淺談計算機模擬技術在材料科學中的應用論文
現代高新技術的發展,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. 對材料微觀結構與宏觀性能關系了解的日益深入,人們將可以從理論上預言具有特定結構與功能的材料體系,設計出符合要求的新型材料,并通過先進工藝和技術制造出來.在計算機技術迅速發展的今天,計算機模擬已經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在材料科學中重要作用,介紹了它的研究范疇和技術類型,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 計算機模擬技術的優勢
采用各種新穎算法的模擬技術,并結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內部狀況進行研究.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) . 采用模擬技術進行材料研究的優勢在于它不但能夠模擬各類實驗過程,了解材料的內部微觀性質及其宏觀力學行為,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,為設計出優異性能的新型結構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)原子結構層次,主要是凝聚態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,統計力學仍是十分有用的原子級模擬方法. 這種經典方法最明顯的成功是對相變的理解. 例如,固體的結晶有序,合金的成份有序或鐵磁體的磁化.這種模擬屬于所謂“物質的平衡態” ,也就是物質從頭至尾已弛豫至與環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學建模技術已經取得很大進步.隨巨型計算機的出現,用于規則的結晶固體的模擬計算,已經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則圖像. 這些新方法甚至有可能用以研究物質的亞穩態或嚴重無序狀態.
3 材料研究的主要模擬技術
3. 1 第一原理模擬技術
材料的電子結構及相關物性與宏觀性能密切相關.因此,研究材料的電子結構及相關物性,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( 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構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— 缺陷等各類原子組態的電子結構、相結構穩定性、點和切變面缺陷能量、理想解能量、原子鍵強及熱力學函數等,這使得在實驗和理論之間的比較不再局限于依靠經驗或半經驗參量勢函數的計算模式.
3. 2 原子模擬技術
按照獲得原子位形或微觀狀態的方法,對于完整和非完整晶體的結構、動力學和熱力學性質,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的性質而不只是靜力學模擬中研究的構型方面.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) ,通過分析系統中各粒子的受力情況,用經典或量子的方法求解系統中各粒子在某時刻的位置和速度,來確定粒子的運動狀態. 蒙特卡羅方法是根據待求問題的變化規律,人為地構造出一個合適的概率模型,依照該模型進行大量的統計試驗,使它的某些統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,通過調整原子的位置、調整原子間的化學鍵長和鍵角得到最可能的結構,使其系統能量下降,達到最小,所計算的能量值與實驗結果相比較,可達到相當精確的程度.
3. 3 連續介質模型的模擬方法
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據模擬,如對材料的顯微組織轉變過程、晶粒或第二相粒子長大過程等現象的數值模擬.
3. 4 綜合化模擬方法
綜合模擬技術是近年來興起并蓬勃發展的一類新技術. 綜合化的含義主要體現在研究方法和研究對象的空間尺度兩個方面,前者除發展全新技術外,還包括將原有的基于交互作用勢函數的原子模擬技術、從第一原理出發的各種計算技術、連續介質模型、離散化數值計算這三類技術相結合的模擬技術; 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)的材料結構與性能,或是將不同尺度的材料行為聯系起來作為統一體加以研究,特別是如何將不同層次的研究聯系起來,已成為材料模擬領域最富挑戰性的重點課題.
3. 5 人工智能模擬技術
在材料研究和應用的不少領域,很大程度上還依靠經驗解決問題,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. 針對上述現象,屬于人工智能范圍下的各種計算機模擬技術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、專家系統、人工神經網絡技術等,它們已經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 優化設計技術
這種設計的基本原理是: 從已有的大量數據、經驗事實出發,利用現有的各種不同結構層次的數學模型,如合金的成分、組織、結構與性能關系的數學模型及相關數據理論,如固體與分子經驗電子理論,量子理論等,通過計算機對比、推理思維來完成優選新合金、新材料的設計過程.優化設計實質上就是數學上的最優化問題,任何一個需要優化設計的實際材料問題都可以用最優化技術來解決.4 結束語綜上所述,計算機模擬技術在材料科學研究領域的應用越來越廣泛,它已經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,必將指導開發設計出性能更優異的新型材料.
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