计算机在材料科学中的应用课件1教学提纲

计算机在材料科学中的应用课件1绪论1、计算机应用于材料科学研究中的必要性？2、计算机在材料科学研究中的应用领域有那些？必要性：

（1）材料的总体了解（2）材料的分类方法（3）材料的发展历程（4）材料的研究内容（5）材料的性质（6）材料的合成与制备（7）计算机的特点总体了解

（A）地位重要（C）目前的研究状况

人们已逐渐掌握了材料的组成、结构和性能之间的内在关系，能够按照使用要求对材料性能进行设计创造（B）研究时间长

转折点：19世纪

20世纪60年代：材料、能源与信息当代文明的三大支柱

20世纪70年代：新型材料、信息技术和生物技术新技术革命的主要标志

目前：新材料不仅是当今世界高新技术的核心支柱，也是产业进步的重要推动力

材料的分类方法（A）根据组成与结构：金属、无机非金属、有机高分子、复合材料（B）根据性能特征和作用：结构材料、功能材料

（C）根据用途：建筑材料、能源材料、电子材料、耐火材料、医用材料和耐蚀材料等

材料的发展历程

简单⇒复杂，以经验为主⇒以科学知识为主

独立学科：材料科学与工程学科材料的研究内容

组成、结构、性能、制备工艺和使用性能以及它们之间相互关系

材料的性质（A）材料的性质：材料对声、光、电、磁、热、机械载荷等刺激的反应，主要取决于材料的组成与结构。（B）使用性能：材料在使用状态下表现出来的行为。

材料的合成与制备

（A）传统方法：冶炼、制粉、压力加工和焊接等

（B）新发展的方法：真空溅射、气相沉积等

微观水平⇒宏观产品，制备高纯度单一元素⇒多种材料复合各种化学的、物理的、机械加工的方法均应综合应用

计算机的功能与特点：

定位：现代工具计算数据及图像处理文件传输文献检索资料保存办公平台交流信息己渗透到各门学科领域以及日常生活中成为现代化的标志。应用领域（1）计算机用于新材料的设计

（2）材料科学研究中的计算机模拟

（3）材料工艺过程的优化及自动控制

（4）计算机用于数据和图像处理

（5）计算机网络在材料研究中的应用

计算机用于新材料的设计：(A)材料设计的提出与发展

提出期：20世纪50年代

成熟期：20世纪80年代

（D）趋势：国际上的材料数据库正朝着智能化和网络化的方向发展

(a)基础理论的完善和发展:物理、化学、固体理论等（C）微观结构(b)计算机信息处理技术的建立和发展：知识和数据库等设计的基础(c)先进的材料生产和制备技术的发展：急冷、离子注入等

（B）分类

标准：设计对象和所(a)电子层次微观结构设计涉及的空间尺寸(b)原子/分子层次(c)显微结构层次几位材料设计专家：北京科技大学：刘国权教授（材料优化与设计研究室）[材料及其工艺的优化设计，计算材料学，材料模拟仿真等]清华大学：段文晖教授（凝聚态物理研究所）[功能陶瓷的计算设计]厦门大学：刘兴军教授（材料科学与工程系）[材料设计系统的开发，金属材料与复合材料]中国科学院沈阳金属所：周延春（高性能陶瓷材料研究部）[新型高温陶瓷及复合材料的多层次结构设计和制备科学]材料科学研究中的计算机模拟：

(A)定义：利用计算机对真实的系统进行模拟“实验”、提供、指导新材料研究，是材料设计的有效方法之一。

(B)对象：研制到使用的全过程合成、结构、性能、制备和使用等

(C)特点：快、省

(D)作用：(a)检验模型的准确性

(b)获得比在实际体系上所做的实验更为详细的微观信息(c)某些情况下，计算机模拟可以部分地代替实验

(d)对于理论的发展也有重要的意义

(a)电子、光学和磁性材料的模拟软件(SoftwareElectron,OpticalandMagneticMaterialsSimulation，简称EOM)(b)固态化学研究软件(SoftwareSolidStateChemistryResearch)(E)常见计算(c)模拟无机材料的结构和性能的软件(Simulatingthe机模拟软件

Structures&PropertiesofInorganicMaterials)

