计算材料学之材料设计计算及模拟
材料科学中的材料模拟与设计
材料科学中的材料模拟与设计材料科学是一个广泛而又深奥的领域，它关注着材料结构与性能之间的联系。
在过去的几十年里，随着计算机技术的发展，材料模拟与设计成为了材料科学研究中不可或缺的一部分。
本文将从材料模拟与设计的背景出发，介绍其在材料科学中的应用和发展，并探讨其在未来的前景。
材料模拟与设计作为一种基于理论和计算的方法，旨在通过模拟材料的结构和性能来指导新材料的设计和合成。
这种方法的出现，极大地推动了材料科学的发展，为我们提供了一种更加高效和经济的研究方式。
首先，材料模拟与设计在材料的结构研究中起到了重要的作用。
传统的实验方法往往会受到条件限制和时间成本的制约，而材料模拟可以通过计算机模拟的方式，利用原子尺度和晶体结构等级的信息来揭示材料的结构特征。
通过这种方法，我们可以更好地理解材料的内部构成和微观相互作用，从而有针对性地调控材料的性能。
其次，材料模拟与设计在材料性能预测方面表现出了巨大的优势。
通过建立材料的模型和计算能力，我们可以准确预测材料的力学性能、电子性质和光学特性等，为材料的应用和优化提供了有力支持。
例如，通过模拟材料的电子结构和能带特性，我们可以预测材料的导电性和光学吸收等特征，从而指导材料的选择和设计。
材料模拟与设计还可以在材料合成和制备过程中发挥重要作用。
通过计算模拟，我们可以预测和优化材料的合成路径和工艺条件，提高材料的制备效率和性能稳定性。
例如，利用高通量计算方法，我们可以预测不同合金组分的热力学稳定性和相图等信息，从而指导材料的合成和材料性能的优化。
虽然材料模拟与设计在材料科学领域已经取得了许多重要的成果，但它仍然面临一些挑战和限制。
首先，模拟模型和计算方法的准确性是一个关键问题。
由于材料的复杂性和多尺度性质，我们必须选择适当的模型和计算方法来描述材料的行为。
此外，计算资源和时间耗费也是制约材料模拟与设计的因素。
尽管计算机技术的快速发展提供了更强大的计算能力，但仍然需要更加高效和准确的算法和模型。
材料计算与模拟
不固定坐标
POTCAR
赝势文件夹下包含五个文件夹： pot：PP，LDA paw：PAW pot_gga：PP，GGA paw_gga：PAW，GGA，PW91 paw_pbe：PAW，GGA，PBE
KPOINTS-描述
KPOINTS-手动输入
Mind：一般不建议使用手动格式的KPOINTS
Write flags LWAVE = .TURE. LCHARG = .TURE.
能带计算
要点
Example
1. 将自恰得到的电荷文件 CHG*拷贝到能带计算的 文件夹中作为初始文件
2. KPOINTS文件使用Line 模式
INCAR
SYSTEM = Si Start parameter for this run: NWRITE = 2 PREC = medium ISTART = 1; ICHARG = 11 ISPIN = 2 ENCUT = 400
KPOINTS-自动生成
不提倡 用于六方晶系
KPOINTS-Line模式
KPOINTS-测试
测试脚本
要求掌握的
1. 结构弛豫 2. 自恰计算 3. 能带（Band Structure）计算 4. 态密度（Density of States）计算
结构弛豫
要点
1. 设置电子步 参数和精度
2. 设置粒子步 参数和精度
分子动力学(damped molecular dynamics)
5. 晶格动力学性质
- 声子谱等
6. 磁性
- 共线和非共线性磁性 - 自旋轨道耦合
7. 光学性质
- RPA和TD-DFT计算介电张量
VASP相关文件
VASP相关文件
材料力学性能的计算模拟研究
材料力学性能的计算模拟研究材料力学性能的计算模拟在近年来得到了越来越多的关注。
从材料的设计到工程的实施，计算模拟技术为我们提供了非常强大的支持。
本文旨在探讨材料力学性能的计算模拟研究，着重介绍一些常用的模拟方法和工具，以及它们的一些应用案例。
