化材料的制备工艺、解决材料使用过程中出现的问题等。
计算材料学专业的毕业生在材料科学、工程、化学、物理等领域都有广泛的就业机会。
他们可以从事材料研发、工艺优化、模拟计算、数据分析等工作，也可以在科研机构、高校、企业等单位从事相关的研究和教学工作。
随着计算机技术的不断发展和材料科学的日益复杂，计算材料学的重要性也越来越凸显。
它为材料科学的研究和发展提供了一种高效、准确的手段，将在新材料的开发和应用中发挥越来越重要的作用。
00-计算材料学概论
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（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。
材料科学中的计算材料学和虚拟材料设计
材料科学中的计算材料学和虚拟材料设计随着科学技术的不断进步，材料科学的研究领域也在不断扩大。
在这个领域中，计算材料学和虚拟材料设计是两个备受关注的概念。
本文将介绍这两个概念，以及它们在材料科学中的应用和发展。
一、计算材料学计算材料学是一种运用计算机和数值方法来研究材料特性和材料行为的学科。
与传统实验室研究不同，计算材料学采用计算模型和相应的软件程序来模拟材料的结构、力学行为、热力学行为等。
通过模拟和计算，可以在不需要实际制备材料的情况下，预测材料的性质和行为，优化材料的结构和性能。
目前，计算材料学的研究范围非常广泛，包括材料的结构和性质、材料的电子结构和磁学、纳米材料和超材料等等。
在研究材料的基本性质方面，计算材料学可以预测材料的相变、材料的力学强度、材料的热膨胀系数等。
在研究调控材料性能方面，计算材料学可以通过修改材料的微观结构或添加掺杂元素来改善材料的力学性质和光学性质。
计算材料学的研究方法主要包括密度泛函理论、分子动力学模拟、蒙特卡罗模拟等。
其中，密度泛函理论是计算材料学中最重要和最常用的理论方法之一。
它可以从材料中所有原子的电子密度出发，计算出材料的基本性质，如能带结构、电荷密度分布、反应催化等。
二、虚拟材料设计虚拟材料设计是用计算机和虚拟化技术来设计新材料的过程。
它可以帮助工程师和科学家在实际制造和测试之前，预测材料的性能，并且设计新的材料结构和组合。
虚拟材料设计是一种高效和经济的材料开发方式，因为它可以减少实验差错和能够优化材料的性能。
此外，虚拟材料设计也可以加速材料开发过程，改善材料生产的效率。
在虚拟材料设计中，需要运用不同的建模和仿真方法，可根据实际需要选择适当的方法。
这些方法包括分子动力学模拟、统计学习方法、人工神经网络、量子化学计算和机器学习等。
虚拟材料设计可以用于许多领域，例如材料学、化学、光电、生物医学和能源等。
它也可以用于设计新的纳米材料、超材料和先进复合材料等。
总结从本质上讲，计算材料学和虚拟材料设计都是计算机科学、物理学和工程学的交叉学科。
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牛顿力学
V V0 at
S S 0 1 at 2 2
统计力学
Layer-Cell Modeler easily creates simulation of water-
benzene interface
Ru-Al 合金断裂过程动态模拟
C.S. Becquart , D. Kim, J.A, Rifkin, and P.C.Clapp, Mat. Sci. Engin., A170, 87(1993)
第二讲：计算材料学简介
材料设计在材料研究中的地位
美国国家科学研究委员会（1995）
材料设计（materials by design）一词正在变为现实，它意味 着在材料研制与应用过程中理论的份量不断增长，研究者今天已 经处在应用理论和计算来设计材料的初期阶段。
《材料科学的计算与理论技术》
美国若干专业委员会（1989） 现代理论和计算机的进步，使得材料科学与工程的性质正在
Rod Anodes
1、应用微分方程型数学模型 有限元法 有限差分法 2、应用积分方程型数学模型 矩量法 边界元法 数值积分法
船舶海洋 行业中的 船体电位
模拟聚合物 驱油过程
油藏分布
