计算材料学概述
金属材料学(11)计算材料学2006.9.1
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金属材料学
西北工业大学
材料学院
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生物
人高 針頭 紅血球 分子及DNA 氫原子 100萬奈 米 1千奈米 1奈米 0.1奈米 20億奈米
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基本粒子 原子核 原子 最小 的细胞 DNA长度 人
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美国国家科学研究委员会报告
专门报告指出，由于理论和计算能力的进步 ，已经可能实现从理论上预测新材料。 同时，计算机能力将由于并行化而提高2-3 个数量级，对于材料科学中的理论与计算将 带来新的机遇。
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材料设计的展望
(4)材料研究和制备的许多复杂的物理、化学过程 需要用计算机进行模拟和计算，提供实验难以得 到的信息。 (5)原子、分子为起始物的材料合成和在微观尺度 上控制结构，是现代先进材料的重要发展方向， 材料微观设计不可缺少。
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陈铮
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美国NRC 指出的9个机遇
计算材料学
计算材料学
《计算材料学》是一门新兴的学科，它研究系统地利用庞大的计算资源，根据材料物理学和化学原理，开展基础研究和应用研究。
在这里，我们将介绍计算材料学的研究方法，包括基础模拟、机器学习、数据挖掘和智能计算等。
计算材料学主要发展了三种模拟方法：基础模拟、机器学习和数据挖掘。
基础模拟是根据材料的物理和化学的基础原理，建立数学模型，以解决材料的结构、力学性能等问题，并得出结构-性能关系的计算方法。
机器学习可以探索从实验数据中获取的材料特性，并以此为基础建立合适的模型来预测新材料的性能。
数据挖掘可以以多个角度对大量材料数据进行分析，以更有效的方式找出有效的材料功能。
智能计算是计算材料学的另一个分支，它旨在基于计算机程序和机器学习算法，实现材料的设计。
智能计算的方法可以运用于各种材料的计算，从而更快更准确地确定最优的材料结构和性能。
《计算材料学》的研究主要集中在材料设计、制造、表征和模拟等领域，旨在通过应用计算机科学和材料科学，发展和评价新材料和新技术。
计算材料学能够以数据驱动方式来改善材料研究，帮助制造出质量更高、性能更好、功能更强的材料，为经济发展带来巨大红利。
计算材料学的应用涵盖了材料研究的方方面面，包括但不限于现代能源技术、节能环保技术和新型材料技术等。
计算材料学的技术也可以用于传统的材料领域，如航空航天、汽车和原电池等，以实现产品创新和技术进步。
近年来，计算材料学的发展取得了很大的成就，极大地推动了材料科学和技术的进步，提升了材料创新和应用的水平。
未来，计算材料学将继续发展，它可以为材料科学和工程提供更为深入的研究和应用，推动材料科技的进步，为科学发展和应用做出贡献。
计算材料学概述范文
计算材料学概述范文材料学是研究材料的合成、性能、结构和应用的学科，是自然科学和工程技术的重要领域之一、它涉及多个学科领域，如物理学、化学、工程学等，并与社会经济发展紧密相关。
本文将对材料学的基本概念、分类、应用以及未来发展方向进行详细介绍。
材料学是一个应用广泛且多样化的领域，它研究的对象包括金属、陶瓷、聚合物、复合材料等各种材料。
在材料学中，研究者主要关注材料的性能及其与结构之间的关系，以便开发出更高性能的材料，满足社会对新材料的不断增长的需求。
材料学可以根据其组成和性质的不同进行分类。
最常见的分类方法是根据材料的化学成分，分为金属、陶瓷和聚合物三大类。
金属材料主要由金属元素组成，具有良好的导电性和导热性，常用于制造结构件和导电元件。
陶瓷材料由非金属元素组成，具有良好的耐热性和耐腐蚀性，广泛应用于建筑和电子行业。
聚合物材料由高分子化合物组成，具有轻质、可塑性好和良好的绝缘性能，常用于塑料和橡胶制品。
材料学的发展离不开各种先进的材料表征技术。
