计算材料学概述教学PPT.pptx

计算材料学,联系方式:o),e-mail: qq：535883938 答疑地点: 6467,计算材料学-课程主要内容,内容,计算材料学概述,计算材料学的主要途径、层次等,蒙特卡洛方法,基于第一性原理的计算材料学,概述,微观层次,分子力场与分子动力学模拟,介观层次,宏观层次,计算材料学-主要参考书（1）,计算材料学-主要参考书（2）,计算材料学概述-例子（1）,例1：将cao外加到zro2中去生成固溶体，具有立方萤石结构，试验测定：当溶入量为0.15molcao时，晶胞常数a=0.5131nm，密度d=5.477g/cm3。试通过计算判断生成哪种类型固溶体(置换型或间隙型)。已知：原子量ca ：40.08，zr ：91.22，o ：16.00。,【解】（1）设形成置换型固溶体 则,【解】（1）假设形成置换型固溶体 则固溶体分子式为：zr1-xcaxo2-x，x0.15 即：zr0.85ca0.15o1.85 形成置换型固溶体的密度为： 其中m置换型固溶体的分子量， n0阿佛加德罗常数,计算材料学概述-例子（1）,【解】（2）假设形成间隙型固溶体 固溶体分子式为： , x=0.15 即： 形成间隙型固溶体的密度为： 将计算结果与实验测定结果比较d1更接近于实测值，所以生成置换型固溶体,计算材料学概述-例子（2）,例2. bcc铁的单位晶胞体积，在912时是0.02464nm3；fcc铁在相同温度时其单位晶胞体积是0.0486nm3。当铁由bcc转变为fcc时，其密度改变的百分比为多少？ 解答：,计算材料学概述,计算材料学的起源、发展与趋势 计算材料学的重要性 计算材料学的方法、层次与特点,计算材料学概述,科学的体系和结构发生深刻变化。,对象： 宏观现象 微观本质 方法学： 描述、归纳 演绎、推理 理论层次：定性 定量,化学不再是纯实验的科学,物理不再是纯实验的科学,计算材料学概述,人类认识自然的两种科学方法。,计算材料学概述,人类认识自然的两种科学方法。,迄1980年代，归纳法是多数化学家采用的唯一科学方法；演绎法在化学界从未得到普遍承认 原因：对象复杂；习惯观念,归纳法(reduction)与演绎法(deduction)的比较,计算材料学概述,数学在学科中的作用,运用数学的多少是一门科学成熟的程度的标志。,马克思,计算材料学概述,数学在学科中的作用。,恩格斯,数学的应用：在刚体力学中是绝对的，在气体力学中是近似的，在液体力学中就已经比较困难了；在物理学中是试验性的和相对的；在化学中是最简单的一次方程式；在生物学中等于零。,计算材料学概述,数学在学科中的作用。,恩格斯的论断反映了19世纪中叶自然科学各学科的“成熟程度”。表明各学科研究对象 物质运动形式与规律 其复杂程度的差异 然而，百年来科技的发展使各学科的“成熟程度”发生了巨大变化,计算材料学概述,计算材料学起源-计算物理（1）,20世纪40年代初，在由于战争的需要开始了核武器研制。涉及的问题：流体动力学过程、核反应过程、中子输运过程、光辐射输运过程、物态变化过程等；都是十分复杂的非线性方程组，不可能用传统的解析方法求解。 由于需要在短时间内进行大量复杂的数值计算，从而促使了计算机的诞生和新物理学科的形成。,计算材料学概述,计算材料学起源-计算物理（2）,1944年，世界上第一台“自动序列受控计算机marki制成，主要部件是继电器，速度仅每秒3次加法。在美国原子弹研制中起了重要作用。 1946年初，世界上第一台电子管计算机eniac投入运行，速度为每秒5000次加法。 电子计算机的出现，为计算物理奠定了物质基础。,计算材料学概述,计算材料学起源-计算物理（3）,费米（fermi 19011954）：美籍意大利物理学家，对统计物理、原子物理、原子核物理、粒子物理、中子物理都有重要贡献。由于中子核反应的发现，1938年获得诺贝尔物理学奖。 费米是20世纪上半叶国际上最有才华的科学家之一，在第二次世界大战期间，他领导建设了第一个实现原子核链锁裂变的反应堆。,计算材料学概述,计算材料学起源-计算物理（4）,战后费米对计算机发生兴趣，经常去访问los alamos ，这个地方一直拥有世界上最强大的计算能力。