计算材料学进展与趋势

计算材料学进展与趋势

计算材料学是近20年来，随着计算科学与技术的飞速发展，材料科学与物理、化学、数学、工程力学诸多学科相互交叉与渗透产生的一门新兴学科。计算材料学的内涵可以粗略概括为：根据材料科学和相关科学基本原理，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，引导材料发现发明，缩短材料研制周期，降低材料过程成本。

根据研究对象的空间和时间尺度不同，材料计算的方法也有很大差别：研究材料的电子结构的方法有基于密度泛函理论的第一原理，常见的有计算固体材料的周期性体系的能带计算方法和孤立体系如分子簇方法，这些方法主要用于求解体系的基态电子结构和性质，近年来也发展了一些用以研究含时间的或激发态的电子结构方法。第一性原理方法由于直接基于基本的物理原理而不依赖于经验参数，因而具有很强的预测性，在未来合成材料之前先预测其可能的性质，因而对材料的设计具有很强的指导意义，近年其应用得到迅速发展，如金属中合金化效应的预测、金属间化合物中合金原子占据位置的预测、缺陷复合体的电子结构与性质的预测等，但由于其计算中考虑了电子的自由度，其运算量极大，所能研究的体系的尺度很小；在原子层次上研究材料行为常常采用原子力学或分子动力学方法，这些方法考虑原子间以一定的势函数相互作用，忽略了电子的自由度，可对更大的体系进行计算模拟，并可对静态或动态的原子机制提供了有效的途径；介观层次上对体系的模拟近年来有较快的发展，如合金中的相变微观组织演化过程可采用相场动力学或原胞自动化方法，这些方法使人们能够定量地描述不同过程中的组织变化的动力学规律，探索不同因素对微观组织形成的作用；宏观层次上的计算模拟常常采用有限元和有限差分方法，这些方法已经被广泛用语解决材料工程的实际问题，可为实际工艺的设计提供定量化的指导。对于不同的过程其发生的时间尺度也是迥然不同的，相应需要采用不同的模拟方法。对于许多材料的性质，常常由几个层次的结构来决定，因而近年来将不同方法结合起来的多尺度方法受到广泛的重视。关于近年来材料模拟的全面发展和具体研究方法可参考文献（YIP S(editor). Handbook of Materials ,New York: Springer,2005）。计算材料学的最终目标是实现新材料设计和材料制备与加工相关工艺的优化。

进展

美国

在关键材料集成设计基础研究方面，美国21世纪初启动了著名的“材料加速熟化”计划，组织了数十家产学研机构，选定喷气发动机用高温金属材料和飞机用先进复合材料两大目标，针对共性基础问题和难点问题，开展计算模拟与实验验证密切结合的集成设计与研制，其总目标是加速材料熟化，使新材料从启动研究到工程应用的周期缩短1/2，总成本降低1/3。该计划列出了需重点研究的材料集成设计相关基础问题，如1跨尺度计算模拟的关联方法；2金属—金属界面结构与物理性质及环境影响；3复杂合金体系中微观组织演化动力学4多晶体塑性与应力状态的动力学描述。

美国西北大学G.B.Olson等人采用多层次计算模拟方法，发展了由纳米晶粒计算直至结构性能预测的自下而上耦合程序，先后设计出性能优异的航天飞机轴承用耐热碳钢和新型高强度飞机起落架（OLSON G putational design of

hierarchically structured materials. Science,1997(277):1237.）。在低维半导体材料方面,美国海军实验室和明尼苏达大学合作，通过第一原理计算突破了先前CdSe半导体无法掺杂Mn的结论，发现掺杂效率由动力学因素决定且与表面构型和表面活性剂有关；由此他们预言了特定的掺杂方法并指导实验成功制备出掺Mn的CdSe半导体材料(ERWIN S C,ZU L J,HAFTEL M I,EFROS A L,KENNEDY T A,NORRIS D J.Doping semiconductor nanocrystals.Nature,2005(436):403)。在纳米材料领域，美国乔治亚工学院与德国慕尼黑大学合作，通过第一原理计算，预言MgO表面特定空位可以增加从表面到金颗粒的电荷转移，并同时增加纳米颗粒和表面的结合，使金纳米颗粒呈现强烈的催化活性。这一预测被实验工作所证实，从而对设计高性能催化剂发挥了决定性的指导作用（YOON B,HAKKINEN

H,LANDMAN U,WORZ A S,ANTONIETTI J-M,ABBET S,JUDAI K,HEIN U.Charging effects on bonding and catalyzed oxidation of CO on Au8 clisters on MgO.Science,2005(307):403）。美国俄亥俄州立大学采用相场动力学和第一原理等多层次集成模拟，基于细致的实验观察建立模型，考虑了外力、化学作用（扩散对成分及自由能的改变）及内应力同时作用时的自由能的变化，研究了Ni基高温合金在应力作用下长期蠕变过程中的微观组织演化，揭示了r/r'合金中的漂筏结构形成的位错相关机制，对于不同的应力状态和界面错配度，得到了与实验观察完全符合的r'形貌，并给出了晶体内应力的微观分布，为Ni基单晶高温合金不同使役过程中组织和力学性能变化的控制及成分设计提供了重要参考（ZHOU N,SHEN C,MILLS M J,WANG Y.To be submitted to Acta Mater.）。目前，这类理论与实验紧密结合的研究模式正在被应用于研究其他工程合金中复杂的微观组织演化过程。

欧洲在材料计算理论与方法方面具有很强的优势，其基于第一原理的电子结构计算研究一直处于世界领先地位。欧盟及其前身自20世纪80年代以来对该领域持续资助，2003年启动“迈向原子层次材料设计”综合计划，组织了包括研究生在内的约2000名欧洲科研人员，分列15个专题工作组，重点开展以下五方面研究：提高计算精度；扩大可计算系统尺寸；拓展包括材料设计在内的计算应用领域；纳米结构与纳米电子学；晶界与表面。该计划在广度上重视第一原理方法在新材料如生物系统和纳米结构中的应用，在深度上重视发展电子强关联系统的第一原理方法，以克服密度泛函理论在居于密度近似下的缺点。目前该计划已取得重大进展，例如，瑞典乌普萨拉大学最近发展了第一原理相干势近似方法（VITOS L,KORZHAVYI PA,JOHANSSON B.Stainless steel optimization from quantum mechanical calculations.Nature Mater,2002(2):25.），使得采用第一原理方法计算无序固溶体合金性质成为可能，在复杂合金体系计算材料科学方面取得突破。此外，英国政府对材料计算模拟在改造、升级材料产业过程中的作用极为重视，英国工贸部2001年发布《英国的预测性材料模拟》专题报告，部署相关研究计划和人才培养措施。法国国家研究中心（CNRS）的研究人员提出的位错动力学方法用于实际材料的变形，如疲劳、蠕变等，过程中，对大量位错的自组织结构的形成机制及其对力学性质的影响进行了细致研究，这种方法以位错段为基本单位，将位错线离散化为小单位，通过计算其初始构性在长程弹性相互作用和局部作用（包括湮灭、产生、割阶、耦极子的形成等）以及外力作用下的运动（包括滑移、攀移、交滑移、增殖等），给出整体位错群的结构演化，可同时处理大量位错的集体行为。该方法已成功应用于研究晶体辐射损伤缺陷对材料强度的影响，塑性形变局域化等的形成机制，HCP结构柱面滑移引起的低温应变