为了了解和控制材料的性能，科学家们使用各种测试方法对材料进行分析。
常用的测试方法包括X射线衍射、扫描电子显微镜、拉伸试验等，这些技术可以提供关于材料结构、形貌和性能的详细信息。
材料学在许多领域都有广泛的应用。
在工程领域，材料学的研究成果可以帮助工程师设计和制造更安全、更可靠的结构和设备。
例如，合金的研发使得飞机部件更轻更强，从而提高了航空器的性能。
在能源领域，材料学的发展可以推动新能源技术的发展，如太阳能电池和燃料电池。
医学领域也受益于材料学的进展，新型生物材料的研制使得人体组织修复和替代成为可能。
未来，材料学将面临新的挑战和机遇。
随着科技的不断进步，人们对材料性能的要求越来越高。
因此，材料学需要不断创新和发展，以应对新的需求。
具体而言，以下几个方面将是材料学未来发展的重点：首先，环境友好型材料的研发将是一个重要的方向。
随着全球气候变化问题的日益严重，人们对可持续材料的需求不断增长。
计算材料学概述之蒙特卡洛方法详解课件
组合优化方法
针对组合优化问题，通过随机搜索和迭代优 化求解。
分子动力学模拟中的蒙特卡洛方法
01
分子动力学模拟是一种基于物理 模型的模拟方法，通过蒙特卡洛 方法可以模拟分子间的相互作用 和运动轨迹。
02
蒙特卡洛方法在分子动力学模拟 中主要用于求解势能面和分子运 动轨迹，通过随机抽样和迭代优 化实现分子运动状态的模拟。
重要性
随着科技的发展，计算材料学已成为 材料科学研究中不可或缺的工具，有 助于加速新材料的发现和优化现有材 料的性能。
计算材料学的主要研究方法
分子动力学模拟
01
基于原子或分子的动力学行为，模拟材料的微观结构和动态性
质。
蒙特卡洛方法
02
通过随机抽样和概率统计方法研究材料的宏观性质和相变行为
。
密度泛函理论
蒙特卡洛方法可以与分子动力学模拟结合，实现更精确的原子尺 度模拟。
元胞自动机
蒙特卡洛方法可以与元胞自动机结合，模拟复杂系统的演化过程。
有限元分析
蒙特卡洛方法可以与有限元分析结合，实现更高效的数值计算。
蒙特卡洛方法在材料设计中的应用前景
新材料发现
蒙特卡洛方法可用于预测新材料性能，加速新材料发现和开发进 程。
总结词
通过蒙特卡洛方法模拟复合材料的界面行为，包括界面润湿性、粘附力和传质过程等。
详细描述
利用蒙特卡洛方法模拟复合材料的界面行为，分析不同组分间的相互作用和界面结构， 预测材料的界面润湿性、粘附力和传质过程等性能，为复合材料的制备和应用提供理论
依据和技术支持。
蒙特卡洛方法的发
05
展趋势与展望
蒙特卡洛方法的未来发展方向
计算统计量
根据模型和抽样结 果，计算所需的统 计量或系统参数。
计算材料学专业
计算材料学专业
计算材料学是一门结合了材料科学、物理学、计算机科学和数学等多个学科的交叉专业。
它主要通过计算机模拟和计算的方法，研究材料的结构、性能、制备工艺以及它们之间的关系。
计算材料学专业的学生需要掌握扎实的数学和物理基础知识，同时还需要学习计算机编程和数值计算方法，以能够运用计算机模拟软件对材料进行分析和预测。
该专业的研究内容包括材料的原子和分子结构、晶体生长、材料的热力学和动力学性质、材料的缺陷和相变等。
在实际应用中，计算材料学可以帮助材料科学家和工程师在实验之前预测材料的性能，从而缩短研发周期、降低成本。
它还可以用于设计新型材料、优化材料的制备工艺、解决材料使用过程中出现的问题等。
计算材料学专业的毕业生在材料科学、工程、化学、物理等领域都有广泛的就业机会。
他们可以从事材料研发、工艺优化、模拟计算、数据分析等工作，也可以在科研机构、高校、企业等单位从事相关的研究和教学工作。
随着计算机技术的不断发展和材料科学的日益复杂，计算材料学的重要性也越来越凸显。
它为材料科学的研究和发展提供了一种高效、准确的手段，将在新材料的开发和应用中发挥越来越重要的作用。
00-计算材料学概论
2.2.5 状态方程
状态方程是与路径无关的函数。把物性与态变量的实际取 值联系起来(参见表2.2)，诸如电阻、屈服应力、自由焓等。
从头分子动力学和蒙特卡罗方法---------原子级别微结构的
行为
（材料物理）
有限元方法----------大尺度结构问题 （材料科学机械工程）
平均本构定律
计算材料学的研究对象跨度巨大。
第一章 引言
模型的时间空间跨度大，在集成不同尺度的模型过程中有 两种近似的方法。
顺序集成法（串联） 通过对空间和时间的离散化，采用非平均化方法在相对恰 当的较小尺度模拟推知本构定律，应用于下一个尺度。随 着模型尺度的增加唯象特征逐渐增加。
计算材料学
第一章 引言