他和乌勒姆(s. ulerm)，巴斯塔(j. pasta)等人讨论计算机的未来应用。他首先想到的是研究非线性系统长时间行为和大尺度性质（这是用解析方法无法处理的问题），并于1952年夏天设计了一个计算机实验，一年后，在当时用来进行氢弹设计的maniac计算机上实现。,计算材料学概述,计算材料学起源-计算物理（5）,1954年11月，费米逝世，他的合作者继续工作，于1955年5月写出los alamos 研究报告la-1940。这篇秘密报告历经多年、解密后被正式收入费米全集。这篇具有重大意义的报告，被许多人认为是计算物理的正式起点，因为它提出了许多问题，带来了当时谁也未曾想到的重大发展。,计算材料学概述,计算材料学起源-计算物理（6）,从此，物理问题的计算与计算机相互促进，开始蓬勃发展。 1950年，全世界还只有15台计算机，到1962年9月，仅美国就有了16817台。 现在的计算机不计其数！,计算材料学概述,计算材料学起源-计算物理（7）,科学家们从原子弹设计中使用计算机求解复杂物理问题取得成功而得到启示，迅速将这种方法推广应用到物理学的其他领域：天体物理、大气物理、等离子体物理、核物理、原子分子物理、固体物理、统计物理和基本粒子物理等，而且还应用到气象预报、水利、海洋、地震、石油、化工甚至人体科学等各个科学技术领域。,计算材料学概述,计算材料学起源-计算物理（8）,1963年，美国的beini，alder等人开始编辑出版计算物理方法丛书，内容涉及统计物理、量子力学、流体力学、核物理、天体物理、固体物理、等离子体物理、地球物理和大气环流等。 1966年，journal of computational physics在美国创刊；1969年，computer physics communication在西欧创刊。 1977年，美国和西欧的学者开始编辑出版计算物理施普林格系列丛书，到1988年已出17本；,计算材料学概述,计算材料学起源-计算物理（9）,1965年，harlow和fromm在scientific american杂志发表“流体力学的计算机实验”一文。几乎同时，macagno在法国la haulille blanche杂志上发表“水力学模拟的某些新方面”的论文。第一次提出了计算机实验和数值模拟的概念。 与此同时，为计算物理服务的许多程序库和数据库也相继建立。这些工作迅速地推进了计算物理的普及和发展。,计算材料学概述,计算材料学起源-计算物理（10）,这些新概念的提出、新物理现象的发现，说明计算物理的目的不仅是计算出结果，还在于理解、预言和发现新的物理现象，寻求物理规律。在这一点上，它与传统的实验物理和理论物理没有什么不同，差别只在于工具和方法。 计算物理这一新的学科起源于20世纪40年代，形成于60年代。,计算材料学概述,计算材料学起源-科学计算（1）,1983年，在美国国防部、能源部、国家科学基金会和国家航天局主持下，以美国著名数学家拉克斯为首的不同学科的专家委员会向美国政府提出报告，强调“科学计算是关系到国家安全、经济发展和科技进步的关键性环节，是事关国家命脉的大事”。,计算材料学概述,计算材料学起源-科学计算（2）,1984年，美国政府大幅度增加对科学计算经费的支持，国家科学基金会成立了“先进科学计算办公室”，制订全面高级科学计算发展规划，新建成五个国家级高级计算中心。 1987年起，国家科学基金会把“科学与工程计算”、“生物工程”、“全局性的科学”作为三大优先重点支持领域。,计算材料学概述,计算材料学起源-科学计算（3）,1990年，美国国家研究委员会发表“振兴美国数学： 90年代的计划”的报告，建议对由计算引发的数学给予特殊的鼓励和资助。报告指出，大存储量、高速计算机的使用已导致了科学与技术方面的两大突出进展： 1.大量用于设计工作的实验被数学模型逐步取代，如航天飞机设计、反应堆设计、人工心瓣膜设计等 2.能获取和存储空前大量的数据，并能提取出隐含的信息，如计算机层析x射线摄影，核磁共振等。,计算材料学概述,计算材料学起源-科学计算（4）,1991年，以美国总统的名义提出“高性能计算与通信计划”。投资重点(43%)是发展先进的软件技术与并行算法，关键技术是可扩展的大规模并行计算。 1993年美国总统发布“发展信息高速公路”的总统令。 