优选计算材料学导论

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《计算材料学》课程教学大纲-r

《计算材料学》课程教学大纲

一、课程名称（中英文）

中文名称：计算材料学

英文名称：Computational Materials

二、课程代码及性质

课程代码:0817941

课程性质:专业选修课程,选修

三、学时与学分

总学时：32（理论学时：32学时；实践学时：0学时）

学分：2

四、先修课程

高等数学、大学物理、量子力学、计算机基础、C++编程。

五、授课对象

本课程面向材料科学专业、功能材料专业学生开设

六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）

《计算材料学》是以计算机为工具，应用适当的数学方法，对材料科学问题进行数值分析与研究、对材料性质及过程进行数值模拟的新兴学科，是研究材料问题的一种新方法。它紧密地联系实验与理论，加快材料研发进程。本课程将针对微观模拟方法中的分子动力学进行介绍，学习分子动力学方法软件lammps并应用于材料各种重要性质的模拟。

本课程总的教学目的：

（1）掌握分子动力学模拟的基本原理和流程，理解分子动力学的基本要素及其对模拟结果的重要性。

（2）学会使用lammps程序，并掌握使用模拟方法对材料的常见性质如晶格常数、弹性常数、热膨胀系数、热导率等进行模拟，并用于材料问题的前沿研究；（3）提高和锻炼学生的科研能力，包括文献调研、抽象建模、编程能力、数据处理以及结果分析等能力；

（4）提高和锻炼学生的团队领导、合作交流、PPT制作、成果展示、英语阅读和写作能力等。

七、教学重点与难点：

教学重点：

1.分子动力学基本概念：边界条件、势函数、优化算法

2.材料相关性质的模拟：热膨胀系数、熔点、热导率的计算方法

计算机导论教学大纲

导论是一门计算机科学的基础课程，旨在向学生介绍计算机科学的基本概念、原理和应用。本文将探讨计算机导论教学大纲的设计，以及如何通过不同的教学方法和资源来提高学生的学习效果。

一、课程目标和背景

计算机导论的主要目标是使学生对计算机科学有一个全面的了解，包括计算机硬件、软件、网络和信息安全等方面的知识。通过学习计算机导论，学生可以了解计算机科学的基本原理和方法，培养计算思维和问题解决能力，并为进一步学习计算机相关专业打下基础。

