《计算材料学2》PPT课件.ppt

计算材料学 计算材料学 Computational materials science 张晖 材料科学与工程学院 Email: ; Mobile计算材料学 本堂课内容： 计算材料学概论 本课程研究对象和内容 学习要求 Fortran语言语法结构简单回顾 计算材料学 科学计算 各学科（工科和文科）广泛 的应用 计算材料学 计算模拟及设计在材料研究中 的地位 计算材料学 计算模拟及设计在材料研究中 的地位 计算材料学 计算模拟及设计在材料研究中 的地位 计算材料学 计算模拟与设计在材料研究中的地 位 计算材料学 计算材料学的概念 计算材料学是近20年里发展起来的一门新兴交叉学 科。它综合了凝聚态物理、材料物理学、理论化学、材 料力学和工程力学、计算机算法等多个相关学科。本学 科的目的是利用现代高速计算机，模拟材料的各种物理 化学性质，深入理解材料从微观到宏观多个尺度的各类 现象与特征，并对于材料的结构和物性进行理论预言， 从而达到设计新材料的目的。 本学科目前尚无统一的称呼，计算材料学（ Computational materials science），计算材料模拟（Computational materials simulation）、计算材料设计（Computational materials design） “计算分析与模型化”(Computer Analysis and Modeling)等称谓往往同时使用。 计算材料学 计算材料学内容 计算材料学主要包括两个方面的内容： 一方面是计算模拟，即从实验数据出发 ，通过建立数学模型及数值计算，模拟实际过程 ； 另一方面是材料的计算机设计，即直接 通过理论模型和计算，预测或设计材料结构与性 能。 前者使材料研究不是停留在实验结果和 定性的讨论上，而是使特定材料体系的实验结果 上升为一般的、定量的理论，后者则使材料的研 究与开发更具方向性、前瞻性，有助于原始性创 新，可以大大提高研究效率。因此，计算材料学 是连接材料学理论与实验的桥梁。 计算材料学 计算机模拟的概率和步骤 计算材料学 计算材料学作用和意义 材料的组成、结构、性能、服役性能是材料研 究的四大要素，传统的材料研究以实验室研究为主，是 一门实验科学。但是，随着对材料性能的要求不断的提 高，材料学研究对象的空间尺度在不断变小，只对微米 级的显微结构进行研究不能揭示材料性能的本质，纳米 结构、原子像已成为材料研究的内容，对功能材料甚至 要研究到电子层次。因此，材料研究越来越依赖于高端 的测试技术，研究难度和成本也越来越高。另外，服役 性能在材料研究中越来越受到重视，服役性能的研究就 是要研究材料与服役环境的相互作用及其对材料性能的 影响。随着材料应用环境的日益复杂化，材料服役性能 的实验室研究也变得越来越困难。 计算材料学 计算材料学作用和意义 总之，仅仅依靠实验室的实验来进行材料研究 已难以满足现代新材料研究和发展的要求。然而计算机 模拟技术可以根据有关的基本理论，在计算机虚拟环境 下从纳观、微观、介观、宏观尺度对材料进行多层次研 究，也可以模拟超高温、超高压等极端环境下的材料服 役性能，模拟材料在服役条件下的性能演变规律、失效 机理，进而实现材料服役性能的改善和材料设计。因此 ，在现代材料学领域中，计算机“实验”已成为与实验室 的实验具有同样重要地位的研究手段，而且随着计算材 料学的不断发展，它的作用会越来越大。 就实际工程而言，应用数值近似方法进行预测 计算，可以有效的减少在优化材料和设计新工艺方面所 必须进行的大量试验。材料模拟和材料制备工艺的进步 ，极大的促进了新产品的优化和开发。 计算材料学 计算材料设计的一些成功应 用 (展示一个具体的例子) 1.设计新型材料和器件 i. 高性能磁光记录材料：Tb/Bi/FeCo与Tb/Pb/FeCo超晶 ii. 超硬材料：C3N4（硬度可以媲美金刚石？） iii. 新型锂电池阴极材料：LixCoO2的替代品，Al替代Co ？ 2. 预言晶体结构（e.g.，针对70种合金，120晶 体进行10000个第一性原理能量计算，六个月） 3. 计算材料相图 4. 获得实验难以实现的极端条件下（如高温、高 压）的材料结构与物性 计算材料学 计算材料学范围和层次 计算材料学主要有两种分类方法： 一是按理论模型和方法分类， 二是按材料计算的特征空间尺寸 (Characteristic space scale)分类。 