计算材料学 计算材料学是近20年里发展起来的一门边缘学科. 它运用固体物理理论, 理论化学和计算机算法来研究材料里的一些实验研究有困难的课题. 它是材料研究里的"计算机实验". 本课程主要介绍计算材料学里的原子和纳米尺度模拟的一些常用方法, 如原子相互作用势、最小能量法、分子动力学、蒙特卡洛方法, 也简单介绍了电子－原子尺度的模拟方法、微观－介观尺度的模拟方法、介观－宏观尺度的模拟方法和跨尺度模拟方法. 本课程还采用材料研究中的实际例子来说明这些方法的运用. 课程性质： 学时：32 对象：研究生 教学用语：中文/英语 先修课要求：高等数学, 大学物理, 量子与统计，固体物理 教学内容 1．绪论(2学时) 1.1 计算材料学的发展概况 1.2 计算材料学的范围与层次 2．原子相互作用势(4学时) 2.1 原子相互作用势的一般形式 2.2经验性对势 2.3 多体势 2.4 壳模型 2.5 键级势 3．最小能量法(6学时) 3.1 完整晶体结构模拟
3.2 缺陷模拟 3.3 自由能最小能量法 3.4 表面结构模拟 4．分子动力学方法(6学时) 4.1 原子系统的运动方程 4.2 运动方程的积分 4.3 边界条件 4.4 分子动力学方法在材料科学中的应用 5．蒙特卡洛方法(6学时) 5.1 随机数 5.2 蒙特卡洛积分 5.3 Metropolis蒙特卡洛方法 5.4蒙特卡洛方法的误差 5.5 蒙特卡洛方法在材料科学中的应用 6．电子－原子尺度的模拟方法简介(3学时) 6.1 Hartree-Fock 方法 6.2 分子轨道理论 6.3 从头计算法 6.4 紧束缚势方法 6.5 局域电子密度泛函理论 7．微观－介观尺度的模拟方法简介(3学时) 7.1 离散位错静力学和动力学 7.2 Ginzburg-Landau相场动力学模型
北京工业大学 “材料科学与工程导论”——课程教学大纲 英文名称：Introduction to Materials Science and Engineering 课程编号：0000274 课程类型：学科基础必修课 学时：32 学分：2.0 适用对象：材料类本科生 先修课程：大学物理、高等数学、工程力学 使用教材及参考书： [1] 许并社，材料科学概论，北京工业大学出版社，2002 [2] 冯端、师昌绪、刘治国，材料科学导论，化学工业出版社，2002 [3] 张钧林、严彪、王德平、袁华，材料科学基础，化学工业出版社，2006 [4] 周达飞，材料概论，化学工业出版社，2001 [5] William D. Callister, David G. Rethwisch, Fundamentals of Materials Science and Engineering: An Integrated Approach, John Wiley & Sons INC, 2008 [6] 美国国家研究委员会，90年代的材料科学与材料工程，航空工业出版社，1992 [7] 李恒德、师昌绪，中国材料发展现状及迈入新世纪对策，山东科学技术出版 社，2002 一、课程性质、目的和任务 《材料科学与工程导论》是面向材料学院二年级本科生开设的专业基础必修课。其目的是使学生了解材料科学在经济社会发展中的作用以及材料科学与工程学的形成与学科发展趋势。以材料“四要素”及其相互关系为中心，使学生建立从材料设计、组织控制、制备加工到性能评价与工程应用的概念体系，在掌握材料共性规律与特点的基础上，使学生理解材料科学与工程内涵，学会分析材料问题的方法。以案例的形式，介绍典型金属及无机非金属的结构与功能材料的研究规律，强化学生对“四要素”的理解。 二、课程教学内容及要求
第1节材料科学与工程概述 1.1.1材料科学的内涵 材料科学就是从事对材料本质的发现、分析认识、设计及控制等方面研究的一门科学。其目的在于揭示材料的行为，给予材料结构的统一描绘或建立模型，以及解释结构与性能之间的内在关系。材料科学的内涵可以认为是由五大要素组成，他们之间的关联可以用一个多面体来描述（图1-1）。其中使用效能是材料性能在工作状态（受力、气氛、温度）下的表现，材料性能可以视为材料的固有性能，而使用效能则随工作环境不同而异，但它与材料的固有性能密切相关。理论及材料与工艺设计位于多面体的中心，它直接和其它5个要素相连，表明它在材料科学中的特殊地位。 材料科学的核心内容是结构与性能。为了深入理解和有效控制性 能和结构，人们常常需要了解各种过程的现象，如屈服过程、断裂 过程、导电过程、磁化过程、相变过程等。材料中各种结构的形成 都涉及能量的变化，因此外界条件的改变也将会引起结构的改变， 从而导致性能的改变。因此可以说，过程是理解性能和结构的重要 环节，结构是深入理解性能的核心，外界条件控制着结构的形成和 过程的进行。 材料的性能是由材料的内部结构决定的，材料的结构反映了材料 的组成基元及其排列和运动的方式。材料的组成基元一般为原子、 离子和分子等，材料的排列方式在很大程度上受组元间结合类型的 影响，如金属键、离子键、共价键、分子键等。组元在结构中不是 静止不动的，是在不断的运动中，如电子的运动、原子的热运动等。 描述材料的结构可以有不同层次，包括原子结构、原子的排列、相 结构、显微结构、结构缺陷等，每个层次的结构特征都以不同的方 式决定着材料的性能。 物质结构是理解和控制性能的中心环节。组成材料的原子结构，电子围绕着原子核的运动情况对材料的物理性能有重要影响，尤其是电子结构会影响原子的键合，使材料表现出金属、无机非金属或高分子的固有属性。金属、无机非金属和某些高分子材料在空间均具有规则的原子排列，或者说具有晶体的格子构造。晶体结构会影响到材料的诸多物理性能，如强度、塑性、韧性等。