二、课程内容

计算机导论的内容可以包括以下几个方面：

1. 计算机的基本概念和发展历程：介绍计算机的起源、发展历程和基本组成部分，包括中央处理器、内存、输入输出设备等。

2. 计算机硬件和软件：介绍计算机硬件的组成和功能，包括处理器、存储器、输入输出设备等。同时，介绍计算机软件的分类和应用，包括系统软件和应用软件。

3. 计算机网络和通信：介绍计算机网络的基本概念和组成部分，包括局域网、广域网和互联网等。同时，介绍计算机通信的原理和技术，包括数据传输和网络安全等。

4. 信息安全和隐私保护：介绍信息安全的基本概念和原则，包括密码学、网络安全和隐私保护等。同时，介绍常见的网络攻击和防御方法。

5. 计算机应用和社会影响：介绍计算机在各个领域的应用，包括教育、医疗、金融等。同时，讨论计算机对社会的影响和挑战，包括人工智能、大数据和虚拟现实等技术。

三、教学方法和资源

为了提高学生的学习效果，可以采用多种教学方法和资源：

1. 讲授和演示：通过课堂讲授和实际演示，向学生介绍计算机的基本概念和原理。可以使用多媒体和实物模型等辅助教学工具。

《材料科学导论》习题及答案

正确的是……………………………………………( )
(A) ○1
(B) ○1 和○2
(C) ○2 和○3
(D) ○1 和○3
6. {传统材料}与{新型材料}的关系的正确表达为…( )
○1 ｛传统材料｝∩｛新型材料｝＝Ø；
○2 ｛传统材料｝∩｛新型材料｝≠Ø；
○3 ｛传统材料｝∪｛新型材料｝＝｛材料｝.
(A) ○1
(A)具有自发极化的铁电晶体必定是极性晶体。 (B)具有偶数阶物性张量的晶体必定有对称中心。 (C)具有偶数阶物性张量的晶体未必有对称中心。 (D)晶体的物性中没有的对称要素，其结构中肯定没有。
23. 根据诺埃曼(Neumann)原理，下列推论正确的是( )
(1)具有自发极化的铁电晶体必定是极性晶体。 (2)具有偶数阶物性张量的晶体必定有对称中心。 (3)具有偶数阶物性张量的晶体未必有对称中心。 (4)晶体的物性中没有的对称要素，其结构中肯定没有。
（5） ∀(晶体)， {物性张量的对称要素} ⊇ {点群的对称要素}. （6） ∀(晶体)， {物性张量的对称要素} ⊆ {点群的对称要素}.
即等价于诺埃曼（Neumann）原理的是……………( )
(A) 式(1)
(B) 式(2)
(C) 式(3)和式(5)
(D) 式(4)和式(6)
22. 根据诺埃曼(Neumann)原理，下列“推论”错误的是( )

计算材料学-14-1

2.
M.I. Eremets, V.V. Struzhkin, H.K. Mao, R.J. Hemley, Science 293: 272-274 (2001).
27
材料模拟的重要性－解释相变机制
Two typical reason of pressure-induced metallization 1. Structural transition from low coordination insulator to a high coordination metallic phase (e.g., Si, Ge) Band overlap due to the increased interatomic interactions with pressure (e.g., I)
29
模拟的重要性－预言材料物性参数
1998 Nobel Prize in Chemistry to Walter Kohn and John Pople
14
计算模拟与设计在材料研究中的地位
美国若干个专业委员会（1989）现代理论和计算机的进步，使得材料科学与工程的性质正在发生变化。材料的计算机分析与模型化的进展，将使材料科学从定性描述逐渐进入定量描述阶段。
Intermetallics 16, 333 (2008).
24
材料模拟的重要性－预言新的结构相

计算材料学

计算材料学（Computational Materials Science），是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。

计算材料学- 学科介绍

计算材料学（Computational Materials Science），是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。计算材料学主要包括两个方面的内容：一方面是计算模拟，即从实验数据出发，通过建立数学模型及数值计算，模拟实际过程；另一方面是材料的计算机设计，即直接通过理论模型和计算，预测或设计材料结构与性能。前者使材料研究不是停留在实验结果和定性的讨论上，而是使特定材料体系的实验结果上升为一般的、定量的理论，后者则使材料的研究与开发更具方向性、前瞻性，有助于原始性创新，可以大大提高研究效率。因此，计算材料学是连接材料学理论与实验的桥梁。

计算材料学- 研究领域

材料的组成、结构、性能、服役性能是材料研究的四大要素，传统的材料研究以实验室研究为主，是一门实验科学。但是，随着对材料性能的要求不断的提高，材料学研究对象的空间尺度在不断变小，只对微米级的显微结构进行研究不能揭示材料性能的本质，纳米结构、原子像已成为材料研究的内容，对功能材料甚至要研究到电子层次。因此，材料研究越来越依赖于高端的测试技术，研究难度和成本也越来越高。另外，服役性能在材料研究中越来越受到重视，服役性能的研究就是要研究材料与服役环境的相互作用及其对材料性能的影响。随着材料应用环境的日益复杂化，材料服役性能的实验室研究也变得越来越困难。总之，仅仅依靠实验室的实验来进行材料研究已难以满足现代新材料研究和发展的要求。然而计算机模拟技术可以根据有关的基本理论，在计算机虚拟环境下从纳观、微观、介观、宏观尺度对材料进行多层次研究，也可以模拟超高温、超高压等极端环境下的材料服役性能，模拟材料在服役条件下的性能演变规律、失效机理，进而实现材料服役性能的改善和材料设计。因此，在现代材料学领域中，计算机“实验”已成为与实验室的实验具有同样重要地位的研究

第1章计算材料学导论.