材料的性能在很大程度上取决于材 料的微结构，材料的用途不同，决定其性 能的微结构尺度会有很大的差别。例如， 对结构材料来说，影响其力学性能的结构 尺度在微米以上，而对于电、光、磁等功 能材料来说可能要小到纳米，甚至是电子 结构。因此，计算材料学的研究对象的特 征空间尺度从埃到米。 计算材料学 计算材料设计的层次和典型模 拟方法 计算材料学 计算材料学 计算材料设计的范畴与层 次 计算材料学 计算材料设计的范畴与层 次 计算材料学 按材料计算的特征空间尺寸 分类 根据研究对象的空间和时间尺度不同，材料计算 的方法也有很大差别： 研究材料的电子结构的方法有基于密度泛函理论、量 子力学及固体物理理论的第一原理； 介观层次上对体系的模拟近年来有较快的发展，如合 金中的相变微观组织演化过程可采用相场动力学或原胞 自动化方法，这些方法使人们能够定量地描述不同过程 中的组织变化的动力学规律，探索不同因素对微观组织 形成的作用； 宏观层次上的计算模拟常常采用有限元和有限差分方 法，这些方法已经被广泛用语解决材料工程的实际问题 ，可为实际工艺的设计提供定量化的指导。 对于不同的过程其发生的时间尺度也是迥然不 同的，相应需要采用不同的模拟方法。对于许多材料的 性质，常常由几个层次的结构来决定，因而近年来将不 同方法结合起来的多尺度方法受到广泛的重视。 计算材料学 按理论模型和方法分类 常用的计算方法包括： 第一原理从头计算法（ab initio）； 分子动力学方法（Molecular Dynamics ）； 蒙特卡洛方法（ Monte Carlo ）； 元胞自动机方法（Cellular Automata） ； 相场方法（Phase field）； 有限元（Finite Element Analysis）分 析等。 计算材料学 本学期学习重点 蒙特卡洛方法:是在简单的理论准则基础 上，采用反复随即抽样的方法，解决复杂系统的 问题。其实质是一种概率和统计的问题。 元胞自动机方法:生命游戏，是一种建立 在离散的时间和空间上的动力学系统。散布在规 则格网（Lattice Grid）中的每一元胞（Cell）取 有限的离散状态，遵循同样的作用规则，依据确 定的局部规则作同步更新。大量元胞通过简单的 相互作用而构成动态系统的演化。 计算材料学 第一性原理法 根据原子核和电子相互作用的原理及其基本运动规律，运用 量子力学原理，从具体要求出发，经过近似处理后直接求解薛定谔 方程的算法，习惯上称为第一性原理法（ab initio）。但由于其计 算非常复杂，对计算机要求很高，物理模型是将被研究对象的物理 图像理想化和简单化，因为真实的物体运动的行为太复杂，即使是 宏观物体，企图得到绝对严格的描述其运动规律也是不可能的，而 微观世界的运动更复杂，所以在第一性原理计算中都是合理地忽略 影响运动的次要因素，保留主要的因素。 第一性原理方法由于直接基于基本的物理原理而不依赖于经 验参数，从量子力学基本原理导出的计算方法直接描述了微观粒子 的运动规律，所以是精确的，因而具有很强的预测性，在未来合成 材料之前先预测其可能的性质，因而对材料的设计具有很强的指导 意义，近年其应用得到迅速发展，如金属中合金化效应的预测、金 属间化合物中合金原子占据位置的预测、缺陷复合体的电子结构与 性质的预测等，但由于其计算中考虑了电子的自由度，其运算量极 大，所能研究的体系的尺度很小； 计算材料学 分子动力学方法 分子动力学MD（Molecular Dynamics） 模拟方法是一种确定性方法，是按照该体 系内部的动力学规律来确定位形的转变， 跟踪系统中每个粒子的个体运动，然后根 据统计物理规律，给出微观量（分子的坐 标、速度）与宏观可观测量（温度、压力 、比热容、弹性模量等）的关系来研究材 料性能的一种方法 计算材料学 本课程的预期目标 开阔眼界，对计算材料科学和材料设计的基本方法和原 理有初步的了解，具备阅读相关领域第一手的（英文） 文献的能力。 从计算模拟的角度加深对晶体形核和长大的认识。 对于将来可能从事实验研究的，在必要时，能够在本人 所从事的领域进行一定的计算模拟与设计. 对于将来可能从事材料理论和计算方向的，能够在本课 程基础上深入学习，顺利进入本领域开展工作。 掌握一些对今后科研工作有用的知识 计算材料学 主要参考书 1. M. P. Allen and D. J. Tildesley, Computer Simulation of Liquids, (Oxford University Press, 1987). 