(d)聚合物体系的性能预测和分析软件(PropertyPrediction&AnalysisofPolymerSystems)

(a)电子层次(如电子结构)(F)计算机模拟(b)原子/分子层次(如结构、力学性能、热力学和动力学性能)的层次划分(c)微观结构层次(如晶粒生长、烧结、位错、极化和织构等)(d)宏观层次(如铸造、焊接、锻造和化学气相沉积)0.1～lnm，l～l0nm，～lμm以及lμm以上的尺度。

材料工艺过程的优化及自动控制

(A)主要设备：微型计算机、可编程控制器

(C)水平：简单顺序控制⇒数学模型在线控制和统计过程控制

分散的个别设备的控制⇒计算机综合管理与控制控制水平提高，可靠性得到充分保证

(a)减轻劳动强度(B)优点(b)改善产品质量和精度

(c)提高产量各种自动化生产线；气体渗碳、渗氮控制；烧结炉、陶瓷窑炉等

计算机用于数据和图像处理

(A)数据（原始资料）：存储、计算、绘图、拟合及快速查询(B)图像（二维照片）：Origin、Photoshop等计算机网络在材料研究中的应用

(A)相互交流(B)及时了解材料科学的发展动向(C)阅读各种相关杂志的电子版(D)查找己发表的论文(F)介绍自己的研究成果

各类搜索引擎第一章

材料科学研究中的数学模型

第一节

数学模型基础

1、基本概念2、数学模型的分类3、数学模型的作用基本概念

(1)模型：模型是对实体的特征及其变化规律的一种表示或抽象如:各种卡通形象

(a)广义理解：凡是以相应的客观原型(即实体)作为背景加以一级抽象或多级抽象的数学概念、(3)分类：数学式子、数学理论等都叫做数学模型。(b)狭义理解：那些反映特定问题或特定事物系统的

数学符号系统就叫做数学模型。(2)数学模型：是利用数学语言对某种事物系统的特征和数量关系建立起来的符号系统

如:x=y2(4)作用：刻画客观事物的本质属性与内在联系，是对现实世界的抽象、简化而又本质的描述。它源于实践，却不是原型的简单复制，而是一种更高层次的抽象。它能够解释特定事物的各种显示形态，或者预测它将来的形态，或者能为控制某一事物的发展提供最优化策略(5)目的：解决实际问题数学模型的分类

（1）人们对实体（A）描述性数学模型从特殊到一般的认识过程（B）解释性数学模型从一般到特殊

采用简单而且初等的方法建立问题的数学模型，该模型容易被更多的人理解接受和采用，更有价值。该模型包括代数法建模、图解法建模等。

是根据图论的方法，通过由点和边组成的图形为任何一个包含了某种二元关系的系统提供一个数学模型，并根据图的性质进行分析。如物质结构都可用点和边连接起来的图来模拟，有机化合物的分子结构模型是在所研究的现象或过程中取一局部或一瞬间，然后找出有关变量和未知变量的微分(或差分)之间的关系式，从而获得系统的数学模型。扩散问题、材料电子显微分析中的衍衬运动学、衍衬动力学理论等。

根据概率论的方法讨论描述随机现象的数学模型。描述炮弹的运动轨迹和着弹点的数学模型、描述高分子材料链式化学反应的数学模型

用其他现象或过程来描述所研究的现象或过程，用模型的性质来代表原来的性质。如：在材料科学中采用非牛顿流体力学和流变学来描述高聚物加工过程、建立液晶高分子材料本构方程。

（A）初等模型（B）图论模型

（2）建立模型（C）微分方程模型的数学方法（D）随机模型（E）模拟模型（F）规划论模型（G）最优控制模型（3）模型的应用领域：人口模型、交通模型、环境模型、生态模型、水资源模型、再生资源利用模型、电气系统模型、传染病模型和污染模型等

(A)确定性模型和随机模型输出是否确定(B)离散模型和连续性模型变量的连续与离散（4）模型的特征(C)线性模型和非线性模型输入与输出线性关系(D)静态模型和动态模型

（5）对模型结构了解的程度：白箱模型、灰箱模型和黑箱模型。

人们对原型的内在机理了解得清楚、不太清楚和不清楚

数