第2讲 计算材料学简介.pdf

第二讲：计算材料学简介 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》 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》 中国国家自然科学基金委员会 /portal/proj_search.asp  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 材料微观结构设计与性能预测研究专题 2.1 计算材料学与理论和实验的关系 计算材料学的定义： 计算材料学是以计算机及计算机技术为工具和 手段，运用计算数学的方法，从微观层次来解决复 杂材料问题的一门应用科学。计算材料学为复杂体 系规律、性质的研究提供了重要手段，对材料学的 发展起到了巨大的推动作用。 计算材料学与理论和实验的关系 产生数据 实验 推测理论 验证理论 模拟真实过程 建议实验 建议实验 解释实验 计算 理论 建议理论 提供方程 大规模计算 解释计算结果 计算材料学与理论和实验的关系 1、三者之间相互联系，相互依赖，相辅相成。 2、计算机模拟对理论而言，它可以为理论研究提供计算数 据及进行复杂的数值解的方法和手段，还可以用来比较各种近似 理论，从而验证理论的正确性。 3、计算机模拟对实验而言，它解决了对实验数据的分析， 可以模拟实验过程，还可以把模型和实验进行比较，从而评估一 个模型是否正确。 4、以上双重作用使得计算机模拟方法既是模型与理论的桥 梁，也是模型与实验的桥梁，因此常常称其为“计算机实验”。 计算机模拟的重要性: ①检验理论。如前所述某些简单体系能够用统计力学理论方法 求解，为了衡量该理论准确与否，需要将同一体系的分子模拟结 果作为其检验标准。 ②预测物性。有些苛刻的条件目前的实验技术难以达到，而有些 性质无法通过实验测定，此时分子模拟却可大显身手。 ③材料设计。借助计算机模拟能系统地研究微观作用对宏观性 质的影响，从而能更理性地设计新物质，有效地降低开发成本。 ④探索未知。通过计算机模拟能够发现一些新的现象，从而深 化人类对自然界本质的认识，如硬球流体的一阶凝固相变、Ⅷ型冰 的发现等。 2.2 计算材料学的工作流程 1、具体问题阶段 具体问题 对具体问题进行分析研究时， 要抓住问题的主要矛盾和矛盾的主 理论模型 要方面，进行各种必要的近似，建 立物理模型。