计算机在材料科学与工程中的应用
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14
计算机模拟是一种根据实际体系在计算机上 进行的模拟实验。
通过将模拟结果与实际体系的实验数据进行 比较, 可以检验模型的准确性, 也可以检验出模 型导出的解析理论所作的简化近似是否成功,还可 为现实模型和实验室中无法实现的探索模型做详 细的预测并提供方法。
材料加工技术的发展主要体现在控制技术 的飞速发展, 微机和可编程控制器在材料加工 过程中的应用正体现了这种发展和趋势。在材 料加工过程中利用计算机技术不仅能减轻劳动 强度, 更能改善产品的质量和精度, 提高产量。
8
MSE特点：
多学科交叉的新兴科学。它与许多基础学 科有着不可分割的联系，如固体物理学、 电子学、光学、声学、量子化学、数学与 计算机等。
一门发展不成熟的学科，它的研究很大程 度依赖于实验和经验的积累，系统的研究 材料还有一个很长的过程。
9
计算机硬件条件的飞速发展为计算机在材料科学中的广泛应用提供了 有力保证。
返回
数学模型建立是一种具有创新性的科学方 法,它将现实问题简化, 抽象为一个数学问题 或数学模型, 再采用适当的数学方法求解, 进 而对现实问题进行定量的分析和研究, 最终达 到解决实际问题的目的。
7、材料科学中计算机的应用-----乔宁（中国纺织出版社,2007） 8、计算机在材料科学与工程中的应用—张朝晖（中南大学出版社,2008）
2
目录
第一章 计算机在材料与工程中的应用概述 第二章 材料科学与工程中数据的计算机处理（原理、方法以及计算 机的实现） 第三章 材料数据库及专家系统 第四章 人工神经网络 第五章 材料研究中的数学模型及分析方法 第六章 电子显微技术在材料科学中的应用
5
金属材料
材
无机非金属材料 有机高分子材料
料
复合材料
的
结构材料 功能材料
分
建筑材料
类
能源材料
电子材料
耐火材料
医用材料
耐火材料
6
1.1.2 MSE研究内容
研究材料组成、结构、性能、制备工艺和使用性能 以及它们之间相互关系的科学。（Next page）
美国国家研究院材料科学与工程委员会 《90年代的材料科学与工程：在材料时代保持竞争力》
13
材料设计一般可分为三个层次（按照设计对象和 所涉及的空间尺寸可分）：微观设计层次，尺度约1nm 数量级，是电子、原子、分子层次的设计；介观设计 层次，尺度约为1µm数量级，材料被看作是连续介质、 是组织结构层次的设计；宏观设计层次。尺度对应于 宏观材料，涉及大块材料的成分、组织、性能和应用 的设计研究，是工程应用层次的设计。不同的结构层 次有不同理论和方法，不同层次之间常常相互交叉、 不同层次的目的、任务及应用也不尽相同。
Moore’s Law (1965)： 计算机的CPU速度 每24个月增加一倍。
18 wk.baidu.com1975)
图中电脑处理器中晶体管数目的增长曲线符 合摩尔定律
10
计算机在MSE的应用非常广泛: 材料科学是研究材料的组成与结构、
合成与制备、性能与应用以及它们之间相 互关系的一门科学,在所有的这些方面,计 算机都发挥了非常重要的作用。
3
本课程是一门专业基础课。 课程教学所要达到的目的：
了解计算机技术及网络技术在材料科学研究中的应用； 初步掌握在材料科学研究领域中更好地应用计算机的思路、方 法和原理； 初步将计算机用于后续专业课程学习和专业设计中去。
4
第1章 计算机在材料科学与工程中应用概述
1.1.1 材料的作用与分类
材料科学与工程领域存在 四个要素（性质与现象、使用性能、结构与成分、合成
与加工） 两个关键（仪器设备和分析建模）
7
四个要素
Performance 使用性能
Composition &
Processing 成分与工艺
Properties 材料性能.