石墨和金刚石都是由碳原子组成，但二者原子排列方式不同，导致强度、硬度及其它物理性能差别明显。当材料处于非晶态时，与晶体材料相比，性能差别也很大，如玻璃态的聚乙烯是透明的，而晶态的聚乙烯是半透明的。又如某些非晶态金属比晶态金属具有更高的强度和耐蚀性能。此外，在晶体材料中存在的某些排列的不完整性，即存在结构缺陷，也对材料性能产生重要影响。 我们在研究晶体结构与性能的关系时，除考虑其内部原子排列的规则性，还需要考虑其尺寸的效应。从聚集的角度看，三维方向尺寸都很大的材料称为块体材料，在一维、二维或三维方向上尺寸变小的材料叫做低维材料。低维材料可能具有块体材料所不具备的性质，如零维的纳米粒子(尺寸小于100nm)具有很强的表面效应、尺寸效应和量子效应等，使其具有独特的物理、化学性能。纳米金属颗粒是电的绝缘体和吸光的黑体。以纳米微粒组成的陶瓷具有很高的韧性和超塑性。纳米金属铝的硬度为普通铝的8倍。具有高强度特征的一维材料的有机纤维、光导纤维，作为二维材料的金刚石薄膜、超导薄膜等都具有特殊的物理性能。 1.1.2 材料科学的确立与作用 （1）材料科学的提出 “材料科学”的明确提出要追朔到20世纪50年代末。1957年10月4日前苏联发射了第一颗人造卫星，重80千克，11月3日发射了第二颗人造卫星，重500千克。美国于1958年1月31日发射的“探测者1号”人造卫星仅8千克，重量比前苏联的卫星轻得多。对此美国有关部门联合向总统提出报告，认为在科技竞争中美国之所以落后于苏联，关键在先进材料的研究方面。1958年3月18日总统通过科学顾问委员会发布“全国材料规划”，决定12所大学成立材料研究实验室，随后又扩大到17所。从那时起出现了包括多领域的综合性学科－－“材料科学与工程学科”。 （2）材料科学的形成 材料科学的形成主要归功于如下五个方面的基础发展： 各类材料大规模的应用发展是材料科学形成的重要基础之一。18世纪蒸汽机的发明和19世纪电动机的发明，使材料在新品种开发和规模生产等方面发生了飞跃，如1856年和1864年先后发明了转炉和平炉炼钢，大大促进了机械制造、铁路交通的发展。随之不同类型的特殊钢种也相继出现，如1887年高锰钢、1903年硅钢及1910年镍铬不锈钢等，与此同时，铜、铅、锌也得到大量应用，随后铝、镁、钛和稀有金属相继问世。20世纪初，人工合成高分子材料问世，如1909年的酚醛树脂(胶木)，1925年的聚苯乙烯，1931年的聚氯乙烯以及1941年的尼龙等，发展十分迅速，如今世界年产量在1亿吨以上，论体积产量已超过了钢。无机非金属材料门类较多，一直占有特殊的地位，其中一些传统材料资源丰富，性能价格比在所有材料中最有竞争能力。20世纪中后期，通过合成原料和特殊制备方法，制造出一系列具有不可替代作用的功能材料和先进结构材料。如电子陶瓷、铁氧体、光学玻璃、透明陶瓷、敏感及光电功能薄膜材料等。先进结构
材料科学研究方法概述 一．材料的定义、特点与分类 1.定义 物质经材料合成或材料化后才成为材料，材料具有指定工作条件下使用要求的形态和物理状态的物质。 2.分类 材料按物理化学属性可分为：金属、无机非金属、高分子材料、复合材料； 按来源可分为：天然材料和人造材料； 按用途可分为：功能材料和结构材料； 按状态可分为：气态、固态和液态。 3.材料的几大效应 （1）材料的界面效应 材料的界面有晶界、相界、亚晶界、孪晶界等。材料的力学性能、物理性能及化学、电化学性能都与材料的各种界面有着非常密切的关系。材料的形变、断裂与失效过程，起源于各种界面的占了大部分，材料加工过程中的各种变化也基本上都与界面有关。界面的研究在材料科学中有着重要的地位。不同材料的界面有以下几种效应。 A.分割效应。是指一个连续体被分割成许多小区域，其尺寸大小、中断程度、分散情况等对基体力学性能及力学行为的影响； B.不连续效应。界面上引起的结构、物理、化学等性质的不连续和界面摩擦出现的现象，如电阻、介电特性、耐热性、尺寸稳定性等； C.散射和吸收效应。界面处对声波、光波、热弹性波、冲击波等各种波产生的散射和吸收，影响材料的透光性、隔热性、隔音性、耐冲击性等； D.感应效应。界面产生的感应效应，特别是应变、内部应力及由此产生的某些现象，如高的弹性、低的热膨胀性、耐热性等。 界面问题涉及界面两侧原子的对势、电子态和电子结构、界面原子键合的性质、结合能、界面两侧晶体结构和界面晶体结构的关系、界面切变模量、界面位错形核与反应、环境对界面过程的影响等多方面的问题。界面的热力学、界面偏析、界面扩散、界面化学反应等都是材料科学中的重要问题，特别是纳米材料的界面及其新的效应、复合材料的界面更是现代材料科学研究中的热点。（2）材料的表面效应 晶体表面也是材料界面的一种，只是材料的固体表面和周围介质（气体、液体）的界面。材料表面的原子、分子或离子具有未饱和键，并且由于结构的不对称而造成晶格畸变，所以材料表面都具有很高的反应活性和表面能，而且具有强烈降低其表面能，力求处于更稳定能量状态的倾向。（3）材料的复合效应 复合材料具有的复合效应主要有线性效应和非线性效应。线性效应有平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应等；非线性效应有相乘效应、诱导效应、共振效应、系统效应等。一般结构复合材料具有线性效应，但很多功能复合材料则可利用非线性效应创造出来，最明显的是相乘效应。（4）材料的形状记忆效应 具有一定形状的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后，通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料又恢复到初始形状的现象，称为形状记忆效应。具有形状记忆效应的材料称为形状记忆材料。 （5）材料的动态效应 各类材料的失效大都是由量变到质变的动态过程。加强对失效动态过程的分析研究，才能更深刻地揭示材料的失效机理及其控制因素。 （6）材料的环境效应
