第七章_计算机在材料检测中的应用 计算机在材料科学中的应用 教学课件
计算机在材料科学中的应用---完整版
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。
20世纪下半叶形成的以新材料技术为基础：信息技术、新能源技术、生物工程技术、空间技术、海洋开发技术的新技术群，更使材料科学得到发展。
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：根据组成与结构：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。
材料科学与工程是研究：材料组成、结构、性能、制备工艺、使用性能以及它们之间相互关系的科学。
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。
计算机在材料科学中的应用1PPT课件
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
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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
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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
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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
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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
计算机在材料科学中的应用引言计算机科学与材料科学的结合，为材料科学领域的研究和应用带来了巨大的影响和变革。
随着计算机技术的不断发展和突破，计算机在材料科学中的应用逐渐得到了广泛的认可和应用。
分子建模与模拟计算机在材料科学领域的一个重要应用是分子建模和模拟。
通过利用计算机建立分子的模型和进行模拟计算，可以预测材料的性质和行为。
这种方法在材料设计、催化剂研究、药物研发等领域中具有重要的应用价值。
通过在计算机上进行大规模的分子模拟，可以快速筛选出具有潜在应用价值的材料，从而加速材料科学的研究和应用过程。
材料结构预测另一个计算机在材料科学中的重要应用是材料结构预测。
传统的材料结构预测方法通常需要耗费大量的时间和人力，而计算机可以通过模拟和计算来快速预测材料的结构。
通过这种方式，可以找到新的材料结构，推动新材料的发现和应用。
这种方法在新能源材料、光电材料、储能材料等领域中具有重要的应用价值。
材料性能优化计算机在材料科学中的应用还可以用于材料性能优化。
通过利用计算机模拟和预测，可以优化材料的性能和特性。
例如，在涉及到材料的机械性能、导电性能、光学性能等方面，可以通过计算机模拟和优化来提高材料的性能。
这种方法不仅可以指导实验的设计和实施，还可以提高材料的应用性能，从而推动材料科学的发展和应用。
数据分析与挖掘计算机在材料科学中还可以用于数据分析与挖掘。
随着大数据时代的到来，材料科学领域也积累了大量的材料数据。
通过运用计算机技术，可以从这些数据中挖掘出有价值的信息和规律，指导材料的设计和研究。
例如，可以通过机器学习的算法来建立材料的结构-性能关联模型，从而加速材料的研发过程。
材料仿真与优化设计最后，计算机在材料科学中的应用还可以用于材料的仿真和优化设计。
通过在计算机上建立材料的模型，可以对材料进行仿真和优化。
例如，可以通过有限元分析方法对材料的力学行为进行仿真，帮助理解和预测材料的性能。
同时，也可以利用优化算法进行材料的优化设计，进一步提高材料的性能和特性。
(完整版)计算机在材料科学与工程中的应用-完整版20130918
第二章 实验数据处理
• 一、利用Microsoft Excel进行数据处理 • 二、利用Origin进行数据处理 • 三、实验曲线的数据拟合
一、 利用Microsoft Excel进行数据处理
要点： 1. 从文本文档中导入数据 2. 电子表格的显示调整（最合适行高、
材料设计专家系统
设计要求 性能指标
数据库：存储具体有关材料的数据值， 只能进行查询而不能推理。
知识库：存储的是规则，当从数据库 中查询不到相应的性能值时，能通过 推理机构以一定的可信度给出性能的 估算值，从而实现性能的预测功能。
材料数据库 集
智能化 YES
优化结果
成
化
机器
材料知识库
知识获取
学习
推理机
快、好、省的研究方法。
用于材料工艺过程的优化及自动控制
在材料加工过程中应用计算机不仅能减轻劳动强度， 而且能改善产品的质量和精度，提高产量。
利用计算机可以对材料加工工艺过程进行优化控制， 例如：可以用计算机对渗碳（氮）全过程进行控制， 也可以利用计算机精密控制注塑机的注射速度。
