计算材料学-上海交通大学-材料科学与工程学院
计算材料-第一性原理
第三章 计算材料学-第一性原理及应用
材料计算模拟的尺度
计算机在材料科学与工程中的应用
第三章 计算材料学-第一性原理及应用
典型模拟方法及所对应的模拟尺度
材料电子结构模拟-第一性原理 材料原子层次模拟-分子动力学 材料介观层次模拟-相场动力学 材料宏观层次模拟-有限元法
计算机在材料科学与工程中的应用
第三章 计算材料学-第一性原理及应用
多粒子体系的第一性原理
材料的性质（如硬度、电磁和光学性质）和发生在固体内 的物理和化学过程是由它所包含的原子核及其电子的行为 决定的。
理论上，给定一块固体化学成分（即所含原子核的电荷和 质量），我们就可以计算这些固体的性质。因为一块固体 实际上是一个多粒子体系。决定这个体系性质的波函数可 以通过解薛定谔（Schrödinger）波动方程来获得。
计算机在材料科学与工程中的应用
第三章 计算材料学-第一性原理及应用
计算材料学用途
曾庆丰说，迈海材料基因组国际研究院是在华夏幸福、清华产业 园、陕西金控等产业资本支持下成立的，预计到2020年形成初具 规模的产业链布局，主要包括材料基因组软件、新能源材料、低 维材料与器件、石墨烯、生物3D打印和特色专科医院等，将形 成超过10亿元人民币规模的材料基因组产业集群。
1964年，P.Hohenberg和W.Kohn在非均匀电子气理论的基础上，提出两个基本 定理，奠定了密度泛函理论的基础。
定理1：对于一个共同的外部势v(r), 相互作用的多粒子系统的所有基态性质都由
（非简并）基态的电子密度分布n(r)唯一地决定。
计算机在材料科学与工程中的应用
第三章 计算材料学-第一性原理及应用
1965年柯恩又和沈吕九证明(W. Kohn and L. J. Shan, Physical Review 140, All33)：一个多粒子体系的粒子密度函数可以通过一个 简单的单粒子波动方程获得。这个单粒子波动方程现在被称作柯恩 －沈（Kohn-Sham）方程。 Hohenberg，Kohn和Shan的理论就是诺贝尔化学奖颁词所指的密 度泛函理论。显然，密度泛函理论大大简化了应用量子力学探讨材 料物理性质所涉及的数学问题。
计算材料学 逾渗理论
转变
堵塞/流通 抑制/流行 断开/联结 绝缘体/金属导体 正常导电/超导 绝缘体/金属导体 非传播/传播 禁闭/非禁闭 正常的/超流的 绝缘体/金属导体 顺磁性的/铁磁体的 液体/凝胶 液体/玻璃 局域态/扩展态 类似于电阻网络
3.1 逾渗的基本理论
逾渗理论应用如此广泛，其主要原因是自然界中广泛地存 在着无序和随机结构。随着结构联结程度或某些参数，诸 如某种密度、占据数等的突然增加出现长程联结．这就使 逾渗理论成为描述这些现象的自然模型。另一方面，逾渗 理论不要求精深的数学能力，却可以为空间随机过程提供 一个明确、清晰、直观的描述。
对于键逾渗过程，每条键或者是联结的，或者是不联结的； 联结的百分率为p，不联结的百分率为1-p。应该指出，这 儿必须假定系统是完全无序的，意即每条键的联结概率与 其相邻键的逾渗的基本理论
对于座逾渗，每条键都是联结的，但“座”具有结构的无 规联结性特征∶每一个座或者是联结的（畅通的），或者 是不联结的（堵塞的），相应的百分率分别为p和1-p。仍 假定，对于每一个座，概率不受其相邻点的状态的影响。
L=150情况下，不 同的概率p下团簇 的尺度分布情况。
p=0.58的情况下， 它的尺度分布密度函数可以拟合为p(x)=0.37*x-1.72
3.2 逾渗阀值的计算
团簇的分形特征
处于临界状态附近 的渗流系统中的大 的团簇基本上都是 具有自相似的分形 体。
通过Box Covering （盒覆盖）方法来 计算这个红色大团 块的分形维。
ps' f ps
p(sn1) p(sn )4 4p(s n )3 (1- p(sn )) 2p(s n )2 (1- p(sn ))2
p(sn)的四次方项对应的是规则中的最后一个规则（也就是说在原始尺度下， 黑格要连续出现4次，它的概率显然是p(sn)4），3次方项是规则左边有三个 黑格的情况，这一共有4条规则，所以系数为4，概率是黑格连续出现3次， 并且最后一次是白格，所以是p(sn)3(1-p(sn))；2次方相对应的是两种两个黑 色竖向连在一起的2条规则，系数为2.
