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1、计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用 主讲教师：王能为 绪绪 论论教学内容：教学内容：课课程程的的性性质质与与任任务务，主主要要内内容容及及研研究究方方法法，本本课程的特点与学习方法，材料科学发展简史。课程的特点与学习方法，材料科学发展简史。教学要求：教学要求：1.了了解解本本课课程程的的主主要要内内容容及及研研究究方方法法，材材料料科科学发展简史。学发展简史。2.了解材料科学、计算机以及材料科学与计算了解材料科学、计算机以及材料科学与计算机之间的关系。机之间的关系。3.了解计算机在材料科学中应用的几个方面。了解计算机在材料科学中应用的几个方面。1、计算机有关概念、计算机有关概念这
2、是什么？曙光4000A超级计算机国家智能计算机研发中心。这就是我们所熟悉的计算机，精美的图片有助于吸引大家的注意力。那么，各位同学平时使用它们主要来做什么呢？可能的回答结果是：聊天、游戏以及简单文本处理等。超级电脑系统曙光超级电脑系统曙光4000A，相关参数，相关参数:系统使用了共系统使用了共2560颗颗AMD、Opteron 850、2.2GHz微处理器浮点运算、速度达每秒微处理器浮点运算、速度达每秒400000亿次。亿次。该系统于该系统于2004年年6月投入服务，当时是全世界所有超月投入服务，当时是全世界所有超级电脑中，排名第级电脑中，排名第10，现时已跌出，现时已跌出TOP500排名榜排
3、名榜（2007年年11月全球排名月全球排名251）。）。“曙光曙光4000A”已成功运行了天气预报、石油地震已成功运行了天气预报、石油地震资料处理、核能开发利用、计算流体力学、基因与资料处理、核能开发利用、计算流体力学、基因与蛋白分析和材料科学等领域的蛋白分析和材料科学等领域的30多项应用。多项应用。计算机的发展历史逻辑逻辑元件元件时间时间存存储设备储设备软软件件用途用途第一代第一代电电子管子管1946-1958（主）磁鼓、（主）磁鼓、磁芯，（外）磁芯，（外）磁磁带带 机器机器语语言言科学科学计计算算第二代第二代晶体管晶体管1958-1964（主）磁芯，（主）磁芯，（外）开始使（外）开始使用磁
4、用磁盘盘高高级语级语言及言及编译编译程序程序 数据数据处处理，理，工工业业控制控制第三代第三代中、小中、小规规模模集成集成电电路路1964-1971（主）磁芯（主）磁芯（外）磁（外）磁盘盘会会话话式的高式的高级语级语言言发发展展企事企事业业管理管理与工与工业业控制控制第四代第四代大大规规模集模集成成电电路路1971-至今至今（主）磁芯（主）磁芯（外）磁（外）磁盘盘会会话话式的式的 高高级语级语言言工工业业、商、商业业 及家庭及家庭 1946年，为弹道设计需要由美国宾夕法尼亚大学研制出世界上第一台计算机，称为电子数字积分器与计算器。(electronic numerical integrator
5、 and calculatorENIAC)现代计算机与现代计算机与ENIAC的对比的对比占地面积占地面积m2重量，重量，ton耗电，耗电，kw造价造价104US￥PC10.0150.50.1 ENIAC15030150100 我国计算机的发展我国计算机的发展 1959年，第一台电子管计算机年，第一台电子管计算机(4000多个电子管，多个电子管，10000次次/秒秒);1964年，第一台晶体管计算机年，第一台晶体管计算机;1971年，第一台集成电路计算机年，第一台集成电路计算机;1983年年12月，国防科大，月，国防科大，“银河银河I型型”巨型机巨型机(1亿次亿次/秒秒);1993年，国防科大，
6、年，国防科大，“银河银河II型型”巨型机巨型机(10亿亿次次/秒秒);1997年年6月，月，“银河银河III型型”巨型机巨型机(130亿次亿次/秒秒);1999年年11月，月，“银河银河IV型型”巨型机巨型机(10000亿次亿次/秒秒)“银河银河”、“曙光曙光”、“神威神威”、“深腾深腾”计算机软件技术的发展 软件是计算机的灵魂。从功能上讲，计算机软软件是计算机的灵魂。从功能上讲，计算机软件大致可分为基础软件和应用软件。件大致可分为基础软件和应用软件。基础软件：操作系统、编程语言；基础软件：操作系统、编程语言；应用软件：数据库、人工智能、计算机图形学、应用软件：数据库、人工智能、计算机图形学、
