计算机在材料科学中的应用1PPT课件
计算机在材料科学与工程中的应用(1)讲解
在材料科学与工程中，一些仪器就采 用了图象处理技术，如SEM等仪器。在工程 中，采用图像处理技术可代替人工对产品 进行自动检测，大大节省了人力资源，提 高了劳动生产率。
在线自动检验------通过数码相机，将照 得的图像自动处理，辨识技术，达到自动 检验的目的。
在军事上，弹道导弹，巡航导弹
第二章 计算机应用数学基础
众所周知:要是方程有唯 一的解,这 些方程应是线性无关.也就是系数矩 阵行列式不等于零.主要解法有消元 法,追赶法,迭代法.
实际上,可分为两大类
直接法: 高斯法
间接法 : 迭代法
2.3.1 直接解法
1. 高斯消元法 高斯消元法的分类:
a. 顺序消元法, b. 列主元素法 c.全主元素法
a. 顺序消元法
xmid=(xn+1+xn)/2 再算出点的函数值f(xmid),若f(xmid)与f(xn)同号，则用 f(xmid)代替f(xn)，否则， f(xmid)代替f(xn+1)。 于是含根区间就成为[xmid,xn+1]或[xn,xmid],根的区间范 围进一步减小。如此继续下去，当误差足够小时，就 停止迭代。
动量传递耦合应用
3.材料: 从头算,量子力 学和量子化学计算指 导分子设计
4.管理:ERP 5.CAD和CAI 6. 图象处理
(1)数值计算 数值计算（numerical computation）
就是有效使用数字计算机求数学问题近似 解的方法与过程，以及由相关理论构成的 学科。
①研究新材料。可以采用数据处理、仿真技术、数学模型、数
以x*求出发f(x*)后与f(xn)和f(xn+1)比较， 照例以f(x*)代替f(xn)和f(xn+1)中的同号者。 如果f(x*)不十分接近零，在重复上述步骤，
计算机在材料科学中的应用
计算机在材料科学中的应用1 材料：是人类生产和生活水平提高的物质基础，是人类文明的重要支柱和进步的里程碑。
2 20世纪60年代，被称为当代文明的三大支柱：A材料；B 能源；C信息。
3 70年代新技术革命的主要标志指：A新型材料；B信息技术；C生物技术。
4 材料的分类：根据组成：A金属材料；B无机非金属材料；C有机高分子材料；D复合材料。
根据性能特征和作用：A结构材料；B功能材料。
根据用途：A建筑材料；B能源材料；C电子材料；D耐火材料；E医用材料；F耐蚀材料。
5 材料的性质：是材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应，而这些性质终于要取决于材料的组成与结构。
6 使用性能：是材料在使用状态下表现出来的行为。
7 材料的合成与制备过程的内容：A传统的冶炼、制粉、压力加工和焊接；B也包括各种新发展的真空溅射、气相沉积等新工艺。
8 材料科学飞速发展的重要原因之一：材料科学随着各种技术的更新而出现了高速发展的趋势，计算机在材料科学中的应用正是材料科学飞速发展的重要原因之一。
9 计算机在材料科学中的应用：A计算机用与新材料的设计；B材料科学研究中的计算机模拟；C材料工艺过程的优化及自动控制；D计算机用于数据和图像处理；E计算机网络在材料研究中的应用。
10 材料设计：设想始于20世纪50年代，是指通过理论与计算机预报新材料的组分、结构与性能，或者是通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料。
按生产要求“设计”最佳的制备和加工方法。
11 材料制备技术：A急冷；B分子束外延（MBD）；C有机金属化合物气相沉积；D离子注入；E微重力制备等。
12材料设计的有效方法之一：利用计算机对真实的系统进行模拟“实验”、提供实验结果、指导新材料研究，是材料设计的有效方法之一。
13 材料设计中的计算机模拟对象遍及从材料研制到使用的全过程，包括合成、结构、性能、制备和使用等。
14 计算机模拟的优点：用计算机模拟比进行真实的实验要快、要省15 计算机模拟是一种根据实际体系在计算机上进行的模型试验。
计算机在材料科学与工程中的应用课件
Properties
electronic mechanຫໍສະໝຸດ cal optical, etc.
