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1、第24卷第1期江蘇大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol.24No.12003年1月JournalofJiangsuUniversity(NaturalScienceEdition)Jan.2003材料計算設(shè)計及研究進展程曉農(nóng),戴起勛,趙玉濤,袁志鐘(江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江212013)[摘要]簡要介紹了材料計算設(shè)計的內(nèi)容范圍、結(jié)構(gòu)層次、方法途徑,并試述了各種方法的優(yōu)點及應(yīng)用1研究認(rèn)為,與美國、日本等國相比,我國的材料計算設(shè)計基礎(chǔ)較差、起步晚,面臨的任務(wù)很繁重1由于材料本身的復(fù)雜性以及不同使用要求和服役條件,使得材料計算設(shè)計要解決
2、的問題很多1隨著其相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展,材料計算設(shè)計將會得到很快的發(fā)展1[關(guān)鍵詞]材料;計算設(shè)計;計算方法[中圖分類號]TG14[文獻標(biāo)識碼]A[文章編號]1671-7775(2003)01-0015-04材料設(shè)計始于50年代末60年代初1前蘇聯(lián)開展了關(guān)于合金設(shè)計及無機化合物的計算機計算預(yù)報;70年代美國首次用計算設(shè)計方法開發(fā)了鎳基超合金180年代材料設(shè)計在理論和應(yīng)用上都取得了重大的進展1所涉及的材料范圍也日益擴大為:無機材料、有機材料、金屬材料、核材料、超導(dǎo)材料和各種特殊性能材料等1日本在玻璃、陶瓷、合金鋼等材料的數(shù)據(jù)庫、知識庫和專家系統(tǒng)
3、方面開展了很多工作,[1,2]取得了不少成果1美國的橡樹嶺國家實驗室、美國國家標(biāo)準(zhǔn)和試驗研究院、美國麻省理工學(xué)院、卡耐基-梅隆大學(xué)在新材料設(shè)計方面作出了重大的貢圖1材料設(shè)計的研究范圍Fig.1Researchscopeofmaterialdesign[3]獻11985年三島良績出版了材料設(shè)計的第一部專著5新材料開發(fā)和材料設(shè)計6,標(biāo)志著材料設(shè)計工作進入了一個新的階段11990、1992年召開了以計算機輔助設(shè)計新材料開發(fā)為主題的第一、第二屆國際會議1同時,有關(guān)材料設(shè)計的國際性雜志也應(yīng)運而產(chǎn)生,如/ModelingandSimulation
4、inMaterialsSc-ienceandEngineering0和/ComputationalMaterials圖2材料設(shè)計相關(guān)工作圖Science01我國雖然發(fā)展比較滯后,但也很重視1在Fig.2Connectedstudyofmaterialdesign973項目中設(shè)立了專題研究方向,2000年作為重大[3][4]材料(計算)設(shè)計層次一般可分為三個層次1基礎(chǔ)研究項目,正式列入了國家計劃1微觀設(shè)計層次:空間尺度約1nm數(shù)量級,是電子、1材料設(shè)計的范圍、層次與方法原子、分子層次的設(shè)計;介觀設(shè)計層次:典型尺度約1Lm數(shù)量級,材料被看
5、作是連續(xù)介質(zhì),是組織結(jié)構(gòu)材料設(shè)計范圍有材料的制備、組織、性能、使用層次的設(shè)計;宏觀設(shè)計層次:尺度對應(yīng)于宏觀材料,等,如圖1所示1設(shè)計的工作及其相互關(guān)系見圖21涉及大塊材料的成分、組織、性能和應(yīng)用的設(shè)計研[收稿日期]2002-10-10[基金項目]江蘇省/青藍0工程人才基金資助項目[作者簡介]程曉農(nóng)(1958-),男,江蘇蘇州人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事高性能新材料的設(shè)計與理論、材料的表面強化與功能化的研究116江蘇大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第24卷究,是工程應(yīng)用層次的設(shè)計1不同層次所用的理論及方法是不同的,不同層次間常常是交叉、聯(lián)合的,
6、2材料計算設(shè)計的主要途徑不同層次的目的、任務(wù)及應(yīng)用也不盡相同180年代以來一些新材料不斷地被發(fā)現(xiàn),如高溫211材料數(shù)據(jù)庫和知識庫技術(shù)超導(dǎo)材料、超硬材料、納米材料、人工低維量子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫一般應(yīng)包括材料的性能及一些重要參量材料等,理論研究和計算設(shè)計在開發(fā)這些新材料中的數(shù)據(jù),如材料成分、處理、試驗條件以及材料的應(yīng)起了重要的作用1主要是應(yīng)用了第一性原理計算設(shè)用與評價等內(nèi)容1知識庫主要是材料成分、組織、工[3]計的方法,如局域密度近似(LDA)、GW準(zhǔn)粒子藝和性能間的關(guān)系以及材料科學(xué)與工程的有關(guān)理論近似、分子動力學(xué)方法等1第一性原理計算又稱為成
7、果1它是實現(xiàn)人工智能的基本條件1實際上知識基于量子理論的計算設(shè)計,或/從頭算起0(abin-i庫就是材料計算設(shè)計中的一系列數(shù)理模型,用于定[9]tio),基本方法有固體量子理論和量子化學(xué)理論1特量計算或半定量描述的關(guān)系式的總成1近年來國別適用于原子級、納米級工程的材料,超小型器件用際上興起了數(shù)據(jù)庫知識技術(shù)KDD,它是一種強調(diào)歸材料,電子器件材料等方面的計算設(shè)計1在材料表納邏輯推理為特色和自適應(yīng)尋找規(guī)律為目標(biāo)的知識面和界面方面,主要的研究任務(wù)是:揭示發(fā)生在材料庫系統(tǒng)構(gòu)造方法1表面、界面上各種現(xiàn)象的物理內(nèi)涵1如何利用第一數(shù)據(jù)庫中存儲的是具
8、體的數(shù)據(jù)值,它只能進行性原理的方法來計算設(shè)計表面和界面的物理、化學(xué)查詢,不能推理,就象倉庫一樣1而知識庫中存儲的和動力學(xué)過程等問題1人工薄膜生長過程也是由原是規(guī)則、規(guī)律,通過數(shù)理模型的推理、運算,以一定的子水平上的物理學(xué)
