1 材料学院陈铮本科生学位课金属材料学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学 第十章 计算材料学简介第十章 计算材料学简介 2 材料学院陈铮本科生学位课金属材料学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学 第一节 回顾与展望第一节 回顾与展望 3 西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学 材料发展史材料发展史材料发展史材料发展史 年代年代年代年代 科学技术性科学技术性科学技术性科学技术性 使用自使用自使用自使用自 然材料然材料然材料然材料 基于经验合成基于经验合成基于经验合成基于经验合成 加工人工材料加工人工材料加工人工材料加工人工材料 建立材料的实建立材料的实建立材料的实建立材料的实 验科学体系验科学体系验科学体系验科学体系 计算材料学，材计算材料学，材计算材料学，材计算材料学，材 料的数值化设计料的数值化设计料的数值化设计料的数值化设计 当前的水平当前的水平当前的水平当前的水平 4 西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学 材料发展史材料发展史材料发展史材料发展史 年代年代年代年代 科学技术性科学技术性科学技术性科学技术性 原始使用原始使用原始使用原始使用 材料时代材料时代材料时代材料时代 工匠生产时代的工匠生产时代的工匠生产时代的工匠生产时代的 经验合成加工经验合成加工经验合成加工经验合成加工 工业化时代工业化时代工业化时代工业化时代 的实验科学的实验科学的实验科学的实验科学 信息化时代的信息化时代的信息化时代的信息化时代的 材料数值化材料数值化材料数值化材料数值化 当前的水平当前的水平当前的水平当前的水平 5 西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学 随着计算机和计算方法的飞速发展，随着计算机和计算方法的飞速发展，随着计算机和计算方法的飞速发展，随着计算机和计算方法的飞速发展，几乎所有学几乎所有学几乎所有学几乎所有学 科都走向定量化和精确化，科都走向定量化和精确化，科都走向定量化和精确化，科都走向定量化和精确化，产生了一系列计算性产生了一系列计算性产生了一系列计算性产生了一系列计算性 的学科分支，如计算物理、计算化学、计算生物的学科分支，如计算物理、计算化学、计算生物的学科分支，如计算物理、计算化学、计算生物的学科分支，如计算物理、计算化学、计算生物 学、计算地质学、计算气象学和计算材料学等。学、计算地质学、计算气象学和计算材料学等。学、计算地质学、计算气象学和计算材料学等。学、计算地质学、计算气象学和计算材料学等。 计算材料科学是材料科学、固体物理、计算材料科学是材料科学、固体物理、计算材料科学是材料科学、固体物理、计算材料科学是材料科学、固体物理、 理论化学理论化学理论化学理论化学 和计算科学等和计算科学等和计算科学等和计算科学等诸多学科交叉结合、相互渗透而产诸多学科交叉结合、相互渗透而产诸多学科交叉结合、相互渗透而产诸多学科交叉结合、相互渗透而产 生的新兴学科生的新兴学科生的新兴学科生的新兴学科，是目前世界上高速发展的新兴学，是目前世界上高速发展的新兴学，是目前世界上高速发展的新兴学，是目前世界上高速发展的新兴学 科，在美、日、欧科，在美、日、欧科，在美、日、欧科，在美、日、欧21212121世纪科技发展规划中都占有世纪科技发展规划中都占有世纪科技发展规划中都占有世纪科技发展规划中都占有 重要地位。重要地位。重要地位。重要地位。 计算材料学的产生背景计算材料学的产生背景计算材料学的产生背景计算材料学的产生背景 6 西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学 计算材料学成为现代材料科学中新兴的、令人激计算材料学成为现代材料科学中新兴的、令人激计算材料学成为现代材料科学中新兴的、令人激计算材料学成为现代材料科学中新兴的、令人激 动的跨学科分支动的跨学科分支动的跨学科分支动的跨学科分支 计算材料科学使材料科学与工程从定性描述走向计算材料科学使材料科学与工程从定性描述走向计算材料科学使材料科学与工程从定性描述走向计算材料科学使材料科学与工程从定性描述走向 定量预测的新阶段；可为新材料的研制提供理论定量预测的新阶段；可为新材料的研制提供理论定量预测的新阶段；可为新材料的研制提供理论定量预测的新阶段；可为新材料的研制提供理论 基础和优选方案，从传统的经验试错法，推进到基础和优选方案，从传统的经验试错法，推进到基础和优选方案，从传统的经验试错法，推进到基础和优选方案，从传统的经验试错法，推进到 以知识为基础的计算实验辅助设计。以知识为基础的计算实验辅助设计。以知识为基础的计算实验辅助设计。以知识为基础的计算实验辅助设计。 计算材料学的进展程度计算材料学的进展程度计算材料学的进展程度计算材料学的进展程度 7 西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学 材料设计是指通过理论与计算预报新材料的组 分、结构与性能，即理论设计订做新材料 材料设计是指通过理论与计算预报新材料的组 分、结构与性能，即理论设计订做新材料。 50年代初，前苏联开展了合金及无机化合物 的计算机预报，1962年在理论上提出人工半导体 超晶格概念。 1985年日本的新材料开发与材料设计学 一书中首次提出了“材料设计学”专门方向 。 50年代初，前苏联开展了合金及无机化合物 的计算机预报，1962年在理论上提出人工半导体 超晶格概念。 1985年日本的新材料开发与材料设计学 一书中首次提出了“材料设计学”专门方向 。 