第一章計算機在材料科學中的應用-緒論

計算機在材料科學中的應用教學背景

材料(Materials)是國民經濟的物質基礎，是人類社會發(fā)展的巨大推動力。

計算機技術發(fā)展改變著世界，對人類文明和社會進步產生深遠影響。

利用計算機技術對材料科學與工程的傳統(tǒng)產業(yè)的改造，給材料產業(yè)帶來革命性的變化。教學的主要目的

一.了解計算機技術在材料科學中的應用。二.熟悉常用的材料學科計算方法和數據處理。三.熟悉材料科學研究中數值模擬方法基礎。四.掌握材料科學研究中物理場的計算機分析。五.了解材料數據庫和專家系統(tǒng)。六.了解計算機檢測與控制系統(tǒng)在材料中的應用。七.掌握互聯網在材料科學與工程中的應用教材主要內容材料學科常用的計算方法和數據處理數值模擬的基本理論和方法材料科學與工程中的物理場計算機分析材料科學數據庫與新材料設計計算機檢測與控制系統(tǒng)在材料中的應用互聯網在材料科學與工程中的應用第一章緒論計算機在材料科學中的應用概況一、材料科學的發(fā)展1.材料科學的地位

現代科學技術的三大支柱---能源、材料、信息。其中材料是基礎。

材料的研究、開發(fā)與應用反映一個國家的科學技術與工業(yè)水平。

1957年10月4日和11月3日蘇聯發(fā)射兩顆人造衛(wèi)星，

1958年1月31日美國發(fā)射“探測者1號”人造衛(wèi)星，

美國有關部門聯合提出報告，認為美國在先進材料的研究方面落后于蘇聯是關鍵。

世界各國把材料放在重要地位來發(fā)展

我國一直將材料科學技術列為各個五年計劃的重點發(fā)展領域。

材料是人類文明進步的里程碑

早期歷史按石器、陶器、青銅器、鐵器時代來劃分，材料代表著當時的生產能力和生活水平。2.材料科學的內涵材料科學是關于材料組成、結構、制備工藝與其性能及使用過程間相互關系的知識開發(fā)和應用的科學，是介于基礎科學（物理、化學）和應用科學（電子工程、機械工程）的應用基礎科學。3.材料的分類

按物態(tài)劃分：氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)

按組成和結合鍵性質：金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料以及半導體材料。

按材料的功能：結構材料、功能材料

按使用領域：建筑材料、電子材料、醫(yī)用材料、能源材料等功能材料(1)

信息功能材料半導體材料：硅，

Ⅲ-Ⅴ族化合物，寬禁帶半導體的SiC、GaN等。光電子材料：激光材料，太陽能電池、LED、光纖（SiO2）(2)

能源功能材料超導材料：高溫（液氮溫度）超導已發(fā)現30多種，

YBaCuO磁性材料：硅鋼片貯能材料：貯氫與高能電池燃料電池：化學能轉變?yōu)殡娔?3)納米材料科學技術：尺寸在1～100nm之間的物質納米顆粒(0維)納米絲、納米棒、納米管(1維).納米基本單元納米薄膜、納米多層膜(2維).碳納米管被人類發(fā)現，它的質量是相同體積鋼的六分之一，強度卻是鋼的10倍。4.材料發(fā)展的基礎

量子力學、固體物理、無機化學、有機化學、物理化學等基礎學科的發(fā)展為材料科學奠定了重要基礎。

現代分析技術和設備的更新，加深了對物質結構和物理化學性質的理解。

金屬學、半導體學、陶瓷學、高分子科學等自身的發(fā)展也使對材料本質認識系統(tǒng)化（組成

–制備–結構–性能的關系）

材料科學范疇下不同材料應用理論和工藝技術的交叉融合，

現代材料技術從多樣化、單一化走向一體化、復合化。

復合材料5.材料發(fā)展的推動力（1）應用需求

信息技術：電子信息處理、光電子信息處理及光子信息處理，需要電子材料、光電子材料、薄膜與器件等。（2）多學科交叉

材料的組分設計與合成，涉及基礎學科的各分支：熱力學、動力學、仿生合成等。（3）基礎學科發(fā)展的推動力近代物理、化學，特別是固體物理、量子化學等基礎理論的發(fā)展，并應用各種先進分析儀器和尖端技術來研究和闡明材料的本性。（4）科技與經濟發(fā)展

信息功能材料、高溫結構材料、復合材料、生物材料、智能材料和納米材料等是新技術革命的先導材料。

21世紀的科技發(fā)展，將以先進材料技術、先進能源技術、信息技術和生物技術等四大學科為中心，通過相互交叉發(fā)展，為人類創(chuàng)造完全不同的生態(tài)環(huán)境。6.應用背景航空航天航空和航天器要采用強度高和比重小的材料，重視材料的比強度。因此，航空和航天器中鋁、鎂合金用量大。隨著航空技術的進一步發(fā)展，輕質和高比強度的鈦合金、碳纖維高分子復合材料、硼纖維金屬復合材料等得到愈來愈多的采用。實例壓氣機葉片壓氣機機匣飛機尾翼硼纖維鋁合金板和管材料鋁合金鈦合金碳纖維復合材料硼纖維增強鋁合金強度范圍MPa150－450350－11001000－1200（順纖維方向）1500（順纖維方向）比強度MPa55－16080－245625－750570生物工程新能源

太陽能電池材料及應用軍事工業(yè)信息通信計算機經歷：電子管→晶體管→集成電路時代所用材料：鎢，鉬所用材料：鍺，硅所用材料：單晶硅，高純鈦，SiO2薄膜等一塊單晶硅晶片上可做幾百個芯片，目前主頻為1Ghz的電腦芯片上晶體管數目超過30000000個。二、計算機在材料科學中的應用計算機模擬技術用于材料行為工藝研究

