计算材料学导论
- 格式:ppt
- 大小:4.60 MB
- 文档页数:59
《计算材料学》教学大纲课程英文名称:Caclulation of Material Science课程编号:0322212002课程计划学时:32学分:2课程简介:本课程是我院材料物理专业的专业基础课程。
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,还采用材料研究中的实际例子来说明这些方法的运用.通过本课程的学习,使学生对材料科学与工程中的计算方法,有一个全面的了解。
一、课程教学内容及教学基本要求第一章绪论本章重点:计算材料学的发展概况、计算材料学的范围与层次难点:无本章要求了解计算材料学的发展概况、计算材料学的范围与层次。
主要内容:1.计算材料学的发展概况2.计算材料学的范围与层次第二章分子动力学本章重点:原子间相互作用势模型、原子系统的运动方程、运动方程的积分、边界条件、分子动力学方法在材料科学中的应用。
难点:运动方程的积分、边界条件本章要求掌握经验性对势、多体势、壳模型、键级势(考核概率30%)。
原子系统的运动方程(考核概率25%)。
运动方程的积分、边界条件(考核概率40%)。
了解分子动力学方法在材料科学中的应用。
主要内容:1.原子间相互作用势模型2.原子系统的运动方程3.运动方程的积分4.边界条件5.分子动力学方法在材料科学中的应用第三章蒙特卡洛积分与模拟本章重点:随机数;蒙特卡洛积分;Metropolis蒙特卡洛方法;蒙特卡洛方法的误差;蒙特卡洛方法在材料科学中的应用难点:Metropolis蒙特卡洛方法;蒙特卡洛方法的误差本章要求掌握随机数(考核概率30%)、简单抽样非权重蒙特卡洛积分、重要抽样权重蒙特卡洛积分(考核概率100%)、正则系综微正则系综巨正则系综的Metropolis方法(考核概率60%)、自旋蒙特卡洛模型(考核概率10%)、蒙特卡洛方法的误差(考核概率65%)、了解蒙特卡洛方法在材料科学中的应用。
例题 : Cu 晶体的空位形成能Ev 为0.9ev/atom ,或 1.44×10-19 J/atom ,材料常数A 取作1,玻尔兹曼常数k =1.38×10 - 23 J/K ,计算:(已知Cu 的摩尔质量为MCu =63.54g/mol , 500℃下Cu 的密度ρCu =8.96 ×106 g/m3 )1)在500℃下,每立方米Cu 中的空位数目。
2) 500℃下的平衡空位浓度。
解:首先确定1m3体积内Cu 原子的总数:23628036.023108.96108.491063.54Cu Cu N N M m ρ⨯⨯⨯===⨯1)将N 代入空位平衡浓度公式,计算空位数目nv2)1928232813.52862331.4410exp 8.4910exp 1.38107738.49108.4910 1.37101.210/V v E n N kT e m ------⨯==⨯⨯⨯=⨯⨯=⨯⨯⨯=⨯2)计算空位浓度 1913.56231.4410exp 1.4101.3810773v V n C e N -----⨯====⨯⨯⨯即在500℃时,每106个原子中才有1.4个空位制作半导体元件时,常在Si表面沉积一薄层硼,然后加热使之扩散.测得1100℃时硼的扩散系数DB=4×10-7m2/s , 硼的薄膜质量M为:M=9.43×1019个原子.求:扩散时间t=7×107S后表面(x=0)硼的浓度.解:将已知条件代入2MχC=exp(-)4DtπDtC0 =0.1%C (纲件原始浓度),CS =1%(钢件渗碳后表层C%),渗碳温度为930℃=1.61×10-12m2/s求:渗碳4小时以后在x=0.2mm处的碳浓度(C)值。
解:先求误差函数β=Dt 2x=144001061.12102124⨯⨯⨯--∴β=0.657查误差函数表可知:erf(β)=erf 0.657=0.647个原子⨯⨯⨯⨯⨯⨯1919-779.4310C==110π410710。
计算机在材料科学中的应用书籍以下是一些涉及计算机在材料科学中应用的书籍推荐:1. 《计算材料学导论》(Introduction to Computational Materials Science)– Richard LeSar2. 《计算材料学基础与应用》(Fundamentals and Applications of Computational Materials Science)– Yan Li, Swanand M. Bhagwat3. 《材料计算与建模导论》(Introduction to Materials Computation)– Richard H. Hennig, Jianguo Mi4. 《材料模拟初探》(An Introduction to materials simulation)– Richard J. Needs, Miguel A. L. Marques5. 