第1章 计算材料学导论.
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
大学计算材料学教案
大学计算材料学教案《计算材料学》教案一、教学目标1.掌握计算材料学的基础理论和方法，了解计算材料学的发展历程和前沿研究领域。
2.能够运用计算材料学的理论和方法，对材料进行结构设计、特性预测和性能优化等方面的研究和开发工作。
3.学会使用计算机和软件对材料进行模拟仿真和实验数据分析，能够编写和调试计算程序和算法。
二、教学内容1.计算材料学的概念和基本原理(1)计算材料学的定义和发展历程。
(2)量子力学、能带论和密度泛函理论等基础理论。
(3)分子动力学、蒙特卡罗模拟等材料计算方法。
2.计算材料学在材料设计与性能预测中的应用(1)材料结构的计算设计和材料特性的预测。
(2)固体缺陷和界面的计算模拟。
(3)新材料的计算设计、合成和性能优化。
(4)材料在界面、表面和纳米尺度下的行为和性能计算。
3.计算材料学的实验数据分析和验证(1)材料实验数据的统计分析和处理。
(2)材料实验和计算结果的对比和验证。
(3)材料计算方法的精度评估和发展方向。
4.计算工具和软件环境(1)计算机及其相关技术。
(2)主流材料计算软件和工具的使用和编写。
(3)计算平台的配置和优化。
三、教学方法本课程采用传统讲授和案例分析相结合的教学方法，通过理论讲解、案例演示、实验操作等方式，加强理论和实践的结合，增强学生对计算材料学掌握和应用的能力。
四、教学要点1.了解计算材料学的基本原理和方法，掌握计算材料学的发展历程。
2.熟悉量子力学、能带论和密度泛函理论等基础理论，掌握分子动力学、蒙特卡罗模拟等计算方法。
3.掌握材料结构的计算设计和材料特性的预测，能够研究固体缺陷和界面的计算模拟。
4.能够进行新材料的计算设计、合成和性能优化，了解材料在界面、表面和纳米尺度下的行为和性能计算。
5.熟悉材料实验数据的统计分析和处理，能够对材料实验和计算结果进行对比和验证。
6.掌握计算工具和软件环境，了解主流材料计算软件和工具的使用和编写。
五、实验安排1.材料性能和结构的计算和模拟。
材料物理导论（熊兆贤着）课后习题答案第一章习题参考解答
第一章 材料的力学1. 一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
解：根据题意可得下表由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。
2. 一试样长40cm,宽10cm,厚1cm ，受到应力为1000N 拉力，其杨氏模量为3.5×109 N/m 2，解：3. 一材料在室温时的杨氏模量为3.5×108 N/m 2,泊松比为0.35，计算其剪切模量和体积模量。
解：根据可知：拉伸前后圆杆相关参数表 )(0114.0105.310101401000940000cm E A l F l El l =⨯⨯⨯⨯⨯=⋅⋅=⋅=⋅=∆-σε0816.04.25.2ln ln ln 22001====A A l l T ε真应变)(91710909.4450060MPa A F =⨯==-σ名义应力0851.0100=-=∆=A A l l ε名义应变)(99510524.445006MPa A F T =⨯==-σ真应力)21(3)1(2μμ-=+=B G E )(130)(103.1)35.01(2105.3)1(288MPa Pa E G ≈⨯=+⨯=+=μ剪切模量)(390)(109.3)7.01(3105.3)21(388MPa Pa E B ≈⨯=-⨯=-=μ体积模量4. 试证明应力-应变曲线下的面积正比于拉伸试样所做的功。
证：5. 一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。
解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。
则有当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。
计算材料学导论精品PPT课件
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
计算材料学
Computational Materials Science
——材料设计、计算及模拟
2008.10
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
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
计算材料学是沟通理论与实验、宏观与微观的桥梁。
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
计算材料学导论课件
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
计算机在材料科学中的应用 书籍
计算机在材料科学中的应用书籍以下是一些涉及计算机在材料科学中应用的书籍推荐：1. 《计算材料学导论》（Introduction to Computational Materials Science）– Richard LeSar2. 《计算材料学基础与应用》（Fundamentals and Applications of Computational Materials Science）– Yan Li, Swanand M. Bhagwat3. 《材料计算与建模导论》（Introduction to Materials Computation）– Richard H. Hennig, Jianguo Mi4. 《材料模拟初探》（An Introduction to materials simulation）– Richard J. Needs, Miguel A. L. Marques5. 《材料结构理论与模拟》（Theoretical and Computational Materials Science）– Anton Van der Ven, Golden G. Ou, James R. Morris6. 《计算材料科学导论》（Introduction to Computational Materials Science: Fundamentals to Applications）– Richard LeSar7. 《计算材料学与材料计算导论》（Introduction to Computational Materials Science and Materials Computing）–Marcus J. Buehler这些书籍包括了从基础到应用的计算机在材料科学中的各个方面，提供了对材料计算的原理、方法和实践的深入理解。
第1章 计算材料学导论
数学建模—— 基本方程建立 和参数设置
牛顿方程 哈密顿方程 拉格朗日方程...
