计算机在材料科学与工程中的应用课件

计算机在材料科学中的应用李伟(湖北财税职业学院信息工程系武汉430064)摘要介绍计算机技术在材料科学研究中应用领域。

探讨计算机在材料科学研究领域中的具体应用。

借助于计算机可推动材料研究、开发与应用。

关键词计算机技术材料科学应用1 引言计算机模拟技术已广泛应用于包括材料液态成形、塑性成形、连接成形、高分子材料成形、粉末冶金成形、复合材料成形等各种材料成形工艺领域。

计算机模拟技术在材料成形加工中的应用,使材料成形工艺从定性描述走向定量预测,为材料的加工及新工艺的研制提供理论基础和优选方案,从传统的经验试错法,推进到以知识为基础的计算试验辅助阶段,对于实现批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔性、环境友好的未来制造模式具有重要的意义。

计算机模拟是未来材料成形制备工艺的必由之路,其发展趋势是多尺度模拟及集成。

2 计算机在材料科学中的应用领域2. 1计算机用于新材料的设计材料设计是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能,或者通过理论与设计来“订做”具有特定性能的新材料,按生产要求设计最佳的制备和加工方法。

材料设计按照设计对象和所涉及的空间尺寸可分为电子层次、原子/分子层次的微观结构设计和显微结构层次材料的结构设计。

材料设计主要是利用人工智能、模式识别、计算机模拟、知识库和数据库等技术,将物理、化学理论和大批杂乱的实验资料沟通起来,用归纳和演绎相结合的方式对新材料的研制作出决策,为材料设计的实施提供行之有效的技术和方法[ 1 ] , [ 3 ] 。

2. 2材料科学研究中的计算机模拟利用计算机对真实系统模拟实验、提供模拟结果,指导新材料研究,是材料设计的有效方法之一。

材料设计中的计算机模拟对象遍及从材料研制到使用的过程,包括合成、结构、性能制备和使用等。

计算机模拟是一种根据实际体系在计算机上进行的模拟实验。

通过将模拟结果与实际体系的实验数据进行比较,可以检验模型的准确性,也可以检验出模型导出的解析理论所作的简化近似是否成功,还可为现实模型和实验室中无法实现的探索模型做详细的预测并提供方法。

计算机在材料科学中的应用1 材料：是人类生产和生活水平提高的物质基础，是人类文明的重要支柱和进步的里程碑。

20世纪下半叶形成的以新材料技术为基础：信息技术、新能源技术、生物工程技术、空间技术、海洋开发技术的新技术群，更使材料科学得到发展。

2 20世纪60年代，被称为当代文明的三大支柱：A材料；B能源；C信息。

3 70年代新技术革命的主要标志指：A新型材料；B信息技术；C生物技术。

4 材料的分类：根据组成与结构：A金属材料；B无机非金属材料；C有机高分子材料；D复合材料。

根据性能特征和作用：A结构材料；B功能材料。

根据用途：A建筑材料；B能源材料；C电子材料；D耐火材料；E医用材料；F耐蚀材料。

5 材料的性质：是材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应，而这些性质终于要取决于材料的组成与结构。

材料科学与工程是研究：材料组成、结构、性能、制备工艺、使用性能以及它们之间相互关系的科学。

6 使用性能：是材料在使用状态下表现出来的行为。

7 材料的合成与制备过程的内容：A传统的冶炼、制粉、压力加工和焊接；B也包括各种新发展的真空溅射、气相沉积等新工艺。

8 材料科学飞速发展的重要原因之一：材料科学随着各种技术的更新而出现了高速发展的趋势，计算机在材料科学中的应用正是材料科学飞速发展的重要原因之一。

9 计算机在材料科学中的应用：A计算机用与新材料的设计；B材料科学研究中的计算机模拟；C材料工艺过程的优化及自动控制；D计算机用于数据和图像处理；E计算机网络在材料研究中的应用。

10材料设计：设想始于20世纪50年代，是指通过理论与计算机预报新材料的组分、结构与性能，或者是通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料。

