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计算材料学进展与趋势

计算材料学是近20年来，随着计算科学与技术的飞速发展，材料科学与物理、

化学、数学、工程力学诸多学科相互交叉与渗透产生的一门新兴学科。计算材料

学的内涵可以粗略概括为：根据材料科学和相关科学基本原理，通过模型化与计

算实现对材料制备、加工、结构、性能和服役表现等参量或过程的定量描述，理

解材料结构与性能和功能之间的关系，引导材料发现发明，缩短材料研制周期，

降低材料过程成本。

根据研究对象的空间和时间尺度不同，材料计算的方法也有很大差别：研究

材料的电子结构的方法有基于密度泛函理论的第一原理，常见的有计算固体材料

的周期性体系的能带计算方法和孤立体系如分子簇方法，这些方法主要用于求解

体系的基态电子结构和性质，近年来也发展了一些用以研究含时间的或激发态的

电子结构方法。第一性原理方法由于直接基于基本的物理原理而不依赖于经验参

数，因而具有很强的预测性，在未来合成材料之前先预测其可能的性质，因而对

材料的设计具有很强的指导意义，近年其应用得到迅速发展，如金属中合金化效

应的预测、金属间化合物中合金原子占据位置的预测、缺陷复合体的电子结构与

性质的预测等，但由于其计算中考虑了电子的自由度，其运算量极大，所能研究

的体系的尺度很小；在原子层次上研究材料行为常常采用原子力学或分子动力学

方法，这些方法考虑原子间以一定的势函数相互作用，忽略了电子的自由度，可

对更大的体系进行计算模拟，并可对静态或动态的原子机制提供了有效的途径；

介观层次上对体系的模拟近年来有较快的发展，如合金中的相变微观组织演化过

程可采用相场动力学或原胞自动化方法，这些方法使人们能够定量地描述不同过

程中的组织变化的动力学规律，探索不同因素对微观组织形成的作用；宏观层次

上的计算模拟常常采用有限元和有限差分方法，这些方法已经被广泛用语解决材

料工程的实际问题，可为实际工艺的设计提供定量化的指导。对于不同的过程其

发生的时间尺度也是迥然不同的，相应需要采用不同的模拟方法。对于许多材料

的性质，常常由几个层次的结构来决定，因而近年来将不同方法结合起来的多尺

度方法受到广泛的重视。关于近年来材料模拟的全面发展和具体研究方法可参考

文献（YIPS(editor).HandbookofMaterials,NewYork:Springer,2005）。

计算材料学的最终目标是实现新材料设计和材料制备与加工相关工艺的优化。

进展

美国

在关键材料集成设计基础研究方面，美国21世纪初启动了著名的“材

料加速熟化”计划，组织了数十家产学研机构，选定喷气发动机用高温金属材料

和飞机用先进复合材料两大目标，针对共性基础问题和难点问题，开展计算模拟

与实验验证密切结合的集成设计与研制，其总目标是加速材料熟化，使新材料从

启动研究到工程应用的周期缩短1/2，总成本降低1/3。该计划列出了需重点研

究的材料集成设计相关基础问题，如1跨尺度计算模拟的关联方法；2金属—金

属界面结构与物理性质及环境影响；3复杂合金体系中微观组织演化动力学4多

晶体塑性与应力状态的动力学描述。

美国西北大学G.B.Olson等人采用多层次计算模拟方法，发展了由纳米晶粒

计算直至结构性能预测的自下而上耦合程序，先后设计出性能优异的航天飞机轴

承用耐热碳钢和新型高强度飞机起落架（OLSONGB.Computationaldesignof

hierarchicallystructuredmaterials.Science,1997(277):1237.）。在低维

半导体材料方面,美国海军实验室和明尼苏达大学合作，通过第一原理计算突破

了先前CdSe半导体无法掺杂Mn的结论，发现掺杂效率由动力学因素决定且与表

面构型和表面活性剂有关；由此他们预言了特定的掺杂方法并指导实验成功制备

出掺Mn的CdSe半导体材料(ERWINSC,ZULJ,HAFTELMI,EFROSAL,KENNEDY

TA,NORRISDJ.Dopingsemiconductornanocrystals.Nature,2005(436):403)。

在纳米材料领域，美国乔治亚工学院与德国慕尼黑大学合作，通过第一原理计算，

预言MgO表面特定空位可以增加从表面到金颗粒的电荷转移，并同时增加纳米颗

粒和表面的结合，使金纳米颗粒呈现强烈的催化活性。这一预测被实验工作所证

实，从而对设计高性能催化剂发挥了决定性的指导作用（YOONB,HAKKINE