matlab在材料微结构可视化中的应用

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材料是科技文明发展的必需条件之一，研究材料的微观结构有助于加深
人们对材料的认识。

且伴随着可视化技
术的发展，人们可以借助于可视化软件平台将材料的微观结构进行展现。

利用Matlab 的可视化技术，展示SiC 的三维空间结构、BN 的微观结构与性能之间的部分联系，以及追踪TiAl 3最大团簇的形成过程。

以此说明依靠计算机软件的可视化技术，可增强人们对于材料微观结构的直观理解，并探究材料在微观结构上的演变过程。

这不仅有利于人们对于材料微结构与性能之间的关系探索，还可以促进材料的合成与研发。

新材料的研发是人类科技文明发展的必经之路，对带动相关产业的发展有着积极的作用，为此，积极探索材料的基本特性与全面提高产品的内在价值已成为了众多材料研发团队奋斗的目标。

在过去的年代里，由于受到研究对象复杂程度高和可视化程度低的限制，人们很难从原子角度去研究材料微观结构与材料性能的关系，而高分辨率结构与功能成像技术的发展为在静态和动态状态下观察到原子级结构和性质的定量信息打开了闸门。

而伴随着计算机技术的发展，计算机材料学也受到越来越多人的关注。

目前，有的团队已经建立了溶质随机场作用下位错运动强度与应力的解析模型，有的团队已经运用可视化技术建立了材料模型的迁移和变形。

这些事例都可说明了计算机的可视化技术是可以辅助人们去研究材料。

目前已有很多案例体现不同的分子模拟软件在材料微观结构方面的应用，比如使用NAMD 软件根据经验力场进行数值求解，以此获取结构变化的模拟值，又如利用分子仿真软件HyPerhcem 能生动的构建羟磷灰石分子模型，并推测其相关的一些特性，此外，嵌入在Materials Studio 中的3DBVSMAPPER 可
在人机交互较少的情况下自动处理大量晶体结构。

这些软件可以将材料微观结构的相关信息记录下来或直接形象生动地展示出来，达到加深人们对材料微观结构的认识，从而为进一步的研究打下基础。

Matlab 作为一个支持多种混合编程语言的数学分析软件，不仅支持多种不同格式文件的读取，还能够对读取的数据进行相关的数值运算、分析，除此之外，它还有着良好的交互式系统界面。

因此，它在图形建模、频谱分析等领域上都得到了广泛的应用。

本文利用Matlab 软件构建了SiC 、BN 材料的微观模型，以此说明该软件可以辅助人们在虚拟的三维空间中对材料的空间结构进行全方位的了解。

除此之外，利用Matlab 导入合理的坐标参数文件，以此构建TiAl 3最大团簇，进而加深人们对团簇形成中原子运动趋势的理解。

1 Matlab在材料中的应用
1.1 同一物质不同结构的直观展示
人们在对于材料微观结构进行研究时，常常遇到一些空间结构复杂、抽象的晶体结构，也会遇到一些不易区分的晶体结构。

针对于这些结构，若仅依靠书本上的图片和文字去理解，是较为抽象、难于理解的。

而借助于强大的可视化平台对材料微观结构进行仿真，可以将材料的局部微观结构进行直观展示，以此辅助人们对于材料微观结构的理解；同样，建立起的三维空间结构模型也能够帮助人们对相同材料的不同晶体结构进行辨析，除此之外，从不同的方位去对材料微观模型进行观测，可加深人们对于材料微观结构的直观
映像。

图（1）β-SiC晶体结构图 图（2）α-SiC晶体结构
例如被用作增强材料的SiC ，截止目前已发现有多种多型体。

图（1）和图（2）分别为闪锌矿结构的SiC （β-SiC ）和六方或菱形结构的SiC （α-SiC ），从这两幅图我们可以很容易发现二者都是由两种元素所构成（较小的为碳原子，较大的微硅原子），它们的空间结构是不同的，二面角具有明显的区别。

其中β-SiC 的二面角分别为0°和60°，而α-SiC 除了具有0°和60°外，还具有120°的二面角。

通过对图（1）和图（2）的SiC 晶体的展示，这样我们不仅可以直观
Matlab 在材料微结构可视化中的应用
贵州大学大数据与信息工程学院　杨礼松　胡正林　罗　迁
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的去了解这两种晶体结构的原子分布情况，还可以了解这两种结构的不同的之处，从而能够很好的辨析这两种材料的空间结构。