Structure
micro-, nano-, molecular, crystal
Source: Materials Science and Engineering for the 1990s, NRC, 1989
STM image of C60 molecules adsorbed on Cu(111) surface (Hashizume et al., Phys. Rev. Lett. 71, 2959 (1993))
Continuous Metal Cast Process
计算机在材料科学与工程中的应用 第一章 绪论
工艺过程的优化及自动控制
Continuous Metal Roll Process
计算机在材料科学与工程中的应用 第一章 绪论
工艺过程的优化及自动控制
1.3课程演变及安排
计算机在材料科学与工程中的应用 第一章 绪论
Scale Length (meters) Time (seconds)
Quantum/ Molecular 10 -11—10 -8 10
-16
Atomistic /Nano 10 -9—10 -6 10 -13—10
-10
Mesoscopic 10 10
-6
Macroscopic > 10 > 10
4 5
6 4 44 6
材料科学文献检索实践
1.3课程演变及安排
计算机在材料科学与工程中的应用 第一章 绪论
参考书
1)刘庄，吴肇基等. 热处理过程的数值模拟. 北京：科学出 版社，1996. 2)乔芝郁,许志宏.刘洪霖. 冶金和材料计算物理化学.北京： 冶金工业出版社，1999 3), TCW Basic Manual, Stockholm, Sweden, March 2002. 4)“FACT-Win - User Manual”, C.W. Bale and A.D. Pelton, CRCT, Ecole Polytechnique de Montréal, Québec, Canada; January 1999 (http://www.crct.polymtl.ca)
第一章计算机在材料科学与工程中的应用
第一章计算机在材料科学与工程中的应用引言：计算机科学和工程已经成为现代社会和各种领域的关键技术。
特别是在材料科学与工程领域，计算机已经成为一个不可或缺的工具。
本文将重点介绍计算机在材料科学与工程中的应用，包括模拟与建模、材料设计与优化、材料性能预测与评估、材料制备过程的模拟与优化等方面。
一、模拟与建模在材料科学与工程中，模拟与建模是一种非常重要且常用的方法。
计算机可以通过建立材料的数学模型，对材料的结构、性能等进行模拟和分析。
例如，通过计算机模拟可以揭示材料的原子结构、晶体结构、晶体缺陷等，可以预测材料的力学性能、电子性质、热传导性能等。
这些模拟与建模的结果可以为实验提供指导，加快材料的发现和开发过程。
二、材料设计与优化材料设计与优化是材料科学与工程中的一个重要任务。
通过计算机的辅助，可以对材料进行设计和优化。
例如，利用计算机辅助设计软件，可以设计新型的组分或配方，用于制备更高性能的材料。
利用计算机的优化算法，可以对现有材料的结构和组分进行优化，以提高材料的性能。
这些设计和优化的结果可以在实验中验证，并指导材料的进一步开发。
三、材料性能预测与评估了解材料的性能是材料科学与工程中的核心任务之一、计算机可以通过材料的模拟和计算，预测材料的性能。
例如，计算机可以计算材料的力学性能、电子性质、光学性质等，从而预测材料在不同环境下的行为。
这些性能预测的结果可以为实验提供参考，指导材料的选择和设计。
四、材料制备过程的模拟与优化材料的制备过程通常决定着材料的结构和性能。
计算机可以通过模拟和优化材料的制备过程，帮助提高材料的质量和性能。
例如，计算机可以模拟材料的原子、分子、晶体的排列和运动过程，从而提供制备过程中的参数和条件。
通过优化这些参数和条件，可以实现材料的精确控制和优化制备，从而获得质量更好的材料。
结论：计算机在材料科学与工程中的应用非常广泛而重要，从模拟与建模、材料设计与优化、材料性能预测与评估，到材料制备过程的模拟与优化，计算机都发挥着不可或缺的作用。
计算机在材料工程中的应用
在材料的制备中, 可以对过程进行精确 的控制,例如材料表面处理热处理中的炉 温控制等。计算机技术和微电子技术、 自动控制技术相结合, 使工艺设备、检 测手段的准确性和精确度等大大提高。
2.6材料加工过程的计算机控制