7、数据压缩等。数据压缩等。（1）操作系统发展：早期为命令方式，如今操作系统发展：早期为命令方式，如今为图形方式。界面越来越友好，操作越来越方便。为图形方式。界面越来越友好，操作越来越方便。（2）编程语言发展：最初为机器语言、汇编）编程语言发展：最初为机器语言、汇编语言、算法语言，如今为程序设计语言，功能越来语言、算法语言，如今为程序设计语言，功能越来越强大。越强大。（3）数据库：它是计算机信息系统与应用系）数据库：它是计算机信息系统与应用系统的核心技术和重要基础。历经三代：统的核心技术和重要基础。历经三代：第一代：网状、层次数据库系统；第一代：网状、层次数据库系统；第二代：关系数据库系统；第二代
8、：关系数据库系统；第三代：面向对象模型为主要特征的数据库系第三代：面向对象模型为主要特征的数据库系统。统。（4）人工智能（）人工智能（AI）的发展：诞生于）的发展：诞生于1956年。年。20世纪世纪70年代前后，人工智能飞速发展，借助年代前后，人工智能飞速发展，借助计算机启发式编程方法建立过程模型，同时建造了计算机启发式编程方法建立过程模型，同时建造了专家系统。专家系统。80年代中期，人工智能发展进入困境，人工智年代中期，人工智能发展进入困境，人工智能方法仅限于模拟人类智能活动中使用成功的经验能方法仅限于模拟人类智能活动中使用成功的经验知识所能处理的简单问题。知识所能处理的简单问题。90年代，
9、所谓的符号主义、连接主义和行为年代，所谓的符号主义、连接主义和行为主义主义3种方法并存，再加上人工智能系统引入交互机种方法并存，再加上人工智能系统引入交互机制，系统的智能水平得到提高。制，系统的智能水平得到提高。目前的发展现状：智能水平很高，但离人们期望目前的发展现状：智能水平很高，但离人们期望的发展水平还相差很远。的发展水平还相差很远。（5）计算机图形学的发展：产生于）计算机图形学的发展：产生于20世纪世纪50年年代，但发展慢，应用仅局限于某些专门领域。如今发代，但发展慢，应用仅局限于某些专门领域。如今发展飞速，已在计算机辅助设计和绘图、办公自动化、展飞速，已在计算机辅助设计和绘图、办公自动
10、化、电子出版、地理性息系统领域得到广泛应用。电子出版、地理性息系统领域得到广泛应用。2、材料科学、材料科学材料的应用：材料的应用：塑料10-20%铝合金5-10%铁 合 金 60-75%15-20%低合金高强度钢材料是人类社会进步的里程碑石器时代石器时代青铜时代青铜时代铁器时代铁器时代石头、棉花石头、棉花陶瓷、青铜陶瓷、青铜钢、铁钢、铁18世纪世纪19世纪世纪20世纪世纪蒸汽机蒸汽机电动机电动机高分子材料高分子材料 复合材料复合材料 陶瓷陶瓷金属材料金属材料树脂、尼龙树脂、尼龙复合材料、陶瓷复合材料、陶瓷一百万年前约8500年前13-14世纪人类对微观世界的操纵原子操纵术量子栅栏的扫描隧道显微
11、镜（STM）图像1990年IBM研究人员首度在金属镍表面用35个惰性气体氙原子組成“IBM”三个英文字母。后來，又搬移近百颗Fe原子形成中文原子二字。此结果成为杂志及国际研讨会封面图案。u材料、能源和信息称为当代文明的三大支柱。材料、能源和信息称为当代文明的三大支柱。u作为当代文明的三大支柱之一，可见其在当今社作为当代文明的三大支柱之一，可见其在当今社会中所占据的重要位置。既然如此重要，那么什会中所占据的重要位置。既然如此重要，那么什么是材料？（材料是人类用于制造物品、器件、么是材料？（材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。）构件、机器或其他产品的那些物质。）u材料科学