一、材料力学性能的计算模拟方法材料力学性能的计算模拟方法涵盖的范围非常广泛，这里只介绍一些常用的方法，包括原子分子动力学模拟、有限元分析、计算流体力学等。
1. 原子分子动力学模拟原子分子动力学模拟是一种基于牛顿运动定律的模拟方法。
该方法以原子或分子为研究对象，通过计算不同的参数（如能量、温度、压力等）来推测材料的力学性能。
原子分子动力学模拟的主要优点在于其可以精确地计算材料中原子或分子的运动，从而揭示出材料中微观结构与力学性能的关联。
2. 有限元分析有限元分析是一种将连续体划分为有限数量的元素，并通过数值方法计算这些元素之间的相互作用以描述整个材料行为的方法。
该方法广泛应用于弹性力学、流体力学、热力学等领域。
有限元分析的主要优点在于它能够准确地描述复杂的材料结构，并预测材料的力学性能。
3. 计算流体力学计算流体力学是一种基于数学模型和数值方法对流体流动进行计算与分析的技术。
与有限元分析类似，计算流体力学可以通过计算流体的方程式来分析材料的力学行为。
在材料科学领域中，计算流体力学的应用主要涉及到材料的流变学和表面润湿性等方面的研究。
二、常用的材料力学性能计算模拟工具除了计算模拟方法，还有一些常用的工具可以辅助材料力学性能的计算模拟。
这些工具包括LAMMPS、ANSYS、ABAQUS等。
1. LAMMPSLAMMPS是一套基于分子动力学模拟的开源软件，旨在模拟大规模、复杂的分子系统。
LAMMPS支持多种力场模型，并具有高度可扩展性和可配置性。
它主要应用于材料科学领域的分子模拟、金属熔体、粘弹力学等方面的研究。
2. ANSYSANSYS是一套商用的有限元分析软件，可用于建模和分析材料力学、流体力学、热力学等领域的问题。
材料的计算机模拟方法优秀课件
Hˆ E
Hˆ TˆVˆ
Tˆ2
2mi
1 2 2 2 mi (x2 i y2 i z2 i )
动能是所有粒子的动能加和
Vˆ 1
qjqk
4 j kj rk rj
势能代表粒子之间的库仑相互作用 （即：核与核之间、电子与电子之间 的排斥以及电子与核之间的吸引）
对电子而言，q=-e，对核而言，原子序数为Z：q=+Ze。
如6-21G 表示内层原子轨道用六个高斯基函数来描述，内层价壳则用两个高 斯基函数表示，外层价壳用一个高斯函数表示。
类似地还有：3-21G, 4-31G, 以及 6-311G 等等。
➢ 带极化函数的基组，在基组中加入极化函数后可以允许原子核外电荷的不 均匀位移，因此它可以改进对化学键的描述。极化函数可以描述那些和孤 立原子相比更高的角动量量子数的轨道（如p-型函数用于H和He，d-型函 数用于Z>2的原子），并将之加入到价电子壳层中。例如，6-31G(d) 基组 的构建是将6个d-型简单高斯函数加入到6-31G 中来描述每个非氢原子； 同样地，6-31G(d,p) 是6-31G(d) 对重原子, 但加入了一组p-型高斯函数到 氢原子或氦原子。 将p-轨道加入到氢原子中对那些含有以氢原子为桥原子 的体系而言特别有用。
通过对这些性质的预测，在含能材料中有许多实用
价值，如：可以研究合成路径、反应产物、爆轰产 物状态方程、爆轰引发的机理等等。
计算材料学之材料设计、计算及模拟
03
基于连续介质力学原理，通过建立材料的本构方程和边界条件，
研究材料的弹塑性行为和性能。
材料热学性能模拟
热传导模型
通过建立材料的热传导方程和边 界条件，研究材料的热传导性能 和行为。
分子动力学模拟
通过模拟原子或分子的运动轨迹， 研究材料在微观尺度上的热学性 能和行为。
热力学模型
基于热力学原理，通过建立材料 的热力学方程和状态方程，研究 材料的热力学性能和行为。
VS
详细描述
第一性原理计算通过求解薛定谔方程，能 够准确地预测材料的电子结构和化学性质 ，如键能、键角、电荷转移等。该方法广 泛应用于材料科学、化学、生物学等领域 。
03
材料计算模拟技术
材料电子结构计算
密度泛函理论
基于量子力学原理，通过求解薛定谔方程得到材 料的电子结构和性质。
分子动力学模拟
通过模拟原子或分子的运动轨迹，研究材料在微 观尺度上的动态行为和性质。