1.2 材料的结构与性能的联系
物质的独特结构决定了其具有特别的性能，了解现有材料的微观结构不仅有助于我们对材料所具有的性质进行更加深入的认识，还可以辅助人们推理相似晶体结构可能具有的属性，除此之外，对于晶体结构的仿真，也有利于研发人员在虚拟环境中对于材料的空间结构进行优化处理，从而为新材料的研发提供理论指导。

碳化硼材料因具有热化学稳定，导热性好，以及极高的硬度等优良特性，故其成为了一种应用于诸多高新技术领域的材料。

下图（3）和图（4）分别为六方氮化硼和石墨。

其中的六方氮化硼具有白石墨之称，它的晶体结构与石墨的晶体结构相似，最明显不同之处在于石墨是由碳原子排列而成，六方氮化硼是由硼原子与氮原子交替取代原碳原子位置，进而形成的不同于石墨的键长与层间距的一种化合物。

且石墨与六方氮化硼都属于范德华异质结构，其二维晶体平面内的稳定性主要依赖于强共价键，而相对较弱的范德华力提供了晶体能够堆积在一起的可能，这种结构使得该材料具备了成为固态润滑剂的可能。

在这两种都具备结构超润滑现象材料中，尽管在它们的原子模拟中其潜在的原子模拟机制来源于不同的动力学机制，可具备这种范德华异质结构都可望具备这种特性，进而引导着物质由微观结构引入于宏观特性的放大。

可见，对于材料微观模拟不仅可以降低人们对材料属性的研究成本，还可以加深人们对现有材料的空间结构认识，除此之外，还可以把具有相关结构的材料的性质进行一定的推理，进而为后续材料的研发提供理论的指导。

图（3）六方氮化硼 图（4）石墨
1.3 动态的模拟仿真
伴随着量子化学领域的不断发展，人们已经针对于分子的电子结构进行了模拟仿真。

此外，共价有机框架材料（COFs）的出现也为材料具备设计的属性，其框架结构的性质促进了材料功能化的设计的发展。

当然，材料的结构与其本身存在的缺陷是决定材料功能的主要因素，这就使得为保证理论预测的准确性，人们就需要针对相应的材料的建立相关的缺陷配置库，以此为全面了解真实材料中缺陷功能打下基础。

Ti-Al合金具有重量轻，耐腐蚀性好，高温力学性能好等优点，是一种可被应用于高温应用领域的材料。

在本次实验中，我们运用元胞自动机模型构建D022型TiAl3最大团簇的形成模拟过程。

且为了能够得到较为合理的模型数据，我们采用LAMMPS分子动力学模拟软件进行模拟，并将其模拟过程中各个原子的空间坐标信息进行存储，以此记录合金在凝固中原子的分布情况，然后使用matlab软件对模拟过程中的生成的数据文件进行建模分析。

下图（5）为TiAl3最大团簇的仿真模拟的部分过程，从该图中我们可以发现从2000K降到200K时，最大团簇的形成过程中原子的分布状态，且依据这些原子所具有的序号也可以进行推测原子的原子运动轨迹。

由此加深人们对于材料在凝固的过程中原子的走向进行分
析，为推动着人们对于材料的凝固过程的理解。

图（5） TiAl3最大团簇追踪过程
2 结论
从Matlab在材料微观结构可视化中的应用中可以看出，Matlab在建模上的能力是十分强大的，它可以把材料的微观结构在计算机中模拟出来，实现人们对材料空间结构的直观认识，辅助人们从微观上了解材料具有的属性以及为推理与之类似结构可能所具有的属性打下基础，除此之外，Matlab还可以模拟出材料微观结构的团簇的形成过程，用以提升研发人员对于结构复杂、难以观测的材料微观结构演变过程的理解能力，并可由此为现实中材料的研发提供理论上的指导，进而削弱研发新材料的难度，降低在实际中研发的成本，提高研发人员的研发效率。

基金项目：贵州大学‘SRT计划’项目。