淺談計算機模擬技術(shù)在材料科學中的應用論文
現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展,對材料的性能要求越來越高,由此對材料科學本身也提出了更高的要求. 對材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能關(guān)系了解的日益深入,人們將可以從理論上預言具有特定結(jié)構(gòu)與功能的材料體系,設計出符合要求的新型材料,并通過先進工藝和技術(shù)制造出來.在計算機技術(shù)迅速發(fā)展的今天,計算機模擬已經(jīng)成為解決材料科學中實際問題的重要組成部分.本文則是針對近些年計算機模擬技術(shù)在材料科學中重要作用,介紹了它的研究范疇和技術(shù)類型,及其在研究材料的合成和制備、性能測試和分析中的應用.
1 計算機模擬技術(shù)的優(yōu)勢
采用各種新穎算法的模擬技術(shù),并結(jié)合運算功能強大的計算機,人們能夠做到前所未有的細致和精確程度對物質(zhì)內(nèi)部狀況進行研究.這導致計算機模擬在材料科學中的應用越來越廣泛,并由此產(chǎn)生了一門新的材料研究分支—— 計算材料科學 ( Computa tional Materials Science) . 采用模擬技術(shù)進行材料研究的優(yōu)勢在于它不但能夠模擬各類實驗過程,了解材料的內(nèi)部微觀性質(zhì)及其宏觀力學行為,并且在沒有實際備制出這些新材料前就能預測它們的性能,為設計出優(yōu)異性能的新型結(jié)構(gòu)材料提供強有力的理論指導. 材料科學研究中的模擬“實驗”比實物實驗更高效、經(jīng)濟、靈活,并且在實驗很困難或不能進行的場合仍可進行模擬“實驗” ,特別是在對微觀狀態(tài)與過程的了解方面,模擬“實驗”更有其獨特性甚至有不可替代的作用.
2 材料模擬方法與模擬層次
材料研究可針對三類不同的尺度范圍. 1)原子結(jié)構(gòu)層次,主要是凝聚態(tài)物理學家和量子化學家處理這一微觀尺度范圍. 2)介觀層次,即介于原子和宏觀之間的中間尺度,在這一尺度范圍主要是材料學家、冶金學家,陶瓷學家處理. 3)最后是宏觀尺寸,此時大塊材料的性能被用作制造過程,機械工程師,制造工程師等分別在這一尺度范圍進行處理. 既然材料性質(zhì)的研究是在不同尺度層次上進行的,那么,計算機模擬也可根據(jù)模擬對象的尺度范圍而劃分為若干層次,如表1所示.在研究微觀尺度下的材料性能時,統(tǒng)計力學仍是十分有用的原子級模擬方法. 這種經(jīng)典方法最明顯的成功是對相變的理解. 例如,固體的結(jié)晶有序,合金的成份有序或鐵磁體的磁化.這種模擬屬于所謂“物質(zhì)的平衡態(tài)” ,也就是物質(zhì)從頭至尾已弛豫至與環(huán)境達到熱平衡和化學平衡.但是,實際許多工藝上情況是遠離平衡的,例如,在鑄造、焊接、拉絲和施壓等情況下,平衡統(tǒng)計力學是不合適的. 最近十年期間,非平衡過程的理論和這些過程的數(shù)學建模技術(shù)已經(jīng)取得很大進步.隨巨型計算機的出現(xiàn),用于規(guī)則的結(jié)晶固體的模擬計算,已經(jīng)達到了定量預測的能力.最新的進展表明有可能以相似的精度描述諸如缺陷附近的晶體形變、表面和晶粒邊界的非規(guī)則圖像. 這些新方法甚至有可能用以研究物質(zhì)的亞穩(wěn)態(tài)或嚴重無序狀態(tài).
3 材料研究的主要模擬技術(shù)
3. 1 第一原理模擬技術(shù)
材料的電子結(jié)構(gòu)及相關(guān)物性與宏觀性能密切相關(guān).因此,研究材料的電子結(jié)構(gòu)及相關(guān)物性,對從微觀角度了解材料宏觀形變與斷裂力學行為的本質(zhì)機制具有重要價值,也能為探索改善材料力學性能的可能途徑提供指導. 基于量子力學第一原理的局部密度函數(shù)( LDF)理論上的各種算法 ( LM TO,FLAPW, SCF- Xα- SW, LKKR等)已能夠計算材料的電子結(jié)構(gòu)及一些基本物理性能,包括晶界— 非晶— 自由表面與斷紋面— 雜質(zhì)— 缺陷等各類原子組態(tài)的電子結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、點和切變面缺陷能量、理想解能量、原子鍵強及熱力學函數(shù)等,這使得在實驗和理論之間的比較不再局限于依靠經(jīng)驗或半經(jīng)驗參量勢函數(shù)的計算模式.