材料光学性能模拟
01
02Βιβλιοθήκη 03光吸收模拟通过建立材料的光吸收模 型和边界条件，研究材料 的光吸收性能和行为。
光学散射模拟
通过建立材料的光学散射 模型和边界条件，研究材 料的光学散射性能和行为。
光电效应模拟
通过建立材料的光电效应 模型和边界条件，研究材 料的光电效应性能和行为。
04
材料设计、计算及模拟的应用案例
02
跨学科交叉研究有助于解决复杂 问题，如生物医学材料、光电器 件等，推动相关领域的技术创新 和应用。
THANKS
感谢观看
高性能金属材料的优化设计
总结词
通过计算模拟技术，优化高性能金属材料的微观结构和性能，提高其强度、韧性、耐腐蚀性和高温稳 定性。
材料计算与模拟
>> Z=
1.0128e-004
n= 2.9188
r= 0.9994
>>
plot(t,w,'o'); hold on xx = 7:0.01:38.5; yy = spline(t,w,xx); plot(xx,yy,'-')
weighted function w(a)
0.14 0.12
0.1 0.08 0.06 0.04 0.02
dy=-y^2+x 主程序： [x,y] = ode23(@fode1,[0,10],[1]); plot(x,y) xlabel('x'); ylabel('y');
例2.1.5
解方程： y 1000 (1 y 2 ) y y
y(0)
2
y
(0)
0
可化成： y1 y2
y
2
1000(1
% Y的理论值
Yval = [Ytheory,Y]
r = corrcoef(Y,Ytheory)
% 相关系数
x = 0: 0.01: 1;
plot(fai, Y, 'o', x, polyval(P,x), '-')
2.2 线性回归问题
例2.2.2 用DSC法测试PET的结晶动力学数据，结果如下表，
相关系数的平方： r 2 1 n Q
wi ( yi y)2
i 1
y 是 yi的加权平均值：
n
wi yi
y
i 1 n
wi
i 1
clear clc t = [7.6 11.3 17.4 21.6 25.6 27.6 31.6 35.6 36.6 38.1]'; alfa = [3.41 11.5 34.7 54.9 72.7 80.0 91.0 97.3 98.2 99.3]'; X(1:10,1) = 1; X(1:10,2) = log(t); Y=log(-log(1-alfa./100)); for i = 1:10
计算力学中的材料模拟
计算力学中的材料模拟材料模拟是计算力学中的重要分支，其主要任务是利用计算机模拟材料在不同条件下的物理性质和化学反应过程，从而预测材料在实际应用中的性能表现。
这种方法已经得到了广泛的应用，对于加速材料设计和开发具有重要意义。
材料模拟基础材料模拟的基础是材料的原子结构、分子结构以及晶体结构。
在材料模拟中，通常会使用能量泛函理论（DFT）来计算材料光电、热力学、力学、磁学等性质。
通过分子动力学模拟（MD）或蒙特卡罗模拟（MC）等方法，可以模拟材料的结构和动态过程，预测材料的物理性质和化学反应。
在材料模拟中，还需要建立材料的力学模型和热力学模型，进行力学和热力学分析。
材料模拟方法1. 基于第一原理计算的材料模拟DFT是现代材料模拟的重要工具之一，它通过计算材料的电子密度分布、能量、原子和分子的结构和相互作用等，预测材料的物理性质和化学反应。
DFT的计算方法具有很强的理论基础，可以高效地预测材料的各种性质。
常见的DFT软件包有VASP、ABINIT、Quantum Espresso等。
2. 分子动力学模拟MD模拟是一种将原子和分子作为带电粒子进行计算的方法。
MD模拟可以模拟材料的结构和动态过程，比如材料的热膨胀系数、热导率、比热容、杨氏模量等物理性质。
常见的MD软件包有LAMMPS、GROMACS、DL_POLY等。
3. 蒙特卡罗模拟MC模拟是一种基于统计力学的方法，可以模拟凝聚态材料的力学、热力学、结构和动力学过程。