Performance
Compositure
现代材料研究从某种意义上来说就是对微结构的研究。
第一章 引言
微结构，是指横跨埃到米的空间尺度上所有热力 学非平衡态晶格缺陷的集合。
空间尺度：几个埃～几米。 时间尺度: ps ～几年。 材料的研究目标之一：确定宏观性能与微观结构
之间的关系。 关键：确定和描述材料的晶格缺陷，以及晶格缺
陷的静态和动态特性。
第一章 引言
微结构的演变方向由热力学判断，而微结构实际 的演变路径则由动力学原理决定。热力学非平衡 机制会给出各种可能的、复杂的微结构。研究表 明，这样的微结构不是平衡态，而是处于远离平 衡的状态。正是这些非平衡状态，使得材料显示 出各种独特性质。
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。
材料科学中的计算材料学和虚拟材料设计
材料科学中的计算材料学和虚拟材料设计随着科学技术的不断进步，材料科学的研究领域也在不断扩大。
在这个领域中，计算材料学和虚拟材料设计是两个备受关注的概念。
本文将介绍这两个概念，以及它们在材料科学中的应用和发展。
一、计算材料学计算材料学是一种运用计算机和数值方法来研究材料特性和材料行为的学科。
与传统实验室研究不同，计算材料学采用计算模型和相应的软件程序来模拟材料的结构、力学行为、热力学行为等。
通过模拟和计算，可以在不需要实际制备材料的情况下，预测材料的性质和行为，优化材料的结构和性能。
目前，计算材料学的研究范围非常广泛，包括材料的结构和性质、材料的电子结构和磁学、纳米材料和超材料等等。
在研究材料的基本性质方面，计算材料学可以预测材料的相变、材料的力学强度、材料的热膨胀系数等。
在研究调控材料性能方面，计算材料学可以通过修改材料的微观结构或添加掺杂元素来改善材料的力学性质和光学性质。
计算材料学的研究方法主要包括密度泛函理论、分子动力学模拟、蒙特卡罗模拟等。
其中，密度泛函理论是计算材料学中最重要和最常用的理论方法之一。
它可以从材料中所有原子的电子密度出发，计算出材料的基本性质，如能带结构、电荷密度分布、反应催化等。
二、虚拟材料设计虚拟材料设计是用计算机和虚拟化技术来设计新材料的过程。
它可以帮助工程师和科学家在实际制造和测试之前，预测材料的性能，并且设计新的材料结构和组合。
虚拟材料设计是一种高效和经济的材料开发方式，因为它可以减少实验差错和能够优化材料的性能。
此外，虚拟材料设计也可以加速材料开发过程，改善材料生产的效率。
在虚拟材料设计中，需要运用不同的建模和仿真方法，可根据实际需要选择适当的方法。
这些方法包括分子动力学模拟、统计学习方法、人工神经网络、量子化学计算和机器学习等。
虚拟材料设计可以用于许多领域，例如材料学、化学、光电、生物医学和能源等。
它也可以用于设计新的纳米材料、超材料和先进复合材料等。
总结从本质上讲，计算材料学和虚拟材料设计都是计算机科学、物理学和工程学的交叉学科。
计算材料学研究
计算材料学研究——探索材料之本质与未来材料科学是现代科学技术中的重要分支之一，它在促进各个领域的发展中作出了不可或缺的贡献。
其中，计算材料学作为新兴的重要研究方向，为材料科学的发展提供了一种全新的思路和方法，被广泛应用于化学、物理、机械、电子等领域中。
一、计算材料学的基本概念计算材料学是指通过计算机模拟、数学分析和大数据挖掘等手段，从微观角度对材料进行全面深入的研究、分析和设计。
它以材料的基础理论及物理、化学、电学等方面的知识为基础，运用材料计算软件及高性能计算技术进行计算与分析，从而探究材料组成和结构、材料性质及其演化机制等信息，以便优化设计和制造出更高性能的新型材料。
目前，计算材料学的研究方向各异，包括材料模拟与计算、材料物理性质计算、表面物理与化学、材料先进加工技术等方面，使得材料的研究方法得到了创新和升级。
二、计算材料学的应用计算材料学的应用范围非常广泛，涉及国防、经济、生命、环境、汽车、航空航天、信息通讯等多个领域。
例如，在材料设计方面，传统方式通常是从实验室一步步试验和推进，然而这种方法需要大量时间和资金支持，并且很难设计和制造出跨越新世界的材料。
相较之下，计算材料学通过建立适当的数学物理模型及计算方法，能够快速、准确地进行材料的设计和预测。
这种新型的研究方式，缩短了材料开发周期，同时为材料创新及材料应用提供了新的机遇。
三、计算材料学发展现状从理论基础的角度，计算材料学的发展在于提高材料基础知识的密集度和精度，同时发展新型的计算方法和技术。