表面吸附、催化、分子间相互作用等
材料设计理念
材料研究四要素：组成、结构、性能、服役性能
实验研究变得越来越困难
电子层次、纳米结构设计
计算机模拟技术可以根据有关的基本理论
纳观、微观、介观、宏观尺度多层次研究模拟超高温、超高压等极端环境性能演变规律、失效机理进而实现材料服役性能的改善和材料设计
材料学信息学->材料专家设计系统->基于材料理论计算与设计
材料设计(Materials Design)
通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料
计算材料学
“材料计算与设计”的思想产生于20世纪50年代，80年代形成为一
个独立的新兴学科。
材料设计理念
计算材料学
计算物理概述
基于物理学基本原理的数值计算和模拟已经成为将理论物理和实验
物理紧密联系在一起的重要桥梁
简单的解析理论模型难以描述复杂物理现象
克服实验物理中遇到的许多困难
早期宇宙行为、强磁场、极高压、极低温或高温
1946年2月14日，美国宾夕法尼亚大学，ENIAC 1955年5月,费米和合作者，洛斯阿拉莫斯研究报告 1959年，“曼哈顿计划”，《计算物理方法丛书》
电子结构、分子结构、晶体缺陷结构和本体结构纳器件和分子器件，重大“挑战性”

材料科学导论

第二十一页
材料科学与工程的由来
➢ 为了满足经济和社会的需求,人们早已大量使用材
料,并推动材料的不断发展。
➢ 但20世纪之前的材料进步往往大量依靠人们的经
验、技巧、继承和积累,发展的速度还是缓慢的,其
原因在于人们还没有对材料在科学上有深刻的认识
和理解。
➢ 直到20世纪60年代才提出“材料科学”的概念，“材
•刚度
•塑性
•韧性
•电学性质
•磁学性质
•催化性质
•光学性质
•热学性质
•腐蚀性
•氧化性
30
30
第三十页
材料的结构
键合结构
晶体结构
组织结构
31
31
第三十一页
材料的结构----键合结构
•化学键
离子建
陶瓷材料
共价键
高分子材料
金属键
金属材料
结
合
能
氢键
•物理键
分子键
冰（H20）
卤族晶体
注：1. 有些陶瓷材料属共价键化合物，如SiC陶瓷；
出,现代先进材料的强度已比原始材料提高了约50倍)
第五页
现代涡轮喷气发动机
蒸汽机
３０年代气冷
式航空发动机
第六页
1700
陶瓷复合材料
碳 -碳
材料的表面温度(℃)

计算材料学导论

1946~1957 真空管,第一代 1958~1963 晶体管,第二代 1966~1970集成电路,第三代 1971~ 大规模和超大规模
集成电路,第四代
10
多核技术集群技术
2021/6/16
11
材料设计
材料设计（Materials by design）一词正在变为现实，它意味着在材料研制与应用过程中理论的份量不断增长，研究者今天已经处在应用理论和计算来设计材料的初期阶段。
因原子的质量比电子大很多，量子效应不明显，可近似用经典力学方法处理
20 世纪 30 年代, Andrews 最早提出分子力学(MM)的基本思想；40 年代以后得到发展, 并用于有机小分子研究。 90年代以来得到迅猛发展和广泛应用
2021/6/16
36
分子动力学——基本原理
构造出简单体系的势能函数, 简称势函数或力场(force field)。
“……解决全部化学的规律的数学方法已完全知道了，困难只是在于这些方程太复杂，无法求解……”
2021/6/16
5
1953年舒尔（H. Schull）等人用手摇计算机，摇了2 年才完成氮分子的哈特里－福克（Hartree-Fock）等级的从头计算。
也许我们可以相信理论物理学家，物质的所有性质都应当用薛定谔方程来计算。但事实上，自从薛定谔方程发现以来的30年中，我们看到，化学家感兴趣的物质性质只有很少几个作出了准确而又非经验性的量子力学计算。

计算材料学讲稿-3

第三周计算材料学——第一性原理

本课学习的要求和目的：计算材料学的一个重点就是掌握材料的计算机设计，即直接通过理论模型和计算，预测和设计材料结构与性能。而第一性原理方法的学习正是满足这一要求，因此，通过本专题的学习，使同学们在掌握该方法的基本理论思想的基础上，进而应用计算机手段来完成材料结构和性能预测的目的。