利用計算機對真實的系統(tǒng)進行模擬實驗，提供材料在某種工藝條件下的行為變化規(guī)律。

如：單晶硅提拉過程的計算機模擬。數值模擬：利用計算再現晶體生長過程，優(yōu)化生長技術。目的：降低生產成本、提高生產效率、提高晶體質量。計算機模擬與實驗相比具有的優(yōu)勢：快速且成本低廉（從幾分鐘到幾小時；僅僅需要一個專業(yè)軟件和計算機）能夠得到爐體中各點的信息，包括不能用實驗方法測量到的數據（溫度梯度，熱應力，結晶方式，流體動力學和雜質/摻雜物的輸運）更改爐體的設計和生長參數不需要額外投資（只需要幾分鐘的時間即可），進行技術開發(fā)既快捷又方便。（三）應用計算機數值模擬技術用于材料行為工藝研究

利用計算機數值模擬對真實的系統(tǒng)進行模擬實驗，提供材料在某種工藝條件下的行為變化規(guī)律。

如：直拉法單晶硅生長的計算機數值模擬仿真數值模擬：利用計算再現晶體生長過程，優(yōu)化生長技術。目的：降低生產成本、提高生產效率、提高晶體質量。計算機模擬與實驗相比具有的優(yōu)勢：快速且成本低廉（從幾分鐘到幾小時；僅僅需要一個專業(yè)軟件和計算機）能夠得到爐體中各點的信息，包括不能用實驗方法測量到的數據（溫度梯度，熱應力，結晶方式，流體動力學和雜質/摻雜物的輸運）更改爐體的設計和生長參數不需要額外投資（只需要幾分鐘的時間即可），進行技術開發(fā)既快捷又方便。CGSim軟件模擬用于熔體中晶體生長過程仿真和優(yōu)化。模擬條件(拉速：0.65mm/min加熱功率：65KW硅料總重：84kg晶轉:12rpm堝轉:-8rpm晶體高度：300mm)模擬顯示的300mm單晶硅生長的溫場和流場

增大結晶速率，一次生長出大直徑、大長度的硅棒；缺陷最少（無位錯、無孿晶、點缺陷少）；雜質最少、摻雜濃度均勻；降低功率消耗。2.計算機技術用于材料數據庫

材料數據庫一般包含材料性能、成分、處理、試驗條件、應用與評價等一些重要參量的數據。目的是方便材料工作者查詢和研究。不同的材料數據庫如：中國科學院金屬研究所：/SDB/提供了納米材料數據、高溫合金數據、鈦合金數據、精密管材數據、材料連接數據、材料腐蝕數據和失效分析數據。美國材料性能數據庫：提供了鋁合金、銅合金、鎂合金、鈦合金、鎳基合金、鑄鐵、金屬間化合物、碳化物、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、高分子材料、透明材料等相關性能數據。大型數據庫鏈接到材料數據庫3.計算機技術用于材料設計材料設計是指通過理論分析與計算預報新材料的組分、結構及性能，進而通過理論設計來“定做”具有特殊性能的新材料。第一性原理計算、吉布斯自由能計算、有限差分法、有限元法…材料的微觀設計層次（

~1nm量級）（電子、原子、分子層次的設計）N-WellP-WellP+P+N+N+IMD1IMD2

DARC高速晶體管和CMOS結構設計應用Materialstudio、

ABINIT軟件等進行半導體材料的能帶結構計算。材料的介觀設計層次（

~1μm量級）（連續(xù)介質，不考慮單個原子、分子的設計）Thermo-Calc軟件進行相圖計算相圖計算：相圖是研究材料成分、溫度、組織和性能之間關系的理論基礎，是制定各種熱加工工藝的依據。相圖是材料研究的指南針。材料的宏觀結構設計（大塊材料的成分、組織、性能和應用設計研究）CAD-ComputerAidedDesignCAE-ComputerAidedEngineeringANSYS軟件進行結構分析、熱分析、流體分析、電/靜電場分析、電磁場分析。靜態(tài)荷載分析熱場分析4.計算機技術用于材料加工控制

對材料進行加工是工業(yè)上制造和處理材料的重要手段。

材料加工包括鑄造、粉末冶金、集成電路制備等。

基本原理：依據材料加工的尺寸或性能要求向計算機輸入相關數據，將數據經過A/D（模數）轉換器轉化為數字信號輸入計算機，計算機經過程序處理后，將處理后的數字信號經D/A轉換器變成模擬信號，進而將模擬信息傳輸到相應的執(zhí)行設備以達到自動控制效果。晶片切割機單晶生長爐材料的組成和結構采用各種大型分析設備進行，如掃描電鏡、透射電鏡、分析電鏡、掃描探針顯微鏡，各種譜儀和各種衍射儀，這些均是在計算機控制下完成各自的分析工作，而且設備隨之提供了各種功能強大的分析模擬軟件及其數據庫，從而更加有效地提高了分析時的數據處理能力。X射線衍射儀及圖譜：立方相結構5.計算機技術用于材料性能表征與檢測6.計算機技術用于材料數據和圖像處理

現代計算機的大容量存儲特征和快速運算功能為存儲和處理大量的材料實驗數據提供了很好的平臺。

計算機圖像分析已成為輔助研究材料結構和性能之間定量關系的一種重要方法。常用的數據處理軟件常用的圖像處理軟件7.計算機網絡技術用于材料科學研究

計算機網絡技術是通信技術與計算機技術相結合的產物。

計算機網絡是按照網絡協議，將地球上分散的、獨立的計算機相互連接的集合。