计算材料学的回顾计算材料学的回顾计算材料学的回顾计算材料学的回顾 8 西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学 计算材料学的回顾计算材料学的回顾计算材料学的回顾计算材料学的回顾 1989198919891989年美国针对年美国针对年美国针对年美国针对8 8 8 8个工业部门个工业部门个工业部门个工业部门( ( ( (航天、汽车、航天、汽车、航天、汽车、航天、汽车、 生物材料、化学、电子学、能源、金属和通信生物材料、化学、电子学、能源、金属和通信生物材料、化学、电子学、能源、金属和通信生物材料、化学、电子学、能源、金属和通信) ) ) )的的的的 对材料需求，编写了对材料需求，编写了对材料需求，编写了对材料需求，编写了90909090年代的材料科学与工程年代的材料科学与工程年代的材料科学与工程年代的材料科学与工程 。 报告认为，报告认为，报告认为，报告认为，计算机分析与模型化计算机分析与模型化计算机分析与模型化计算机分析与模型化的进展，将的进展，将的进展，将的进展，将 使材料科学从定性描述逐渐进入定量描述。使材料科学从定性描述逐渐进入定量描述。使材料科学从定性描述逐渐进入定量描述。使材料科学从定性描述逐渐进入定量描述。 9 西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学 (1)(1)(1)(1)固体物理、量子化学、统计力学、计算数学等学固体物理、量子化学、统计力学、计算数学等学固体物理、量子化学、统计力学、计算数学等学固体物理、量子化学、统计力学、计算数学等学 科的发展，为材料微观结构设计提供了理论基础。科的发展，为材料微观结构设计提供了理论基础。科的发展，为材料微观结构设计提供了理论基础。科的发展，为材料微观结构设计提供了理论基础。 (2)(2)(2)(2)现代计算机可解决几年前在数学计算、数据分析现代计算机可解决几年前在数学计算、数据分析现代计算机可解决几年前在数学计算、数据分析现代计算机可解决几年前在数学计算、数据分析 中无法解决的问题中无法解决的问题中无法解决的问题中无法解决的问题 (3)(3)(3)(3)科学测试仪器定量测量水平的进步，需要借助计科学测试仪器定量测量水平的进步，需要借助计科学测试仪器定量测量水平的进步，需要借助计科学测试仪器定量测量水平的进步，需要借助计 算机技术沟通理论与实验资料。算机技术沟通理论与实验资料。算机技术沟通理论与实验资料。算机技术沟通理论与实验资料。 材料设计的展望材料设计的展望材料设计的展望材料设计的展望 10 西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学 材料设计的展望材料设计的展望材料设计的展望材料设计的展望 (4)(4)(4)(4)材料研究和制备的许多复杂的物理、化学过程材料研究和制备的许多复杂的物理、化学过程材料研究和制备的许多复杂的物理、化学过程材料研究和制备的许多复杂的物理、化学过程 需要用计算机进行模拟和计算，提供实验难以得需要用计算机进行模拟和计算，提供实验难以得需要用计算机进行模拟和计算，提供实验难以得需要用计算机进行模拟和计算，提供实验难以得 到的信息。到的信息。到的信息。到的信息。 (5)(5)(5)(5)原子、分子为起始物的材料合成和在微观尺度原子、分子为起始物的材料合成和在微观尺度原子、分子为起始物的材料合成和在微观尺度原子、分子为起始物的材料合成和在微观尺度 上控制结构，是现代先进材料的重要发展方向，上控制结构，是现代先进材料的重要发展方向，上控制结构，是现代先进材料的重要发展方向，上控制结构，是现代先进材料的重要发展方向， 材料微观设计不可缺少。材料微观设计不可缺少。材料微观设计不可缺少。材料微观设计不可缺少。 11 材料学院陈铮本科生学位课金属材料学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学 第二节 挑战与机遇第二节 挑战与机遇 12 西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学 许多先进材料的制备和加工已进入“原子级 水平” 许多先进材料的制备和加工已进入“原子级 水平”，要求深入到电子、原子、分子层次 了解和表征材料物性， ，要求深入到电子、原子、分子层次 了解和表征材料物性， 进入“原子级水平”进入“原子级水平”的挑战的挑战 单个原子聚合成簇，或形成零维、一维、三 维材料，都属于原子级工程。 单个原子聚合成簇，或形成零维、一维、三 维材料，都属于原子级工程。 13 西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学 从原子水平和化学键水平才能阐明材料表面和界 面的本质。 从原子水平和化学键水平才能阐明材料表面和界 面的本质。 进入“原子级水平”进入“原子级水平”的挑战的挑战 超小型化器件的关键材料是由为数极少的原子所 组成，增加或减少一个原子或电子都将使其状态 发生明显变化。 超小型化器件的关键材料是由为数极少的原子所 组成，增加或减少一个原子或电子都将使其状态 发生明显变化。 原子水平上的材料设计必然受到高度重视，原子水平上的材料设计必然受到高度重视，在现 代材料科学技术的发展中将起举足轻重的作用。 在现 代材料科学技术的发展中将起举足轻重的作用。 14 西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学 1995年美国国家科学研究委员会编写的 材料科学的计算与理论技术报告中说： 1995年美国国家科学研究委员会编写的 材料科学的计算与理论技术报告中说： 设计材料正在变为现实，设计材料正在变为现实，材料研制与应用 中的理论份量不断增长，处在应用理论和 计算设计材料的初期阶段。 材料研制与应用 中的理论份量不断增长，处在应用理论和 计算设计材料的初期阶段。 美国国家科学研究委员会报告美国国家科学研究委员会报告 15 西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学西北工业大学材料学院陈铮本科生学位课金属材料学 材料科学的计算与理论技术报告提出了原子 水平材料研究的 材料科学的计算与理论技术报告提出了原子 水平材料研究的13个领域专门报告个领域专门报告 。 美国国家科学研究委员会报告美国国家科学研究委员会