淺談?dòng)?jì)算機(jī)模擬技術(shù)在材料科學(xué)中的應(yīng)用論文

　　現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展,對(duì)材料的性能要求越來(lái)越高,由此對(duì)材料科學(xué)本身也提出了更高的要求. 對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能關(guān)系了解的日益深入,人們將可以從理論上預(yù)言具有特定結(jié)構(gòu)與功能的材料體系,設(shè)計(jì)出符合要求的新型材料,并通過(guò)先進(jìn)工藝和技術(shù)制造出來(lái).在計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的今天,計(jì)算機(jī)模擬已經(jīng)成為解決材料科學(xué)中實(shí)際問(wèn)題的重要組成部分.本文則是針對(duì)近些年計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在材料科學(xué)中重要作用,介紹了它的研究范疇和技術(shù)類型,及其在研究材料的合成和制備、性能測(cè)試和分析中的應(yīng)用.

　　1 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

　　采用各種新穎算法的模擬技術(shù),并結(jié)合運(yùn)算功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī),人們能夠做到前所未有的細(xì)致和精確程度對(duì)物質(zhì)內(nèi)部狀況進(jìn)行研究.這導(dǎo)致計(jì)算機(jī)模擬在材料科學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,并由此產(chǎn)生了一門新的材料研究分支—— 計(jì)算材料科學(xué) ( Computa tional Materials Science) . 采用模擬技術(shù)進(jìn)行材料研究的優(yōu)勢(shì)在于它不但能夠模擬各類實(shí)驗(yàn)過(guò)程,了解材料的內(nèi)部微觀性質(zhì)及其宏觀力學(xué)行為,并且在沒(méi)有實(shí)際備制出這些新材料前就能預(yù)測(cè)它們的性能,為設(shè)計(jì)出優(yōu)異性能的新型結(jié)構(gòu)材料提供強(qiáng)有力的理論指導(dǎo). 材料科學(xué)研究中的模擬“實(shí)驗(yàn)”比實(shí)物實(shí)驗(yàn)更高效、經(jīng)濟(jì)、靈活,并且在實(shí)驗(yàn)很困難或不能進(jìn)行的場(chǎng)合仍可進(jìn)行模擬“實(shí)驗(yàn)” ,特別是在對(duì)微觀狀態(tài)與過(guò)程的了解方面,模擬“實(shí)驗(yàn)”更有其獨(dú)特性甚至有不可替代的作用.

　　2 材料模擬方法與模擬層次

　　材料研究可針對(duì)三類不同的尺度范圍. 1)原子結(jié)構(gòu)層次,主要是凝聚態(tài)物理學(xué)家和量子化學(xué)家處理這一微觀尺度范圍. 2)介觀層次,即介于原子和宏觀之間的中間尺度,在這一尺度范圍主要是材料學(xué)家、冶金學(xué)家,陶瓷學(xué)家處理. 3)最后是宏觀尺寸,此時(shí)大塊材料的性能被用作制造過(guò)程,機(jī)械工程師,制造工程師等分別在這一尺度范圍進(jìn)行處理. 既然材料性質(zhì)的研究是在不同尺度層次上進(jìn)行的,那么,計(jì)算機(jī)模擬也可根據(jù)模擬對(duì)象的尺度范圍而劃分為若干層次,如表1所示.在研究微觀尺度下的材料性能時(shí),統(tǒng)計(jì)力學(xué)仍是十分有用的原子級(jí)模擬方法. 這種經(jīng)典方法最明顯的成功是對(duì)相變的理解. 例如,固體的結(jié)晶有序,合金的成份有序或鐵磁體的磁化.這種模擬屬于所謂“物質(zhì)的平衡態(tài)” ,也就是物質(zhì)從頭至尾已弛豫至與環(huán)境達(dá)到熱平衡和化學(xué)平衡.但是,實(shí)際許多工藝上情況是遠(yuǎn)離平衡的,例如,在鑄造、焊接、拉絲和施壓等情況下,平衡統(tǒng)計(jì)力學(xué)是不合適的. 最近十年期間,非平衡過(guò)程的理論和這些過(guò)程的數(shù)學(xué)建模技術(shù)已經(jīng)取得很大進(jìn)步.隨巨型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),用于規(guī)則的結(jié)晶固體的模擬計(jì)算,已經(jīng)達(dá)到了定量預(yù)測(cè)的能力.最新的進(jìn)展表明有可能以相似的精度描述諸如缺陷附近的晶體形變、表面和晶粒邊界的非規(guī)則圖像. 這些新方法甚至有可能用以研究物質(zhì)的亞穩(wěn)態(tài)或嚴(yán)重?zé)o序狀態(tài).

　　3 材料研究的主要模擬技術(shù)

　　3. 1 第一原理模擬技術(shù)

　　材料的電子結(jié)構(gòu)及相關(guān)物性與宏觀性能密切相關(guān).因此,研究材料的電子結(jié)構(gòu)及相關(guān)物性,對(duì)從微觀角度了解材料宏觀形變與斷裂力學(xué)行為的本質(zhì)機(jī)制具有重要價(jià)值,也能為探索改善材料力學(xué)性能的可能途徑提供指導(dǎo). 基于量子力學(xué)第一原理的局部密度函數(shù)( LDF)理論上的各種算法 ( LM TO,FLAPW, SCF- Xα- SW, LKKR等)已能夠計(jì)算材料的電子結(jié)構(gòu)及一些基本物理性能,包括晶界— 非晶— 自由表面與斷紋面— 雜質(zhì)— 缺陷等各類原子組態(tài)的電子結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、點(diǎn)和切變面缺陷能量、理想解能量、原子鍵強(qiáng)及熱力學(xué)函數(shù)等,這使得在實(shí)驗(yàn)和理論之間的比較不再局限于依靠經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)參量勢(shì)函數(shù)的計(jì)算模式.