按生产要求“设计”最佳的制备和加工方法。

11 材料制备技术：A急冷；B分子束外延（MBD）；C有机金属化合物气相沉积；D离子注入；E微重力制备等。

12材料设计的有效方法之一：利用计算机对真实的系统进行模拟“实验”、提供实验结果、指导新材料研究，是材料设计的有效方法之一。

计算机在材料科学与工程中的应用嘿，大家好，今天咱们聊聊计算机在材料科学与工程中的应用。

听起来有点高大上对吧？但别担心，我们把它讲得简单明了，轻松愉快！想象一下，材料科学就像一位魔法师，能把普通的东西变得超厉害。

而计算机就像是这位魔法师的小助手，帮他把各种奇妙的想法变成现实。

你看看，咱们身边的材料，有些是轻如羽毛，有些则坚不可摧，背后可都离不开计算机的功劳。

大家一定在想，材料科学到底是干嘛的？它就是研究各种材料的性质、结构和应用。

像咱们平常用的金属、塑料、陶瓷，还有那些新型材料，都是这门学科的“好朋友”。

而计算机的加入，那真是如虎添翼。

计算机模拟技术可以让科学家们在虚拟环境中试验不同的材料组合，省去不少时间和资源。

想象一下，以前得在实验室里弄一大堆材料，花时间做测试，现在只需在电脑前点几下，嘿，一切都可以在屏幕上完成，真是省心又高效！有趣的是，计算机不仅能帮咱们设计材料，还能预测它们的性能。

你可以把它想象成一个高明的算命师，能告诉你这块材料会不会在压力下变形，或者在高温下会不会融化。

这样一来，工程师们就能做出更靠谱的选择，避免那些“踩雷”的情况。

比如说，想象一下，如果没有计算机的帮助，咱们的手机可能会因为材料不耐高温而炸掉，那可真是惨了！可别小看这技术，有时能救命呢。

计算机的算法越来越聪明，能分析的数据量也越来越大。

这就像你打麻将时，能算出哪张牌是最好的选择，给你指路。

通过分析大量的实验数据，计算机可以识别出材料的潜在优缺点，帮助研究人员快速找到最佳方案。

更重要的是，咱们现在的材料设计不再是“一锤子买卖”，而是变得更加灵活多样。

比如，某种合金在某种条件下表现出色，但在另一些条件下可能就不行。

这时候，计算机可以提供实时反馈，帮助科学家调整实验方向，真是聪明得不得了！说到这里，咱们再来聊聊那一堆新材料。

近年来，碳纳米管、石墨烯等材料的崛起可谓是一场材料革命。

听说过这些名字吗？那可是未来的希望，轻便、强度高，应用前景无限。

“计算机在材料科学中的应用”课程教学内容设计①武汉理工大学周静顾少轩赵志宏摘要:“计算机在材料科学中的应用”课程是为材料科学专业学生适应现代新材料研究而开设的一门重要专业基础课,我们在进行充分调研的基础上,结合本专业和现代计算机应用特点,对该课程的目标任务、性质、基本要求及课程内容进行了探讨。

关键词:材料科学专业计算机应用课程教学内容随着科学技术的飞速发展,现代计算机的应用日益显示出其强大的生命力。

计算机在材料工业、材料科学研究中的应用也是相当普遍的,在建材工业领域,如生产工艺与热工过程中的数值计算、原材料和产品性能测试与科学实验中的数据处理、物料反应过程的数值仿真、配料配方与生产设备的计算机辅助设计、生产过程与作业的自动调节控制、繁重操作与质量检测的人工智能化等都离不开计算机这一重要工具。

为了适应现代建材工业的发展,拓宽材料科学专业学生的知识面,培养可以利用现代计算技术和工具从事材料研究开发和利用的高级专业人才,开设“计算机在材料研究中的应用”课程并制定其合理的教学内容很有必要。