《微电子学导论》课程报告题目：光刻工艺概述 姓名：王泽卫 学号：2011700214 专业：材料科学与工程 完成日期：2014年11月17日
光刻工艺概述 摘要：从半导体制造的初期，光刻就被认为是集成电路制造工艺发展的驱动力。直到今天，集成电路正致力于把更多的器件和组合电路集成在一个芯片上，这种趋势仍在延续。在半导体制造业发展的五十年来，正像摩尔定律所阐明的，相比于其他单个技术来说，光刻对芯片性能的发展有着革命性的贡献。本文将从光刻的原理、工艺流程、以及目前先进的光刻工艺等几个方面对其进行介绍。 关键词：光刻原理、光刻工艺流程、先进光刻工艺 一、光刻概述 （一）光刻的概念及原理 光刻就是利用照相复制与化学腐蚀相结合的技术，在工件表面制取精密、微细和复杂薄层图形的化学加工方法。在光刻的过程中，使用光敏光刻胶材料和可控制的曝光在硅片表面形成三维图形。光刻过程的其他说法是照相、光刻、掩膜、图形形成。总的来说，光刻指的是将图形转移到转移到一个平面的任一复制过程。因此，光刻有时就是指“复制”。 光刻的原理就是利用光致抗蚀剂(或称光刻胶)感光后因光化学反应而形成耐蚀性的特点，将掩模板上的图形刻制到被加工表面上。在光刻的过程中，为获得令人满意的光刻图形，对光刻提出了几点要求：高分辨率；光刻胶高光敏性；精确对准；精确的工艺参数控制；低缺陷密度。 （二）光刻胶 光刻胶也称为光致抗蚀剂，它是由感光树脂、增感剂和溶剂三部分组成的对光敏感的混合液体。光刻胶主要用来将光刻掩模板上的图形转移到元件上。 根据光刻胶的化学反应机理和显影原理，可将其分为：正性光刻胶和负性光刻胶。负性光刻胶把与掩膜版上图形相反的图形复制到硅片表面。正性光刻胶把与掩膜版上相同的图形复制到硅片表面。 根据所能形成的图形的关键尺寸可将其分为：传统光刻胶（包括I线、G线和H线）和深紫外光刻胶。传统的光刻胶只适用于线宽在0.35μm和以上的硅
第一次课绘制简单分子 一、画一个苯酰胺 目的：介绍Materials Visualizer中画结构的工具。 用到的模块：Materials Visualizer 化学家每天都要处理很多种类的小分子和中间物。所以容易的创建模型对建模环境都是很重要的。苯酰胺是典型的小分子结构。以下通过建立他的结构来学习Materials Studio。下面是要建立的苯酰胺的结构： Benzamide 1.创建3D文档： 从菜单中选择File | New...打开New Document对话框。选择3D Atomistic Document（三维原子文档），按OK。建立了一个三维窗口，工程管理器中显示建立了名为3D Atomistic Document.xsd的文件。在工程管理器这个文件名上右击鼠标，选择Rename改名。键入my_benzamide的新名字，按回车。选择File | Save 命令，或按标准工具条中的按钮。在my quickstart文件夹（每个工程都对应一个同名的文件夹）中建立了名为my_benzamide.xsd的文件。 2. 改变到Ball and Stick球棍模型显示方式。 三维窗口中右击鼠标，选择Display Style，打开Display Style对话框，在Atom 选项卡上设置。Materials Studio能在任何显示方式下添加原子。 3. 画环和原子链。
在草画工具条上单击Sketch Ring 按钮，鼠标移到三维窗口。鼠标变为 铅笔行状提示你处于草画模式。鼠标榜的数字表示将要画的环包括的原子数目。可以通过按3-8的数字键改变。确保这个数字为6，三维窗口中单击。画出了一个6个C原子的环。如果安装ALT键单击，产生共振键。 现在单击草画工具条Sketch Atom 按钮，这是通用添加原子工具，可加 入任何元素，默认加入C原子。如下在环上加入两个C原子。在环上移动鼠标，当一个原子变为绿色时单击，键的一端就在这个原子上，移动鼠标再单击就加入了一个C原子，再移动，并双击。这样在环上加入了两个原子。另一种结束添加原子的方法是在最后一个原子位置单击，然后按ESC键。注意，新加入的原子的化学键已经自动加上。 注意：你可以按Undo 按钮取消错误操作。 4、加入氧原子。 按Sketch Atom按钮旁的向下按钮，显示可选元素，选择氧Oxygen，在支链上移动鼠标，当变为蓝色显示时单击，这个原子就有了一个化学键，移动鼠标并双击。加入了O原子。在3D窗口工具条上按按钮，进入了选择模式。 5. 编辑元素类型。 单击链末端的C原子，选定它。选定的对象用黄色显示。按Modify Element按钮旁的箭头，显示元素列表，选择Nitrogen氮，选定的原子就变为了氮原子。单击三维窗口中空白地方，取消选择，就可以看到这种变化了。 6．编辑键类型。 在三维窗口中在C和O原子中间单击选定C－O键。选定的键以黄色显示。按下SHIFT键，单击其它三个相间的键。现在选定了三个C－C键和一个C－O键。 单击Modify Bond 按钮旁的向下按钮，显示键类型的下拉列表，选择Double Bond双键。取消选定。 7. 调整氢原子和结构 现在可以给结构自动加氢。单击Adjust Hydrogen 按钮，自动给模型加入