引言

材料是由许多相互接近的原子排列而成，排列可以是周期性的，也可以是非周期性的。材料中离子和电子的数目均达到 1024/cm3 的数量级，这是一个复杂的多粒子系统，虽然原则上可以通过量子力学对系统进行求解，但由于过于复杂，

必须采取合理的简化和近似才能用于实际材料的计算。

量子力学建立于 20 世纪 20 年代，但对于固体的了解仅在过去的30 年才. 开始，原因是固体中存在着复杂的电子一离子、电子一电子相互作用。目前，固

体量子理论的发展在利用计算机的条件下己经用来探索和预测尚未合成的新材

料。

Cohen 教授所发展的第一性原理方法，近年来在预测新材料性能方面有两个突出事例 :一是预报存在 Si 的高质金属相及其超导性 ;二是预报 C3 从超硬材料。第一

性原理方法是在电子层次上研究材料的性能。所谓第一性原理，即从最基本的物理规律出发，求解体系的薛定愕 (schr6dinger)方程以获取材料性能方面的信息，从而理解材料中出现的一些现象，预测材料的性能。除原子构型外，它不需要任何其他的经验参数，因此，第一性原理方法是一种真正意义上的预测。

第一性原理方法的基本计算结果为体系总能量以及电荷分布 (电荷密度，态密

计算材料学导论课件

详细描述
计算材料学结合了物理学、化学、数学等多个学科的知识，通过计算机模拟和理论模型来研究材料的性质和行为，包括材料的结构、电子结构、力学性能、热学性能等。
计算材料学的重要性
总结词
计算材料学对于材料科学的发展和实际应用具有重要意义。
详细描述
计算材料学能够快速预测和优化材料的性能，缩短材料研发周期，降低实验成本，提高材料设计的成功率，为新材料和新技术的开发提供强有力的支持。
高通量实验与计算模拟
通过高通量实验和计算模拟相结合的方法，快速筛选和发现具有优异性能的新型材料。
数据共享与合作
推动全球范围内的材料数据共享与合作，加强国际间的学术交流与合作，促进材料科学研究的快速发展。
CHAPTER 05
计算材料学的挑战与展望
材料模拟的准确性问题
参数选择
模拟过程中需要选择合适的物理参数，如温度、压力、原子间相互作用等，以确保模拟结果的准确性。
稳定性预测
通过计算模拟，预测晶体结构的热力学稳定性，为材料制备提供理论指导。
功能性质预测
计算模拟晶体结构的功能性质，如光学、电学和磁学等性质，为材料应用提供依据。
CHAPTER 04
计算材料学的前沿技术
高性能计算技术
超级计算机
超级计算机是高性能计算技术的核心，能够进行大规模并行计算，加速材料模拟和设计过程。

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 LeSar

2. 《计算材料学基础与应用》（Fundamentals and Applications of Computational Materials Science）– Yan Li, Swanand M. Bhagwat

3. 《材料计算与建模导论》（Introduction to Materials Computation）– Richard H. Hennig, Jianguo Mi

4. 《材料模拟初探》（An Introduction to materials simulation）– Richard J. Needs, Miguel A. L. Marques

5. 《材料结构理论与模拟》（Theoretical and Computational Materials Science）– Anton Van der Ven, Golden G. Ou, James R. Morris

6. 《计算材料科学导论》（Introduction to Computational Materials Science: Fundamentals to Applications）– Richard LeSar

7. 《计算材料学与材料计算导论》（Introduction to Computational Materials Science and Materials Computing）–Marcus J. Buehler

