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1、第 24 卷第 1 期2003 年 1 月 江 苏 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal of Jiangsu University(Natural Science Edition)Vol.24No.1Jan.2003 材料计算设计及研究进展程晓农,戴起勋,赵玉涛,袁志钟(江苏大学材料科学与工程学院,江苏 镇江 212013)摘 要 简要介绍了材料计算设计的内容范围、结构层次、方法途径,并试述了各种方法的优点及应用 1 研究认为,与美国、日本等国相比,我国的材料计算设计基础较差、起步晚,面临的任务很繁重1由于材料本身的复杂性以及不同使用要求和服役条件,使得材料计算设计要解决的问题
2、很多 1随着其相关领域的发展,材料计算设计将会得到很快的发展 1 关键词 材料;计算设计;计算方法 中图分类号 TG14 文献标识码 A 文章编号 1671-7775(2003)01-0015-04 材料设计始于 50 年代末 60 年代初 1 前苏联开展了关于合金设计及无机化合物的计算机计算预报;70年代美国首次用计算设计方法开发了镍基超合金 180 年代材料设计在理论和应用上都取得了重大的进展1 所涉及的材料范围也日益扩大为:无机材料、有机材料、金属材料、核材料、超导材料和各种特殊性能材料等 1 日本在玻璃、陶瓷、合金钢等材料的数据库、知识库和专家系统方面开展了很多工作,取得了不少成果 1
3、,21 美国的橡树岭国家实验室、美国国家标准和试验研究院、美国麻省理工学院、卡耐基-梅隆大学在新材料设计方面作出了重大的贡献 311985 年三岛良绩出版了材料设计的第一部专著5新材料开发和材料设计6,标志着材料设计工作进入了一个新的阶段 11990、1992 年召开了以计算机辅助设计新材料开发为主题的第一、第二届国际会议1 同时,有关材料设计的国际性杂志也应运而产生,如/Modeling and Simulation in Materials Sc-ience and Engineering0 和/Computational MaterialsScience01 我国虽然发展比较滞后,但也很
4、重视 1 在973 项目中设立了专题研究方向,2000 年作为重大基础研究项目,正式列入了国家计划 411 材料设计的范围、层次与方法材料设计范围有材料的制备、组织、性能、使用等,如图 1 所示 1 设计的工作及其相互关系见图 21图 1 材料设计的研究范围Fig.1 Research scope of material design图 2 材料设计相关工作图Fig.2 Connected study of material design 材料(计算)设计层次一般可分为三个层次 31微观设计层次:空间尺度约 1 nm 数量级,是电子、原子、分子层次的设计;介观设计层次:典型尺度约1 Lm 数量
5、级,材料被看作是连续介质,是组织结构层次的设计;宏观设计层次:尺度对应于宏观材料,涉及大块材料的成分、组织、性能和应用的设计研 收稿日期 2002-10-10 基金项目 江苏省/青蓝0工程人才基金资助项目 作者简介 程晓农(1958-),男,江苏苏州人,教授,博士生导师,主要从事高性能新材料的设计与理论、材料的表面强化与功能化的研究1究,是工程应用层次的设计 1 不同层次所用的理论及方法是不同的,不同层次间常常是交叉、联合的,不同层次的目的、任务及应用也不尽相同180 年代以来一些新材料不断地被发现,如高温超导材料、超硬材料、纳米材料、人工低维量子结构材料等,理论研究和计算设计在开发这些新材料
6、中起了重要的作用 1 主要是应用了第一性原理计算设计的方法 3,如 局域密度近似(LDA)、GW 准粒子近似、分子动力学方法等 1 第一性原理计算又称为基于量子理论的计算设计,或/从头算起0(ab in-itio),基本方法有固体量子理论和量子化学理论1 特别适用于原子级、纳米级工程的材料,超小型器件用材料,电子器件材料等方面的计算设计 1 在材料表面和界面方面,主要的研究任务是:揭示发生在材料表面、界面上各种现象的物理内涵 1 如何利用第一性原理的方法来计算设计表面和界面的物理、化学和动力学过程等问题 1 人工薄膜生长过程也是由原子水平上的物理学所主宰的1 许多现象涉及非平衡过程中所遇到的问
7、题 1 目前最有力的理论手段是分子动力学模拟和蒙特-卡洛模拟,关键的计算技术在于原子间相互作用势的准确计算 1归纳法是从实验出发,以已知的事实、经验和知识为基础,总结出为获得符合要求的材料所采取的方法1 演绎法是利用材料的物理、化学等方面的理论成果,借助计算机进行计算设计材料的有关性质的方法1 单纯从理论出发进行计算设计能提供许多有用的线索,但实际材料的复杂性使人们往往对归纳法予以优先考虑1 目前的发展趋势是两者结合起来1 当体系复杂、解析方法有困难时,相似理论、量纲分析和无量纲参数往往有其特殊的用途1 在材料计算设计中,除了神经网络外常用的数学方法还有模式识别、遗传算法、有限元分析、分形理论