本文对该课程的目标任务、性质、基本要求及课程内容进行了探讨。

一、课程设置的目标任务及性质材料科学是一门实验科学,实验是制备新材料和测定其结构和性能的直接手段。

而由于计算机技术、计算理论的迅速发展,许多更加复杂、大型的计算成为可能,使得在材料研究领域,采用计算方法来研究材料的结构和性能,并指导实验研究成为一种新的研究方向。

材料科学专业主要是培养新材料开发研究人才,而计算机是现代材料科学研究中必不可少的工具。

用计算方法来研究材料,对材料的性能进行预测和指导,就是根据相关理论,采用合适的计算模型和计算方法,确立材料的理论模型,有目的地指导制备所需性能的材料。

本课程的教学目的是,通过基础理论知识、应用实例的讲授和上机实习操作,使得学生了解应用计算机进行材料科学研究的具体过程,将计算机作为有力的工具应用于材料科学研究。

二、课程基本要求计算机应用,为材料科学专业提供了一种新的技术手段。

《计算机在材料科学与工程中的应用》论文玉天雪 材料科学与工程 21207061009计算机作为一种现代工具在材料科学与工程中的应用已越来越广泛，从而极大地促进和推动了材料科学与工程研究的深入和发展。

本书立足“材料科学与工程”一级学科，系统介绍了计算机在材料科学与工程中的应用，使读者初步掌握如何在材料科学与工程的学习及研究中更好地利用计算机这一工具。

本书的最大特点在于注重理论知识讲解的同时，结合计算机在材料科学与工程中的应用实例讲解来培养学生的实际动手能力和创新意识。

如今此门课程已经结课，作为这门课的重点是我们对Origin 软件的使用。

现在就以几幅图简单描述Origin 软件的使用。

我所作的三幅图是以我国2000至2005年人口总数为基本衍伸出人口之间的关系，主要介绍2000至2005年人口总数变化、2000年至2005年城镇人口与乡村人口之间的比较以及城镇人口增长率与乡村人口的下降率。

1、2000年至2005年人口总数变化126000127000128000129000130000131000年份我国人口总数变化此图的做法是打开Origin 软件，在默认的两列中第一列输入年份，第二列输入人口数，之后左击靠左一列拖至右边一列，右击鼠标右键，然后点击PLOT 之后选择Line+Symbol ，然后作出点线图，之后根据数据要求将图中的A 、B 等字母改为汉字，注意要将字体改为宋体才能将字母修改成汉字，之后双击坐标轴找到Title&Format ，然后选择上、右两个坐标轴，点击Show Axis&Tick 打上勾，然后将右侧的Major 和Minor 都选择到None 。

这样图形就封闭起来了。

此图即做出来了。

2、2000年至2005年城镇人口与乡村人口比较3000060000人数/万人年份此图的做法是首先将光标移到最初两列靠右的一列，之后右击鼠标点击insert，添加到总共五列，第一列是年份数据，第二列是城镇人口数据，第三列和第四列全部为零，第五列为乡村人口数据，首先将前三列作出点击Column作出城镇人口柱状图，之后双击击图左上角的1样式，点开图列选择x和另外两列作出乡镇人口柱状图，依次改变将A、B改为年份和人数，之后按照第一幅图的形式将坐标轴封闭起来，还有为了区别两个柱状图，选择其中的一个柱状图，双击此柱状图找到Pattern找到Patter然后选择其中的一个图样，这个图样需要区别于第一个柱状图图样，之后将上面表示各个柱状图图层的字母分别改成城镇人口和乡村人口字样即可。

《计算机技术在材料科学中的应用》随着科学技术的不断发展，计算机技术在各个领域的应用也日益广泛，其中包括材料科学领域。

计算机技术的发展使得在材料科学研究中更加便捷和有效，为材料研发和设计提供了全新的途径和方法。

本文将通过全面的评估，探讨计算机技术在材料科学中的应用，帮助读者更深入地了解这一主题。

一、计算机模拟在材料科学中的应用1.原子层面的模拟计算机技术可以模拟原子层面的材料结构和性质，利用分子动力学模拟等方法，研究材料的结构、热力学性质、动力学行为等。