计算材料学课程简介和教学大纲
4
编程，上机
4
分子动力学方法的软、硬球模型（讲授）
5
分子动力学计算方法在材料科学中的应用（讲授）
5
量子力学基础知识（讲授）
6
分子的结合能及其计算（讲授）
6
物质的能带结构及其计算（讲授）
7
编程，上机
7
多电子体系的电子态、密度泛函概要（讲授）
8
编程作业讲评（讲授与互动）
8
总复习、答疑（讲授与互动）
备注 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时
的问题。
AM
1 M
M i1
A(Xi )
求解该问题首先需要建立系统分子运动方程，然后通过直接对系统中的每个分子运动
方程进行数值求解，得到每个时刻各个分子的坐标与动量随时间的迁移，即在相空间的运动 轨迹，再利用统计的方法得到多体系统的静态和动态特性，从而得到系统的宏观性质。
本次课程主要讲述求解分子动力学运动方程的方法，如：Verlet 法、蛙跃法和 Gear 方法（预纠法） 等。
期末开卷考试：80％。 四、教学安排
每周 6 学时，共 8 周（其中安排编程、上机调试 6 学时）。 （一）主要内容：
第一章 微分方程的常用数值计算方法(6 学时) 1.1 差分格式 1.2 线性方程组的数值计算方法 1.3 MATLAB 语言基础
第二章 蒙特卡罗方法（6 学时） 2.1 蒙特卡罗方法基础知识 2.2 蒙特卡罗方法在材料科学中的应用
simulation on materials science are illustrated.
(0805) 材料科学与工程
(0805) 材料科学与工程(共 31个一级学科招生单位)清华大学、北京工业大学、北京航空航天大学、北京科技大学、北京化工大学、中国科学院研究生院、天津大学、燕山大学、大连理工大学、东北大学、吉林大学、哈尔滨工业大学、同济大学、上海交通大学、华东理工大学、东华大学、东南大学、南京理工大学、南京工业大学、浙江大学、中国科学技术大学、山东大学、华中科技大学、武汉理工大学、湖南大学、中南大学、华南理工大学、重庆大学、四川大学、西安交通大学、西北工业大学{材料科学与工程9强：清华大学、北京科技大学、浙江大学、上海交通大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学、华南理工大学、中南大学、西安交通大学}() *材料科学与工程(共6个二级学科招生单位)清华大学、北京科技大学、哈尔滨工业大学(深圳)、浙江大学、湖南大学、重庆大学() 材料物理与化学(共 140个二级学科招生单位)北京交通大学、北京工业大学、北京航空航天大学、北京理工大学、北京科技大学、北方工业大学、北京印刷学院、北京师范大学、首都师范大学、中国石油大学(北京)、中国地质大学(北京)、中国科学院研究生院、钢铁研究总院、北京航空材料研究院、北京有色金属研究总院、南开大学、天津大学、天津工业大学、天津理工大学、天津师范大学、河北大学、河北工业大学、河北理工大学、河北师范大学、燕山大学、太原科技大学、太原理工大学、山西师范大学、内蒙古大学、内蒙古科技大学、内蒙古师范大学、大连理工大学、沈阳工业大学、东北大学、鞍山科技大学、大连轻工业学院、辽宁工学院、大连大学、中科院金属研究所、吉林大学、长春理工大学、长春工业大学、东北师范大学、吉林师范大学、黑龙江大学、哈尔滨工业大学、哈尔滨工程大学、哈尔滨师范大学、哈尔滨理工大学、复旦大学、同济大学、上海交通大学、华东理工大学、东华大学、华东师范大学、上海大学、中科院上海硅酸盐研究所、中科院上海微系统与信息技术研究所、南京大学、苏州大学、东南大学、南京理工大学、江苏科技大学、南京工业大学、江苏大学、扬州大学、浙江工业大学、中国计量学院、安徽大学、中国科学技术大学、安徽师范大学、淮北煤炭师范学院、中科院合肥物质科学研究院、厦门大学、华侨大学、福州大学、福建师范大学、中科院福建物质结构研究所、华东交通大学、景德镇陶瓷学院、江西师范大学、南昌大学、山东大学、中国海洋大学、山东科技大学、中国石油大学(华东)、青岛科技大学、山东轻工业学院、聊城大学、济南大学、山东理工大学、郑州大学、河南大学、河南师范大学、河南科技大学、河南理工大学、郑州轻工业学院、武汉大