浅谈计算机模拟技术在材料科学中的应用

　　现代高新技术的发展,对材料的性能要求越来越高,由此对材料科学本身也提出了更高的要求. 对材料微观结构与宏观性能关系了解的日益深入,人们将可以从理论上预言具有特定结构与功能的材料体系,设计出符合要求的新型材料,并通过先进工艺和技术制造出来.在计算机技术迅速发展的今天,计算机模拟已经成为解决材料科学中实际问题的重要组成部分.本文则是针对近些年计算机模拟技术在材料科学中重要作用,介绍了它的研究范畴和技术类型,及其在研究材料的合成和制备、性能测试和分析中的应用.
　　1 计算机模拟技术的优势
　　采用各种新颖算法的模拟技术,并结合运算功能强大的计算机,人们能够做到前所未有的细致和精确程度对物质内部状况进行研究.这导致计算机模拟在材料科学中的应用越来越广泛,并由此产生了一门新的材料研究分支 计算材料科学 ( Computa tional Materials Science) . 采用模拟技术进行材料研究的优势在于它不但能够模拟各类实验过程,了解材料的内部微观性质及其宏观力学行为,并且在没有实际备制出这些新材料前就能预测它们的性能,为设计出优异性能的新型结构材料提供强有力的理论指导. 材料科学研究中的模拟实验比实物实验更高效、经济、灵活,并且在实验很困难或不能进行的场合仍可进行模拟实验 ,特别是在对微观状态与过程的了解方面,模拟实验更有其独特性甚至有不可替代的作用.
　　2 材料模拟方法与模拟层次
　　材料研究可针对三类不同的尺度范围. 1)原子结构层次,主要是凝聚态物理学家和量子化学家处理这一微观尺度范围. 2)介观层次,即介于原子和宏观之间的中间尺度,在这一尺度范围主要是材料学家、冶金学家,陶瓷学家处理. 3)最后是宏观尺寸,此时大块材料的性能被用作制造过程,机械工程师,制造工程师等分别在这一尺度范围进行处理. 既然材料性质的研究是在不同尺度层次上进行的,那么,计算机模拟也可根据模拟对象的尺度范围而划分为若干层次,如表1所示.在研究微观尺度下的材料性能时,统计力学仍是十分有用的原子级模拟方法. 这种经典方法最明显的成功是对相变的理解. 例如,固体的结晶有序,合金的成份有序或铁磁体的磁化.这种模拟属于所谓物质的平衡态 ,也就是物质从头至尾已弛豫至与环境达到热平衡和化学平衡.但是,实际许多工艺上情况是远离平衡的,例如,在铸造、焊接、拉丝和施压等情况下,平衡统计力学是不合适的. 最近十年期间,非平衡过程的理论和这些过程的数学建模技术已经取得很大进步.随巨型计算机的出现,用于规则的结晶固体的模拟计算,已经达到了定量预测的能力.最新的进展表明有可能以相似的精度描述诸如缺陷附近的晶体形变、表面和晶粒边界的非规则图像. 这些新方法甚至有可能用以研究物质的亚稳态或严重无序状态.
　　3 材料研究的主要模拟技术
　　3. 1 第一原理模拟技术
　　材料的电子结构及相关物性与宏观性能密切相关.因此,研究材料的电子结构及相关物性,对从微观角度了解材料宏观形变与断裂力学行为的本质机制具有重要价值,也能为探索改善材料力学性能的可能途径提供指导. 基于量子力学第一原理的局部密度函数( LDF)理论上的各种算法 ( LM TO,FLAPW, SCF- X- SW, LKKR等)已能够计算材料的电子结构及一些基本物理性能,包括晶界 非晶 自由表面与断纹面 杂质 缺陷等各类原子组态的电子结构、相结构稳定性、点和切变面缺陷能量、理想解能量、原子键强及热力学函数等,这使得在实验和理论之间的比较不再局限于依靠经验或半经验参量势函数的计算模式.
　　3. 2 原子模拟技术
　　按照获得原子位形或微观状态的方法,对于完整和非完整晶体的结构、动力学和热力学性质,有几种可行的模拟方法,如分子动力学方法( MD) ,蒙特卡罗方法( MC) ,最小能量法 ( EM)等.分子动力学的目标是研究体系中与时间和温度有关的性质而不只是静力学模拟中研究的构型方面.分子动力学方法是求解运动方程(如牛顿方程、哈密顿方程或拉格朗日方程) ,通过分析系统中各粒子的受力情况,用经典或量子的方法求解系统中各粒子在某时刻的位置和速度,来确定粒子的运动状态. 蒙特卡罗方法是根据待求问题的变化规律,人为地构造出一个合适的概率模型,依照该模型进行大量的统计试验,使它的某些统计参量正好是待求问题的解.最小能量法是利用计算机计算晶体的能量,通过调整原子的位置、调整原子间的化学键长和键角得到最可能的结构,使其系统能量下降,达到最小,所计算的能量值与实验结果相比较,可达到相当精确的程度.
　　3. 3 连续介质模型的模拟方法
　　为处理宏观问题,常用的方法主要包括传统的有限差分法、有限元法、边界元法等.例如,对材料研究中的传热温度场、传质扩散等问题都可借助这些方法进行求解.此外,对于某些连续的材料微观物理演变过程,也可以在对空间和时间的离散化处理的基础上,采用一定的算法对其进行数据模拟,如对材料的显微组织转变过程、晶粒或第二相粒子长大过程等现象的数值模拟.
　　3. 4 综合化模拟方法
　　综合模拟技术是近年来兴起并蓬勃发展的一类新技术. 综合化的含义主要体现在研究方法和研究对象的空间尺度两个方面,前者除发展全新技术外,还包括将原有的基于交互作用势函数的原子模拟技术、从第一原理出发的各种计算技术、连续介质模型、离散化数值计算这三类技术相结合的模拟技术; 后者或是直接研究介于原子尺度和宏观尺度之间中间尺度( 1  100m)的材料结构与性能,或是将不同尺度的材料行为联系起来作为统一体加以研究,特别是如何将不同层次的研究联系起来,已成为材料模拟领域最富挑战性的重点课题.
　　3. 5 人工智能模拟技术
　　在材料研究和应用的不少领域,很大程度上还依靠经验解决问题,或者某些问题即使存在理论上的算法解,但由于解法过于复杂,使它们难以实际应用. 针对上述现象,属于人工智能范围下的各种计算机模拟技术为解决这些涉及材料研究与应用中特有的问题提供了有效工具,包括聚类模拟识别技术、专家系统、人工神经网络技术等,它们已经逐渐被应用于材料的组织成份设计、材料制备和加工过程的控制、材料物理与力学性能的预测等各个方面.
　　3. 6 优化设计技术
　　这种设计的基本原理是: 从已有的大量数据、经验事实出发,利用现有的各种不同结构层次的数学模型,如合金的成分、组织、结构与性能关系的数学模型及相关数据理论,如固体与分子经验电子理论,量子理论等,通过计算机对比、推理思维来完成优选新合金、新材料的设计过程.优化设计实质上就是数学上的最优化问题,任何一个需要优化设计的实际材料问题都可以用最优化技术来解决.4 结束语综上所述,计算机模拟技术在材料科学研究领域的应用越来越广泛,它已经成为材料研究人员的一个强有力的工具.可以相信,随着更多的材料科学家自觉地利用计算机来提高其研究工作水平,必将指导开发设计出性能更优异的新型材料.