化学驱油剂在 地层的的分布
注气开发
5、对接技术
对接技术就是用于连接各个层次的技术，即如何将较低 层次的计算结果用于较高层次的计算。
介观层次模拟方法应用实例——
初始构型
平衡构型
油滴在岩石表面运移模拟
介观尺度计算存在的困难
1、介观层次的长度标度在10 nm～10μm 之间，而边长为 10μm 的立方体将包含高达1015个原子， 对如此巨大的体系进行 模拟是难以想像的。
2、另一方面时间标度往往超过100 ns ，大大超过了目前MD所 能模拟的时间。
1、混合方法(hybrid QM/ MM method) 2、密度泛函与分子动力学模拟方法的结合 3、有限元与分子动力学模拟方法的结合 4、有限元与量子力学方法方法的结合
量子力学层次
计
对
算
统计力学层次
接
材
料
介观层次
技 术
学
宏观层次
结语
目前工业面临的巨大挑战是如何推出性能优越、功能齐备 的新产品新材料，推动社会经济的进步。为此必须寻求一种指 导开发新产品新材料的科学理论。因而在对于物质科学的认识 达到了前所未有高度的今天，如何理性地发现与合成物质并深 入地探讨分子结构与宏观材料和产品性质之间的关系已经成为 化学工程的重要研究课题。
具体问题 理论模型 数学模型 编制算法程序 上机计算 分析计算结果
3．算法程序阶段
计算方法的选取应以物理机理为背景，以能否正确反映微分 方程所描述的物理现象为依据。 实际上应包括逻辑设计和程序 编制两大部分，是一件十分细致和繁琐的工作，稍不留心就会出 错。应考虑到程序的易读性和通用性。
4．上机计算阶段
统计力学层次
量子力学层次
10-10m 10-9m
10-7m
10-3m
空间尺度
100m
1、量子力学层次
宏观物质由分子或原子构成，而分子由原子构成，原子是 一个相对稳定的分割单位，它又由原子核和电子组成。一般说 来， 物质的物理性质不涉及到原子内部的变化，而化学性质则 伴随着原子间电子的相互转移。
只有量子力学才能描述原子核与电子的运动规律，分子计 算科学最底层的层次就是量子力学层次，它也是其他更高层次 计算的基础。
由于多电子体系的薛定谔方程无法精确求解，目前已发展出多 种手段来近似求解。 这些方法可分为: 从头算分子轨道法( ab initio molecular orbital , MO) 电子密度泛函理论(electrical density functional theory) 半经验分子轨道法(semi-empirical MO) 3 大类.
④ 探索未知。通过计算机模拟能够发现一些新的现象， 从而深 化人类对自然界本质的认识，如硬球流体的一阶凝固相变、Ⅷ 型冰 的发现等。
2.2 计算材料学的工作流程
1、具体问题阶段
对具体问题进行分析研究时， 要抓住问题的主要矛盾和矛盾的主 要方面，进行各种必要的近似，建 立物理模型。
2、数学模型阶段
数学建模是利用数学语言模拟 物理模型。把物理模型抽象、简化 为某种数学结构是数学模型的基本 特征。
？
E D
C
A+B
2、统计力学层次
1、宏观化学现象是~1024个分子的集体行为，固有统计属性 2、量子力学方法的局限性：对象为平衡态、单分子或几个分子组 成的体系；不适用于动力学过程和有温度压力变化的体系。
(1) 分子动力学法 (MD，Molecular Dynamics) 基于粒子运动的经典轨迹
计算材料学是和化学、物理、材料工程密切相关的物质科 学的前沿之一，相信它会为这些相关学科注入新的活力。
2、问题本身就是一个随机过程，可根据问题本身的实际过程来进 行计算机模拟，并采用统计方法来求得问题的解。
问题本身是确定性问题
问题本身是一个随机过程
图3晶体生长过程中某些时刻的原子位置图 晶相逐渐向液相推移，液相原子最后找到自己的平衡位置，
结晶结束，全部液相转变为固相。
3、介观层次
由于大分子(包括聚合物和生物大分子) 以及某些相对稳定的 分子聚集体(如胶体) 的性质既不同于小分子也有别于连续的宏观 物质，而这类物质无论在自然界还是对于人类生产实践都具有特 别重要的意义， 通常将这一层次称为介观层次(mesoscale) ，即介 于原子分子层次和宏观层次之间。
上海应物所等研究揭示 锂离子嵌入碳纳米管束 的精细过程