无论是从材料对称性求解方面，还是从电子结构理论预测材料性质来看，都需要成倍地提高计算速度和精度，这涉及到数值算法和信息科学和技术的发展。
因此，从基础理论出发，计算材料学需要逐渐发展出更加精准、可靠和高效的计算方法，不断完善材料模型及应用对象，从而为新材料的设计开发提供更强的支撑。
当前，国内外许多高端、先进的实验设备和计算资源得到了巨大发展，这使得计算材料学的研究范围得以不断拓宽，目前计算材料学结合大数据和人工智能技术正在不断深入版图。
计算材料学导论课件
利用数据构建模型，通过机器学习等方法预测材料的 性能和行为。
CHAPTER 06
计算材料学案例分析
材料模拟软件介绍
01
材料模拟软件概述
介绍材料模拟软件的基本概念、发展历程和应用领域，以及其在计算材
料学中的重要地位。
02
常用软件介绍
列举并简要介绍一些常用的材料模拟软件，如Material Studio、VASP
材料模拟技术的发展方向
介绍当前材料模拟技术的发展趋势和未来发展方向，如更高效的算法、更精确的量子力 学计算方法等。
材料模拟在新能源、新材料等领域的应用前景
探讨材料模拟在新能源、新材料等领域的应用前景和潜在价值，如太阳能电池材料、高 温超导材料等。
材料模拟与其他学科的交叉融合
分析材料模拟与其他学科的交叉融合发展趋势，如物理学、化学、生物学等，以及在交 叉领域中的应用前景。
计算材料学的历史与发展
要点一
总结词
计算材料学经历了从简单模型到复杂模拟的发展历程。
要点二
详细描述
计算材料学的历史可以追溯到上世纪50年代，当时科学家 开始使用简单的模型来研究材料的性质。随着计算机技术 和理论模型的不断发展，计算材料学逐渐成为一门独立的 学科，能够模拟更加复杂和真实的材料系统。未来，计算 材料学将继续发展，并与其他学科领域交叉融合，为解决 实际问题提供更多创新性的解决方案。
CHAPTER 02
计算材料学的基本原理
原子与分子理论
原子与分子是构成物质的基本单 元，通过研究它们的性质和行为 ，可以理解材料的结构和性质。
原子的核外电子排布、电子云分 布、化学键合等特性决定了物质
的化学性质。
分子的几何构型、振动和转动等 性质也深刻影响着材料的物理性
计算材料学-概述2017-3-16
1998年美国副总统戈尔在加利福尼亚科学中心发 表了题为“数字地球─21世纪认识地球的方式”的演 讲，指出：“在发明计算机之前，用实验和理论的方 法来研究都很受限制。许多实验科学家想研究的现象 都很难观察到，它们不是太小就是太大，不是太快就 是太慢，有的一秒钟之内就发生了十亿次，而有的十 亿多年才发生一次。另一方面纯理论又不能预报复杂 的自然现象所产生的结果，如雷雨或飞机上空的气 流”。“有了高速计算机这个新工具，我们就可能模 拟以前不可能观察到的现象，同时能更准确地理解观 察到的数据。这样，计算科学使我们能超越实验与理 论科学的局限，建模与模拟ห้องสมุดไป่ตู้了我们一个深入理解正 在收集的有关地球的各种数据的新天地”
1954年11月，费米逝世，他的合作者继续工作， 于1955年5月写出Los Alamos 研究报告LA-1940。这篇 秘密报告历经多年、解密后被正式收入《费米全 集》。这篇具有重大意义的报告，被许多人认为是 计算物理的正式起点，因为它提出了许多问题，带 来了当时谁也未曾想到的重大发展。
从此，物理问题的计算与计算机相互促进，开始 蓬勃发展。
计算材料模拟的尺度
1m, 1s
10-9m, 10-10s
计算材料学概述
计算材料学的起源、发展与趋势 计算材料学的重要性 计算材料学的方法、层次与特点
科学的体系和结构发生深刻变化
对 象： 宏观现象 微观本质 方 法 学： 描述、归纳 演绎、推理 理论层次： 定性 定量
计算化学 计算物理
计算材料学起源-科学计算
1983年，在美国国防部、能源部、国家科学基 金会和国家航天局主持下，以美国著名数学家拉克 斯为首的不同学科的专家委员会向美国政府提出报 告，强调“科学计算是关系到国家安全、经济发展 和科技进步的关键性环节，是事关国家命脉的大 事”。
计算材料学概述
计算材料学概述计算材料学是基于物理建模与数值计算方法，通过理论计算主动对材料-器件-微系统的本征特性、结构与组分、使用性能以及合成与制备工艺进行综合设计，达到对材料结构与功能的调控，并提供优化设计和协同制造技术的一门交叉边缘学科。
1 密度泛函理论密度泛函理论是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法。
