第一章 计算机在材料科学中的应用-绪论

1、计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用教学背景教学背景 材料材料( (Materials)Materials)是国民经济的物质基础，是国民经济的物质基础，是人类社会发展的巨大推动力。是人类社会发展的巨大推动力。 计算机技术发展改变着世界，对人类文明和计算机技术发展改变着世界，对人类文明和社会进步产生深远影响。社会进步产生深远影响。 利用计算机技术对材料科学与工程的传统产利用计算机技术对材料科学与工程的传统产业的改造，给材料产业带来革命性的变化业的改造，给材料产业带来革命性的变化 。教学的主要目的教学的主要目的 一一. .了解计算机技术在材料科学中的应用。了解计算机技术在材料科学中的应

2、用。二二. .熟悉常用的材料学科计算方法和数据处理。熟悉常用的材料学科计算方法和数据处理。三三. .熟悉熟悉材料科学研究中数值模拟方法基础。材料科学研究中数值模拟方法基础。四四. .掌握掌握材料科学研究中物理场的计算机分析。材料科学研究中物理场的计算机分析。五五. .了解材料数据库和专家系统。了解材料数据库和专家系统。六六. .了解了解计算机检测与控制系统在材料中的应用。计算机检测与控制系统在材料中的应用。七七. .掌握掌握互联网在材料科学与工程中的应用互联网在材料科学与工程中的应用教教材材主要内容主要内容 材料学科常用的计算方法和数据处理材料学科常用的计算方法和数据处理 数值模拟的基本理论和

3、方法数值模拟的基本理论和方法 材料科学与工程中的物理场计算机分析材料科学与工程中的物理场计算机分析 材料科学数据库与新材料设计材料科学数据库与新材料设计 计算机检测与控制系统在材料中的应用计算机检测与控制系统在材料中的应用 互联网在材料科学与工程中的应用互联网在材料科学与工程中的应用第一章第一章 绪论绪论计算机在材料科学中的应用概况计算机在材料科学中的应用概况一、材料科学的发展1. 1. 材料科学的地位材料科学的地位l 现代科学技术的三大支柱现代科学技术的三大支柱 - - 能源、材料、信息。其中材料是能源、材料、信息。其中材料是基础。基础。l 材料的研究、开发与应用反映一个国家的科学技术与工业

4、水平。材料的研究、开发与应用反映一个国家的科学技术与工业水平。 1957 1957年年1010月月4 4日和日和1111月月3 3日苏联发射两颗人造卫星，日苏联发射两颗人造卫星， 1958 1958年年1 1月月3131日美国发射日美国发射“探测者探测者1 1号号”人造卫星，人造卫星， 美国有关部门联合提出报告，认为美国在先进材料的研究方面美国有关部门联合提出报告，认为美国在先进材料的研究方面 落后于苏联是关键。落后于苏联是关键。l 世界各国把材料放在重要地位来发展世界各国把材料放在重要地位来发展 我国一直将材料科学技术列为各个五年计划的重点发展领域。我国一直将材料科学技术列为各个五年计划的重

5、点发展领域。l 材料是人类文明进步的里程碑材料是人类文明进步的里程碑 早期历史按石器、陶器、青铜器、铁器时代来划分，材料代表早期历史按石器、陶器、青铜器、铁器时代来划分，材料代表着当时的生产能力和生活水平。着当时的生产能力和生活水平。2. 材料科学的内涵材料科学的内涵材料科学是关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相材料科学是关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发和应用的科学，互关系的知识开发和应用的科学，是介于基础科学（物理、化学）和应用科学（电子工程、机械工程）是介于基础科学（物理、化学）和应用科学（电子工程、机械工程）的应用基础科学。的应用基础科学。

