计算机在材料科学中的应用1PPT课件
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16
第一章 材料科学研究中的数学模型
第一节 数学模型基础
1、基本概念 2、数学模型的分类 3、数学模型的作用
-
17
基本概念
(1)模型：模型是对实体的特征及其变化规律的一种表示或抽象
-
6
材料的研究内容
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
材料的性质
（A）材料的性质：材料对声、光、电、磁、热、机械 载荷等刺激的反应，主要取决于材料的组成与结构。
（B）使用性能：材料在使用状态下表现出来的行为。
材料的合成与制备
（A）传统方法：冶炼、制粉、压力加工和焊接等
（B）新发展的方法：真空溅射、气相沉积等
厦门大学：刘兴军 教授（材料科学与工程系） [材料设计系统的开发，金属材料与复合材料]
中国科学院沈阳金属所：周延春（高性能陶瓷 材料研究部 ）[新型高温陶瓷及复合材料的 多层次结构设计和制备科学]
-
11
材料科学研究中的计算机模拟 ：
(A)定义：利用计算机对真实的系统进行模拟“实验”、提 供、指导新材料研究，是材料设计的有效方法之一。
(d)宏观层次 (如铸造、焊接、锻造和化学气相沉积)
0.1～lnm，l～l0nm，～lμm以及lμm以上的尺度。
-
13
材料工艺过程的优化及自动控制
(A)主要设备：微型计算机、可编程控制器
(a)减轻劳动强度 (B)优点 (b)改善产品质量和精度
(c)提高产量
各种自动化生产线；气体渗碳、渗氮控制 ；烧结炉、 陶瓷窑炉等
-
9
计算机用于新材料的设计 ： (A)材料设计的提出与发展 提出期：20世纪50年代 成熟期：20世纪80年代
（B）分类 标准：设计对象和所 涉及的空间尺寸
(a)电子层次 (b)原子/分子层次 (c)显微结构层次
微观结构设计
(a)基础理论的完善和发展:物理、化学、固体理论等 （C）微观结构 (b)计算机信息处理技术的建立和发展：知识和数据库等
计算机在材料科学中的 应用
-
1
一、绪论 二、数学模型基础
-
2
绪论 1、计算机应用于材料科学研究中的必要性？ 2、计算机在材料科学研究中的应用领域有那些？
-
3
必要性：
（1）材料的总体了解 （2）材料的分类方法 （3）材料的发展历程 （4）材料的研究内容 （5）材料的性质 （6）材料的合成与制备 （7）计算机的特点
(C)水平：
简单顺序控制⇒数学模型在线控制和统计过程控制
分散的个别设备的控制⇒计算机综合管理与控制
控制水平提高，可靠性得到充- 分保证
14
计算机用于数据和图像处理
(A)数据（原始资料）：存储、计算、绘图、拟合及 快速查询
(B)图像（二维照片）：Origin、Photoshop等
-
15
计算机网络在材料研究中的应用
设计的基础 (c)先进的材料生产和制备技术的发展：急冷、离子注入等
（D）趋势：国际上的材料数据库正朝着智能化和网络化的方向发
展
-
10
几位材料设计专家：
北京科技大学： 刘国权 教授（材料优化与设 计研究室）[材料及其工艺的优化设计，计算 材料学，材料模拟仿真等]
清华大学：段文晖 教授（凝聚态物理研究所） [功能陶瓷的计算设计]
能够按照使用要求对材料性能进行设计创造
-
5
材料的分类方法
（A）根据组成与结构：金属、无机非金属、有
机高分子、复合材料 （B）根据性能特征和作用：结构材料、功能材料 （C）根据用途：建筑材料、能源材料、电子材料、
耐火材料、医用材料和耐蚀材料等
材料的发展历程
简单⇒复杂，以经验为主⇒以科学知识为主 独立学科：材料科学与工程学科
-
4
总体了解
（A）地位重要
20世纪60年代：材料、能源与信息 当代文明的 三大支柱 20世纪70年代：新型材料、信息技术和生物技术 新技术
革命的主要标志 目前：新材料不仅是当今世界高新技术的核心支柱，也是
产业进步的重要推动力
（B）研究时间长
转折点：19世纪
（C）目前的研究状况
人们已逐渐掌握了材料的组成、结构和性能之间的内在关系，
如:
各种卡通形象
(2)数学模型：是利用数学语言对某种事物系统的特征和数量关系 建立起来的符号系统
如: x=y2
(a)广义理解：凡是以相应的客观原型 (即实体)作为
背景加以一级抽象或多级抽象的数学概念、
(3)分类：
数学式子、数学理论等都叫做数学模型。
(b)固态化学研究软件 (Software Solid State Chemistry Research) (E)常见计算 (c)模拟无机材料的结构和性能的软件 (Simulating the 机模拟软件 Structures & Properties of Inorganic Materials)