密度泛函理论在物理和化学上都有广泛的应用，特别是用来研究分子和凝聚态的性质，是凝聚态物理和计算化学领域最常用的方法之一。
在通常的多体问题电子结构的计算中，原子核可以看作静止不动的（波恩-奥本海默近似），这样电子可看作在原子核产生的静电势中运动。
电子的定态可由满足多体薛定谔方程的波函数描述：其中为电子数目，为电子间的相互作用势。
算符和称为普适算符，它们在所有系统中都相同，而算符则依赖于系统，为非普适的。
可以看出，单粒子问题和比较复杂的多粒子问题的区别在于交换作用项。
目前有很多成熟的方法来解多体薛定谔方程，例如：物理学里使用的图形微扰理论和量子化学里使用的基于斯莱特行列式中波函数系统展开的组态相互作用（CI）方法。
然而，这些方法的问题在于较大的计算量，很难用于大规模复杂系统的计算。
相比之下，密度函理论将含的多体问题转化为不含的单体问题上，成为解决此类问题的一个有效方法。
在密度泛函理论中，最关键的变量为粒子密度，它由下式给出霍恩伯格和沃尔特·科恩在1964年提出 [1]，上面的关系可以反过来，即给出基态电子密度，原则上可以计算出对应的基态波函数。
也就是说，是的唯一泛函，即对应地，所有其它基态可观测量均为的泛函进而可以得出，基态能量也是的泛函,其中外势场的贡献可以用密度表示成泛函和称为普适泛函，而显然不是普适的，它取决于所考虑的系统。
对于确定的系统，即已知，需要将泛函对于求极小值。
这里假定能够得出和的表达式。
对能量泛函求极值可以得到基态能量，进而求得所有基态可观测量。
对能量泛函求变分极值可以用不定算子的拉格朗日方法，这由科恩和沈吕久在1965年完成 [2]。
《计算材料学》课件
优化材料制备与加工过程
计算模拟有助于理解材料制备和加工过程中的关键因素，实现更高 效和环保的生产。
计算材料学的发展历程
早期发展
20世纪50年代，计算机技术开始应用于材料性质 的计算和模拟。
快速发展期
20世纪末至21世纪初，随着计算机技术的进步， 计算材料学得到广泛应用。
当前研究热点
人工智能与机器学习在计算材料学中的应用，为 材料设计和性能预测提供了新的手段。
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
02
计算材料学的基本原理
密度泛函理论
核心理论
密度泛函理论是计算材料学中的核心理论之一，它通过将多电子系统的波函数表示为单电子密度函数 的基组展开，简化了复杂的多体问题，使得能够通过第一性原理方法计算材料的电子结构和性质。
02
材料基因组计划采用高通量实验 和计算模拟的方法，对大量候选 材料进行快速筛选和优化，加速 新材料的发现和开发进程。
人工智能在计算材料学中的应用
人工智能技术在计算材料学中具有广 泛的应用前景，它能够通过机器学习 和深度学习等方法，自动提取材料数 据中的有用信息，提高预测精度和效 率。
人工智能技术可以应用于材料性质预 测、材料优化设计、材料合成路径规 划等领域，为新材料的发现和开发提 供有力支持。
大规模并行计算
大规模并行计算是利用多个处理器或计算机同时进行计算的 技术，它能够加速大规模材料模拟和计算过程，提高计算效 率和精度。
大规模并行计算技术包括多核处理器、图形处理器（GPU） 、专用集成电路（ASIC）等，这些技术能够实现高效的并行 计算和数据处理。
计算材料学的应用与发展
计算材料学的应用和发展计算材料学是目前材料科学中发展最快的科目。
随着pretty profitable parrots 鹦鹉学舌，相当有利可图。
1.计算材料学的诠释计算材料学（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。
2.计算材料学研究的必要性（前提）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。
计算材料学
计算材料学
计算材料学是一门融合材料学、计算机科学和数学的新兴学科，旨在探索和理解材料行为，并利用计算机与数学模型来更好地设计新型材料。
材料行为受物理原理，物理性质和化学反应的影响，因此，研究材料行为的关键在于综合考虑这些物理原理、物理性质和化学反应。
计算材料学为此提供了一个结构化的方法，可以研究和理解材料行为，并利用它们来设计新型材料。
计算材料学主要关注物理、化学和力学方面的材料建模和仿真。
为了更好地研究材料行为，计算材料学需要利用物理模型、数学方法和计算机模拟技术。
物理模型可以用来描述材料的物理性质，并表示出它们之间的相互关系，如弹性模型、塑性模型和热力学模型等。
