計算機在材料科學與工程中的應用-緒論

1、計算機在材料工程中的應用賴振論 1、材料科學與工程 2、計算機在材料工程中的應用概述材料科學與工程什么是材料？材料科學的發(fā)展材料科學的研究內(nèi)容材料科學與工程的特點材料在人類歷史上的地位 歷史上，把材料視為人類進步的里程碑，如：“石器時代”、“青銅器時代”和“鐵器時代”等。 材料在人類歷史上的地位 20世紀60年代，材料、能源與信息稱為當代文明的三大支柱。 20世紀70年代，新型材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)看作是新技術(shù)革命的主要標志。 21世紀. 信息時代的信息功能材料仍是最活躍的領域 能源功能材料將取得突破性進展 生物材料在生命科學的帶動下將有很大發(fā)展 納米材料科學技術(shù)將

2、成為21世紀初最活躍的領域 什么是材料？ 材料是可以用來制造有用的構(gòu)件、器件或物品的物質(zhì)，它總是和一定的用途相聯(lián)系。 材料可以由一種或若干種物質(zhì)組成，同一種物質(zhì)，由于制備或加工的方法不同，可成為用途各異的不同類型的材料。材料科學與工程(Materials Science and Engineering,MSE) MSE研究內(nèi)容 是研究材料組成、結(jié)構(gòu)、性能、制備工藝和使用性能以及它們之間相互關(guān)系的科學。美國國家研究院材料科學與工程委員會美國國家研究院材料科學與工程委員會 90年代的材料科學與工程：在材料時代保持競爭力年代的材料科學與工程：在材料時代保持競爭力 材料科學與工程領域存在材料科學與工程

3、領域存在 四個要素（性質(zhì)與現(xiàn)象、使用性能、結(jié)構(gòu)與成分、合成與加工）四個要素（性質(zhì)與現(xiàn)象、使用性能、結(jié)構(gòu)與成分、合成與加工） 兩個關(guān)鍵（儀器設備和分析建模）兩個關(guān)鍵（儀器設備和分析建模） Source: Materials Science and Engineering for the 1990s, NRC, 1989Synthesis &Processing合成與加工合成與加工composition,crystal growth,thermal treatment, etc.Structure結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)micro-, nano-, molecular, crystalProperties

4、性質(zhì)性質(zhì)electronicmechanicaloptical, etc.Performance性能性能四個要素四個要素 單晶-寶石或激光材料 多晶體-集成電路用的放熱基板材料、高溫電爐用的爐管或切削用的工具材料 多孔的多晶體材料-催化劑載體或敏感材料 纖維-催化劑載體或保溫材料 納米粉體-面增強劑和阻燃劑，如強化木地板表面增強涂層、紙張及纖維的表面處理劑、功能結(jié)構(gòu)陶瓷的增強劑和添加劑、高級磨料等 材料分類 組成與結(jié)構(gòu)：金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料等 性能特征和作用：結(jié)構(gòu)材料和功能材料 用途：建筑材料、能源材料、航空材料、電子材料、耐火材料、醫(yī)用材料和耐蝕材料等等 材料科

5、學的發(fā)展 各學科的發(fā)展促進了材料科學的發(fā)展 金屬材料、高分子材料與陶瓷材料之間的理論互相借鑒 不同類型材料所用的研究設備和生產(chǎn)裝置有很多相同之處，工作原理也很相近，可以相互借鑒互相啟發(fā) 將不同類型的材料統(tǒng)一考慮，有利于不同類型材料的相互代用，充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)越性。 持不同類型材料統(tǒng)一考慮，有利于復合材料的發(fā)展。 材料學的研究內(nèi)容 材料的組織、結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)、缺陷與性能的關(guān)系 材料的形成機理和制備方法 材料在加工、使用過程中的變化和失效機理 材料性能的測試和材料的工程應用等。 材料研究的三個層次 一是電子、原子層次，即電子、原于與分子尺度，主要用統(tǒng)計力學和量子力學手段研究材料的電子結(jié)構(gòu)、原子或分

6、子的集體行為。 二是微觀層次其尺度范圍在微米以上，要考慮的不是單個原于的行為而是某個范圍內(nèi)的平均性質(zhì)，加密度、形變、磁性等。 三是更為宏觀的層次，研究材料的宏觀性能、生產(chǎn)流程與使用性能間的關(guān)系以及材料的斷裂和微觀結(jié)構(gòu)的形成等。 材料學的特點 材料科學是多學科交叉的新興科學,每一類材料，各自早就成為一門學科 材料科學與工程技術(shù)有著不可分割的聯(lián)系 材料科學與工程有很強的應用目的和明確的應用背景 計算機在材料科學與工程中的應用 計算機用于材料設計 材料數(shù)據(jù)庫 人工智能的應用 計算機模擬的應用 計算機在材料的組成和結(jié)構(gòu)研究中的應用 計算機在材料性能表征和性能研究中的應用 材料工藝過程的優(yōu)化及自動控制

7、計算機在企業(yè)管理中的應用 計算機用于材料設計 設計對象:空間尺寸可分為電子層次、原子/分子層次和顯微結(jié)構(gòu)層次;空間尺度分別約為0.1-1nm、1-10nm和1m 納米材料設計是當前材料科學技術(shù)中的一個前沿課題 以材料數(shù)據(jù)庫和知識庫為基礎，構(gòu)建了多種類型的材料設計專家系統(tǒng)，為材料設計提供了有力的工具 材料數(shù)據(jù)庫 目前已經(jīng)建立了許多不同類型的材料數(shù)據(jù)庫 利用材料數(shù)據(jù)庫和其他信息處理技術(shù)，能夠減少研制工作量，縮短研究周期，降低成本和提高效率 改進現(xiàn)有材料的合成與制備過程，還是研究新材料的合成與制備，在很大程度上仍然需要參考現(xiàn)有同類材料的合成與制備的經(jīng)驗 人工智能的應用 專家系統(tǒng)是人工智能中最活躍、員

8、有成效的一個研究領域 人工神經(jīng)網(wǎng)絡不單著眼于重復較高水平的智力任務，還力圖模擬人類處理方式去理解信息和利用信息 在材料制備過程模式識別的基礎上，進一步采用神經(jīng)網(wǎng)絡分析方法和模糊邏輯進行判斷和決策 計算機模擬的應用 計算材料學 計算機對材料制備過程進行模擬研究 計算機在材料的組成和結(jié)構(gòu)研究中的應用 材料的組成和結(jié)構(gòu)表征主要采取各種大型分析設備,這些大型分析設備幾乎都是在微機的控制下完成分析工作的計算機在材料性能表征和性能研究中的應用 材料性能的測定大多使用專門的設備和儀器 計算機化的材料性能測試系統(tǒng)(CAT系統(tǒng))是提高材料研究水平的重要手段 材料工藝過程的優(yōu)化及自動控制 計算機技術(shù)和微電子子技術(shù)與自動控制技術(shù)相結(jié)合，使工藝設備、檢測手段的準確性和精確度等大大提高 計算機在企業(yè)管理中的應用 提高了對薄弱環(huán)節(jié)的監(jiān)控管理能力 減少了資金占用 提高了財務管理工作的質(zhì)量和水平 促進了管理制度的硬化 參考資料： 計算機在材料科學中的應用，許鑫華、葉衛(wèi)平主編，機械工業(yè)出版社，2003. Computational materials science: the simulation of materials m