6、3. 材料的分类材料的分类 按物态划分：气态、液态和固态按物态划分：气态、液态和固态 按组成和结合键性质：金属材料、无机非金属材料、高分子材按组成和结合键性质：金属材料、无机非金属材料、高分子材料以及半导体材料。料以及半导体材料。 按材料的功能：结构材料、功能材料按材料的功能：结构材料、功能材料 按使用领域：建筑材料、电子材料、按使用领域：建筑材料、电子材料、 医用材料、能源材料等医用材料、能源材料等p 功能材料功能材料(1) 信息功能材料信息功能材料半导体材料半导体材料：硅，：硅， -族化合物，宽禁带半导体的族化合物，宽禁带半导体的SiC、GaN等。等。光电子材料光电子材料：激光材料，太阳能

7、电池、激光材料，太阳能电池、LED、光纤（、光纤（SiO2）(2) 能源功能材料能源功能材料超导材料超导材料：高温（液氮温度）超导已发现高温（液氮温度）超导已发现30多种，多种， YBaCuO磁性材料磁性材料：硅钢片硅钢片贮能材料贮能材料：贮氢与高能电池贮氢与高能电池燃料电池燃料电池：化学能转变为电能化学能转变为电能(3) 纳米材料科学技术：纳米材料科学技术：尺寸在尺寸在1100 nm之间的物质之间的物质纳米颗粒纳米颗粒(0维维)纳米丝、纳米棒、纳米管纳米丝、纳米棒、纳米管(1维维).纳米基本单元纳米基本单元纳米薄膜、纳米多层膜纳米薄膜、纳米多层膜(2维维).碳纳米管被人类发现，它的质量是相同

8、体积碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的钢的六分之一，强度却是钢的 10 倍。倍。4. 材料发展的基础材料发展的基础l 量子力学、固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等基础学科的量子力学、固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等基础学科的发展为材料科学奠定了重要基础。发展为材料科学奠定了重要基础。l 现代分析技术和设备的更新，加深了对物质结构和物理化学性质的理现代分析技术和设备的更新，加深了对物质结构和物理化学性质的理解。解。l 金属学、半导体学、陶瓷学、高分子科学等自身的发展也使对材料本金属学、半导体学、陶瓷学、高分子科学等自身的发展也使对材料本质认识系统化（组

9、成质认识系统化（组成 制备制备 结构结构 性能的关系）性能的关系）l 材料科学范畴下不同材料应用理论和工艺技术的交叉融合，材料科学范畴下不同材料应用理论和工艺技术的交叉融合，l 现代材料技术从多样化、单一化走向一体化、复合化。现代材料技术从多样化、单一化走向一体化、复合化。 复合材料复合材料5. 材料发展的推动力材料发展的推动力（1）应用需求）应用需求l 信息技术：电子信息处理、光电子信息处理及光子信息处理，需要电子材料、光电子材料、薄膜与器件等。（2）多学科交叉）多学科交叉l 材料的组分设计与合成，涉及基础学科的各分支：热力学、动力学、仿生合成等。（3）基础学科发展的推动力）基础学科发展的推

10、动力l近代物理、化学，特别是固体物理、量子化学等基础理论的发展，并应用各种先进分析仪器和尖端技术来研究和阐明材料的本性。（4）科技与经济发展）科技与经济发展l 信息功能材料、高温结构材料、复合材料、生物材料、智能材料和纳米材料等是新技术革命的先导材料。l 21世纪的科技发展，将以先进材料技术、先进能源技术、信息技术和生物技术等四大学科为中心，通过相互交叉发展，为人类创造完全不同的生态环境。6. 应用背景应用背景航空航天航空航天航空和航天器要采用强度高和比重小的材航空和航天器要采用强度高和比重小的材料，重视材料的比强度。因此，航空和航料，重视材料的比强度。因此，航空和航天器中铝、镁合金用量大。随

11、着航空技术天器中铝、镁合金用量大。随着航空技术的进一步发展，轻质和高比强度的钛合金、的进一步发展，轻质和高比强度的钛合金、碳纤维高分子复合材料、硼纤维金属复合碳纤维高分子复合材料、硼纤维金属复合材料等得到愈来愈多的采用。材料等得到愈来愈多的采用。生物工程生物工程新能源新能源 太阳能电池材料及应用军事工业军事工业信息通信信息通信计算机经历：电子管计算机经历：电子管 晶体管晶体管 集成电路时代集成电路时代所用材料：钨，钼所用材料：锗，硅所用材料：单晶硅，高纯钛，SiO2薄膜等一块单晶硅晶片上可做几百个芯片，目前主频为1Ghz的电脑芯片上晶体管数目超过30000000个。二、计算机在材料科学中的应用