这些物理模型可以结合数学方法，如微分方程、数值方法和量子力学，来解决材料行为的复杂性问题。
在实际应用中，计算机模拟技术也被广泛利用，可以模拟材料在极端条件下的行为，并预测潜在性能。
计算材料学还可以用来帮助设计新型材料。
在计算材料学中，研究人员可以根据具体应用需求，利用物理模型、数学方法和计算机技术，研究材料的性能特征和潜在的行为。
例如，可以研究新型材料的热传导性能、机械性能、化学耐久性、腐蚀抗性等。
此外，计算材料学还可以用来研究新型材料的微观结构，诸如晶体结构、折射率和吸收率等特性，以及材料的加工和处理方式等。
计算材料学有助于提高材料科学技术水平，更好地设计新型材料，从而满足现代社会对高性能材料的需求。
计算材料学的发展已成为当
今世界科学研究的热点，并受到社会的广泛关注。
随着计算机技术和数学模型的进步，计算材料学越来越受到重视，将会发挥更大的作用，开发更多先进性能的新型材料，有助于改善人类生活质量。
计算材料学
计算材料学计算材料学是近20年里发展起来的一门边缘学科. 它运用固体物理理论, 理论化学和计算机算法来研究材料里的一些实验研究有困难的课题. 它是材料研究里的"计算机实验". 本课程主要介绍计算材料学里的原子和纳米尺度模拟的一些常用方法, 如原子相互作用势、最小能量法、分子动力学、蒙特卡洛方法, 也简单介绍了电子－原子尺度的模拟方法、微观－介观尺度的模拟方法、介观－宏观尺度的模拟方法和跨尺度模拟方法. 本课程还采用材料研究中的实际例子来说明这些方法的运用.课程性质：学时：32对象：研究生教学用语：中文/英语先修课要求：高等数学, 大学物理, 量子与统计，固体物理教学内容1．绪论(2学时)1.1 计算材料学的发展概况1.2 计算材料学的范围与层次2．原子相互作用势(4学时)2.1 原子相互作用势的一般形式2.2经验性对势2.3 多体势2.4 壳模型2.5 键级势3．最小能量法(6学时)3.1 完整晶体结构模拟3.2 缺陷模拟3.3 自由能最小能量法3.4 表面结构模拟4．分子动力学方法(6学时) 4.1 原子系统的运动方程4.2 运动方程的积分4.3 边界条件4.4 分子动力学方法在材料科学中的应用5．蒙特卡洛方法(6学时) 5.1 随机数5.2 蒙特卡洛积分5.3 Metropolis蒙特卡洛方法5.4蒙特卡洛方法的误差5.5 蒙特卡洛方法在材料科学中的应用6．电子－原子尺度的模拟方法简介(3学时) 6.1 Hartree-Fock 方法6.2 分子轨道理论6.3 从头计算法6.4 紧束缚势方法6.5 局域电子密度泛函理论7．微观－介观尺度的模拟方法简介(3学时) 7.1 离散位错静力学和动力学7.2 Ginzburg-Landau相场动力学模型7.3 元胞自动机（CA）方法7.4 介观尺度动力学蒙特卡洛和波茨模型8．介观-宏观尺度的模拟方法简介(2学时)8.1 介观-宏观尺度上的有限元方法8.2 在宏观尺度上的有限差分方法8.3 多晶体弹性及塑性模型8.4 模型化与模拟的集成化教材：自编讲义参考书1．D. 罗伯编著《计算材料学》，化学工业出版社 2002年。
计算材料学在能源材料中的应用
计算材料学在能源材料中的应用随着能源危机的逐渐加剧，人们对于可再生能源的需求越来越高。
因此，研究开发新型能源材料成为了当前科学家们探索的重要方向。
传统的试验方法虽然能够获得材料的基本性质，但是由于试验过程的复杂性不同、时间成本以及受到尺寸和形态等限制，其仍存在局限性。
因此，计算材料学在材料科学领域中的应用已经开始受到重视。
本文将介绍计算材料学在能源材料中的应用，以及其对于材料科学探索和研究的推进作用。
一、计算材料学简介计算材料学是指通过计算机数值计算方法对材料物理、化学及机械性能等进行研究分析的一门学科。
计算材料学主要分为两类：基于第一性原理的计算和基于现象学的计算。
其中，基于第一性原理的计算是指从基本的量子力学原理出发，通过计算电子结构、晶格结构和原子结构等方面来研究材料的性质，这种计算的结果是准确的；而基于现象学的计算则是通过对材料宏观性质进行计算来推导出材料的微观性质，这种计算的缺陷在于无法全部考虑到量子力学效应。
计算材料学在实践中已经发挥了重要的作用。
由于材料的制备与性能之间常常存在复杂的关系，计算方法能够帮助人们在设计新材料时更好地了解材料的结构、稳定性和性能等方面，从而用更加有效的方式实现材料的制备、改进和优化。
二、计算材料学在能源领域中的应用在能源材料研究方面，计算材料学已经成为了一种有效而准确的材料计算方法。