8、、模糊数学、小波分析等1 近年来国际上已流行一批各种方法的计算机软件 1 陈念贻 5等人最近开发了多种数学方法结合的综合性材料设计软件/Materials Re-search Advisor0和/Complex Data Analyzer0,有很好的使用效果1在工程应用层次上,国内外尚未见有系统设计的报道1 戴起勋、程晓农等人经过几年的研究,在工程应用层次的计算设计方面做了大量原创性的基础工作,并结合实验数据开发建立了奥氏体钢系统设计中各环节的一系列数理模型 6-9,该系统具有双向设计功能,在实际工程应用中起到科学、正确的指导作用12 材料计算设计的主要途径211 材料数据库和知识库技术数据库
9、一般应包括材料的性能及一些重要参量的数据,如材料成分、处理、试验条件以及材料的应用与评价等内容1 知识库主要是材料成分、组织、工艺和性能间的关系以及材料科学与工程的有关理论成果1 它是实现人工智能的基本条件 1 实际上知识库就是材料计算设计中的一系列数理模型,用于定量计算或半定量描述的关系式 9的总成 1 近年来国际上兴起了数据库知识技术 KDD,它是一种强调归纳逻辑推理为特色和自适应寻找规律为目标的知识库系统构造方法1数据库中存储的是具体的数据值,它只能进行查询,不能推理,就象仓库一样1 而知识库中存储的是规则、规律,通过数理模型的推理、运算,以一定的可信度给出所需的性能等数据;也可利用知识
10、库进行成分和工艺控制参量的计算设计1 利用数据库和知识库可以实现材料性能的预测功能和设计功能,达到设计的双向性 91 日本在玻璃、陶瓷材料等方面建立了数据库 1 清华大学建成了陶瓷数据库和ZrO2知识库 11212 材料设计专家系统材料设计专家系统是指具有相当数量的与材料有关的各种背景知识,并能运用这些知识解决材料设计中有关问题的计算机程序系统1 传统的专家系统主要有下列几个模块;优化模块,集成化模块,知识获取模块 1 现在逐步在发展智能专家网络系统 2,这是以模式识别和人工神经网络为基础的专家系统 1 基于人工神经网络的处理技术在材料科学中得到了越来越多的应用,在处理规律不明显、组分变量多、
11、非线性方面的问题具有特殊的优越性,并且也可以对建立的数学模型和计算结果进行验证 91213 材料的系统设计材料科学将发展为材料系统科学,材料设计也必将是系统设计 101 不同结构层次与不同性质间的理论需要沟通,逐步形成有机联系的知识体系 1 单一层次的设计必将被多层次设计所代替1 多层次设计必须要建立多尺度材料模型(Multiscale MaterialsModeling,简称MMM)和各层次间相互关联的数理模型1 谢佑卿 10按照系统论的思路创建了纯金属的/OA 理论0,并将中心原子模型发展为特征晶体模型,使合金热力学、晶体学与 OA 理论结合,创建16 江 苏 大 学 学 报(自 然 科
12、学 版)第 24卷了相结构和电子结构沟通并与多种性质相关联的/CC 理论0,以期使各层次的计算设计方法得到结合和综合1 应用该理论对 Cu-Ni、Au-Cu、Ag-Cu 和 A-lZn 等合金系进行了系统研究,取得了成功 1 笔者在研究成果的基础上,构建了工程层次系统设计的框架 12,正在开发设计系统1214 计算机模拟技术计算机模拟技术是材料设计科学中的一个分支1它是利用计算机的计算推理功能,模拟实际情况来推测预报可能出现情况的一门技术 1 在 80 年代就进行了材料淬火过程的计算机模拟并建立了Metadex 数据库 1 计算机模拟技术在材料成型加工的各个过程都取得了比较大的成功 6,在材料
13、科学中的应用日益广泛13 材料设计面临的挑战与任务许多国家都加大了材料理论与计算设计方面研究的人力和财力的投入,都在争夺该领域某个方面的领先地位和知识产权,美国在计算材料科学方面一直处于领先水平 110 年以前,在美国已有一些公司开发有关材料光、电、磁、热等性质的计算软件 1近年来,美国的 Motorola 公司专门成立了/计算材料科学实验室01 美国的惠普公司宣称:到 2010 年,现有的微处理器无论从经济上还是从实际应用上都将不被采用,因此要加紧在理论和计算的指导下设计和开发新的材料和器件 1 根据我国自然科学发展战略调研报告的精神 13,材料设计方面的主要任务是:(1)材料设计为国民经济
14、和尖端技术服务 1 要结合国民经济建设和高技术项目开展材料设计工作1例如,厚壁压力容器材料、原子能应用材料、航空与航天用超高强度材料、高温合金、低温材料、电子信息材料、各种特殊功能材料等 1(2)进行多层次结合的材料计算设计 1 分层次研究的弱点是不同学科互相分割,难以取得系统的综合效果;特别是微观层次(电子、原子)的设计离预报、设计实际材料还有很大的距离 1 国内外很多有识人士提出了多层次综合的设计思想1(3)多学科的交叉、融合是必然的趋势 1 材料计算设计科学是材料、物理、化学、数学和计算机等多学科的交叉研究领域1 鼓励材料科学和系统科学结合1 整体化已成为当今科技发展的重要趋势,多层次和
15、跨学科正是计算材料学的特点和本质 1(4)数理模型的建立和实用化是关键 1 材料设计系统主要依赖于数理模型 1 各层次研究的关键是根据基础数据能否发展出符号实际的解析与数理模型,解决不同层次间计算方法的选择与整合1(5)材料计算设计科学的基础研究必须加强 1我国的材料计算设计研究落后于国外,并且在观念、思维上也没有跳出国外现有的思路,有的还比较偏激 1 有关基础理论的研究工作有待于加强 1目前在学术上有一些不同的看法(争议),主要是:在思维上,涉及研究的方法、方向和原理 1 谢佑卿 9提出了材料系统科学框架,材料研究要向系统研究发展;没有材料科学系统理论,便不可能有真正的材料科学设计;在方法上