1994年美国总统发布“建立国家（地球）空间数据基础设施”的总统令。 所有这些计划，都是为大规模科学计算创造条件，促使科学计算高速发展。,计算材料学概述,计算材料学起源-战略计算（1）,1995年，美国为了确保核库存的性能、安全性、可靠性和更新需要，开始实施“加速战略计算创新计划”，通过逼真的建模和模拟计算来取代传统的反复试验的工程处理方法，这主要依赖于先进的数值计算和模拟能力，应用程序必须达到高分辨、三维、全物理和全系统的水平。,计算材料学概述,计算材料学起源-战略计算（2）,为确保战略计算目标的实现，采取五项策略措施： 在三个防务计划实验室基础上成立“战略计划和模拟办公室”由国家统一指挥。 致力于开发高级应用软件 致力于发展高性能计算机 建立解决问题的环境 促进战略联合与协作,计算材料学概述,计算材料学起源-战略计算（3）,美国为实施“战略计算创新计划” 实施日程表： 1995年8月22日能源部采购一台世界上最快的计算机（运算速度超过万亿次）交付sendia实验室1995年10月20日，建成三个防务实验室之间第一个高速数据网络。 1996年2月20日，能源部公开招标，采购两台运算速度达3万亿次的计算机交给los alamos和livermore，并竞争下一代系统：10万亿次。结果，2004年实现了100万亿次计算机。,计算材料学概述,计算材料学起源-战略计算（4）,1997年，总统提出1.216亿美元预算实施战略计算 1997年8月，战略计算创新计划的学术战略合作计划（asap），通过招标和签订合同方式，建立五家合作中心： 斯坦福大学的湍流综合模拟中心 加州理工学院的模拟材料动态特性的计算中心 芝加哥大学的天体物理、热核反应瞬间闪光研究中心 犹他大学的意外火灾与爆炸模拟中心 伊利诺斯州州立大学的助推火箭模拟中心。,计算材料学概述,计算材料学起源-战略计算（5）,1998年美国副总统戈尔在加利福尼亚科学中心发表了题为“数字地球21世纪认识地球的方式”的演讲，指出： “在发明计算机之前，用实验和理论的方法来研究都很受限制。许多实验科学家想研究的现象都很难观察到，它们不是太小就是太大，不是太快就是太慢，有的一秒钟之内就发生了十亿次，而有的十亿多年才发生一次。 另一方面纯理论又不能预报复杂的自然现象所产生的结果，如雷雨或飞机上空的气流”。 “有了高速计算机这个新工具，我们就可能模拟以前不可能观察到的现象，同时能更准确地理解观察到的数据。这样，计算科学使我们能超越实验与理论科学的局限，建模与模拟给了我们一个深入理解正在收集的有关地球的各种数据的新天地”,计算材料学概述,计算材料学起源-战略计算（6）,1999年初，美国总统信息技术顾问委员会提出一项题为“21世纪的信息技术：对美国未来的大胆投资”的报告。重点投资的三个领域是： (1)长期信息技术研究； (2)用于科学、工程和国家的高级计算； (3)信息革命的经济和社会意义研究。 该报告设想，通过努力在超级计算机、数学模拟、网络等方面取得突破性进展，从而开创一个迈向自然世界的窗口，使得计算作为科学发现的一种工具，与实验和理论有同等的价值,计算材料学概述,计算材料学起源（1）,the fundamental laws necessary for the mathematical treatment of a large part of physics and the whole of chemistry are thus completely known, and the difficulty lies only in the fact that application of these laws leads to equations that are too complex to be solved. p. a. m. dirac. proc. roy. soc. (london) 123, 714 (1929).,“用于大部分物理和全部化学的数学理论基本规律现在已经完全知道了，困难只是在于应用这些规律所得到的方程太复杂，无法解。”,计算材料学概述,计算材料学起源（2）,原子的量子模型的建立 （1913,niels bohr） 量子力学的建立和发展（1920s-1930s） 量子理论在固体中的应用（felix bloch） 原子电子结构thomas-fermi理论 hatree-fock近似采用平均场近似求解电子结构问题，1928-1930。