通过这些模拟可以更好地理解材料的微观结构和性能，为新材料的设计和研发提供重要的参考。

2.材料表征与成像计算机技术可以实现对材料的表征与成像，通过原子力显微镜、透射电子显微镜等技术，对材料的微观结构和表面形貌进行模拟和重建，帮助科研人员更好地理解材料的特性和表现形态。

3.晶体结构预测通过计算机模拟的方法，可以对晶体结构进行预测和优化，提高新材料的研发效率，并且发现一些在实验中难以获得的新材料结构。

二、材料设计和优化中的计算机辅助方法1.材料数据库与大数据分析计算机技术可以建立和维护大规模的材料数据库，通过对大数据的分析和挖掘，挖掘一些潜在的新材料组成和性能规律，提高新材料的发现效率。

2.晶体工程与材料优化计算机辅助的晶体工程和材料优化方法，可以通过高通量计算和机器学习等技术，实现对材料性能和构造的优化，提高材料的性能和可靠性。

三、个人观点和总结从上述内容可见，计算机技术在材料科学中的应用已经成为材料科学研究的重要手段。

通过计算机技术的应用，我们可以更加深入地理解材料的微观结构和性能，为新材料的设计和研发提供全新的途径和方法。

然而，在材料科学研究中，计算机技术的应用也面临一些挑战，比如模拟精度、数据挖掘的准确性等方面需要进一步完善。

计算机技术的应用为材料科学研究带来了巨大的推动力，相信随着技术的不断进步，计算机技术在材料科学中的应用将会有更加广阔的发展前景。

第一章计算机在材料科学与工程中的应用引言：计算机科学和工程已经成为现代社会和各种领域的关键技术。

特别是在材料科学与工程领域，计算机已经成为一个不可或缺的工具。

本文将重点介绍计算机在材料科学与工程中的应用，包括模拟与建模、材料设计与优化、材料性能预测与评估、材料制备过程的模拟与优化等方面。

一、模拟与建模在材料科学与工程中，模拟与建模是一种非常重要且常用的方法。

计算机可以通过建立材料的数学模型，对材料的结构、性能等进行模拟和分析。

例如，通过计算机模拟可以揭示材料的原子结构、晶体结构、晶体缺陷等，可以预测材料的力学性能、电子性质、热传导性能等。

这些模拟与建模的结果可以为实验提供指导，加快材料的发现和开发过程。

二、材料设计与优化材料设计与优化是材料科学与工程中的一个重要任务。

通过计算机的辅助，可以对材料进行设计和优化。

例如，利用计算机辅助设计软件，可以设计新型的组分或配方，用于制备更高性能的材料。

利用计算机的优化算法，可以对现有材料的结构和组分进行优化，以提高材料的性能。

这些设计和优化的结果可以在实验中验证，并指导材料的进一步开发。

三、材料性能预测与评估了解材料的性能是材料科学与工程中的核心任务之一、计算机可以通过材料的模拟和计算，预测材料的性能。

例如，计算机可以计算材料的力学性能、电子性质、光学性质等，从而预测材料在不同环境下的行为。

这些性能预测的结果可以为实验提供参考，指导材料的选择和设计。

四、材料制备过程的模拟与优化材料的制备过程通常决定着材料的结构和性能。

计算机可以通过模拟和优化材料的制备过程，帮助提高材料的质量和性能。

例如，计算机可以模拟材料的原子、分子、晶体的排列和运动过程，从而提供制备过程中的参数和条件。

通过优化这些参数和条件，可以实现材料的精确控制和优化制备，从而获得质量更好的材料。

结论：计算机在材料科学与工程中的应用非常广泛而重要，从模拟与建模、材料设计与优化、材料性能预测与评估，到材料制备过程的模拟与优化，计算机都发挥着不可或缺的作用。

材料科学中计算机的应用计算机作为一种最先进的现代工具在材料科学与工程中也发挥着巨大的作用，为材料科学的发展和变革起到了推动作用。

目前，材料行业利用计算机和网络技术进行文献搜索与资源共享外还将计算机技术用运在材料性能检测、新材料合成设计、计算机辅助分析、计算机检测和控制、数据库与专家系统等领域。