3. 2 原子模擬技術(shù)
按照獲得原子位形或微觀狀態(tài)的方法,對于完整和非完整晶體的結(jié)構(gòu)、動力學和熱力學性質(zhì),有幾種可行的模擬方法,如分子動力學方法( MD) ,蒙特卡羅方法( MC) ,最小能量法 ( EM)等.分子動力學的目標是研究體系中與時間和溫度有關(guān)的性質(zhì)而不只是靜力學模擬中研究的構(gòu)型方面.分子動力學方法是求解運動方程(如牛頓方程、哈密頓方程或拉格朗日方程) ,通過分析系統(tǒng)中各粒子的受力情況,用經(jīng)典或量子的方法求解系統(tǒng)中各粒子在某時刻的位置和速度,來確定粒子的運動狀態(tài). 蒙特卡羅方法是根據(jù)待求問題的變化規(guī)律,人為地構(gòu)造出一個合適的概率模型,依照該模型進行大量的統(tǒng)計試驗,使它的某些統(tǒng)計參量正好是待求問題的解.最小能量法是利用計算機計算晶體的能量,通過調(diào)整原子的位置、調(diào)整原子間的化學鍵長和鍵角得到最可能的結(jié)構(gòu),使其系統(tǒng)能量下降,達到最小,所計算的能量值與實驗結(jié)果相比較,可達到相當精確的程度.
3. 3 連續(xù)介質(zhì)模型的模擬方法
為處理宏觀問題,常用的方法主要包括傳統(tǒng)的有限差分法、有限元法、邊界元法等.例如,對材料研究中的傳熱溫度場、傳質(zhì)擴散等問題都可借助這些方法進行求解.此外,對于某些連續(xù)的材料微觀物理演變過程,也可以在對空間和時間的離散化處理的基礎上,采用一定的算法對其進行數(shù)據(jù)模擬,如對材料的顯微組織轉(zhuǎn)變過程、晶粒或第二相粒子長大過程等現(xiàn)象的數(shù)值模擬.
3. 4 綜合化模擬方法
綜合模擬技術(shù)是近年來興起并蓬勃發(fā)展的一類新技術(shù). 綜合化的含義主要體現(xiàn)在研究方法和研究對象的空間尺度兩個方面,前者除發(fā)展全新技術(shù)外,還包括將原有的基于交互作用勢函數(shù)的原子模擬技術(shù)、從第一原理出發(fā)的各種計算技術(shù)、連續(xù)介質(zhì)模型、離散化數(shù)值計算這三類技術(shù)相結(jié)合的模擬技術(shù); 后者或是直接研究介于原子尺度和宏觀尺度之間中間尺度( 1～ 100μm)的材料結(jié)構(gòu)與性能,或是將不同尺度的材料行為聯(lián)系起來作為統(tǒng)一體加以研究,特別是如何將不同層次的研究聯(lián)系起來,已成為材料模擬領域最富挑戰(zhàn)性的重點課題.
3. 5 人工智能模擬技術(shù)
在材料研究和應用的不少領域,很大程度上還依靠經(jīng)驗解決問題,或者某些問題即使存在理論上的算法解,但由于解法過于復雜,使它們難以實際應用. 針對上述現(xiàn)象,屬于人工智能范圍下的各種計算機模擬技術(shù)為解決這些涉及材料研究與應用中特有的問題提供了有效工具,包括聚類模擬識別技術(shù)、專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)等,它們已經(jīng)逐漸被應用于材料的組織成份設計、材料制備和加工過程的控制、材料物理與力學性能的預測等各個方面.
3. 6 優(yōu)化設計技術(shù)
這種設計的基本原理是: 從已有的大量數(shù)據(jù)、經(jīng)驗事實出發(fā),利用現(xiàn)有的各種不同結(jié)構(gòu)層次的數(shù)學模型,如合金的成分、組織、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的數(shù)學模型及相關(guān)數(shù)據(jù)理論,如固體與分子經(jīng)驗電子理論,量子理論等,通過計算機對比、推理思維來完成優(yōu)選新合金、新材料的設計過程.優(yōu)化設計實質(zhì)上就是數(shù)學上的最優(yōu)化問題,任何一個需要優(yōu)化設計的實際材料問題都可以用最優(yōu)化技術(shù)來解決.4 結(jié)束語綜上所述,計算機模擬技術(shù)在材料科學研究領域的應用越來越廣泛,它已經(jīng)成為材料研究人員的一個強有力的工具.可以相信,隨著更多的材料科學家自覺地利用計算機來提高其研究工作水平,必將指導開發(fā)設計出性能更優(yōu)異的新型材料.
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