MC模拟通过建立材料的统计模型，利用随机抽样的方法模拟材料的结构和性质。
常见的MC 软件包有VASP-MC、CASTEP-MC等。
材料模拟应用1. 预测材料性能材料模拟可以通过计算材料的物理性质和化学反应，预测材料的性能。
比如，通过计算材料的受力变形响应，可以预测材料的强度和韧性；通过计算材料的导热性能，可以预测材料的热导率；通过计算材料的电子结构和电子密度分布，可以预测材料的电导率和光学性质。
材料科学中的模拟与设计
材料科学中的模拟与设计材料科学是一门研究材料性质及其应用的学科，而模拟与设计是其重要组成部分。
模拟与设计的目的在于利用先进的计算机科学和材料科学技术，开发新材料以及改进已有材料的性能，以满足人类对特定材料需求的需求。
现代材料科学的发展离不开模拟与设计的支持，下面将从模拟与设计在材料科学中的应用和发展历程两方面进行探讨。
一、模拟在材料科学中的应用模拟的概念是指基于数学模型和计算机方法，模拟真实环境中材料的行为和性能。
在材料科学中，模拟可以帮助研究人员通过计算机程序来模拟各种材料在极端条件下的行为，比如高温、高压、强辐照等。
这种模拟方法可以大大减少实验中的时间和金钱成本，掌握材料的基本原理和行为规律。
其中，分子动力学模拟（MD）是材料科学中常用的一种模拟方法。
分子动力学通过考虑材料中每个原子或分子的运动来研究材料性质。
这种方法可以研究材料晶格的变形性质、材料的力学性能、材料的热力学性质等。
另外，有限元法（FEA）也是模拟较常用的一种方法。
有限元分析通常用于研究结构材料，如金属和塑料，而不是分子和原子级别模拟，FEA可以预测材料部件的各种性能，比如力学、电磁、声学、热力学特性等。
二、设计在材料科学中的应用设计可以帮助人们在开发新材料时，更好地掌握材料的结构、组成和性能之间的关系。
这种方法通常被称为“材料基因组学”。
目前，许多公司和研究机构都使用该方法来寻找更好的材料。
该方法的思想是制定一个模型，该模型可以用于预测和快速评估新材料的性质。
基于此，材料科学家可以评估新材料的可行性和实现性，并为制造这种材料的方法和工具提供指导。
例如，为了提高太阳能电池的效率，材料科学家应用设计进行了相关研究。
他们设计出了一种四十层厚的薄膜结构，该薄膜结构利用太阳能将光转化成电能。
材料科学家使用计算流体力学模拟了这个薄膜阵列，以研究其吸收能力，最终提高了太阳能电池的效率。
除了材料基因组学，另一个应用广泛的设计方法是分子设计。
计算材料学-之-材料设计、计算及模拟ppt课件
主要内容
计算材料学的起源 计算材料学的方法 计算材料学的应用
18
材料研究中的尺度（时间和空间）
空间尺度
纳观 原子层次 微观 小于晶粒尺寸 介观 晶粒尺寸大小 宏观 宏观试样尺寸
时间尺度
原子振动频率 宏观时间尺度
19
空间尺度
20
21
聚合物中的空间和时间尺度
Bond lengths, atomic radii ~ 0.1 nm
结晶、生长、织构、凝固
10-9-10-4 位错动力学
塑性、微结构、位错分布
10-9-10-5
动力学金兹堡-朗道型相场 模型
扩散、晶界、晶粒粗化
10-9-10-5 多态动力学波茨模型
结晶、生长、相变、织构
25
空间尺度 /m
10-5-100
模拟方法
有限元、有限差分、线性迭 代
典型应用
宏观尺度场方程的平均解
Conformat. transitions 10-11 s
Longest relaxation time 10-3 s
Phase/ microphase separation 1s
Physical ageing
(Τ < Τg-20οC)
1 2y2r
材料设计的层次
23
典型模拟方法
空间尺度 /m
模拟方法
10-10-10-
6
MetropHale Waihona Puke lis MC10-10-10-
6
集团变分法
10-10-10-
6
Ising模型
10-10-10- Bragg-Williams-
6
Gorsky模型
10-10-10-
材料计算模拟的基础和应用