计算机技术、微电子技术和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都获得了 大幅提高。
用于材料组成和微观结构的表征
目前，材料组成和结构表征研究主要采用各种大 型分析设备进行，如扫描电镜、透射电镜、扫描 探针显微镜、X射线衍射仪、中子衍射仪、拉曼光 谱仪、原子吸收光谱仪、等离子体发射光谱仪、 荧光光谱仪等，这些大型分析设备几乎无一例外 的是在计算机的控制之下完成分析工作的。这些 分析设备提供有不同的分析模拟软件以及相应的 数据库，而且软件的功能非常强大，大大减轻了 数据处理的工作量，并且可以给出各种图表。
计算机技术在材料科学中的应用
《计算机技术在材料科学中的应用》随着科学技术的不断发展，计算机技术在各个领域的应用也日益广泛，其中包括材料科学领域。
计算机技术的发展使得在材料科学研究中更加便捷和有效，为材料研发和设计提供了全新的途径和方法。
本文将通过全面的评估，探讨计算机技术在材料科学中的应用，帮助读者更深入地了解这一主题。
一、计算机模拟在材料科学中的应用1.原子层面的模拟计算机技术可以模拟原子层面的材料结构和性质，利用分子动力学模拟等方法，研究材料的结构、热力学性质、动力学行为等。
通过这些模拟可以更好地理解材料的微观结构和性能，为新材料的设计和研发提供重要的参考。
2.材料表征与成像计算机技术可以实现对材料的表征与成像，通过原子力显微镜、透射电子显微镜等技术，对材料的微观结构和表面形貌进行模拟和重建，帮助科研人员更好地理解材料的特性和表现形态。
3.晶体结构预测通过计算机模拟的方法，可以对晶体结构进行预测和优化，提高新材料的研发效率，并且发现一些在实验中难以获得的新材料结构。
二、材料设计和优化中的计算机辅助方法1.材料数据库与大数据分析计算机技术可以建立和维护大规模的材料数据库，通过对大数据的分析和挖掘，挖掘一些潜在的新材料组成和性能规律，提高新材料的发现效率。
2.晶体工程与材料优化计算机辅助的晶体工程和材料优化方法，可以通过高通量计算和机器学习等技术，实现对材料性能和构造的优化，提高材料的性能和可靠性。
三、个人观点和总结从上述内容可见，计算机技术在材料科学中的应用已经成为材料科学研究的重要手段。
通过计算机技术的应用，我们可以更加深入地理解材料的微观结构和性能，为新材料的设计和研发提供全新的途径和方法。
然而，在材料科学研究中，计算机技术的应用也面临一些挑战，比如模拟精度、数据挖掘的准确性等方面需要进一步完善。
计算机技术的应用为材料科学研究带来了巨大的推动力，相信随着技术的不断进步，计算机技术在材料科学中的应用将会有更加广阔的发展前景。
计算机在材料科学与工程中的应用
例如/SDB/
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3、计算机在材料的组成和结构研究中的应用
材料的组成和结构对于材料的性能和应用有着非常强烈的 影响。
现今材料的组成和结构表征主要采取各种大型分析设备，如扫 描电镜 (SEM)， 透射电镜 (TEM)， 分析电镜 (AEM)， 扫描探 针显微镜 (SPM) 等；各种谱仪如可见光谱，红外光谱，拉曼光 谱，原子吸收光谱，等离子体发射光谱，荧光光谱等；各种衍 射仪，如X射线衍射仪，电子衍射，中子衍射等。
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Jaguar速度达到每秒1750万亿次运算排名 第一 ,中国深圳国家超级计算机中心的曙 光星云计算机以1271万亿次排名第二
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世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946)
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1946年 美国 ENIAC
1955年退役ຫໍສະໝຸດ 十进制运算18 000 1 500
150 30 1 500 5 000
材料科学目前还更多地依赖于事实和经验积累的特 点，使得计算机在材料科学中的应用以及所起的作 用更为重要。
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1 、计算机用于材料设计
材料设计是研究材料的合成和制备问题的终极 目标之一，材料科学的发展现状离材料设计这一 终极目标尚远，许多化学家、物理学家和材料学 家仍然在这一方向上进行着艰难和持续的努力。
计算机在材料科学与工程中的应用
Computer in MSE
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一、 材料科学与工程(MSE)
1、MSE研究内容 是研究材料组成、结构、性能、制备工艺和
使用性能以及它们之间相互关系的科学。
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 ppt课件
2.材料科学专业网站------WWW虚拟图书馆
The international chemical information network
第二节 互联网上材料科学信息资源的检索和利用
3.数据库资源--------专利数据库