Structure 组织结构
Source: Materials Science and Engineering for the 1990s, NRC, 1989
材料是用 以制造有 用物件的 物质
材料是人类社会 发展的里程碑， 是人类生产和生 活水平提高的物 质基础，是现代 文明进步的重要 标志和发展高新 技术的基础和先 导。
石器时代
铜器时代
铁器时代
当代文明三大支柱（20世纪60年 代说法）：材料、能源和信息
新技术革命主要标志（ 20世纪 70年代说法）：新材料、信息技 术和生物技术
11
材料设计主要是利用人工智能、模式识别、 计算机模拟、知识库和数据库等技术, 使人们 能将物理、化学理论和大批杂乱的实验资料沟 通起来, 用归纳和演绎相结合的方式对新材料 的研制作出决策, 为材料设计的实施提供行之 有效的技术和方法。
材料设计是指通过理论分析与计算预报新材料 的组分、结构与性能，或者是通过理论设计来“订 做”具有特定性能的新材料，按生产要求“设计” 最佳的制备和加工方法。20世纪50年代开始；80年 代实现这一目标的条件趋于成熟；计算机技术是保 障、条件。
在材料的制备中, 可以对过程进行精确的 控制,例如材料表面处理热处理中的炉温控制 等。计算机技术和微电子技术、自动控制技术 相结合, 使工艺设备、检测手段的准确性和精 确度等大大提高。
材料科学研究在实验中可以获得大量的实 验数据, 借助计算机的存储设备, 可以大量保 存数据, 并对这些数据进行处理计算、绘图, 拟合分析和快速查询等。利用计算机的图像处 理和分析功能就可以研究材料的结构, 从图像 中获取有用的结构信息, 如晶体的大小, 分布, 聚集方式等, 并将这些信息和材料性能建立相 应的联系, 用来指导结构的研究。
1
主要参考资料
1、计算机在材料科学与工程中的应用---杨明波 胡红军 唐丽文（化学工 业出版社,2008） 2、计算机在材料工程中的应用---汤爱涛 (重庆大学出版社,2008) 3、计算机在材料科学与工程中的应用--- 曾令可(武汉理工大学出版社,2004) 4、计算机在材料科学中的应用-----许鑫华（机械工业出版社,2003） 5、计算机在材料科学与工程中的应用-----刘兴江（东北大学出版社,2007 ） 6、计算机在材料科学中的应用-----李琼（电子科技出版社,2007）
计算机模拟是一种根据实际体系在计算机上 进行的模拟实验。
通过将模拟结果与实际体系的实验数据进行 比较, 可以检验模型的准确性, 也可以检验出模 型导出的解析理论所作的简化近似是否成功,还可 为现实模型和实验室中无法实现的探索模型做详 细的预测并提供方法。
材料加工技术的发展主要体现在控制技术 的飞速发展, 微机和可编程控制器在材料加工 过程中的应用正体现了这种发展和趋势。在材 料加工过程中利用计算机技术不仅能减轻劳动 强度, 更能改善产品的质量和精度, 提高产量。
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MSE特点：
多学科交叉的新兴科学。它与许多基础学 科有着不可分割的联系，如固体物理学、 电子学、光学、声学、量子化学、数学与 计算机等。
一门发展不成熟的学科，它的研究很大程 度依赖于实验和经验的积累，系统的研究 材料还有一个很长的过程。
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计算机硬件条件的飞速发展为计算机在材料科学中的广泛应用提供了 有力保证。
返回
数学模型建立是一种具有创新性的科学方 法,它将现实问题简化, 抽象为一个数学问题 或数学模型, 再采用适当的数学方法求解, 进 而对现实问题进行定量的分析和研究, 最终达 到解决实际问题的目的。
7、材料科学中计算机的应用-----乔宁（中国纺织出版社,2007） 8、计算机在材料科学与工程中的应用—张朝晖（中南大学出版社,2008）
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第一章 计算机在材料与工程中的应用概述 第二章 材料科学与工程中数据的计算机处理（原理、方法以及计算 机的实现） 第三章 材料数据库及专家系统 第四章 人工神经网络 第五章 材料研究中的数学模型及分析方法 第六章 电子显微技术在材料科学中的应用
5
金属材料
材
无机非金属材料 有机高分子材料
料
复合材料
的
结构材料 功能材料
分
建筑材料
类
能源材料
电子材料
耐火材料
医用材料
耐火材料
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1.1.2 MSE研究内容
