计算材料学之材料设计计算及模拟
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8
科学计算的可行性
计算机软、硬件条件的飞速发展为科学计算提供了有 力保证。
量子力学，量子化学等基础理论的发展为科学计算奠 定了理论基础。
9
CPU的速度增加:Moore定律
Moore定律：计算机CPU 的速度每1.5年增加一倍。 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
Conformat. transitions ? 10-11 s
Longest relaxation time ?10-3 s
Phase/ microphase separation ? 1s
Physical ageing
(Τ < Τg-20οC)
22 ? 1 yr
材料设计的层次
23
典型模拟方法
集成电路,第四代
10
? 多核技术 ? 集群技术
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。
——美国国家科学研究委员会（1995）
12
计算材料学的概念
——L. Pauling （1960）
6
7
科学计算的重要性
“科学计算已经是继理论科学、实验科学之后，人类认识 与征服自然的第三种科学方法。” “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。”
——《90年代的材料科学与工程》
Statistical (Kuhn) segment length b ~ 1 nm
Chain radius of gyration ~ 10 nm
Domain size in phase-separated material ~ 1 ?m
Melt Glassy state
Bond vibrations ? 10-14 s
?计算材料学是沟通理论与实验、宏观与微观的桥梁 。
13
计算机模拟与材料研究四面 体
使用性能
计算机
合成/加工
模拟
性能
组织结构/成分
14
计算材料学的定义
计算材料学 （Computational materials science ）是结合凝聚态物理、材料物理学、理论化学、 材料力学、工程力学和计算机算法等相关学科， 利用现代高速计算机，模拟材料的各种物理化学 性质，深入理解材料从微观到宏观多个尺度的各 种现象与特征，对材料的结构和物理化学性能进 行理论预测，从而达到设计新材料的目的。
子结构的问题。 ? 1964-1965 密度泛函理论（DFT）和Kohn-Sham方法 ? 1998 Kohn和Pople获得Nobel化学奖
4
‘… all the mathematics to solve the whole of chemistry is known, but the equations are too difficult to solve …' —— P.A.M. Dirac (1930)
磁性系统
热力学系统
热力学系统
晶格缺陷与动力学特征
24
晶格缺陷与动力学特征
空间尺度 /m
模拟方法
典型应用
10-10-100 元胞自动机
再结晶、生长、相变、流体
10-7-10-2 弹簧模型
断裂力学
10-7-10-2
顶点模型、拓扑网络模型、 晶界动力学
成核、结晶、疲劳
10-7-10-2
几何模型、拓扑模型、组 分模型
空间尺度 /m
模拟方法
10-10-106
Metropolis MC
10-10-106
集团变分法
10-10-106
IBiblioteka Baiduing模型
10-10-10- Bragg-Williams-
6
Gorsky 模型
10-10-106
分子场近似
10-10-106
分子动力学
10-12-108
从头计算分子动力学
典型应用
热力学、扩散及有序化系 统 热力学系统
17
主要内容
? 计算材料学的起源 ? 计算材料学的方法 ? 计算材料学的应用
18
材料研究中的尺度（时间和 空间）
?空间尺度
?纳观 原子层次 ?微观 小于晶粒尺寸 ?介观 晶粒尺寸大小 ?宏观 宏观试样尺寸
?时间尺度
?原子振动频率 ?宏观时间尺度
19
空间尺度
20
21
聚合物中的空间和时间尺度
Bond lengths, atomic radii ~ 0.1 nm
计算材料学概述
第四章 材料设计、计算及模拟
1
主要内容
?计算材料学的起源 ?计算材料学的方法 ?计算材料学的应用
2
主要内容
?计算材料学的起源 ?计算材料学的方法 ?计算材料学的应用
3
计算材料学的起源
? 1913 Niels Bohr 建立了原子的量子模型。 ? 1920s~1930s 量子力学的建立和发展。 ? 1928 F. Bloch 将量子理论运用于固体。 ? 1927 原子电子结构的Thomas-Fermi理论。 ? 1928-1930 Hatree-Fock方法建立，采用平均场近似求解电
“……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 …… ”
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。
15
计算材料学的内涵
? 通过模型化与计算实现对材料制备、加工、结构、性能 和服役表现等参量或过程的定量描述；
? 理解材料结构与性能和功能之间的关系； ? 设计新材料； ? 缩短材料研制周围； ? 降低材料制造过程成本。
16
计算模拟的作用
? 可以归纳为三个方面： （1）计算机模拟是基础研究和工程应用的桥梁 。 （2）计算机模拟指出了未来材料科学发展的方 向。 （3）计算机模拟能够揭示材料科学和工程的不 同方面。
结晶、生长、织构、凝固
10-9-10-4 位错动力学
