计算材料学1

http://iron.nuc.berkeley.edu/~bdwirth/Public/WRG/wrg.html Wirth research group
SCOPE & TOPICS OF THIS CLASS
参考书 第1章 第2章 第3章 第4章 第5章
计算材料学发展简介 现代电子理论 材料计算的物理基础 计算机模拟基础 金属与合金中的原子间相互作用势
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Scope & topics of Computational materials science
如前所述，材料 计算与设计就是 指以计算机为手 段，通过理论与 计算对材料这4 要素进行综合研 究，是的新学科 方向。
Performance
Synthesis &Processing
CMS
Properties
Composition &Structure
图.材料科学与工程的4要素
结构：宏观组织，微观组织，电子及原子结构 性能：力学性能，物理性能，化学性能，工艺性能 加工：制备，加工，后处理 使用状况：应用效果反响，包括寿命、安全、价格、 效率等。 计算材料学旨在在高性能计算机上使用和分析数学 模型了解材料； 计算材料学提供了通过分析方法定性和定量地了解 许多复杂的现象，以及无法实验的材料的性能
1.5 材料计算的理论方法
材料计算的理论方法涉及到多尺度，每 一尺度都有其对应的理论方法，而每种方法 都有其适用范围。加州大学伯克利分校的 Wirth 研究组给出了不同尺度的研究方法，见 图1.2
图1.2 http://iron.nuc.berkeley.edu/~bdwirth/Public/WRG/wrg.html Wirth research group
1.3 研究现状及趋势
计算材料是20世纪90年代以来，凝聚态物理学和材 料科学中最有价值的概念之一。. 材料科学：定性描述－>定量预测 性能模拟，性能预报，物相预报，材料微观结构计 算，专家系统等 我国的863新材料领域自1987年设计了材料微观结构 设计和性能预报专题。1996年成立了863新材料模拟 设计实验室。 趋势：关键技术上所使用的材料，从原子和化学键 水平进行分析，才能阐述其本质。
1.1 计算材料学/材料设计的历史背景 续
随着凝聚态物理、统计物理、固体物理、量 子力学、量子化学等基础学科的发展，以及计算 机能力的极大提高，使得理论和计算在材料研制 过程中的作用越来越大。1999年美国能源部发表 一篇题为：“计算材料学：一场科学革命将成为 现实 ” (http://www. nasonline.org/) 。此文提到： 由于计算机能力的不断提高，材料科学正处于另 一场科学革命的边缘。科学家可能用太拉 (1012) 级以上的计算机通过模拟运算来指导先进材料的 发展，进一步阐明材料是如何形成的
1.4 主要研究内容
从狭义上讲，包括合金设计，新物相预报，杂 化材料设计，复合材料设计，陶瓷材料设计， 高分子材料设计等。以新物相预报为例，目的 是找到性能优异的化合物，新材料设计的步骤 包括：(1) 对未知化合物和物相是否可能的计算 和预报；(2) 对未知或未测试的化合物或物相的 微观结构和可能性质的计算和预报；(3) 对未知 化合物和物相的制备手段或制备成功的可能性 的计算和预报。这些计算涉及到固体物理、化 合键理论。
1.1 计算材料学/材料设计的历史背景 续 材料设计(MATERIALS DESIGN）
材料设计的思想始于20世纪50年代。前苏联 50年代初期，开展了关于合金设计以及无机化合 物的计算机预报的早期工作；60年代为起步阶段， 1962年前苏联学者在理论上提出人工半导体超晶 体的概念，不过当时并没有给出在技术上的实现 方法，1969年，江崎(Easki)和朱兆祥(Tsu)才正式 从理论和实践结合上提了通过改变组分和掺杂来 获得人工半导体超晶格。材料设计指通过理论与 计算预测材料的组分、结构与性能。
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HOMEWORK AND PRESENTATION
第一章 计算材料学发展简介
1.1 计算材料学/材料设计的历史背景 1.2 为什么要计算？如何计算？ 1.3 研究现状及趋势 1.4 主要研究内容 1.5 材料计算的理论方法 思考题
参考书
7.曹茂盛,蒋成禹,田永君.材料现代设计理论与方法,哈尔滨:哈 尔滨工业大学出版社,2002.4 8.冯端,师昌绪,刘治国.材料科学导论,北京:化学工业出版社, 2002.5 9.吴兴惠,项金钟.现代材料计算与设计教程,北京:电子工业出版 社,2002.6 10. [美] C. 基泰尔(Charles Kittel)著, 项金钟 吴兴惠译. 固体物 理导论,北京:化学工业出版社,2009.2 11. [德] D.W. Heerman著,秦克诚译.理论物理学中的计算机模 拟方法,北京:北京大学出版社,1996.12
