科研立项项目申报书：CB606400-基于集成计算的材料设计基础科学问题.docVIP

项目名称： 基于集成计算的材料设计基础科学问题 首席科学家： 杨锐 中国科学院金属研究所2011.1至2015.8总体目标五年预期目标依托清华大学材料虚拟设计实验室Chen-M?bius晶格反演方法改进EAM势在材料设计方面1. 学术思路及技术途径2. 本项目创新点与特色 本项目拟分五个课题进行计算方法、应用和服务三个层面的研究，其间相互关系见上节图。其中课题1、2、3着重方法的研究，而课题4、5分别侧重在结构材料和功能材料设计两方面的应用。方法层面的三项研究直接针对两个应用目标，而应用研究为方法的发展提出相应的需求。 课题1、复杂材料原子间相互作用势库的创新与拓展 预期目标： 采用独创的晶格反演数论方法发展更精确的针对不同结构、不同体系的复杂难处理系统原子间相互作用势发展新的反演方法。导出界面体系中相应的新型反演公式与相应原子势，，为系统发展和应用界面反演新方法奠定良好基础。明确界面原子配位环境与界面反演势的关系解决复合界面以及多重复合界面的计算困难探索自组装纳米结构模板的形成机理设计。关键材料利用晶格反演方法对EAM势进行改进，提供实用效果可移植性更好的晶格反演EAM势。 以贴近对象结构的晶格，利用DFT+U的方法进行系列性第一原理计算，运用新推导的不同结构反演系数计算出不同体系、不同相的Chen-M?bius晶格反演原子间相互作用势，完成针对不同的原子间相互作用势库。对具有应用潜力的锕系氧化物体系进行深入研究。 将拓展不同的应用，研究界面的位错结构、位错在界面断裂过程中的行为、失配位错在界面上的滑移、界面生长模式与带位错界面粘接能的关系。充分发挥反演势可模拟包含上万原子大体系的优势，探索自组装纳米结构模板的形成机理预言或设计不同周期长度的模板。应用Chen-M?bius晶格反演方法改进EAM势。已初步建立单质材料晶格反演EAM势完成有序金属间化合物中晶格反演EAM势并进行系列应用检验。构筑合金势的研究，应用第一原理方法计算同成分不同结构有序合金结合能，通过晶格反演来获取EAM势并揭示其与合金结构之间关联的规律性。再寻找弱化这些关联的最佳途径，构建起有效的获取合金势的参考结构；建立起定量表征这些关联的有效方法与实际应用结合对原子间相互作用势检验和改进。 17% 承担单位：北京科技大学、清华大学、云南大学、河北师范大学 课题负责人：陈难先 学术骨干：张硕、刘英、钱萍、申江 课题2、多层次－多组元物性关联机制及相关算法与合金成分设计 预期目标： 完成跨尺度—多层次模型算法中耦合机制和物理边界两个基本问题的定量分析，解决大尺度计算中加速收敛问题以及提高计算精度问题。掌握多化学组元协同效应的相关规律，建立多化学组元（三元及以上体系）原子间相互作用势并应用于Ni基单晶高温合金设计，基于第一原理电子结构计算给出化学因素及结构因素与材料力性的相关机制。 研究内容： 继续发展和应用课题组前期提出的多尺度能量密度方法及跨层次物理参量解析传递方法，用于Ni基单晶高温合金成分选择及合金设计。发展大尺度快速收敛及并行扩展性编程方案和离散数值积分算法，实现千原子量级及复杂结构缺陷体系的第一原理计算。将在已实现的大尺度Ni基单晶高温合金共格体系的第一原理计算基础上，建立多组元（三元及以上体系）原子间相互作用势的理论模型及能量函数表述，针对高性能单晶高温合金设计问题，将上述方法应用于复杂结构及多组元材料成分设计。揭示多化学组元协同效应的基本规律，为Ni基单晶高温合金成分设计提供理论分析的基础。 经费比例：17% 承担单位：钢铁研究总院、清华大学 课题负责人：王崇愚 学术骨干：王山鹰、朱弢、于涛、燕平 课题3、固体界面多因素耦合问题理论研究 预期目标： 澄清主导铁、钛、镁合金高温蠕变行为的物理机理，提出抗高温蠕变钛、镁合金成分设计指南；初步建立第一原理合金腐蚀电化学研究方法，发现与合金成分相关的晶界腐蚀规律；创建研究晶体裂纹扩展问题的跨尺度耦合算法，实现铁、钛、镁合金应力腐蚀开裂现象的计算机模拟。研究过渡金属氧化物表面结构特征，揭示分子表面吸附与催化反应机制，建立铁电薄膜/基体的界面失配位错应变场与铁电极化的相互作用规律。 研究内容： 拟采用密度泛函理论和密度泛函扰动理论框架下的第一原理计算方法研究镁、钛合金在高温条件下因晶界滑移导致的蠕变问题，重点研究镁铝合金中Mg17Al12析出相的高温热稳定性及其在界面滑移中的作用，计算模拟多元合金的析出热力学，探讨界面析出相在抑制界面滑移中的作用。拟结合准连续介质技术、经典分子动力学和第一原理分子动力学方法创建由宏观连续介质到电子层次的跨尺度结构模型，对应力腐蚀开裂的裂纹扩展过程与方式进行全方位模拟计算，探寻阻止或缓解晶间腐蚀的可行办法。对钛合金和镁合金表面保护膜的抗腐蚀机理进行详细的比较研究，以探寻提高镁合