纯铁压缩的分子动力学模拟 摘要：本文介绍了利用lammps分子动力学模拟软件和VMD可视化处理软件模拟纯铁压缩过程的方法。得出了在压缩过程中，铁原子的排列和的运动规律。得到铁分子的运动细节，从而更加利于我们了解铁的性质。 关键词：纯铁压缩；lammps；VMD；分子动力学模拟； New Roman： Molecular dynamics simulation of the pure compression WangQiang，LiuChang (1. School of materials science and engineering, , Jiamusi University, Jiamusi 154007；) Abstract：This paper introduces the simulation software and the method of VM visualization simulation software of pure compression process using lammps molecular dynamics. In the compression process, the arrangement of the iron atoms and the movement of the iron atoms are obtained. The motion details of the iron molecules are obtained, which help us to understand the properties of iron. Key words：Pure compression; lammps；VMD；molecular dynamics simulation; 1引言（四号，黑体） 材料的力学性能随尺度发生变化尺度减小, 材料中缺陷存在的几率降低, 材料的强度提高同时尺度的变化可能导致材料内在变形竞争机制的改变, 例如多晶材料晶粒粒径在微米级以上时, 强度主要受位错强化机制控制, 而粒径进入纳米级后, 材料的变形主要来源于晶界滑移等机制原子尺度下, 微观效应占主导地位, 材料的理化、力学性能表现出与宏观不同、甚至相反的特性。Brenner发现金属单晶晶须拉伸强度与晶须直径呈反比,Fleck在微米级细铜丝的扭转试验中观察到尺寸效应纳米电机系统(NEMS)的出现同迫切要求了解纳米尺度下材料的力学行为, 当前从实验上较难获得详细的信息, 而分子动力学模拟可以提供相关细节。 分子动力学模拟，是指对于原子核和电子所构成的多体系统，用计算机模拟原子核的运动过程，并从而计算系统的结构和性质，其中每一原子核被视为在全部其它原子核和电子所提供的经验势场作用下按牛顿定律运动。我们用c语言编写程序，VMD动画演示得到原子在压缩过程中的变化。在控制温度不变的情况下，得到了金属铁分子的动力学模拟过程。通过不断压缩，观察每次压缩过程中以及压缩后铁原子的排列，得到金属铁的运动细节，从而更加利于我们了解铁的性质。 2原理 材料的力学性能随尺度发生变化尺度减小, 材料中缺陷存在的几率降低, 材料的强度提高同时尺度的变化可能导致材料内在变形竞争机制的改变, 例如多晶材料晶粒粒径在微米级以上时, 强度主要受位错强化机制控制, 而粒径进入纳米级后, 材料的变形主要来源于晶界滑移等机制原子尺度下, 微观效应占主导地位, 材料的理化、力学性能表现出与宏观不
计算材料学 分子动力学上机实验教程（2014.04） 课时安排、重要通知、更新、软件下载请见： https://www.doczj.com/doc/e415309349.html, 上机实验相关软件分类介绍 分子动力学：LAMMPS --- 附录1 操作系统：CentOS（linux）--- 附录2 可视化：Atomeye --- 附录3（课堂使用），OVITO --- 附录4（推荐课下使用） 画图：Gnuplot --- 附录5 文本编辑：Gedit：Linux，GNOME桌面环境下兼容UTF-8的文本编辑器。它使用GTK+编写而成，简单易用，支持包括gb2312、gbk在内的多种字符编码。 远程登录和文件传输：sftp（Xmanager） 附录1. LAMMPS介绍： LAMMPS-Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator, 大规模原子分子并行模拟器。美国Sandia 国家实验室开发，开放源代码且可以免费获取使用，使用者可以根据自己需要自行修改源代码。LAMMPS可以支持包括气态，液态或者固态相形态下、各种系综下、百万级的原子分子体系，并提供支持多种势函数。 且LAMMPS有良好的并行扩展性。 材料领域，LAMMPS已经是准标准化的分子动力学软件。 LAMMPS官网：https://www.doczj.com/doc/e415309349.html,/ 使用LAMMPS: (1)输入一般至少包括两个： (a)input文件: LAMMPS命令集成在该文本中，可以包括MD相关的模型结构，弛豫条件，加载方式，输出 内容等绝大多数信息。具体每一行语句在官网上有详细的解释。我们学习的一项主要内容是理解和改写input文件。 (b)势函数文件：将势函数的参数等信息独立出来，写成单独的一个文件，在input文件内调入使用。 (2)运行软件： 保证当前目录下写好了input文件和势函数文件，终端上输入命令（串行）: (3)输出一般有三个部分：（所有输出都与input文件与输出相关的指令相关） (a)直接输出在屏幕上，一些程序运行的关键信息直接出现输出屏幕上，一般是整个体系的信息。这些内容默 认保存在https://www.doczj.com/doc/e415309349.html,mmps文件里，我们称为log文件。 (b)输出记录每个原子信息的文件，有多种形式，我们的到的x.cfg文件是可以被可可视化软件Atomeye直接 读取的。也可以用gedit直接打开，可以看到每一行记录一个原子的信息，比如坐标，速度，动能，势能等。 (c)其它按照input文件中的指令计算并输出的文件或者是对log文件中的内容处理提取得到的文件。同样可 以用gedit打开，我们可以对其进行后续的分析，计算，画图等处理。 Input脚本语法介绍： （LAMMPS版本更新非常快，这里只是对本课程所需的命令及其它部分常用命令的介绍，关注LAMMPS官网https://www.doczj.com/doc/e415309349.html,/，是学习LAMMPS最有效的方法！） 以下□表示空格,红色表示可更改的参数