学、华中科技大学、中国地质大学(武汉)、武汉理工大学、湖北工业大学、华中师范大学、湖北大学、湘潭大学、中南大学、国防科技大学、中山大学、汕头大学、华南理工大学、华南师范大学、深圳大学、广东工业大学、广西大学、桂林电子工业学院、海南大学、重庆大学、西南大学、后勤工程学院、四川大学、西南交通大学、电子科技大学、西南石油学院、西南科技大学、西南民族大学、云南大学、昆明理工大学、西北大学、西安交通大学、西北工业大学、西安理工大学、西安电子科技大学、西安工业学院、西安建筑科技大学、陕西科技大学、陕西师范大学、兰州大学、兰州理工大学、新疆大学、中科院新疆理化技术研究所{材料物理与化学26强:浙江大学、清华大学、北京科技大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、中南大学、中山大学、复旦大学、吉林大学、河北工业大学、南昌大学、东北大学、西安交通大学、南京大学、山东大学、湖南大学、武汉大学、天津大学、华中科技大学、华东理工大学、湘潭大学、中国科学技术大学、南京理工大学、南开大学、兰州大学}() 材料学(共 194个二级学科招生单位)北京交通大学、北京工业大学、北京航空航天大学、北京理工大学、北京科技大学、北京化工大学、北京服装学院、中国矿业大学(北京)、中国石油大学(北京)、中国地质大学(北京)、钢铁研究总院、北京机电研究所、北京航空材料研究院、中国航天科技集团公司第一研究院、北京化工研究院、北京橡胶工业研究设计院、铁道科学研究院、中国建筑材料科学研究院、北京矿冶研究总院、北京有色金属研究总院、北京橡胶工业研究设计院、装甲兵工程学院、天津大学、天津科技大学、天津工业大学、中国民航大学、天津理工大学、天津城市建设学院、华北电力大学(保定)、河北工业大学、河北理工大学、河北科技大学、石家庄铁道学院、燕山大学、中国人民武装警察部队学院、军械工程学院、太原科技大学、中北大学、太原理工大学、山西师范大学、中科院山西煤炭化学研究所、内蒙古科技大学、内蒙古工业大学、内蒙古金属材料研究所(52所)、大连理工大学、沈阳工业大学、沈阳航空工业学院、沈阳理工大学、东北大学、鞍山科技大学、辽宁工程技术大学、辽宁石油化工大学、沈阳化工学院、大连交通大学、大连轻工业学院、辽宁工学院、沈阳大学、中科院金属研究所、吉林大学、长春理工大学、长春工业大学、吉林建筑工程学院、哈尔滨工业大学、哈尔滨工程大学、黑龙江科技学院、大庆石油学院、齐齐哈尔大学、佳木斯大学、哈尔滨理工大学、复旦大学、同济大学、上海交通大学、华东理工大学、东华大学、上海大学、中科院上海硅酸盐研究所、中科院上海光学精密机械研究所、上海材料研究所、南京大学、苏州大学、东南大学、南京航空航天大学、南京理工大学、江苏科技大学、中国矿业大学、南京工业大学、江苏工业学院、河海大学、江南大学、南京林业大学、江苏大学、南京水利科学研究院、浙江工业大学、浙江理工大学、安徽大学、中国科学技术大学、合肥工业大学、安徽工业大学、安徽工程科技学院、安徽师范大学、安徽建筑工业学院、厦门大学、华侨大学、福州大学、福建师范大学、东华理工学院、南昌航空工业学院、江西理工大学、景德镇陶瓷学院、南昌大学、山东大学、中国海洋大学、山东科技大学、中国石油大学(华东)、青岛科技大学、青岛理工大学、山东建筑大学、山东轻工业学院、烟台师范学院、烟台大学、青岛大学、济南大学、山东理工大学、第五三研究所、郑州大学、河南师范大学、河南科技大学、郑州轻工业学院、河南工业大学、河南理工大学、中原工学院、洛阳耐火材料研究院、洛阳船舶材料研究所(725所)、武汉大学、华中科技大学、武汉科技大学、武汉工程大学、中国地质大学(武汉)、武汉理工大学、湖北工业大学、湖北大学、武汉材料保护研究所、海军工程大学、湘潭大学、中南大学、长沙理工大学、湖南工业大学、湖南科技大学、中国航空动力机械研究所、长沙矿冶研究院、国防科技大学、暨南大学、华南理工大学、深圳大学、广东工业大学、广西大学、桂林电子工业学院、桂林工学院、华南热带农业大学、重庆大学、重庆交通大学、西南大学、重庆工学院、后勤工程学院、四川大学、西南交通大学、电子科技大学、西南石油学院、成都理工大学、西南科技大学、西华大学、四川师范大学、贵州大学、贵州大学、云南大