12、二、计算机在材料科学中的应用计算机模拟技术用于材料行为工艺研究计算机模拟技术用于材料行为工艺研究 利用计算机对真实的系统进行模拟实验，提供材料在某种工艺条件利用计算机对真实的系统进行模拟实验，提供材料在某种工艺条件下的行为变化规律。下的行为变化规律。 如：单晶硅提拉过程的计算机模拟。如：单晶硅提拉过程的计算机模拟。数值模拟：利用计算再现晶体生长过程，优化生长技术。数值模拟：利用计算再现晶体生长过程，优化生长技术。目的：降低生产成本、提高生产效率、提高晶体质量。目的：降低生产成本、提高生产效率、提高晶体质量。计算机模拟与实验相比具有的优势：计算机模拟与实验相比具有的优势： 快速且成本低廉（从几分

13、钟到几小时；仅仅需要一个专业软件和快速且成本低廉（从几分钟到几小时；仅仅需要一个专业软件和计算机）计算机） 能够得到炉体中各点的信息，包括不能用实验方法测量到的数据能够得到炉体中各点的信息，包括不能用实验方法测量到的数据（温度梯度，热应力，结晶方式，流体动力学和杂质（温度梯度，热应力，结晶方式，流体动力学和杂质/掺杂物的输掺杂物的输运）运） 更改炉体的设计和生长参数不需要额外投资（只需要几分钟的时更改炉体的设计和生长参数不需要额外投资（只需要几分钟的时间即可），进行技术开发既快捷又方便。间即可），进行技术开发既快捷又方便。（三）应用（三）应用计算机数值模拟技术用于材料行为工艺研究计算机数值模拟

14、技术用于材料行为工艺研究 利用计算机数值模拟对真实的系统进行模拟实验，提供材料在某种利用计算机数值模拟对真实的系统进行模拟实验，提供材料在某种工艺条件下的行为变化规律。工艺条件下的行为变化规律。 如：直拉法单晶硅生长的计算机数值模拟仿真如：直拉法单晶硅生长的计算机数值模拟仿真数值模拟：利用计算再现晶体生长过程，优化生长技术。数值模拟：利用计算再现晶体生长过程，优化生长技术。目的：降低生产成本、提高生产效率、提高晶体质量。目的：降低生产成本、提高生产效率、提高晶体质量。计算机模拟与实验相比具有的优势：计算机模拟与实验相比具有的优势： 快速且成本低廉（从几分钟到几小时；仅仅需要一个专业软件和快速且

15、成本低廉（从几分钟到几小时；仅仅需要一个专业软件和计算机）计算机） 能够得到炉体中各点的信息，包括不能用实验方法测量到的数据能够得到炉体中各点的信息，包括不能用实验方法测量到的数据（温度梯度，热应力，结晶方式，流体动力学和杂质（温度梯度，热应力，结晶方式，流体动力学和杂质/掺杂物的输掺杂物的输运）运） 更改炉体的设计和生长参数不需要额外投资（只需要几分钟的时更改炉体的设计和生长参数不需要额外投资（只需要几分钟的时间即可），进行技术开发既快捷又方便。间即可），进行技术开发既快捷又方便。CGSim软件模拟软件模拟用于熔体中晶体生长过程仿真和优化用于熔体中晶体生长过程仿真和优化。模拟条件模拟条件 (