计算材料学（Computational Materials Science），是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。 计算材料学- 学科介绍 计算材料学（Computational Materials Science），是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。计算材料学主要包括两个方面的内容：一方面是计算模拟，即从实验数据出发，通过建立数学模型及数值计算，模拟实际过程；另一方面是材料的计算机设计，即直接通过理论模型和计算，预测或设计材料结构与性能。前者使材料研究不是停留在实验结果和定性的讨论上，而是使特定材料体系的实验结果上升为一般的、定量的理论，后者则使材料的研究与开发更具方向性、前瞻性，有助于原始性创新，可以大大提高研究效率。因此，计算材料学是连接材料学理论与实验的桥梁。 计算材料学- 研究领域 材料的组成、结构、性能、服役性能是材料研究的四大要素，传统的材料研究以实验室研究为主，是一门实验科学。但是，随着对材料性能的要求不断的提高，材料学研究对象的空间尺度在不断变小，只对微米级的显微结构进行研究不能揭示材料性能的本质，纳米结构、原子像已成为材料研究的内容，对功能材料甚至要研究到电子层次。因此，材料研究越来越依赖于高端的测试技术，研究难度和成本也越来越高。另外，服役性能在材料研究中越来越受到重视，服役性能的研究就是要研究材料与服役环境的相互作用及其对材料性能的影响。随着材料应用环境的日益复杂化，材料服役性能的实验室研究也变得越来越困难。总之，仅仅依靠实验室的实验来进行材料研究已难以满足现代 新材料研究和发展的要求。然而计算机模拟技术可以根据有关的基本理论，在计算机虚拟环境下从纳观、微观、介观、宏观尺度对材料进行多层次研究，也可以模拟超高温、超高压等极端环境下的材料服役性能，模拟材料在服役条件下的性能演变规律、失效机理，进而实现材料服役性能的改善和材料设计。因此，在现代材料学领域中，计算机“实验”已成为与实验室的实验具有同样重要地位的研究 手段，而且随着计算材料学的不断发展，它的作用会越来越大。 计算材料学的发展是与计算机科学与技术的迅猛发 展密切相关的。从前，即便使用大型计算机也极为困难的一些材料计算，如材料的量子力学计算等，现在使用微机就能够完成，由此可以预见，将来计算材料学必将有更加迅速的发展。另外，随着计算材料学的不断进步与成熟，材料的计算机模拟与设计已不仅仅是材料物理以及材料 计算理论学家的热门研究课题，更将成为一般材料研究人员的一个重要研究工具。由于模型与算法的成熟，通用软件的出现，使得材料计算的广泛应用成为现实。因此，计算材料学基础知识的掌握已成为现代材料工作者必备的 技能之一。 计算材料学涉及材料的各个方面，如不同层次的结构、各种性能等等，因此，有很多相应的计算方法。在进行材料计算时，首先要根据所要计算的对象、条件、要求等因素选择适当的方法。要想做好选择，必须了解材料计算方法的分类。目前，主要有两种分类方法：一是按理论模型和方法分类，二是按材料计算的特征空间尺寸(Characterist ic space scale)分类。材料的性能在很大程度上取决于材料的微结构，材料的用途不同，决定其性能的微结构尺度会有很大的差别。例如，对结构材料来说，影响其力学性能的结构尺度在微米以上，而对于电、光、磁等功能材料来说可能要小到纳米，甚至是电子结构。因此，计算材料学的研究对象的特征空间尺度从埃到米。时间是计算材料学的另一个重要的参量。对于不同的研究对象或计算方法，材料计算的时间尺度可从10-15秒（如分子动力学方法等）到年（如对于腐蚀、蠕变、疲劳等的模拟）。对于具有不同特征空间、时间尺度的研究对象，均有相应的材料计算方法。 目前常用的计算方法包括第一原理从头计算法，分子动力学方法，蒙特卡洛方法，有限元分析等。 计算材料学是目前材料科学中发展最快的科目。随着大量的论文发表和科研材料的科学家数量的快速增加，现在已有条件检验计算材料学对材料科学的影响。可以回顾以下计算机模拟在新材料的发展上起过什么作用，或许更重要的是，总结在材料性能的基础研究方面有哪些突破应该归公与计算机模拟。 有意思的是，人们对模拟方法的期望竟产会超过实际的结果，然而这些过高的期望往往更多来自非专业认识而不是那些正在做这些工作的饿人。如果问一个从事计算材料学的人关于现在使用的方法，他回非茶馆内谨慎地回答：尽管我们的方法很可靠，但仍需要大的发展。这些方法有欠缺并不奇怪，计算材料学只有几十年的历史。因此，我们在关注它现今的地位时，必须同样关注仿镇与建模的可靠性。这门年轻的学科，已经有诸多长足的发展，涉及到许多包含多种距离尺度的现象。 也许最原始的计算材料学是计算固体的电子结构。这些计算显然已经非常成功地表述了材料的结构和性质。现在，对于许多晶体材料，预计的点阵常数和实验值仅相差百分之几。最近的弹性常数计算方法得到了与实验值非常吻合的结果，而且实行起来也比实验容易得多。多体理论的发展，使得目前已能对简单半导体禁带宽度进行预测。 但是，基于这样一些成果，电子结构计算往往表述得似乎比实验值更精确。实际上，着些计算含有很多近似，而且很容易发生误导而得到错误的结论。此外，近似法限
