多尺度材料设计理论

量子力学

p ,q '
'
Z 2e 2 R p Rq

i, j
e2 ri r j

i, p
Z e ri R p
2
微观尺度材料设计
多粒子体系的简化方案
量子力学
把在原子结合中起作用的价电子和内层电子分离，内层
电子与原子核一起运动，构成离子实。离子实的质量和 电荷量做相应调整。
由于电子的响应速度极快，因此可以将离子的运动与电
概论 材料设计的范畴与层次
材料工程 材料性能 微观结构
相 材料科学 关 学 固体物理 科
量子化学
原子 分子
电子
nm 10-9
μm 10-6
mm 10-3
m 100
研究量级
概论 材料设计的范畴与层次
10 10 10
3 0
连续介质力学 结 构 动力学 缺 陷 动力学 分 子 动力学 量子力学
量子力学
微观粒子的运动行为薛定谔方程
2 H U (r ) 2m
则
2
H k (r ) Ek k (r )
微观尺度材料设计
多粒子体系的薛定谔方程
2 1 2 H p 2M p 8 0 p 2 2 1 i 2m 8 0 i 1 4 0
材料微观结构设计与性能预测研究专题
概论 Baidu Nhomakorabea料设计的范畴与层次
原 料
制备 材料试样 观测 组织结构 改 进 特 性 试用 可 否 测试 微 观 组 织 结 构 设 计 制 备 方 法 设 计 材 料 设 计
系 统 设 计
评
价
概论 材料设计的范畴与层次
材料设计的研究范畴按研究对象的空间尺度 不同可划分为4 个层次, 即电子层次、原子与分 子层次、微观结构组织和宏观层次, 如图 所示。
Ψ (r , t ) 2 Ψ (r , t ) U (r )Ψ (r , t ) i 2m t
对于处于能量为Ek的本征态上的束缚粒子
2 k (r ) U (r ) k (r ) Ek k (r ) 2m
2
微观尺度材料设计
定义Hamilton算符H
概论 材料设计的范畴与层次
此外, 上述各层次对不同的研究任务, 其表现 作用也不同。如研究电子材料的某些电学特性 可能以电子、原子层次的研究为主;研究复合材 料的细观力学可能用有限元方法等, 因此, 不同 的材料研究任务可能会采取不同的研究方法。
概论 材料设计的范畴与层次
空间尺度/m 10-10-10-6 10-10-10-6 10-10-10-6 10-10-10-6 10-10-10-6 10-10-10-6 10-12-10-8 模拟方法 Metropolis MC 集团变分法 Ising模型 典型应用 热力学、扩散及有序化系统 热力学系统 磁性系统
Bragg-Williams-Gorsky模型 热力学系统 分子场近似 分子动力学 从头计算分子动力学 热力学系统 晶格缺陷与动力学特征 晶格缺陷与动力学特征
概论 材料设计的范畴与层次
空间尺度/m 10-10-100 10-7-10-2 10-7-10-2 模拟方法 元胞自动机 弹簧模型 顶点模型、拓扑网络模型、 晶界动力学 几何模型、拓扑模型、组分 模型 位错动力学 典型应用 再结晶、生长、相变、流体 断裂力学 成核、结晶、疲劳
概论
材料设计在材料研究中的地位
美国国家科学研究委员会（1995）
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。
《材料科学的计算与理论技术》
概论
材料设计在材料研究中的地位
子的运动分离 Born-Oppenheimer绝热近似。
对于有电子运动与离子实运动相互耦合和离子实电子向
价电子转移的情况，绝热近似不成立。
微观尺度材料设计
离子实（原子）体系
量子力学
离子实（原子）体系决定着材料中声波的传播、热膨
胀、晶格比热、晶格热导率、结构缺陷等性能。
离子实（原子）体系的Hamilton算符
10-7-10-2
10-9-10-4 10-9-10-5 10-9-10-5
结晶、生长、织构、凝固
塑性、微结构、位错分布
动力学金兹堡-朗道型相场模 扩散、晶界、晶粒粗化 型 多态动力学波茨模型 结晶、生长、相变、织构
概论 材料设计的范畴与层次
空间尺度/m 10-5-100 模拟方法 典型应用 宏观尺度场方程的平均解
美国若干专业委员会（1989）
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。
《90年代的材料科学与工程》
概论 材料设计在材料研究中的地位
973重大基础研究计划
863高技术研究计划
自然科学基金重大基础研究
有限元、有限差分、线性迭 代 有限元 Tailor-Bishop-Hill模型等 集团模型 渗流模型
10-6-100 10-6-100 10-8-100 10-10-100
微结构力学性质、凝固 弹性、塑性、晶体滑移 多晶体弹性 成核、相变、断裂、塑性
微观尺度材料设计
2
量子力学
微观粒子的运动行为薛定谔方程
1 2 H i 2M 8 0 i 1 4 0
-3
Time / s
10 10 10 10
-6
-9
-12
-15
10
-12
10
-9
10
-6
10
-3
10
0
10
3
Length / m
概论 材料设计的范畴与层次 电子、原子与分子层次对应的空间尺度大致
10 nm以下,所对应的学科层次是量子化学、固 体物理学等, 分子动力学法与蒙特卡罗法是在该 层次上常用的研究工具; 微观结构对应的空间尺 度大致为μm级到mm 级, 所对应的学科为材料 科学, 此时材料被认为是连续介质, 不用考虑材 料中个别原子和分子的行为, 有限元等方法是这 一领域研究的主要工具; 对于材料的性能来说, 涉及到块体材料在成形与使用中的行为表现, 属 于材料工程甚至系统工程的领域, 采用的方法如 工程模拟等技术。