学、昆明理工大学、昆明贵金属研究所、西安交通大学、西北工业大学、西安理工大学、西安电子科技大学、西安建筑科技大学、西安科技大学、西安石油大学、陕西科技大学、陕西师范大学、长安大学、西安近代化学研究所(204所)、航天动力技术研究院、兰州大学、兰州理工大学、兰州交通大学、中科院兰州化学物理研究所、青海大学{材料学32强：西北工业大学、北京科技大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、同济大学、东北大学、北京航空航天大学、浙江大学、华南理工大学、中南大学、四川大学、山东大学、武汉理工大学、西安交通大学、北京化工大学、中国科学技术大学、天津大学、中华大学、南京理工大学、合肥工业大学、燕山大学、吉林大学、上海大学、重庆大学、大连理工大学、湖南大学、华中科技大学、昆明理工大学、北京理工大学、武汉科技大学}() 材料加工工程(共 127个二级学科招生单位)北京交通大学、北京工业大学、北京航空航天大学、北京理工大学、北京科技大学、北京化工大学、北京工商大学、中国林业科学研究院、钢铁研究总院、北京机电研究所、北京航空材料研究院、中国航空工业第一集团公司北京航空制造工程研究所、铁道科学研究院、中国舰船研究院、北京有色金属研究总院、装甲兵工程学院、天津大学、天津科技大学、天津工业大学、河北工业大学、河北理工大学、河北科技大学、燕山大学、太原科技大学、中北大学、太原理工大学、内蒙古科技大学、内蒙古工业大学、内蒙古农业大学、大连理工大学、沈阳工业大学、沈阳理工大学、东北大学、鞍山科技大学、辽宁工程技术大学、辽宁石油化工大学、沈阳化工学院、大连交通大学、大连海事大学、大连轻工业学院、辽宁工学院、中科院金属研究所、沈阳铸造研究所、吉林大学、长春理工大学、长春工业大学、哈尔滨工业大学、哈尔滨工程大学、齐齐哈尔大学、佳木斯大学、哈尔滨理工大学、机械科学研究院哈尔滨焊接研究所、同济大学、上海交通大学、华东理工大学、东华大学、上海大学、上海工程技术大学、东南大学、南京航空航天大学、南京理工大学、江苏科技大学、南京工业大学、河海大学、南京林业大学、江苏大学、解放军理工大学、浙江工业大学、浙江理工大学、中国科学技术大学、合肥工业大学、安徽工业大学、华侨大学、福州大学、福建师范大学、华东交通大学、南昌航空工业学院、江西理工大学、南昌大学、山东大学、山东科技大学、中国石油大学(华东)、青岛科技大学、山东建筑大学、青岛大学、济南大学、山东理工大学、郑州大学、河南科技大学、河南理工大学、中原工学院、机械科学研究院、武汉大学、华中科技大学、武汉科技大学、武汉理工大学、湖北工业大学、湖北大学、湘潭大学、中南大学、株洲工学院、国防科技大学、华南理工大学、广东工业大学、广西大学、桂林电子工业大学、桂林工学院、重庆大学、重庆工学院、四川大学、西南交通大学、西南石油学院、西华大学、贵州大学、昆明理工大学、西安交通大学、西北工业大学、西安理工大学、西安工业学院、西安建筑科技大学、西安石油大学、陕西科技大学、长安大学、陕西理工学院、航天动力技术研究院、兰州理工大学、新疆大学{材料加工工程23强：上海交通大学、哈尔滨工业大学、清华大学、华南理工大学、西北工业大学、北京科技大学、华中科技大学、东北大学、吉林大学、天津大学、同济大学、西安交通大学、大连理工大学、山东大学、郑州大学、太原理工大学、浙江大学、四川大学、兰州理工大学、北京航空航天大学、武汉理工大学、北京工业大学、东南大学}() *材料纳米技术北京化工大学() *高分子材料大连理工大学() *无机材料工程东北大学() *腐蚀科学与防护中科院金属研究所() *纳米纤维及杂化材料东华大学() *生物材料与组织工程东南大学() *建筑材料与工程武汉理工大学() *纳米科学和技术华中科技大学() *电子信息材料与器件中南大学() *高分子科学与工程四川大学() *计算材料学西北工业大学() *信息功能材料北京航空航天大学() *生物仿生材料北京化工大学() *材料表面工程大连理工大学() *材料电磁工程与科学东北大学() *物质智能系统工程东华大学() *包装材料及容器山东大学() *数字化材料成形华中科技大学() *生物材料学武汉理工大学() *材料计算科学与虚拟工程中南大学() *纳米材料与纳米技术四川大学() *生态环境材料北京化工大学() *材料无损检测与评价大连理工大学() *材料成形过程控制东北大学() *仿生材料东华大学() *复合材料学武汉理工大学四川大学() *粉体材料科学与工程中南大学() *信息材料北京化工大学() *高分子科学与工程东北大学() *光电子及信息材料武汉理工大学() *材料摩擦学中南大学() *新能源材料武汉理工大学() *生物材料学中南大学() *矿物材料中南大学。