生产过程自动控制是生产过程现代化的标志之 一。在材料加工控制领域, 运用较多的是微型计 算机和可编程控制器。计算机在材料加工中的 应用包括以下几个方面物化性能测试数据的自 动聚集和处理、加工过程的自动控制、计算机 辅助设计和制造、计算机辅助研究、材料加工 过程的全面质量管理等。
2.4相图计算及其软件
相图是描述相平衡系统的重要几何图形, 通过 相图可以获得某些热力学资料反之, 由热力学 数据建立一定的模型也可计算和绘制相图。 用计算机来计算和绘制相图有了广泛的应用。
Thermo-Calc包括物质和溶液数据库、热 力学计算系统和热力学评估系统。Fact包 括物质和溶液两个数据库及一套热力学和 相图等的优化计算软件。这些软件的共同 特定是集成了具有自洽性的热化学数据库 和先进的计算软件。可用于各种类型的二 元、三元和多元相图的平衡计算。
2.2材料科学研究中主要物理场的数值 模拟
包括材料的传热(温度场)、应力场(力 学问题)和浓度场(内部原子的迁移流动) 等的计算, 以上问题即可采用前述的有 限元分析法进行模拟“ 传热传质过 程”。
材料内部原子迁移的微观过程和由此引 起的物质的宏观流动与材料在生产和使 用过程中的许多物理化学过程密切相关, 因此使用有限元法对扩散的浓度场进行 计算的技术具有重要的意义。
计算机在材料科学中的应用
（、《计算机在材料科学中的应用》 结课作业 题目：计算机用于数据和图像处理 班级：材料物理08 姓名：----- 学号：200820------二零一一年五月材料科学研究中的计算机图像分析与处理随着材料科学研究的深入和发展．计算机应用分析系统逐渐成为辅助研究材料结构与性能之间定量关系的一种重要的手段。
我们已经初步了解了计算机图像分析系统在金属材料研究的应用、粘度测量、夹杂物的评级、相分析(包括测含量及形状因子)以及狐微硬度、孔洞率、球化率和涂层厚度的测定等。
计算机图像分析系统的引人大大地提高了这类定量分析的质量，材料科学研究的数字化时代已经到来。
仅以图像保存和输出为例，用户可以不再需要胶片、有毒的冲洗液。
也不需要在伸手不见五指的暗房内漫长月乏味地冲洗底片和印相，只需要—个热升华或彩色激光打印机，用户可立即得到一张相片质量相当的图像输出数字化的图像。
还可以通过日益发展的互联网瞬间传到世界各地，大大方便了世界各地的科学家们的交流与合作。
如果采用传统照片这是无法想象的。
在目前全球竞争日益激烈的环境下，在材料的少产领域贯彻严密的质量控制标准正成为维持一个企业健康发展的重要保证，为达到标准，许多企业投入大量的入力和物力进行质量检测，实行统计过程控制及质量控制的文件化管理；大量重复的、向密度纳检测正是图像分析系统(特别是自动分析系统)发挥重要作用的地方；实行质虽控制管理、要求文件更具可准确性、统一性，这对质量文件提出更高的要求、图像分析系统成为提供高质量的质量控制文件(包括图像及文字数字资料)不可缺的重要。
据美国一家公司估计，全球图像分析系统(包括软硬件)每年约25亿美元的市场，其中仅在显微镜应用方面(包括材料金相、生命及生物科学：)就约有4亿美元左右的市场，市场前景十分广阔。
近几十年来，材料科学家们通过人上方法或全集成约定量分析系统对树料的结构与性能作了许多定量分析。
随着计算机技术的发展，图像分析系统也发生着巨大的变化，其中最明显的变化是从全集成的分析系统向以通用Pc机为基础的、可自由配置及扩充的开放式软件系统发展。
计算机在材料科学中的应用
计算机在材料领域中的应用
材料科学是一门实验科学，实验是制备新材料和测定其结构和性能的直接手段。
而由于计算机技术、计算理论的迅速发展，许多更加复杂、大型的计算成为可能，使得在材料研究领域．采用计算方法来研究材料的结构和性能，并指导实验研究成为一种新的研究方向。
材料科学专业主要是培养新材料开发研究人才，而计算机是现代材料科学研究中必不可少的工具用计算方法来研究材料，对材料的性能进行预测和指导，就是根据相关理论，采用合适的计算模型和计算方法，确立材料的理论模型，有目的地指导制备所需性能的材料。
一．计算机在材料科学中的应用领域
1.计算机用于新材料的设计
材料设计是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能，或者通过理论与设计来“订做”具有特定性能的新材料，按生产要求设计最佳的制备和加工方法。
材料设计按照设计对象和所涉及的空问尺寸可分为电子层次、原子／分子层次的微观结构设计和显微结构层次材料的结构设计。
材料设计主要是利用人工智能、模式识别、计算机模拟、知识库和数据库等技术，将物理、化学理论和大批杂乱的实验资料沟通起来，用归纳和演绎相结合的方式对新材料的研制作出决策，为材料设计的实施提供行之有效的技术和方法。