　　3. 2 原子模擬技術(shù)

　　按照獲得原子位形或微觀狀態(tài)的方法,對(duì)于完整和非完整晶體的結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì),有幾種可行的模擬方法,如分子動(dòng)力學(xué)方法( MD) ,蒙特卡羅方法( MC) ,最小能量法 ( EM)等.分子動(dòng)力學(xué)的目標(biāo)是研究體系中與時(shí)間和溫度有關(guān)的性質(zhì)而不只是靜力學(xué)模擬中研究的構(gòu)型方面.分子動(dòng)力學(xué)方法是求解運(yùn)動(dòng)方程(如牛頓方程、哈密頓方程或拉格朗日方程) ,通過(guò)分析系統(tǒng)中各粒子的受力情況,用經(jīng)典或量子的方法求解系統(tǒng)中各粒子在某時(shí)刻的位置和速度,來(lái)確定粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài). 蒙特卡羅方法是根據(jù)待求問(wèn)題的變化規(guī)律,人為地構(gòu)造出一個(gè)合適的概率模型,依照該模型進(jìn)行大量的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn),使它的某些統(tǒng)計(jì)參量正好是待求問(wèn)題的解.最小能量法是利用計(jì)算機(jī)計(jì)算晶體的能量,通過(guò)調(diào)整原子的位置、調(diào)整原子間的化學(xué)鍵長(zhǎng)和鍵角得到最可能的結(jié)構(gòu),使其系統(tǒng)能量下降,達(dá)到最小,所計(jì)算的能量值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較,可達(dá)到相當(dāng)精確的程度.

　　3. 3 連續(xù)介質(zhì)模型的模擬方法

　　為處理宏觀問(wèn)題,常用的方法主要包括傳統(tǒng)的有限差分法、有限元法、邊界元法等.例如,對(duì)材料研究中的傳熱溫度場(chǎng)、傳質(zhì)擴(kuò)散等問(wèn)題都可借助這些方法進(jìn)行求解.此外,對(duì)于某些連續(xù)的材料微觀物理演變過(guò)程,也可以在對(duì)空間和時(shí)間的離散化處理的基礎(chǔ)上,采用一定的算法對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬,如對(duì)材料的顯微組織轉(zhuǎn)變過(guò)程、晶�；虻诙�相粒子長(zhǎng)大過(guò)程等現(xiàn)象的數(shù)值模擬.

　　3. 4 綜合化模擬方法

　　綜合模擬技術(shù)是近年來(lái)興起并蓬勃發(fā)展的一類新技術(shù). 綜合化的含義主要體現(xiàn)在研究方法和研究對(duì)象的空間尺度兩個(gè)方面,前者除發(fā)展全新技術(shù)外,還包括將原有的基于交互作用勢(shì)函數(shù)的原子模擬技術(shù)、從第一原理出發(fā)的各種計(jì)算技術(shù)、連續(xù)介質(zhì)模型、離散化數(shù)值計(jì)算這三類技術(shù)相結(jié)合的模擬技術(shù); 后者或是直接研究介于原子尺度和宏觀尺度之間中間尺度( 1～ 100μm)的材料結(jié)構(gòu)與性能,或是將不同尺度的材料行為聯(lián)系起來(lái)作為統(tǒng)一體加以研究,特別是如何將不同層次的研究聯(lián)系起來(lái),已成為材料模擬領(lǐng)域最富挑戰(zhàn)性的重點(diǎn)課題.

　　3. 5 人工智能模擬技術(shù)

　　在材料研究和應(yīng)用的不少領(lǐng)域,很大程度上還依靠經(jīng)驗(yàn)解決問(wèn)題,或者某些問(wèn)題即使存在理論上的算法解,但由于解法過(guò)于復(fù)雜,使它們難以實(shí)際應(yīng)用. 針對(duì)上述現(xiàn)象,屬于人工智能范圍下的各種計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)為解決這些涉及材料研究與應(yīng)用中特有的問(wèn)題提供了有效工具,包括聚類模擬識(shí)別技術(shù)、專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等,它們已經(jīng)逐漸被應(yīng)用于材料的組織成份設(shè)計(jì)、材料制備和加工過(guò)程的控制、材料物理與力學(xué)性能的預(yù)測(cè)等各個(gè)方面.

　　3. 6 優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

　　這種設(shè)計(jì)的基本原理是: 從已有的大量數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)事實(shí)出發(fā),利用現(xiàn)有的各種不同結(jié)構(gòu)層次的數(shù)學(xué)模型,如合金的成分、組織、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的數(shù)學(xué)模型及相關(guān)數(shù)據(jù)理論,如固體與分子經(jīng)驗(yàn)電子理論,量子理論等,通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)比、推理思維來(lái)完成優(yōu)選新合金、新材料的設(shè)計(jì)過(guò)程.優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上就是數(shù)學(xué)上的最優(yōu)化問(wèn)題,任何一個(gè)需要優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)際材料問(wèn)題都可以用最優(yōu)化技術(shù)來(lái)解決.4 結(jié)束語(yǔ)綜上所述,計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在材料科學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,它已經(jīng)成為材料研究人員的一個(gè)強(qiáng)有力的工具.可以相信,隨著更多的材料科學(xué)家自覺(jué)地利用計(jì)算機(jī)來(lái)提高其研究工作水平,必將指導(dǎo)開發(fā)設(shè)計(jì)出性能更優(yōu)異的新型材料.

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