材料科学与工程一级学科硕士学位研究生培养方案
“材料科学与工程”一级学科硕士学位研究生培养方案（学科代码：080500）（2015年修订）一、培养目标1、树立爱国主义和集体主义思想，掌握辩证唯物主义和历史唯物主义的基本原理，树立科学的世界观与方法论。
具有严谨的科学态度、良好的学风和科研作风以及实事求是、独立思考、勇于创新的科学精神，有良好的敬业精神和科学道德以及良好的合作精神和较强的沟通交流能力，品行优良。
2、能够适应科学进步及社会发展的需要，掌握材料科学与工程学科坚实的基础理论、系统的专门知识及现代实验方法和技能，了解本学科的发展方向，能够熟练地运用材料科学与工程的研究手段、测试技术和其它相关知识。
取得具有学术意义或应用价值的研究成果，具有从事科学研究或独立担负专门技术工作的能力。
掌握一门外国语，能较熟练的运用外语阅读本专业书刊资料，并具有较强的语言交流与外语论文写作能力。
3、积极参加体育锻炼，具有健康的体魄。
二、研究方向材料科学与工程是属于工学门类的一级学科，它以数学、力学以及物理、化学等自然科学学科为基础，以工程学科为服务和支撑对象，是一个理工结合、多学科交叉的新兴学科。
其研究领域涉及自然科学、应用科学以及工程学，主要研究材料的组成与结构、合成与加工、性质、使用性能等要素和它们之间相互关系的规律，并研究材料的生产过程及其技术。
材料科学与工程学科的发展和丰富，充实了人们对自然科学的认识，推动和促进了众多工程学科的进步。
1、材料学主要研究建筑材料、陶瓷材料、玻璃材料、合金材料、半导体材料、生物材料、纳米材料、树脂基复合材料的组成、制备、结构及性能。
2、材料物理与化学主要研究包括铁电、压电、光电材料与器件在内的电子信息材料以及其它功能与结构材料制备的物理与化学技术，材料的结构、物理化学机制、特性及表征。
3、材料加工工程主要研究无机非金属材料、金属材料、复合材料及其它材料的粉体工程、热工工程、材料成型工艺与加工工程。
三、学习年限全日制硕士研究生的基本学制为3 年。
计算材料学1
1. 1计算材料学/材料设计的历史背景 续
20 世纪 70 年代是初步发展阶段段；到了 20 世纪 80 年代已形成学科。 80 年代中期日本从材料界提出 了用三大材料在分子原子水平上混合，构成杂化 材料的思想。 1985 年日本出版了《新材料开发与 材料设计学》一书，首次提出了材料设计学这一 专门方向，书中介绍了早期的研究与应用情况， 并在大学材料系开设材料设计课程。 1988 年由日 本科学技术厅功能梯度材料的研究任务，提出将 设计-合成-评估三者紧密结合起来，按预定要求做 出材料，并连续组织有关这一课题的国际研讨会。
1.1 计算材料学/材料设计的历史背景 续
随着凝聚态物理、统计物理、固体物理、量 子力学、量子化学等基础学科的发展，以及计算 机能力的极大提高，使得理论和计算在材料研制 过程中的作用越来越大。1999年美国能源部发表 一篇题为：“计算材料学：一场科学革命将成为 现实 ” (http://www. /) 。此文提到： 由于计算机能力的不断提高，材料科学正处于另 一场科学革命的边缘。科学家可能用太拉 (1012) 级以上的计算机通过模拟运算来指导先进材料的 发展，进一步阐明材料是如何形成的
1.1 计算材料学/材料设计的历史背景 续
1989年，美国若干个专业委员会调查分析了美 国八个工业部门(航天，汽车，生物材料，化学， 电子学，能源，金属和通讯等)对材料的需求， 之后编写出版了《90年代的材料科学与工程》 报告。材料设计的发展，使材料科学从定性描 述逐渐进入定量的科学阶段。到了20世纪90年 代，材料设计的研究已成为潮流。目的按需订 做材料，进行性能模拟，性能预报。
