材料设计的原理与方法

材料设计的原理与方法

摘要:材料设计是现代材料研制过程中必须首要解决的问题, 是材料设计由定性化向定量化方向发展的必然趋势，本文论述了材料设计的定义、范畴和发展现状,并对材料设计中的各种理论方法进行了详细论述和举例,在此基础上对该领域的发展提出了若干建议。

关键词:材料设计；理论；方法

0 引言

材料设计是材料科学中的一个新兴分支，其内容是应用已有的知识与技术研制具有预期性能的新材料。它的提出始于50年代，从70年代末期开始有了迅速的发展，特别是近几年来，已经有了不少引人注目的成果，越来越受到发达国家的重视。生物技术、信息技术和新材料的发展是现代科学技术发展的三大支柱,其中新材料的发展是当代高新技术的基础,也是现代工业的基石,因此人们对材料的研究、开发和性能提出了越来越高的要求。然而长期以来,材料研究主要采用“炒菜筛选法”或“试错法”,这一般需要依赖大量的试验,造成人力、物力和资源的浪费,设计周期也较长。随着科学技术的发展,一些新的试验设备和方法的出现以及固体理论、分子动力学和计算机模拟等技术的发展,为材料设计提供了理论依据和强有力的技术支持。近年来的材料研究表明,将现代新技术用于材料设计,则可用较少的试验获得较为理想的材料,达到事半功倍的效果。

1 材料设计的定义与范畴

1.1 材料设计的定义

材料设计的设想始于20世纪50年代,前苏联科学家进行了初期的研究,在理论上提出了人工半导体超晶格的概念。到1985年,日本学者山岛良绩正式提出了“材料设计学”这一专门的研究方向,将材料设计定义为利用现有的材料、科学知识和实践经验,通过分析和综合,创造出满足特殊要求的新材料的一种活动过程,其目的是改进已有的材料和创造新材料。现在材料设计已基本上形成一套特殊的方法,就是根据性能要求确定设计目标,有效地利用现有资源,通过成份、结构、组织、合成和工艺过程的合理设计来制造材料。其中,关键是材料的成份、结构和组织的设计。

1.2 材料设计的研究范畴

材料设计的研究范畴按研究对象的空间尺度不同可划分为4个层次,即电子层次、原子与分子层次、微观结构组织和宏观层次,如图1所示。

图1 材料设计的层次划分

电子、原子与分子层次对应的空间尺度大致10nm以下,所对应的学科层次是量子化学、固体物理学等,分子动力学法与蒙特卡罗法是在该层次上常用的研究工具；微观结构对应的空间尺度大致为μm级到mm级,所对应的学科为材料科学,此时材料被认为是连续介质,不用考虑材料中个别原子和分子的行为,有限元等方法是这一领域研究的主要工具；对于材料的性能来说,涉及到块体材料在成形与使用中的行为表现,属于材料工程甚至系统工程的领域,采用的方法如工程模拟等技术。此外,上述各层次对不同的研究任务,其表现作用也不同。如研究电子材料的某些电学特性可能以电子、原子层次的研究为主;研究复合材料的细观力学可能用有限元方法等,因此,不同的材料研究任务可能会采取不同的研究方法。再者,现在材料研究中各层次的联系还不够紧密,各层次之间还缺乏系统的研究,还找不到一个由微观参数到宏观性能指标的定量的科学准则来指导材料设计。所以如何发展一种新型的模拟方法,使4种不同模拟层次相耦合,建立计算机模拟的统一模型,成为材料设计发展的关键。在目前的状态下,应该进一步加强基础理论的研究以使人工智能技术更好的应用于材料设计,满足生产实际需要。

2 材料设计的理论与方法

2.1 经验法

长期以来,材料研究通常采用配方法或常说的“炒菜”方式进行。该方法是根据大量的试验数据,对成分-组织-性能反复调整、试验,直到获得满意的材料为止。这种方法具有相当大的盲目性,费时、费力、经济损失大,已远远不能满足现代科技和社会的发展要求。此外,为了总结出材料的成分-组织-性能间的内在规律,常用统计学法对试验数据反复回归,得到一些回归方程,这些关系式对材料的研究、应用起到了一些积极作用。但是,这些关系式都是在一定的生产条件下建立起来的,它仅适用于相应的生产条件;再者,由于材料的制备过程是一个复杂的非线性系统,显然利用线性函数来考虑性能、组织和成分的这些关系式不是很理想的。

2.2 半经验法

这种设计方法的基本原理是从已有的大量数据和经验事实出发,将材料的性能、组分等数据存放在数据库中,利用一些数学计算来完成材料设计。典型的材料数据库是日本工程中心自1996年开始建立的LPF数据库,该库涵盖了合金、金属间化合物、陶瓷、矿物等全部无机物材料的有关信息。在LPF数据库的基础

上可建立一个知识-信息体系,通过计算有效地预测、开发新材料。要建立有效地知识体系,数学方法较为关键。常用的有热力学方法,即利用材料的一些特征数据(如自由能、扩散系数等)预测材料的性能;还可利用能带理论来设计一些合金元素在金属间化合物中的作用,以及利用量子力学理论计算合金的相结构等。

2.3 第一原理法

材料是由许多紧密排列的原子构成的,是一个复杂的多粒子体系。第一原理法就是把由多粒子构成的体系理解为由电子和原子核组成的多粒子系统,并根据量子力学的基本原理最大限度的对问题实现“非经验性”处理。第一原理的出发点是求解多粒子系统的量子力学薛定谔方程,在实际求解该方程时采用两个简化:一是绝热近似,即考虑电子运动时原子核是处于它们的瞬时位置上,而考虑原子核的运动时不考虑电子密度分布的变化,将电子的量子行为与离子的经典行为视为相对独立;第二个假设是利用哈特利-福克自洽场近似将多电子的薛定谔方程简化为单电子的有效势方程。事实上,基于第一原理的计算方法发展较快,如密度泛函理论(DFT)、准粒子方程(GW近似)方法等。现在应用最广泛的是密度泛函理论,它是将多电子系统简化成单电子系统,该理论认为系统基态物理性质是由其电子密度唯一确定的。在实际计算过程中,为了解决交换能与关联能的计算,常采用局域密度近似(LDA),即将非均匀电子系统分割成一些小块,在这些小块中认为电子气是均匀的,这样,子块中的交换关联能只取决于该处的电子密度。虽然LDA取得了较好的计算效果,但也有不合理的计算结果,有待进一步完善。

2.4 分子动力学法

分子动力学(MD)是从原子尺度上来研究体系的有关性质与时间和温度关系的模拟技术,它把多粒子体系抽象为多个相互作用的质点,通过对系统中的各质点的运动方程进行直接求解来得到某一时刻各质点的位置和速度,由此来确定粒子在相空间的运动轨迹,再利用统计计算方法来确定系统的静态特性和动态特性,从而得到系统的宏观性质。其模拟流程图如图2所示。

图2 分子动力学模拟流程图

在计算中首先要确定势能函数,最简单的是双体势模型,一般就用Lennard-Jones势,即原子间作用势只与两个原子间距有关,而与其他原子无关。复杂的模型有镶嵌原子法(EAM),它是基于LDA得到的多体势,势能函数不仅与两个原子间距有关,还与基体有关。各粒子的运动规律服从经典的牛顿力学,其内禀力可用哈密顿量、拉格朗日量或牛顿运动方程来描述,在此基础上就可以计算原子的运动行为。这是一个反复迭代的过程,直到得到原子的运动轨迹,然后按照统