在材料科学中常用的计算机软件有：数据处理软件Excel，幻灯片制作演示软件Powerpoint，科学计算绘图软件Origin，多媒体制作工具Authorware，图形图像处理软件Photoshop，分子绘图软件ChemWindow、ChenbioOffice、Weblob Viewpro等数据处理软件Excel数据处理软件——Excel主要包括如下数据分析处理功能：1、强大的制表功能；可以直接输入数据形成人们所熟悉的数据表格，也可以导入数据来生成数据表格，导入的数据包括数据库、文本数据清单。

数据表格有多种形式且包括多种数据类型，其中显著的特点是包含公式和链接。

2、强大的数据管理功能；可对各种数据清单进行查找、排序、筛选、录入、分类汇总、分级显示等操作。

3、数据分析处理；Excel数据处理包括数值的和非数值的计算。

4、图形处理工具；Excel 提供了多种图形处理工具，如图表向导、绘图工具等。

可将表格数据用图标图形表示出来，也可用指定宏的方法将绘制的图形与表格数据相关联，并可对图形进行各种编辑，如色彩形状等。

5、宏自动化与VBA扩展；宏可使一些常规的操作自动完成，并且可用VBA编辑器修改其代码。

6、信息共享与网络化；可打印出各种形式的表格与他人共享，也可发布到网络上方便查询并与各种形式的数据资源共享。

幻灯片制作演示软件PowerpointPowerpoint是Microsoft公司推出的Office系列产品之一。

主要用于演示文稿的创建，即幻灯片的制作。

可有效帮助演讲、教学，产品演示等。

Powerpoint 是用于设计制作专家报告、教师授课、产品演示、广告宣传的电子版幻灯片，制作的演示文稿可以通过计算机屏幕或投影机播放。

α文章编号:100127445(2001)0420291204计算机模拟技术在材料科学中的应用高英俊,刘　慧,钟夏平(广西大学理学院,广西南宁530004)摘要:针对计算机模拟技术在材料科学中所起的重要作用,综合介绍了它的研究范畴和技术类型,列举了计算机模拟技术在研究材料的合成和制备、组成和结构、性能测试和分析中的若干应用实例,展示了计算机模拟在材料科学中的应用前景.关键词:计算机;模拟技术;材料科学中图分类号:T P 15 文献标识码:A现代高新技术的发展,对材料的性能要求越来越高,由此对材料科学本身也提出了更高的要求.对材料微观结构与宏观性能关系了解的日益深入,人们将可以从理论上预言具有特定结构与功能的材料体系,设计出符合要求的新型材料,并通过先进工艺和技术制造出来.在计算机技术迅速发展的今天,计算机模拟已经成为解决材料科学中实际问题的重要组成部分.本文则是针对近些年计算机模拟技术在材料科学中重要作用,介绍了它的研究范畴和技术类型,及其在研究材料的合成和制备、性能测试和分析中的应用.1　计算机模拟技术的优势采用各种新颖算法的模拟技术,并结合运算功能强大的计算机,人们能够做到前所未有的细致和精确程度对物质内部状况进行研究.这导致计算机模拟在材料科学中的应用越来越广泛,并由此产生了一门新的材料研究分支——计算材料科学[1](Com p u tati onal M aterials Science ).采用模拟技术进行材料研究的优势在于它不但能够模拟各类实验过程,了解材料的内部微观性质及其宏观力学行为,并且在没有实际备制出这些新材料前就能预测它们的性能,为设计出优异性能的新型结构材料提供强有力的理论指导.