12、：以材料的组成、结构、性能、材料科学：以材料的组成、结构、性能、制备工制备工艺和使用性能艺和使用性能以及它们之间相互关系为研究对象以及它们之间相互关系为研究对象的一门科学。这也是材料研究者的共同使命。的一门科学。这也是材料研究者的共同使命。因此，材料科学的四个要素包括：成分、组织、因此，材料科学的四个要素包括：成分、组织、性能、合成性能、合成/制备。制备。Synthesis&Processingcomposition,crystal growth,thermal treatment,etc.Structuremicro-,nano-,molecular,crystalPropertiesele
13、ctronicmechanicaloptical,etc.Composition 材料的分类：材料的分类：u组成与结构组成与结构 金属材料、无机非金属材料、金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料等；有机高分子材料和复合材料等；u性能和作用性能和作用 结构材料和功能材料；结构材料和功能材料；u用途用途 建筑材料、能源材料、电子材料、耐建筑材料、能源材料、电子材料、耐火材料、医用材料等。火材料、医用材料等。下面简单介绍一些新材料：下面简单介绍一些新材料：（1）超导材料）超导材料 超导材料是超导材料是20世纪人类最伟大的发现之一。超世纪人类最伟大的发现之一。超导体具有零电阻和完全抗磁性的
14、特性，对电流传输导体具有零电阻和完全抗磁性的特性，对电流传输无能量损耗，是一种理想的导电材料。超导材料包无能量损耗，是一种理想的导电材料。超导材料包括低温超导材料和高温超导材料。括低温超导材料和高温超导材料。低温超导材料：在液氦温度（低温超导材料：在液氦温度（4.2K)才能显示超才能显示超导性：导性：NbTi合金和合金和Nb3Sn化合物。化合物。高温超导材料：在液氮温度（高温超导材料：在液氮温度（77K)显示超导性，显示超导性，多数为含铜的氧化物陶瓷，多数为含铜的氧化物陶瓷，YBa2Cu3O7和和Bi2Sr2Ca2CuO具有最好的综合超导性能。具有最好的综合超导性能。（2）纳米材料）纳米材料
15、纳米材料的几何尺寸达到纳米级，并且具有特纳米材料的几何尺寸达到纳米级，并且具有特殊性能。发展经历三个阶段：殊性能。发展经历三个阶段：第一阶段：探索制备纳米颗粒粉体，合成块体第一阶段：探索制备纳米颗粒粉体，合成块体（含薄膜），研究评估表征方法，探索其特殊性能。（含薄膜），研究评估表征方法，探索其特殊性能。第二阶段：采用纳米微粒与纳米微粒的复合，第二阶段：采用纳米微粒与纳米微粒的复合，纳米微粒与块体复合涉及纳米复合材料，并挖掘其纳米微粒与块体复合涉及纳米复合材料，并挖掘其 奇特的物理、化学和力学性能。奇特的物理、化学和力学性能。第三阶段：纳米组装体系、人工组装合成的纳第三阶段：纳米组装体系、人工组
16、装合成的纳米结构体系。米结构体系。（3）生物医用材料）生物医用材料 生物医用材料简称生物材料，是指以医疗为目生物医用材料简称生物材料，是指以医疗为目的，用于诊断、治疗、修复或替换人体组织器官或的，用于诊断、治疗、修复或替换人体组织器官或增进其功能的材料。增进其功能的材料。组成：高分子、金属、陶瓷、天然材料、复合组成：高分子、金属、陶瓷、天然材料、复合材料。材料。第一代：第一代：20世纪世纪60-80年代，基于工业化的材料年代，基于工业化的材料与生物相容性，开发出第一代生物医用材料。与生物相容性，开发出第一代生物医用材料。比如：骨钉、骨板、人工血管等。比如：骨钉、骨板、人工血管等。第二代：第二代
17、：20世纪世纪80-90年代，生物材料研究的重年代，生物材料研究的重点逐渐由生物惰性转向生物活性，开发了第二代生点逐渐由生物惰性转向生物活性，开发了第二代生物医用材料。活性材料能够在生理条件下发生可控物医用材料。活性材料能够在生理条件下发生可控的反应，并作用于人体。使活性材料植入位置和宿的反应，并作用于人体。使活性材料植入位置和宿主组织不再存在明显的界面区分。主组织不再存在明显的界面区分。第三代：第三代：20世纪世纪90年代至今，能在分子水平上年代至今，能在分子水平上刺激细胞产生特殊应答反应，从而开发出第三代生刺激细胞产生特殊应答反应，从而开发出第三代生物医用材料。物医用材料。（4）能源材料）