GRADING
• • • Class attending Homework and presentation (liu2001612@) Exam
计算材料学进展与趋势
计算材料学进展与趋势计算材料学是近20年来，随着计算科学与技术的飞速发展，材料科学与物理、化学、数学、工程力学诸多学科相互交叉与渗透产生的一门新兴学科。
计算材料学的内涵可以粗略概括为：根据材料科学和相关科学基本原理，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，引导材料发现发明，缩短材料研制周期，降低材料过程成本。
根据研究对象的空间和时间尺度不同，材料计算的方法也有很大差别：研究材料的电子结构的方法有基于密度泛函理论的第一原理，常见的有计算固体材料的周期性体系的能带计算方法和孤立体系如分子簇方法，这些方法主要用于求解体系的基态电子结构和性质，近年来也发展了一些用以研究含时间的或激发态的电子结构方法。
第一性原理方法由于直接基于基本的物理原理而不依赖于经验参数，因而具有很强的预测性，在未来合成材料之前先预测其可能的性质，因而对材料的设计具有很强的指导意义，近年其应用得到迅速发展，如金属中合金化效应的预测、金属间化合物中合金原子占据位置的预测、缺陷复合体的电子结构与性质的预测等，但由于其计算中考虑了电子的自由度，其运算量极大，所能研究的体系的尺度很小；在原子层次上研究材料行为常常采用原子力学或分子动力学方法，这些方法考虑原子间以一定的势函数相互作用，忽略了电子的自由度，可对更大的体系进行计算模拟，并可对静态或动态的原子机制提供了有效的途径；介观层次上对体系的模拟近年来有较快的发展，如合金中的相变微观组织演化过程可采用相场动力学或原胞自动化方法，这些方法使人们能够定量地描述不同过程中的组织变化的动力学规律，探索不同因素对微观组织形成的作用；宏观层次上的计算模拟常常采用有限元和有限差分方法，这些方法已经被广泛用语解决材料工程的实际问题，可为实际工艺的设计提供定量化的指导。
对于不同的过程其发生的时间尺度也是迥然不同的，相应需要采用不同的模拟方法。
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
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*课程简介 （Description）
课程教学大纲（course syllabus） 1．掌握物理、化学的基础理论知识 (A5.1) 2．掌握从事材料类工程工作所必须的专业基础知识 (A5.3) 3. 具备工程师所必需的实验设计和研究能力 (A5.4) 4. 具备运用所学知识来分析解决实际问题的能力 (B2) 5. 具有创新意识, 掌握综合运用理论和技术手段进行创新设计的方法 (C4)
*学习目标 (Learning Outcomes)
教学内容 概论 分子动力学方法 分子动力学实验 有限元方法 有限元实验 材料数据与基因 材料数据与基因
学时 2 10 8 12 8 6 2
教学方式 课堂 课堂 实验 课堂 实验 课堂 实验
作业及要求
基本要求
考查方式 随堂测试
基本概念、 方法及理论 独立完成实验、 提交实验报告 基本概念、 方法及理论 独立完成实验、 提交实验报告 基本概念、 方法及理论 独立完成实验、 提交实验报告
MT309
48 计算材料学
3
Computational Materials Science
材料科学与工程学院 材料科学基础，材料热力学，统计物理，固体物理 金朝晖，张澜庭，顾剑锋，韩 先洪，孙锋 课程网址 (Course Webpage)
*课程简介 （Description）
课程分为四大知识模块，以及各自配套的实验，总共 48 学时：
教学 重点 教学 理论 第三模块 材料数据 与基因 实验 目的 教学 重点 教学 目的 教学 重点 第四模块 蒙特卡洛 （选修） 理论 教学 目的 教学 重点