,计算材料学概述,计算材料学起源（3）,1998年诺贝尔化学奖授予,英国科学家波普尔john a pople: 发展了量子化学计算方法,美国科学家科恩walter kohn: 发展了电子密度泛函理论,计算材料学概述,计算材料学起源（4）,john poples contributions,john pople has developed quantum chemistry into a tool that can be used by the general chemist and has thereby brought chemistry into a new era where experiment and theory can work together in the exploration of the properties of molecular systems. chemistry is no longer a purely experimental science.,瑞典皇家科学院颁奖文件评价:,计算材料学概述,计算材料学起源（5）,walter kohns contributions,瑞典皇家科学院颁奖文件评价:,walter kohns theoretical work has formed the basis for simp-lifying the mathematics in descriptions of the bonding of atoms, the density-functional theory (dft). the simplicity of the method makes it possible to study very large molecules.,计算材料学概述,计算材料学起源（6）,h. shull等人用手摇计算机，花了2年完成了对氮分子在hatree-fock量级的近似计。f. o. ellison and h. shull. a complete 10-electron lcao-scf treatment of the water molecule. j. chem. phys. 21:1420-1421 and 23:2348-2357 (1953).,也许我们可以相信理论物理学家，物质的所有性质都应当用薛定谔方程来计算。但事实上，自从薛定谔方程发现以来的30年中，我们看到，化学家感兴趣的物质性质只有很少几个作出了准确而又非经验性的量子力学计算。 l. pauling (1960),计算材料学概述,计算材料学起源（7）,量子力学，量子化学等基础理论的发展为科学计算奠定了理论基础。,参考网址：/,计算材料学概述,高速计算机的发展,“科学计算已经是继理论科学、实验科学之后，人类认识与征服自然的第三种科学方法”。原南开大学校长候自新,计算机硬件条件的飞速发展为科学计算的广泛应用提供了有力保证。,moore定律：计算机cpu 的速度每1.5年增加一倍。 19461957 真空管,第一代 19581963 晶体管,第二代 19661970集成电路,第三代 1971 大规模和超大规模 集成电路,第四代,计算材料学概述,计算机的高速发展（1）,the eniac filled an entire room, weighed thirty tons, and consumed two hundred kilowatts of power.,笔记本电脑,1943年世界第一台计算机eniac,1973年我国第一台万次计算机,计算材料学概述,计算机的高速发展（2）,a model of computer cluster,计算材料学概述,计算机的高速发展（3）,计算材料学概述,计算机的高速发展（4）,计算材料学概述,计算机的高速发展（5）,计算材料学概述,计算机的高速发展（6）,日本k超级计算机,计算材料学概述,计算机的高速发展（7）,多核技术 集群技术,计算材料学概述,计算机实验（模拟）的概念与步骤,明确所要研究的物理现象 发展合适的理论和数学模型描述该现象 将数学模型转换成适于计算机编程的形式 发展和/或应用适当的数值算法 编写模拟程序 开展计算机实验，分析结果,计算材料学概述,计算材料学的概念,计算材料学是近年里飞速发展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）、计算凝聚态物理（computational condensed matter physics）、分子模拟（molecular simulation）等往往同时使用。