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1、第24卷第1期江苏大学学报(自然科学版)Vol.24No.12003年1月JournalofJiangsuUniversity(NaturalScienceEdition)Jan.2003材料计算设计及研究进展程晓农,戴起勋,赵玉涛,袁志钟(江苏大学材料科学与工程学院,江苏镇江212013)[摘要]简要介绍了材料计算设计的内容范围、结构层次、方法途径,并试述了各种方法的优点及应用1研究认为,与美国、日本等国相比,我国的材料计算设计基础较差、起步晚,面临的任务很繁重1由于材料本身的复杂性以及不同使用要求和服役条件,使得材料计算设计要解决
2、的问题很多1随着其相关领域的发展,材料计算设计将会得到很快的发展1[关键词]材料;计算设计;计算方法[中图分类号]TG14[文献标识码]A[文章编号]1671-7775(2003)01-0015-04材料设计始于50年代末60年代初1前苏联开展了关于合金设计及无机化合物的计算机计算预报;70年代美国首次用计算设计方法开发了镍基超合金180年代材料设计在理论和应用上都取得了重大的进展1所涉及的材料范围也日益扩大为:无机材料、有机材料、金属材料、核材料、超导材料和各种特殊性能材料等1日本在玻璃、陶瓷、合金钢等材料的数据库、知识库和专家系统
3、方面开展了很多工作,[1,2]取得了不少成果1美国的橡树岭国家实验室、美国国家标准和试验研究院、美国麻省理工学院、卡耐基-梅隆大学在新材料设计方面作出了重大的贡图1材料设计的研究范围Fig.1Researchscopeofmaterialdesign[3]献11985年三岛良绩出版了材料设计的第一部专著5新材料开发和材料设计6,标志着材料设计工作进入了一个新的阶段11990、1992年召开了以计算机辅助设计新材料开发为主题的第一、第二届国际会议1同时,有关材料设计的国际性杂志也应运而产生,如/ModelingandSimulation
4、inMaterialsSc-ienceandEngineering0和/ComputationalMaterials图2材料设计相关工作图Science01我国虽然发展比较滞后,但也很重视1在Fig.2Connectedstudyofmaterialdesign973项目中设立了专题研究方向,2000年作为重大[3][4]材料(计算)设计层次一般可分为三个层次1基础研究项目,正式列入了国家计划1微观设计层次:空间尺度约1nm数量级,是电子、1材料设计的范围、层次与方法原子、分子层次的设计;介观设计层次:典型尺度约1Lm数量级,材料被看
5、作是连续介质,是组织结构材料设计范围有材料的制备、组织、性能、使用层次的设计;宏观设计层次:尺度对应于宏观材料,等,如图1所示1设计的工作及其相互关系见图21涉及大块材料的成分、组织、性能和应用的设计研[收稿日期]2002-10-10[基金项目]江苏省/青蓝0工程人才基金资助项目[作者简介]程晓农(1958-),男,江苏苏州人,教授,博士生导师,主要从事高性能新材料的设计与理论、材料的表面强化与功能化的研究116江苏大学学报(自然科学版)第24卷究,是工程应用层次的设计1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,
6、2材料计算设计的主要途径不同层次的目的、任务及应用也不尽相同180年代以来一些新材料不断地被发现,如高温211材料数据库和知识库技术超导材料、超硬材料、纳米材料、人工低维量子结构数据库一般应包括材料的性能及一些重要参量材料等,理论研究和计算设计在开发这些新材料中的数据,如材料成分、处理、试验条件以及材料的应起了重要的作用1主要是应用了第一性原理计算设用与评价等内容1知识库主要是材料成分、组织、工[3]计的方法,如局域密度近似(LDA)、GW准粒子艺和性能间的关系以及材料科学与工程的有关理论近似、分子动力学方法等1第一性原理计算又称为成
7、果1它是实现人工智能的基本条件1实际上知识基于量子理论的计算设计,或/从头算起0(abin-i库就是材料计算设计中的一系列数理模型,用于定[9]tio),基本方法有固体量子理论和量子化学理论1特量计算或半定量描述的关系式的总成1近年来国别适用于原子级、纳米级工程的材料,超小型器件用际上兴起了数据库知识技术KDD,它是一种强调归材料,电子器件材料等方面的计算设计1在材料表纳逻辑推理为特色和自适应寻找规律为目标的知识面和界面方面,主要的研究任务是:揭示发生在材料库系统构造方法1表面、界面上各种现象的物理内涵1如何利用第一数据库中存储的是具
8、体的数据值,它只能进行性原理的方法来计算设计表面和界面的物理、化学查询,不能推理,就象仓库一样1而知识库中存储的和动力学过程等问题1人工薄膜生长过程也是由原是规则、规律,通过数理模型的推理、运算,以一定的子水平上的物理学