塑性、微结构、位错分布
10-9-10-5
动力学金兹堡 -朗道型相场 模型
科学计算的可行性
计算机软、硬件条件的飞速发展为科学计算提供了有 力保证。
量子力学，量子化学等基础理论的发展为科学计算奠 定了理论基础。
9
CPU的速度增加:Moore定律
Moore定律：计算机CPU 的速度每1.5年增加一倍。 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
Conformat. transitions ? 10-11 s
Longest relaxation time ?10-3 s
Phase/ microphase separation ? 1s
Physical ageing
(Τ < Τg-20οC)
22 ? 1 yr
材料设计的层次
23
典型模拟方法
集成电路,第四代
10
? 多核技术 ? 集群技术
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。
——美国国家科学研究委员会（1995）
12
计算材料学的概念
——L. Pauling （1960）
6
7
科学计算的重要性
“科学计算已经是继理论科学、实验科学之后，人类认识 与征服自然的第三种科学方法。” “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。”
——《90年代的材料科学与工程》
Statistical (Kuhn) segment length b ~ 1 nm
Chain radius of gyration ~ 10 nm
Domain size in phase-separated material ~ 1 ?m
Melt Glassy state
Bond vibrations ? 10-14 s
?计算材料学是沟通理论与实验、宏观与微观的桥梁 。
13
计算机模拟与材料研究四面 体
使用性能
计算机
合成/加工
模拟
性能
组织结构/成分
14
计算材料学的定义
计算材料学 （Computational materials science ）是结合凝聚态物理、材料物理学、理论化学、 材料力学、工程力学和计算机算法等相关学科， 利用现代高速计算机，模拟材料的各种物理化学 性质，深入理解材料从微观到宏观多个尺度的各 种现象与特征，对材料的结构和物理化学性能进 行理论预测，从而达到设计新材料的目的。
子结构的问题。 ? 1964-1965 密度泛函理论（DFT）和Kohn-Sham方法 ? 1998 Kohn和Pople获得Nobel化学奖
4
‘… all the mathematics to solve the whole of chemistry is known, but the equations are too difficult to solve …' —— P.A.M. Dirac (1930)
磁性系统
热力学系统
热力学系统
晶格缺陷与动力学特征
24
晶格缺陷与动力学特征
空间尺度 /m
模拟方法
典型应用
10-10-100 元胞自动机
再结晶、生长、相变、流体
10-7-10-2 弹簧模型
断裂力学
10-7-10-2
顶点模型、拓扑网络模型、 晶界动力学
成核、结晶、疲劳
10-7-10-2
几何模型、拓扑模型、组 分模型
空间尺度 /m
模拟方法
10-10-106
Metropolis MC
10-10-106
集团变分法
10-10-106
IBiblioteka Baiduing模型
10-10-10- Bragg-Williams-
6
Gorsky 模型
10-10-106
分子场近似
10-10-106
分子动力学
10-12-108
从头计算分子动力学
典型应用
热力学、扩散及有序化系 统 热力学系统
17
主要内容
? 计算材料学的起源 ? 计算材料学的方法 ? 计算材料学的应用
18
材料研究中的尺度（时间和 空间）
?空间尺度
?纳观 原子层次 ?微观 小于晶粒尺寸 ?介观 晶粒尺寸大小 ?宏观 宏观试样尺寸
?时间尺度
?原子振动频率 ?宏观时间尺度
19
空间尺度
20
21
聚合物中的空间和时间尺度
Bond lengths, atomic radii ~ 0.1 nm
计算材料学概述
第四章 材料设计、计算及模拟
1
主要内容
?计算材料学的起源 ?计算材料学的方法 ?计算材料学的应用
2
主要内容
?计算材料学的起源 ?计算材料学的方法 ?计算材料学的应用
3
计算材料学的起源
? 1913 Niels Bohr 建立了原子的量子模型。 ? 1920s~1930s 量子力学的建立和发展。 ? 1928 F. Bloch 将量子理论运用于固体。 ? 1927 原子电子结构的Thomas-Fermi理论。 ? 1928-1930 Hatree-Fock方法建立，采用平均场近似求解电
“……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 …… ”
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。
15
计算材料学的内涵
? 通过模型化与计算实现对材料制备、加工、结构、性能 和服役表现等参量或过程的定量描述；
? 理解材料结构与性能和功能之间的关系； ? 设计新材料； ? 缩短材料研制周围； ? 降低材料制造过程成本。
16
计算模拟的作用
? 可以归纳为三个方面： （1）计算机模拟是基础研究和工程应用的桥梁 。 （2）计算机模拟指出了未来材料科学发展的方 向。 （3）计算机模拟能够揭示材料科学和工程的不 同方面。
结晶、生长、织构、凝固
10-9-10-4 位错动力学
塑性、微结构、位错分布
10-9-10-5
动力学金兹堡 -朗道型相场 模型