《材料结构理论与模拟》(Theoretical and Computational Materials Science)– Anton Van der Ven, Golden G. Ou, James R. Morris6. 《计算材料科学导论》(Introduction to Computational Materials Science: Fundamentals to Applications)– Richard LeSar7. 《计算材料学与材料计算导论》(Introduction to Computational Materials Science and Materials Computing)–Marcus J. Buehler这些书籍包括了从基础到应用的计算机在材料科学中的各个方面,提供了对材料计算的原理、方法和实践的深入理解。
计算材料学导论演示文稿一、材料学的定义和发展概述(150字)材料学是一门研究材料的性质、结构和应用的学科。
它涵盖了从原子尺度到宏观尺度范围内材料的结构和性能的研究。
材料学的发展始于人类开始使用和改良材料的历史,并在工业革命以后迅速发展。
今天,材料学是现代科学和技术中不可或缺的一部分,它对于解决能源危机、环境问题以及实现可持续发展具有重要意义。
二、材料学的研究内容(200字)材料学涉及很多方面的研究内容,包括材料的组成、结构和性能等。
其中,材料的组成研究主要关注于不同原子或分子间的相互作用和组合方式。
材料的结构研究则探讨物体内部的结晶、晶胞、晶格和相等结构特征。
而材料的性能研究强调材料的物理、力学、电学、磁学和热学性质等。
通过对这些不同方面的研究,材料学能够为材料的设计、制备和应用提供基础理论。
三、材料分类与材料选择原则(300字)材料根据其组成、结构和性质的不同,可以划分为金属材料、陶瓷材料、聚合物材料和复合材料等。
金属材料表现出良好的导电性和导热性,被广泛应用于工业和建筑领域。
陶瓷材料具有高温稳定性和良好的耐磨性,适用于制造陶瓷器和耐火材料等。
聚合物材料具有较低的密度和优良的可塑性,在塑料制品和纺织品等领域得到广泛应用。
复合材料则是由两种或更多种材料组合而成,可以充分发挥各种材料的特性。
在选择材料时,需要考虑其物理、化学和机械性能。
此外,材料的制备工艺和成本也是选择的重要因素。
更重要的是,根据应用环境的不同,还需考虑材料的耐腐蚀性、耐磨性和耐高温性等特性。
四、材料的制备方法(250字)材料的制备方法可以分为物理方法、化学方法和生物方法等。
物理方法主要包括熔融法、溶液法和气相沉积等。
熔融法是将材料加热到熔点然后冷却结晶,常用于制备金属和陶瓷材料。
溶液法是通过将物质溶解在溶剂中,然后通过蒸发或沉淀得到所需材料,常用于制备纳米材料和聚合物材料。
气相沉积法则是通过气相反应制备材料薄膜,常用于制备金属氧化物和半导体材料等。
计算材料学的理论和方法近年来,计算材料学成为材料科学研究领域中备受关注的一个新兴分支。
与传统的试错方法相比,计算材料学具有更高的效率和准确性,可以帮助科研人员在更短的时间内获得更为准确的材料性能预测和设计。
本文将从计算材料学的理论和方法入手,简单介绍计算材料学的应用和前景。
计算材料学的理论基础主要来自于量子力学、统计力学和计算科学三个方面。
量子力学的发展使科研人员能够精确计算材料中原子和分子的相互作用,得出能带结构、电子密度分布以及点缺陷等信息。
统计力学则基于材料的微观结构,推导出材料的热力学性质和动力学过程。
最后,计算科学从算法和计算模型的角度出发,实现了高效、准确地计算材料在各种条件下的性质与效应。
计算材料学的应用已经涵盖了材料领域的许多方面。
例如,计算材料学可以用于预测新型的合金材料和纳米材料的性质,设计高效的催化剂和光催化剂,探索量子计算和量子通信等前沿领域。
此外,计算材料学还可以用于优化太阳能电池、光伏材料、LED材料等各种能源材料的性能,提高材料的能源转换效率。
计算材料学的方法包括分子动力学模拟、第一性原理计算、格点Boltzmann传输理论等。
其中分子动力学模拟是一种借助计算机模拟材料分子的运动轨迹来研究材料物理化学性质的方法。
这种方法通常适用于较小的分子,可以研究它们在不同温度下的行为、相互作用等等。
第一性原理计算则是利用量子力学原理,通过数值计算的方式得到材料的基本性质和组成元素之间的相互作用,如能带结构、电子密度分布、电子结构、振动谱图等等。
而格点Boltzmann传输理论是用于描述材料热电性能的理论,其可以计算材料的热传导系数、电子输运性质等。
总之,计算材料学已经成为材料科学研究领域中不可或缺的工具。
其理论基础和计算方法的不断发展,为科研人员提供了更多更精确的手段来探究材料的性质和行为。
计算材料学在乘坐材料研究领域的进步和发展中发挥着越来越重要的作用,这也为科学家和工程师带来了更多的机会和挑战。