材料科学研究中的模拟“实验”比实物实验更高效、经济、灵活,并且在实验很困难或不能进行的场合仍可进行模拟“实验”,特别是在对微观状态与过程的了解方面,模拟“实验”更有其独特性甚至有不可替代的作用.2　材料模拟方法与模拟层次材料研究可针对三类不同的尺度范围[2].1)原子结构层次,主要是凝聚态物理学家和量子化学家处理这一微观尺度范围.2)介观层次,即介于原子和宏观之间的中间尺度,在这一尺度范围主要是材料学家、冶金学家,陶瓷学家处理.3)最后是宏观尺寸,此时大块材料的性能被用作制造过程,机械工程师,制造工程师等分别在这一尺度范围进行处理.既然材料性质的研究是在不同尺度层次上进行的,那么,计算机模拟也可根据模拟对象的尺度范围而划分为若干层次,如表1所示.在研究微观尺度下的材料性能时,统计力学仍是十分有用的原子级模拟方法.这种经典方法最明显第26卷第4期2001年12月广西大学学报(自然科学版)Journal of Guangxi U niversity (N at Sci Ed )V o l .26,N o.4　D ec .,2001　α收稿日期:20010415;修订日期:20011028基金项目:国家自然科学基金(50061001),广西自然科学基金匹配(桂科配0135006),广西自然科学基金(0007020)作者简介:高英俊(1962),男,湖南祁东人,广西大学教授,博士.292广西大学学报(自然科学版)第26卷　的成功是对相变的理解.例如,固体的结晶有序,合金的成份有序或铁磁体的磁化.这种模拟属于所谓“物质的平衡态”,也就是物质从头至尾已弛豫至与环境达到热平衡和化学平衡.但是,实际许多工艺上情况是远离平衡的,例如,在铸造、焊接、拉丝和施压等情况下,平衡统计力学是不合适的.最近十年期间,非平衡过程的理论和这些过程的数学建模技术已经取得很大进步.随巨型计算机的出现,用于规则的结晶固体的模拟计算,已经达到了定量预测的能力.最新的进展表明有可能以相似的精度描述诸如缺陷附近的晶体形变、表面和晶粒边界的非规则图像.这些新方法甚至有可能用以研究物质的亚稳态或严重无序状态.表1　计算机的模拟层次、空间尺度及模拟对象模拟层次空间尺度模拟对象电子层次011nm～1nm电子结构原子分子层次1nm～10nm结构、力学性能、热力学和动力学性能微观层次～1Λm晶粒生长、烧结、位错网、粗化和织构宏观层次>1Λm铸造、焊接、锻造和化学气相淀积3　材料研究的主要模拟技术3.1　第一原理模拟技术材料的电子结构及相关物性与宏观性能密切相关.因此,研究材料的电子结构及相关物性,对从微观角度了解材料宏观形变与断裂力学行为的本质机制具有重要价值,也能为探索改善材料力学性能的可能途径提供指导.基于量子力学第一原理的局部密度函数(LD F)理论上的各种算法[5](LM TO, FLA PW,SCF-XΑ-S W,L KKR等)已能够计算材料的电子结构及一些基本物理性能,包括晶界—非晶—自由表面与断纹面—杂质—缺陷等各类原子组态的电子结构、相结构稳定性、点和切变面缺陷能量、理想解能量、原子键强及热力学函数等,这使得在实验和理论之间的比较不再局限于依靠经验或半经验参量势函数的计算模式.3.2　原子模拟技术按照获得原子位形或微观状态的方法,对于完整和非完整晶体的结构、动力学和热力学性质,有几种可行的模拟方法,如分子动力学方法(M D),蒙特卡罗方法(M C),最小能量法[7](E M)等.分子动力学的目标是研究体系中与时间和温度有关的性质而不只是静力学模拟中研究的构型方面.分子动力学方法是求解运动方程(如牛顿方程、哈密顿方程或拉格朗日方程),通过分析系统中各粒子的受力情况,用经典或量子的方法求解系统中各粒子在某时刻的位置和速度,来确定粒子的运动状态.蒙特卡罗方法是根据待求问题的变化规律,人为地构造出一个合适的概率模型,依照该模型进行大量的统计试验,使它的某些统计参量正好是待求问题的解.