研究材料组成、结构、性能、制备工艺和使用性能 以及它们之间相互关系的科学。（Next page）
美国国家研究院材料科学与工程委员会 《90年代的材料科学与工程：在材料时代保持竞争力》
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材料设计一般可分为三个层次（按照设计对象和 所涉及的空间尺寸可分）：微观设计层次，尺度约1nm 数量级，是电子、原子、分子层次的设计；介观设计 层次，尺度约为1µm数量级，材料被看作是连续介质、 是组织结构层次的设计；宏观设计层次。尺度对应于 宏观材料，涉及大块材料的成分、组织、性能和应用 的设计研究，是工程应用层次的设计。不同的结构层 次有不同理论和方法，不同层次之间常常相互交叉、 不同层次的目的、任务及应用也不尽相同。
Moore’s Law (1965)： 计算机的CPU速度 每24个月增加一倍。
18 wk.baidu.com1975)
图中电脑处理器中晶体管数目的增长曲线符 合摩尔定律
10
计算机在MSE的应用非常广泛: 材料科学是研究材料的组成与结构、
合成与制备、性能与应用以及它们之间相 互关系的一门科学,在所有的这些方面,计 算机都发挥了非常重要的作用。
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本课程是一门专业基础课。 课程教学所要达到的目的：
了解计算机技术及网络技术在材料科学研究中的应用； 初步掌握在材料科学研究领域中更好地应用计算机的思路、方 法和原理； 初步将计算机用于后续专业课程学习和专业设计中去。
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第1章 计算机在材料科学与工程中应用概述
1.1.1 材料的作用与分类
材料科学与工程领域存在 四个要素（性质与现象、使用性能、结构与成分、合成
与加工） 两个关键（仪器设备和分析建模）
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四个要素
Performance 使用性能
Composition &
Processing 成分与工艺
Properties 材料性能.
Structure 组织结构
Source: Materials Science and Engineering for the 1990s, NRC, 1989
材料是用 以制造有 用物件的 物质
材料是人类社会 发展的里程碑， 是人类生产和生 活水平提高的物 质基础，是现代 文明进步的重要 标志和发展高新 技术的基础和先 导。
石器时代
铜器时代
铁器时代
当代文明三大支柱（20世纪60年 代说法）：材料、能源和信息
新技术革命主要标志（ 20世纪 70年代说法）：新材料、信息技 术和生物技术
11
材料设计主要是利用人工智能、模式识别、 计算机模拟、知识库和数据库等技术, 使人们 能将物理、化学理论和大批杂乱的实验资料沟 通起来, 用归纳和演绎相结合的方式对新材料 的研制作出决策, 为材料设计的实施提供行之 有效的技术和方法。
材料设计是指通过理论分析与计算预报新材料 的组分、结构与性能，或者是通过理论设计来“订 做”具有特定性能的新材料，按生产要求“设计” 最佳的制备和加工方法。20世纪50年代开始；80年 代实现这一目标的条件趋于成熟；计算机技术是保 障、条件。
在材料的制备中, 可以对过程进行精确的 控制,例如材料表面处理热处理中的炉温控制 等。计算机技术和微电子技术、自动控制技术 相结合, 使工艺设备、检测手段的准确性和精 确度等大大提高。
材料科学研究在实验中可以获得大量的实 验数据, 借助计算机的存储设备, 可以大量保 存数据, 并对这些数据进行处理计算、绘图, 拟合分析和快速查询等。利用计算机的图像处 理和分析功能就可以研究材料的结构, 从图像 中获取有用的结构信息, 如晶体的大小, 分布, 聚集方式等, 并将这些信息和材料性能建立相 应的联系, 用来指导结构的研究。
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主要参考资料
1、计算机在材料科学与工程中的应用---杨明波 胡红军 唐丽文（化学工 业出版社,2008） 2、计算机在材料工程中的应用---汤爱涛 (重庆大学出版社,2008) 3、计算机在材料科学与工程中的应用--- 曾令可(武汉理工大学出版社,2004) 4、计算机在材料科学中的应用-----许鑫华（机械工业出版社,2003） 5、计算机在材料科学与工程中的应用-----刘兴江（东北大学出版社,2007 ） 6、计算机在材料科学中的应用-----李琼（电子科技出版社,2007）