(B)对象：研制到使用的全过程 合成、结构、性能、制备 和使用等
(C)特点：快、省 (D)作用： (a)检验模型的准确性
(b)获得比在实际体系上所做的实验更为详细的微 观信息 (c)某些情况下，计算机模拟可以部分地代替实验 (d)对于理论的发展也有重要的意义
-
12
(a)电子、光学和磁性材料的模拟软件 (Software Electron, Optical and Magnetic Materials Simulation，简称EOM)
(d)聚合物体系的性能预测和分析软件 (Property Prediction &
Analysis of Polymer Systems)
(a)电子层次 (如电子结构)
(F)计算机模拟 (b)原子/分子层次 (如结构、力学性能、热力学和动力学性能)
的层次划分
(c)微观结构层次 (如晶粒生长、烧结、位错、极化和织构等)
微观水平⇒宏观产品，制备高纯度单一元素⇒多种材料复合
各种化学的、物理的、机械加工- 的方法均应综合应用
7
计算机的功能与特点：
定位：现代工具
计算 数据及图像处理 文件传输 文献检索 资料保存 办公平台 交流信息
己渗透到各门学科领域以及日常生活中成为现 代化的标志。
-
8
应用领域
（1）计算机用于新材料的设计 （2）材料科学研究中的计算机模拟 （3）材料工艺过程的优化及自动控制 （4）计算机用于数据和图像处理 （5）计算机网络在材料研究中的应用
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第一章 材料科学研究中的数学模型
第一节 数学模型基础
1、基本概念 2、数学模型的分类 3、数学模型的作用
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基本概念
(1)模型：模型是对实体的特征及其变化规律的一种表示或抽象
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6
材料的研究内容
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
材料的性质
（A）材料的性质：材料对声、光、电、磁、热、机械 载荷等刺激的反应，主要取决于材料的组成与结构。
（B）使用性能：材料在使用状态下表现出来的行为。
材料的合成与制备
（A）传统方法：冶炼、制粉、压力加工和焊接等
（B）新发展的方法：真空溅射、气相沉积等
厦门大学：刘兴军 教授（材料科学与工程系） [材料设计系统的开发，金属材料与复合材料]
中国科学院沈阳金属所：周延春（高性能陶瓷 材料研究部 ）[新型高温陶瓷及复合材料的 多层次结构设计和制备科学]
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材料科学研究中的计算机模拟 ：
(A)定义：利用计算机对真实的系统进行模拟“实验”、提 供、指导新材料研究，是材料设计的有效方法之一。
(d)宏观层次 (如铸造、焊接、锻造和化学气相沉积)
0.1～lnm，l～l0nm，～lμm以及lμm以上的尺度。
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材料工艺过程的优化及自动控制
(A)主要设备：微型计算机、可编程控制器
(a)减轻劳动强度 (B)优点 (b)改善产品质量和精度
(c)提高产量
各种自动化生产线；气体渗碳、渗氮控制 ；烧结炉、 陶瓷窑炉等
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计算机用于新材料的设计 ： (A)材料设计的提出与发展 提出期：20世纪50年代 成熟期：20世纪80年代
（B）分类 标准：设计对象和所 涉及的空间尺寸
(a)电子层次 (b)原子/分子层次 (c)显微结构层次
微观结构设计
(a)基础理论的完善和发展:物理、化学、固体理论等 （C）微观结构 (b)计算机信息处理技术的建立和发展：知识和数据库等
计算机在材料科学中的 应用
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一、绪论 二、数学模型基础
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绪论 1、计算机应用于材料科学研究中的必要性？ 2、计算机在材料科学研究中的应用领域有那些？
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必要性：
