6-1 计算机辅助材料设计与模拟概述

第六章计算机辅助材料设计与模拟

第一节 概述

第二节 材料设计基础

第三节 材料设计软件及应用

第四节 金属材料的热加工工艺模拟

第五节 计算机辅助材料设计与模拟举例

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第一节 材料设计概述

6.1.1材料设计的定义、范围与层次

6.1.2多尺度材料设计及其耦合

6.1.3材料设计的途径（第五章已经涉及到了数据库）

第二节 材料设计基础

6.2.1 材料设计的结构基础（原子结构，晶体结构，电子结构，相结构）

6.2.2 量子力学第一性原理简介（着重介绍密度函数理论）

6.2.3材料热力学，动力学和相图 （热力学原理，计算方法，数据库）

6.2.4 概率损伤设计（材料寿命预测与可靠性评价）

第三节 材料设计软件及其应用

（简单介绍软件的特点，基本功能，典型应用。具体细节请查阅软件主页和相关链接。）

6.3.1 第一性原理计算软件（参见量子化学软件中文网）

6.3.1.1 ABINIT（功能全，适于学习，可运行于Windows 操作系统的免费软件）

6.3.1.2 VASP （材料研究中最为广泛使用和接受的量化软件）

6.3.1.3 Cerius2 (功能模块多)

6.3.1.4 Material studio(功能模块多)

6.3.2 材料热力学和相图计算软件

6.3.2.1 Thermo-Calc (http://www.thermocalc.se/)

6.3.2.2 FACTSage (http://www.factsage.co m)

6.3.2.3 PANDAT (

6.3.3 概率设计与可靠性评价软件

6.3.3.1 NESSUS (美国西南研究院为美国宇航局（NASA）开发的一个概率设计与可靠性设计软件

第四节 金属材料的热加工工艺模拟

6.4.1铸造过程计算机模拟

6.4.2压力加工计算机模拟

6.4.3 材料热处理计算机模拟

6.4.4 材料组织结构计算机模拟(断裂，晶粒长大的模拟）

6.4.5 焊接过程计算机模拟

第五节 计算机辅助材料设计与模拟举例

6.4.1 金属材料的设计(合金相，相图与材料设计)

6.4.2 陶瓷材料的设计（过渡金属掺杂ZnO稀磁半导体材料??）

6.4.3 高分子材料的设计

6.4.4 复合材料的设计

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第一节 材料设计概述

6.1.1材料设计的定义、范围与层次

众所周知，材料科学与工程学科的核心内容是对材料的成分（Composition）、工艺(Process)、结构(Structure)、性能(Properties)、与使用性能(Performance)等五大要素及其相互之间的关系进行定性和定量描述，从而得到优化的材料成分、工艺、结构和性能，为合理选择和使用材料提供指导。近20年来，随着材料科学、物理学、化学、生物科学、数学、工程科学的发展和成熟、以及计算机技术的飞速发展，运用高性能计算机（Powerful Computer）和功能强大的软件（Robust Software Package）对材料科学与工程学科的基本要素及其之间的关系进行定量或半定量表征，在计算机上设计出材料的成分、工艺，预测其结构与性能已经成为可能，这就是所谓的材料设计（Material by Design），也称材料模拟（Material Simulating）或计算材料学（Computational Materials Science）。他们之间往往可以理解为同义词，但通常计算机模拟结果多用图象描述某一现象的演化过程，而材料设计的结果多为定量化的数据或数据库。

因此，计算材料学就是基于基本的物理、化学与材料科学与工程原理，通过建立材料科学中与某一自然现象或过程相似的模型，然后通过计算机程序实现和求解这个模型来间接实现对材料的成分、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，降低材料研制成本。计算材料学已成为一门新兴的交叉学科，是除实验和理论外解决材料科学与工程中实际问题的第三个重要研究方法。材料设计的工作范围包括从材料的组成、制备、测试、结构和特性的微观设计到材料性能、再到使用等各个环节，但其核心部分仍是在物理、化学原理基础上对材料结构与性能关系进行理论计算与分析。

通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料，这是人们所追求的长远目标。自从二十世纪五十年代人们提出“材料设计”这一设想以来，材料设计已经取得了巨大进展，目前正处在应用理论和计算来“设计”材料的初期阶段，但对于部分材料体系，材料设计在新材料的研究开发中已经发挥着巨大作用。

计算机模拟已经被广泛应用于材料科学与工程中各个尺度的研究设计中，在微观领域，如用实验观测方法难以实现的研究单个原子、分子运动情况，计算机模拟方法显示出直观，深刻的优势。在宏观领域，比如研究材料与结构的寿命问题，计算机模拟方法就显示出经济、高效并富有预见性的特点。总之，计算材料学是一种在功能强大的计算机上进行的模拟实验，基本上不受实验条件、时间和空间的限制，具有极大的灵活性和随机性。计算机模拟技术应用于材料科学与工程领域，一方面使我们加深了对材料科学与工程核心问题的理解，另一方面，又促进了材料科学与工程的研究开发向经济、高效、可预见方向发展。计算材料学的最终目标是实现材料的成分、工艺、结构、性能与使用的优化。当然，必须指出的是，计算材料学并不是独立于实验研究和理论研究，而是植根于实验研究和理论研究，它们之间相互补充，相互检验，相互促进。