第二节 互联网上材料科学信息资源的检索和利用
3.数据库资源--------材料性能数据库
计算机在材料科学中的应用
复习课
一、internet简介 1.什么是internet 计算机网络是指利用通信设备和线路将地理位 置不同、功能独立的多个计算机互连起来，以功能 完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。计算 机网络按照联网的计算机所处的位置远近分为局域 网和广域网。 Internet是一个网络，凡是采用 TCP/IP 协议并 且能够与 Internet中任何一台主机进行通信的计算 机就可以看成是 Internet的一部分。
Elsevier Science公司出版的期刊是世界上公认的 高品位学术期刊。提供98年以来Elsevier公司 1100余种电子期刊全文数据库即：ScienceDirect OnSite（SDOS）的服务。Elsevier Science全文 数据库大多数都是核心期刊，并且被世界上许 多著名的二次文献数据库所收录。近几年该公 司将其出版的1100多种期刊全部数字化，即 ScienceDirect全文数据库，并通过网络提供服务。 该数据库涉及众多学科：计算机科学、工程技 术、能源科学、环境科学、材料科学、数学、 物理、化学、天文学、医学、生命科学、商业、 及经济管理、社会科学等。
Origin 简介
OriginLab公司的产品 最新版本为 V7.5 Pro 通用的科技绘图和数据分析软件 定位于基础级和专业级之间 国际科技出版界公认的标准作图软件 科学和工程研究人员的必备软件之一 主页：/ 下载：ftp://202.116.43.143/chemsoft/ 安装演示(Demo):
计算机在材料科学中的应用
计算机在材料科学中的应用班级：10030141X学号：13******计算机在材料科学中的应用计算机作为一种现代工具,在当今世界的各个领域日益发挥着巨大作用.但由于材料科学研究领域的广泛性和与多学科的相互渗透性,给计算机在材料科学中的应用带来了复杂性和特殊性。
本文针对主要的几个方面进行一些分析和探讨,并着重讨论新材料、新合金的设计。
1新材料、新合金的设计新材料新合金的设计与开发,长期以来采用的是配方方法.有人比作“炒菜式”的方法。
一般需经对成分一组织一性能关系的调整作多次反复实验,即“炒作”才能抚得较满意的结果。
这种方法有相当的盲目性,费功、费时、经济损耗大,为此人们期望从实验比较、总结归纳的研制方式走向演绎计算的方法,而计算机技术的飞速发展恰恰合了这一发展趋势,即按所需材料性能来设计、制备新材料、新合金,并使所设计的合金成分、组织(或工艺)达到最佳配合。
在这方面“高分子材料设计、“镍基耐热合金的电子设计比’，“复合材料设计”,和“船舶结构合金优化设计’心等取得了较为成功的经验。
这种设计的基本原理是,从已有的大量数据、经验事实出发.利用现有的各种不同结构层次的数学模型,如合金的成分、组织、结构与性能关系的数学模型及相关数据理论.如固体与分子经验电子理论量子理论等,通过计算机运算对比、推理思维来完成优选新合金、新材料的设计过程。
其中引入了数学的鼓优化理论来获得最佳方案的材料配方及生产工乙。
近年来,又有人提出材料科学的专家系统。
譬如计算机辅助Bi一YIG磁光薄膜材料设计的专家系统研究,在这个系统中两个最重要的部分是材料数据库和材料知识库材料数据库中存储的是具体有关材料的数据值,它只能进行查询而不能推理;材料知识库存储的是规则,当从数据库中查询不到相应的性能时,知识库却能通过推理机构以定的可信度给出性能的估算值,从而实现性能预测功能。
同时,也可用该知识库进行组分和工艺设计.在整个知识库中采用近年来在国际卜兴起的数据库知识发现技术。
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。
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X.Z.Lin
（一）金相图像分析系统
人工金相定量分析法：网格法、称重法等
局限性：准确性和重现性差、效率低、在某些情况下还无法实现 。
计算机金相图像分析系统：
分析电子显微方法中要获得材料成分的信息的方法主要 有：
电子能谱（EDS或EDX）（与SEM配套使用，元素分析） 电子探针X射线微区成分分析（EPM或EPMA）（微区成分分析） 俄歇电子能谱（AES）（表面成分分析、微区成分分析） X射线光电子能谱（XPS）（表面成分、化学态分析）
电子能量损失谱方法（EELS） 高角度散射暗场方法（STEM）（也称Z衬度方法） 场发射电子枪技术（使纳米尺度的成分分析成为可能，它能进行1nm 以下区域的成分分析）
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4.2 材料成分的检测
材料的组成对材料的性能和应用有很大的影响，许多材料 的合成和制备也正是通过改变材料的成分来改变材料的性能。 如材料的表面处理就是使材料的表面成分与心部不同，以获得 材料表面的特殊性能。因此，材料成分的检测对于材料研究有 着特别重要的意义。
（2）数据分析、图谱分析软件