16、拉速：0.65mm/min 加热功率：65KW 硅料总重：84kg 晶转: 12rpm 埚转: -8rpm 晶体高度：300mm)模拟显示的模拟显示的300mm单晶硅生长的温场和流场单晶硅生长的温场和流场 增大结晶速率，一次生长出大直径、大长度的硅棒；增大结晶速率，一次生长出大直径、大长度的硅棒； 缺陷最少（无位错、无孪晶、点缺陷少）；缺陷最少（无位错、无孪晶、点缺陷少）； 杂质最少、掺杂浓度均匀；杂质最少、掺杂浓度均匀； 降低功率消耗。降低功率消耗。2. 计算机技术用于材料数据库计算机技术用于材料数据库l 材料数据库一般包含材料性能、成分、处理、试验条件、应用与材料数据库一般包含材料性能、成

17、分、处理、试验条件、应用与评价等一些重要参量的数据。目的是方便材料工作者查询和研究。评价等一些重要参量的数据。目的是方便材料工作者查询和研究。不同的材料数据库如：不同的材料数据库如：中国科学院金属研究所：中国科学院金属研究所：http:/ 计算机技术用于材料设计计算机技术用于材料设计l 材料设计是指通过材料设计是指通过理论分析与计算理论分析与计算预报新材料的预报新材料的组分、结构及性能组分、结构及性能，进，进而通过而通过理论设计理论设计来来“定做定做”具有特殊性能的新材料。具有特殊性能的新材料。第一性原理计算、吉布斯自由能计第一性原理计算、吉布斯自由能计算、有限差分法、有限元法算、有限差分法、

18、有限元法材料的微观设计层次材料的微观设计层次（ 1 nm量级量级）（电子、原子、分子层次的设计）N-WellP-WellP+P+N+N+I M D1IMD2IMD2 DARC高速晶体管和CMOS结构设计应用Material studio、 ABINIT软件等进行半导体材料的能带结构计算。材料的介观设计层次材料的介观设计层次（ 1 m量级量级）（连续介质，不考虑单个原子、分子的设计连续介质，不考虑单个原子、分子的设计）Thermo-Calc软件进行相图计算相图计算相图计算：相图是研究材料成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，是制定各种热加工工艺的依据。相图是材料研究的指南针。材料的宏观结构设

19、计材料的宏观结构设计 （大块材料的成分、组织、性能和应用设计研究）（大块材料的成分、组织、性能和应用设计研究）CAD - Computer Aided DesignCAE-Computer Aided EngineeringANSYS软件进行结构分析、热分析、流体分析、电软件进行结构分析、热分析、流体分析、电 / 静电场分析、电磁场静电场分析、电磁场分析。分析。静态荷载分析静态荷载分析热场分析热场分析4. 计算机技术用于材料加工控制计算机技术用于材料加工控制l 对材料进行加工是工业上制造和处理材料的重要手段。对材料进行加工是工业上制造和处理材料的重要手段。l 材料加工包括铸造、粉末冶金、集成电

20、路制备等。材料加工包括铸造、粉末冶金、集成电路制备等。l 基本原理：依据材料加工的尺寸或性能要求向计算机输入相关数据，将基本原理：依据材料加工的尺寸或性能要求向计算机输入相关数据，将数据经过数据经过A/D（模数）转换器转化为数字信号输入计算机，计算机经过程（模数）转换器转化为数字信号输入计算机，计算机经过程序处理后，将处理后的数字信号经序处理后，将处理后的数字信号经D/A转换器变成模拟信号，进而将模拟转换器变成模拟信号，进而将模拟信息传输到相应的执行设备以达到自动控制效果。信息传输到相应的执行设备以达到自动控制效果。晶片切割机单晶生长炉 材料的组成和结构采用各种大型分析设备进行，如扫描电镜、材料的组成和结构采用各种大型分析设备进行，如扫描电镜、透射电镜、分析电镜、扫描探针显微镜，各种谱仪和各种衍射仪，透射电镜、分析电镜、扫描探针显微镜，各种谱仪和各种衍射仪，这些均是在计算机控制下完成各自的分析工作，而且设备随之提供这些均是在计算机控制下完成各自的分析工作，而且设备随之提供了各种功能强大的分析模拟软件及其数据库，从而更加有效地提高