计算方法的准确度和精度更高，能够快速获取研究对象的相关数据，为研究者提供了更好的材料设计方案和优化方案。
1、太阳能电池材料太阳能电池是一种以太阳能为能源的设备。
太阳能电池的中心部件是具有半导体性能的二极管，常见的硅太阳能电池利用的就是半导体的光伏效应来将太阳能转化为电能。
因此，太阳能电池材料的研究尤为重要。
利用计算材料学的方法，科学家们可以通过计算和模拟来得出各种太阳能电池材料的电子结构学和光学性质等信息，从而确定该材料是否具有高效、稳定和可行性等特点。
例如，通过计算结构、能带等信息，可以了解材料能否具有较高的电子传输速率；利用光学计算则可以得到材料对不同波长光的响应机制和吸收性质等特性。
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牛顿力学
V V0 at
S S 0 1 at 2 2
统计力学
Layer-Cell Modeler easily creates simulation of water-
benzene interface
Ru-Al 合金断裂过程动态模拟
C.S. Becquart , D. Kim, J.A, Rifkin, and P.C.Clapp, Mat. Sci. Engin., A170, 87(1993)
第二讲：计算材料学简介
材料设计在材料研究中的地位
美国国家科学研究委员会（1995）
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。
《材料科学的计算与理论技术》
美国若干专业委员会（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
Rod Anodes
1、应用微分方程型数学模型 有限元法 有限差分法 2、应用积分方程型数学模型 矩量法 边界元法 数值积分法
船舶海洋 行业中的 船体电位
模拟聚合物 驱油过程
油藏分布
化学驱油剂在 地层的的分布
注气开发
5、对接技术
对接技术就是用于连接各个层次的技术，即如何将较低 层次的计算结果用于较高层次的计算。
介观层次模拟方法应用实例——
初始构型
平衡构型
油滴在岩石表面运移模拟
介观尺度计算存在的困难
1、介观层次的长度标度在10 nm～10μm 之间，而边长为 10μm 的立方体将包含高达1015个原子， 对如此巨大的体系进行 模拟是难以想像的。
2、另一方面时间标度往往超过100 ns ，大大超过了目前MD所 能模拟的时间。
1、混合方法(hybrid QM/ MM method) 2、密度泛函与分子动力学模拟方法的结合 3、有限元与分子动力学模拟方法的结合 4、有限元与量子力学方法方法的结合
量子力学层次
计
对
算
统计力学层次
接
材
料
介观层次
技 术
学
宏观层次
结语
目前工业面临的巨大挑战是如何推出性能优越、功能齐备 的新产品新材料，推动社会经济的进步。为此必须寻求一种指 导开发新产品新材料的科学理论。因而在对于物质科学的认识 达到了前所未有高度的今天，如何理性地发现与合成物质并深 入地探讨分子结构与宏观材料和产品性质之间的关系已经成为 化学工程的重要研究课题。
具体问题 理论模型 数学模型 编制算法程序 上机计算 分析计算结果
3．算法程序阶段
计算方法的选取应以物理机理为背景，以能否正确反映微分 方程所描述的物理现象为依据。 实际上应包括逻辑设计和程序 编制两大部分，是一件十分细致和繁琐的工作，稍不留心就会出 错。应考虑到程序的易读性和通用性。
4．上机计算阶段
统计力学层次
量子力学层次
10-10m 10-9m
10-7m
10-3m
空间尺度
100m
1、量子力学层次
宏观物质由分子或原子构成，而分子由原子构成，原子是 一个相对稳定的分割单位，它又由原子核和电子组成。一般说 来， 物质的物理性质不涉及到原子内部的变化，而化学性质则 伴随着原子间电子的相互转移。
只有量子力学才能描述原子核与电子的运动规律，分子计 算科学最底层的层次就是量子力学层次，它也是其他更高层次 计算的基础。
由于多电子体系的薛定谔方程无法精确求解，目前已发展出多 种手段来近似求解。 这些方法可分为: 从头算分子轨道法( ab initio molecular orbital , MO) 电子密度泛函理论(electrical density functional theory) 半经验分子轨道法(semi-empirical MO) 3 大类.