研究人员首次观察到锂离子嵌入碳纳米管束过程及其在碳纳米管束 中扩散行为。特别是，发现嵌在三个碳纳米管之间锂离子受到强大的吸 引势后，很难离开该位置。因此，嵌入此类位置的锂离子，在冲电-放电 过程中很可能是不可逆的，这将会降低锂离子电池的能量储存能力。深 入研究显示，碳纳米管之间的距离对锂离子的嵌入稳定性起关键作用。 因此，该理论研究预言：合理的调控碳纳米管之间的距离可以有效地提 高冲电-放电过程中可逆的部分，提高充电或者放电效率，实现基于纳米 调控的高效能量储存装置。
包括程序调试和正式计算两步。考察程序正确性时一定要有 检验数据作对比，任何疏忽大意都意味着整个过程的失败。
5．结果分析阶段
首先要对计算出的结果的合理性和可信性作出判断，其次要 对结果作出物理解释。
2.3 计算材料学中的层次与方法
时间尺度 10-15s 10-12s 10-9s 100s 103s
宏观层次 介观层次
产生数据
实验
推测理论 验证理论
模拟真实过程 建议实验
计算
建议理论 大规模计算
建议实验 解释实验
理论
提供方程 解释计算结果
计算材料学与理论和实验的关系
1、三者之间相互联系，相互依赖，相辅相成。 2、计算机模拟对理论而言，它可以为理论研究提供计算数 据及进行复杂的数值解的方法和手段，还可以用来比较各种近似 理论，从而验证理论的正确性。 3、计算机模拟对实验而言，它解决了对实验数据的分析， 可以模拟实验过程，还可以把模型和实验进行比较，从而评估一 个模型是否正确。 4、以上双重作用使得计算机模拟方法既是模型与理论的桥 梁，也是模型与实验的桥梁，因此常常称其为“计算机实验”。
用珠子表示多个原子或分子的集合体，以珠子作为模拟的最小单元
介观层次计算所涉及的内容多种多样， 如聚合物性质与 其结构的关系、胶体的凝聚和老化、高分子的自组装和蛋白 质折叠等， 共同点是其复杂性。
DNA polymerase
Antibodies
Collagen
Muscle protein enzyme
Monte Carlo方法
Monte Carlo 原为地中海沿岸Monaco(摩纳哥)的一个城市的地 名, 是世界闻名的大赌场，Monte Carlo方法的随机抽样特征在它 的命名上得到了反映。
Monte Carlo方法解决的问题： 1、问题本身是确定性问题，要求我们去寻找一个随机过程，使该
随机过程的统计平均是所求问题的解；
发生变化。材料的计算机分析与模型化的进展，将使材料科学从 定性描述逐渐进入定量描述阶段。
《90年代的材料科学与工程》
中国国家自然科学基金委员会
https:///portal/proj_search.asp
973重大基础研究计划 863高技术研究计划 自然科学基金重大基础研究
介观层次模拟方法应用实例—— SDS、C16E5在水溶液中自聚集模拟
图3-6 不同浓度SDS在水溶液中的聚集形态变化 (a)SDS:Water=10:90,(b) SDS:Water=25:75 (d) SDS:Water=32:68 (d) SDS:Water=60:40
图3-7 不同浓度C16E5在水溶液中的聚集形态变化 (a) C16E5:Water=12:88,(b) C16E5:Water=15:85,(c) C16E5:Water=35:65 (d) C16E5:Water=65:35
计算机模拟的重要性:
① 检验理论。 如前所述某些简单体系能够用统计力学理论方法 求解， 为了衡量该理论准确与否， 需要将同一体系的分子模拟结 果作为其检验标准。
② 预测物性。有些苛刻的条件目前的实验技术难以达到，而有些 性质无法通过实验测定，此时分子模拟却可大显身手。
③ 材料设计。借助计算机模拟能系统地研究微观作用对宏观性 质的影响， 从而能更理性地设计新物质，有效地降低开发成本。
材料微观结构设计与性能预测研究专题
2.1 计算材料学与理论和实验的关系
计算材料学的定义：
计算材料学是以计算机及计算机技术为工具和 手段，运用计算数学的方法，从微观层次来解决复 杂材料问题的一门应用科学。计算材料学为复杂体 系规律、性质的研究提供了重要手段，对材料学的 发展起到了巨大的推动作用。