Monte Carlo方法模拟及其应用 沈合平 （上海大学材料学院学院，上海200072） 摘要：扫描电子显微学中使用二次电子和背散射电子作为成像信号时遇到了一些问题，通过计算机模拟可以很好地解决这些问题.本文首先介绍了Monte Carlo方法，再介绍了Monte Carlo方法在扫描电镜模拟中的应用，并且总结了计算机模拟的发展方向。 关键词：扫描电子显微镜；衬度；Monte Carlo；计算机；模拟 Abstract:Scanning electron microscopy using the secondary electron and backscattered electron imaging signal as many problems encountered,which can be solved by computer simulation.This paper describes the Monte Carlo method, and then introduced the Monte Carlo method in the simulation of a scanning electron microscope, and summed up the direction of the computer simulation. Keywords:SEM;Contrast;Monte Carlo;computer;simulation 1. 引言 扫描电子显微学中使用二次电子和背散射电子作为成像信号。对于研究材料的表面形貌非常重要。低能二次电子主要反映试样的表面形貌特征,而较高能量的背散射电子既可在一定程度上反映试样的表面特征,也可表征试样的内部成分和结构差异。 多数二次电子的能量很小,从表面发射时的峰值能量仅为数eV,故其在材料内部的运动范围有限,只有那些在表面附近产生的二次电子才能从试样表面发射出来。二次电子主要用于表征试样的表面形貌特征。而具有较高能量的背散射电子则是入射电子在深入试样的内部后由于多次散射效应再从表面发射出来的那些电子,它们既包含试样的表面信息,也含有试样结构差异和内部成分的信息。 当用场发射扫描电镜观察数十纳米尺度以下的小颗粒时,衬度与大尺度颗粒的情形相差很大,二次电子图像仅仅呈现出一些亮点和较弱的光点,而背散射电子图像则显示大量的亮点,因此难以判定颗粒在基底表面的分布情况。由于该颗粒/基底体系的扫描电镜图像衬度的形成机制较为复杂[1,2],尚未得到理解,因而限制了从SEM图像中提取出有用信息。 如果能模拟计算二次电子和背散射电子信号产生的过程,将有助于理解扫描电子显微镜的成像和图像衬度机理。因此,研究者们利用电子散射轨迹模拟的Monte Carlo方法已做了一些研究,如Gauvin[3]模拟了一个嵌入到均匀基底内的球的背散射电子像和X射线像;Radzimski和Russ[4]基于利用Rutherford散射截面和Bethe阻止本领的单散射模型,模拟了多层多元素试样在二维方向上表面形貌的背散射电子像;而Yan和Gomati[5]则开发了一个三维的Monte Carlo程序用来模拟一些比较复杂试样的背散射电子和Auger电子像,但这个程序也要求试样的几何结构必须能被解析地表达出来,所以能模拟的情形仍然有限。特别是这些研究中还不能得到二次电子像,主要原因是因为计算二次电子发射的产额相当困难。 因此,无论从计算方法还是从应用前景,模拟成分非均匀和形貌特殊的试样成像(特别是二次电子像)均成为有重要意义的研究工作。 2.Monte Carlo方法 Monte Carlo 方法是在二战期间产生和发展起来的。他的奠基者是美籍匈牙利人数学家冯诺伊曼（J.Von Neumann 1903-1957）。作为Monte Carlo 方法的最初应用，是解决蒲丰氏
复习 特种陶瓷—材料的结构—．材料科学—无机非金属材料—失效—特种陶瓷— 硅酸盐水泥—热处理—纳米材料 判断题 1. 低碳钢的硬度及塑性均比高碳钢的高。错 2. 橡胶是在高弹态下使用的高分子材料。对 3. 玻璃是一种晶体材料，它具有透光性、抗压强度高、但脆性大的特点。错 4. 位错、空位、间隙原子都是实际晶体中的点缺陷。错 5. 什么是材料？如何进行分类? 材料是指人类社会可接受、能经济地制造有用器件或物品的固体物质。 6. 什么是材料的成分？什么是材料的组织？什么是材料的结构？ 材料的成分是指组成材料的元素种类及其含量，通常用质量分数（w），也可以用粒子数分数表示。材料的组织是指在光学显微镜或电子显微镜下可观察到，能反应各组成相形态、尺寸和分布的图像。材料的结构主要是指材料中原子的排列方式。 7. 材料科学与工程的四大要素是什么？ 材料成分，结构，工艺，性能。 8. 传统陶瓷坯料常见的成形方法及生产工艺？ 9. 什么是高分子材料？高分子材料具有哪些性能特点？ 高分子材料是由可称为单体的原料小分子通过聚合反应而合成的。力学性能：最大的特点是高弹性和黏弹性。电性能：绝大多数高分子材料为绝缘体。热性能：绝热性。 10. 什么叫复合材料？按基体材料分为哪几类？ 复合材料指由两种或更多种物理性能、化学性能、力学性能和加工性能不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料。复合材料可分为基体相和增强相。按基体分为树脂基、金属基陶瓷基。