④ 探索未知。通过计算机模拟能够发现一些新的现象， 从而深 化人类对自然界本质的认识，如硬球流体的一阶凝固相变、Ⅷ 型冰 的发现等。
2.2 计算材料学的工作流程
1、具体问题阶段
对具体问题进行分析研究时， 要抓住问题的主要矛盾和矛盾的主 要方面，进行各种必要的近似，建 立物理模型。
2、数学模型阶段
数学建模是利用数学语言模拟 物理模型。把物理模型抽象、简化 为某种数学结构是数学模型的基本 特征。
？
E D
C
A+B
2、统计力学层次
1、宏观化学现象是~1024个分子的集体行为，固有统计属性 2、量子力学方法的局限性：对象为平衡态、单分子或几个分子组 成的体系；不适用于动力学过程和有温度压力变化的体系。
(1) 分子动力学法 (MD，Molecular Dynamics) 基于粒子运动的经典轨迹
计算材料学是和化学、物理、材料工程密切相关的物质科 学的前沿之一，相信它会为这些相关学科注入新的活力。
2、问题本身就是一个随机过程，可根据问题本身的实际过程来进 行计算机模拟，并采用统计方法来求得问题的解。
问题本身是确定性问题
问题本身是一个随机过程
图3晶体生长过程中某些时刻的原子位置图 晶相逐渐向液相推移，液相原子最后找到自己的平衡位置，
结晶结束，全部液相转变为固相。
3、介观层次
由于大分子(包括聚合物和生物大分子) 以及某些相对稳定的 分子聚集体(如胶体) 的性质既不同于小分子也有别于连续的宏观 物质，而这类物质无论在自然界还是对于人类生产实践都具有特 别重要的意义， 通常将这一层次称为介观层次(mesoscale) ，即介 于原子分子层次和宏观层次之间。
上海应物所等研究揭示 锂离子嵌入碳纳米管束 的精细过程
研究人员首次观察到锂离子嵌入碳纳米管束过程及其在碳纳米管束 中扩散行为。特别是，发现嵌在三个碳纳米管之间锂离子受到强大的吸 引势后，很难离开该位置。因此，嵌入此类位置的锂离子，在冲电-放电 过程中很可能是不可逆的，这将会降低锂离子电池的能量储存能力。深 入研究显示，碳纳米管之间的距离对锂离子的嵌入稳定性起关键作用。 因此，该理论研究预言：合理的调控碳纳米管之间的距离可以有效地提 高冲电-放电过程中可逆的部分，提高充电或者放电效率，实现基于纳米 调控的高效能量储存装置。
包括程序调试和正式计算两步。考察程序正确性时一定要有 检验数据作对比，任何疏忽大意都意味着整个过程的失败。
5．结果分析阶段
首先要对计算出的结果的合理性和可信性作出判断，其次要 对结果作出物理解释。
2.3 计算材料学中的层次与方法
时间尺度 10-15s 10-12s 10-9s 100s 103s
宏观层次 介观层次
产生数据
实验
推测理论 验证理论
模拟真实过程 建议实验
计算
建议理论 大规模计算
建议实验 解释实验
理论
提供方程 解释计算结果
计算材料学与理论和实验的关系
1、三者之间相互联系，相互依赖，相辅相成。 2、计算机模拟对理论而言，它可以为理论研究提供计算数 据及进行复杂的数值解的方法和手段，还可以用来比较各种近似 理论，从而验证理论的正确性。 3、计算机模拟对实验而言，它解决了对实验数据的分析， 可以模拟实验过程，还可以把模型和实验进行比较，从而评估一 个模型是否正确。 4、以上双重作用使得计算机模拟方法既是模型与理论的桥 梁，也是模型与实验的桥梁，因此常常称其为“计算机实验”。
用珠子表示多个原子或分子的集合体，以珠子作为模拟的最小单元
介观层次计算所涉及的内容多种多样， 如聚合物性质与 其结构的关系、胶体的凝聚和老化、高分子的自组装和蛋白 质折叠等， 共同点是其复杂性。
DNA polymerase
Antibodies
Collagen
Muscle protein enzyme
Monte Carlo方法
Monte Carlo 原为地中海沿岸Monaco(摩纳哥)的一个城市的地 名, 是世界闻名的大赌场，Monte Carlo方法的随机抽样特征在它 的命名上得到了反映。
Monte Carlo方法解决的问题： 1、问题本身是确定性问题，要求我们去寻找一个随机过程，使该
随机过程的统计平均是所求问题的解；
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。
《90年代的材料科学与工程》
中国国家自然科学基金委员会
https:///portal/proj_search.asp
973重大基础研究计划 863高技术研究计划 自然科学基金重大基础研究
介观层次模拟方法应用实例—— SDS、C16E5在水溶液中自聚集模拟
图3-6 不同浓度SDS在水溶液中的聚集形态变化 (a)SDS:Water=10:90,(b) SDS:Water=25:75 (d) SDS:Water=32:68 (d) SDS:Water=60:40
图3-7 不同浓度C16E5在水溶液中的聚集形态变化 (a) C16E5:Water=12:88,(b) C16E5:Water=15:85,(c) C16E5:Water=35:65 (d) C16E5:Water=65:35
计算机模拟的重要性:
① 检验理论。 如前所述某些简单体系能够用统计力学理论方法 求解， 为了衡量该理论准确与否， 需要将同一体系的分子模拟结 果作为其检验标准。
② 预测物性。有些苛刻的条件目前的实验技术难以达到，而有些 性质无法通过实验测定，此时分子模拟却可大显身手。
③ 材料设计。借助计算机模拟能系统地研究微观作用对宏观性 质的影响， 从而能更理性地设计新物质，有效地降低开发成本。
材料微观结构设计与性能预测研究专题
2.1 计算材料学与理论和实验的关系
计算材料学的定义：
计算材料学是以计算机及计算机技术为工具和 手段，运用计算数学的方法，从微观层次来解决复 杂材料问题的一门应用科学。计算材料学为复杂体 系规律、性质的研究提供了重要手段，对材料学的 发展起到了巨大的推动作用。