典型有限元软件的使用，有限元软件模拟流程，网格划分， 边界条件的施加，分析参数的设定，模拟结果分析 让学生充分了解当前材料研发的数字及信息化特点，理解 材料基因组研发思路，掌握数据获取及筛选的基本手段 材料数子化、 信息化特点， 材料基因组研发， 材料数据快速 获取手段和技术 通过案例，启发思路，开拓视野 （1） 材料相图的高通量构建； （2） 高通量计算与数据库 （3） 数据挖掘与材料筛选 让学生理解蒙特卡洛方法的历史发展、 优缺点、 当前研究方 向以及应用在材料科学研究中的应用 随机现象，马尔可夫链，简单抽样和重点抽样，Metropolis 算法， 随机方法解决确定性问题， 以及蒙特卡罗方法在材料 科研中的应用 8 学时 2 学时 8 学时
计算材料学是连接材料理论与实验的桥梁， 是现代材料研发的重要手段。 材料集成计算、 材 料数字化及信息化，使材料设计更具方向性和前瞻性，能推动原始创新，提高研发效率。本 课程从微观粒子（原子、电子）到宏观连续体尺度，基于分子动力学及有限元，重点讲授计 算材料学基本概念和方法。内容涵盖数值模拟，数据处理，统计分析，数据可视化等相关技 术和软件。通过培养学生计算技能，加深他们对材料的认知与理解，提升其专业水准。 Computational Materials Science is an undergraduate course of Shanghai Jiao Tong University. This course covers theory and application of multiscale computational methods to model, understand and predict the properties of materials. The course is designed to provide students with a broad view of the entire field of computational materials science and in particular, focusing on molecular dynamics, mesoscale modeling, finite-element methods and materials informatics. In addition to lectures, students are expected to accomplish hands-on experiments with various computational tools.
随堂测试 实验报告 评估 随堂测试 实验报告 评估 随堂测试 实验报告 评估
*教学内容、进 度安排及要求 (Class Schedule & Requirements)
教学 概论 目的 教学 重点 教学 理论 第一模块 分子动力 学 实验 目的 教学 重点 教学 目的 教学 重点 教学 理论 第二模块 有限元 实验 目的 教学 重点 教学 目的 计算材料学引论 材料组织结构性能，时间、空间尺度，多尺度模拟，建模与 计算，材料数据与材料基因 深入理解分子动力学基本原理 分子动力学， 原子相互作用势模型， 热力学统计， 周期性边 界条件，原子尺度材料建模 结合经典材料问题，让学生掌握分子动力学模拟基本技能， 熟悉可视化软件及其应用 上机实验： （1） 晶格常数与体弹模量； （2） 空位与间隙原子； （3）晶格位错； （4）表面与界面； （5）材料相变（选做） 掌握有限元方法的基本原理， 杆系有限元法， 弹性力学平面 问题的有限元法，稳态传热的有限元法 偏微分方程及其求解， 单元刚度矩阵， 边界条件处理， 整体 刚度矩阵及求解 结合 ABAQUS 等有限元软件，掌握有限元模拟分析的基本 操作和流程， 掌握并实施桁架结构分析、 两维弹性应力场和 温度场的具体算例的有限元分析 6 学时 12 学时 8 学时 10 学时 2 学时
《计算材料学》课程教学大纲
课程基本信息（Course Information） 课程代码 （Course Code） *课程名称 （Course Name） 课程性质 (Course Type) 授课语言 (Language of Instruction) *开课院系 （School） 先修课程 （Prerequisite） 授课教师 （Teacher） 双语 *学时 （Credit Hours） *学分 （Credits）