材料计算模拟的基础和应用材料计算模拟是一个由计算机辅助的材料研究方法，利用计算机模拟材料的结构、力学性能、热学性质等方面的信息。
它应用于从分子到宏观材料的多种尺寸和多个时间尺度的研究，目的是更好地理解材料的基础性质和预测其性能，从而为新材料的合成和性能优化提供理论指导。
材料计算模拟的基础材料计算模拟的基础是量子化学和统计物理学。
量子化学是一种研究分子及其反应转化的方法，其基础在于量子力学。
通过通过求解薛定谔方程、Hartree-Fock方程、密度泛函理论等方法，计算描述材料结构、光电性质等内部信息，这些技术也常被用于设计优化未来的太阳能电池、单分子晶体以及药物、聚合物等材料的性质。
统计物理学则从热力学和统计学的角度考虑材料的性质，主要用于描述材料的热学性质。
这种方法基于经典力学和量子力学，通常是通过分子动力学模拟和Monte Carlo模拟计算系统的配分函数，以预测热力学量如内能、熵、自由能等。
例如，分子温度梯度层析法（MDTG）计算方案，它可以用于预测液体相变温度。
材料计算模拟的应用材料计算模拟可应用于许多材料科学领域，如催化、纳米材料设计、能源存储和转换等等。
以下是几个典型的应用：1. 催化剂设计：催化过程是现代化学工业、能源生产和环保等领域所必需的基本技术。
通过材料计算模拟，我们可以推测催化活性位点的原子结构和反应动力学，设计催化剂材料，提高催化剂的选择性、效率和稳定性。
2. 电池材料设计：材料计算模拟可以帮助我们预测新型电池材料的电化学性质。
例如，电池材料的特殊电化学活性位点可以通过密度泛函理论等方法进行计算，以定制系统的反应能量和电子传输物质等性质，进而提高电池的功率密度、循环寿命和电子储量。
3. 纳米材料设计：纳米材料具有许多特殊的物理和化学性质，可以用于自组装、催化、药物控释等研究。
基于大量的元素、原子和分子的计算机模拟和预测，可以方便地构造出纳米材料的形状、性质和装饰等参数，并预测其在生物医学、光学和电子学等领域中的应用价值。
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6
7
科学计算的重要性
“科学计算已经是继理论科学、实验科学之后，人类认识 与征服自然的第三种科学方法。” “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》
“……解决全部化学的规律的数学方法已完全知道 了，困难只是在于这些方程太复杂，无法求解 …… ”
5
1953年舒尔（H. Schull ）等人用手摇计算机，摇了2 年才完成氮分子的哈特里－福克（Hartree-Fock ）等 级的从头计算。
也许我们可以相信理论物理学家，物质的所有性质 都应当用薛定谔方程来计算。但事实上，自从薛定 谔方程发现以来的30年中，我们看到，化学家感兴 趣的物质性质只有很少几个作出了准确而又非经验 性的量子力学计算。
Statistical (Kuhn) segment length b ~ 1 nm
Chain radius of gyration ~ 10 nm
Domain size in phase-separated material ~ 1 ?m
Melt Glassy state
Bond vibrations ? 10-14 s
8
科学计算的可行性
计算机软、硬件条件的飞速发展为科学计算提供了有 力保证。
量子力学，量子化学等基础理论的发展为科学计算奠 定了理论基础。
9
CPU的速度增加:Moore定律
Moore定律：计算机CPU 的速度每1.5年增加一倍。 1946~1957 真空管,第一代 1958~1963 晶体管,第二代 1966~1970集成电路,第三代 1971~ 大规模和超大规模
磁性系统
热力学系统
热力学系统
晶格缺陷与ห้องสมุดไป่ตู้力学特征
24
晶格缺陷与动力学特征
空间尺度 /m
模拟方法
典型应用
10-10-100 元胞自动机
再结晶、生长、相变、流体
10-7-10-2 弹簧模型
断裂力学