2. J. M. Thijssen, Computational Physics, (Cambridge University Press, 1999). 3. K. Ohno, K. Esfarjani, K. Kawazoe, Computational Materials Science, (Springer, 1999). 4. M. Springborg, Method of Electronic-Structure Calculations, (Wiley, 2000). 5. E. Kaxiras, Atomic and Electronic Structure of Solids, (Cambridge University Press, 2003). 6. R. M. Martin, Electronic Structure, (Cambridge University Press, 2004). 7.熊家炯主编，材料设计，（天津大学出版社，2000） 8.荷Frenkel read *, MyGuess if(MyGuess=Number) exit if(MyGuess Number) then print *, Too high. Try again. else print *, Too low. Try again. end if end do print *,You are lucky. It is,Numberend 计算材料学 数组 输入10个整数，并按输入时的逆序输出，每行5个。 PROGRAM NUMBER INTEGER,DIMENSION(1:10):A INTEGER:I DO I=1,10 READ *,A(I) END DO PRINT (1X,5I4),(A(11-I),I=1,10) END PROGRAM NUMBER 计算材料学 1.数组名 INTEGER,DIMENSION(2,3):A READ*,A 相当于 READ*,A(1,1),A(2,1),A(1,2),A(2,2),A(1,3),A(2,3) 2.隐含DO循环 WRITE(*,(1X,3I5)(A(I,J),J=1,3),I=1,2) READ(*,*)(A(I,J)，I=1,2)，J=1,3) 相当于 READ*,A 3.DO结构加隐含DO循环最常用方法 DO I=1,2 READ*, (A(I,J),J=1,3) END DO DO I=1,2 WRITE(*,(1X,3I3)(A(I,J),J=1,3 ) END DO 计算材料学 根据所操作的文件是否在内存中可以把文件分为内部 文件和外部文件。当把内存中的数据记录到到磁盘的文件 中或输入输出到其他外部设备如打印机、显示器、键盘上 时，被称为外部文件。连接着一个外部文件的设备描述必 须是整型表达式或是星号(*)，其整型表达式的取值范 围在-32768到32767之间。 例：OPEN(UNIT=10,FILE=output.dat) WRITE(10，(A) how are you? 例：OPEN(7,FILE=“E:HYZ.DAT“) WRITE(7,*) A CLOSE (7) 在Fortran中有4个预定义的外部文件(设备)： 设备号 连接的设备 星号(*)总是键盘和显示器 外部文件 计算材料学 利用随机过程产生10个处于区间10,99 上的随机整数。 PROGRAM RANDOM_ARRAY INTEGER:I INTEGER,DIMENSION(1:10):N_RAN REAL:X_RAN DO I=1,10 CALL RANDOM_NUMBER(X_RAN) N_RAN(I)=INT(X_RAN*90+10) END DO WRITE(*,(10I5)(N_RAN(I),I=1,10) END PROGRAM RANDOM_ARRAY 计算材料学 属性说明 PARAMETER属性 PARAMETER属性也称常数名属性。被说明对象一旦附 加了PARAMETER属性，就不再是变量名，而是一个常数的名字， 它的形式虽与变量名形式一样，但在程序中不能改变值，只能当常 数使用。例如： INTEGER，PARAMETER : K=20 REAL(8),PARAMETER : PI=3.141592654, K_PAI=K*PI, Light_Speed=2.99654E1