2.材料科学研究中的计算机模拟
利用计算机对真实系统模拟实验、提供模拟结果，指导新材料研究，是材料设计的有效方法之一。
材料设计中的计算机模拟对象遍及。
计算机在材料学中的应用
光学性能等。
化学性能测试
03
通过化学分析、腐蚀试验等方法，测定材料的化学成分、耐腐
蚀性、抗氧化性等。
计算机辅助测试技术
自动化测试系统
利用计算机控制试验过程，实现数据采集、处理和分析的自动化。
虚拟仿真技术
通过计算机模拟材料的性能表现，预测其在不同条件下的行为。
图像处理技术
应用计算机视觉和图像处理技术，对试验过程中的现象进行实时 监测和记录。
计算机在材料学中的 应用
目录
• 计算机辅助材料设计 • 材料数据库与信息管理 • 计算机在材料制备中的应用 • 计算机在材料性能测试中的应用
目录
• 计算机在材料科学研究中的应用 • 计算机在材料学教育中的应用
01
计算机辅助材料设计
设计原理与方法
基于物理模型的设计
多尺度模拟
利用计算机模拟材料的原子、分子结 构以及相互作用，预测材料的物理和 化学性质。
05
计算机在材料科学研究中 的应用
材料基因组计划
材料基因组计划旨在通过集成计算、实验和数据库等技术，加速新材料的发现和应 用。
该计划利用高通量计算和实验方法，对材料性能进行快速预测和筛选，大大缩短了 新材料从发现到应用的时间。
材料基因组计划还推动了材料科学领域的数字化和智能化发展，为材料设计、合成 和性能优化提供了强有力的支持。
利用计算机强大的数据处理能力，对实验数据进行自动采集、处理和分
析，提高实验数据的准确性和可靠性，同时减轻学生的数据处理负担。
03
协作与交流平台
建立虚拟实验室的协作与交流平台，方便学生之间、学生与教师之间进
行实验讨论和合作，促进学术交流和合作创新。
在线教育平台与资源共享
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Analysis of Polymer Systems)
(a)电子层次 (如电子结构)
(F)计算机模拟 (b)原子/分子层次 (如结构、力学性能、热力学和动力学性能)
的层次划分
(c)微观结构层次 (如晶粒生长、烧结、位错、极化和织构等)
能够按照使用要求对材料性能进行设计创造
-
5
材料的分类方法
（A）根据组成与结构：金属、无机非金属、有
机高分子、复合材料 （B）根据性能特征和作用：结构材料、功能材料 （C）根据用途：建筑材料、能源材料、电子材料、
耐火材料、医用材料和耐蚀材料等
材料的发展历程
简单⇒复杂，以经验为主⇒以科学知识为主 独立学科：材料科学与工程学科
-
4
总体了解
（A）地位重要
20世纪60年代：材料、能源与信息 当代文明的 三大支柱 20世纪70年代：新型材料、信息技术和生物技术 新技术
革命的主要标志 目前：新材料不仅是当今世界高新技术的核心支柱，也是
产业进步的重要推动力
（B）研究时间长
转折点：19世纪
（C）目前的研究状况
人们已逐渐掌握了材料的组成、结构和性能之间的内在关系，
(C)水平：
简单顺序控制⇒数学模型在线控制和统计过程控制
分散的个别设备的控制⇒计算机综合管理与控制
控制水平提高，可靠性得到充- 分保证
14
计算机用于数据和图像处理
(A)数据（原始资料）：存储、计算、绘图、拟合及 快速查询
(B)图像（二维照片）：Origin、Photoshop等
-
15
计算机网络在材料研究中的应用
微观水平⇒宏观产品，制备高纯度单一元素⇒多种材料复合
各种化学的、物理的、机械加工- 的方法均应综合应用
7
计算机的功能与特点：
定位：现代工具
计算 数据及图像处理 文件传输 文献检索 资料保存 办公平台 交流信息
己渗透到各门学科领域以及日常生活中成为现 代化的标志。
-
8
应用领域
（1）计算机用于新材料的设计 （2）材料科学研究中的计算机模拟 （3）材料工艺过程的优化及自动控制 （4）计算机用于数据和图像处理 （5）计算机网络在材料研究中的应用
计算机在材料科学中的 应用
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1
一、绪论 二、数学模型基础
-
2
绪论 1、计算机应用于材料科学研究中的必要性？ 2、计算机在材料科学研究中的应用领域有那些？
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3
必要性：