,计算材料学概述,计算材料学在材料研究中的地位（1）,美国,1989年，美国组织了一些专业委员会进行调查分析后，编写出版了 90年代的材料科学与工程 的报告。在报告中对材料的计算机分析与模型化做了比较充分的论述，认为材料科学与工程的性质正在发生变化，计算机分析与模型化技术的发展，将使材料科学从定性描述逐渐进入定量科学的阶段。,美国若干专业委员会（1989）, 90年代的材料科学与工程 ,计算材料学概述,计算材料学在材料研究中的地位（2）,计算材料学概述,计算材料学在材料研究中的地位（3）,计算材料学概述,计算材料学-前期回顾（1）,在20世纪80年代的中期，大量的计算材料学在美国很多的大学和国立实验室进行，在美国西北大学建立了一个多元的横跨大学/生产企业/政府的钢铁研究协会（srg）计划项目中心。 srg中心创立了工程哲学系统，探索普遍的方法，创建了数据库，以高性能钢作为研究对象，开发材料计算设计系统。结合材料用户、供应商和设计者的观点。以材料定量性能为目的，以科学理论模型为基础，设计开发了一些新合金。 在1983年的计算材料学gorden 研讨会上，该计算材料学系统广受好评，在美国被公认为五大权威技术，并将计算材料学作为美国主要的发展方向。,计算材料学概述,计算材料学在前期回顾（2）,1990年、1992年召开了以计算机辅助设计新材料开发为主体的第一、第二集国际会议。同时，有关计算材料学的国际性杂志也应运而生。如英国物理学会的“modelling and simulation in materials science and engineering”。 荷兰elsevier出版公司的“computational materials science”，和”materials design”。,计算材料学概述,计算材料学在前期回顾（3）,日本的大学材料系开设了与计算材料学有关的课程。 美国的橡树岭国家实验室（oak ridge national laboratory ，ornl， (/mri/) 美国国家标准和技术研究所（national institute of standards and technology，nist， ) center for theoretical and computational materials science （/mml/msed/ctcms.cfm） 美国麻省理工学院 (massachusetts institute of technology , mit, ) (/) 卡耐基-梅隆大学(carnegie mellon university, cmu,) (/cm2em/projects.html),在新计算材料学方面做出了重大的贡献,计算材料学概述,science文章所列举的计算材料设计的成功应用,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超晶格 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,计算材料学概述,计算材料学的内涵,通过模型化与计算实现对材料制备、加工、结构、性能和服役表现等参量或过程的定量描述； 理解材料结构与性能和功能之间的关系； 设计新材料； 缩短材料研制周期； 降低材料制造过程成本。,计算材料学概述,计算机模拟的作用,（1）计算机模拟是基础研究和工程应用的桥梁。 （2）计算机模拟指出了未来材料科学发展的方向。 （3）计算机模拟能够揭示材料科学和工程的不同方面。,计算材料学概述,计算机模拟与材料研究四面体关系,计算材料学概述,计算机模拟与材料研究四面体关系,基于原子尺度建模和高性能计算原子模拟(atomistic simulation)，是沟通理论与实验、微观与宏观的桥梁。