11. 陶瓷由哪些基本相组成？它们对陶瓷的性能有什么影响？ 晶体相、玻璃相、气相。 12. 简述提高陶瓷材料强度及减轻脆性的途径？ 13. 按照用途可将合金钢分为哪几类？机器零部件用钢主要有哪些？ 可分为结构钢，工具钢，特殊钢和许多小类。 轴，齿轮，连接件。 14. 材料典型的热处理工艺有哪些？什么叫回火? 退火、正火、淬火、回火。 钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的性能，将其加热Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。 15. 什么是特种陶瓷？阐述其与传统陶瓷的区别 特种陶瓷是以高纯化工原料和合成矿物为原料，沿用传统陶瓷的工艺流程制备的陶瓷，是一些具有各种特殊力学、物理或化学性能的陶瓷。 16 .谈谈你对材料的认识，材料的未来发展趋势
《计算材料学》实验讲义粗粒度模拟 实验名称：介观动力学模拟 一、前言 1、介观模拟简介 长期以来，化学家致力于从分子水平研究物质及其变化，而化学工程工作者主要研究物质在宏观体系的行为，介观层次的化学正是联系微观及宏观的桥梁，是从分子到材料的必由之路，同生命过程也有密切的关联。 由于介观模拟能够模拟的空间尺度（纳米到微米）、时间尺度（纳秒到微妙）更大，应用介观模拟方法可以模拟更加复杂的体系，例如：高分子熔体，高分子稀溶液自组装，表面活性剂溶液自组装，磷脂膜等胶体化学，高分子，生物大分子相关的内容。 目前介观模拟的方法很多，例如耗散颗粒动力学模拟方法(dissipative particle dynamics，DPD)，它是根据Hoogerbrugge和Koelman提出的一种针对柔性(soft)球模型流体动力学的模拟，并通过引入粒子间的谐振动势，来模拟聚合物的性质；元胞动力学方法（CDS），基于重整化群理论，对时间相关的Ginzburg-Landau方程直接用数值计算的方法在离散空间上进行描述。其中单个元胞的演化通常用双曲正切函数表示；动态密度泛函方法（DDFT或MesoDyn），应用于高分子体系，建立在粗粒化高斯链模型的基础上，实际上是一个动态的自洽场方法，使用了朗之万方程（Langevin’s equation）来描述体系演化的动力学。 （1）MS-Mesocite简介 MS Mesocite是一个基于粗粒度模拟方法的、可以对广泛体系进行模拟研究的分子力学工具集，模拟的对象大小尺寸在纳米到微米尺度范围，相应地，模拟变化的时间范围落在纳秒至微秒区间。MS Mesocite的模拟对象遍及多种工业领域，比如复合材料、涂料、化妆品以及药物控缓释等，它可以提供流体在平衡态下、在有剪切力存在下以及其它受限制条件下的结构与动力学性质。MS Mesocite 的突出特点是使用完全区别于传统介观模拟技术，转而采用力场(Forcefield)方法—比如MS Martini力场—来描述粗粒度之间的相互作用，从而得到体系的结构、和动力学特性，分析函数主要有角度分布，密度分布，径向分布函数，二面角分布，均方根位移等。同时，您还可以使用力场编辑工具对MS Mesocite的力场进
《凝聚态物理学》教学大纲 课程英文名称：Condensed matter physics 课程编号：0322203002 课程计划学时：48 学分：3 课程简介：本课程为专业基础课。凝聚态物理学是由固体物理学逐渐演变而来的, 为了对凝聚物质的前沿问题的了解及掌握非常必要开设“填补传统固体物理学领域与凝聚态物理学前沿研究课题之间的沟鸿”的凝聚态物理学。通过该课程的学习，学生可以掌握凝聚态物理的基本理论与基本方法，能提高本科生分析和解决实际物理问题的能力，为磁性材料物理本科生后续的材料物理专业实验课程学习和毕业论文阶段的理论基础，并掌握初步的解决问题方法。 让学生掌握凝聚物质的结构，各种物质结构中的波的行为，键、能带，相变与有序相等内容。为后续毕业论文（计算材料学方向）打好坚实的理论基础及提高实验现象的理论分析能力。 一、课程教学内容及教学基本要求 0绪论综览 本编重点： 1)了解物质世界的层次化，凝聚态物理学的研究范围，凝聚态物理学的历史透视与概念框架。 2) 理解量子力学与经典物理的采用方法上的界限（即量子简并温度）。 难点：量子简并温度，凝聚现象。 本章学时:2学时 教学形式:讲授 教具:投影仪，黑板，粉笔 第一节0.1物质世界的层次化；0.2凝聚态物理学的范围；0.3 凝聚态物理学的历史透视与概念框架 本节要求：了解：物质世界的层次化（20世纪的物理学，简单性与复杂性，层展现象）；凝聚态物理学的范围（理论方法：量子力学与经典物理，经典现象，有序化）；凝聚态物理学的历史透视与概念框架（固体物理学的范式，键与能带—从单电子近似走向关联电子态，合作现象及其他，凝聚态物理学范式） 1物质世界的层次化（了解）；凝聚态物理学的范围（了解）； 2凝聚态物理学的历史透视与概念框架（了解）。 第一编凝聚物质的结构 本编重点：
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。对于许多材料的性质，常常由几个层次的结构来决定，因而近年来将不同方法结合起来的多尺度方法受到广泛的重视。关于近年来材料模拟的全面发展和具体研究方法可参考文献（YIP S(editor). Handbook of Materials ,New York: Springer,2005）。计算材料学的最终目标是实现新材料设计和材料制备与加工相关工艺的优化。 进展 美国 在关键材料集成设计基础研究方面，美国21世纪初启动了著名的“材料加速熟化”计划，组织了数十家产学研机构，选定喷气发动机用高温金属材料和飞机用先进复合材料两大目标，针对共性基础问题和难点问题，开展计算模拟与实验验证密切结合的集成设计与研制，其总目标是加速材料熟化，使新材料从启动研究到工程应用的周期缩短1/2，总成本降低1/3。该计划列出了需重点研究的材料集成设计相关基础问题，如1跨尺度计算模拟的关联方法；2金属—金属界面结构与物理性质及环境影响；3复杂合金体系中微观组织演化动力学4多晶体塑性与应力状态的动力学描述。 美国西北大学G.B.Olson等人采用多层次计算模拟方法，发展了由纳米晶粒计算直至结构性能预测的自下而上耦合程序，先后设计出性能优异的航天飞机轴承用耐热碳钢和新型高强度飞机起落架（OLSON G https://www.doczj.com/doc/e415309349.html,putational design of