（1）材料的总体了解 （2）材料的分类方法 （3）材料的发展历程 （4）材料的研究内容 （5）材料的性质 （6）材料的合成与制备 （7）计算机的特点
设计的基础 (c)先进的材料生产和制备技术的发展：急冷、离子注入等
（D）趋势：国际上的材料数据库正朝着智能化和网络化的方向发
展
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10
几位材料设计专家：
北京科技大学： 刘国权 教授（材料优化与设 计研究室）[材料及其工艺的优化设计，计算 材料学，材料模拟仿真等]
清华大学：段文晖 教授（凝聚态物理研究所） [功能陶瓷的计算设计]
(b)固态化学研究软件 (Software Solid State Chemistry Research) (E)常见计算 (c)模拟无机材料的结构和性能的软件 (Simulating the 机模拟软件 Structures & Properties of Inorganic Materials)
(A)相互交流 (B)及时了解材料科学的发展动向 (C)阅读各种相关杂志的电子版 (D)查找己发表的论文 (F)介绍自己的研究成果
各类搜索引擎
-
16
第一章 材料科学研究中的数学模型
第一节 数学模型基础
1、基本概念 2、数学模型的分类 3、数学模型的作用
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17
基本概念
(1)模型：模型是对实体的特征及其变化规律的一种表示或抽象
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9
计算机用于新材料的设计 ： (A)材料设计的提出与发展 提出期：20世纪50年代 成熟期：20世纪80年代
（B）分类 标准：设计对象和所 涉及的空间尺寸
(a)电子层次 (b)原子/分子层次 (c)显微结构层次
微观结构设计
(a)基础理论的完善和发展:物理、化学、固体理论等 （C）微观结构 (b)计算机信息处理技术的建立和发展：知识和数据库等
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6
材料的研究内容
组成、结构、性能、制备工艺和使用性能以及它 们之间相互关系
材料的性质
（A）材料的性质：材料对声、光、电、磁、热、机械 载荷等刺激的反应，主要取决于材料的组成与结构。
（B）使用性能：材料在使用状态下表现出来的行为。
材料的合成与制备
（A）传统方法：冶炼、制粉、压力加工和焊接等
（B）新发展的方法：真空溅射、气相沉积等
(B)对象：研制到使用的全过程 合成、结构、性能、制备 和使用等
(C)特点：快、省 (D)作用： (a)检验模型的准确性
(b)获得比在实际体系上所做的实验更为详细的微 观信息 (c)某些情况下，计算机模拟可以部分地代替实验 (d)对于理论的发展也有重要的意义
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(a)电子、光学和磁性材料的模拟软件 (Software Electron, Optical and Magnetic Materials Simulation，简称EOM)
厦门大学：刘兴军 教授（材料科学与工程系） [材料设计系统的开发，金属材料与复合材料]
中国科学院沈阳金属所：周延春（高性能陶瓷 材料研究部 ）[新型高温陶瓷及复合材料的 多层次结构设计和制备科学]
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材料科学研究中的计算机模拟 ：
(A)定义：利用计算机对真实的系统进行模拟“实验”、提 供、指导新材如铸造、焊接、锻造和化学气相沉积)
0.1～lnm，l～l0nm，～lμm以及lμm以上的尺度。
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材料工艺过程的优化及自动控制
(A)主要设备：微型计算机、可编程控制器
(a)减轻劳动强度 (B)优点 (b)改善产品质量和精度
(c)提高产量
各种自动化生产线；气体渗碳、渗氮控制 ；烧结炉、 陶瓷窑炉等
如:
各种卡通形象
(2)数学模型：是利用数学语言对某种事物系统的特征和数量关系 建立起来的符号系统
如: x=y2
(a)广义理解：凡是以相应的客观原型 (即实体)作为
背景加以一级抽象或多级抽象的数学概念、
(3)分类：
数学式子、数学理论等都叫做数学模型。