16、,有的认为量子理论、原子水平的设计是必须的 1 有的认为从头算起的方法实用性不大,从材料的实用性角度这是难以实现的;一般看法是不同层次的方法,其理论、对象、目的、要求和应用都是不同的,要注重相互的结合;在范围上,对计算材料学的范围,目前还不很明确 1 如新材料的计算设计,新材料、传统材料的计算设计,材料成分的计算设计及制备过程的计算控制等等 14 结 论材料计算设计的研究涉及材料科学与工程的各个领域,范围很广 1 不同的设计层次有不同的目的要求和应用,目前的研究进展也是不平衡的 1 材料设计的关键突破点是各种参量数理模型的建立和不同设计层次及原理的综合与贯通 1 由于材料实际应用的复杂性,材料
17、计算设计研究尚处于探索阶段 1随着材料科学理论、计算机技术和数学方法等学科的发展,材料计算设计这一新兴学科领域必将有很大的飞跃1 参 考 文 献 1 吕允文,李恒德.新材料开发与材料设计J.材料导报,1993,(3):1-41 2 吕允文,夏宗宁,赖树纲,等.材料设计专家系统与人工神经网络的应用 J.材料导报,1994(6):1-41 3 熊家炯.材料设计 M.天津:天津大学出版社,20001 4 科技部技术司.2000 年国家重点基础研究计划R.材料导报,2000,14(3):3-41 5 Chen Nianyi,Lu Wencong,Chen Ruiliang,et al.Chemo-me
18、tric Methods Applied to Industrial Optimization andMaterials Optimal DesignJ.Chemometrics and Intell-i17第 1 期 程晓农等:材料计算设计及研究进展gent Laboratory System,1999,45:329-3331 6 Dai Qixun,Wang Andong,Cheng Xiaonong.Effect ofMe andT on Strength of Austenitic Steels J.Mater SciEng A,2001,311(1P2):205-2101 7 Che
19、ng Xiaonong,Dai Qixun,Wang Andong.Effect ofMe and T on Impact Toughnees of Austenitic Steels J.Mater Sci Eng A,2001,311(1 P2):205-2101 8 程晓农,戴起勋,王安东 1 低温奥氏体钢韧度计算设计J.江苏大学学报(自然科学版),2002,23(1):62-651 9 戴起勋,程晓农,王安东,等.低温奥氏体钢计算设计数理模型.鉴定文件,江苏省科技厅,2001110 谢佑卿.金属材料系统科学 M.武汉:中南工业大学出版社,1998111 Arsenaul R J,Bee
20、ler J R,Esterling D M.ComputerSimulation in Materials ScienceM.Ohio:ASM Inter-national Metals Park Ohio,1986112 戴起勋,程晓农,袁志钟.工程应用层次的低温奥氏体钢计算设计系统J.江苏大学学报(自然科学版),2003,24(1):75-78113 国家自然科学基金委员会.金属材料科学(自然科学学科发展战略调研报告)R.北京:科学出版社,19951Development of Materials Calculation DesignCHENG Xiao-nong,DAI Qi-xun,Z
21、HA O Yu-tao,YUAN Zhi-zhong(School of Materials Science and Engineering,Jiangsu U niversity,Zhenjiang,Jiangsu 212013,China)Abstract:The research scope,research method and aim of the materials calculation design are summarizedbriefly in this paper.The advantages and applications of each method cited i
22、n this paper are discussed.Laggedfar behind developed countries such as USA and Japan,the materials calculation design in China has a poor foun-dation,late beginning and lots of tasks to be done.Due to the inherent complexity of materials,differentrequirement and service environment,materials calculation design faces many problems.With rapid developmentof other scientific fields,materials calculation design will advance quickly and simultaneously.Key words:materals;calculation design;calculation method(责任编辑 朱银昌)18 江 苏 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 24卷