计算材料学
Computational Materials Science (Materials Computation and Design)
刘艳侠
20160912
OUTLINE TODAY
arrangement • Grading • Computational materials science overview
1.1 计算材料学/材料设计的历史背景 续
1989年，美国若干个专业委员会调查分析了美 国八个工业部门(航天，汽车，生物材料，化学， 电子学，能源，金属和通讯等)对材料的需求， 之后编写出版了《90年代的材料科学与工程》 报告。材料设计的发展，使材料科学从定性描 述逐渐进入定量的科学阶段。到了20世纪90年 代，材料设计的研究已成为潮流。目的按需订 做材料，进行性能模拟，性能预报。
计算方法总结如下
思考题
1. 对材料设计的理解 2. 计算材料学在不同层次上使用的计算方法 3. 材料科学与工程的四要素及其关系。
1.基础知识 量子力学、量子化学、能带理论 2. 数值算法及程序设计方法、误差理论 3. 计算物理学和计算材料学 4. 计算机模拟方法 分子动力学、Monte Carlo方法 5.势函数理论与模型 6. 材料科学中具有代表性的计算方法 微观、介观、宏观。如第一原理方法、MD、位错 动力学、元胞自动机、FE
名称
美国：计算机分析与模型化（Computer-based Analysis and Modeling） 欧洲：计算材料学（Computational Materials Science） 日本：材料设计（Materials Design）
1.2 为什么要计算？如何计算？
我们需要最好的材料，计算可以帮助我们。 理解机制，识别关键因素，节约成本和时间。 材料设计特点：前瞻性，创新性；节约成本， 节约时间，代替实验。 在上述的《90年代的材料科学与工程》报 告中指出，现代材料科学与研究由4要素组成。 这4要素包括材料固有性质、结构与组分、使 用性能、合成与加工。报告认为材料设计在这 4要素中起重要作用，其关系见图1.1所示
1.1 计算材料学/材料设计的历史背景
材料是人类进步的标志。材料设计源于材 料的开发与应用。成分、工艺决定结构 ( 或组 织)，结构(或组织)决定性能 。传统的研究方法 是炒菜、试错筛选法，具有很大的盲目性，造 成资源、人力和时间的极大浪费。20世纪50年 代开始出现了根据科学理论，按照预定性能进 行“材料设计”的理论设计方法。格物致知以 达到万事皆备于我，了解材料性能的微观过程， 从理论上研究。
1.1 计算材料学/材料设计的历史背景 续
了解它们在变化的条件下产生何种作用，以及怎 样才能获得优化而达到更好的使用效能。特别强 调了理论计算对于发展先进材料的指导意义。先 进材料是那样一些材料，对这些材料的系统合成 和结构控制已进行过先行的理论研究，使得它们 具有经过精细剪裁而获得的性能组合，以满足应 用的需求。
参考书
1. 陈舜麟. 计算材料学, 北京:化学工业出版社, 2005.7 2. 张跃,谷景华,尚家香,马岳.计算材料学基础, 北京:北京航空 航天大学出版社出版,2007.7 3. [德] D.罗伯编著,项金钟,吴兴惠译.计算材料学,北京:化学 工业出版社,2002.9 4. 肖慎修,王崇愚,陈天朗.密度泛函理论的离散变分法在化学 和材料物理学中的应用,北京:科学出版社,1998.8 5.王崇愚.合金设计的电子理论,沈阳:辽宁科技出版社,1997.3 6.廖沐真,吴国是,刘洪霖. 量子化学从头计算方法, 北京:清华 大学出版社,1984.1
1.4 主要研究内容
1985 年三岛良绩撰写的《新材料开发和材料设 计学》勾画出材料设计Biblioteka Baidu目标和内容。即从材料制 备到使用的全过程都是材料设计的研究范围。其核 心是在物理理论、化学理论基础上，对材料的性能 与结构的关系进行理论分析。相应的材料设计系统 包括材料数据库和知识库。知识库包括理论公式、 计算结果、经验规律、数学模型等。指出材料设计 包含两方面的内容：(1) 从指定目标出发规定材料性 能，并提出合成手段；(2) 为新材料开发的新效率、 新功能研究提供指导原理
1. 1计算材料学/材料设计的历史背景 续
20 世纪 70 年代是初步发展阶段段；到了 20 世纪 80 年代已形成学科。 80 年代中期日本从材料界提出 了用三大材料在分子原子水平上混合，构成杂化 材料的思想。 1985 年日本出版了《新材料开发与 材料设计学》一书，首次提出了材料设计学这一 专门方向，书中介绍了早期的研究与应用情况， 并在大学材料系开设材料设计课程。 1988 年由日 本科学技术厅功能梯度材料的研究任务，提出将 设计-合成-评估三者紧密结合起来，按预定要求做 出材料，并连续组织有关这一课题的国际研讨会。