封装材料 在组件封装过程中，聚合物可以使电池片、背板和玻璃很好地粘合在一起，与此同时，聚合物需要确保组件高透光率、抵御恶劣潮湿寒冷气候----例如防潮----柔韧。聚合物火焰传播指数要低于100，要通过防火UL960Class C, 认证测试。此外，还要遵守其他规则，包括登记、评估、批准还有化学物质限制条令和危险品限制条令。 用于封装材料的聚合物有EVA（乙烯醋酸乙烯酯），PVB（聚乙烯醇缩丁醛）,Polyethylene Ionomers（离聚物），Polyolefines（聚烯烃），silicones（硅）和TPD（热塑性聚氨酯）。 传统的EVA制造商 EVA是乙烯醋酸乙烯酯聚合物，EVA的优点有清晰、坚韧、灵活、御低温。EVA的透光率取决于VA(乙酸乙烯酯)的含量---VA(乙酸乙烯酯)含量越高，透光率就越好。不过，需要交联来实现必要的韧性和强度，这是个不可逆现象。 EVA可以通过两种方法获取---快速固化法与标准固化法。通常制作EVA需要固化剂、紫外线吸收器、光抗氧化剂，其中固化剂的品种直接决定是采用何种固化法---快速固化或标准固化。 今年的市场调查覆盖了18款产品，14家EVA制造商，其中包括3家新公司，8款新产品。其中仅有6家公司生产标准固化EVA，这种迹象也意味着大家倾向于生产快速固化产品，因为快速固化EVA层压时间可以降低40%，可以提高生产效率。 另一家光伏组件封装材料大供应商是美国的Solutia Inc.公司，该集团旗下的Saflex Photovoltaics是一家供应PVB产品的公司。据Saflex商务总监Chiristopher Reed 称，该公司市场占有率达20%，并且对EVA, PVB和TPU封装材料可以提供一站式解决方案。他们的EVA，TPU太阳能产品是由他们公司在今年6月份在德国收购的Etimex Solar 有限责任公司生产的。Solutia 供应的快速固化产品有VISTASOLAR 486.xx和 VISTASOLAR496.xx，供应的超快速固化产品有VISTASOALR 520.43。快速固化产品宽度为400mm到1650mm，超快固化产品的宽度为500mm到1650mm，他们也可以根据客户要求生产更宽的产品。Solutia生产的快速固化EVA透光率可达90%，超快固化EVA透光率达95%以上。 现在光伏行业内在讨论EVA产品时，通常说到一个词：紫外临界值。Solutia公司生产的快速固化和超快速固化EVA的紫外临界值均为360nm，厚度为460um到500um，张力强度为25N/n㎡，是本次调查中张力强度最高的。根据不同的保质期，快速固化EVA保修期是6个月，超快速固化EVA保修期为4个月。 另一家美国公司是Stevens Urethane Inc. 该公司供应的超快速固化与标准固化EVA，保修期为12个月。不过，据该公司市场与产品开发部副总裁James Galica说，他们的客户在将产品保存了2年后使用都没有任何问题。 Stevens Urethane供应的标准和超快速固化EVA有PV-130和PV-135, 宽度最大可达2082mm以上。据Galica 讲，超快速固化EVA的市场需求比标准固化EVA市场需求大。两种产品的熔点为60℃，最小张力强度为10N/n㎡，最少订单不能低于100㎡，产品一般在2到4周就可以交货，是在这次调查中从订货到交货用时最短的公司。 西班牙的Evasa也是一家新进入EVA生产领域的公司，供应三款产品，分别是SC100011E/A，FC100011E/A 和UC100011E/A，FC100011E/A和UC100011E/A属于快速固化与超快速固化EVA产品。Evasa公司所有产品都很清晰，透光率为91%。超快速固化与标准固化EVA热损耗率为5%，听说快速固化EVA的热损耗率非常低，仅有1%。宽度最大可达2100mm，厚度为100um到1200um。这三款产品在下订单2周内可以生产出来，也是本次调查中交货用时最短的公司。 Toppan Printing英国有限责任公司供应的EVA产品是EF1001, 他们公司既可以生产快速固化产品，也可以生产标准固化产品。据Toppan公司销售与市场总监Mitsuharu Tsuda介绍，大多数客户倾向于买快速固化EVA，但是日本客户还在买标准固化EVA。Toppan公司供应的EVA产品宽度最大可达1100mm，厚度为300um到600um。Toppan公司的交货时间是4到6个月，他们只接大于150㎡的订单。 另一家新进入EVA生产领域的美国公司SKC Inc.在尺寸要求上与众不同，SKC公司只接大于10000㎡的单子。SKC公司供应一款标准固化EVA：ES2N和两款快速固化EVA：EF2N和EF3N。这三款产品宽度为400mm 到2200mm，厚度为400um到800um。ES2N和EF2N的熔点是70℃，EF3N熔点为60℃。据SKC公司声称，这三款产品的黏结性都很好，强度大于60N/nm。保修期为6个月，交货期是4到8周。 法国Saint Gobian集团有许多子公司都活跃在太阳能行业内，从玻璃到GIGS组件再到碳化硅。其在美国的子公司Saint Gobian Performance Plastics 生产用于光伏市场的含氟聚化物前板。在2009年，这家美国公司首次推出快