基于集成计算的材料设计基础科学问题

项目名称：基于集成计算的材料设计基础科学问题首席科学家：杨锐中国科学院金属研究所起止年限：2011.1至2015.8

依托部门：中国科学院

二、预期目标

1. 总体目标

针对紧缺能源与资源约束的材料行业可持续发展需求，运用计算与材料学科

交叉的新手段提出创造性的解决方案，同时有效缩短关键新材料研发与验证周期，促进我国材料产业的技术跨越，形成位于世界前列的国家竞争力。集中优势力量开展计算材料科学发展第三阶段的集成材料计算，演示在材料设计方面的系列应用，以重点材料如高性能钛合金和若干信息功能材料为应用目标促进工业技术进步。大力培养新型人才，带动计算技术在材料制备、研发、工艺、工程化、使役整个链条各环节的交叉融合，促进我国计算材料科学的全面发展。

2. 五年预期目标

（1）在高性能新材料集成计算平台与方法方面发挥主导作用：依托位于中科院金属所的中科院沈阳超级计算分中心和北京的科技部新材料模拟设计实验室及清华大学材料虚拟设计实验室，完成GPU分子动力学模拟程序和适用于大尺度模拟的大规模并行计算等2套程序的开发，基于Chen-Möbius晶格反演方法改进目前广泛应用的EAM势，体现我国材料计算研究的系统性和原创性。

（2）在结构与功能材料集成计算方面取得原创性成果并在关键材料设计方面发挥不可替代作用：对钛合金中温高应力条件下的疲劳行为提出基于原子模拟的新认识，探索基于粉末冶金的1套初步解决方案，研制出一种先进TiAl材料并在国际先进航空发动机中获得应用，充分体现我国自主创新实力。在多尺度多层次计算基础上提出一种新一代单晶高温合金集成设计方案。研究多元和无序氧化物体系（特别是铁电材料）的电子性质和磁电耦合计算方法，设计1~2种具有优异性质的铁电和铁磁功能材料。

（3）充分发挥数据库与软件共享功能，面向全国开放提供服务，提升我国计算材料整体水平：采用独创的晶格反演数论方法发展的针对我国资源优势的稀土相关原子势库将进一步扩大合作与服务，为提高我国特有资源技术附加值贡献科技力量。中科院沈阳超级计算分中心的计算能力及相应软件也将面向全国研究单位和企业开放服务。

（4）在材料技术和科研产出方面，实现国家发明专利8项和国际发明专利2

项；争取获颁新材料国家标准1项；发表论文400余篇。

（5）在材料计算设计与模拟人才方面，培养博士30名和学术骨干8名以上；实现2项以上国际重大合作项目，与相关领域10个以上世界一流研究组保持或建立合作关系，实现人员交流40人次以上。

三、研究方案

1. 学术思路及技术途径的可行性

依据国际上计算材料学已进入以集成计算设计为重点的第三研究阶段而同时继续攻克基本方法难点的形势以及我国材料行业的需求，本项目在前期雄厚的研究积累基础上，拟开展方法、应用、服务三个层面的研究，具体研究内容及相互支撑关系见示意图。有关具体的技术途径在圆满完成的前期项目中业已证明是可行和有效的。

材料集成计算作为本项目的重点研究方面，其研究对象和应用目标选取了具有重大需求或重要应用前景的代表性钛合金结构材料和新型功能材料。该层面研究将充分体现材料集成计算在加快研发进度、降低研发成本和提高材料创新精准度方面的明显优势。在方法层面的三项研究与直接针对应用目标的这两方面研究关系密切，不仅为其提供基础与方法支撑，而且为计算材料科学自身发展做出贡献。上述研究安排预计可以在解决本项目五个关键科学问题上有所突破。

与前期项目明显不同的是，本项目将面向学术界，企业与社会提供服务，这具有多方面意义：一是项目自身成果的展示，充分体现973这类重大项目的社会功能；二是在面向社会过程中将充分提高社会对计算材料这一新兴学科的认知，促进新型人才培养和材料行业发展模式的升级；三是与工业界和学术界的开放式互动交流将促进材料集成计算研究走向深入，更高效地满足国家需求。

研究层面、研究内容与课题设臵及其支撑关系(数字为课题号)

2. 本项目创新点与特色

（1）以我国独创方法迎战国际前沿难题

根据半群结构模型和数论反演方法推算晶体和界面系统原子间结合能进而获得复杂难处理体系原子间势是得到国际认可的独创性方法，已在诸多材料体系中获得应用。该方法的创新与拓展将为学科发展做出我国应有贡献。

（2）为利用我国特色稀土资源做好科学基础储备

稀土和锕系金属作为我国特色资源，不仅为特种功能材料所必需，也是我国今后大力发展的核材料的工业原料。多年来我国稀土行业一直因低技术附加值出口而饱受诟病，其深层次原因是我国缺乏相应的关键技术。本项目建立的稀土原子势库将为开展相关研究工作奠定基础。

（3）材料集成计算依据国家重大专项需求，力图解决跨越发展所需关键技术的基础科学问题

高性能钛合金和集成电路用新型功能材料均是我国重大科技专项涉及的关键材料，开展相关材料集成计算并为解决有关技术问题提供方案具有重要意义。如钛合金在中温、高应力状态下的疲劳，是航空发动机叶片应用的核心问题，已引起GE和Rolls-Royce等世界主要航空引擎制造商高度关注。项目在该方面的研究将为我国大飞机发动机专项提供支撑，促进我国航空工业跨越发展。

（4）项目成果面向社会服务充分体项973项目价值与意义

本项目提出的面向学术界、企业和社会的三方面服务是一大特色。这首先得益于973计划对材料计算科学的长期稳定支持，同时也将有效展示重大项目的公益功能，加深社会对973重大项目的认知，促进计算材料科学健康发展。

本项目拟分五个课题进行计算方法、应用和服务三个层面的研究，其间相互关系见上节图。其中课题1、2、3着重方法的研究，而课题4、5分别侧重在结构材料和功能材料设计两方面的应用。方法层面的三项研究直接针对两个应用目标，而应用研究为方法的发展提出相应的需求。

课题1、复杂材料原子间相互作用势库的创新与拓展

预期目标：

采用独创的晶格反演数论方法发展更精确的针对不同结构、不同体系的复杂难处理系统原子间相互作用势，发展新的反演方法。导出界面体系中相应的新型反演公式与相应原子势，通过比较和系统检验，为系统发展和应用界面反演新方法奠定良好基础。明确界面原子配位环境与界面反演势的关系，解决复合界面以