材料设计理论和方法研究进展

材料设计理论和方法研究进展

复合材料0701

潘嘉虬

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材料设计理论和方法研究进展

当前材料设计的概念是指在计算机的辅助下，以先前积累的知识和经验为基础，根据所提出的性能要求，给出有关材料组分和制备方法方面的信息，用以指导实验，从而提供符合要求、具有某种性能并在某种条件下可以实用的材料，以达到事半功倍的效果。

材料设计发展到今天，可分为两种类型演绎法和归纳法。前者着眼于有关材料的物理和化学方面的理论成就,借助超级计算机的强大计算能力进行计算，例如，日本东京大学应用物理系的藤原毅夫教授的“从头算起”（ab initio）就是这一类型的工作。归纳法则是从实验出发,以已知的事实、经验和知识为基础，总结出为获得符合要求的材料应采取的方法。单纯从理论出发来进行材料设计计算虽能提供许多有用的线索，但材料本身的复杂性决定了材料设计的过程本质上是归纳的方法。因此现实中人们往往对归纳法予以优先考虑，这是很自然的。究竟采用何种方法,需视材料的具体情况而定。例如对超导材料而言,重点放在由专家归纳的推理上而对半导体材料而言，则把重点放在高速、高精度的计算上。目前发展的趋势是将演绎法和归纳法结合起来。

一. 国内外研究状况

目前，由于计算机的应用日益普及，越来越多的材料研究工作者在开发新材料的同时，利用计算机辅助，进行材料组分和工艺的设计或对材料性能进行预测。所涉及的材料范围也日益扩大，由有机材料、高温合金向无机非金属延伸，向核材料、超导等先进材料延伸。在这方面，日本的发展最为明显，其中东京大学甚为活跃。例如，东京大学材料科学系的牧岛教授利用玻璃材料数据库和知识库开发了一个材料设计专家系统。它从数据库中选出满足一定要求的玻璃组分—某些氧化物，再利用知识库中有关玻璃生成规则，预报这些组分生成玻璃的可能性。该系统利用玻璃组分的原子半径和分解能的数据来计算材料的物性。通过对组分和物性的比较，高效率地完成具有所希望性质的新玻璃的材料设计工作。东京大学工业技术研究所的安井至利用回归处理方法对数据库中的数据进行统计分析，建立起玻璃材料的组分与性能之间的关系，并构造了一个专家系统来预报钙钦矿的生成。京都大学工业化学系的平尾一之采用分子动力学的方法研究玻璃的原子结构和性质。通过对简单的氟化物玻璃的研究,可推广至处理更复杂的或目前尚不存在的玻璃闭。日本朝日玻璃公司研究中心把玻璃材料数据库、分子模拟系统和专家系统结合起来，集归纳法和演绎法于一体，组成一个集成化的材料设计系统，使材料设计研究更趋于合理。

由于玻璃是均匀的非晶材料，没有晶界，其组分和性能之间可望具有近似线性的关系，而陶瓷则是多晶材料，晶界的存在影响着某些重要的性能，因而要采用与玻璃不同的更为复杂的材料设计方法。藤原和安井至建立了一个有关陶瓷的材料设计系统，先由陶瓷数据库中选出最接近于所要求性能的候选材料，进行修改以减小其与用户要求的差距。为此需编制子程序以预报在组分变化时性能的变化。日本国家无机材料研究院开发了陶瓷材料设计专家系

统。利用元素的晶体化学数据库和化合物的热力学数据库，并将氮化硅的烧结参数、微观结构和强度之间的关系建成知识库，采用人工智能软件进行推理，从众多的氧化物中选出合适的烧结助剂并计算出陶瓷材料在室温和高温下的强度值。这项工作是与东京大学合作进行的川。核材料的研究是一项耗资耗时的工作。特别是核聚变反应堆材料，几乎无法进行实际条件的试验和考验。因此这方面的材料设计工作十分活跃。岩田修一利用合金设计支持系统，从数据库中选出核聚变堆第一器壁材料的候选材料，再利用知识库中有关的实验规则、理论和经验公式等对候选材料进行改进，设计出符合核聚变堆使用要求的材料。日本国家金属材料研究院与原子能研究所和核动力堆燃料公司合作，也正在从事类似的工作。正是由于日本的大学、研究院和工业部门在材料设计方面的积极活动，日本文部省组织了有关材料设计工作的综合研究软课题（任务号：56850024）。在此基础上，于1985年出版了以东京大学名誉教授三岛良绩为主编的“新材料开发和材料设计学”。这是有关材料设计的第一部专著，它标志着材料设计工作进入一个新的阶段。

在研究工作基础上，1990年在日本召开了以计算机辅助新材料开发为主题的第一届国际材料科学与工程中计算机应用会议。第二届会议在1922年举行。这是有关材料设计的专业性会议，它标志着材料设计的研究作为材料科学与计算机技术相结合的学科交叉的产物，开始了自己的独立发展。同时，有关材料设计的国际性杂志也应运而生。1992年就创刊两种,它们是英国物理学会的“Modeling and Simulation in Materials Science and Engineering”和荷兰Elsevier出版公司的“Computational Materials Science”。

与国际上的动态相适应近年来国内在材料设计的研究工作方面也具有了一定的规模。国家高技术计划专门设立了有关材料微观设计和材料设计专家系统的专题。国家自然科学基金会也支持了有关分子轨道和分子动力学等模拟计算方面的课题。相信将会对国内材料设计工作起积极的推动作用。

二. 理论方面

材料设计理论是计算材料科学的重要组成部分，在不同尺度上都在发展。De Boer等的《金属中的结合理论———过渡族金属合金》一书，总结了Miedema热力学模型理论及对金属和合金形成热等性质的计算结果；Pettifor和Cottrell主编的《合金设计的电子理论》评论了量子力学理论在电子层次上对金属和合金所作的理论计算；肖慎修等在《密度泛函理论的离散变分法在化学和材料物理学中的应用》对离散变分方法和王崇愚院士的材料缺陷能量学理论作了较详尽的介绍；熊家炯主编的由我国科学家撰写的作为21世纪新材料丛书的《材料设计》一书简介了材料设计理论的诸多方面及其应用。

1983年Daw与Baskes基于密度泛函理论，提出嵌入原子方法理论（EAM）。与此同时，Finnis与Sinclair提出的F-S势，是基于原子间相互作用多体势预测材料物性的原子尺度材料设计的等效理论，经Foiles，Ackland等的发展，在诸如杂质、合金、表面和液态金属性质等方面得到了初步的应用。Johnson在原型EMA理论基础上给出了其分析型函数和确定相应模型参数的解析方法，提出了分析型EAM模型的雏形，其最大的优势在于计算简捷和可形成系统化的理论。

三. 技术途径方面

材料设计计算方法是材料设计的发展新趋势，通过大量的实验，寻找规律性、确定最佳性能的材料组分是研究人员常用的材料设计方法。但这种方法极其费时、费力并带有很大的经济消耗。基于科学发展对材料设计的高效、经济并富有预测性的要求，通过计算方法进行材料设计成为必然的趋势。

1. 半经验模式材料设计计算方法