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材料计算设计基础学院：材料科学与工程学院班级： Y120301姓名：田晋忠学号： 水号： 材料计算设计基础摘要：本文首先介绍了材料在社会发展中的重要性，其次介绍了材料设计的概念，理论及计算方法。最后介绍了当前面临的挑战和问题。其中本文重点介绍了计算机模拟技术。关键词：材料设计计算方法问题1 材料在社会发展中的重要性在人类的生产活动中，科学技术的作用主要表现在3个方面：提供新的物质和材料，开发新的能源，发明灵巧的机器。后二者都需要相应的材料作为保证。人类历史上曾出现过石器时代、铜器时代、铁器时代、高分子时代、半导体时代等，这些都是以材料命名的，这足以说明材料在人类文明史上的作用。300年来，人类经历了两次世界范围的产业革命，每次产业革命都离不开新材料的开发。第一次产业革命的突破口是推广应用蒸汽机。瓦特发明了蒸汽机，但只有在开发了铁和铜等新材料以后，这种蒸汽机才得以实用并逐步推广。第二次产业革命一直延续到本世纪中叶，以石油开发和新能源广泛使用为突破口，大力发展了飞机、汽车等其它工业，支持这个时期产业革命的仍然是新材料的开发，如合金钢、铝合金以及各种非金属材料的发展。当前新材料的作用更加明显，它既是当代高技术的重要组成部分，又是发展高技术的重要支柱和突破口，也是发展现代农业和现代国防的物质基础和先导。没有半导体材料的工业化生产，便不可能有目前的计算机技术和现代信息革命; 没有现代的高温、高强度结构材料，便没有今天的宇航工业；没有低损耗的光导纤维，便不会出现光信息的长距离传输，也就没有当前的光通信。人类进入信息时代，正面临着以电子、信息、材料、航空航天、生物工程、海洋开发、石油化工、原子能等工业为主体的一场更深刻的产业革命。材料既是一个独立的载域，又与几乎所有其它新兴产业密切相关。也就是说，没有相应的材料，任何一项新的技术都难以实现，任何技术开发便成为“无米之炊”，难怪人们把材料作为技术进步的关键，称其为现代工业的骨肉、现代文明的支柱之一[1]。2 材料设计的概念关于材料设计，迄今在国际上还没有统一的术语或提法。日本学者1984年就提出了“材料设计”概念[2]，俄国学者把材料设计包括在“材料学”中，美国学者在《90年代材料科学与工程》报告中称这类工作为材料“计算机分析与模型化”。我国1986年开始实施“863计划”时，对新材料领域提出了探索不同层次微观理论指导下的材料设计这一要求，在“863”材料领域便设立了“材料微观结构设计与性能预测”研究专题，钱学森院士在80年代曾倡导和推进材料设计工作，为我国新材料新技术的发展方向提供了重要的指导和帮助。1985 年，日本学者山岛良绩正式提出了“材料设计学”这一专门的研究方向，将材料设计（materials design）定义为利用现有的材料、科学知识和实践经验，通过分析和综合，创造出满足特殊要求的新材料的一种活动过程，其目的是改进已有的材料和创造新材料。现在材料设计已基本上形成一套特殊的方法，就是根据性能要求确定设计目标，有效地利用现有资源，通过成份、结构、组织、合成和工艺过程的合理设计来制造材料。其中，关键是材料的成份、结构和组织的设计。另外材料设计层次一般可分为三个层次：微观设计层次：空间尺寸约1 nm 数量级，是电子、原子、分子层次的设计；介观设计层次：典型尺度约1μm数量级，材料被看作是连续介质，是组织结构层次的设计；宏观设计层次：尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的成分、组织、性能和应用的设计研究，是工程应用层次的设计. 不同层次所用的理论及方法是不同的，不同层次间常常是交叉、联合的，不同层次的目的、任务及应用也不尽相同[3]。3 材料设计的理论与计算方法材料设计的理论和计算方法方法计算机计算技术和量子理论等领域的发展，使材料信息数据系统、热力学方法、分子轨道量子理论乃至神经网络方法、拓扑几何学都应用于材料设计中. 采用计算方法进行材料设计具有经济、高效及预测功能的特点，该方法将成为材料设计发展的重要新趋势[4]。下面我对材料设计的理论和计算方法进行简要介绍。3.1 经验法和半经验法所谓的经验法就是材料研究采用“试错法”。该方法是根据大量的试验数据，对成分、组织、性能反复调整、试验，直到获得满意的材料为止。这种方法具有相当大的盲目性，费时、费力、经济损失大，已远远不能满足现代科技和社会的发展要求。此外，为了总结出材料的成分??组织??性能间的内在规律，常用统计学法对试验数据反复回归，得到一些回归方程，这些关系式对材料的研究、应用起到了一些积极作用。但是，这些关系式都是在一定的生产条件下建立起来的，它仅适用于相应的生产条件；再者，由于材料的制备过程是一个复杂的非线性系统，显然利用线性函数来考虑性能、组织