計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用探討

1、 計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用探討 摘要：現(xiàn)如今，我國各產(chǎn)業(yè)都朝向精細化和完整化的趨勢發(fā)展，因此計算機技術(shù)的應(yīng)用必不可少，且對其需求不斷提高。另一方面，應(yīng)用于各領(lǐng)域的材料科學(xué)也逐漸引起人們的重視。在此背景下，本文綜合分析討論了計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用領(lǐng)域，及其實際應(yīng)用的方向，以期進一步推進計算機在材料科學(xué)中的發(fā)展。關(guān)鍵詞材料科學(xué)；計算機；應(yīng)用材料科學(xué)是多個專業(yè)結(jié)合下新產(chǎn)生的學(xué)科，在實際生產(chǎn)生活中，我們對于材料的性能、質(zhì)量有了更高的要求，這在一定程度上提升了材料科學(xué)理論研究的動力，但也給研究帶來了很大的壓力。計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用是材料科學(xué)發(fā)展的必經(jīng)之路，也是材料科學(xué)進一步發(fā)展的臺階。這是實際中對

2、材料要求更嚴格的體現(xiàn)，計算機的快速、便捷、高精度能夠給材料科學(xué)的研究帶去很大的便利，材料科學(xué)的發(fā)展也離不開計算機技術(shù)的引進。那么，材料科學(xué)研究的發(fā)展又是怎樣與計算機建立起了密不可分的聯(lián)系呢？這就需要我們在充分了解計算機與材料科學(xué)關(guān)系的基礎(chǔ)上來具體地分析計算機在材料科學(xué)中的幾個應(yīng)用。1.計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用領(lǐng)域1.1計算機用于新材料的設(shè)計通常情況下，新材料的設(shè)計與制作是通過理論分析和計算，對新材料的組成成分、結(jié)構(gòu)外觀及性能等方面進行預(yù)報，然后結(jié)合材料設(shè)計方案制作具有特定性能或結(jié)構(gòu)的新材料。材料設(shè)計主要通過多次重復(fù)實驗，進行大面積篩選的方式來完成的，時間周期較長，且大量消耗人力、物力。因此，運

3、用人工智能方法識別計算機中預(yù)先建立的知識庫、數(shù)據(jù)庫，歸納大批量的物理化學(xué)理論和實驗資料，并以此作為理論輔助，再結(jié)合實驗驗證的手段進行材料設(shè)計的方法受到人們的青睞，是材料科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)進行研究探索的主要方向。材料設(shè)計按照空間尺寸以及設(shè)計的對象，通常分為微觀設(shè)計層次、介觀設(shè)計層次、宏觀設(shè)計層級三個層級。其中，微觀設(shè)計層次的尺度大致為1nm數(shù)量級，屬于電子、原子或分子層次的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計；介觀設(shè)計層次的尺度大致為1um數(shù)量級；宏觀設(shè)計層級的尺度與宏觀材料相對應(yīng)。1.2材料科學(xué)中的計算機模擬現(xiàn)今，在許多新穎算法的模擬技術(shù)基礎(chǔ)上，利用具有強大計算能力的計算機，能夠大幅度提高材料科學(xué)中的細致程度和精確程度，可對

4、物質(zhì)內(nèi)部情況有更深層次的研究。因此，計算機在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用越來越受到重視，并衍生出計算材料科學(xué)這一學(xué)科。材料科學(xué)相關(guān)研究人員常應(yīng)用計算機對真實系統(tǒng)進行相關(guān)模擬實驗，并利用計算機所提供的模擬實驗結(jié)果，以展開新材料的研究工作。另一方面，計算機模擬在材料科學(xué)中的應(yīng)用十分廣泛，模擬對象涉及材料研制到材料使用的各個過程，例如材料合成、材料結(jié)構(gòu)、材料性能以及制備和使用等。計算機模擬技術(shù)應(yīng)用于材料科學(xué)研究中具有極大優(yōu)勢，不但可進行各類實驗的模擬，還可對材料內(nèi)部微觀性質(zhì)、宏觀力學(xué)行為均有跟深層次的了解，且可在制備前提前預(yù)測新材料的性能，提供強大的理論指導(dǎo)。1.3材料與工藝過程的優(yōu)化及自動控制在材料科學(xué)研