,计算材料学概述,计算机模拟的重要意义,计算材料学概述,计算材料模拟的重要性材料的基本性质,计算材料学概述,计算材料模拟的重要性材料的电子结构,计算材料学概述,计算材料模拟的重要性材料的相图计算,计算材料学概述,计算材料模拟的重要性材料的结构计算,计算材料学概述,计算材料模拟的重要性材料的结构和物性计算,计算材料学概述,计算材料模拟的重要性预言新的结构相（1）,单键立方相氮（single-bonded cubic form of nitrogen）是高压高温的氮聚合体，可能与氮4相同可以作为炸药或高能材料。 2004年8月nature materials期刊中，德国人mikhail i. eremets与其同事，共同发表单键立方相氮的制程方法，将n2在一微小的雷射加热钻石小室内压缩至超过110 gpa，并加热大于2,000 k。 拉曼散射和x-ray资料显示，单键立方相氮是以单一共价键与三个相邻的原子做连结，但在室温下压力超过42 gpa时才稳定的。氮聚合体被预期是高度不稳定，因为n-n单键相当弱(160 kj/mole) ，分解至n2并形成较强的三键(954 kj/mole)将是高度放热的反应，必须有需更深远的实验决定是否适合用来做推进燃料或是爆炸物,计算材料学概述,计算材料模拟的重要性预言新的结构相（2）,这是以前从未看到过的锗元素。这种新合成的另类锗是一种低密度空（无客体）框架结构，或称插合物。它是利用一种新颖的、用于合成间金属化合物的合成路径制备出的，以一种离子溶液作为反应介质。人们之所以对这样的框架结构感兴趣，是因为它们有用作制造光电子装置的材料的潜力。,一种新合成的锗插合物,计算材料学概述,计算材料模拟的重要性解释相变机制（1）,计算材料学概述,计算材料模拟的重要性解释相变机制（2）,计算材料学概述,计算材料模拟的重要性解释相变机制（3）,计算材料学概述,计算材料模拟的重要性极端条件下的物质模拟（1）,/view/480160.htm,计算材料学概述,计算材料模拟的重要性极端条件下的物质模拟（2）,计算材料学概述,计算材料模拟的重要性极端条件下的物质模拟（3）,计算材料学概述,计算材料模拟的重要性对国家安全的贡献（1）,计算材料学概述,计算材料模拟的重要性对国家安全的贡献（2）,黑索今，或译海扫更，是英文hexogeon的译称，化学名：环三亚甲基三硝胺，缩写rdx ，一种军用高能炸药。 威力和感度都比tnt、苦味酸和特屈儿大，被子弹、碎片击中时会起爆。,计算材料学概述,计算材料模拟的重要性对国家安全的贡献（3）,计算材料学概述,计算材料模拟的重要性对国家安全的贡献（4）,计算材料学概述,计算材料模拟的重要性对国家安全的贡献（5）,计算材料学概述,计算模拟versus 实验,计算材料学概述,材料的原子与电子结构,计算材料学概述,原子模拟的基本思想（1）,分子和凝聚态物质是由原子聚合而成，其各种物理化学性质从根本上取决于组成材料原子及其电子的运动状态。 从能量的角度上看，处于平衡状态下的原子及其电子的运动应处于整个系统的最低能量状态或亚稳态。 描述原子及其电子运动的最根本物理基础是量子力学。求解多粒子体系量子力学方程必须针对所研究的具体内容而进行必要的简化和近似。,计算材料学概述,原子模拟的基本思想（2）,通过将原子与电子的运动近似脱耦，可以在经典牛顿力学水平上将原子作为经典粒子来描述原子的动力学和热力学行为，而原子间相互作用仍然必须由量子力学（或相应的近似）来描述。 微观尺度原子模拟给出的是原子水平上的信息，如原子的位置、速度、动量、动能等。将这些微观信息转换成凝聚态物质的宏观参量，如压强、温度、系统内能、合金熔解热等，其物理基础是统计力学。,计算材料学概述,计算材料模拟的时间与空间尺度,计算材料学概述,计算材料学的层次与特点-层次（1）,计算材料学是多学科交叉结合、相互渗透的新兴领域：,微观设计层次(micro)：空间尺度在1 nm量级，是原子、电子层次的设计 连续模型层次(continuum)： 典型尺度在1m量级，这时材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为； 工程设计层次(macro)：尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。