计算材料学 之 材料设计、计算及模拟

——L. Pauling （1960）
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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。”
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。
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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。
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
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空间尺度
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聚合物中的空间和时间尺度
Bond lengths, atomic radii ~ 0.1 nm
Statistical (Kuhn)
——《90年代的材料科学与工程》
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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。
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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
segment length b
~ 1 nm
Melt
Chain radius of gyration ~ 10 nm
Domain size in phase-separated material ~ 1 m
Glassy state
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Bond vibrations 10-14 s
Conformat. transitions 10-11 s
10-10-10-6 集团变分法
典型应用
热力学、扩散及有序化系 统 热力学系统
10-10-10-6 10-10-10-6 10-10-10-6
Ising模型
Bragg-Williams-Gorsky模 型
分子场近似
磁性系统 热力学系统 热力学系统
10-10-10-6 分子动力学
晶格缺陷与动力学特征
10-12-10-8 从头计算分子动力精学品文档 晶格缺陷与动力学特征24
Longest relaxation time 10-3 s
Phase/ microphase separation 1s
Physical ageing
(Τ < Τg-20οC)
1 2y2r
材料设计的层次
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典型模拟方法
空间尺度 /m
模拟方法
10-10-10-6 Metropolis MC
计算材料学概述
第四章
材料设计、计算及模拟
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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
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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
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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
计算材料学的概念
计算材料学是沟通理论与实验、宏观与微观的 桥梁。
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计算机模拟与材料研究四面体
使用性能
合成/加工
计算机 模拟
性能
组织结构/成分
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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
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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
Baidu Nhomakorabea
不同方面。
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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
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材料研究中的尺度（时间和空间）
求解电子结构的问题。 1964-1965 密度泛函理论（DFT）和Kohn-Sham方
法 1998 Kohn和Pople获得Nobel化学奖
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‘… all the mathematics to solve the whole of chemistry is known, but the equations are too difficult to solve …’
—— P.A.M. Dirac (1930)
“……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……”
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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。
集成电路,第四代
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多核技术 集群技术
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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）
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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