10-7-10-2
顶点模型、拓扑网络模型、 晶界动力学
成核、结晶、疲劳
10-7-10-2
几何模型、拓扑模型、组 分模型
17
主要内容
? 计算材料学的起源 ? 计算材料学的方法 ? 计算材料学的应用
18
材料研究中的尺度（时间和 空间）
?空间尺度
?纳观 原子层次 ?微观 小于晶粒尺寸 ?介观 晶粒尺寸大小 ?宏观 宏观试样尺寸
?时间尺度
?原子振动频率 ?宏观时间尺度
19
空间尺度
20
21
聚合物中的空间和时间尺度
Bond lengths, atomic radii ~ 0.1 nm
?计算材料学是沟通理论与实验、宏观与微观的桥梁 。
13
计算机模拟与材料研究四面 体
使用性能
计算机
合成/加工
模拟
性能
组织结构/成分
14
计算材料学的定义
计算材料学 （Computational materials science ）是结合凝聚态物理、材料物理学、理论化学、 材料力学、工程力学和计算机算法等相关学科， 利用现代高速计算机，模拟材料的各种物理化学 性质，深入理解材料从微观到宏观多个尺度的各 种现象与特征，对材料的结构和物理化学性能进 行理论预测，从而达到设计新材料的目的。
集成电路,第四代
10
? 多核技术 ? 集群技术
11
材料设计
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。
——美国国家科学研究委员会（1995）
12
计算材料学的概念
子结构的问题。 ? 1964-1965 密度泛函理论（DFT）和Kohn-Sham方法 ? 1998 Kohn和Pople获得Nobel化学奖
4
‘… all the mathematics to solve the whole of chemistry is known, but the equations are too difficult to solve …' —— P.A.M. Dirac (1930)
计算材料学概述
第四章 材料设计、计算及模拟
1
主要内容
?计算材料学的起源 ?计算材料学的方法 ?计算材料学的应用
2
主要内容
?计算材料学的起源 ?计算材料学的方法 ?计算材料学的应用
3
计算材料学的起源
? 1913 Niels Bohr 建立了原子的量子模型。 ? 1920s~1930s 量子力学的建立和发展。 ? 1928 F. Bloch 将量子理论运用于固体。 ? 1927 原子电子结构的Thomas-Fermi理论。 ? 1928-1930 Hatree-Fock方法建立，采用平均场近似求解电
15
计算材料学的内涵
? 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； ? 设计新材料； ? 缩短材料研制周围； ? 降低材料制造过程成本。
16
计算模拟的作用
? 可以归纳为三个方面： （1）计算机模拟是基础研究和工程应用的桥梁 。 （2）计算机模拟指出了未来材料科学发展的方 向。 （3）计算机模拟能够揭示材料科学和工程的不 同方面。
结晶、生长、织构、凝固
10-9-10-4 位错动力学
塑性、微结构、位错分布
10-9-10-5
动力学金兹堡 -朗道型相场 模型
Conformat. transitions ? 10-11 s
Longest relaxation time ?10-3 s
Phase/ microphase separation ? 1s
Physical ageing
(Τ < Τg-20οC)
22 ? 1 yr
材料设计的层次
23
典型模拟方法
空间尺度 /m
模拟方法
10-10-106
Metropolis MC
10-10-106
集团变分法
10-10-106
Ising模型
10-10-10- Bragg-Williams-
6
Gorsky 模型
10-10-106
分子场近似
10-10-106
分子动力学
10-12-108
从头计算分子动力学
典型应用
热力学、扩散及有序化系 统 热力学系统