最小能量法是利用计算机计算晶体的能量,通过调整原子的位置、调整原子间的化学键长和键角得到最可能的结构,使其系统能量下降,达到最小,所计算的能量值与实验结果相比较,可达到相当精确的程度.3.3　连续介质模型的模拟方法为处理宏观问题,常用的方法主要包括传统的有限差分法、有限元法、边界元法等.例如,对材料研究中的传热温度场、传质扩散等问题都可借助这些方法进行求解.此外,对于某些连续的材料微观物理演变过程,也可以在对空间和时间的离散化处理的基础上,采用一定的算法对其进行数据模拟,如对材料的显微组织转变过程、晶粒或第二相粒子长大过程等现象的数值模拟.3.4　综合化模拟方法综合模拟技术是近年来兴起并蓬勃发展的一类新技术.综合化的含义主要体现在研究方法和研究对象的空间尺度两个方面,前者除发展全新技术外,还包括将原有的基于交互作用势函数的原子模拟技术、从第一原理出发的各种计算技术、连续介质模型、离散化数值计算这三类技术相结合的模拟技术;后者或是直接研究介于原子尺度和宏观尺度之间中间尺度(1～100Λm)的材料结构与性能,或是将不同尺度的材料行为联系起来作为统一体加以研究,特别是如何将不同层次的研究联系起来,已成为材料模拟领域最富挑战性的重点课题.3.5　人工智能模拟技术在材料研究和应用的不少领域,很大程度上还依靠经验解决问题,或者某些问题即使存在理论上的算法解,但由于解法过于复杂,使它们难以实际应用.针对上述现象,属于人工智能范围下的各种计算机模拟技术为解决这些涉及材料研究与应用中特有的问题提供了有效工具,包括聚类模拟识别技术、专家系统、人工神经网络技术等,它们已经逐渐被应用于材料的组织成份设计、材料制备和加工过程的控制、材料物理与力学性能的预测等各个方面.3.6　优化设计技术这种设计的基本原理是:从已有的大量数据、经验事实出发,利用现有的各种不同结构层次的数学模型,如合金的成分、组织、结构与性能关系的数学模型及相关数据理论,如固体与分子经验电子理论,量子理论等,通过计算机对比、推理思维来完成优选新合金、新材料的设计过程.优化设计实质上就是数学上的最优化问题,任何一个需要优化设计的实际材料问题都可以用最优化技术来解决.4　计算机模拟在材料科学的应用4.1　材料的合成和制备与计算机模拟图1　材料设计专家系统流程图无论是对现有材料的合成与制备过程的改进,还是对新材料合成与制备的研究,仍然在很大程度上需要参照现有同类材料的合成与制备经验[9].这就使得各类材料的数据库,特别是各种材料的化学和物理化学性质的数据库显得非常重要.例如,一种新陶瓷材料的合成,一种新型晶体材料的生长,如果能得到有关相图方面的信息,就可以大大减少工作中的盲目性,减少工作量.这时,计算机及其相关技术就成为必不可少的工具,依据材料科学的知识系统,将大量丰富的实验与模拟计算资料贮存起来以形成综合数据库.目前,各国的材料研究机构已经建立了许多不同类型的数据库,如合金系相图,晶体结构参数和物理性质、相和组织的力学性能图等.材料设计是研究材料的合成和制备问题的最终目标之一.许多化学家、物理学家和材料学家在这一方向上不懈地努力着.他们将材料方面的大量数据和经验积累起来,在数据库的基础上形成了大大小小的专家系统,一些工作已经取得了很好的结果.图1所示的是一个计算机辅助B i -Y IG 磁光薄膜材料设计的专家系统,在这个系统中两个最重要的部分就是材料数据库和材料知识库.材料数据库中存储的是具体有关材料的数据值,它只能进行查询而不能推理;材料知识库存储的是规则,当从数据库中查询不到相应的性能值时,知识库却能通过推理机构以一定的可信度给出性能的估算值,从而实现性能预测功能.同时,也可用知识库进行组分和工艺设计,在整个知识库中采用了近年来在国际上兴起的数据库知识发现技术KDD .