5、究中，相關(guān)加工技術(shù)的發(fā)展主要通過控制技術(shù)的發(fā)展進步來體現(xiàn)，由電子計算機和可編程控制器等電子設(shè)備在材料加工過程中應(yīng)用越來越廣泛便可明顯看出這一發(fā)展趨勢。在材料的加工制作過程中，充分使用計算機技術(shù)可有效降低勞動強度，提高材料產(chǎn)品的精度和質(zhì)量，同時增加產(chǎn)量。除此之外，還可通過計算機來優(yōu)化控制材料加工制備的工藝過程，例如，建立有關(guān)材料的工藝數(shù)學(xué)模型后，利用計算機對其進行模擬，可通過計算機精確有效地控制滲碳滲氮的全過程。在材料制備過程中，可通過計算機精確控制相關(guān)制備過程，如在對材料表面進行熱處理過程中，對爐溫進行精確的自動控制等。1.4計算機用于數(shù)據(jù)與圖像處理材料科學(xué)因其本身的特性，借助計算機的存儲功能

6、、數(shù)據(jù)和圖像處理功能，可以在大量保存數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對這些數(shù)據(jù)進行高效的歸納、整理，例如計算、繪圖等。另外，可進行快速查詢，如材料的性能與其聚集狀態(tài)的關(guān)系十分密切，通常需利用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡技術(shù)，以二維圖像的形式顯示材料的凝聚結(jié)構(gòu)狀態(tài)。在此過程中，可利用計算機的圖像分析處理功能進行材料功能的相關(guān)研究，獲取晶體大小、聚集方式等有效的結(jié)構(gòu)信息，并將其與涉及的性能相聯(lián)系，對材料的結(jié)構(gòu)研究具有指導(dǎo)意義。目前，存在大量進行材料數(shù)據(jù)處理的軟件，如X衍射數(shù)據(jù)處理、最小二乘法數(shù)據(jù)處理、DPS數(shù)據(jù)處理、Origin、Excel等。2.計算機在材料科學(xué)中的實際應(yīng)用2.1有效差分法有限差分法是利用泰勒級數(shù)展開等方

7、式，用網(wǎng)格節(jié)點上的函數(shù)值的差商來代替控制方程中的導(dǎo)數(shù)，并利用此方法實現(xiàn)連續(xù)函數(shù)的離散化，并利用有限的、離散的數(shù)值代替原有的連續(xù)函數(shù)分布。2.2材料數(shù)據(jù)庫與知識庫因工程材料種類多且特性強的特點，材料的組成成分、結(jié)構(gòu)特點及特殊性能等信息共同構(gòu)成了一個極為龐大的體系，給材料研究人員的查詢和研究工作帶來極大不便，因此利用計算機建立不同類型的材料數(shù)據(jù)庫就顯得尤為重要。數(shù)據(jù)庫儲存具體的數(shù)據(jù)值，有智能查詢功能，便于材料工作者進行查詢；知識庫主要存儲規(guī)則、規(guī)律等信息，可通過相應(yīng)的數(shù)理模型進行推理、運算，提供材料的性能等方面的數(shù)據(jù)，便于工作者對材料性能的把控。2.3材料科學(xué)研究中主要物理場的數(shù)值模擬利用計算機可

8、結(jié)合材料加工過程中的傳熱、力學(xué)問題和內(nèi)部原子的遷移等方面內(nèi)容，進行模擬場設(shè)計；并采用模擬場的方式，利用有限元分析法進行“傳熱傳質(zhì)過程”的數(shù)值模擬。3.材料相關(guān)學(xué)科和計算機學(xué)科的相互交叉3.1材料學(xué)和計算機學(xué)科的相互學(xué)習(xí)和使用從一定程度上，計算機科學(xué)與材料科學(xué)之間沒有明確的界限，也就是說，當(dāng)我們在學(xué)習(xí)材料科學(xué)的時候，需要間歇式地學(xué)習(xí)一些計算機相關(guān)知識。計算機和材料相關(guān)學(xué)科是結(jié)合在一起的，它們的交叉體現(xiàn)在要通過計算機的高技術(shù)手段來研究材料的性質(zhì)、仿制材料的構(gòu)成。材料科學(xué)的研究少不了要對計算機進行使用，并且計算機對材料科學(xué)的作用還是極為重要的。它們兩者在相互交叉中也可以來共同促進對對方的研究發(fā)展。3.2在材料科學(xué)研究中使用計算機不可缺少在材料科學(xué)的研究過程中，分析材料的性能、分析材料的組成、新性能材料的設(shè)計以及制備方法、加工工藝等等都需要用到計算機；材料科學(xué)研究的每一個領(lǐng)域倘若離開計算機就無法正常完成任務(wù)，因此說，計算機在材料科學(xué)研究領(lǐng)域中起著不可忽視的重要作用，更是材料科學(xué)研究中的高科技工具。結(jié)語現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)到達一定程度，計算機也已經(jīng)融入到了各個領(lǐng)域。而對于材料科學(xué)這樣的新興的學(xué)科，研究中必然會涉及到許多的數(shù)據(jù)、圖像，所以對于計算機的應(yīng)用也就顯得極為重要，一般來說，要促進材料科學(xué)