《计算材料学》课件

新材料设计
利用计算材料学的方法，可以预测和设计具有优异性能的新型材料。通过模拟材料的原子结构和电子行为，可以预测材料的物理、化学和机械性质，从而优化材料性能。
材料性能模拟
通过计算材料学的方法，可以对材料的性能进行模拟和预测。这有助于在实验前了解材料的性质和行为，减少实验次数和成本，提高研发效率。
详细描述
未来，计算材料学将更加注重跨学科的交叉融合，与人工智能、机器学习等领域的结合将更加紧密，同时将不断拓展新的研究领域和应用领域，为材料科学的发展提供更加强有力的支持。
REPORT
THANKS
感谢观看
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
材料模拟的精度与效率平衡
要点一
总结词
要点二
详细描述
在计算材料学中，精度和效率是一对相互矛盾的需求。为了实现高效的模拟，往往需要牺牲一定的精度。
为了在精度和效率之间取得平衡，研究人员需要采用高效的算法和计算方法，同时不断优化和改进计算模型的精度和细节，以实现更准确、高效的模拟。
材料模拟与实验的结合
01
计算材料学概述
定义与特点
定义
计算材料学是一门利用计算机模拟和理论方法研究材料性质、结构和性能的学科。
特点
以数学和物理为基础，结合计算机技术，对材料进行高效、精确和系统的研究。

学习材料科学导论课的感悟

对于材料科学与工程专业的一名大一学生来说，我很荣欣地可以在成都工业学院学习《材料科学学科导论》这一门课程。因为《材料科学学科导论》是学习材料科学与工程这个专业的学生最先接触的一门专业知识课。它可以让学习这个专业的学生首先在整体上对这个专业有一个初步的认识。并在此基础上，激发学生的学习热情。另外，在这门课程中，它可以让学生了解这个专业的研究领域和研究方向，从而可以让学生知道自己在今后的学习和工作中，所要面对的环境。因此，学校所开设的《材料科学学科导论》这一门课程对学生的影响是不言而喻的。

我学习这一门课程已经有很长一段时间，而现在已经结束。回顾这过去了的与这门相触的时间，现在想起来觉得：的确不是很多。但这是在这短暂的时间中，我却学到了很多，——从之前的知之甚少到现在的有所了解。

在此之前，我对材料科学与工程这个专业的学习，以及将来要面临的就业等问题不是很清楚，甚至于还产生了一丝的担忧。在第一次课中，老师介绍了本专业的相关知识。同时，他也告诉了大家一些关于在大学中如何给自己定位、如何安排学习与休息、如何规划自己的大学等与我们密切相关的内容。老师的讲解生动形象，听得我聚精会神，激发了我对本专业学习的好奇与热情，同时也让我对今后我的大学生涯有了一个初步的认识。

在此之后的每一个周都会有一节导论课。老师们在每一节导论课上所讲授的内容都令我大开眼界、大饱眼福。不论是过渡金属拓扑密堆积相成机理研究、材料表面处理，还是之后的材料设计与计算，或高分子材料及其改性等，都让我对这个专业有了更加广阔的认识。尤其是老师对于高分子材料及其改性