,微观层次、介观层次、宏观层次三个层次； 也称为微观层次、连续模型层次、工程应用层次；,计算材料学概述,计算材料学的层次与特点-层次（2）,随着纳米技术的发展，也有将材料模型按尺度分为：,计算材料学也有划分为：,纳观(nano）、 介观（meso) 微观（micro)、宏观（macro),其对应的空间尺度为： 10-9m、10-6m、10-3m、100m,计算材料学概述,计算材料学的层次与特点-层次（3）,美国g. b. olson (/pub.html)领导的steel research group (srg) 认为，不同层次的计算设计主要是建立不同层次基于科学的数学模型（/srg.html）：,srg开展了凝固设计(10um)、相变设计(1.0um)、微观力学设计(0.1um)、纳米设计(1.0nm)和量子设计(0.1nm)五个层次方面的研究，并在实际应用方面取得了很好的成功。,美国ssi计划提出了量子、纳观、介观、宏观四个层次 ；,计算材料学概述,计算材料学的层次与特点-层次（4）,计算方法与相应空间尺度(微观层次),计算材料学概述,计算材料学的层次与特点-层次（5）,计算材料学概述,计算材料学的层次与特点-层次（6）,计算材料学方法与相应空间尺度(介观层次),计算材料学概述,计算材料学的层次与特点-层次（7）,计算材料学方法与相应空间尺度(宏观层次),计算材料学概述,计算材料学的层次与特点-特点（1）,多尺度-关联 模型,材料构造的基本特征-多尺度,多尺度蕴藏于物质世界、科学技术和工程的诸多领域: 宇宙形成、生命现象、大气环流，材料的成型与应用，以及物理和化学中的量子效应等。空间和时间方面的跨尺度与跨层次现象，以及相应的多尺度耦合反映了物质世界构造的基本性质。,计算材料学概述,计算材料学的层次与特点-特点（2）,多尺度-关联 模型,材料科学与工程的多学科化,计算材料学概述,计算材料学的层次与特点-特点（3）,多尺度-关联 模型,材料构造的基本特征-多尺度,计算材料学概述,计算材料学的层次与特点-特点（4）,多尺度-关联 模型,不同层次所用的理论及方法是不同的，不同层次间常常是交叉、联合的，不同层次的目的、任务及应用也不尽相同。,计算材料学方法与空间、时间尺度的对应关系,计算材料学概述,计算材料学的层次与特点-特点（5）,多尺度-关联 模型,材料科学将发展为材料系统科学，计算材料学也必将是系统设计。不同结构层次与不同性质的理论需要沟通，逐步形成有机联系的知识体系。 单一层次的设计必将被多层次设计所代替。多层次设计必须要建立多尺度材料模型(multiscale materials modeling, mmm) 和各层次间相互关联的数理模型。,多尺度材料模型是指包含一定空间和时间的多尺度材料模拟结合了以上各个尺度的模拟方法。 发展多尺度材料模型通常需要结合多个学科的方法和技术。 目前的多尺度耦合模型主要集中在原子模拟方法与连续介质力学的结合。,计算材料学概述,计算材料学中-多尺度材料模拟方法简介（1）,计算材料学概述,计算材料学中-多尺度材料模拟方法简介（2）,计算材料学概述,计算材料学中-多尺度材料模拟方法简介（3）,计算材料学概述,计算材料学中-多尺度材料模拟方法简介（4）,计算材料学概述,计算材料学中-多尺度材料模拟方法简介（5）,计算材料学概述,计算材料学中-跨尺度模拟的基本思路,计算材料学概述,计算材料学中-ssi计划,1999年美国能源部 energy_gov department 发表了关于材料部件的战略模拟计划（strategic simulation initiative,即ssi计划）。报告认为，太拉（1012）级计算机的出现，为材料科学带来了空前的机遇。 计划提出，新建立的“计算材料科学中心”要加快建设国家级的设施，组成各多学科研究人员的队伍，以迎接材料模拟计算设计的革命性大发展。,ssi计划的目标：实现可靠地计算预报实际材料性能的能力,计算材料学概述,计算材料学中-ssi计划-基本构想,当前的计算机能力已达到可以对包括几千个原子的大系统进行求解，因此