牛顿方程 哈密顿方程 拉格朗日方程...
薛定谔方程 密度泛函理论 Kohn-Sham方程 LDA，GGA
算法构建—— 边界、初值条件 收敛条件指定
阈值 不同系综 Markov 细致平衡原理 接受概率
阈值 势函数 假想自由度 分数粒子思想
模拟计算，即根据材料科学和相关科学基本原理，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； 材料理论计算与设计，即直接通过理论的物理模型和数值计算，预测或设计 材料结构与性能。
计算材料学四大特征
跨学科交叉理论体系
分子设计和微系统设计已成为现实，具有理论“前瞻性”
跨层次调控方法
电子结构、分子结构、晶体缺陷结构和本体结构 纳器件和分子器件，重大“挑战性”
跨尺度设计理念
纳米、微观、介观和宏观 不同计算方法耦合和集成，具有创新“集成性”
跨领域应用特征
汇聚在纳米科学与技术，当代学科发展标志性节点 具有“原始创新性”潜力
多学科和纳米科技发展、汇聚
结构尺寸
课程设计进程安排
本周完成分组、选题
每组6-8人
文献查阅、计算分析、整理表达等各方面互补
组长是项目组的成败关键
协调、负责、坚定，奖惩措施
每组请报三个项目，以便冲突时调整 每组三周内完成一篇综述 QQ群：2134 82870 请善用网络、google ……
1927年到50年代末：创建时期
L.C.鲍林，价键理论 R.S.马利肯，分子轨道理论 H.A.贝特，配位场理论
60～70年代：发展阶段
从头算方法（Gaussian软件包，Slater函数、Gauss函数拟合STO） 半经验计算等
计算材料学导论演示文稿
计算材料学导论演示文稿一、材料学的定义和发展概述（150字）材料学是一门研究材料的性质、结构和应用的学科。
它涵盖了从原子尺度到宏观尺度范围内材料的结构和性能的研究。
材料学的发展始于人类开始使用和改良材料的历史，并在工业革命以后迅速发展。
今天，材料学是现代科学和技术中不可或缺的一部分，它对于解决能源危机、环境问题以及实现可持续发展具有重要意义。
二、材料学的研究内容（200字）材料学涉及很多方面的研究内容，包括材料的组成、结构和性能等。
其中，材料的组成研究主要关注于不同原子或分子间的相互作用和组合方式。
材料的结构研究则探讨物体内部的结晶、晶胞、晶格和相等结构特征。
而材料的性能研究强调材料的物理、力学、电学、磁学和热学性质等。
通过对这些不同方面的研究，材料学能够为材料的设计、制备和应用提供基础理论。
三、材料分类与材料选择原则（300字）材料根据其组成、结构和性质的不同，可以划分为金属材料、陶瓷材料、聚合物材料和复合材料等。
金属材料表现出良好的导电性和导热性，被广泛应用于工业和建筑领域。
陶瓷材料具有高温稳定性和良好的耐磨性，适用于制造陶瓷器和耐火材料等。
聚合物材料具有较低的密度和优良的可塑性，在塑料制品和纺织品等领域得到广泛应用。
复合材料则是由两种或更多种材料组合而成，可以充分发挥各种材料的特性。
在选择材料时，需要考虑其物理、化学和机械性能。
此外，材料的制备工艺和成本也是选择的重要因素。
更重要的是，根据应用环境的不同，还需考虑材料的耐腐蚀性、耐磨性和耐高温性等特性。
四、材料的制备方法（250字）材料的制备方法可以分为物理方法、化学方法和生物方法等。
物理方法主要包括熔融法、溶液法和气相沉积等。
熔融法是将材料加热到熔点然后冷却结晶，常用于制备金属和陶瓷材料。
溶液法是通过将物质溶解在溶剂中，然后通过蒸发或沉淀得到所需材料，常用于制备纳米材料和聚合物材料。
气相沉积法则是通过气相反应制备材料薄膜，常用于制备金属氧化物和半导体材料等。
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Computational Materials Science
From Basic Principles to Practical Design Methodology
江建军 缪灵 等 编著 jiangjj@
授课团队与授课内容
江建军 教授
有限元方法
计算框架和数值处理方法
理论方法、数学模型并不严格等于其数值模型
数值实现与计算效率，针对最重要的问题引入各种近似处理
绝热近似、平均场近似 交换关联泛函形式选择 电子-离子实相互作用处理与波函数展开基矢选择、
各态历经假说、统计系综选择等等
数值解法的精确性也依赖于一系列参数
总论、教育理论、创新实践
别少伟 副教授
项目进程管理
缪 张
灵 博士 莉 博士
石墨烯、纳米管及其应用
氧化锌纳米体系
第1章 计算材料学导论
1. 引言暨历史发展 2. 计算材料学理论体系 3. 研究动态与展望 4. 设计实践方法学
5. 设计实践课程学习方法
1. 引言暨历史发展
计算物理概述
量子计算化学概述
电子结构、分子结构、晶体缺陷结构和本体结构 纳器件和分子器件，重大“挑战性”
跨尺度设计理念