材料科学导论习题解答

材料科学导论作业

第一章材料科学概论

1.氧化铝既牢固又坚硬而且耐磨，为什么不用来制造榔头？

[答]因为Al2O3的耐震性不佳，且脆性较高，不适合做榔头的材料。

2.将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类：黄铜、氯化钠、环氧树脂、

混凝土、镁合金、玻璃钢、沥青、碳化硅、铅-锡焊料、橡胶、纸杯

[答]金属有黄铜、铅-锡焊料、镁合金。

陶瓷有氯化钠、碳化硅。

聚合物有环氧树脂、橡胶、沥青、纸杯。

复合材料有混凝土、玻璃钢。

3.下列用品选材时，哪些力学性能和物理性能具有特别重要性：汽车曲柄轴、电灯泡

灯丝、剪刀、汽车挡风玻璃、电视机荧光屏

[答]汽车曲柄轴的疲劳寿命最为重要。

电灯泡灯丝的熔点需高，其发光性能要强。

剪刀的刀刃的硬度要强。

汽车挡风玻璃的光的穿透性要强。

电视机荧光屏光学的颜色及其他穿透性各种光学特性极重要。

4. 什么是纳米材料？纳米材料有哪些效应？请举例说明。

[答] 通常把粒子尺寸小于0.1μm（10nm）的颗粒称为纳米材料

纳米材料有以下效应：

⑴小尺寸效应

⑵表面效应

⑶量子尺寸效应

⑷宏观量子隧道效应

举例略

第二章原子结构

1.原子序数为12的Mg有三个同位素：78.70%的Mg原子有12个中子，10.13%的

Mg原子有13个中子，11.17%的Mg原子有14个中子，计算Mg的原子量。

[答]M = 0.7870×(12+12)+0.1013×(12+13)+0.1117×(12+14) = 24.3247 g/mol

2.试计算原子N壳层内的最大电子数，若K、L、M和N壳层中所有的能级都被填满，

试确定该原子的原子序数。

计算材料学讲义ppt课件

一、晶体学中的对称操作元素
• 分子和晶体都是对称图像。对称图像是一个能经过不改变其中任何两点间距离的操作后复原的图像，这样的操作称为对称操作。
• 在操作中保持空间中至少一个点不动的对称操作称为点对称操作（点式操作），如简单旋转和镜像转动(反映和倒反);使空间中所有点都运动的对称操作称为非点式操作，
2、写出沿三个坐标轴X，Y和Z的4次旋转轴的表示矩阵。
.
（3）倒反中心(Inversion center) 倒反中心：也称为反演中心或对称中心(Center of symmetry)，它的操作是通过一个点的倒反(反演)，使空间点的每一个位置由坐标为(x、y， z)变换到(- x， - y， - z)。符号为1(i)，变换矩阵为
1 0 0 cossin0 cossin0 0 1 0 sincos0sincos0 0 0 1 0 0 1 0 0 1
.
（7）反轴和映轴间的对应关系
• 旋转倒反轴和旋转反映轴之间存在简单的一一对应关系，旋转角度为q的反轴和旋转角为(qp)的映轴是等价的对称轴。
• 这一关系也很容易从他们的表示矩阵看出。所以1次， 2次， 3次， 4次和6次反轴分别等价于2次， 1次， 6次， 4次和3 次映轴。
.
（4）反映面--镜面 ① 反映面，也称镜面，反映操作是从空间某一点向反映面引垂线，并延长该垂线到反映面的另一侧，在延长线上取一点，使其到反映面的距离等于原来点到反映面的距离。符号为m (s)。 ② 为了表示反映面的方向，可以在其符号后面标以该面的法线。如法线为[010]的反映面，可记为m [010]。

《材料信息学导论》课程开设的初步探讨

随着材料科学的飞速发展，材料信息学作为材料科学的一种新兴交叉学科，在材料科

学领域得到了广泛关注。材料信息学的目标是通过构建材料信息数据库，实现对材料的计算、预测、设计及优化等过程的自动化和智能化。近年来，我国各高校也开始陆续开设材

料信息学相关课程，对培养优秀的材料信息学人才起到了积极的作用。本文就材料信息学

导论课程的开设及其教学内容进行初步探讨。

材料信息学导论是一门介绍材料信息学相关理论、方法及应用领域的课程。该课程是

理论课程，旨在介绍材料信息学发展的历程、基本理论、方法、技术以及应用。此外，该

课程还要求学生掌握相关软件工具，如VASP、Materials Studio等，进行材料的计算、

模拟、设计及优化。通过系统学习材料信息学基础知识，从而增加对材料科学的深入理解，掌握项目开发、成功案例等内容，提高材料信息学应用技术和设计实践能力。

二、材料信息学导论课程的教学内容

1.课程简介：介绍材料信息学的基础知识，包括材料信息数据库、人工智能、集成化

设计等。

2.材料计算：介绍各类材料计算方法及其应用，如第一性原理计算、晶体构造预测、

分子动力学模拟等。

3.材料模拟：介绍材料模拟方法及其应用，如基于力场的分子模拟、相场模拟、晶体

生长模拟等。

4.材料设计：通过案例分析等方式，介绍材料设计的基本思路、方法及应用领域。

5.材料优化：介绍材料优化的基本思路及方法，如材料的功能优化、制造过程优化等。

6.软件工具运用：通过使用材料信息学相关软件工具，如VASP、Materials Studio 等，进行材料的计算、模拟、设计及优化。教学中通过例题讲解和操作演示，帮助学生掌