对仪器测得的实验结果（图像或图谱的数据），按指定的公式、 方法分析处理，得到进一步的更多信息（结果）。（如：Galan Inc. 公司的EL/P（M）软件，可用于电子能量损失谱仪（EELS）的控制 和谱仪数据的分析，给出微区成分分析的结果等。）
（3）设备控制软件
控制各种分析设备装置分析过程的软件。选择输入分析要求、实
第四章
计算机
在材料检测中的应用
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（三）在线测量系统的组成和原理
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（四Байду номын сангаас计算机在材料检测中的应用
材料的性能主要决定于它的化学成分和组织结构。化学成分不同的材 料具有不同的性能；而相同成分的材料经过不同的加工处理而具有不同的 组织结构时，也将具有不同的性能。材料科学就是以材料的成分、加工工 艺、组织结构和性能的关系及其变化规律为研究对象的；以这些关系和规 律作为依据，可以为材料设计适当的成分和适宜的加工工艺，从而获得预 期的组织结构，当然也获得材料的最终性能。所以在材料科学中，对材料 成分、组织结构的分析与研究、材料的性能检测是十分重要的。
原子发射光谱法 分子荧光光谱法 分子磷光分析法
化学发光分析法
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X.Z.Lin
计算机应用软件在光谱仪方法中的功能
（1）测量参数选择 不同样品作不同元素的检测时，许多测量控制参数都有所不同。仪器随
机控制应用软件能选择不同的参数，为此建立测量控制参数文件，存储在磁 盘中，供以后调用；并能显示、输入、修改、存储测量控制参数等。 （2）定标处理
由于材料检测的重要性和迫切需要，随着计算机技术的快速发展，计 算机在材料的成份、组织结构、力学性能、物理性能等的检测方面的得到 了广泛的应用。目前，较先进的材料检测方法和设备都是在计算机控制下 工作的，同时，其检测到的各种数据也可直接通过计算机处理，得到我们 需要的各种数据。
下面将分类举例介绍计算机在材料检测方面的应用，重点介绍如何在 材料科学中应用计算机解决材树检测方面各种实际的问题。
测量前仪器都需经标准样品校准。标准样品中各种元素浓度与仪器相应 通道的光谱线强度计数值一般以文件形式存储，应用软件在工作时调用此文 件与实测时的光谱线比较．得出被测样品的含量值。 （3）常规测量过程控制
完成一般的常规测量过程，同时数据系统把测量数据依通道存入测量数 据文件。 （4）分析测量结果
依测量数据文件和定标文件对被测样品作出分析，给出被测样品的成分 分析结果，并显示相应结果。有的还可以将两者的谱线图同时放在一起，以 便工作人员加以人工比较和判断。
现今可利用各种大型分析设备如扫描探针显微镜（SPM)、 扫描电镜（SEM）、 透射电镜（TEM)，X射线衍射仪、电子 衍射仪、各种谱仪如红外光谱仪、拉曼光谱仪、原子吸收光谱 仪、激光光谱仪等进行材料成分的检测。
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（一）分析电子显微方法
分析电子显微方法是现代电子显微学领域中的重要组成 都分，是从微观尺度认识和研究材料的非常重要的手段。
验条件，分析设备装置按照这些选择进行分析过程。
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（二）光谱仪方法
光谱分析是依据样品物质的特征光谱，研究其化学 成分和存在状态。在现代科学技术的发展中，光谱分析 在材料成分分析和结构分析中起着重要作用。
X射线光谱
X射线波谱（光学方法展谱） X射线能谱（电子学方法展谱）
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计算机在成分分析设备上的应用
大致可以分为三类（数据处理软件部分）：
（1）计算、模拟软件
输入被测材料的名称、实验条件和分析要求；系统按某个计算模 型或公式输出计算结果、用于实验前的结果预测、与实验结果比较和 数据评价。（如：由Small World公司编制的Electron Flight Simulator软件，可依据蒙特卡罗法模拟求出入射到试样中的电子散 射的轨迹，也可计算试样产生的特征X射线谱等。）
微波辐射光谱
紫外光（20～400nm） 紫外可见分光光度法 可见光（400～800nm）
近红外光 （800～900nm）
吸收光谱 红外光谱（常用中红外：波数4000 ~400 cm-1 ）
原子吸收光谱法
顺磁共振光谱法
光学光谱
核磁共振光谱法
拉曼光谱（激光）（散射光谱）
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发射光谱
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4.3 材料组织结构的检测
材料科学是以材料的成分、加工工艺、组织结构与性能 的关系及其变化规律为研究对象的，所以材料科学研究中通 常都要检测直接影响性能的材料组织，评价材料缺陷；在了 解了材料组织与缺陷，以及其与性能之间的关系的变化规律 的基础上进行计算机仿真，则是材料科学研究的新手段。