18、能源材料 能源材料包括储能材料、节能材料、能量转换能源材料包括储能材料、节能材料、能量转换材料和核能材料。材料和核能材料。相变储热材料相变储热材料 利用通过控制相变可逆的吸利用通过控制相变可逆的吸放热过程达到储热的目的材料。放热过程达到储热的目的材料。高效节能电热膜材料高效节能电热膜材料 用热传导式加热技术，用热传导式加热技术，电热转换效率达到电热转换效率达到95%，且加热速度快。主要有半，且加热速度快。主要有半导体膜、有机和无机复合电热膜。导体膜、有机和无机复合电热膜。吸附材料基础氢材料吸附材料基础氢材料 通过吸附效应产生能通过吸附效应产生能量转换，或通过储氢材料的吸、放氢过程实现能量量转换
19、，或通过储氢材料的吸、放氢过程实现能量转换。转换。燃料电池材料燃料电池材料 利用燃料电池进行的电化学利用燃料电池进行的电化学过程，达到高的能量转换效率，比如氢能发电。过程，达到高的能量转换效率，比如氢能发电。(1)计算机用于新材料的设计计算机用于新材料的设计 “材料设计材料设计”是指（主要包括三个方面的含义）是指（主要包括三个方面的含义）：理论计算：理论计算预报预报组分、结构和性能；组分、结构和性能；u理论设计理论设计定做定做新材料；新材料；u按照生产要求按照生产要求设计设计制备和加工方法。制备和加工方法。3、计算机技术与材料学的关系、计算机技术与材料学的关系 材料设计材料设计 组分组分结构结
20、构性能性能 特殊性能新材料特殊性能新材料制备制备加工工艺加工工艺预报预报“定定做做”设计设计 (2)材料科学研究中的计算机模拟材料科学研究中的计算机模拟u计算机模拟的概念：根据实际体系在计算机上进计算机模拟的概念：根据实际体系在计算机上进行模拟实验，通过将模拟结果与实际体系的实验行模拟实验，通过将模拟结果与实际体系的实验数据进行比较，可以检验模型的准确性，也可以数据进行比较，可以检验模型的准确性，也可以检验由模型导出的解析理论所作的简化近似是否检验由模型导出的解析理论所作的简化近似是否成功。成功。u优点：在某些情况下，计算机模拟可以部分地代优点：在某些情况下，计算机模拟可以部分地代替实验。计算
21、机模拟对于理论的发展也有重要的替实验。计算机模拟对于理论的发展也有重要的意义。意义。(3)材料工艺过程的优化及自动控制材料工艺过程的优化及自动控制u材料加工技术的发展主要表现为控制技术的飞速材料加工技术的发展主要表现为控制技术的飞速发展。发展。u微型计算机和可编程控制器在材料加工过程中的微型计算机和可编程控制器在材料加工过程中的应用正体现了这种发展趋势。计算机技术、微电应用正体现了这种发展趋势。计算机技术、微电子技术和自动控制技术相结合，使工艺设备、检子技术和自动控制技术相结合，使工艺设备、检测手段的准确性和精确度都大大提高。测手段的准确性和精确度都大大提高。u计算机在材料加工中的应用不仅可以
22、减轻劳动强计算机在材料加工中的应用不仅可以减轻劳动强度，而且可以改善产品质量和精度，提高产量。度，而且可以改善产品质量和精度，提高产量。(4)计算机用于数据和图像处理计算机用于数据和图像处理u材料科学研究在实验中可以获得大量的实验数据，材料科学研究在实验中可以获得大量的实验数据，这是第一手的，也是非常重要的原始数据。借助这是第一手的，也是非常重要的原始数据。借助计算机的存储设备，可以保存大量的数据，同时计算机的存储设备，可以保存大量的数据，同时又可以利用计算机对数据进行处理（如计算、绘又可以利用计算机对数据进行处理（如计算、绘图和拟合分析等）和查找。图和拟合分析等）和查找。(5)计算机网络在材
23、料研究中的应用计算机网络在材料研究中的应用u从事材料研究的科学工作者可以相互交流，及时从事材料研究的科学工作者可以相互交流，及时了解材料科学的发展动向；了解材料科学的发展动向；u阅读相关杂志，查询已经发表的论文，建立网页阅读相关杂志，查询已经发表的论文，建立网页介绍自己的研究成果等。介绍自己的研究成果等。小结：小结：1、计算机及计算机软件的发展。、计算机及计算机软件的发展。2、材料科学的发展。、材料科学的发展。3、计算机技术与材料学的关系。计算机技术与材料学的关系。作业：作业：1、简单介绍计算机软件的发展情况。、简单介绍计算机软件的发展情况。2、什么是材料科学？材料科学的四要素是什、什么是材料科学？材料科学的四要素是什么？么？3、计算机用于材料设计的思路是怎么样的？、计算机用于材料设计的思路是怎么样的？