纳米、微观、介观和宏观 不同计算方法耦合和集成，具有创新“集成性”
跨领域应用特征
汇聚在纳米科学与技术，当代学科发展标志性节点 具有“原始创新性”潜力
多学科和纳米科技发展、汇聚
结构尺寸
多个领域：凝聚态物理、核物理、粒子物理、天体物理等 多种方法：蒙特卡罗、分子动力学方法、快速Fourier变换等
量子计算化学概述
20年代，量子力学体系
薛定鄂波动方程、Heisenberg矩阵力学、Dirac相对论方程
20年代末，量子化学计算的开始
Heitler－London使用量子力学处理氢原子形成氢分子
材料设计理念
计算材料学
计算物理概述
基于物理学基本原理的数值计算和模拟已经成为将理论物理和实验
物理紧密联系在一起的重要桥梁
简单的解析理论模型难以描述复杂物理现象
克服实验物理中遇到的许多困难
早期宇宙行为、强磁场、极高压、极低温或高温
1946年2月14日，美国宾夕法尼亚大学，ENIAC 1955年5月,费米和合作者，洛斯阿拉莫斯研究报告 1959年，“曼哈顿计划”，《计算物理方法丛书》
电子结构 量子力学主导
E(ψ) 后Hartee-Fock方法 E(ρ) 密度泛函理论
连续介质力学的本体结构
有限差分方法 有限元方法
计 算 材 料 学
分子演化结构 原子演化结构
牛顿方程 分子动力学方法
统计力学主导
随机抽样 蒙特卡洛方法
本体结构 连续介质力学主导
泰勒展开 有限体积
有限差分方法
模拟计算，即根据材料科学和相关科学基本原理，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； 材料理论计算与设计，即直接通过理论的物理模型和数值计算，预测或设计 材料结构与性能。
计算材料学四大特征
跨学科交叉理论体系
分子设计和微系统设计已成为现实，具有理论“前瞻性”
跨层次调控方法
1927年到50年代末：创建时期
L.C.鲍林，价键理论 R.S.马利肯，分子轨道理论 H.A.贝特，配位场理论
60～70年代：发展阶段
从头算方法（Gaussian软件包，Slater函数、Gauss函数拟合STO） 半经验计算等
80年代至90年代
密度泛函理论(DFT)迅速发展，轨道波函数为基->密度函数为基
计算尺度
纳观，电子结构 纳观－微观，分子演化结构
微观－介观，微纳结构
介观－宏观，本体结构
时间 (s) 100
连续动力学
跨尺度计算多层次ห้องสมุดไป่ตู้构
(ms) 10-3 缺陷动力学 相变动力学
(μs) 10-6 量子力学 半经验方法 量子力学 第一性原理 密度泛含理论 紧束缚方法
(ns) 10-9 (ps) 10-12
物理学
电子技术 宏观 0.1 mm 电子学
微电子
纳米技术应用
微观
生物学
细胞生物学
材料设计
量子效应
0.1 μm 分子生物学 功能分子设计 纳观 超分子化学
电子器件 光电器件 传感器 生物芯片
集成开发 生物原理 物理定律 化学性质
化学
0.1 nm
配位化学
1960
1980
2000
2020
2040
2. 计算材料学理论体系
边界条件、截断误差、级数展开误差 离散化（积分、微分）、正空间倒空间快速傅立叶变换 收敛参数以及程序设计等引入的误差等等
* 3. 研究动态与展望
凝聚态物理、量子化学、计算技术等相关基础学科发展 计算能力的空前提高 多尺度、多层次、多种计算方法结合
基于物理建模和数值计算方法，通过理论计算主动地对材料-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造工艺进 行综合设计，达到对材料结构与功能调控，并提供优化设计和协同 制造技术的一门交叉边缘学科。
材料学信息学->材料专家设计系统->基于材料理论计算与设计
材料设计(Materials Design)
通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能 通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料
计算材料学
“材料计算与设计”的思想产生于20世纪50年代，80年代形成为一
个独立的新兴学科。
蒙特卡洛方法 分子动力学
(fs) 10-15
10-10
10-9 (nm)
10-8
10-7
10-6 (μm)
10-5
10-4 尺度
多层次研究对象与计算方法
量子力学第一性原理的电子结构
Hartree-Fock与从头计算 DFT与第一性原理计算
统计力学原子、分子演化结构
分子动力学方法 蒙特卡罗方法
表面吸附、催化、分子间相互作用等
材料设计理念
材料研究四要素：组成、结构、性能、服役性能
实验研究变得越来越困难
电子层次、纳米结构设计
计算机模拟技术可以根据有关的基本理论
纳观、微观、介观、宏观尺度多层次研究 模拟超高温、超高压等极端环境 性能演变规律、失效机理 进而实现材料服役性能的改善和材料设计