（1）材料的总体了解 （2）材料的分类方法 （3）材料的发展历程 （4）材料的研究内容 （5）材料的性质 （6）材料的合成与制备 （7）计算机的特点
(C)水平：
简单顺序控制⇒数学模型在线控制和统计过程控制
分散的个别设备的控制⇒计算机综合管理与控制
控制水平提高，可靠性得到充- 分保证
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计算机用于数据和图像处理
(A)数据（原始资料）：存储、计算、绘图、拟合及 快速查询
(B)图像（二维照片）：Origin、Photoshop等
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计算机网络在材料研究中的应用
设计的基础 (c)先进的材料生产和制备技术的发展：急冷、离子注入等
（D）趋势：国际上的材料数据库正朝着智能化和网络化的方向发
展
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几位材料设计专家：
北京科技大学： 刘国权 教授（材料优化与设 计研究室）[材料及其工艺的优化设计，计算 材料学，材料模拟仿真等]
清华大学：段文晖 教授（凝聚态物理研究所） [功能陶瓷的计算设计]
能够按照使用要求对材料性能进行设计创造
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材料的分类方法
（A）根据组成与结构：金属、无机非金属、有
机高分子、复合材料 （B）根据性能特征和作用：结构材料、功能材料 （C）根据用途：建筑材料、能源材料、电子材料、
耐火材料、医用材料和耐蚀材料等
材料的发展历程
简单⇒复杂，以经验为主⇒以科学知识为主 独立学科：材料科学与工程学科
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总体了解
（A）地位重要
20世纪60年代：材料、能源与信息 当代文明的 三大支柱 20世纪70年代：新型材料、信息技术和生物技术 新技术
革命的主要标志 目前：新材料不仅是当今世界高新技术的核心支柱，也是
产业进步的重要推动力
（B）研究时间长
转折点：19世纪
（C）目前的研究状况
人们已逐渐掌握了材料的组成、结构和性能之间的内在关系，
如:
各种卡通形象
(2)数学模型：是利用数学语言对某种事物系统的特征和数量关系 建立起来的符号系统
如: x=y2
(a)广义理解：凡是以相应的客观原型 (即实体)作为
背景加以一级抽象或多级抽象的数学概念、
(3)分类：
数学式子、数学理论等都叫做数学模型。
(b)固态化学研究软件 (Software Solid State Chemistry Research) (E)常见计算 (c)模拟无机材料的结构和性能的软件 (Simulating the 机模拟软件 Structures & Properties of Inorganic Materials)
(B)对象：研制到使用的全过程 合成、结构、性能、制备 和使用等
(C)特点：快、省 (D)作用： (a)检验模型的准确性
(b)获得比在实际体系上所做的实验更为详细的微 观信息 (c)某些情况下，计算机模拟可以部分地代替实验 (d)对于理论的发展也有重要的意义
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(a)电子、光学和磁性材料的模拟软件 (Software Electron, Optical and Magnetic Materials Simulation，简称EOM)
(d)聚合物体系的性能预测和分析软件 (Property Prediction &
Analysis of Polymer Systems)
(a)电子层次 (如电子结构)
(F)计算机模拟 (b)原子/分子层次 (如结构、力学性能、热力学和动力学性能)
的层次划分
(c)微观结构层次 (如晶粒生长、烧结、位错、极化和织构等)
微观水平⇒宏观产品，制备高纯度单一元素⇒多种材料复合
各种化学的、物理的、机械加工- 的方法均应综合应用
7
计算机的功能与特点：
定位：现代工具
计算 数据及图像处理 文件传输 文献检索 资料保存 办公平台 交流信息
己渗透到各门学科领域以及日常生活中成为现 代化的标志。
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应用领域
（1）计算机用于新材料的设计 （2）材料科学研究中的计算机模拟 （3）材料工艺过程的优化及自动控制 （4）计算机用于数据和图像处理 （5）计算机网络在材料研究中的应用