材料设计的专家系统是今后发展的重要方向之一.4.2　材料的组成和结构与计算机模拟现今材料的组成和结构表征研究主要采用各种大型分析设备进行,例如扫描电镜(SE M )、透射电镜(T E M )、分析电镜(A E M )、扫描探针显微镜(SPM )等;各种谱仪如可见光谱、红外光谱、拉曼光谱、原子吸收光谱、等离子体发射光谱、荧光光谱等;各种衍射仪如X 射线衍射、电子衍射、中子衍射等.这些大型分析设备几乎无一例外地是在计算机的控制之下完成分析工作的.这些分析设备提供有不同的分析模拟软件以及相应的数据库,而且这些分析模拟软件的功能非常强大,大大减轻了数据处理的工作量,可以给出能够直接用于发表的各种图表.4.3　材料的性能测试和分析与计算机模拟392第4期高英俊等:计算机模拟技术在材料科学中的应用492广西大学学报(自然科学版)第26卷　 材料性能的测定大多使用专门的测试设备和仪表.有时为了测定某些较为特殊的性能,也常用一些通用的测试设备和仪表组成比较复杂的测试系统.在组建的测试系统中,如果使用计算机来控制整个系统,使其协调运行,进行数据采集和数据处理,通常都能使整个系统的功能得到飞跃性的增强.计算机化的材料性能测试系统(CA T系统)是提高材料研究水平的重要手段.由于计算机灵活的编程方式,强大的数据处理能力和很高的运算速度,使得CA T系统可以实现手动方式不能完成的许多测试工作,提高了材料试验研究的水平和测试的精度.在材料性能分析方面,计算机的应用也非常广泛.例如,对纳米非均匀体系中的内应力场及其对相变的影响以及多晶系统中的晶粒压电共振等许多问题进行计算和模拟.这些计算和模拟为深刻地认识材料的物理性质,为建立相应的物理模型提供了有力的论据.4.4　材料加工的自动控制对材料进行加工是工业上制造和处理材料的重要手段.材料加工主要包括铸造、锻造、压力加工、热处理及粉末冶金等.所有这些均可利用计算机对其进行自动控制.材料加工的基本原理是:根据材料加工的尺寸或性能要求向计算机输入相关数据,将得到的信息经过A D转换成数字信号输入计算机,计算机经过自己的程序处理,最后将处理的数字信号经D A转换器变成模拟信息,进而将模拟信息传输到相应的执行设备以达到自动控制效果.5　结束语综上所述,计算机模拟技术在材料科学研究领域的应用越来越广泛,它已经成为材料研究人员的一个强有力的工具.可以相信,随着更多的材料科学家自觉地利用计算机来提高其研究工作水平,必将指导开发设计出性能更优异的新型材料.参考文献:[1]　陈达.对材料科学领域基础研究工作的若干建议[J].世界科学,1997,10:9212.[2]　夏宗宁,贺立,吕允文.材料科学中的计算机拟[J].化工新型材料,1996,24(2):124.[3]　胡士麒.电子和原子层次材料行为的计算机模拟[J].材料研究学报,1998,12(1):1215.[4]　王桂金,吴宝榕.相变和晶体缺陷的计算机模拟在合金设计中的应用[J].材料导报,1989,3(2):972100.[5]　陈达.高技术新材料与计算机模拟技术[J].世界科学,1997,(3):27229..[6]　罗旋.材料科学的分子动力学模拟研究进展[J].材料科学与工艺,1996,4(1):1242127.[7]　Co rish,刘迨.材料的计算机模拟[J].科学对社会的影响,1991,(1):11214.[8]　陈文革,魏劲松,谷臣清.计算机在材料科学中的应用[J].材料导报,2000,14(2):20224.[9]　姚熹.材料科学与微型电脑[J].微型电脑应用,1999,15(3):225.[10]　韦江维,胡华安.计算机辅助B i-Y 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